CN209690633U - 轻便的高分辨率ar眼镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轻便的高分辨率AR眼镜。包括镜架以及两组设置于镜架上的AR光学元件，每组AR光学元件包括沿光线入射方向设置于镜架上的物镜、微显示装置、目镜、倒像棱镜，物镜和目镜采用相同形状相同焦距的正透镜，倒像棱镜的入射面和出射面均与光轴相垂直，微显示装置位于目镜一倍焦距的光学长度以内，物镜到物镜的焦平面的光学长度与目镜到物镜的焦平面的光学长度相等。本实用新型的物镜和目镜形成一个对称的光学系统，使人眼通过目镜、微显示装置和该光学系统能看到虚拟图像和现实场景的叠加，实现用户与周围环境的交互，不仅结构简单，制造成本低，而且能克服光学传播过程中的发散效应，显示高分辨率图像。

Description

轻便的高分辨率AR眼镜

技术领域

本实用新型涉及增强和混合现实领域，特别涉及一种轻便的高分辨率AR眼镜。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术，也被称之为混合现实(Mixed Reality,简称MR)。是利用虚拟物体对真实场景进行现实增强的技术。增强现实是基于摄像头等采集器件采集到的真实物理环境，通过将文本、二维图像、三维图像模型等虚拟生成的信息标注在显示屏所显示的真实物理环境中的物体上，从而实现对用户身处的现实物理环境的注释、说明、或者增强、强调现实环境的某些效果。增强现实技术给用户一种虚拟对象与现实环境相融合的体验，它能有效地帮助用户认知周围环境，增添周围环境的信息，实现用户与周围环境的交互。

现有的AR设备主要有视频透视式和光学透视式两种，视频透视式利用摄像头将外界环境拍摄下来后，再与虚拟环境图像融合在一起显示给用户，这种形式最大的问题是存在延时；光学透视式利用组合镜将虚拟环境和现实环境的信息合成后显示给用户，用户通过组合镜直接观看外界环境，克服了视频透视式存在延时的问题，光学透视式，目前的技术是将虚拟环境通过组合镜片、棱镜或波导片等投影到用户视野内进行成像，无法克服光学传播过程中的发散效应，不适合显示高分辨率图像，且结构复杂，成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服以上缺点，提供一种轻便的高分辨率AR眼镜，该眼镜的物镜和目镜形成一个对称的光学系统，使人眼通过目镜、微显示装置和该光学系统能看到虚拟图像和现实场景的叠加，实现用户与周围环境的交互，不仅结构简单，制造成本低，而且能克服光学传播过程中的发散效应，显示高分辨率图像。

本实用新型是这样实现的：一种轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：包括镜架以及两组设置于镜架上的AR光学元件，每组AR光学元件包括沿光线入射方向设置于镜架上的物镜、微显示装置、目镜、倒像棱镜，所述物镜和目镜采用相同形状相同焦距的正透镜，所述倒像棱镜的入射面和出射面均与光轴相垂直，所述微显示装置位于目镜一倍焦距的光学长度以内，所述物镜到物镜的焦平面的光学长度与目镜到物镜的焦平面的光学长度相等。

优选的，所述物镜和目镜为平凸透镜或双凸透镜或菲涅尔透镜。

优选的，所述倒像棱镜采用别汉倒像棱镜，所述倒像棱镜由一个半五角棱镜和一个屋脊棱镜组成。

优选的，所述物镜和目镜为平凸透镜或双凸透镜时，所述目镜位于微显示装置和倒像棱镜之间。

优选的，所述物镜和目镜为菲涅尔透镜时，所述目镜固设于半五角棱镜和屋脊棱镜的两个贴合面之间。

优选的，所述物镜和目镜的焦距范围为6mm～50mm。

优选的，所述物镜和目镜的折射率为1.5～1.8。

优选的，所述倒像棱镜的折射率为1.5～2.0。

优选的，所述镜架包括镜架本体、两个铰接于镜架本体上的眼镜腿以及两个固定安装于镜架本体上的镜筒，每组AR光学元件均安装在对应的镜筒内。

优选的，所述镜架还包括固定安装于镜架本体前端面上且对镜筒的前端起限位作用的前镜盖以及固定安装于镜架本体后端面上且对镜筒的后端起限位作用的后镜盖。

较之现有技术而言，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型提供的一种轻便的高分辨率AR眼镜，该眼镜的物镜和目镜形成一个对称的光学系统，使人眼通过目镜、微显示装置和该光学系统能看到虚拟图像和现实场景的叠加，实现用户与周围环境的交互，不仅结构简单，制造成本低，而且能克服光学传播过程中的发散效应，显示高分辨率图像；

