CN113884028A - 一种ar几何阵列光波导测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增强现实技术领域，具体涉及一种AR几何阵列光波导测量方法和装置。该方法包括：将激光器发射的激光入射到光波导内；利用光波导内半透半反面阵列对入射的激光出射，产生反射的出射光线；各个半透半反面的出射光线出射到承接屏上产生数量相对应的光斑；通过相机拍摄出射的光斑位置图像并处理，根据光斑位置计算倾角偏移量，得到光斑的均匀性及是否偏移，以判断光波导内半透半反面的平行度。本发明能够计算半透半反面阵列发生倾角发生的偏移量，根据光斑的均匀性判断半透半反面的平行度，并将半透半反面的偏移量进行量化，以解决多个半透半反面没有严格平行时出现各种杂光和不良好的显示效果，影响到AR成像的最终画面显示效果的问题。

Description

一种AR几何阵列光波导测量方法和装置

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，涉及计算机增强现实、光波导、几何阵列光波导技术，特别是涉及一种AR几何阵列光波导测量方法和装置。

背景技术

随着全球政策、经济、社会、技术环境的不断优化以及计算机技术的发展，虚拟现实将作为未来发展重点，其中，AR行业应用前景广阔，AR极有可能成为改变人类生活方式的一项重要的技术，发展成为下一代的计算平台。

AR是增强现实（Augmented Reality）的英文缩写，是一种利用显示芯片、摄像设备、传感器等设备，对现实影像的位置进行感知和计算，再将虚拟影像叠加到现实影像上从而实现虚拟和现实相拼合的计算机技术。目前，通过计算机图形与仿真技术、感知技术以及网络技术等将虚拟现实（Virtual Reality）到真实环境背景中的增强现实(AugmentedReality），并结合混合现实实(Mixed Reality）的高端的技术模拟系统已得到迅猛发展。

而在AR行业中，AR作为一个集合多种技术的一个系统性的一个技术，包括光学成像技术、芯片处理技术、虚实结合技术、图像处理识别技术、人体工学技术以及app应用生态的建设。其中，光学显示模块部分作为AR领域中重要的核心部件，在众多的光学显示方案中，光波导显示方案是一种极其有潜力的一个显示方案，它的优势表现在轻薄方面，形态类似于传统眼镜，显得很轻薄。对于几何光波导采用多个阵列的半透半反面形成出瞳扩展的效果，原理较为简单，但是对工艺要求极为严格。当多个半透半反面没有严格平行时，就会出现各种杂光和不良好的显示效果。这时AR的光波导测量技术就显得极为重要，对光波导半透半反面阵列的平行度测量显得极为重要。目前没有明显的良好的方案对半透半反面阵列平行度进行测量。

尤其是AR几何阵列光波导的测量极为重要，各阵列反射面的平行度测量关乎成像质量。目前相关设计方案以模拟结果为主要参考，实际效果验证方案及其有限。

发明内容

为了解决AR几何阵列光波导各个半透半反面的平行度测量，在多个半透半反面没有严格平行时出现各种杂光和不良好的显示效果，影响到AR成像的最终画面显示效果的问题，本发明实施例的目的在于提供了一种AR几何阵列光波导测量方法和装置，以进行高精度测量各个半透半反面平行度，解决AR几何阵列光波导各个半透半反面的平行度测量问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：

第一方面，在本发明提供的一个实施例中，提供了一种AR几何阵列光波导测量方法，包括以下步骤：

将激光器发射的激光入射到光波导内；

利用光波导内半透半反面阵列对入射的激光出射，产生反射的出射光线；

各个半透半反面的出射光线出射到承接屏上产生数量相对应的光斑；

通过相机拍摄出射的光斑位置图像并处理，根据光斑位置计算倾角偏移量，得到光斑的均匀性及是否偏移，以判断光波导内半透半反面的平行度。

在本发明提供的一些实施例中，所述激光器出射低能量激光，所述激光器的出射激光经过准直系统校准后进入光波导，所述激光器的出射激光为沿光波导侧面中心区域垂直入射的激光光束。

