CN207946599U - 一种光学模组及增强现实装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及增强现实技术领域，提供了一种光学模组及增强现实装置，光学模组包括沿光路依次设置的透镜单元和第一镜面单元，透镜单元包括至少一片菲涅尔透镜，菲涅尔透镜朝向第一镜面单元的一面的曲率半径大于菲涅尔透镜背向第一镜面单元的一面的曲率半径；透镜单元用于透射并调整图像单元发射的图像光线的传播方向，第一镜面单元用于将图像光线反射至用户的眼睛以及将外部光线透射至用户的眼睛；由于图像光线经过菲涅尔透镜和第一镜面单元后直接进入用户的眼睛中，外部光线只需经过第一镜面单元透射后即直接进入用户的眼睛中，有效减少了光线的损失，光线的能量利用率高，增加了显示亮度，改善了用户体验。

Description

一种光学模组及增强现实装置

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，更具体地说，是涉及一种光学模组及增强现实装置。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的显示设备被广泛应用于人们的日常生活以及工作当中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。其中增强现实(Augmented Reality,简称AR)技术作为一种由光学、电子学、软件交互等多种领域相结合的新型技术也得到了突飞猛进的发展。

增强现实是一种实时将虚拟图像与现实场景进行结合展现的技术，其基本的光学原理为向人眼同时入射携带真实世界景物信息和虚拟图像信息的光线，两个光学路径上传输的图像信息在人眼处融合，使得人眼同时获得真实世界景物信息和虚拟图像的混合图像，从而达到增强现实的效果。

现有的增强现实设备通常以微显示器作为主要的图像单元，而微显示器的成本高昂，且对成像系统要求较高，因此目前以微显示器应用于增强现实设备的技术方案难以满足大众消费者的需求。随着智能手机的广泛应用，以智能手机作为图像单元的增强现实技术方案具有成本低廉的特点，因而可以获得较好的推广。然而现有的增强现实设备中，由于光线的能量利用率较低，导致用户观看到的图像昏暗，使用体验较差。

以上不足，有待改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光学模组，以解决现有增强现实设备中光线的能量利用率低的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种光学模组，包括沿光路依次设置的：

透镜单元，包括至少一片菲涅尔透镜，用于透射并调整图像单元发射的图像光线的传播方向；

第一镜面单元，用于将所述图像光线反射至用户的眼睛以及将外部光线透射至用户的眼睛；

所述菲涅尔透镜朝向所述第一镜面单元的一面的曲率半径大于所述菲涅尔透镜背向所述第一镜面单元的一面的曲率半径。

进一步地，所述菲涅尔透镜背向所述第一镜面单元的一面为第一菲涅尔面，所述第一菲涅尔面设有多个圆环形第一齿纹，多个所述第一齿纹同心设置，任意相邻两个所述第一齿纹之间的距离均相等。

进一步地，所述第一齿纹的齿深不大于0.3毫米。

进一步地，所述菲涅尔透镜背向所述第一镜面单元的一面为第二菲涅尔面，所述第二菲涅尔面设有多个圆环形第二齿纹，多个所述第二齿纹同心设置，且多个所述第二齿纹的齿深相等。

进一步地，所述第二齿纹的齿深不大于0.3毫米。

进一步地，所述第一镜面单元包括半反半透膜，用于对光线进行部分反射和部分透射。

进一步地，所述第一镜面单元包括偏振片，用于透射具有第一偏振态的光线和反射具有第二偏振态的光线。

进一步地，所述菲涅尔透镜朝向所述第一镜面单元的一面为平面、球面、非球面或自由曲面；

所述第一镜面单元的表面为平面、球面、非球面或自由曲面。

进一步地，所述光学模组还包括：

第二镜面单元，设于所述菲涅尔透镜与所述第一镜面单元相对的一侧，用于将所述图像光线反射至所述菲涅尔透镜。

本实用新型的目的还在于提供一种增强现实装置，包括：

图像单元，用于发射图像光线；

两个上述的光学模组，两个所述光学模组分别与所述图像单元的不同区域相对应，两个所述光学模组的中心之间的距离为55厘米～75厘米。

本实用新型提供的一种光学模组的有益效果在于：

(1)在现有的光学模组中，图像光线通常需要经过一平面镜反射至一曲面镜、再经曲面镜反射至平面镜，并经平面镜透射至用户的眼睛中，在此过程中光线的损失大，光能利用率低，从而造成整体显示亮度低。本实施例中通过设置菲涅尔透镜和第一镜面单元，图像光线经过菲涅尔透镜和第一镜面单元后直接进入用户的眼睛中，有效减少了光线的损失，光线的能量利用率高，增加了显示亮度，改善了用户体验。

