CN210666213U - 增强现实光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种增强现实光学系统，包含光波导元件，光波导元件的几何体内部形成第二区域，光波导元件的几何体外部空间中形成有第一区域与第三区域；所述光波导元件具有第一端面与第二端面；第一端面上具有多个沿光波导元件长度延伸方向排布的第一齿形凸起，第二端面上具有多个沿光波导元件长度延伸方向排布的第二齿形凸起；第一齿形凸起包含第一结构面与第二结构面，第二齿形凸起包含第三结构面与第四结构面；沿第一端面到第二端面的方向上，第一区域、第二区域、第三区域依次布置。本实用新型能实现两路光线的耦合，使两路光线同时进入目标区域进行叠加，进而实现虚实两个图像内容的叠加，达到虚实结合，增强现实的效果。

Description

增强现实光学系统

技术领域

本实用新型涉及目视光学领域，具体地，涉及一种增强现实光学系统，特别是一种用于增强现实的光学系统，以及针对光线传播路径的光学处理方法。

背景技术

传统的AR目视系统可以分为折反式，自由曲面形式，光波导形式以及光栅形式。折反式视场角适中，体积较大；自由曲面形式的加工难度大，体积也大；光波导形式视场角较小而且良品率低，成本较高；而光栅形式视场角小，成本及其高，很难做到量产。

现有技术中存在一种视频眼镜，通过纵向延伸的棱镜以及具有双层反射面的波导元件将投影镜头发生的光束传递至人眼。这种视频眼镜的工作原理是：光束先在棱镜结构内不断发生反射从而前进至波导元件中，类似于光纤的传输原理；然后光束在波导元件中一边通过反射前行，一边通过折射进入人眼，从而到达扩展入瞳的目的。但是这种视频眼镜存在以下缺陷：一是棱镜结构增加了整体结构的长度，不便于安装；二是在光束在波导元件时，传输路径上光线强度逐渐减弱，导致进入人眼的画面亮度不一；三是进入人眼的光束中存在两个平面上的起点，不同平面起点的光束之间的射出方向会存在一定的差异，容易导致观看到的画面发生变形；四是外部光线难以射入，难以做到真实场景与投影镜头画面的叠加，增强现实的效果有限。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种增强现实光学系统。

根据本实用新型进一步改进提供的增强现实光学处理方法，包含以下步骤：

折射成像步骤：第一光束从第二区域射向第三结构面后，经折射进入第三区域并形成第一成像光束；

反射成像步骤：第二光束从第三区域射向第三结构面后，经第三结构面反射回第三区域并形成第二成像光束；

叠加成像步骤：第一成像光束与第二成像光束叠加成像。

优选地，所述叠加成像步骤中，第一成像光束与第二成像光束平行射出。

优选地，所述折射成像步骤中，第一光束从第一区域穿过第一结构面，折射进入第二区域；

所述第一结构面与第三结构面平行设置。

优选地，第一区域、第三区域分别设置有第一保护层、第二保护层；

在折射成像步骤中，第一光束穿过第一保护层射向第一结构面，经第三结构面折射后再穿过第二保护层；

在反射成像步骤中，第二光束穿过第二保护层射向第三结构面，经反射后再次穿过第二保护层。

优选地，第一光束穿过第一保护层后传播方向不变；第一光束穿过第二保护层后传播方向不变；第二光束穿过第二保护层后传播方向不变。

本实用新型提供了一种增强现实光学系统，包含光波导元件，光波导元件的几何体内部形成第二区域，光波导元件的几何体外部空间中形成有第一区域与第三区域；

所述光波导元件具有第一端面与第二端面；第一端面上具有多个沿光波导元件长度延伸方向排布的第一齿形凸起，第二端面上具有多个沿光波导元件长度延伸方向排布的第二齿形凸起；

