CN207336930U - 一种增强现实的智能眼镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种增强现实的智能眼镜，包括在光的传播路径上顺序设置的显示模块、转像镜、离轴曲面半反射镜；所述转像镜包括按所述顺序设置的自由曲面透镜、非球面透镜、球面正透镜和双胶合透镜组。本实用新型适用于多种增强现实应用场景。
Description
技术领域
本实用新型涉及增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)领域，特别是基于增强现实技术、便于携带的智能眼镜。
背景技术
增强现实技术是一种于20世纪90年代被Thomas P.Caudell和David W.Mizell提出的技术，其主要特征是将虚拟的信息叠加到现实场景中，以实现对现实的增强。增强现实技术能够把虚拟信息(如物体、图片、视频、声音等等)融合在现实环境中，将现实世界丰富起来，构建一个更加全面、更加美好的世界。随着近年来可穿戴设备逐渐进入人们的事业和生活，特别是智能眼镜行业的发展使人们与增强现实技术之间的距离又进了一步。正是由于智能眼镜的发展，使得基于增强现实技术的便利应用成为可能。
基于增强现实技术的智能眼镜，集成了眼镜、手机、电脑的功能，在日常生活中带来了很多便利。基于增强现实技术的智能眼镜在工业现场、管道维修、智能家居等领域的应用越来越普及。
目前基于增强现实技术的智能眼镜在技术上正朝着高分辨率、轻便化、大视场和无附件的方向发展。智能眼镜的光学系统有采用平面光波导的方式，利用光线在平面光波导元件中的全反射传播光束。智能眼镜的光学系统还有使用自由曲面棱镜设计显示模组。上述设计中的光波导元件和自由曲面棱镜是作为放置在人眼前作为一种附加镜片，另外还需配置遮挡这些光波导元件和自由曲面棱镜的外部镜片，因此导致智能眼镜体积大，重量大，外形和人们常用的正常眼镜差异较大，外观怪异，佩戴非常不方便。
实用新型内容
为了解决现有基于增强现实技术的智能眼镜存在的体积大，重量大，佩戴不便的问题，本实用新型提供了一种增强现实的智能眼镜。
本实用新型的技术方案如下。
一种增强现实的智能眼镜，包括在光的传播路径上顺序设置的显示模块、转像镜、离轴曲面半反射镜；所述转像镜包括按所述顺序设置的自由曲面透镜、非球面透镜、球面正透镜和双胶合透镜组。
所述转像镜的光学系统为离轴系统。
所述球面正透镜的光轴和所述双胶合透镜组光轴一致。
所述自由曲面透镜和所述非球面透镜偏心设置。
所述球面正透镜和所述双胶合透镜组的材质为光学玻璃。
所述自由曲面透镜和所述非球面透镜的材质为塑料。
所述显示模块包括LCOS或OLED。
所述离轴曲面半反射镜的内外表面的曲面表达式为：
其中r为曲率半径，X,Y,Z为曲面上点的空间坐标，k为曲面二次系数。
所述非球面透镜的曲面表达式为：
其中r为曲率半径，X,Y,Z为曲面上点的空间坐标，k为曲面二次系数，A,B,C,D为偶次项系数。
所述自由曲面透镜的曲面表达式为：
其中r为曲率半径，X,Y,Z为曲面上点的空间坐标，k为曲面二次系数，Cj为对应多项式xmyn的系数。
本实用新型的技术效果如下。
本实用新型的技术方案不需要设置棱镜及遮挡棱镜的镜片等附加镜片，离轴曲面半反射镜是人眼前的唯一镜片，虚拟图像被投射到离轴曲面半反射镜后进入人眼，让用户观察到虚拟图像。整个系统结构紧凑，降低了眼镜的体积与重量，外观和正常近视眼镜类似，实现了本实用新型的目的。
附图说明
图1为本实用新型光学系统结构示意图。
图2为离轴曲面半反射镜的光路示意图。
图3为实施例的虚拟场景的调制传递函数。
图4为实施例的真实场景的调制传递函数。
图5为实施例的虚拟图像的网格畸变图。
图中标识说明如下：
100、光阑；101、离轴曲面半反射镜；102、双胶合透镜组；103、球面正透镜；104、非球面透镜；105、自由曲面透镜；106、显示模块；201、转像镜。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明。