在本发明提供的一些实施例中，所述相机为设置在承接屏背面的CCD相机，对出射的光斑位置进行记录，得到光斑位置图片。

在本发明提供的一些实施例中，根据光斑位置计算倾角偏移量的方法为：

获取相机拍摄的光斑位置图片；

对光斑位置图片进行处理取得光斑位置的强度信息波形图；

波形图的各个波峰位置代表光斑的位置，得到光斑中心位置以及光斑之间的间距；

根据光斑中心位置以及光斑之间的间距计算倾角偏移量，以判断是否有偏移，并判断半透半反面的平行度。

在本发明提供的一些实施例中，所述AR几何阵列光波导测量方法，还包括：对倾角偏移量进行量化，所述倾角偏移量的计算方法，包括：

获取承接屏上光斑位置图片，对光斑位置图片进行处理后得到光斑中心位置以及光斑之间的间距；

根据光斑之间的间距以及两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的理论间隔，计算出射光线在承接屏上的位置偏移量；

根据测量的光波导和承接屏的距离，计算半透半反面阵列的角度偏移量。

在本发明提供的一些实施例中，所述半透半反面阵列的角度偏移量的计算公式为：

式中，

为半透模阵列发生倾斜时的角度偏移量，Δd为激光光线在承接屏上引起一个光斑位置偏移量，距离

表示光波导和承接屏之间的距离。

在本发明提供的一些实施例中，两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的理论间隔的计算方法为：

获取光波导的波导片中半透半反面阵列与波导片的设计倾角；

获取两个半透半反面阵列在波导方向的间隔、波导片的厚度；

根据获取的设计倾角、两个半透半反面阵列的间隔、以及波导片的厚度，计算两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔。

在本发明提供的一些实施例中，所述两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔的计算公式为：

式中，M为两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔，

为半透半反面阵列与光波导的设计倾角，b为两个半透半反面阵列在光波导方向的间隔，T光波导的设计厚度。

第二方面，在本发明提供的另一个实施例中，提供了一种AR几何阵列光波导测量装置，所述AR几何阵列光波导测量装置采用前述AR几何阵列光波导测量方法对光波导半透半反面阵列的平行度测量；所述AR几何阵列光波导测量装置包括：

激光器，所述激光器的出射激光入射到光波导内进行全反射传输；以及

承接屏，位于光波导内半透半反面阵列的出射光线的光路上，且平行于所述光波导设置。

在本发明提供的一些实施例中，所述激光器用于发射低能量激光，所述激光器内还安装有准直装置，用于对激光器的出射激光校准后进入光波导全反射传输。

在本发明提供的一些实施例中，所述AR几何阵列光波导测量装置还包括：

CCD相机，所述CCD相机设置在承接屏的后端，用于对承接屏上出射光线产生的激光光斑图像采集。

本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的AR几何阵列光波导测量方法和装置，能够通过激光进行半透半反面阵列反射产生出射光线，测量出射到承接屏上产生数量相对应的光斑的偏移量以及承接屏与光波导的间距，根据光波导已知的设计参数计算实际测量过程中光线发生的偏移量，进而计算半透半反面阵列发生倾角发生的偏移量，可以根据光斑的均匀性判断半透半反面的平行度，并将半透半反面的偏移量进行量化，以解决多个半透半反面没有严格平行时出现各种杂光和不良好的显示效果，影响到AR成像的最终画面显示效果的问题。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对示例性实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中激光出射的原理示意图。

图3为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中FOV视场内出射光线的原理示意图。

图4为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中承接屏上光斑的分布示意图。

图5为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中相机采集光斑位置的原理示意图。

图6为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中光斑位置计算倾角偏移量的流程图。

图7为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中光斑强度信息波形图示意图。

图8为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中倾角偏移量计算的流程图。

图9为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中半透半反面无偏移量的光线反射示意图。

图10为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中半透半反面有偏移量的光线反射示意图。

图11为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中半透半反面阵列面发生偏移的光线示意图。

图12为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中理论间隔计算的流程图。

图13为本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法中出射激光光线间隔计算的原理示意图。

附图标记说明：

1、激光器；2、光波导；3、半透半反面阵列；4、承接屏；5、相机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

下面将结合本发明示例性实施例中的附图，对本发明示例性实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对目前没有明显的良好的方案对半透半反面阵列平行度进行测量的问题。本发明实施例提供的一种AR几何阵列光波导测量方法和装置，以进行高精度测量各个半透半反面平行度，解决AR几何阵列光波导各个半透半反面的平行度测量问题。