(2)在现有的光学模组中，外部光线通常需要依次经过一曲面镜和一平面镜后到达用户的眼睛，在此过程中光线的损失大，光能利用率低，从而造成整体显示亮度低。本实施例中外部光线只需经过第一镜面单元透射后即直接进入用户的眼睛中，有效减少了光线的损失，光线的能量利用率高，增加了显示亮度，改善了用户体验。

(3)采用菲涅尔透镜，可以有效减少透镜单元的整体厚度，使得透镜单元更加轻薄；由于菲涅尔透镜朝向第一镜面单元的一面的曲率半径大于菲涅尔透镜背向第一镜面单元的一面的曲率半径，可有效改善成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图一；

图2为本实用新型实施例提供的光学模组的一种菲涅尔透镜的结构示意图一；

图3为本实用新型实施例提供的光学模组的一种菲涅尔透镜的结构示意图二；

图4为图3中A部分的局部放大结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的光学模组的另一种菲涅尔透镜的结构示意图一；

图6为本实用新型实施例提供的光学模组的另一种菲涅尔透镜的结构示意图二；

图7为图6中B部分的局部放大结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的光学模组的结构示意图二；

图9为本实用新型实施例提供的增强现实装置的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1-光学模组； 11-第一镜面单元；

12-菲涅尔透镜； 121-第一齿纹；

122-第二齿纹； 13-第二镜面单元；

2-图像单元； 201-图像光线；

202-外部光线； 3-眼睛。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，一种光学模组1，包括沿光路依次设置的透镜单元和第一镜面单元11，透镜单元包括至少一片菲涅尔透镜12，菲涅尔透镜12朝向第一镜面单元11的一面的曲率半径大于菲涅尔透镜12背向第一镜面单元11的一面的曲率半径；其中透镜单元用于透射并调整图像单元2发射的图像光线201的传播方向，第一镜面单元11用于将图像光线101反射至用户的眼睛3以及将外部光线202透射至用户的眼睛3。

本实施例提供的一种光学模组1的工作原理如下：一方面，图像单元2发射的图像光线201经透镜单元的菲涅尔透镜12透射后传播至第一镜面单元11，第一镜面单元11将图像光线201反射至用户的眼睛3，从而用户可以观看到图像单元2发射的虚拟图像；另一方面，外部光线202经第一镜面单元11后透射至用户的眼睛3，从而用户可以观看到外部环境图像。当图像单元2产生的图像光线201和外部光线202均到达用户的眼睛3时，用户可以看到虚拟图像和外部环境图像相互叠加的图像。

本实施例提供的一种光学模组1的有益效果在于：

(1)在现有的光学模组中，图像光线通常需要经过一平面镜反射至一曲面镜、再经曲面镜反射至平面镜，并经平面镜透射至用户的眼睛中，在此过程中光线的损失大，光能利用率低，从而造成整体显示亮度低。本实施例中通过设置菲涅尔透镜12和第一镜面单元11，图像光线201经过菲涅尔透镜12和第一镜面单元11后直接进入用户的眼睛3中，有效减少了光线的损失，光线的能量利用率高，增加了显示亮度，改善了用户体验。

(2)在现有的光学模组中，外部光线通常需要依次经过一曲面镜和一平面镜后到达用户的眼睛，在此过程中光线的损失大，光能利用率低，从而造成整体显示亮度低。本实施例中外部光线202只需经过第一镜面单元11透射后即直接进入用户的眼睛3中，有效减少了光线的损失，光线的能量利用率高，增加了显示亮度，改善了用户体验。

(3)采用菲涅尔透镜，可以有效减少透镜单元的整体厚度，使得透镜单元更加轻薄；由于菲涅尔透镜12朝向第一镜面单元11的一面的曲率半径大于菲涅尔透镜12背向第一镜面单元11的一面的曲率半径，可有效改善成像质量。

在一个实施例中，透镜单元包括多个透镜组成的透镜组，从而可以透射并调整图像单元2发射的图像光线201的传播方向，并确保减少光线的损失，从而有利于提高光学模组对光线的能量利用率，增加显示亮度。

在一个实施例中，透镜单元包括单片菲涅尔透镜12，对图像光线具有准直作用和聚集作用，有效减少了图像光线的损失，能够显著提高显示亮度，同时也提高了图像光线201的均匀度，改善整体的显示效果。

请参阅图2至图4，在一个实施例中，菲涅尔透镜12背向第一镜面单元11的一面为第一菲涅尔面，第一菲涅尔面设有多个圆环形第一齿纹121，多个第一齿纹121同心设置，任意两个第一齿纹121之间的距离d均相等，即第一菲涅尔面设有圆环形第一齿纹121，多个第一齿纹121从第一菲涅尔面的中心向边缘等间距设置(也称等频率设置)。

