CN209167696U - 一种光学传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学传感装置。第一反射装置倾斜固定于透光基板的第一端内部，且与光源位置对应；第二反射装置倾斜固定于透光基板的第二端内部，且与观察者观测位置对应；第一反射装置的倾斜角和第二反射装置的倾斜角相等，且第一反射装置的第一反射面与第二反射装置的第二反射面相对设置；非球面晶体通过粘合剂粘合于透光基板的的第二端的上表面，粘合剂的折射率小于透光基板的折射率；非球面晶体的透光率可变，且随着环境光线变强非球面晶体的透光率变小。本实用新型可以应用于大量成像应用当中，以提高图像的清晰度和抗干扰能力，使观察者看到的图像更清晰。

Description

一种光学传感装置

技术领域

本实用新型涉及光学领域，特别是涉及一种光学传感装置。

背景技术

平视显示器(HUD)自三十多年前开始使用以来，就不断取得新的重大发展。它们不仅使用在大多数现代战斗机中，而且最近有许多关于汽车中HUD的提议和设计。在头戴式显示器(HMD)中，光学模块既充当成像透镜又充当组合器，其中二维图像源被成像到无穷远处并被反射到观察者的眼睛中。然而，传统的HUD系统或是HMD系统都有一些显著地缺点。它们都需要一个显示源，该显示源必须偏离组合器相当远的距离，导致系统的整体体积变得十分庞大，这使得安装不方便甚至使用不安全。随着系统的期望视场(FOV)的增加，这种常规的光学模块变得更加笨重。

在先前的技术中，开发者为了使系统变得更加紧凑，同时为了系统的期望视场(FOV)更大，提出了一种基于透明层的基板引导的光学器件，使用薄膜涂层或各向异性材料制成的部分反射表面阵列将光波导传输出的光线耦合到观察者眼中，但是开发者在考虑系统时忽略了一个重要的问题，在平视显示器(HUD)或头戴式显示器(HMD)中，特别是应用在增强现实(AR)所需要的一些设备当中，观察者眼睛看到的图像不仅与显示源发出的光线有关，同样与外界环境的光线的强度有关，两种光线共同作用才能让观察者看到合适的图像。天气的变化以及外界环境光线发生变化，投射到观察者眼睛中的图像若不同时跟着变化，观察者看到的图像会变得不清晰，影响现实环境中的应用效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光学传感装置，可以应用于大量成像应用当中，例如头戴式和平视显示器，特别是一些增强现实(AR)设备当中，以提高图像的清晰度和抗干扰能力，使观察者看到的图像更清晰。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种光学传感装置，包括：透光基板、第一反射装置、第二反射装置和非球面晶体；

所述第一反射装置和所述第二反射装置均固定于所述透光基板内部；所述第一反射装置倾斜固定于所述透光基板的第一端内部，且与光源位置对应；所述第二反射装置倾斜固定于所述透光基板的第二端内部，且与观察者观测位置对应；所述第一反射装置的倾斜角和所述第二反射装置的倾斜角相等，且所述第一反射装置的第一反射面与所述第二反射装置的第二反射面相对设置；

所述非球面晶体通过粘合剂粘合于所述透光基板的的第二端的上表面，所述粘合剂的折射率小于所述透光基板的折射率；所述非球面晶体的透光率可变，且随着环境光线变强所述非球面晶体的透光率变小；

所述光源发出的光束以垂直于所述透光基板的下表面的方向进入所述透光基板内部，经过所述第一反射装置的第一反射面反射后在所述透光基板内部以全反射方式传播至所述第二反射装置的第二反射面，经过所述第二反射面折射、所述非球面晶体透射形成的第一光束和经过所述第一反射面反射形成的第二光束耦合后入射至观察者观测位置。

可选的，所述第一反射装置的第一反射面镀有反射膜；经过所述第一反射面反射的光线入射至所述透光基板的下表面时的入射角大于所述透光基板的临界角。

可选的，所述第一反射装置的第一反射面中心与所述光源的中心的连线与所述透光基板的下表面垂直。

可选的，所述第二反射装置的个数为多个，多个所述第二反射装置形成第二反射装置阵列，多个所述第二反射装置平行且等间距的倾斜固定于所述透光基板的第二端内部。

可选的，所述第二反射装置阵列的中心与所述观测者观测位置的中心的连线与所述透光基板的下表面垂直。

可选的，所述第二反射装置的第二反射面上镀有半透半反膜。

可选的，所述非球面晶体为平凸柱面晶体。

可选的，所述非球面晶体的底面与所述透光基板的上表面粘合，所述非球面晶体的非球面上涂覆有感光材料。

可选的，所述感光材料包括有机感光鼓、无定形硅感光鼓、硫化镉感光鼓和硒感光鼓。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