第一齿形凸起包含第一结构面与第二结构面，第二齿形凸起包含第三结构面与第四结构面；

沿第一端面到第二端面的方向上，第一区域、第二区域、第三区域依次布置。

优选地，还包含平面保护层，多个平面保护层中包含有第一保护层与第二保护层；

第一保护层、光波导元件、第二保护层依次布置；

所述第一保护层包含第一保护面与第二保护面，第二保护层包含第三保护面与第四保护面；

第一保护面、第二保护面、第三保护面以及第四保护面相互平行。

优选地，所述光波导元件与平面保护层胶接；第一端面与第二保护面之间、第二端面与第三保护面之间均有空气间隙；

光波导元件与平面保护层的材质相同或不同；第一保护层与第二保护层固定连接、一体成型或相互分离。

优选地，所述第一结构面与第三结构面相互平行；

所述光波导元件的折射率为1.45～1.7，阿贝数为20～60；

平面保护层的折射率为1.45～1.7，阿贝数为20～60，厚度为0.1～10mm，第二保护面与第三保护面之间距离为0.1～10mm；

第一结构面与第二结构面之间的夹角为5～75°，第二结构面与第一保护面夹角为80～100°；

第三结构面与第四结构面之间的夹角为5～75°，第四结构面与第一保护面夹角为80～100°。

优选地，第一结构面上设置有增透膜；第三结构面上设置有波长分光膜或偏振分光膜。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型能实现两路光线的耦合，使两路光线同时进入目标区域，达到两路光信息的叠加的效果。

2、各个角度入射的透射光线在经过光波导元件一端后均按照原来的角度从另一端出射，即该光波导元件不改变光线的传播角度，通过该光波导元件直接观察外界不会产生图像的畸变和色差。

3、反射光线在光波导元件三角形凸起的斜面出发生反射出射，光线的传播角度发生变化，可以将侧面的光线传播到目标区域，由于是平面反射，侧面的图像不会产生图像的畸变和色差。

4、在目标区域既可以观察到外界的图像，又可以观察到侧面的图像，且两个图像内容可以叠加，达到虚实结合，增强现实的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例中本实用新型提供的光学系统的结构示意图；

图2为变化例中本实用新型提供的光学系统的结构示意图；

图3为实施例中平面保护层的结构示意图；

图4为变化例中平面保护层的结构示意图；

图5为光波导元件的结构示意图；

图6为反应实施例中平面保护层与光波导元件之间装配的结构示意图；

图7为反应变化例中平面保护层与光波导元件之间装配的结构示意图；

图8为光学系统中透射光路示意图；

图9为平面保护层中透射光路示意图；

图10为光波导元件中透射光路示意图；

图11为光学系统中反射光路示意图。

图中示出：

平面保护层1 第二结构面22

第一保护面11 第三结构面23

第二保护面12 第四结构面24

第三保护面13 第一光束31

第四保护面14 第二光束32

空气间隙18 第一区域41

胶接部19 第二区域42

光波导元件2 第三区域43

第一结构面21

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的进一步改进提供了一种增强现实光学处理方法，包含以下步骤：折射成像步骤：第一光束31从第二区域42射向第三结构面23后，经折射进入第三区域43并形成第一成像光束；反射成像步骤：第二光束32从第三区域43射向第三结构面23后，经第三结构面23反射回第三区域43并形成第二成像光束；叠加成像步骤：第一成像光束与第二成像光束叠加成像。实际应用中，所述第一光束31对应了外界环境中发出的光线，使用者根据第一成像光束是获取的所处真实环境的景象，而第二光束32对应了位于侧方的投影镜头发生的光线，通过反射的形式传递到目标区域，如人眼中，由于是平面反射，侧面的图像不会产生图像的畸变和色差。在目标区域既可以观察到外界的图像，又可以观察到侧面的图像，且两个图像内容可以叠加，达到虚实结合，增强现实的效果。第三结构面23反射一侧射入的光线、透射另一侧射入的光线的特性，则完全可以通过现有的光学薄膜得以实现。

