本發(fā)明涉及一種輕型增強現(xiàn)實眼鏡的設(shè)計，尤其涉及一種部分微投影機與眼鏡分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，增強現(xiàn)實(augmentedreality，ar)技術(shù)作為熱門科技現(xiàn)已獲得不少關(guān)注，無論是科研機構(gòu)還是產(chǎn)品公司都在爭相推出能普及的便攜式ar眼鏡。不同于虛擬現(xiàn)實(virtualreality，vr)的完全虛擬影像，ar是建立在真實世界中的的虛擬文字或者圖像，通過使用者的手勢、聲音等信息發(fā)出指令，改變虛擬信息內(nèi)容并與周圍環(huán)境完美地融合在一起。

ar現(xiàn)有2種常見的處理模式：利用顯示面板加上相機模組，依靠相機模組獲得原本使用者可看見的真實影像，經(jīng)影像加工處理后，透過顯示面板呈現(xiàn)真實與虛擬影像的結(jié)合，以達到ar效果，常見于智慧型手機、平板機與掌上型游戲機等；或是透過ar眼鏡的透明鏡片讓使用者可直接看到外界影像，再通過投影方式疊上虛擬影像，讓使用者處在真實環(huán)境中接收投影機內(nèi)的虛擬信息。

目前，ar眼鏡屬于穿戴型顯示面板類型，主要由鏡片、鏡架、微投影儀、攝像頭等感應(yīng)器及其控制或驅(qū)動芯片組成。不像vr眼鏡基本上做成頭盔式，ar眼鏡力求輕便易攜帶，在普通眼鏡的框架下加入前置攝像頭與鏡架微投影儀設(shè)備，比起頭盔式更適合日常使用。安裝于鏡架處的微投影儀主要由紅綠藍(redgreenblue，rgb)光源、光源散熱裝置、數(shù)字光學(xué)處理(digitallightprocessing，dlp)的微反射鏡陣列或硅基液晶(liquidcrystalonsilicon，lcos)組成。由于組成部分較多且集成化有限，微投影儀對于使用者來說依舊是個很重的佩戴負擔(dān)，鏡架過重會給鼻梁以及耳朵造成很大的壓力，體積過大不方便使用者隨身攜帶，不利于ar眼鏡的輕便化小型化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，一種可將投影儀部件與鏡架分離的輕便型ar眼鏡裝置，旨在有效解決投影儀與鏡架組合過重且體積較大的問題，以服務(wù)于新一代ar眼鏡，本發(fā)明裝置體積小、重量輕、易于使用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種微投影機分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置，該裝置包括：眼鏡、成像系統(tǒng)、驅(qū)動及圖像信號處理盒、信號源、光纖和電線；信號源發(fā)出的影像信號經(jīng)usb接口由驅(qū)動及圖像信號處理盒轉(zhuǎn)換為rgb光源信號通過光纖傳輸至成像系統(tǒng)；成像系統(tǒng)中的掃描裝置由信號源經(jīng)驅(qū)動及圖像信號處理盒通過電線提供電源，驅(qū)動及圖像信號處理盒產(chǎn)生驅(qū)動信號由電線傳至成像系統(tǒng)；成像系統(tǒng)中的光信號再出射至眼鏡鏡片，讓使用者通過鏡片得以看見清晰的動態(tài)影像。

進一步地，所述驅(qū)動及圖像信號處理盒中，將rgb光源耦合至光纖的結(jié)構(gòu)包括：rgb光源貼片陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列和平面光波導(dǎo)；rgb光源貼片陣列中的每個光源發(fā)出的光依次經(jīng)過兩個對準(zhǔn)的第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列的微透鏡，兩片微透鏡將光束聚焦調(diào)整成適合平面光波導(dǎo)耦合的光束后入射至平面光波導(dǎo)中對應(yīng)的耦合功率合成波導(dǎo)處，功率合成波導(dǎo)最終將三原色匯聚在一條波導(dǎo)中，并耦合至光纖輸出光源信號。

進一步地，所述rgb光源貼片陣列為rgb三原色led貼片陣列或rgb三原色激光ld貼片陣列；所述光纖為石英或塑料的多模或單模光纖。

進一步地，所述成像系統(tǒng)包括：微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem，mems)光束掃描單元和成像透鏡組；驅(qū)動及圖像信號處理盒輸出的rgb光源信號通過光纖照射到mems光束掃描單元上，mems光束掃描單元根據(jù)驅(qū)動及圖像信號處理盒提供的驅(qū)動信號完成角度掃描。經(jīng)mems光束掃描單元反射的信號光通過成像透鏡組調(diào)整光束，然后照射到眼鏡的波導(dǎo)上完成光信號傳輸。

