CN205562959U - 一种虚拟增强的光学设备以及望远镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种虚拟增强的光学设备以及望远镜，虚拟增强的光学设备包括与左右眼分别对应的第一实像光路和第二实像光路，所述第一实像光路和第二实像光路上均设有目镜和物镜；所述光学设备还包括与所述第一实像光路和第二实像光路分别对应的第一虚拟像源和第二虚拟像源，所述的第一虚拟像源经第一虚像光路耦合进入所述的第一实像光路，所述的第二虚拟像源经第二虚像光路耦合进入所述的第二实像光路；虚拟增强的光望远镜中的目镜和物镜构成望远镜光学系统。

Description

一种虚拟增强的光学设备以及望远镜

技术领域

本实用新型涉及虚拟现实领域，特别是涉及一种虚拟增强的光学设备以及望远镜。

背景技术

虚拟现实技术，其核心在于通过模拟人的五感，让人感觉到“真实”的虚拟世界。这个虚拟世界完全由虚拟元素构成。

增强现实技术则是通过在现实世界中加入虚拟元素，让人们的现实世界变得更加丰富。全息技术，是增强现实技术的一种，其特征在于，全息技术使用的虚拟元素，必须接近“真实”。以全息图像为例，它必须能够立体的存在于现实世界。

1962年，电影摄影师Morton Heilig构造了第一个多感知仿真环境的Sensorama Simulator。1968年，有VR"先锋"之称的计算机图形学的创始人Ivan Sutherland，在他的学生Bob Sproull的协助下，研制了第一台真正意义上的虚拟现实头盔式显示器HMD，The Sword of Damocles，达摩克利斯之剑。

2012年9月Palmer Luckey的Oculus Rift DK1在Kickstarter上众筹成功。2014年3月Facebook用约20亿美元收购Palmer Luckey等人创立的虚拟现实公司Oculus VR。2015年1月，微软在其win10发布会上同时发布了其增强现实产品hololens。hololens中holo意为全息，lens意为棱镜。除此以外，近年来，还有数量相当多的各种虚拟现实和增强现实设备。

但是无论是Oculus VR系列还是hololens以及其它的各种设备都存在着各种各样的问题：

其一，价格高昂。无论是Oculus VR还是微软的hololens，其价格都不是一个普通消费者可以接受的。

其二，眩晕问题。以下列举了两个会导致眩晕的因素：

首先，目前已经面世并计划商业推广的各种虚拟现实和增强现实设备使用的3d显示原理，都无可避免的会带来眩晕。其原因在于人眼看到的图像位于平面显示屏上，而人眼感觉的物体则不在平面显示屏上，这与人眼一般观感有冲突。

其次，目前已经面世并计划商业推广的各种虚拟现实和增强现实设备使用的各种软硬件都无法完美解决图像显示的延迟问题，即当人们头部运动时或人体运动时，各种虚拟现实和增强现实设备从感应到头部运动或人体运动，到显示图像发生变化，这之间的时间可以被人感知。这一问题可以通过使用更高级的硬件设备和优化软件来解决。但是更高级的硬件设备则意味着更高的价格。

公开号为CN105031918A的中国专利文献公开了一种基于虚拟现实技术的人机交互系统。包括虚拟现实眼镜；虚拟现实眼镜包括眼镜外壳、立体视镜、显示屏幕插口、显示屏幕和头带；显示屏幕通过显示屏幕插口与虚拟现实眼镜连接；立体视镜设置在用户眼部与显示屏幕之间；还包括眼镜控制模块和触摸传感器。该技术方案中就容易出现之前所述的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种结构简单，成本低，虚拟增强效果好的虚拟增强的光学设备以及望远镜。

本实用新型的技术方案为：

一种虚拟增强的光学设备，所述光学设备包括与左右眼分别对应的第一实像光路和第二实像光路，所述第一实像光路和第二实像光路上均设有目镜和物镜；所述光学设备还包括与所述第一实像光路和第二实像光路分别对应的第一虚拟像源和第二虚拟像源，所述的第一虚拟像源经第一虚像光路耦合进入所述的第一实像光路，所述的第二虚拟像源经第二虚像光路耦合进入所述的第二实像光路。

光学设备的两侧的安装有形成用于形成实像光路的目镜和物镜，在实像光路上设有用于提供虚拟画面的虚拟像源，虚拟画面通过虚像光路耦合叠加进入实像光路，在使用者眼中能够视野中看到叠加有虚拟画面的实物画面，通过虚拟像源的显示技术，能够达到虚拟增强的显示效果。为了减少左右视觉的相互干涉以提高虚拟效果，左右眼视觉的光路相互独立。虚像光路可以选在在实像光路的任意位置耦合，可以选择在物镜的上游，物镜和目镜之间，或者目镜和使用者之间等位置进行耦合，只要虚像光路能够与实像光路一同达到使用者就能形成叠加的虚拟增强效果。为扩大使用范围，第一实像光路和第二实像光路的光路设计可以选择相同设计，也可以选择不同设计；同样的第一虚像光路和第二虚像光路的光路设计可以选择相同设计，也可以选择不同设计。

