CN211905862U - 基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，包括：菲涅尔透镜、图像源、图像放大透镜光学部分、输入耦合部分、光波导部分；菲涅尔透镜出射部分以及菲涅尔透镜补偿部分；所述图像放大透镜光学部分能够将图像源显示的图像进行放大；所述输入耦合部分能够将经过图像放大透镜光学部分放大后的图像耦合入光波导部分；所述菲涅尔透镜出射部分能够输出经过光波导部分传输的图像；所述菲涅尔透镜出射部分能够校正像差；所述菲涅尔透镜补偿部分能够补偿菲涅尔透镜产生的像差。本实用新型提供的基于菲涅尔透镜和光波导结合的方式，可以做到体积小型化，重量轻便化，功耗也更低，佩戴舒适。

Description

基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体地，涉及一种基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置。

背景技术

菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔(August in.Fresnel)实用新型的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。其工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面(如：透镜表面)，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。

随着人工智能的发展，增强现实显示装置作为一种人类智慧生活的一部分，将会越来越受到人民的重视。而作为人类的辅助工具，特别是一种头戴式工具，必须尽量做到体积小、重量轻、外观美观和视野大、成本低等一系列要求。近年来，增强现实和虚拟现实技术(AR/VR)技术蓬勃发展，其中增强现实技术的实现以自由曲面和光波导作为代表，其中有爱普生的自由曲面方案和lumus以及Magic Lip的光波导方案最为出名。然而，现有的技术和产品，例如以谷歌眼镜为代表的棱镜技术，视野小厚度大；以ODG的R8和R9为代表的birdbath技术，体积大重量大；以Epson BT系列为代表的产品，厚度大成本高；以Digi lens为代表的衍射波导技术，功耗高，色彩差；而已lumus为代表的阵列光波导方案，功耗特别高，发热严重。因此，现有技术中亟需一种改进的增强现实显示装置。

专利文献CN106324841B提供了一种增强现实显示装置及增强现实眼镜，该装置包括屈光可调模块、透明显示模块以及控制模块，屈光可调模块以及透明显示模块层叠设置且具有预设距离，所述控制模块分别电性连接于所述屈光可调模块以及所述透明显示模块。在第一显示时域内，控制模块用于控制所述透明显示模块，使透明显示模块处于全透光状态，控制屈光可调模块，使通过所述屈光可调模块的光线不产生折射；在第二显示时域内，控制模块控制所述透明显示模块，使所述透明显示模块显示图像，控制所述屈光可调模块，使所述屈光可调模块对显示的图像进行放大。该专利在功耗、性能上仍然有待提高的空间。

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基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置。

根据本实用新型提供的一种基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，包括：菲涅尔透镜、图像源1、图像放大透镜光学部分2、输入耦合部分3、光波导部分4；菲涅尔透镜出射部分5以及菲涅尔透镜补偿部分6；所述输入耦合部分3、光波导部分4；菲涅尔透镜出射部分5以及菲涅尔透镜补偿部分6依次相连；所述图像放大透镜光学部分2设置于输入耦合部分3的下方；所述图像源1设置于图像放大透镜光学部分2的中心线垂直方向的下方；所述图像源1能够显示图像；所述图像放大透镜光学部分2能够将图像源1显示的图像进行放大；所述输入耦合部分3能够将经过图像放大透镜光学部分2放大后的图像耦合入光波导部分4；所述光波导部分4能够传输经过图像放大透镜光学部分2放大后的图像；所述菲涅尔透镜出射部分5能够输出经过光波导部分4传输的图像；所述菲涅尔透镜出射部分5能够校正像差；所述菲涅尔透镜补偿部分6能够补偿菲涅尔透镜产生的像差，看清外界景象。

优选地，所述图像放大透镜光学部分2包括：第一放大透镜21、第二放大透镜22。

优选地，所述第一放大透镜21包括：第一放大透镜第一曲面21a、第一放大透镜第二曲面21b；所述第二放大透镜22包括：第二放大透镜第一曲面22a、第二放大透镜第二曲面22b；所述图像源1提供的图像经由第一放大透镜和第二放大透镜放大并且校正像差之后，光线从图像放大透镜光学部分出射，进入输入耦合部分3。

优选地，所述光波导部分4包括：第一外部层41、内部层42以及第二外部层43；所述第一外部层41和第二外部层43分别设置于内部层42的两侧；所述内部层42的折射率n2大于第一外部层41的折射率n1以及第二外部层43的折射率n3。