以下结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参阅图1所示，图1为本发明提供的一种AR几何阵列光波导测量方法的流程图。本发明的一个实施例提供了一种AR几何阵列光波导测量方法，包括以下步骤：

S1、将激光器发射的激光入射到光波导内。

在本实施例中，参见图2所示，所述激光器1出射低能量激光，例如：激光器1为氦氖激光器。所述激光器1的出射激光经过准直系统校准后进入光波导2内进行全反射传输，随后到达半透半反面出射出出射光线。

在本实施例中，所述激光器1的出射激光为沿光波导2侧面中心区域垂直入射的激光光束。具体的，所述光波导2侧面形成有一个固定的楔角，楔角使激光器1发射的激光垂直耦合进入光波导2内，从耦合入射区域中部入射的激光光束经光波导2全反射传输后，在耦合出射区域中心区域形成FOV视场的正中心视场的出射光线。

参见图3所示，激光器1出射激光束经过波导片上，波导片有一个固定的楔角垂直耦合进入波导片内，从耦合区域中部入射的激光光束，即为FOV视场的正中心视场，也即出射为半透半反阵列的中心区域，为第三个半透半反中间区域。

S2、利用光波导内半透半反面阵列对入射的激光出射，产生反射的出射光线。

在本实施例中，在光波导2内进行全反射传输的激光器1发射的激光到达半透半反面后出射，通常N个半透半反面会反射出N条出射光线。参见图2所示，演示的光波导2中有五个半透半反面阵列3，即出射有五条光线。使用光杠杆放大原理，根据出射光斑的均匀性，偏移距离，判断是否波导半透半反面平行度问题。

S3、各个半透半反面的出射光线出射到承接屏上产生数量相对应的光斑。

在本实施例中，承接屏4位于半透半反面的出射光线的光路上，其中，承接屏4平行于光波导2设置。参见图4所示，各个半透半反面的激光光束出射到承接屏4上，为均匀分布的n个光斑，n对应为半透半反面的个数。

如图4所示，承接屏4上的激光光斑数的对应为半透半反面个数，根据激光光斑的分布的均匀性/偏移量，判断半透半反面平行度。

S4、通过相机拍摄出射的光斑位置图像并处理，根据光斑位置计算倾角偏移量，得到光斑的均匀性及是否偏移，以判断光波导内半透半反面的平行度。

在本实施例中，所述相机5为设置在承接屏4背面的CCD相机，对出射的光斑位置进行记录，得到光斑位置图片。

参见图5所示，在承接屏4的后端设置有CCD相机，可对出射的光斑位置进行记录，随后数据进行计算。如图5所示，设置CCD相机，对承接屏4进行光斑位置进行记录，使得测量相关数据进行可视化。通过CCD记录的图片，即可以通过图片处理精确判断光斑位置，从而进行相关计算。

在本发明提供的一个实施例中，参见图6所示，根据光斑位置计算倾角偏移量的方法，包括：

S101、获取相机拍摄的光斑位置图片；

S102、对光斑位置图片进行处理取得光斑位置的强度信息波形图；

S103、波形图的各个波峰位置代表光斑的位置，得到光斑中心位置以及光斑之间的间距；

S104、根据光斑中心位置以及光斑之间的间距计算倾角偏移量，以判断是否有偏移，并判断半透半反面的平行度。

在本实施例中，参见图4和图7所示，光斑偏移的位置，对应为半透半反面的倾角偏移量。图4为拍摄的CCD图像，图7为通过CCD拍摄的图像进行处理，得到的相关波峰位置数据，如图7所示，通过CCD拍摄的光斑图像进行处理，可以取得各个波峰位置，各个波峰的峰值位置即代表了光斑的位置，即可以得到光斑的间距是否均是否有偏移，然后根据光斑的均匀性判断半透半反面的平行度。

在本发明提供的一个实施例中，参见图8所示，提供了一种AR几何阵列光波导测量方法，还包括对倾角偏移量进行量化。所述倾角偏移量的计算方法，包括：

S201、获取承接屏上光斑位置图片，对光斑位置图片进行处理后得到光斑中心位置以及光斑之间的间距；

S202、根据光斑之间的间距以及两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的理论间隔，计算出射光线在承接屏上的位置偏移量；

