CN214586228U - 增强现实光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种增强现实光学装置，包括依次设置的显示像源、透镜组、平板模组和凹面半反镜；其中，显示像源用于射出光束信号，光束信号经透镜组折射至平板模组上；平板模组的设置方向与显示像源的法线方向之间形成锐角夹角，平板模组用于对透镜组折射出的光束信号进行分光及偏振处理；凹面半反镜用于将经过平板模组分光及偏振处理后的光束信号反射至成像端成像。利用上述实用新型能够在采用较少镜片的情况下实现高质量的成像效果，且装置整体体积小、重量轻、成本低。

Description

增强现实光学装置

技术领域

本实用新型涉及AR技术领域，更为具体地，涉及一种增强现实光学装置。

背景技术

目前，增强现实技术是指一种将真实世界东西与虚拟世界信息无缝连接展现呈现超现实的技术，主要是把现实生活世界中很难体验到的实体感觉及感受，通过电脑、集成等科学技术进行叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，并被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

可知，增强现实技术不仅能够展现真实世界的信息，还可同时将虚拟的信息显示出来，两种信息相互补充、叠加。例如，在视觉化的增强现实中，用户可利用头盔显示器等设备，把真实世界与电脑图形重合，使得用户可以看到真实和虚拟组合的世界。

但是，在现有的增强现实技术中，普遍存在成像解析差、畸变大、视场角相对较小等问题；另外，为提高成像质量采用大量的镜片，也会导致镜片数量多，体积大，相对成本高等问题。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种增强现实光学装置，以解决目前增强现实技术中存在的成像质量差、畸变大、视场角小，以及为提高成像质量采用大量的镜片导致的镜片数量多、体积大、成本高等问题。

本实用新型提供的增强现实光学装置，包括依次设置的显示像源、透镜组、平板模组和凹面半反镜；其中，显示像源用于射出光束信号，光束信号经透镜组折射至平板模组上；平板模组的设置方向与显示像源的法线方向之间形成锐角夹角，平板模组用于对透镜组折射出的光束信号进行分光及偏振处理；凹面半反镜用于将经过平板模组分光及偏振处理后的光束信号反射至成像端成像。

此外，优选的结构是，透镜组包括至少一个凸透镜和至少一个凹透镜；凸透镜的焦距f1满足：20<f1<50；凹透镜的焦距f2满足：-350<f2<-200。

此外，优选的结构是，凸透镜的阿贝数满足：1.5<n1<1.8；凸透镜的折射率满足：25<v1<70；凹透镜的阿贝数满足：1.55<n2<1.8；凹透镜的折射率满足：10<v2<40；平板模组的阿贝数满足：1.5<n3<1.8；平板模组的折射率满足：35<v3<70；凹面半反镜的阿贝数满足：1.5<n4<1.8凹面半反镜的折射率满足：35<v4<70。

此外，优选的结构是，凸透镜和/或凹透镜和/或凹面半反镜包括球面型、非球面型和自由曲面中的任意一种；并且，当凸透镜、凹透镜、凹面半反镜为非球面型时，非球面型满足：

其中，Z表示非球面上的点离非球面顶点在光轴方向的距离；r表示非球面上的点到对应光轴的距离；c表示非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、 a6、a8、a10表示非球面高次项系数。

此外，优选的结构是，平板模组包括平板玻璃和依次贴设在平板玻璃上的偏振片、偏振分光片和四分之一波片。

此外，优选的结构是，凹面半反镜的中轴线方向与显示像源的法线方向相垂直。

此外，优选的结构是，凹面半反镜的中轴线方向与平板模组的设置方向之间形成第一锐角夹角，平板模组的设置方向与显示像源的法线方向之间的形成第二锐角夹角；并且，第一锐角夹角和第二锐角夹角之和等于90°。

此外，优选的结构是，凹面半反镜的焦距f3满足：20<f3<50。

此外，优选的结构是，显示像源的法线方向与成像端的法线方向相垂直。

此外，优选的结构是，在凹面半反镜靠***板模组的一侧设置有半透半反膜。

从上面的技术方案可知，本实用新型的增强现实光学装置，设置透镜组和平板模组，二者相互配合对显示像源发出的光束信号进行折射、分光及偏振处理，不仅能够改变光束的成像方向，还能够简化光学装置的复杂程度，利于装置的小型化发展，且成像质量高、可适用较大视场角。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本实用新型的更全面理解，本实用新型的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本实用新型实施例的增强现实光学装置的整体装置示意图；

图2为根据本实用新型实施例的平安模组的局部放大图；

图3为根据本实用新型实施例的增强现实光学装置的光束路径示意图；

图4为根据本实用新型实施例的OTF曲线图。

其中的附图标记包括：显示像源1、第一透镜2、第二透镜3、凹面半反镜4、平板模组5、四分之一波片51、偏振分光片52、偏振片53、平板玻璃 54。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