本实用新型的智能眼镜光学系统适用于单目或者双目光学眼镜。图1显示了本实用新型智能眼镜光学系统的一个实施例，为双目光学眼镜。其中，o`o线代表智能眼镜的中线，即佩戴智能眼镜后，人两眼之间的中线。o`o线右侧代表右侧镜的光学系统；o`o线左侧代表左侧镜的光学系统。o`o线左右两侧的光学系统对称，两套光学系统的原理与构成都是相同的，其中，标识序号相同(例如100和100`)的部件，其元件是完全相同的，功能也完全相同。在以下的说明中，以o`o线右侧的光学系统为例进行说明，o`o线左侧的光学系统不再赘述。
图1所示的光学系统，按光的传输顺序，在光的传播路径上顺序设置显示模块106、转像镜201、离轴曲面半反射镜101。光阑100这里是指人眼的瞳孔。
显示模块106用于发出光线，其发出的光线经过转像镜201投射到离轴曲面反射镜101上，由于离轴曲面反射镜101表面镀制有半透半反膜层，因此由显示模块106发出的光线经过光阑100会反射入人眼，这样用户就可以观察到显示模块推送的虚拟场景的图像信息。同时，由于离轴曲面反射镜101表面镀制有半透半反膜层，外部的真实场景也会透过离轴曲面反射镜101通过光阑100进入到人眼。因此，在人眼中形成了虚拟场景与现实场景叠加的景象。显示模块106可以采用LCOS，OLED等微型显示元件，可以通过拆卸不同的显示模组来实现切换。其中OLED为自发光显示屏，其发出的光线经过转像镜201和离轴曲面半反射镜101进入人眼；LCOS为非自发光显示屏，需要使用LED和分光棱镜照明使用。本实用新型的显示模块位置与OLED匹配；在采用LCOS屏时，可以调整分光棱镜和LCOS屏幕的相对位置实现
转像镜201由如下透镜按前述光的传输顺序设置组成：双胶合透镜组102，球面正透镜103，非球面透镜104和自由曲面透镜105。由于采用的离轴曲面半反射镜101会产生较大的离轴像差，因此转像镜201的光学系统为离轴系统，即组成转像镜201的光学元件的轴线有不重合、偏离的状态。具体的，其中双胶合透镜组102和球面正透镜103的光轴一致，而非球面透镜104和自由曲面透镜105采用偏心设计，与其他元件光轴不重合。双胶合透镜102和球面正透镜103均为光学玻璃材料。离轴曲面半反射镜101，非球面透镜104和自由曲面透镜105采用塑料材料，便于元件加工、集成，降低成本。
为了让用户观察到的真实场景图像不受影响，通过设计离轴曲面半反射镜101的外表面为二次曲面来矫正离轴曲面半反射镜101内表面面形引入的波像差，如图2所示。图2中离轴曲面反射镜101的左侧为外部真实场景，离轴曲面反射镜101的右侧为靠近人眼的一侧。这样可以让用户同时看到清晰的外部场景图像和虚拟场景图像。
图1所示实施例中，光学系统参数如表一所示。
表一
其中，编号项前三位数字代表的元件与图1中的数字标识所指代的元件一一对应。101(内)是指图1中离轴曲面反射镜101下方方向的表面，即朝向人眼方向的表面；101(外)是指图1中离轴曲面反射镜101上方方向的表面，即朝向外部环境方向的表面。102-1、102-2和102-3是指双胶合透镜组102在图1中自上而下三个表面。103-1和103-2是指球面正透镜103在图1中自上而下两个表面。104-1和104-2是指非球面透镜104在图1中自上而下两个表面。105-1和105-2是指自由曲面透镜105在图1中自上而下两个表面。需要进一步说明的是，在图1中事实上光的传输路径并非沿垂直方向，因此，上述对于图1中方向的表述是指在图1中基本上位于上下方位。
离轴曲面反射镜101的内外表面均为二次曲面，其曲面表达式为：
其中r为曲率半径，X,Y,Z为曲面上点的空间坐标，k为曲面二次系数。
其中，二次曲面系数见表二。
表二
| 101(内) | 101(外) | |
| C | -0.909 | -0.73 |
104-1和104-2表面为非球面,其表面表达式为：
其中r为曲率半径，X,Y,Z为曲面上点的空间坐标，k为曲面二次系数，A,B,C,D为偶次项系数。
其中非球面系数见表三。
表三
| c | A | B | C | D | |
| 104-1 | 0 | 0.0001 | 1.11e-7 | 1.85e-9 | 9.62e-12 |
