增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及便攜式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)設(shè)備的領(lǐng)域，尤其是安裝在用戶頭上的便攜式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)設(shè)備的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)際上存在允許由安裝在用戶頭上的顯示系統(tǒng)進(jìn)行的圖像顯示的多個(gè)方案。這些設(shè)備中的大多數(shù)不允許透明視覺(jué)并且因此不能在不顯著降低用戶的自然視場(chǎng)的情況下集成在增強(qiáng)顯示系統(tǒng)中，該自然視場(chǎng)對(duì)于水平自然視場(chǎng)約為180°并且對(duì)于垂直自然視場(chǎng)約為 120。 。
[0003]一些光學(xué)方案是透明的但是其使用“離軸”光學(xué)路徑，也就是說(shuō)在用戶的視覺(jué)的主軸線之外，這導(dǎo)致強(qiáng)光學(xué)像差，尤其是像散、場(chǎng)曲和畸變，這降低了投射在視網(wǎng)膜中的圖像的質(zhì)量。為了補(bǔ)償這些像差，這些設(shè)備使用一定數(shù)量的光學(xué)元件，這些光學(xué)元件不與針對(duì)希望能夠被集成在人體工程眼鏡對(duì)中的設(shè)備所要求的精細(xì)度相兼容。
[0004]對(duì)于當(dāng)前設(shè)備的另一問(wèn)題涉及出射瞳的尺寸?？雌骄鶑?qiáng)度的投射圖像的眼睛的瞳的直徑約為3_。為了具有人體工程學(xué)顯示系統(tǒng)，出射瞳，也就是說(shuō)用戶接收?qǐng)黾系难劬Ψ胖脜^(qū)域，應(yīng)該至少3倍于用戶的眼睛的瞳孔，以使得即使用戶相對(duì)于系統(tǒng)移動(dòng)，用戶也繼續(xù)感知銳利圖像而沒(méi)有漸暈。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的尤其是提供一種設(shè)備，其尺寸和復(fù)雜度相對(duì)于現(xiàn)有顯示系統(tǒng)顯著減小，并且被設(shè)計(jì)為使得能夠在保持透明用于觀看的同時(shí)被固定到用戶的頭部。此外，這樣的設(shè)備將有利地容易用于其中人體工程學(xué)和簡(jiǎn)易型是關(guān)鍵元素的通用應(yīng)用。
[0006]根據(jù)本發(fā)明，這樣的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的特征在于該設(shè)備包括:
[0007]一顯示器，用于發(fā)射以光束形式的至少一個(gè)圖像；
[0008]一定位裝置，用于相對(duì)于用戶的眼睛在側(cè)部定位所述顯示器，以使得所述顯示器相對(duì)于所述眼睛的主光軸基本橫向地發(fā)射所述圖像；
[0009]一視覺(jué)返回屈光片，相對(duì)于所述主光軸基本橫向地設(shè)置以使得把所述圖像返回到眼睛的方向上；
[0010]一重定向裝置，對(duì)所述圖像在所述顯示器和所述屈光片之間重定向；以及[0011 ] 一偏振裝置，消除雜散光。
[0012]該設(shè)備還可包括用于使圖像適于用戶的視覺(jué)的眼校正裝置。
[0013]顯示器優(yōu)選地是從IXD、OLED和LCOS類型中選擇的。該設(shè)備還可包括設(shè)置在顯示器下游且在重定向裝置上游的至少一個(gè)透鏡或一組透鏡，尤其是用于獲得圖像的所希望的放大，優(yōu)選地同時(shí)補(bǔ)償色差。
[0014]重定向裝置有利地是半反射平面或曲面片，被設(shè)置為使來(lái)自顯示器的圖像光束朝著屈光片的內(nèi)面的方向折疊，所述片使由所述屈光片反射的至少一部分光束不反射地通過(guò)。該半反射片包括偏振結(jié)構(gòu)，偏振結(jié)構(gòu)能夠一方面保證所述片的透射和反射功能，并且另一方面顯著減少由于來(lái)自所述片的另一側(cè)的光引起的雜散反射。
[0015]該設(shè)備還可包括微相機(jī)、慣性單元、磁羅盤以及GPS以便允許根據(jù)用戶的視點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)來(lái)與所觀察到的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行虛擬交互，微相機(jī)的軸線被放置為與用戶的定向眼睛的光軸基本平行。優(yōu)選地，該設(shè)備還包括電池和計(jì)算通信電子裝置，計(jì)算通信電子裝置被設(shè)計(jì)為允許連同智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)的無(wú)線使用。