为详细描述本实用新型的增强显示光学装置，以下将结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本实用新型实施例的增强现实光学装置的整体示意结构。

如图1所示，本实用新型实施例的增强显示光学装置，包括依次设置的显示像源1、透镜组、平板模组5和凹面半反镜4；其中，显示像源1用于射出光束信号，光束信号经透镜组折射至平板模组5上；平板模组5的设置方向与显示像源1的法线方向以及凹面半反镜4的法线方向之间均形成锐角夹角，平板模组5用于对透镜组折射出的光束信号进行分光及偏振处理；凹面半反镜4用于将经过平板模组5分光及偏振处理后的光束信号反射至成像端成像，由于平板模组5的设置在透镜组和凹面半反镜4之间，通过平板模组5 可对光束信号进行分光及偏振处理，进而可实现成像方向的调整，且可将显示像源1侧的光学信号完美的呈现至成像端，提高用户的视觉体验。

其中，透镜组包括至少一个凸透镜和至少一个凹透镜，在本实用新型的一个具体示例中，透镜组包括第一透镜2和第二透镜3，第一透镜2可采用凸透镜，第二透镜3采用凹透镜；其中，凸透镜的焦距f1满足：20<f1<50；凹透镜的焦距f2满足：-350<f2<-200。利用两个透镜的透镜组能够减少显示增强光学装置的透镜个数、降低装置的成本、减小整体体积。

为有效提升增强显示光学装置的光学性能，在本实用新型的一个具体实施方式中，各透镜的阿贝数和折射率满足以下条件：凸透镜的阿贝数满足： 1.5<n1<1.8；凸透镜的折射率满足：25<v1<70；凹透镜的阿贝数满足：1.55 <n2<1.8；凹透镜的折射率满足：10<v2<40；平板模组5的阿贝数满足：1.5<n3 <1.8；平板模组5的折射率满足：35<v3<70；凹面半反镜4的阿贝数满足： 1.5<n4<1.8凹面半反镜4的折射率满足：35<v4<70。

另外，凸透镜和/或凹透镜和/或凹面半反镜4包括球面型、非球面型和自由曲面中的任意一种；并且，当凸透镜和/或凹透镜和/或凹面半反镜为非球面型时，非球面型满足以下公式：

其中，Z表示非球面上的点离非球面顶点在光轴方向的距离；r表示非球面上的点到对应光轴的距离；c表示非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、 a6、a8、a10表示非球面高次项系数。

需要说明的是，平板模组5倾斜设置在透镜组和凹面半反镜4之间，平板模组5的倾斜角度和偏振方向可用于调整成像的位置，该成像端的法线与显示像源1之间的法线的夹角也可调整，例如，可将显示像源1的法线方向与成像端的法线方向设置为相垂直，平板模组5倾斜45°设置在显示像源1 和成像端之间。

具体地，图2示出了根据本实用新型实施例的片板模组局部放大结构，图3示出了根据本实用新型实施例的增强现实光学装置的光束路径。

如图2和图3共同所示，平板模组5包括平板玻璃54和贴设在平板玻璃 54上的偏振片53、贴设在偏振片53上的偏振分光片52以及贴设在偏振分光片52上的四分之一波片51。平板模组5的倾斜角度与显示像源1的法线之间的夹角为45°，与凹面半反镜4的法线之间的夹角也为45°。

具体地，在光线传输过程中，首先经显示像源1发出自然光或光束信号，通过第一透镜2和第二透镜3后，折射到平板模组5上；由于平板模组5包括平板模组5和贴附在平板玻璃54上的多个膜层，因此光束或光线先经过偏振分光片52，通过偏振分光片52将光线起偏转换为线偏振光，并分成P和S 两种线偏振，其中的P偏振光透射，S偏振光反射。

然后，P偏振光透射后进入到偏振片53，因为偏振片53透光的光轴方向与P偏振光的偏振方向相垂直，因此P偏振光被偏振片53截止，而反射回来的S偏振光经过四分之一波片51，并由线偏振光转换为圆偏振光，同时相位发生45°偏移，光线通过四分之一波片51后，到达凹面半反镜4，由于凹面反射镜内侧镀有半透半反膜，因此有50％的光线反射回来，再经过四分之一波片51，由圆偏振光转换为线偏振光，同时相位发生45°偏移，因此两次经过四分之一波片51处理以后，偏振光光轴的方向旋转90°，与偏振片53透过光轴的方向一致，偏振光再次透过偏振分光片52和偏振片53，最终完成整个光路，进入成像端成像。其中，该成像端可以是人眼或者其他成像装置。