优选地，所述光波导部分4的光线入射角θ＞arcsin(n1/n2)；所述光波导部分4的光线入射角θ＞arcsin(n3/n2)。

优选地，所述菲涅尔透镜包括：菲涅尔透镜两端单元51；所述菲涅尔透镜出射部分5设置于菲涅尔透镜两端单元51上；所述菲涅尔透镜的表面面型采用以下任一种面型：-球面或者非球面；-变形非球面；-复曲面XY多项式曲面；-双二次曲面。

优选地，所述菲涅尔透镜的表面镀有半反半透膜。

优选地，所述图像源1包括以下任一种显示器：

-硅基液晶显示器；

-微型有机发光二极管显示器；

所述图像源1的亮度大于1000尼特；

所述图像源1的尺寸小于0.5英寸；

所述图像源1的像面边缘出射光纤与像面法线的夹角a的范围如下：

±10°≤a≤150°。

优选地，所述第一放大透镜第一曲面21a、第一放大透镜第二曲面21b、第二放大透镜第一曲面22a以及第二放大透镜第二曲面22b的面型皆能够采用以下任一种面型：-球面；-非球面；-变形非球面；-复曲面XY多项式曲面；-双二次曲面。

优选地，所述光波导部分4包括以下任意一种构件：-平面阵列光波导；-衍射光波导；-全息光波导。

优选地，所述菲涅尔透镜补偿部分6的面型和菲涅尔透镜出射部分5的面型保持一致，用于胶合。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷；

2、本实用新型提供的基于菲涅尔透镜和光波导结合的方式，可以做到体积小型化，重量轻便化，功耗也更低，佩戴舒适；

3、本实用新型的基于菲涅尔透镜和光波导的增强现实技术可广泛应用于娱乐、模拟仿真训练、外科手术等增强现实技术的各个领域。

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为本实用新型实施例的一种菲涅尔透镜和光波导技术的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的一种基于菲涅尔透镜和光波导技术光路示意图。

图3为本实用新型实施例的一种基于菲涅尔透镜和光波导技术的光波导部分示意图。

图4为本实用新型实施例的一种基于菲涅尔透镜和光波导技术的菲涅尔透镜出射部分原理示意图。

图中：

图像源1 光波导部分4

图像放大透镜光学部分2 第一外部层41

第一放大透镜21 内部层42

第一放大透镜第一曲面21a 第二外部层43

第一放大透镜第二曲面21b 菲涅尔透镜出射部分5

第二放大透镜22 菲涅尔透镜两端单元51

第二放大透镜第一曲面22a 菲涅尔透镜补偿部分6

第二放大透镜第二曲面22b 观测者人眼7

输入耦合部分3

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图1-4所示，根据本实用新型提供的一种基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，包括：菲涅尔透镜、图像源1、图像放大透镜光学部分2、输入耦合部分3、光波导部分4；菲涅尔透镜出射部分5以及菲涅尔透镜补偿部分6；所述输入耦合部分3、光波导部分4；菲涅尔透镜出射部分5以及菲涅尔透镜补偿部分6依次相连；所述图像放大透镜光学部分2设置于输入耦合部分3的下方；所述图像源1能够显示图像；所述图像放大透镜光学部分2能够将图像源1显示的图像进行放大；所述输入耦合部分3能够将经过图像放大透镜光学部分2放大后的图像耦合入光波导部分4；所述光波导部分4能够传输经过图像放大透镜光学部分2放大后的图像；所述菲涅尔透镜出射部分5能够输出经过光波导部分4传输的图像；所述菲涅尔透镜出射部分5能够校正像差；所述菲涅尔透镜补偿部分6能够补偿菲涅尔透镜产生的像差，看清外界景象。

本实用新型采用了菲涅尔透镜的设计原理，采用了菲涅尔投影的一部分，和光波导技术想结合，成功的做到了降低功耗，减小体积厚度的要求，本实用新型的理论功耗是以lumus为代表的阵列光波导的四分之一，相同视场角的情况下体积重量也更小。

优选地，所述图像放大透镜光学部分2包括：第一放大透镜21、第二放大透镜22。

优选地，所述第一放大透镜21包括：第一放大透镜第一曲面21a、第一放大透镜第二曲面21b；所述第二放大透镜22包括：第二放大透镜第一曲面22a、第二放大透镜第二曲面22b；所述图像源1提供的图像经由第一放大透镜和第二放大透镜放大并且校正像差之后，光线从图像放大透镜光学部分出射，进入输入耦合部分3。

优选地，所述光波导部分4包括：第一外部层41、内部层42以及第二外部层43；所述第一外部层41和第二外部层43分别设置于内部层42的两侧；所述内部层42的折射率n2大于第一外部层41的折射率n1以及第二外部层43的折射率n3。