现有技术中，基板引导的光学器件应用于头戴式显示器等增强现实设备当中，使用者看到的图像信息是由显示源发出来的光线和外界环境光线共同作用而形成的。现有技术中所使用的光学器件将会受到外界光线的干扰，图像的清晰度、对比度等一些参数将会随外界光线的强弱发生变化，使观察者看到的图像变得不清晰。本申请采用可以改变透光率的非球面晶体，当外界光线较强时，晶体的透光率较小，相当于中和外界的强光；外界光线较弱时，晶体的透光率较大，相当于增强外界的弱光。因此，本技术有很强的环境适应能力，使用的范围更加广泛，同时增强了系统的抗干扰能力，具有很好的使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型光学传感装置的结构示意图。

图中标号对应的元件为：1-透光基板，2-透光基板的上表面，3-透光基板的下表面，4-第一反射装置，5-第二反射装置，6-非球面晶体，7-非球面晶体上涂覆的感光材料，8-非球面晶体的底面，9-观测者的观测位置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型的基本构思是：通过光波导使观察者看到的图像的清晰度以及色彩等信息是由显示源发射的光线和外界光线共同作用的结果。利用透光率可变的非球面晶体以及新型感光材料的组合，感知外界环境变化的同时改变非球面晶体的透光率，进而使射入观察者眼睛中的光强能够让观察者看到的图像更加清晰。

图1为本实用新型光学传感装置的结构示意图。如图1所示，所述光学传感装置包括：透光基板1、第一反射装置4、第二反射装置5和非球面晶体6。

所述透光基板1的上表面2和下表面3是平行的，光束在透光基板1内通过全反射的形式传输光波。

所述第一反射装置4和所述第二反射装置5均固定于所述透光基板1内部；所述第一反射装置4倾斜固定于所述透光基板1的第一端内部，且与光源位置对应，图中第一反射装置4固定于透光基板1的右端。所述第一反射装置4的第一反射面上镀有反射膜，满足光的反射定理，该第一反射面与透光基板1的下表面之间的夹角根据实际情况确定，只要使得经过所述第一反射面反射的光线入射至所述透光基板1的下表面时的入射角大于所述透光基板1的临界角，从而使光线以全反射的形式向前传播至第二反射装置5即可。所述第一反射装置4的第一反射面中心与光源(一般为画面，如OLED、Lcos等)的中心在同一竖直线上，且两者的连线与所述透光基板1的下表面垂直。

所述第二反射装置5倾斜固定于所述透光基板1的第二端内部，且与观察者观测位置9对应，图中第二反射装置5固定于透光基板1的左端；所述第一反射装置4的倾斜角和所述第二反射装置5的倾斜角相等，且所述第一反射装置4的第一反射面与所述第二反射装置5的第二反射面相对设置，从而使得经过第一反射装置4反射后的光线可以到达第二反射装置5的第二反射面。所述第二反射装置5的第二反射面上镀有半透半反膜。所述第二反射装置5的个数为多个，多个所述第二反射装置5形成第二反射装置阵列，多个第二反射装置平行且等间距的倾斜固定于所述透光基板1的第二端内部，多个第二反射面将通过全内反射捕获的光波经过输出表面耦合出透光基板1。所述第二反射装置阵列的中心与所述观测者观测位置9的中心的连线与所述透光基板1的下表面垂直。

所述非球面晶体6通过粘合剂粘合于所述透光基板1的的第二端的上表面2，所述粘合剂的折射率小于所述透光基板1的折射率；所述非球面晶体6的透光率可变，且随着环境光线变强所述非球面晶体的透光率变小。具体的，所述非球面晶体6可以为平凸柱面晶体，所述非球面晶6的底面与所述透光基板1的上表面2粘合，所述非球面晶体6的非球面上涂覆有感光材料，形成感光膜，感光膜可以敏锐的感受外界环境的光强以及光强的变化。所述感光材料包括有机感光鼓、无定形硅感光鼓、硫化镉感光鼓和硒感光鼓等。所述非球面晶体6的材料的光线透过率是可变的，会根据感光膜7的变化改变光线的透过率，光线强时透光率小，光线弱时透光率大。例如，所述非球面晶体6的材料可以为AgX(卤化银)、SrTiO3(钛酸锶)等。

所述光源发出的光束以垂直于所述透光基板1的下表面3的方向进入所述透光基板1内部，经过所述第一反射装置4的第一反射面反射后在所述透光基板1内部以全反射方式传播至所述第二反射装置5的第二反射面，经过所述第二反射面折射、所述非球面晶体6透射形成的第一光束和经过所述第二反射面反射形成的第二光束耦合后入射至观察者观测位置9。