在本发明的一个具体实施方式中，凹面半反镜4的中轴线方向与显示像源1的法线方向相垂直。另外，凹面半反镜4的中轴线方向与平板模组5的设置方向之间形成第一锐角夹角，平板模组5的设置方向与显示像源1的法线方向之间的形成第二锐角夹角；并且，第一锐角夹角和第二锐角夹角之和等于90°。

可知，上述平板模组5的倾斜角度并不限于附图所示具体角度，平板模组5的倾斜角度及具体的偏振方向也可根据具体地使用场景进行调整。

另外，为提高光线处理中的光学性能，在本实用新型的增强显示光学装置中，凹面半反镜4的焦距f3满足：20<f3<50。同时，可在凹面半反镜4靠***板模组5的一侧设置有半透半反膜，使得光线能够有50％可通过凹面半反镜4反射至平板模组5上，该凹面半反镜4也可设置为其他种类的镜片，例如可使得光线全透或者全返等镜片。

图4示出了根据本实用新型实施例的增强显示光学装置的OTF曲线。

如图4所示，横轴表示空间频率(单位，线/毫米)，纵轴表示OTF值，可知，利用本使实用新型的增强显示光学装置，在空间频率为60左右的情况下，对应的OTF值均可达到0.5以上，成像的分辨率高、效果好。

通过上述实施方式可以看出，本实用新型提供的增强现实光学装置，通过透镜组和平板模组的相互配合对显示像源发出的光束信号进行折射、分光及偏振处理，不仅能够改变光束的成像方向，还能够简化光学装置的复杂程度，成像质量高、可适用较大视场角；此外，可通过两个透镜进行像差校正即可满足高解析度、低畸变的成向质量要求，极大的降低了增强显示光学模组的成本和体积重量。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本实用新型提出的实光学装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本实用新型所提出的实光学装置，还可以在不脱离本实用新型内容的基础上做出各种改进。因此，本实用新型的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种增强现实光学装置，其特征在于，包括依次设置的显示像源、透镜组、平板模组和凹面半反镜；其中，

所述显示像源用于射出光束信号，所述光束信号经所述透镜组折射至所述平板模组上；

所述平板模组的设置方向与所述显示像源的法线方向之间形成锐角夹角，所述平板模组用于对所述透镜组折射出的光束信号进行分光及偏振处理；

所述凹面半反镜用于将经过所述平板模组分光及偏振处理后的光束信号反射至成像端成像。

2.如权利要求1所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述透镜组包括至少一个凸透镜和至少一个凹透镜；

所述凸透镜的焦距f1满足：20<f1<50；

所述凹透镜的焦距f2满足：-350<f2<-200。

3.如权利要求2所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述凸透镜的阿贝数满足：1.5<n1<1.8；

所述凸透镜的折射率满足：25<v1<70；

所述凹透镜的阿贝数满足：1.55<n2<1.8；

所述凹透镜的折射率满足：10<v2<40；

所述平板模组的阿贝数满足：1.5<n3<1.8；

所述平板模组的折射率满足：35<v3<70；

所述凹面半反镜的阿贝数满足：1.5<n4<1.8

所述凹面半反镜的折射率满足：35<v4<70。

4.如权利要求2所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述凸透镜和/或所述凹透镜和/或所述凹面半反镜包括球面型、非球面型和自由曲面中的任意一种；并且，

当所述凸透镜、所述凹透镜、所述凹面半反镜为非球面型时，所述非球面型满足：

其中，Z表示所述非球面上的点离非球面顶点在光轴方向的距离；r表示所述非球面上的点到对应光轴的距离；c表示所述非球面的中心曲率；k表示圆锥率；a4、a6、a8、a10表示所述非球面高次项系数。

5.如权利要求1所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述平板模组包括平板玻璃和依次贴设在所述平板玻璃上的偏振片、偏振分光片和四分之一波片。

6.如权利要求1所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述凹面半反镜的中轴线方向与所述显示像源的法线方向相垂直。

7.如权利要求1所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述凹面半反镜的中轴线方向与所述平板模组的设置方向之间形成第一锐角夹角，所述平板模组的设置方向与所述显示像源的法线方向之间的形成第二锐角夹角；并且，

所述第一锐角夹角和所述第二锐角夹角之和等于90°。

8.如权利要求1所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述凹面半反镜的焦距f3满足：20<f3<50。

9.如权利要求1所述的增强现实光学装置，其特征在于，

所述显示像源的法线方向与所述成像端的法线方向相垂直。

10.如权利要求1所述的增强现实光学装置，其特征在于，

在所述凹面半反镜靠近所述平板模组的一侧设置有半透半反膜。

Images