进一步地，第一齿纹121的齿深h不大于0.3毫米，第一齿纹121的齿深h指的是第一齿纹121的顶点到第一菲涅尔面的最大距离。优选地，第一齿纹121的齿深h不大于0.15毫米。由于菲涅尔透镜通常采用注塑或热压技术制作而成，当齿深h大于0.3毫米时，菲涅尔透镜容易粘胶，会影响使用效果。因此，当第一齿纹121的齿深h不大于0.3毫米时，菲涅尔透镜不容易粘胶，从而可有效保障使用效果。

请参阅图5至图7，在一个实施例中，菲涅尔透镜12背向第一镜面单元11的一面为第二菲涅尔面，第二菲涅尔面设有多个圆环形第二齿纹122，多个第二齿纹122同心设置，且多个第二齿纹122的齿深h相等，即第二菲涅尔面设有圆环形第二齿纹122，多个第二齿纹122从第二菲涅尔面的中心向边缘设置，多个第二齿纹12的深度相等(也称等深度设置)且不大于0.3毫米，优选为不大于0.15毫米。任意相邻两个第二齿纹122之间的距离d可相等，也可不相等。通过采用等深度设置，可以确保菲涅尔透镜12对图像光线201起到聚集作用和均光作用，改善整体的显示效果。

在一个实施例中，第一镜面单元11包括用于对光线进行部分反射和部分透射的半反半透膜。第一镜面单元11可通过在一镜面上镀一层半反半透膜来获得。半反半透膜的透反比可以根据需要进行设置，例如半反半透膜的透反比可以为5:5、6:4、7:3、8:2、9:1等，此处不做限制。通过设置半反半透膜，一方面可以确保通过菲涅尔透镜12传播至第一镜面单元11的图像光线201能够被反射至用户的眼睛3，用户可以看到图像单元2产生的虚拟图像；另一方面外部光线202传播至第一镜面单元11时能够发生透射，从而可以到达用户的眼睛3，用户可以看到外部环境图像。

在一个实施例中，第一镜面单元11包括偏振片，偏振片可透射具有第一偏振态的光线和反射具有第二偏振态的光线。第一镜面单元11可通过在一镜面上贴一层偏振片来获得。第一偏振态与第二偏振态不同，入射到偏振片上的光线均可以分解为具有第一偏振态的光线和具有第二偏振态的光线。优选地，具有第一偏振态的光线为S偏振光，具有第二偏振态的光线为P偏振光；或者具有第一偏振态的光线为P偏振光，具有第二偏振态的光线为S偏振光。一方面，图像光线201通过菲涅尔透镜12传播至第一镜面单元11的偏振片时，图像光线201中具有第二偏振态的部分光线会发生反射，发生反射的图像光线201传播至用户的眼睛3中；另一方面，外部光线202传播至第一镜面单元11的偏振片时，外部光线202中具有第一偏振态的光线会发生透射，发生透射的外部光线202传播至用户的眼睛3中。

应当理解的是，第一镜面单元11也可以为其他形式，只要可以对光线进行部分反射和部分透射即可，并不仅限于上述的情形。

进一步地，菲涅尔透镜12朝向第一镜面单元11的一面的面型为平面、球面、非球面或自由曲面，可根据需要进行设置。第一镜面单元11的表面为平面、球面、非球面或自由曲面，即半反半透膜的表面可以为平面、球面、非球面或自由曲面，偏振片的表面可以为平面、球面、非球面或自由曲面，可以根据需要进行设置，此处不做限制。

请参阅图8，进一步地，光学模组1还包括用于将图像光线201反射至菲涅尔透镜12的第二镜面单元13，第二镜面单元13设于菲涅尔透镜12与第一镜面单元11相对的一侧，即第二镜面单元13设于菲涅尔透镜12和图像单元2之间。设置第二镜面单元13，图像单元2发射的图像光线201经第二镜面单元13反射后再传播至菲涅尔透镜12处，从而使得图像单元2的位置设置更加灵活。

在一个实施例中，图像单元2的中心轴与第二镜面单元13的中心轴之间的夹角为第一夹角，第二镜面单元13的中心轴与菲涅尔透镜12的中心轴之间的夹角为第二夹角，菲涅尔透镜12的中心轴与第一镜面单元11的中心轴之间的夹角为第三夹角，第一夹角、第二夹角和第三夹角均可根据需要进行设置。优选地，第一夹角、第二夹角和第三夹角均为45°，即第一镜面单元11的中心轴和第二镜面单元13的中心轴相平行，图像单元2的中心轴和菲涅尔透镜12的中心轴相平行。

请参阅图9，本实施例的目的还在于提供一种增强现实装置，包括用于发射图像光线201的图像单元2以及两个上述的光学模组1，两个光学模组1分别与图像单元2的不同区域相对应，两个光学模组1的中心之间的距离T为55厘米～75厘米，优选为65毫米。