所述叠加成像步骤中，第一成像光束与第二成像光束平行射出。在实际应用中，如AR眼镜等，投影镜头与第三结构面23之间的相对布置角度是确定的，通过对该角度进行调整，可以使得第二成像光束按设定的角度射出；而第一成像光束可以近似认为始终垂直眼镜镜面射出，因此第一成像光束与第二成像光束平行射出是可行的，而且通过上述技术手段，能够有效防止画面失真，提升增强现实的效果。当然，在实际应用中，第一成像光束与第二成像光束也可以并非是平行的，实现叠加效果即可。

实施例中，如图8所示，所述折射成像步骤中，第一光束31从第一区域41穿过第一结构面21，折射进入第二区域42；所述第一结构面21与第三结构面23平行设置。由于第三结构面23需要将位于侧方的投影镜头发出的光线反射至正后方的使用者眼中，因此必然是相对倾斜布置。在实际应用过程中，单个第三结构面23的尺寸较小，需要多个第三结构面23依次布置，进而需要具有统一的连接载体，如图10所示，所述连接载体在第一光束31的传播路径上具有与第三结构面23相平行的第一结构面21，否则，外部环境发出的光线经过所述连接载体后会发生折射，光线的射出角度发生变化，使用者透过连接载体看到的物体位置与实际位置将产生较大的偏移。

优选地，第一区域41、第三区域43分别设置有第一保护层、第二保护层；在折射成像步骤中，第一光束31穿过第一保护层射向第一结构面21，经第三结构面23折射后再穿过第二保护层；在反射成像步骤中，第二光束32穿过第二保护层射向第三结构面23，经反射后再次穿过第二保护层。如图9所示，由于各个保护层的上下端面相互平行，第一光束31穿过第一保护层后传播方向不变；第一光束31穿过第二保护层后传播方向不变；第二光束32穿过第二保护层后传播方向不变。

本实用新型还提供了一种实现上述的增强现实光学处理方法的光学系统，如图1至图7所示，包含光波导元件2与平面保护层1，光波导元件2的几何体内部形成第二区域42，光波导元件2的几何体外部空间中形成有第一区域41与第三区域43；所述光波导元件2具有第一端面与第二端面；第一端面上具有多个沿光波导元件2长度延伸方向排布的第一齿形凸起，第二端面上具有多个沿光波导元件2长度延伸方向排布的第二齿形凸起；第一齿形凸起包含第一结构面21与第二结构面22，第二齿形凸起包含第三结构面23与第四结构面24；沿第一端面到第二端面的方向上，第一区域41、第二区域42、第三区域43依次布置。此外，所述第一结构面21与第三结构面23相互平行，以保证外部光线沿垂直第一端面的方向射入后，能够沿垂直于第二端面的方向射出。

多个平面保护层1中包含有第一保护层与第二保护层；第一保护层、光波导元件2、第二保护层依次布置；所述第一保护层包含第一保护面11与第二保护面12，第二保护层包含第三保护面13与第四保护面14；第一保护面11、第二保护面12、第三保护面13以及第四保护面14相互平行。如图6、图7所示，所述平面保护层1上具有胶接部19，光波导元件2在胶接部19所在处与平面保护层1胶接；第一端面与第二保护面12之间、第二端面与第三保护面13之间均有空气间隙18。光波导元件2与平面保护层1的材质相同或不同；第一保护层与第二保护层固定连接、一体成型或相互分离。

此外，第一结构面21上设置有增透膜；第三结构面23上设置有波长分光膜或偏振分光膜。例如：第一结构面21上镀有增透膜，该薄膜在可见光和近红外波段的透过率≥70％，厚度在5μm～1mm之间。再例如：第三结构面23上镀有光学薄膜，该薄膜在可见光和近红外波段的透过率应在20-80％之间，或镀有偏振光学薄膜，该薄膜对P光的透射，S光反射，或者S光的透射，P光反射。优选地，所述波长分光膜或偏振分光膜的厚度在5μm～1mm之间。进一步优选地，所述光波导元件2的折射率为1.45～1.7，阿贝数为20～60；平面保护层1的折射率为1.45～1.7，阿贝数为20～60，厚度为0.1～10mm，第二保护面12与第三保护面13之间距离为0.1～10mm；第一结构面21与第二结构面22之间的夹角为5～75°，第二结构面22与第一保护面11夹角为80～100°；第三结构面23与第四结构面24之间的夹角为5～75°，第四结构面24与第一保护面11夹角为80～100°。