(2)本实用新型提供的一种轻便的高分辨率AR眼镜，设有倒像棱镜，可以将经物镜和目镜产生的倒立的现实场景再倒置过来，使人眼看到正常的现实场景；

(3)本实用新型提供的一种轻便的高分辨率AR眼镜，物镜和目镜采用菲涅尔透镜，减小了透镜的厚度，使AR眼镜更轻便，而且目镜固设于半五角棱镜和屋脊棱镜的两个贴合面之间，半五角棱镜分担了目镜到微显示装置的光程，倒像棱镜和微显示装置之间的距离可进一步减小，整个结构可以设计的更小；

(4)本实用新型提供的一种轻便的高分辨率AR眼镜，体积能做的更小，重量更轻，成本更低，现实实景不需经过摄像头拍摄、处理器叠加处理，不存图像延迟卡顿现象。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型实施例1的爆炸结构示意图；

图2是实施例1中其中一组AR光学元件的光路图；

图3是本实用新型别汉棱镜的结构示意图；

图4是本实用新型别汉棱镜的三维结构示意图；

图5是本实用新型实施例2的爆炸结构示意图；

图6是实施例2中其中一组AR光学元件的光路图。

图中符号说明：1、镜架，11、镜架本体，12、眼镜腿，13、镜筒，14、前镜盖，15、后镜盖，2、物镜，3、微显示装置，4、目镜，5、倒像棱镜，51、半五角棱镜，52、屋脊棱镜，6、人眼。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型内容进行详细说明：

实施例1：

如图1-4所示为本实用新型提供的一种轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：包括镜架1以及两组设置于镜架1上的AR光学元件，每组AR光学元件包括沿光线入射方向设置于镜架1上的物镜2、微显示装置3、目镜4、倒像棱镜5，所述物镜2和目镜4采用相同形状相同焦距的正透镜，所述倒像棱镜5的入射面和出射面均与光轴相垂直，所述微显示装置3位于目镜4一倍焦距的光学长度以内，所述物镜2到物镜2的焦平面的光学长度与目镜4到物镜2的焦平面的光学长度相等。在本实施例中，所述物镜2和目镜4采用双凸透镜，当然也可以采用平凸透镜。

所述微显示装置3包括微处理器和微显示装置，将微处理器与微显示装置相连接以控制虚拟图像在微显示装置上的以下四种显示状态：

a.所述微显示装置为既能显示微处理器输出图像又能透过微显示装置看到前方实景的半透半反显示器，使人眼看到虚拟图像和实景图像的叠加；

b.所述微显示装置为能在只显示微处理器输出图像和完全透明无图像呈现两种状态之间交替切换的时分显示器，使人眼在很短的时间间隙分别看到虚拟图像和实景，由于人眼感观的延时，这样人眼就看到似乎是虚拟图像和实景的叠加；

c.所述微显示装置为透明显示器，所述微显示装置中显示微处理器输出图像的部分是不透明的，微显示装置其余部分是透明的，透过透明部分就可以看到实景，使人眼看到虚拟图像和实景图像的叠加；

d.所述微显示装置为透明显示器，所述微显示装置中显示微处理器输出图像的部分是半透明的，微显示装置其余部分是透明的，透过不显示图像部分和显示图像部分就可以看到实景，使人眼看到虚拟图像和实景图像的叠加。

如图3-4所示，所述倒像棱镜5采用别汉倒像棱镜，所述倒像棱镜5由一个半五角棱镜51和一个屋脊棱镜52组成。其中半五角棱镜51中的角度a为45度，角度b为112.5度，屋脊棱镜52中的角度c为45度，所述物镜2和目镜4的焦距范围为6mm～50mm，不同的焦距设计，透明显示屏上虚拟数字信息的放大倍数，像距，视场角，整个眼镜的尺寸大小都不一样。同时透镜材料的选择也会影响设计，所述物镜2和目镜4的折射率为1.5～1.8。倒像棱镜的材料折射率对眼镜的视场角影响很大，所述倒像棱镜5的折射率为1.5～2.0，折射率越大的材料做的倒像棱镜可实现的眼镜的视场角越大。

以下是以透镜焦距为26mm,材料选择用亚克力(PMMA)的一个参数计算表：

如图1所示，所述镜架1包括镜架本体11、两个铰接于镜架本体11上的眼镜腿12以及两个固定安装于镜架本体11上的镜筒13，每组AR光学元件均安装在对应的镜筒13内。所述镜架1还包括固定安装于镜架本体11前端面上且对镜筒13的前端起限位作用的前镜盖14以及固定安装于镜架本体11后端面上且对镜筒13的后端起限位作用的后镜盖15。