進一步地，所述成像系統(tǒng)包括：諧振掃描單元、反射鏡和成像透鏡組；驅(qū)動及圖像信號處理盒輸出的rgb光源信號通過光纖傳輸，光纖的末端進行拉錐處理形成錐形光纖并固定于諧振掃描單元上，諧振掃描單元根據(jù)驅(qū)動及圖像信號處理盒提供的驅(qū)動信號完成對錐形光纖的點掃描。錐形光纖端面出射的信號光經(jīng)反射鏡反射至成像透鏡組調(diào)整光束，然后照射到眼鏡的波導(dǎo)上完成光信號傳輸。

進一步地，所述成像系統(tǒng)包括：光學(xué)相位控制陣列和成像透鏡組；驅(qū)動及圖像信號處理盒輸出的rgb光源信號通過光纖照射到光學(xué)相位控制陣列上，光學(xué)相位控制陣列根據(jù)驅(qū)動及圖像信號處理盒提供的驅(qū)動信號完成對光束的各個子光束的相移控制。經(jīng)光學(xué)相位控制陣列出射的信號光依據(jù)相位分配情況，輸出角度可控的光束，在空間掃描成像，經(jīng)成像透鏡組調(diào)整光束，然后照射到眼鏡的波導(dǎo)上完成光信號傳輸。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明將微投影機與鏡架分離，將其模塊化為驅(qū)動及圖像信號處理盒直接與影像信號源連接，并用光纖以及電線連接成像系統(tǒng)與驅(qū)動及圖像信號處理盒，具有輕捷便利、易于收納、便于佩戴使用的特點。

2、本發(fā)明提供了三種成像系統(tǒng)裝置：mems光束掃描單元掃描裝置體積小、便于集成，像素點小、分辨率高；錐形光纖掃描裝置在與lcos芯片、dlp芯片同樣的分辨率條件下物面更小，光學(xué)裝置集成體積更小、物點更為近軸，因而像差更為可控，成像質(zhì)量均勻性更好；光學(xué)相位控制陣列掃描裝置為固態(tài)掃描件，避免了機械掃描結(jié)構(gòu)中各種不穩(wěn)定因素，抗震、抗抖動干擾，可靠性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明微投影機分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明中將rgb光源耦合至光纖的結(jié)構(gòu)裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明的第一種成像系統(tǒng)裝置；

圖4為本發(fā)明的第二種成像系統(tǒng)裝置；

圖5為本發(fā)明的第三種成像系統(tǒng)裝置；

圖中，眼鏡1、成像系統(tǒng)2、驅(qū)動及圖像信號處理盒3、信號源4、光纖5、電線6、rgb光源貼片陣列7、第一微透鏡陣列8、第二微透鏡陣列9、平面光波導(dǎo)10、mems光束掃描單元11、成像透鏡組12、諧振掃描單元13、反射鏡14、光學(xué)相位控制陣列15。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種微投影機分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置，該裝置包括：眼鏡1、成像系統(tǒng)2、驅(qū)動及圖像信號處理盒3、信號源4、光纖5和電線6；信號源4發(fā)出的影像信號經(jīng)usb接口由驅(qū)動及圖像信號處理盒3轉(zhuǎn)換為rgb光源信號通過光纖5傳輸至成像系統(tǒng)2；成像系統(tǒng)2中的掃描裝置由信號源4經(jīng)驅(qū)動及圖像信號處理盒3通過電線6提供電源，驅(qū)動及圖像信號處理盒3產(chǎn)生驅(qū)動信號由電線6傳至成像系統(tǒng)2；成像系統(tǒng)2中的光信號再出射至眼鏡1鏡片，讓使用者通過鏡片1得以看見清晰的動態(tài)影像。

本發(fā)明的工作原理如下：驅(qū)動及圖像信號處理盒通過usb接口采集信號源的影像信號，將驅(qū)動及圖像信號處理盒內(nèi)的rgb光源調(diào)制成影像對應(yīng)的rgb信號通過光纖輸出到成像系統(tǒng)；并通過usb接口由信號源完成對掃描裝置的供電，通過與光纖并行的電線控制成像系統(tǒng)中的掃描裝置，完成對光纖出射光信號的掃描。掃描后的光信號經(jīng)成像系統(tǒng)中的成像透鏡組調(diào)整光束成平行光出射至眼鏡鏡片上的波導(dǎo)，完成光信號的傳輸。

上述裝置中，信號源可以是手機、電視等視頻顯示設(shè)備或移動硬盤、計算機等視頻存儲設(shè)備。

上述裝置中，光纖可運用石英或塑料多?；騿文９饫w外加保護層形成單光纖光纜結(jié)構(gòu)，并與電線包裝在同一塑料包層內(nèi)，作為驅(qū)動及圖像信號處理盒內(nèi)的rgb光源、掃描驅(qū)動與成像系統(tǒng)的單線連接裝置，易于彎曲收納也可展開使用，便于使用者佩戴眼鏡。