作为优选，所述的第一虚拟像源和第二虚拟像源为分别位于第一实像光路和第二实像光路上的透明显示屏。

第一实像光路和第二实像光路分别穿过第一虚拟像源和第二虚拟像源，为保证虚像光路和实像光路的耦合，虚拟像源可以选择垂直于实像光路布置也可以选择倾斜布置并通过光学元件修正光路。当虚拟像源垂直于实像光路布置时，其中第一虚拟像源垂直于第一实像光路意味着以第一虚拟像源为起点的第一虚像光路与第一实像光路同光轴；同理第二虚拟像源垂直于第二实像光路意味着以第二虚拟像源为起点的第二虚像光路与第二实像光路同光轴。同时第一虚拟像源和第二虚拟像源为透明显示屏，因此第一实像光路和第二实像光路能够分别穿过第一虚拟像源和第二虚拟像源从而分别和第一虚像光路和第二虚像光路自动完成耦合，实现虚拟增强的目的。

作为优选，所述的第一实像光路中设有将第一虚像光路耦合进第一实像光路的第一半透过反射板；所述第二实像光路上设有将第二虚像光路耦合进第二实像光路的第二半透过反射板。

为优化成像效果，减少外界光束对于成像的影响，光学设备可以选择通过包围式的壳体遮蔽。同时虚拟像源可以采用例如固定在壳体上的显示屏、可移动的显示板、日常使用的数码产品等等多种形式，为扩大光学设备的使用范围，光学设备上设有用于将虚拟像源的虚拟画面耦合进入实像光路的半透过反射板。半透过反射板的特点在于允许特定条件的光束通过并反射特定条件的光束。在本申请的光学设备中应用效果为将虚像光路反射向目镜，允许实像光路从物镜达到目镜。同样的，为了减少左右眼视觉的相互干涉，半透过反射板独立对应左右眼布置。半透过反射板设计的好处在于能够适应多种不同的显示屏种类，从而在不影响使用效果的前提下大大扩大了产品的使用范围。

作为优选，所述第一半透过反射板和第二半透过反射板均位于对应光路上的目镜和物镜之间。

第一虚拟像源和第二虚拟像源均安装在壳体的侧边，分别朝向第一实像光路和第二实像光路；第一半透过反射板和第二半透过反射板均位于壳体内并处于目镜和物镜之间倾斜布置。第一虚拟像源和第二虚拟像源均安装在壳体的侧边的好处在于，能够利用例如手机等日常生活中的日常设备来充当虚拟像源提供虚拟画面，当第一虚拟像源和第二虚拟像源均朝向第一实像光路和第二实像光路安装时，虚像光路和实像光路的光轴相互垂直，无法完成耦合。因此在壳体内设有用于将虚像光路反射成与实像光路同向的半透过反射板；为减少光学设备的整体体积，半透过反射板布置在目镜和物镜之间，半透过反射板的特性使得实像光路能够完成与虚像光路的耦合。

作为优选，所述第一半透过反射板和第二半透过反射板均位于对应光路上物镜背向目镜的一侧。

壳体位于物镜的外侧设有背向目镜的延长段，其中背向所指代的含义为在光路顺序上的逆向，而非局限于空间结构上的背向。第一虚拟像源和第二虚拟像源均安装在该延长段上并分别朝向第一实像光路和第二实像光路，所述第一半透过反射板和第二半透过反射板均位于壳体外并朝向物镜倾斜布置。第一虚拟像源和第二虚拟像源均安装在壳体上的好处在于，能够利用例如手机等日常生活中的日常设备来充当虚拟像源提供虚拟画面，当第一虚拟像源和第二虚拟像源均朝向第一实像光路和第二实像光路安装时，虚像光路和实像光路的光轴相互垂直，无法完成耦合。因此虚像光路上设有用于将虚像光路反射成与实像光路同向的半透过反射板；半透过反射板的特性使得实像光路不会能够完成与虚像光路的耦合。在现实使用情况下，实像光路的光照强度会随外界条件变化，但是虚像光路的强度调节范围相对有限，因此半透过反射板布置在壳体外的好处在于能够通过调节半透过反射板的参数来调节实像光路和虚像光路的光照强度比值，增大了光学设备的适用范围。

