CN117148591A - 一种光机及ar眼镜 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光机及AR眼镜，涉及AR设备技术领域，本申请的光机，包括分光组件,分光组件同时承载投影光路和摄影光路，分光组件的两侧分别设置投影芯片和摄影芯片，光机包括进出光端口，用于接收环境光和出射投影光束，光机还包括第一透镜组，投影芯片出射的投影光束经过分光组件透射或者反射后由进出光端口出射，环境光透过第一透镜组并经过分光组件透射或者反射后入射摄影芯片。本申请提供的光机及AR眼镜，能够使投影模块的出光口和摄影模块的进光口位于同一中心，解决视觉不对齐及AR眼睛重量分布不均匀的问题。

Description

一种光机及AR眼镜

技术领域

本申请涉及AR设备技术领域，具体而言，涉及一种光机及AR眼镜。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。具体的，光机将虚拟的光学信息通过光波导投射至人的眼前，为了进一步提升体验感，通常会设置摄影模块，以拍摄现时的环境情况，结合图像识别拓展AR设备的功能。

对于AR眼镜来说，为了降低产品重量，提高能量的利用率和光能转换率，通常采用单光机双目的技术方案，即光波导上对应双眼设置双出瞳，对应一个光机设置一个入瞳，利用衍射的对称性，实现单光机带动双出瞳的效果，单光机双目型波导存在一定的不足，那就是其摄影和投影功能无法同时位于眼镜中心。在常见的设计中，投影模块位于眼镜的中心位置，用于投影虚拟图像。但这对于摄影装置来说，如果摄影模块不在中心位置，其捕捉到的现实世界图像可能与虚拟图像的位置和视角不匹配，从而导致视觉对齐问题，影响增强现实体验的逼真度和稳定性。其次摄影模块位于眼镜边缘会使得整个AR眼镜的重量分布就不够均匀，影响AR眼镜佩戴的舒适性。

发明内容

本申请的目的在于提供一种光机及AR眼镜，能够使投影模块的出光口和摄影模块的进光口位于同一中心，解决上述问题。

本申请的实施例一方面提供了一种光机，包括分光组件，分光组件同时承载投影光路和摄影光路，其两侧分别设置投影芯片和摄影芯片，光机包括进出光端口，用于接收环境光和出射投影光束，光机还包括第一透镜组，投影芯片出射的投影光束经过分光组件透射或者反射后由进出光端口出射，环境光透过第一透镜组并经过分光组件透射或者反射后入射摄影芯片。

作为一种可实施的方式，光机还包括光源，光源和投影芯片分别设置于分光组件相邻的两侧，光源出射的光束入射分光组件并经分光组件透射或者反射入射投影芯片，投影芯片对光束进行处理后出射投影光束，投影光束经过分光组件透射或者反射由进出光端口出射。

作为一种可实施的方式，分光组件包括一个分光镜，光源和摄影芯片沿第一方向设置于分光镜的两侧，第一透镜组和投影芯片沿第二方向设置于分光镜的两侧，第一方向与第二方向垂直，光源出射的光束入射分光镜，经过分光镜的反射后入射投影芯片，投影芯片对光束进行处理后出射投影光束，投影光束依次透过分光镜和第一透镜组后出射，环境光透过第一透镜组并经过分光镜反射后入射摄影芯片。

作为一种可实施的方式，分光组件包括沿第二方向设置的第一分光镜、第二透镜组和第二分光镜，光源设置于第二分光镜沿第一方向的一侧，投影芯片设置于第二分光镜远离第二透镜组的一侧，第一透镜组和进出光端口分别设置于第一分光镜沿第一方向的两侧，摄影芯片设置于第一透镜组远离第一分光镜的一侧。

作为一种可实施的方式，分光镜，或者，第一分光镜和第二分光镜为偏振分光镜，投影芯片为硅基液晶，摄影芯片为电荷耦合器件。

作为一种可实施的方式，分光组件包括沿第二方向设置的第一分光镜、第二透镜组和第二分光镜，第二分光镜包括与第二方向呈夹角的分光面，光源设置于分光面的外侧，投影芯片设置于第二分光镜沿第一方向的一侧，第一透镜组和进出光端口分别设置于第一分光镜沿第一方向的两侧，摄影芯片设置于第一透镜组远离第一分光镜的一侧，光源出射的光束透过第二分光镜入射投影芯片，投影芯片处理后出射的投影光束，投影光束依次经过第二分光镜的反射、第二透镜组的透射以及第一分光镜的反射后出射。