上述裝置中，通過光纖傳輸?shù)膔gb光源與眼鏡分離，大幅度減少眼鏡上微投影部件的重量和體積。其重要原因是，目前無論是led或ld的rgb光源，工作效率低于50％，不僅需要光束整形部件，而且需要體積較大的散熱元件。

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種將rgb光源耦合至光纖的結(jié)構(gòu)裝置，該裝置包括：rgb光源貼片陣列7、第一微透鏡陣列8、第二微透鏡陣列9和平面光波導(dǎo)10；所述rgb光源貼片陣列7為rgb三原色led貼片陣列或rgb三原色激光ld貼片陣列；rgb光源貼片陣列7中的每個光源發(fā)出的光依次經(jīng)過兩個對準(zhǔn)的第一微透鏡陣列8、第二微透鏡陣列9的微透鏡，兩片微透鏡將光束聚焦調(diào)整成適合平面光波導(dǎo)10耦合的光束后入射至平面光波導(dǎo)10中對應(yīng)的耦合功率合成波導(dǎo)處，功率合成波導(dǎo)最終將三原色匯聚在一條波導(dǎo)中，并耦合至光纖5輸出光源信號，所述光纖5為石英或塑料的多?；騿文９饫w。

上述裝置中，rgb光源貼片陣列7為rgb三原色led貼片陣列或rgb三原色激光ld貼片陣列；紅、綠、藍三色光源的波長分別為620-625nm、520-525nm、460-465nm，每個光源需要兩個微透鏡將發(fā)射的光束聚焦輸出到平面光波導(dǎo)的耦合段，合束后的平面光波導(dǎo)再將信號光耦合至光纖傳輸。

如圖3-5所示，本發(fā)明中的成像系統(tǒng)裝置可以有三種實現(xiàn)方法：

第一種為mems光束掃描單元掃描裝置。信號源經(jīng)再調(diào)制形成的rgb光源信號由光纖傳輸至眼鏡鏡片邊緣作為光源照射到mems光束掃描單元上，通過與光纖并行的電線接入掃描驅(qū)動發(fā)出的與rgb光源調(diào)制信號同步的mems光束掃描單元微反射鏡掃描信號，使mems光束掃描單元反射出與信號源同步的影像至成像透鏡組。成像透鏡組調(diào)整mems光束掃描單元反射的信號光束成為平行光，再入射至眼鏡鏡片上的波導(dǎo)完成光信號的傳輸。

上述系統(tǒng)中，掃描驅(qū)動通過電線將驅(qū)動信號發(fā)送至mems光束掃描單元(例如texasinstrument的dlp系列產(chǎn)品)，其掃描驅(qū)動信號與rgb光源調(diào)制信號同步，使光源在提供不斷變化的rgb信號的同時mems光束掃描單元上的微反射鏡產(chǎn)生與之對應(yīng)的反射角度，因而掃描反射出與信號源同步的影像。mems光束掃描單元掃描反射后的信號光再通過成像透鏡組調(diào)整光束，使之成為平行光，便于與眼鏡鏡片中的波導(dǎo)耦合并傳輸。

如圖3所示，為實現(xiàn)上述方法提供的成像系統(tǒng)包括：微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem，mems)光束掃描單元11和成像透鏡組12；驅(qū)動及圖像信號處理盒3輸出的rgb光源信號通過光纖5照射到mems光束掃描單元11上，mems光束掃描單元11根據(jù)驅(qū)動及圖像信號處理盒3提供的驅(qū)動信號完成角度掃描。經(jīng)mems光束掃描單元11反射的信號光通過成像透鏡組12調(diào)整光束，然后照射到眼鏡1的波導(dǎo)上完成光信號傳輸。

第二種為錐形光纖掃描裝置。信號源經(jīng)再調(diào)制形成的rgb光源信號由光纖傳輸至眼鏡鏡片邊緣的諧振掃描單元，光纖末端做拉錐處理后固定在諧振掃描單元上，其掃描驅(qū)動信號由與光纖并行的電線接入，完成與rgb光源調(diào)制信號同步的錐形光纖快速點掃描，使反射鏡上形成與信號源同步的影像。成像透鏡組調(diào)整反射鏡反射的信號光束成為平行光，再入射至眼鏡鏡片上的波導(dǎo)完成光信號的傳輸。