优选实施方式：

如图1、图2所示，增强现实光学系统包括平面保护层1，光波导元件2。所述的平面保护层1与光波导元件2材质优选为光学树脂，折射率在1.45-1.7之间，阿贝数在20-60之间。所述的平面保护层1，光波导元件2材质不要求一致。

如图3、图4所示，平面保护层1具有相互平行的第一保护面11、第二保护面12、第三保护面13以及第四保护面14，表面的光洁度满足光学的要求，保护面尺寸在1mm×0.5mm～30mm×30mm之间。第一保护面11与第二保护面12之间的距离在0.1～10mm之间；所述第一保护面11与第二保护面12之间填充有光学树脂，折射率在1.45～1.8之间，阿贝数在20～60之间。第二保护面12与第三保护面13之间的距离在0.01～10mm之间，中间为镂空结构，用于安装光波导元件2。第三保护面13与第四保护面14之间的距离在0.1～10mm之间，第三保护面13与第四保护面14之间填充光学树脂，折射率在1.45～1.8之间，阿贝数在在20～60之间。

光波导元件2为两层具有多个齿形凸起的光学表面，如图5所示，每个齿形凸起均为锯齿状，由第一结构面21和第二结构面22，或第三结构面23和第四结构面24组成，由第一结构面21、第二结构面22、第三结构面23、第四结构面24均为平面，且表面的光洁度满足光学的要求。第一结构面21和第二结构面22的夹角应在5-75°之间，且二结构面22与第一保护面11的夹角在80～100°之间，第一结构面21上镀有增透膜，该薄膜在可见光和近红外波段的透过率≥70％，厚度在5μm～1mm之间。第三结构面23和第四结构面24的夹角应在5～75°之间，且第四结构面24与第一保护面11的夹角在80～100°之间，第三结构面23上镀有光学薄膜，光学薄膜的尺寸应在5μm～1mm之间，该薄膜在可见光和近红外波段的透过率应在20～80％之间，或镀有偏振光学薄膜，该薄膜对P光的透射，S光反射，或者S光的透射，P光反射。

第一结构面21与第三结构面23应平行，第二结构面22与第四结构面24应平行，但第一结构面21与第三结构面23的尺寸不一定要求完全一致，第二结构面22与第四结构面24的尺寸也不一定要求完全一致。光波导元件2的每层光学表面的每个齿形凸起要求角度一致，其尺寸在可接受范围内可以不一致。

所述的平面保护层1与光波导元件2通过胶合的方式固定在一起，光波导元件2的光学表面上的齿形凸起在与第二保护面12、第三保护面13的连接处空隙没有填充，为空气间隙18。

光路说明

1、透射光路

如图8所示，第一光束从第一保护面11入射进入第一保护层，在第一保护面11处光线的传播应满足折射定律，然后经第二保护面12离开第一保护层进入空气间隙18，在第二保护面12处光线的传播应满足折射定律，然后光线经第一结构面21进入光波导元件2，在第一结构面21处光线的传播应满足折射定律，然后经第三结构面23离开光波导元件2，进入空气间隙18，在第三结构面23处光线的传播应满足折射定律，然后光线经第三保护面13入射第二保护层，在第三保护面13处光线的传播应满足折射定律，然后经第四保护面14离开第二保护层进入目标区域，在第四保护面14处光线的传播应满足折射定律。