本实施例中，AR眼镜的光学系统由物镜、微显示装置、目镜，倒像棱镜这四个主要部份组成。正透镜作为目镜是对显示屏的图像起放大作用，微显示装置位于正透镜的焦距f以内，这样人眼透过这个正透镜就可以看到微显示装置上放大的虚像。如果在微显示装置之前没有其他光学部件，那么透过微显示装置的现实环境实景一般都在两倍正透镜的焦距(2f)以外，那么透过这个正透镜，人眼是只能看缩小的倒像。也就是说现实场景是不真实或看不清。本实施例中物镜是一个与目镜等焦距、完全相同的透镜，两个透镜的焦点重合，形成一个对称光学系统，经过这个光学系统，人眼可以看到一个倒置的1:1现实场景，因此，必须在人眼与目镜之间加入一个倒像棱镜组，倒像棱镜组将两个透镜产生的倒立的现实场景再倒置过来以使人眼看到正常的现实场景。然而，经过目镜对透明显示屏虚拟信息放大后，由于倒像棱镜的加入，这虚拟信息也会被倒置一次。因此，在透明显示屏显示设计时，要让透镜显示屏显示倒置的信息。同时由于光路是可逆的，也可以倒过来使用，即目镜加倒像棱镜端朝向物(实景)，而把物镜端朝向眼睛。

实施例2：

如图5-6所示，实施例2与实施例1的区别在于：所述物镜2和目镜4均采用菲涅尔透镜，所述目镜4固设于半五角棱镜51和屋脊棱镜52的两个贴合面之间。在该实施例中，物镜2和目镜4采用菲涅尔透镜，减小了透镜的厚度，使AR眼镜更轻便，而且目镜2固设于半五角棱镜51和屋脊棱镜52的两个贴合面之间，半五角棱镜51分担了目镜2到微显示装置3的光程，倒像棱镜5和微显示装置3之间的距离可进一步减小，整个结构可以设计的更小。

上述具体实施方式只是对本实用新型的技术方案进行详细解释，本实用新型并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本实用新型原理的任何改进或替换，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：包括镜架(1)以及两组设置于镜架(1)上的AR光学元件，每组AR光学元件包括沿光线入射方向设置于镜架(1)上的物镜(2)、微显示装置(3)、目镜(4)、倒像棱镜(5)，所述物镜(2)和目镜(4)采用相同形状相同焦距的正透镜，所述倒像棱镜(5)的入射面和出射面均与光轴相垂直，所述微显示装置(3)位于目镜(4)一倍焦距的光学长度以内，所述物镜(2)到物镜(2)的焦平面的光学长度与目镜(4)到物镜(2)的焦平面的光学长度相等。

2.根据权利要求1所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述物镜(2)和目镜(4)为平凸透镜或双凸透镜或菲涅尔透镜。

3.根据权利要求2所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述倒像棱镜(5)采用别汉倒像棱镜，所述倒像棱镜(5)由一个半五角棱镜(51)和一个屋脊棱镜(52)组成。

4.根据权利要求3所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述物镜(2)和目镜(4)为平凸透镜或双凸透镜时，所述目镜(4)位于微显示装置(3)和倒像棱镜(5)之间。

5.根据权利要求3所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述物镜(2)和目镜(4)为菲涅尔透镜时，所述目镜(4)固设于半五角棱镜(51)和屋脊棱镜(52)的两个贴合面之间。

6.根据权利要求1所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述物镜(2)和目镜(4)的焦距范围为6mm～50mm。

7.根据权利要求1所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述物镜(2)和目镜(4)的折射率为1.5～1.8。

8.根据权利要求1所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述倒像棱镜(5)的折射率为1.5～2.0。

9.根据权利要求1所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述镜架(1)包括镜架本体(11)、两个铰接于镜架本体(11)上的眼镜腿(12)以及两个固定安装于镜架本体(11)上的镜筒(13)，每组AR光学元件均安装在对应的镜筒(13)内。

10.根据权利要求1所述的轻便的高分辨率AR眼镜，其特征在于：所述镜架(1)还包括固定安装于镜架本体(11)前端面上且对镜筒(13)的前端起限位作用的前镜盖(14)以及固定安装于镜架本体(11)后端面上且对镜筒(13)的后端起限位作用的后镜盖(15)。