上述系統(tǒng)中，光纖末端做拉錐處理后，由于錐形端透鏡的聚焦作用，出射的光斑在焦平面直徑可小至0.5-0.8微米。現(xiàn)有的lcos芯片，例如himax的lcos系列產(chǎn)品hx7318ctjpb，1366×768p的單像素點大小為6×6微米，對角線物面尺寸9.40mm；現(xiàn)有的dlp芯片，例如texasinstrument的dlp系列產(chǎn)品dlp4501，1280×800p的單像素點直徑7.6微米，對角線物面尺寸11.43mm。而錐形光纖的像素尺寸直徑在0.4-0.6微米，所以錐形光纖掃描方法在同樣的分辨率條件下物面更小，光學(xué)裝置集成體積更小、物點更為近軸，因而像差更為可控，成像質(zhì)量均勻性更好。

上述系統(tǒng)中，反射鏡置于錐形光纖端面出射光斑的焦平面，諧振掃描單元控制錐形光纖在反射鏡上做逐行點掃描，其驅(qū)動信號與rgb光源調(diào)制信號同步，使諧振掃描單元在光源提供不斷變化的rgb信號的同時在反射鏡上掃描投射出與之同步的各顏色影像。反射鏡反射后的信號光再通過成像透鏡組調(diào)整光束，使之成為平行光，便于與眼鏡鏡片中的波導(dǎo)耦合并傳輸。由于人眼存在視覺延遲，快速逐行點掃描形成的影像對人眼來說是連續(xù)不斷的，所以不會對使用者造成頻閃的影響，進而在人腦中合成色彩連續(xù)的高分辨圖像。

如圖4所示，為實現(xiàn)上述方法提供的成像系統(tǒng)包括：諧振掃描單元13、反射鏡14和成像透鏡組12；驅(qū)動及圖像信號處理盒3輸出的rgb光源信號通過光纖5傳輸，光纖5的末端進行拉錐處理形成錐形光纖并固定于諧振掃描單元13上，諧振掃描單元13根據(jù)驅(qū)動及圖像信號處理盒3提供的驅(qū)動信號完成對錐形光纖的點掃描。錐形光纖端面出射的信號光經(jīng)反射鏡14反射至成像透鏡組12調(diào)整光束，然后照射到眼鏡1的波導(dǎo)上完成光信號傳輸。

第三種為光學(xué)相位控制陣列掃描裝置。信號源經(jīng)再調(diào)制形成的rgb光源信號由光纖傳輸至眼鏡鏡片邊緣作為光源照射到光學(xué)相位控制陣列上，通過與光纖并行的電線接入控制驅(qū)動發(fā)出的與rgb調(diào)制信號同步的光學(xué)相位控制陣列掃描信號，使光學(xué)相位控制陣列透射出與信號源同步的影像至成像透鏡組。光學(xué)相位控制陣列實現(xiàn)對入射光束的高速偏轉(zhuǎn)，使視頻傳輸?shù)膱D像各像素呈現(xiàn)于物面，成像透鏡組調(diào)整光學(xué)相位控制陣列透射的信號光束成為平行光，再入射至波導(dǎo)完成光信號的傳輸。

上述系統(tǒng)中，光學(xué)相位控制陣列通過波導(dǎo)將光束分束，每束光相當(dāng)于單像素點由波導(dǎo)傳遞至相位調(diào)節(jié)器，每個相位調(diào)節(jié)器尺寸在2μm量級。控制驅(qū)動通過施加不同的電壓和阻尼調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié)器對光束的相移，使不同位置的光束產(chǎn)生不同的相移，因而可以還原出信號源的圖像。由于相位調(diào)節(jié)只對單波長的光起作用，彩色信號需要在rgb光源信號中產(chǎn)生對應(yīng)的時序信號，將不同時刻的光偏轉(zhuǎn)不同的相移再出射至成像透鏡組。由于人眼存在視覺延遲，時序相移掃描形成的影像對人眼來說是連續(xù)不斷的，所以不會對使用者造成頻閃的影響。成像透鏡組調(diào)整光束使之成為平行光，便于與眼鏡鏡片中的波導(dǎo)耦合并傳輸。

如圖5所示，為實現(xiàn)上述方法提供的成像系統(tǒng)包括：光學(xué)相位控制陣列15和成像透鏡組12；驅(qū)動及圖像信號處理盒3輸出的rgb光源信號通過光纖5照射到光學(xué)相位控制陣列15上，光學(xué)相位控制陣列15根據(jù)驅(qū)動及圖像信號處理盒3提供的驅(qū)動信號完成對光束的各個子光束的相移控制。經(jīng)光學(xué)相位控制陣列15出射的信號光依據(jù)相位分配情況，輸出角度可控的光束，在空間掃描成像，經(jīng)成像透鏡組12調(diào)整光束，然后照射到眼鏡1的波導(dǎo)上完成光信號傳輸。