优选地，所述光波导部分4的光线入射角θ＞arcsin(n1/n2)；所述光波导部分4的光线入射角θ＞arcsin(n3/n2)。

优选地，所述菲涅尔透镜包括：菲涅尔透镜两端单元51；所述菲涅尔透镜出射部分5设置于菲涅尔透镜两端单元51上；所述菲涅尔透镜的表面面型采用以下任一种面型：-球面或者非球面；-变形非球面；-复曲面XY多项式曲面；-双二次曲面。

优选地，所述菲涅尔透镜的表面镀有半反半透膜。

优选地，所述图像源1包括以下任一种显示器：

-硅基液晶显示器；

-微型有机发光二极管显示器；

所述图像源1的亮度大于1000尼特；

所述图像源1的尺寸小于0.5英寸；

所述图像源1的像面边缘出射光纤与像面法线的夹角a的范围如下：

±10°≤a≤150°。

优选地，所述第一放大透镜第一曲面21a、第一放大透镜第二曲面21b、第二放大透镜第一曲面22a以及第二放大透镜第二曲面22b的面型皆能够采用以下任一种面型：-球面；-非球面；-变形非球面；-复曲面XY多项式曲面；-双二次曲面。

优选地，所述光波导部分4包括以下任意一种构件：-平面阵列光波导；-衍射光波导；全息光波导。

优选地，所述菲涅尔透镜补偿部分6的面型和菲涅尔透镜出射部分5的面型保持一致，用于胶合。

增强现实的光学系统是一个图像放大系统，图像源所产生的影像藉由光学系统放大，在人眼前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情境之中，也可以与现实相结合，形成一种拓展现实场景。

具体地，在一个实施例中，一种基于菲涅尔透镜和光波导技术相结合的光学系统，如图1所示，整个系统包括图像源1，图像放大透镜光学部分2，输入耦合部分3，光波导部分4，菲涅尔透镜出射部分5，菲涅尔透镜补偿部分6，以及观测者人眼7。图像源1被配置成生成图像信息，图像源1可以是硅基液晶显示元件Lcos或者有机发光二极管显示元件Oled，光波导部分可以使用平面阵列光波导或者衍射光波导。图像放大透镜光学部分2包含两个放大透镜，第一放大透镜21和第二放大透镜22，第一放大透镜21包括第一放大透镜第一曲面21a和第一放大透镜第二图面21b，第二放大透镜22包括第二放大透镜第一曲面22a和第二放大透镜第二曲面22b。21a、21b、22a、22b的面型可以为球面或者非球面或者变形非球面、复曲面XY多项式曲面或者双二次曲面。如图3所示，光波导部分4包括三部分，外部层一41，内部层42，外部层二43。菲涅尔透镜出射部分5为菲涅尔透镜的一部分，透镜表面镀有半反半透膜，可以把光波导中的光线反射入人眼，形成虚拟图像。菲涅尔透镜的表面面型可以为平面或者非球面或者变形非球面、复曲面XY多项式曲面或者双二次曲面。菲涅尔透镜出射部分可以汇聚光线，校正像差。

观测者人眼7即人眼的瞳孔，也是光学系统的入瞳。图像源产生的图像信息经由图像放大透镜的放大和校正出射，经过输入耦合部分3和光波导部分4以及菲涅尔透镜出射部分5之后，光线进入观测者的人眼，外界景象经过光波导部分进入观测者的眼睛。

由物侧至人眼侧，基于菲涅尔透镜和光波导技术的光学系统包括，图像源1，图像放大透镜光学部分第一放大透镜21和第二放大透镜22，输入耦合部分3，光波导部分4，以及菲涅尔透镜出射部分5，菲涅尔透镜补偿部分6。光学系统的光路图如图2所示。

具体地，在一个实施例中，图像放大透镜光学部分第一放大透镜第一曲面21a，第一放大透镜第二曲面21b和第二放大透镜22a、第二放大透镜22b以及菲涅尔透镜出射部分的曲面面型可以为以下三种面型中的一种：变形非球面、复曲面XY多项式曲面、以及双二次曲面。

a.变形非球面

在公式(1)中，C_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4,6,8，10，…2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是4,6,8,10，…2n阶非旋转对称系数。XYZ方向表示见图1。各参数在实数范围。

b.复曲面XY多项式曲面

复曲面XY多项式曲面(AXYP)的曲面方程：

其中，c_x，c_y分别是曲面在子午方向和弧矢方向的顶点曲率半径，k_x，k_y分别是子午和弧矢方向的二次曲面系数，C_(m,n)是多项式x^myⁿ的系数，p为多项式的最高幂数。各参数在实数范围。

c.双二次曲面

其中，

X方向的半径值在第一参数栏中设定。如果设为0，则x方向的半径值被认为是无穷大。双二次曲面的参数定义：第一参数Rx，第二参Kx。其中，Kx为二次曲面系数。各参数为实数范围。