| 104-2 | 0 | -7.5e-5 | 2.01e-7 | 5.98e-10 | -3.26e-12 |
105-1表面为XY多项式,其表面表达式为：
其中r为曲率半径，X,Y,Z为曲面上点的空间坐标，k为曲面二次系数，Cj为对应多项式xmyn的系数。
其中系数见表四
本实施例的虚拟场景的调制传递函数如图3所示。所有视场MTF在奈奎斯特频率下基本高于0.2，达到了现有技术中0.1以上的技术要求。
本实施例的真实场景的调制传递函数如图4所示。所有视场MTF在50lines/mm高于0.4，满足目视光学系统要求。
光学系统的畸变将造成成像图像的变形，本实施例的光学系统设计结果畸变网格图如图5所示。全视场畸变小于8％，可以后续通过图像预矫正来消除残余的图像畸变。
人眼瞳孔在正常状态下直径为2mm左右，在黑暗环境下会适当放大，可以保证人眼在一定范围内移动时都可以保证观察到图像信息，通常要求目镜系统的出瞳直径为4mm-10mm，本实施例的出瞳直径为6mm，可以满足用户的需求。为了保证智能眼镜能够使用于用户佩戴，要求目镜光学系统具有较长的出瞳距离，本实施例提供的光学系统出瞳距离为25mm。光学系统的焦距为19mm，视场为24°×18°。
值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖的范围内。
Claims (7)
1.一种增强现实的智能眼镜，其特征在于：包括在光的传播路径上顺序设置的显示模块、转像镜、离轴曲面半反射镜；所述转像镜包括按所述顺序设置的自由曲面透镜、非球面透镜、球面正透镜和双胶合透镜组。
2.根据权利要求1所述增强现实的智能眼镜，其特征在于：所述转像镜的光学系统为离轴系统。
3.根据权利要求1所述增强现实的智能眼镜，其特征在于：所述球面正透镜的光轴和所述双胶合透镜组光轴一致。
4.根据权利要求1所述增强现实的智能眼镜，其特征在于：所述自由曲面透镜和所述非球面透镜偏心设置。
5.根据权利要求1所述增强现实的智能眼镜，其特征在于：所述球面正透镜和所述双胶合透镜组的材质为光学玻璃。
6.根据权利要求1所述增强现实的智能眼镜，其特征在于：所述自由曲面透镜和所述非球面透镜的材质为塑料。
7.根据权利要求1所述增强现实的智能眼镜，其特征在于：所述显示模块包括LCOS或OLED。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720790919.4U CN207336930U (zh) | 2017-06-30 | 2017-06-30 | 一种增强现实的智能眼镜 |
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| CN201720790919.4U CN207336930U (zh) | 2017-06-30 | 2017-06-30 | 一种增强现实的智能眼镜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN207336930U true CN207336930U (zh) | 2018-05-08 |
Family
ID=62427058
Family Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107300773A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-10-27 | 北京铠博德科技有限公司 | 一种增强现实的智能眼镜 |
| CN114077069A (zh) * | 2020-08-14 | 2022-02-22 | 亨泰光学股份有限公司 | 多弧多区段的角膜塑型隐形眼镜定位结构及方法 |
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2017
- 2017-06-30 CN CN201720790919.4U patent/CN207336930U/zh active Active
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