作为优选，所述的第一虚像光路和第二虚像光路上均设有用于改变光路方向第一反射板。

第一虚拟像源和第二虚拟像源均安装在所述壳体的侧边，分别朝向与第一实像光路和第二实像光路的平行方向；所述第一半透过反射板和第二半透过反射板均位于壳体内并处于目镜和物镜之间倾斜布置；所述第一虚拟像源和第一半透过反射板之间设有用于将第一虚像光路反射到第一半透过反射板上的第一反射板，所述第二虚拟像源和第二半透过反射板之间设有用于将第二虚像光路反射到第二半透过反射板上的第二反射板。第一虚拟像源和第二虚拟像源均安装在壳体的侧边的好处在于，能够利用例如手机等日常生活中的日常设备来充当虚拟像源提供虚拟画面，当第一虚拟像源和第二虚拟像源均朝向第一实像光路和第二实像光路平行方向意味着虚像光路和实像光路同向，但是为了避免虚拟像源对于实像光路的影响，因此虚像光路和实像光路同向不同光轴，无法完成耦合。因此在壳体内设有用于将虚像光路反射成与实像光路垂直的反射板，后设有继续将虚像光路反射成与实像光路同轴的半透过反射板；为减少光学设备的整体体积，半透过反射板布置在目镜和物镜之间，半透过反射板的特性使得实像光路能够完成与虚像光路的耦合。

作为优选，所述的第一虚拟像源和第二虚拟像源位于同一显示屏上，所述的第一半透过反射板和第二半透过反射板位于同一块半透过反射板上，所述的第一反射板和第二反射板位于同一块反射板上。

为了缩小装置的整体体积，增加装置结构的共用率，减少成本，第一虚拟像源和第二虚拟像源位于同一显示屏的不同区域上；第一半透过反射板和第二半透过反射板位于同一块半透过反射板的不同区域上；第一反射板和第二反射板位于同一块反射板的不同区域上；显示屏、半透过反射板以及反射板的不同区域之间通过贯穿光学装置的隔板隔开形成互不影响的光学区域。

一种基于虚拟增强的光学设备的望远镜，所述目镜和物镜构成望远镜光学系统。

在使用虚拟增强设备时，使用者更希望能够与周边环境产生互动，但是环境中的一些物体在虚拟增强的使用情况下尺寸相对较小，容易出现互动效果不好或者识别不容易等技术问题，因此，目镜和物镜构成望远镜光学系统能够有效改善使用者的使用感受，并为进一步提高虚拟增强的互动感提供硬件基础。

作为优选，所述目镜和物镜中至少一侧为凹透镜。

目镜和物镜选用一面凹透镜的效果在于形成伽利略式或反伽利略式望远镜光学系统。该设计的好处在于望远镜光学系统形成的实像光路本身就能提供正立的实像，结构简单。

作为优选，所述目镜和物镜均为凸透镜。

目镜和物镜均为凸透镜形成开普勒式望远镜光学系统，该设计的好处在于能够提供更好的成像效果，但是因为开普勒式望远镜光学系统会形成倒立的实像，因此需要在望远镜光学系统中设置用于翻转成像的光学镜组。

本实用新型具有以下优点：

(1)半透过反射板的设计，使得在保证使用效果的前提下大大简化了整体结构，可靠度高。

(2)光学设计，不依赖与电子电路就能实现虚拟增强的效果，大大降低了制造和使用成本。

(3)实像光路和虚像光路耦合的设计，虚拟增强效果好，避免了容易出现眩晕或不真实等感观。

附图说明

图1为实施例一虚拟增强的望远镜示意图；

图2为实施例二虚拟增强的望远镜示意图；

图3为实施例三虚拟增强的望远镜示意图；

图4为实施例四虚拟增强的望远镜示意图；

图5为实施例五虚拟增强的望远镜示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型具体实施方式。

实施例一：

如图1所示，虚拟增强的望远镜包括壳体，壳体的两侧安装有目镜3和物镜2，其中目镜3为凹透镜，物镜2为凸透镜，构成伽利略式望远镜光学系统，虚拟像源1固定在壳体的上方，朝向壳体的底部，壳体内倾斜布置有半透过反射板4，用于将虚拟像源1上的虚拟画面反射进入目镜3，并允许从物镜2射入的实像到达目镜3。在壳体的宽度方向的中部布置有朝向实像光路方向的隔板5，隔板5将壳体、虚拟像源1、半透过反射板4以及目镜3和物镜2分隔开以独立供左右眼观察。

实施例二：

如图2所示，

虚拟增强的望远镜包括壳体，壳体的两侧安装有目镜3和物镜2，其中目镜3和物镜2均凸透镜，构成开普勒式望远镜光学系统，虚拟像源1固定在壳体内，朝向目镜3，虚拟像源1为透明显示屏，用于将虚拟画面射入目镜3，并允许从物镜2射入的实像到达目镜3。在物镜2和透明显示屏之间设有ROOF棱镜系统6以修正实像正反，在壳体的宽度方向的中部布置有朝向实像光路方向的隔板5，隔板5将壳体、透明显示屏以及目镜3和物镜2分隔开以独立供左右眼观察。