如图9所示，若所述的第一保护层折射率为n1，当光线以入射角A1从折射率为n的介质进入第一保护面11时，以出射角B1第一保护面11，则角A1与角B1满足折射定律，即n×sin(A1)＝n1×sin(B1)，当光线以入射角C1从第二保护面12的入射，以出射角D1离开第二保护面12，进入折射率为n的介质，则角C1与角D1满足折射定律，即n×sin(C1)＝n1×sin(D1)，因第一保护面11与第二保护面12平行，所以B1＝C1，A1＝D1，即光线经过第一保护面11与第二保护面12后传播角度没有发生变化。光线经过第二保护层时同理。

如图10所示，若光波导元件2折射率为n2，当光线以入射角A2从折射率为n的介质进入第一结构面21时，以出射角B2离开第一结构面21，则角A2与角B2满足折射定律，即n×sin(A2)＝n2×sin(B2)，当光线以入射角C2从第三结构面23的入射，以出射角D2离开第三结构面23，进入折射率为n的介质，则角C2与角D2满足折射定律，即n×sin(C2)＝n1×sin(D2)，因第一结构面21与第三结构面23平行，所以B2＝C2、A2＝D2，即光线经过第一结构面21与第三结构面23后传播角度没有发生变化。也就是说，所以当光线透射穿过光波导元件2时，光线的传播角度没有发生变化。

2、反射光路

如图11所示，光线从第四保护面14入射进入所述的第二保护层，在第四保护面14出发生折射，然后在第三保护面13处发生折射离开第二保护层，进入空气间隙18，然后在第三结构面23处发生反射后再由第三保护面13处发生折射进入第二保护层，然后在第四保护面14处发生折射离开第一平面保护层进入目标区域。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种增强现实光学系统，其特征在于，包含光波导元件(2)，光波导元件(2)的几何体内部形成第二区域(42)，光波导元件(2)的几何体外部空间中形成有第一区域(41)与第三区域(43)；

所述光波导元件(2)具有第一端面与第二端面；第一端面上具有多个沿光波导元件(2)长度延伸方向排布的第一齿形凸起，第二端面上具有多个沿光波导元件(2)长度延伸方向排布的第二齿形凸起；

第一齿形凸起包含第一结构面(21)与第二结构面(22)，第二齿形凸起包含第三结构面(23)与第四结构面(24)；

沿第一端面到第二端面的方向上，第一区域(41)、第二区域(42)、第三区域(43)依次布置。

2.根据权利要求1所述的增强现实光学系统，其特征在于，还包含平面保护层(1)，多个平面保护层(1)中包含有第一保护层与第二保护层；

第一保护层、光波导元件(2)、第二保护层依次布置；

所述第一保护层包含第一保护面(11)与第二保护面(12)，第二保护层包含第三保护面(13)与第四保护面(14)；

第一保护面(11)、第二保护面(12)、第三保护面(13)以及第四保护面(14)相互平行。

3.根据权利要求2所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述光波导元件(2)与平面保护层(1)胶接；第一端面与第二保护面(12)之间、第二端面与第三保护面(13)之间均有空气间隙(18)；

光波导元件(2)与平面保护层(1)的材质相同或不同；第一保护层与第二保护层固定连接、一体成型或相互分离。

4.根据权利要求2所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述第一结构面(21)与第三结构面(23)相互平行；

所述光波导元件(2)的折射率为1.45～1.7，阿贝数为20～60；

平面保护层(1)的折射率为1.45～1.7，阿贝数为20～60，厚度为0.1～10mm，第二保护面(12)与第三保护面(13)之间距离为0.1～10mm；

第一结构面(21)与第二结构面(22)之间的夹角为5～75°，第二结构面(22)与第一保护面(11)夹角为80～100°；

第三结构面(23)与第四结构面(24)之间的夹角为5～75°，第四结构面(24)与第一保护面(11)夹角为80～100°。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，第一结构面(21)上设置有增透膜；第三结构面(23)上设置有波长分光膜或偏振分光膜。

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