S203、根据测量的光波导和承接屏的距离，计算半透半反面阵列的角度偏移量。

在本实施例中，参见图9和图10所示，表示半透半反面阵列3有

的一个误差，会导致光线有一个2倍的

角度偏移。该关系也是本方案测量过程中的一个重要的关系，参见图9所示，横线表示半透明阵列的方向，然后以30度角度入射光线，然后光线会以30度角度出射，当半透半反面阵列3发生

=3°的倾斜的时候，入射光线还是原来的角度入射，这时候出射，光线会以会发生

=30°-24°=6°的偏移。其中，tan

=Δd/l，此时可对偏移量进行量化。

量化公式为：

。

如图11所示，实线表示，半透半反面阵列3面未发生偏移时的激光光线的传输方向，虚线表示，半透模阵列发生

角度偏移时光线传输的方向，这时候会在承接屏4上引起一个Δd位置偏移，根据Δd的光斑位置偏移可以计算的半透半反面阵列3发生的倾角变化，其中，光波导2和承接屏4的距离

，这时候根据Δd光斑的位置偏移，轻易可以计算半透半反面阵列3的角度偏移量。所述角度偏移量的计算公式为：

式中，

为半透模阵列发生倾斜时的角度偏移量，Δd为激光光线在承接屏上引起一个光斑位置偏移量，距离

表示光波导和承接屏之间的距离。

在本发明实施例中，参见图12所示，两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的理论间隔的计算方法为：

S301、获取光波导的波导片中半透半反面阵列与波导片的设计倾角；

S302、获取两个半透半反面阵列在波导方向的间隔、波导片的厚度；

S303、根据获取的设计倾角、两个半透半反面阵列的间隔、以及波导片的厚度，计算两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔。

在本实施例中，参见图13所示，在波导片中，半透半反面阵列3与波导的设计倾角为

，两个半透半反面阵列3在波导方向的间隔为b，波导的设计厚度为T，激光从右侧全反射入射到第一片半透半反面阵列3上，在波导片内发生两次全反射入射到相邻的半透半反面阵列3上，随后出射光线，两个相邻半透半反面阵列3出射激光光线的间隔为M，通过计算M的表达式为：

式中，M为两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔，

为半透半反面阵列与光波导的设计倾角，b为两个半透半反面阵列在光波导方向的间隔，T光波导的设计厚度。

由此，可以根据光波导2设计参数，已知的参数，计算相邻的半透半反面阵列3出射的光线的间隔，实际测量过程中光线发生的偏移量可以计算半透半反面阵列3发生倾角发生的偏移量。实际测量方案中可以根据测量精度需要改变光波导2和承接屏4的距离，实现了高精度测量。

本发明的AR几何阵列光波导测量方法，能够通过激光进行半透半反面阵列3反射产生出射光线，测量出射到承接屏4上产生数量相对应的光斑的偏移量以及承接屏4与光波导2的间距，根据光波导2已知的设计参数计算实际测量过程中光线发生的偏移量，进而计算半透半反面阵列3发生倾角发生的偏移量，可以根据光斑的均匀性判断半透半反面的平行度，并将半透半反面的偏移量进行量化，解决目前没有明显的良好的方案对半透半反面阵列3平行度进行测量的问题。

应该理解的是，上述虽然是按照某一顺序描述的，但是这些步骤并不是必然按照上述顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，本实施例的一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在本发明提供的一个实施例中，如图2和图5所示，在本发明提供的优选实施方式中，一种AR几何阵列光波导测量装置，包括光波导2、激光器1、承接屏4以及CCD相机5。其中：

所述光波导2内设置有半透半反面阵列3。

所述激光器1的出射激光入射到所述光波导2侧面耦合入射区域中部入射，并在光波导2内进行全反射的传输。在本实施例中，所述激光器1为氦氖激光器，用于发射低能量激光，所述激光器1内还安装有准直装置，用于对激光器1的出射激光校准后进入光波导2全反射传输。

所述承接屏4位于所述半透半反面阵列3的出射光线的光路上，且平行于所述光波导2设置。

所述CCD相机设置在承接屏4的后端，用于对承接屏4上出射光线产生的激光光斑图像采集。

在本实施例中，AR几何阵列光波导测量装置在执行时采用如前述的一种AR几何阵列光波导测量方法的步骤，因此，本实施例中对AR几何阵列光波导测量装置的运行过程不再详细介绍。