作为一种可实施的方式，投影芯片为数字微镜。

作为一种可实施的方式，投影芯片为微发光二极管显示器，分光组件包括一个分光镜，微发光二极管显示器位于分光镜的一侧，第一透镜组和进出光端口分别设置于分光镜相对的两侧，摄影芯片位于第一透镜组远离分光镜的一侧，微发光二极管显示器出射的光束经过分光镜的反射后出射，环境光依次透过分光镜和第一透镜组后入射摄影芯片。

作为一种可实施的方式，微发光二极管显示器与分光镜之间还设置有第三透镜组，用于对于微发光二极管显示器出射的光进行处理后入射分光镜。

本申请的实施例另一方面提供了一种AR眼镜，包括上述的光机以及设置于光机出光侧的光波导，光波导上设置有耦入区域和两个耦出区域，两个耦出区域分别位于耦入区域的两侧，光机出射的光束通过耦入区域耦入光波导。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的光机，包括分光组件，分光组件的两侧分别设置投影芯片和摄影芯片，光机包括进出光端口，用于接收环境光和出射投影光束，光机还包括第一透镜组，投影芯片出射的投影光束经过分光组件透射或者反射后由进出光端口出射，环境光透过第一透镜组并经过分光组件透射或者反射后入射摄影芯片。本申请利用分光组件的分光性，对于具有不同特征的光束，实现反射或者透射，应用于本申请中，对于环境光和投影光束，进行反射或者透射，使得环境光和投影光束由同一端口—进出光端口进入或者出射，使得投影芯片的出光口和摄影芯片的进光口位于同一中心，其中，摄影芯片用于获取现实世界图像，投影芯片用于投射虚拟图像，即使得现实世界图像和虚拟图像的视角匹配，解决了视觉不对齐的问题。另外，将光机进出光端口对准光波导的耦入区域，耦入区域位于两个耦出区域之间，可以将光机设置于AR眼镜的两个耦出区域之间，从而使得AR眼镜两侧的重量分布比较均匀，提高AR眼镜佩戴的舒适性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光机的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光机的光路示意图之一；

图3为本申请实施例提供的一种光机的光路示意图之二；

图4为本申请实施例提供的一种光机的光路示意图之三；

图5为本申请实施例提供的一种光机的光路示意图之四。

图标：10-光机；111-分光镜；112-第一分光镜；113-第二透镜组；114-第二分光镜；121-光源；122-投影芯片；123-微发光二极管显示器；13-摄影芯片；14-进出光端口；15-第一透镜组；16-第三透镜组。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例提供了一种光机10，如图1、图2、图3和图4所示，包括分光组件，分光组件同时承载投影光路和摄影光路，分光组件的两侧分别设置投影芯片122和摄影芯片13，光机10包括进出光端口14，用于接收环境光和出射投影光束，光机10还包括第一透镜组15，投影芯片122出射的投影光束经过分光组件透射或者反射后由进出光端口14出射，环境光透过第一透镜组15并经过分光组件透射或者反射后入射摄影芯片13。

本申请实施例提供的光机10，应用于AR眼镜，与AR眼镜的光波导中的耦入区域对应，用于将虚拟光电信号转化为光信号并输出至耦入区域，以及接收环境光并转化为电信号，实现投影和摄影两种功能。具体的，本申请实施例的光机10，包括分光组件，分光组件用于将入射的光束分为两束，一束反射，另一束透射。分光组件的两侧分别设置投影芯片122和摄影芯片13，投影芯片122出射的投影光束经过分光组件的透射或者反射后由进出光端口14出射，经过光波导在人眼前形成虚拟图像光。环境光透过第一透镜组15并经过分光组件透射或者反射后入射摄影芯片13，摄影芯片13接收环境光信号并将环境光信号转换为电信号。

摄影芯片13能够接收的环境光的视场角小于，投影芯片122输出的图像的视场角小于/>。

其中，分光组件的中分光镜111的个数以及位置布置，本申请不做具体限定，只要能够将有进出光端口14入射的环境光经过一次或多次的反射或者透射后入射摄影芯片13，且投影光束经过一次或者多次的反射或者透射由进出光端口14出射即可。

本申请利用分光组件的分光性，对于具有不同特征的光束，实现反射或者透射，应用于本申请中，对于环境光和投影光束，进行反射或者透射，使得环境光和投影光束由同一端口—进出光端口14进入或者出射，使得投影芯片122的出光口和摄影芯片13的进光口位于同一中心，其中，摄影芯片13用于获取现实世界图像，投影芯片122用于投射虚拟图像，即使得现实世界图像和虚拟图像的视角匹配，解决了视觉不对齐的问题。另外，将光机10应用于AR眼镜时，进出光端口14对准光波导的耦入区域，耦入区域位于两个耦出区域之间，可以将光机10设置于AR眼镜的两个耦出区域之间，从而使得AR眼镜两侧的重量分布比较均匀，提高AR眼镜佩戴的舒适性。