具体地，在一个实施例中，菲涅尔透镜出射光学部分与菲涅尔透镜补偿光学部分胶合，胶合面上镀有半反半透膜。

具体地，在一个实施例中，图像源可以是自发光式硅基液晶显示元件。显示元件像面出射角a为像面边缘出射光线与像面法线的夹角，θ的范围在±10°≤θ≤150°。举例而言，像面出射角a可以是±5°、或±10°。a取±5°时视场小，获得的光照度高；a取±10°时视场大，获得的光照度稍低。

具体地，在一个实施例中，光波导部分中的内部层为折射率较高的玻璃材料，外部层为防止刮痕的镀硬膜，外部层为增加光线透过率的增透膜。为了保证光线的在光波导中的传输，光波导部分中光线的入射角θ>arcsin(n1/n2)，θ>arcsin(n3/n2)，其中n1为外部层一41的折射率，n2内部层42的折射率，n3为外部层二43的折射率。

本申请的基于菲涅尔透镜和光波导技术的增强现实投影光学系统结构简单紧凑，棱镜元件少、棱镜厚度小而且体积小、重量轻、光学成像质量高，视场大。

本实用新型结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷；本实用新型提供的基于菲涅尔透镜和光波导结合的方式，可以做到体积小型化，重量轻便化，功耗也更低，佩戴舒适；本实用新型的基于菲涅尔透镜和光波导的增强现实技术可广泛应用于娱乐、模拟仿真训练、外科手术等增强现实技术的各个领域。

在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。

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化或修改，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 (10)

1.一种基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，包括：菲涅尔透镜、图像源(1)、图像放大透镜光学部分(2)、输入耦合部分(3)、光波导部分(4)、菲涅尔透镜出射部分(5)以及菲涅尔透镜补偿部分(6)；

所述输入耦合部分(3)、光波导部分(4)、菲涅尔透镜出射部分(5)以及菲涅尔透镜补偿部分(6)依次相连；

所述图像放大透镜光学部分(2)设置于输入耦合部分(3)的下方；

所述图像源(1)设置于图像放大透镜光学部分(2)的中心线垂直方向的下方。

2.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述图像放大透镜光学部分(2)包括：第一放大透镜(21)、第二放大透镜(22)。

3.根据权利要求2所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述第一放大透镜(21)包括：第一放大透镜第一曲面(21a)、第一放大透镜第二曲面(21b)；

所述第二放大透镜(22)包括：第二放大透镜第一曲面(22a)、第二放大透镜第二曲面(22b)。

4.根据权利要求2所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述光波导部分(4)包括：第一外部层(41)、内部层(42)以及第二外部层(43)；

所述第一外部层(41)和第二外部层(43)分别设置于内部层(42)的两侧；

所述内部层(42)的折射率n2大于第一外部层(41)的折射率n1以及第二外部层(43)的折射率n3。

5.根据权利要求4所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述光波导部分(4)的光线入射角θ＞arcsin(n1/n2)；

所述光波导部分(4)的光线入射角θ＞arcsin(n3/n2)。

6.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜包括：菲涅尔透镜两端单元(51)；

所述菲涅尔透镜出射部分(5)设置于菲涅尔透镜两端单元(51)上；

所述菲涅尔透镜的表面面型采用以下任一种面型：

-球面或者非球面；

-变形非球面；

-复曲面XY多项式曲面；

-双二次曲面。

7.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜的表面镀有半反半透膜。

8.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述图像源(1)包括以下任一种显示器：

-硅基液晶显示器；

-微型有机发光二极管显示器；

所述图像源(1)的亮度大于1000尼特；

所述图像源(1)的尺寸小于0.5英寸；

所述图像源(1)的像面边缘出射光纤与像面法线的夹角a的范围如下：

±10°≤a≤150°。

9.根据权利要求3所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述第一放大透镜第一曲面(21a)、第一放大透镜第二曲面(21b)、第二放大透镜第一曲面(22a)以及第二放大透镜第二曲面(22b)的面型皆能够采用以下任一种面型：

-球面；

-非球面；

-变形非球面；

-复曲面XY多项式曲面；

-双二次曲面。

10.根据权利要求1所述的基于菲涅尔透镜和光波导原理的增强现实光学装置，其特征在于，所述光波导部分(4)包括以下任意一种构件：

-平面阵列光波导；

-衍射光波导；

-全息光波导；

所述菲涅尔透镜补偿部分(6)的面型和菲涅尔透镜出射部分(5)的面型保持一致。

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