综上所述，本发明提供的技术方案具有以下优点：

本发明提供的AR几何阵列光波导测量方法和装置，能够通过激光进行半透半反面阵列3反射产生出射光线，测量出射到承接屏4上产生数量相对应的光斑的偏移量以及承接屏4与光波导2的间距，根据光波导2已知的设计参数计算实际测量过程中光线发生的偏移量，进而计算半透半反面阵列3发生倾角发生的偏移量，可以根据光斑的均匀性判断半透半反面的平行度，并将半透半反面的偏移量进行量化，以解决多个半透半反面没有严格平行时出现各种杂光和不良好的显示效果，影响到AR成像的最终画面显示效果的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种AR几何阵列光波导测量方法，其特征在于，包括：

将激光器发射的激光入射到光波导内；

利用光波导内半透半反面阵列对入射的激光出射，产生反射的出射光线；

各个半透半反面的出射光线出射到承接屏上产生数量相对应的光斑；

通过相机拍摄出射的光斑位置图像并处理，根据光斑位置计算倾角偏移量，得到光斑的均匀性及是否偏移，以判断光波导内半透半反面的平行度。

2.如权利要求1所述的AR几何阵列光波导测量方法，其特征在于，所述相机为设置在承接屏背面的CCD相机，对出射的光斑位置进行记录，得到光斑位置图片。

3.如权利要求2所述的AR几何阵列光波导测量方法，其特征在于，根据光斑位置计算倾角偏移量的方法为：

获取相机拍摄的光斑位置图片；

对光斑位置图片进行处理取得光斑位置的强度信息波形图；

波形图的各个波峰位置代表光斑的位置，得到光斑中心位置以及光斑之间的间距；

根据光斑中心位置以及光斑之间的间距计算倾角偏移量，以判断是否有偏移，并判断半透半反面的平行度。

4.如权利要求1所述的AR几何阵列光波导测量方法，其特征在于，所述AR几何阵列光波导测量方法，还包括：对倾角偏移量进行量化，所述倾角偏移量的计算方法，包括：

获取承接屏上光斑位置图片，对光斑位置图片进行处理后得到光斑中心位置以及光斑之间的间距；

根据光斑之间的间距以及两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的理论间隔，计算出射光线在承接屏上的位置偏移量；

根据测量的光波导和承接屏的距离，计算半透半反面阵列的角度偏移量。

5.如权利要求4所述的AR几何阵列光波导测量方法，其特征在于，所述半透半反面阵列的角度偏移量的计算公式为：

式中，

为半透模阵列发生倾斜时的角度偏移量，Δd为激光光线在承接屏上引起一个光斑位置偏移量，距离

表示光波导和承接屏之间的距离。

6.如权利要求5所述的AR几何阵列光波导测量方法，其特征在于，两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的理论间隔的计算方法为：

获取光波导的波导片中半透半反面阵列与波导片的设计倾角；

获取两个半透半反面阵列在波导方向的间隔、波导片的厚度；

根据获取的设计倾角、两个半透半反面阵列的间隔、以及波导片的厚度，计算两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔。

7.如权利要求6所述的AR几何阵列光波导测量方法，其特征在于，所述两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔的计算公式为：

式中，M为两个相邻半透半反面阵列出射激光光线的间隔，

为半透半反面阵列与光波导的设计倾角，b为两个半透半反面阵列在光波导方向的间隔，T光波导的设计厚度。

8.一种AR几何阵列光波导测量装置，其特征在于，所述AR几何阵列光波导测量装置采用权利要求1-7中任意一项所述AR几何阵列光波导测量方法对光波导半透半反面阵列的平行度测量；所述AR几何阵列光波导测量装置包括：

激光器，所述激光器的出射激光入射到光波导内进行全反射传输；以及

承接屏，位于光波导内半透半反面阵列的出射光线的光路上，且平行于所述光波导设置。

9.如权利要求8所述的AR几何阵列光波导测量装置，其特征在于，所述激光器用于发射低能量激光，所述激光器内还安装有准直装置，用于对激光器的出射激光校准后进入光波导全反射传输。

10.如权利要求8所述的AR几何阵列光波导测量装置，其特征在于，还包括：

CCD相机，所述CCD相机设置在承接屏的后端，用于对承接屏上出射光线产生的激光光斑图像采集。

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