可选的，如图2、图3和图4所示，光机还包括光源121，光源121和投影芯片122分别设置于分光组件相邻的两侧，光源121出射的光束入射分光组件并经分光组件透射或者反射入射投影芯片122，投影芯片122对光束进行处理后出射投影光束，投影光束经过分光组件透射或者反射由进出光端口14出射。

当显示器为硅基液晶或者数字微镜时，需要额外的光源121提供光，此时，光机还包括光源121，将光源121和投影芯片122分别设置于分光组件相邻的两侧，能够在保证出射投影光束的前提下，使得各个部件之间的距离更近，进而减小光机10的体积。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1和图2所示，分光组件包括一个分光镜111，光源121和摄影芯片13沿第一方向（图2中的竖直方向）设置于分光镜111的两侧，第一透镜组15和投影芯片122沿第二方向设置于分光镜111的两侧，第一方向与第二方向垂直，光源121出射的光束入射分光镜111，经过分光镜111的反射后入射投影芯片122，投影芯片122对光束进行处理后出射投影光束，投影光束依次透过分光镜111和第一透镜组15后出射，环境光透过第一透镜组15并经过分光镜111反射后入射摄影芯片13。

具体的，如图2所示，光源121出射的光束（如图2中的虚线），入射分光镜111，分光镜111为偏振分光镜111，根据偏振分光镜111的作用原理，使得第一偏振光或者第二偏振光反射后入射投影芯片122，以第一偏折光为S偏振光进行说明，第一偏振光（以S偏振光为例进行说明）被偏振分光镜111反射后入射投影芯片122，投影芯片122接收S偏振光并记录，然后出射一束与S偏振光偏振方向正交的偏振光，即P偏振光（如图2中的点划线），作为投影光束，由于分光镜111为偏振分光镜111，对于入射的P偏折光进行透射，即投影光束透过分光镜111，后再透过第一透镜组15后由进出光端口14出射。

由进出光端口14进入的环境光透过第一透镜组15并入射分光镜111，环境光中有S偏振光和P偏振光，由于偏振分光镜111对S偏振光进行反射，从而使得S偏振光反射后入射摄影芯片13，摄影芯片13对入射的S偏振光进行处理获取现实世界图像。

上述以第一偏振光为S光进行说明投影光路和摄影的光路，需要说明的是，在实际应用中，第一偏振光也可以是P偏振光，第二偏振光可以是S偏振光，即分光镜反射P偏振光、透射S偏振光。

具体的，当分光镜111为偏振分光镜111，可以采用如图2所示的两个具有预设倾斜面的镜体组合而成，在两个倾斜面上设置偏振膜，其中，偏振膜的具体结构本申请实施例不做限制，示例的，可以是3M膜或者线栅膜。

本申请实施例的光机10将投影芯片122和摄影芯片13设置于分光镜111的两侧，采用同一进出光端口14出射虚拟图像光和接收现实世界图像光，解决了视觉不对齐及AR眼睛重量分布不均匀的问题。

可选的，如图3所示，分光组件包括沿第二方向设置的第一分光镜112、第二透镜组113和第二分光镜114，光源121设置于第二分光镜114沿第一方向的一侧，投影芯片122设置于第二分光镜114远离第二透镜组113的一侧，第一透镜组15和进出光端口14分别设置于第一分光镜112沿第一方向的两侧，摄影芯片13设置于第一透镜组15远离第一分光镜112的一侧。

具体的，如图3所示，光源121出射的光束（如图3中的虚线）入射第二分光镜114，第二分光镜114为偏振分光镜111，与实施例一相同，第一偏振光（以S偏振光为例进行说明）被第二分光镜114反射后入射投影芯片122，投影芯片122接收S偏振光并记录，然后出射一束与S偏振光偏振方向正交的偏振光，即P偏振光（如图3中的点划线），作为投影光束，由于第二分光镜114为偏振分光镜111，对于入射的P偏折光进行透射，即投影光束透过第二分光镜114，投影光束依次透过第二分光镜114和第二透镜组113后入射第一分光镜112，第一分光镜112对P偏振光经反射，投影光束反射后由进出光端口14出射。