[0016]本發(fā)明還涉及一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明所述的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)設(shè)備，其中的每一個(gè)用于用戶的相應(yīng)眼睛。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備或系統(tǒng)有利地包括用于把設(shè)備固定到用戶頭部的承載結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地是眼鏡架、滑雪帽、防護(hù)面罩或安全帽類型的承載結(jié)構(gòu)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]下面參照附圖，通過(guò)以非限定性示例方式，描述本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方式，在附圖中:
[0019]一圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的垂直軸向剖面；以及
[0020]—圖2示出用于圖1的設(shè)備的半反射條的厚度中的剖面。
【具體實(shí)施方式】
[0021]圖1使用便攜式光學(xué)設(shè)備1，用于向該設(shè)備的用戶引起增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。該設(shè)備處于稱作“軸上”的光學(xué)配置，也就是說(shuō)，沿著光軸Xi的光學(xué)配置，光軸Xi是當(dāng)用戶觀看其前面的無(wú)限遠(yuǎn)處時(shí)基本上為用戶的觀看軸線；這允許減小該設(shè)備的復(fù)雜度和重量。在所示示例中，該設(shè)備I包括顯示器2、半反射條3、屈光片4、延遲片5、極化膜6以及眼校正裝置7。
[0022]顯示器2可以是微顯示器類型，LCOS、IXD或OLED ;其用于以光束的形式形成且發(fā)射固定或動(dòng)畫圖像。反射條3是PBS(極化分束器)類型，被用于把來(lái)自顯示器2的光束的光學(xué)路徑朝向屈光片4的方向折疊。屈光片4是用于使光束準(zhǔn)直以便把無(wú)限遠(yuǎn)的圖像投射到用戶的眼睛10中的半透明折反射元件。延遲片5是四分之一波長(zhǎng)類型的偏振片。
[0023]片3當(dāng)相對(duì)于光軸Xl定位為45度時(shí)對(duì)于P類型偏振光是透明的并且對(duì)于S類型偏振光是反射的，P類型也就是說(shuō)在入射平面中偏振，S類型也就是說(shuō)與入射平面正交。一旦被反射條3反射之后，S類型偏振光透過(guò)延遲片5，延遲片5把光的偏振S轉(zhuǎn)換為圓偏振。由屈光片4形成的半反射鏡上的反射把圓形偏振的取向取反并且在四分之一波片內(nèi)的二次通過(guò)把光轉(zhuǎn)換為P型偏振；因此，半反射片3對(duì)于由屈光片4再次傳送的光而言當(dāng)該光在用戶的眼睛的方向再次通過(guò)時(shí)是完全透明的。
[0024]由與半反射的折反射元件耦合的光學(xué)眼鏡構(gòu)成的在圖中未示出的組件用于在補(bǔ)償色差的同時(shí)獲得希望的放大，被設(shè)置在顯示器2的正下游。
[0025]因此，由發(fā)射器2發(fā)射的圖像所經(jīng)歷的光學(xué)路徑可以描述如下:
[0026]顯示器2—眼鏡組件
[0027]—半反射片3
[0028]—四分之一波片5
[0029]—屈光片4
[0030]—四分之一波片5
[0031]—半反射片3
[0032]—偏振器6
[0033]—校正裝置7—眼睛10。
[0034]由用戶觀察到的場(chǎng)景11透過(guò)設(shè)備I經(jīng)歷的光學(xué)路徑可描述如下:
[0035]場(chǎng)景11 —屈光片4
[0036]—四分之一波片5
[0037]—半反射片3
[0038]—偏振器6
[0039]—校正裝置7—眼睛10。
[0040]代替半反射鏡類型的片，PBS類型的半反射片的使用，在顯示器是IXD或LCOS類型時(shí)顯著增大設(shè)備的發(fā)光度。對(duì)于圖1的設(shè)備的光學(xué)路徑的光的透射比率在用PBS片的情況下是77%，在使用半反射鏡的情況下是25%。然而半反射鏡可以被用于較低成本的架構(gòu)。
[0041]在前面位置的半反射的折反射元件4作為屈光片4的用途允許補(bǔ)償球面像差并且在用戶透過(guò)設(shè)備觀看時(shí)不添加棱鏡或畸變效應(yīng)。這樣的折反射元件的好處是使用大直徑的可能性而不像對(duì)于折射元件那樣增加色差。與半反射曲面或平面板耦合的球面或非球面屈光片的用途還允許顯著地增大可顯示的場(chǎng)。屈光片4優(yōu)選地由聚碳酸酯制成，具有半反射的內(nèi)面14，該內(nèi)面可以是非球面的，以便優(yōu)化其性能。屈光片4的內(nèi)傳輸被優(yōu)化以保證在投射的圖像和觀察到的景