增強現實光學模塊的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及便攜式增強現實光學設備的領域，尤其是安裝在用戶頭上的便攜式增強現實光學設備的領域。
【背景技術】
[0002]實際上存在允許由安裝在用戶頭上的顯示系統(tǒng)進行的圖像顯示的多個方案。這些設備中的大多數不允許透明視覺并且因此不能在不顯著降低用戶的自然視場的情況下集成在增強顯示系統(tǒng)中，該自然視場對于水平自然視場約為180°并且對于垂直自然視場約為 120。 。
[0003]一些光學方案是透明的但是其使用“離軸”光學路徑，也就是說在用戶的視覺的主軸線之外，這導致強光學像差，尤其是像散、場曲和畸變，這降低了投射在視網膜中的圖像的質量。為了補償這些像差，這些設備使用一定數量的光學元件，這些光學元件不與針對希望能夠被集成在人體工程眼鏡對中的設備所要求的精細度相兼容。
[0004]對于當前設備的另一問題涉及出射瞳的尺寸?？雌骄鶑姸鹊耐渡鋱D像的眼睛的瞳的直徑約為3_。為了具有人體工程學顯示系統(tǒng)，出射瞳，也就是說用戶接收場集合的眼睛放置區(qū)域，應該至少3倍于用戶的眼睛的瞳孔，以使得即使用戶相對于系統(tǒng)移動，用戶也繼續(xù)感知銳利圖像而沒有漸暈。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的尤其是提供一種設備，其尺寸和復雜度相對于現有顯示系統(tǒng)顯著減小，并且被設計為使得能夠在保持透明用于觀看的同時被固定到用戶的頭部。此外，這樣的設備將有利地容易用于其中人體工程學和簡易型是關鍵元素的通用應用。
[0006]根據本發(fā)明，這樣的增強現實設備的特征在于該設備包括:
[0007]一顯示器，用于發(fā)射以光束形式的至少一個圖像；
[0008]一定位裝置，用于相對于用戶的眼睛在側部定位所述顯示器，以使得所述顯示器相對于所述眼睛的主光軸基本橫向地發(fā)射所述圖像；
[0009]一視覺返回屈光片，相對于所述主光軸基本橫向地設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]該設備還可包括用于使圖像適于用戶的視覺的眼校正裝置。
[0013]顯示器優(yōu)選地是從IXD、OLED和LCOS類型中選擇的。該設備還可包括設置在顯示器下游且在重定向裝置上游的至少一個透鏡或一組透鏡，尤其是用于獲得圖像的所希望的放大，優(yōu)選地同時補償色差。
[0014]重定向裝置有利地是半反射平面或曲面片，被設置為使來自顯示器的圖像光束朝著屈光片的內面的方向折疊，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。該半反射片包括偏振結構，偏振結構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自所述片的另一側的光引起的雜散反射。
[0015]該設備還可包括微相機、慣性單元、磁羅盤以及GPS以便允許根據用戶的視點和運動來與所觀察到的增強現實環(huán)境進行虛擬交互，微相機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，該設備還包括電池和計算通信電子裝置，計算通信電子裝置被設計為允許連同智能手機或計算機的無線使用。
[0016]本發(fā)明還涉及一種增強現實光學系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括兩個根據本發(fā)明所述的增強現實光學設備，其中的每一個用于用戶的相應眼睛。
[0017]根據本發(fā)明的設備或系統(tǒng)有利地包括用于把設備固定到用戶頭部的承載結構，優(yōu)選地是眼鏡架、滑雪帽、防護面罩或安全帽類型的承載結構。
【附圖說明】
[0018]下面參照附圖，通過以非限定性示例方式，描述本發(fā)明的多個實施方式，在附圖中:
[0019]一圖1示意性示出根據本發(fā)明的設備的垂直軸向剖面；以及
[0020]—圖2示出用于圖1的設備的半反射條的厚度中的剖面。
【具體實施方式】
[0021]圖1使用便攜式光學設備1，用于向該設備的用戶引起增強現實。該設備處于稱作“軸上”的光學配置，也就是說，沿著光軸Xi的光學配置，光軸Xi是當用戶觀看其前面的無限遠處時基本上為用戶的觀看軸線；這允許減小該設備的復雜度和重量。在所示示例中，該設備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)射固定或動畫圖像。反射條3是PBS(極化分束器)類型，被用于把來自顯示器2的光束的光學路徑朝向屈光片4的方向折疊。屈光片4是用于使光束準直以便把無限遠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是四分之一波長類型的偏振片。
[0023]片3當相對于光軸Xl定位為45度時對于P類型偏振光是透明的并且對于S類型偏振光是反射的，P類型也就是說在入射平面中偏振，S類型也就是說與入射平面正交。一旦被反射條3反射之后，S類型偏振光透過延遲片5，延遲片5把光的偏振S轉換為圓偏振。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的二次通過把光轉換為P型偏振；因此，半反射片3對于由屈光片4再次傳送的光而言當該光在用戶的眼睛的方向再次通過時是完全透明的。
[0024]由與半反射的折反射元件耦合的光學眼鏡構成的在圖中未示出的組件用于在補償色差的同時獲得希望的放大，被設置在顯示器2的正下游。
[0025]因此，由發(fā)射器2發(fā)射的圖像所經歷的光學路徑可以描述如下:
[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]由用戶觀察到的場景11透過設備I經歷的光學路徑可描述如下:
[0035]場景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類型時顯著增大設備的發(fā)光度。對于圖1的設備的光學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。
[0041]在前面位置的半反射的折反射元件4作為屈光片4的用途允許補償球面像差并且在用戶透過設備觀看時不添加棱鏡或畸變效應。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。屈光片4優(yōu)選地由聚碳酸酯制成，具有半反射的內面14，該內面可以是非球面的，以便優(yōu)化其性能。屈光片4的內傳輸被優(yōu)化以保證在投射的圖像和觀察到的景