在一个实施例中，图像单元2为智能手机，两个光学模组1分别与智能手机屏幕的两个区域相对应，从而使得手机屏幕的两个区域的光线分别经过与其相对应的光学模组1后再进入到用户的眼睛3中。应当理解的是，图像单元2也可以为其他显示单元，并不仅限于上述的情形。

在一个实施例中，手机屏幕的图像经过分屏处理，从而使得两个区域分别产生左侧图像和右侧图像，左侧图像和右侧图像分别传播至与其相对应的光学模组1中，然后再分别传播至用户的左眼和右眼中，从而用户的左眼能看到左侧图像，而右眼能看到右侧图像，从而使得用户可以观看到2D或3D图像。

考虑智能手机的长度为L，单眼视场角为α，透镜单元的等效焦距为f，则有如下关系：

因此，当智能手机的长度L越大、透镜单元的等效焦距f越小时，单眼视场角α越大。

应当理解的是，手机屏幕也可以通过其他处理，两个区域的图像信息可以根据需要进行设置，此处不做限制。

本实施例提供的一种增强现实装置的有益效果在于：

(1)在现有的光学模组中，图像光线通常需要经过一平面镜反射至一曲面镜、再经曲面镜反射至平面镜，并经平面镜透射至用户的眼睛3中，在此过程中光线的损失大，光能利用率低，从而造成整体显示亮度低。本实施例的光学模组1通过设置菲涅尔透镜12和第一镜面单元11，图像光线201经过菲涅尔透镜12和第一镜面单元11后直接进入用户的眼睛3中，有效减少了光线的损失，光线的能量利用率高，增加了显示亮度，改善了用户体验。

(2)在现有的光学模组中，外部光线通常需要依次经过一曲面镜和一平面镜后到达用户的眼睛3，在此过程中光线的损失大，光能利用率低，从而造成整体显示亮度低。本实施例中外部光线202只需经过第一镜面单元11透射后即直接进入用户的眼睛3中，有效减少了光线的损失，光线的能量利用率高，增加了显示亮度，改善了用户体验。

(3)采用菲涅尔透镜，可以有效减少透镜单元的整体厚度，使得透镜单元更加轻薄；由于菲涅尔透镜12朝向第一镜面单元11的一面的曲率半径大于菲涅尔透镜12背向第一镜面单元11的一面的曲率半径，可有效改善成像质量。

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

Claims (10)

1.一种光学模组，其特征在于：包括沿光路依次设置的：

透镜单元，包括至少一片菲涅尔透镜，用于透射并调整图像单元发射的图像光线的传播方向；

第一镜面单元，用于将所述图像光线反射至用户的眼睛以及将外部光线透射至用户的眼睛；

所述菲涅尔透镜朝向所述第一镜面单元的一面的曲率半径大于所述菲涅尔透镜背向所述第一镜面单元的一面的曲率半径。

2.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于：所述菲涅尔透镜背向所述第一镜面单元的一面为第一菲涅尔面，所述第一菲涅尔面设有多个圆环形第一齿纹，多个所述第一齿纹同心设置，任意相邻两个所述第一齿纹之间的距离均相等。

3.如权利要求2所述的光学模组，其特征在于：所述第一齿纹的齿深不大于0.3毫米。

4.如权利要求1所述的光学模组，其特征在于：所述菲涅尔透镜背向所述第一镜面单元的一面为第二菲涅尔面，所述第二菲涅尔面设有多个圆环形第二齿纹，多个所述第二齿纹同心设置，且多个所述第二齿纹的齿深相等。

5.如权利要求4所述的光学模组，其特征在于：所述第二齿纹的齿深不大于0.3毫米。

6.如权利要求1～5任一项所述的光学模组，其特征在于：所述第一镜面单元包括半反半透膜，用于对光线进行部分反射和部分透射。

7.如权利要求1～5任一项所述的光学模组，其特征在于：所述第一镜面单元包括偏振片，用于透射具有第一偏振态的光线和反射具有第二偏振态的光线。

8.如权利要求1～5任一项所述的光学模组，其特征在于：所述菲涅尔透镜朝向所述第一镜面单元的一面为平面、球面、非球面或自由曲面；

所述第一镜面单元的表面为平面、球面、非球面或自由曲面。

9.如权利要求1～5任一项所述的光学模组，其特征在于：所述光学模组还包括：

第二镜面单元，设于所述菲涅尔透镜与所述第一镜面单元相对的一侧，用于将所述图像光线反射至所述菲涅尔透镜。

10.一种增强现实装置，其特征在于：包括：

图像单元，用于发射图像光线；

两个如权利要求1～9任一项所述的光学模组，两个所述光学模组分别与所述图像单元的不同区域相对应，两个所述光学模组的中心之间的距离为55厘米～75厘米。