由进出光端口14进入的环境光入射第一分光镜112，环境光中有S偏振光和P偏振光，由于偏振第一分光镜112对S偏振光进行透射，对P偏振光进行反射，从而使得S偏振光透射后入射第一透镜组15，第一透镜组15对环境光进行处理后入射摄影芯片13，摄影芯片13对入射的S偏振光进行处理获取现实世界图像。

需要说明的是，在实际应用中，第一偏振光也可以是P偏振光，第二偏振光可以是S偏振光，即第二分光镜反射P偏振光透射S偏振光。

本申请实施例通过第一分光镜112和第二分光镜114的配合，将投影芯片122和摄影芯片13设置于分光组件的两侧，采用同一进出光端口14出射虚拟图像光和接收现实世界图像光，解决了视觉不对齐及AR眼睛重量分布不均匀的问题。另外，采用第一分光镜112和第二分光镜114，使得投影光束转折后出射，并将第一透镜组15设置于第二分光镜114远离进出光端口14的一侧，使得第一透镜组15只负责环境光的处理，可以自由的调节第一透镜组15的焦距以使环境光更好的聚集于摄影芯片13。

本申请实施例的一种可实现的方式中，分光镜111，或者，第一分光镜112和第二分光镜114为偏振分光镜111，投影芯片122为硅基液晶，摄影芯片13为电荷耦合器件。

投影芯片122采用硅基液晶，硅基液晶具有稳定性好的优点，有利于虚拟图像的稳定显示。

可选的，如图4所示，分光组件包括沿第二方向设置的第一分光镜112、第二透镜组113和第二分光镜114，第二分光镜114包括与第二方向呈夹角的分光面，光源121设置于分光面的外侧，投影芯片122设置于第二分光镜114沿第一方向的一侧，第一透镜组15和进出光端口14分别设置于第一分光镜112沿第一方向的两侧，摄影芯片13设置于第一透镜组15远离第一分光镜112的一侧，光源121出射的光束透过第二分光镜114入射投影芯片122，投影芯片122处理后出射的投影光束，投影光束依次经过第二分光镜114的反射、第二透镜组113的透射以及第一分光镜112的反射后出射。

具体的，如图4所示，光源121出射的光束（如图4中的虚线），光束透过第二分光镜114入射投影芯片122，第二分光镜114为BS分光镜，使得部分光束透过第二分光镜114入射投影芯片122，投影芯片122处理后出射投影光束（如图4中的点划线），入射第二分光镜114，第二分光镜114对投影光束反射后，投影光束透过第二透镜组113后入射第一分光镜112，第一分光镜112对部分光束反射，使其通过进出光端口14出射。

由进出光端口14进入的环境光入射第一分光镜112并使部分光束透射，后再透过第一透镜组15，第一透镜组15对环境光进行处理后入射摄影芯片13，摄影芯片13对入射的光束进行处理获取现实世界图像。

本申请实施例的一种可实现的方式中，投影芯片122为数字微镜。

当投影芯片122为数字微镜时，数字微镜中的微镜的转动状态可以设置为+17°、0°、-17°三种，当微镜的转动状态设置为+17°、0°、-17°三种时，光源121出射的光束与第一方向和第二方向确定的平面呈34°角，这样，光源121出射的光束经过第二分光镜114后，光线偏折90°出射，使得光束沿第一方向出射。

数字微镜具有较高的对比度，当本申请实施例的投影芯片122应用于AR眼镜时，AR眼镜输出的虚拟图像具有更高的对比度。

可选的，如图5所示，投影芯片122为微发光二极管显示器123，分光组件包括一个分光镜111，微发光二极管显示器123位于分光镜111的一侧，第一透镜组15和进出光端口14分别设置于分光镜111相对的两侧，摄影芯片13位于第一透镜组15远离分光镜111的一侧，微发光二极管显示器123出射的光束经过分光镜111的反射后出射，环境光依次透过分光镜111和第一透镜组15后入射摄影芯片13。

当投影芯片122为微发光二极管显示器123时，微发光二极管显示器123的阵列中的每一个二极管都能发光，不需要光源121，微发光二极管显示器123出射的光束进入分光镜，分光镜111为BS分光镜，BS分光镜将光束中的部分反射后由进出光端口14出射。

由进出光端口14进入的环境光入射BS分光镜111，环境光中的部分光束透过第一分光镜112后在透过第一透镜组15，第一透镜组15对环境光进行处理后入射摄影芯片13，摄影芯片13对入射的光束进行处理获取现实世界图像。

微发光二激光显示器具有较高的响应速度，能够提高光机10的响应速度，避免延时。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图5所示，微发光二极管显示器123与分光镜111之间还设置有第三透镜组16，用于对于微发光二极管显示器123出射的光进行处理后入射分光镜111。