本实施例的工作过程为：来自显示源的光经过准直透镜准直(显示源和准直透镜位于光学装置的前方未画出)，准直后的光线经过输入表面进入第一反射面，光通过全内反射被捕获在透光基板1内。在离开第一反射面后经过几次反射之后，被捕获的光波到达第二反射装置阵列5，其将光从基板经过输出表面耦合到观察者观测位置9处，进入观察者的眼睛中。这里，光学器件的输入表面被定义为输入光波通过其进入基板的那一个表面，并且其输出表面被定义为被捕获的光波通过其离开基板的那一个表面。非球面(平凸柱面)晶体6表面镀有能够感受外界光线强弱的新型感光材料一层感光膜7，当外界光线由弱变强时，感光膜7会感知到这种变化，从而使晶体6对于光线的透过率发生改变，光线由弱变强，晶体透过率变小，防止外界光线过强而使人眼观察到的合成图像变得尖锐，相当于中和外界的强光，改善图像的清晰程度，使观察者看到的图像更加舒适；同理，当外界过线由强变弱时，感光膜7感知到变化后会增大晶体6的透光率，使更多的光线经过晶体进入人眼中，从而让合成图像的质量更高，人眼看到的图像更加舒适。

本实用新型设计了一种新型的智能非球面晶体光学传感装置。具有两个主表面(上表面和下表面)和边缘的透光基板，用于将从远处投射过来的光耦合到基板上的反射面，经过多次反射后光最后经过多个部分反射表面将光耦合出基板反射到观察者的眼镜当中。透光率可变的非球面(平凸柱面)晶体，表面镀有感光膜，可根据外界环境光线强弱变化改变射入人眼中的自然光的多少，本实用新型具有很好的环境适应性，可以应用于多种场合，而且，系统的抗干扰能力更强，观察者看到的图像更加的清晰，更加舒适，图像的质量更高。是使用性很好的一种光学装置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种光学传感装置，其特征在于，包括：透光基板、第一反射装置、第二反射装置和非球面晶体；

所述第一反射装置和所述第二反射装置均固定于所述透光基板内部；所述第一反射装置倾斜固定于所述透光基板的第一端内部，且与光源位置对应；所述第二反射装置倾斜固定于所述透光基板的第二端内部，且与观察者观测位置对应；所述第一反射装置的倾斜角和所述第二反射装置的倾斜角相等，且所述第一反射装置的第一反射面与所述第二反射装置的第二反射面相对设置；

所述非球面晶体通过粘合剂粘合于所述透光基板的第二端的上表面，所述粘合剂的折射率小于所述透光基板的折射率；所述非球面晶体的透光率可变，且随着环境光线变强所述非球面晶体的透光率变小；

所述光源发出的光束以垂直于所述透光基板的下表面的方向进入所述透光基板内部，经过所述第一反射装置的第一反射面反射后在所述透光基板内部以全反射方式传播至所述第二反射装置的第二反射面，经过所述第二反射面折射、所述非球面晶体透射形成的第一光束和经过所述第一反射面反射形成的第二光束耦合后入射至观察者观测位置。

2.根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于，所述第一反射装置的第一反射面镀有反射膜；经过所述第一反射面反射的光线入射至所述透光基板的下表面时的入射角大于所述透光基板的临界角。

3.根据权利要求1-2任一项所述的光学传感装置，其特征在于，所述第一反射装置的第一反射面中心与所述光源的中心的连线与所述透光基板的下表面垂直。

4.根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于，所述第二反射装置的个数为多个，多个所述第二反射装置形成第二反射装置阵列，多个所述第二反射装置平行且等间距的倾斜固定于所述透光基板的第二端内部。

5.根据权利要求4所述的光学传感装置，其特征在于，所述第二反射装置阵列的中心与所述观察者观测位置的中心的连线与所述透光基板的下表面垂直。

6.根据权利要求1、4和5任一项所述的光学传感装置，其特征在于，所述第二反射装置的第二反射面上镀有半透半反膜。

7.根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于，所述非球面晶体为平凸柱面晶体。

8.根据权利要求1所述的光学传感装置，其特征在于，所述非球面晶体的底面与所述透光基板的上表面粘合，所述非球面晶体的非球面上涂覆有感光材料。

9.根据权利要求8所述的光学传感装置，其特征在于，所述感光材料包括有机感光鼓、无定形硅感光鼓、硫化镉感光鼓和硒感光鼓。