实施例三：

如图3所示，虚拟增强的望远镜包括壳体，壳体的两侧安装有目镜3和物镜2，其中目镜3和物镜2均凸透镜，构成开普勒式望远镜光学系统，虚拟像源1固定在壳体的上方，朝向壳体的底部，壳体内倾斜布置有半透过反射板4，用于将虚拟像源1上的虚拟画面反射进入目镜3，并允许从物镜2射入的实像到达目镜3。在物镜2和透明显示屏之间设有ROOF棱镜系统6以修正实像正反，在壳体的宽度方向的中部布置有朝向实像光路方向的隔板5，隔板5将壳体、虚拟像源1、半透过反射板4以及目镜3和物镜2分隔开以独立供左右眼观察。

实施例四：

如图4所示，虚拟增强的望远镜包括壳体，壳体的两侧安装有目镜3和物镜2，其中目镜3为凹透镜，物镜2为凸透镜，构成伽利略式望远镜光学系统，壳体位于物镜2的外侧设有背向目镜3的延长段，虚拟像源1安装在该延长段上朝向壳体的底部，物镜2外倾斜布置有半透过反射板4，用于将虚拟像源1上的虚拟画面反射进入目镜3，并允许从实体反射的光线射入物镜2到达目镜3。在壳体的宽度方向的中部布置有朝向实像光路方向的隔板5，隔板5将壳体、虚拟像源1、半透过反射板4以及目镜3和物镜2分隔开以独立供左右眼观察。

实施例五：

如图5所示，虚拟增强的望远镜包括壳体，壳体的两侧安装有目镜3和物镜2，其中目镜3为凸透镜，物镜2为凹透镜，构成反伽利略式望远镜光学系统，虚拟像源1固定在壳体安装有物镜2的侧壁，并朝向壳体安装有目镜3的侧壁，壳体内在虚像光路上依次倾斜布置有反射板7和半透过反射板4，用于将虚拟像源1上的虚拟画面反射进入目镜3，并允许从物镜2射入的实像到达目镜3。在壳体的宽度方向的中部布置有朝向实像光路方向的隔板5，隔板5将壳体、虚拟像源1、半透过反射板4以及目镜3和物镜2分隔开以独立供左右眼观察。

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

Claims (10)

1.一种虚拟增强的光学设备，其特征在于，所述光学设备包括与左右眼分别对应的第一实像光路和第二实像光路，所述第一实像光路和第二实像光路上均设有目镜和物镜；所述光学设备还包括与所述第一实像光路和第二实像光路分别对应的第一虚拟像源和第二虚拟像源，所述的第一虚拟像源经第一虚像光路耦合进入所述的第一实像光路，所述的第二虚拟像源经第二虚像光路耦合进入所述的第二实像光路。

2.如权利要求1所述的虚拟增强的光学设备，其特征在于，所述的第一虚拟像源和第二虚拟像源为分别位于第一实像光路和第二实像光路上的透明显示屏。

3.如权利要求1所述的虚拟增强的光学设备，其特征在于，所述的第一实像光路中设有将第一虚像光路耦合进第一实像光路的第一半透过反射板；所述第二实像光路上设有将第二虚像光路耦合进第二实像光路的第二半透过反射板。

4.如权利要求3所述的虚拟增强的光学设备，其特征在于，所述第一半透过反射板和第二半透过反射板均位于对应光路上的目镜和物镜之间。

5.如权利要求3所述的虚拟增强的光学设备，其特征在于，所述第一半透过反射板和第二半透过反射板均位于对应光路上物镜背向目镜的一侧。

6.如权利要求3所述的虚拟增强的光学设备，其特征在于，所述第一虚拟像源和第一半透过反射板之间设有用于将第一虚像光路反射到第一半透过反射板上的第一反射板，所述第二虚拟像源和第二半透过反射板之间设有用于将第二虚像光路反射到第二半透过反射板上的第二反射板。

7.如权利要求6所述的虚拟增强的光学设备，其特征在于，所述的第一虚拟像源和第二虚拟像源位于同一显示屏上，所述的第一半透过反射板和第二半透过反射板位于同一块半透过反射板上，所述的第一反射板和第二反射板位于同一块反射板上。

8.一种基于权利要求1～7任一项所述的虚拟增强的光学设备的望远镜，其特征在于，所述目镜和物镜构成望远镜光学系统。

9.如权利要求8所述的望远镜，其特征在于，所述目镜和物镜中至少一侧为凹透镜。

10.如权利要求8所述的望远镜，其特征在于，所述目镜和物镜均为凸透镜。