第三透镜组16对为发光二极管显示器出射的光束进行处理，具体的，可以是准直，收束等等，使得更多的光束以良好的角度入射分光镜111。

本申请实施例还公开了一种AR眼镜，包括上述的光机10以及设置于光机10出光侧的光波导，光波导上设置有耦入区域和两个耦出区域，两个耦出区域分别位于耦入区域的两侧，光机10出射的光束通过耦入区域耦入光波导。该AR眼镜包含与前述实施例中的光机10相同的结构和有益效果。光机10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光机，其特征在于，包括分光组件，所述分光组件同时承载投影光路和摄影光路，其两侧分别设置投影芯片和摄影芯片，所述光机包括进出光端口，用于接收环境光和出射投影光束，所述光机还包括第一透镜组，所述投影芯片出射的投影光束经过所述分光组件透射或者反射后由所述进出光端口出射，环境光透过所述第一透镜组并经过所述分光组件透射或者反射后入射所述摄影芯片。

2.根据权利要求1所述的光机，其特征在于，包括光源，所述光源和所述投影芯片设置于所述分光组件相邻的两侧，所述光源出射的光束经所述分光组件透射或者反射入射所述投影芯片，所述投影芯片对光束进行处理后出射投影光束，所述投影光束经过所述分光组件透射或者反射由所述进出光端口出射。

3.根据权利要求2所述的光机，其特征在于，所述分光组件包括一个分光镜，所述光源和所述摄影芯片沿第一方向设置于所述分光镜的两侧，所述第一透镜组和所述投影芯片沿第二方向设置于所述分光镜的两侧，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述光源出射的光束入射所述分光镜，经过所述分光镜的反射后入射所述投影芯片，所述投影芯片对光束进行处理后出射投影光束，所述投影光束依次透过所述分光镜和所述第一透镜组后出射，环境光透过所述第一透镜组并经过所述分光镜反射后入射所述摄影芯片。

4.根据权利要求2所述的光机，其特征在于，所述分光组件包括沿第二方向设置的第一分光镜、第二透镜组和第二分光镜，所述光源设置于所述第二分光镜沿第一方向的一侧，所述投影芯片设置于所述第二分光镜远离所述第二透镜组的一侧，所述第一透镜组和进出光端口分别设置于所述第一分光镜沿第一方向的两侧，所述摄影芯片设置于所述第一透镜组远离所述第一分光镜的一侧。

5.根据权利要求3或4所述的光机，其特征在于，所述分光镜，或者，所述第一分光镜和所述第二分光镜为偏振分光镜，所述投影芯片为硅基液晶，所述摄影芯片为电荷耦合器件。

6.根据权利要求2所述的光机，其特征在于，所述分光组件包括沿第二方向设置的第一分光镜、第二透镜组和第二分光镜，所述第二分光镜包括与第二方向呈夹角的分光面，所述光源设置于所述分光面的外侧，所述投影芯片设置于所述第二分光镜沿第一方向的一侧，所述第一透镜组和进出光端口分别设置于所述第一分光镜沿第一方向的两侧，所述摄影芯片设置于所述第一透镜组远离所述第一分光镜的一侧，光源出射的光束透过所述第二分光镜入射所述投影芯片，投影芯片处理后出射的投影光束，所述投影光束依次经过所述第二分光镜的反射、所述第二透镜组的透射以及第一分光镜的反射后出射。

7.根据权利要求6所述的光机，其特征在于，所述投影芯片为数字微镜。

8.根据权利要求1所述的光机，其特征在于，所述投影芯片为微发光二极管显示器，所述分光组件包括一个分光镜，所述微发光二极管显示器位于所述分光镜的一侧，所述第一透镜组和进出光端口分别设置于所述分光镜相对的两侧，所述摄影芯片位于所述第一透镜组远离所述分光镜的一侧，所述微发光二极管显示器出射的光束经过所述分光镜的反射后出射，环境光依次透过所述分光镜和第一透镜组后入射所述摄影芯片。

9.根据权利要求8所述的光机，其特征在于，所述微发光二极管显示器与所述分光镜之间还设置有第三透镜组，用于对于微发光二极管显示器出射的光进行处理后入射所述分光镜。

10.一种AR眼镜，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的光机以及设置于所述光机出光侧的光波导，所述光波导上设置有耦入区域和两个耦出区域，两个所述耦出区域分别位于所述耦入区域的两侧，所述光机出射的光束通过所述耦入区域耦入所述光波导。