CN110261996B - 基于数字光处理的成像镜头及增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于数字光处理的增强现实设备中的成像镜头，所述增强现实设备中具有光波导阵列，所述成像镜头具有扩展维和非扩展维；所述成像镜头包括至少一个镜片，每个所述镜片在所述扩展维的宽度小于在所述非扩展维的宽度；所述镜头在非扩展维的物方最大半孔径角满足如下公式：
其中，L为人眼瞳孔与所述成像镜头中最靠近的镜片的距离；FOV为视场角；ED为动眼范围；E为人眼瞳孔直径；S为所述数字光处理的对焦尺寸。在非扩展维，所有孔径光线均由成像镜头提供，数字光处理在非扩展维没有翻转量、且与照明反射面垂直，不受数字光处理翻转特性的限制，利用镜片组合将成像镜头在非扩展维的物方最大半孔径角进行了扩展。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及基于数字光处理(Digital Light Process，英文缩写DLP)的成像镜头及增强现实(Augmented Reality，英文缩写AR)设备。
背景技术
AR显示技术是将信息以虚像的方式投影到人眼，使得虚拟信息与现实环境叠加在一起同时呈献给人眼。在户外等高亮度环境下，显示的信息亮度直接影响使用者对信息的获取，而DLP由于其投影的高亮度和高对比度，可以解决AR显示亮度的问题。
图1是现有技术中DLP的原理图。每个像素为一片微型反射镜，该反射镜可以在两个角度值之间切换。以图1为例，照明光线从光源以-24°入射，DLP成像具有如下三个状态：
1、当反射镜翻转至朝向光源一侧的12°时，照明光线被反射成0°，与镜头光轴平行，此时反射光线进入成像光路，即反射光线进入成像镜头，这个状态像素为点亮状态，将这个状态称为“on”态；
2、当反射镜翻转至光源另一侧的-12°时，照明光线被反射成48°，偏离光轴，反射光线不能进入成像光路，即反射光线不能进入成像镜头，这个状态像素为黑，将这个状态称为“off”态；
3、在“off”态时，DLP保护窗的反射面法线为0°，反射光线为24°，此时的反射光线称为“flat”态光线。
可以看出，成像镜头在DLP一侧的空间(在下文中称为物方)，孔径角不能太大。根据图1的举例，成像镜头在物方的孔径角需小于±12°。但在AR应用场景中，需要DLP在保留高亮度和高对比度特性的同时，成像镜头也能具有较大的物方孔径角。
发明内容
本发明实施例提供了基于DLP的成像镜头及AR设备。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于DLP的AR设备中的成像镜头，所述AR设备中具有光波导阵列，所述成像镜头具有扩展维和非扩展维；
所述成像镜头包括至少一个镜片，每个所述镜片在所述扩展维的宽度小于在所述非扩展维的宽度；
所述镜头在非扩展维的物方最大半孔径角满足如下公式：
其中，L为人眼瞳孔与所述成像镜头中最靠近的镜片的距离；FOV为视场角；ED为动眼范围；E为人眼瞳孔直径；S为所述DLP的对焦尺寸。
基于所述成像镜头，作为可选的第一实施例，所述成像镜头在扩展维的像方最大半孔径角满足如下公式：
其中，E为人眼瞳孔直径，FOV为视场角；S为所述数字光处理的对焦尺寸。
基于所述成像镜头，作为可选的第二实施例，每个所述镜片为长圆型。
基于所述第二实施例，作为可选的第三实施例，所述镜片的数量为3片。
基于所述第三实施例，作为可选的第四实施例，所述镜片为非球面面型；
所述非球面的轮廓线由如下公式确定：
其中，c为非球面中心曲率半径；k为圆锥常数；α1～α8为非球面系数；r为所述镜片的径向距离。
第二方面，本发明实施例提供了一种AR设备，所述设备包括前文所述的任一种成像镜头。
在本发明实施例中，DLP照明反射面置于扩展维，由于每个镜片在扩展维的宽度较小，可以避免flat态和off态的光线进入光波导阵列，从而不会影响对比度。在非扩展维，所有孔径光线均由成像镜头提供，DLP在非扩展维没有翻转量、且与照明反射面垂直，不受DLP翻转特性的限制，利用镜片组合将成像镜头在非扩展维的物方最大半孔径角进行了扩展。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是现有技术中DLP系统的原理图；
图2是一示例性实施例中一示例性实施例中的扩展维示意图；
图3是一示例性实施例中的扩展维成像光路；
图4是一示例性实施例中的非扩展维示意图；
图5是一示例性实施例中的非扩展维等效示意图；
图6为一示例性实施例中扩展维的光路示意图；
图7为一示例性实施例中非扩展维的光路示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
AR设备中使用的光波导阵列的特点是一维出瞳扩展，由此可以将成像镜头分为扩展维和非扩展维两个维度。图2是一示例性实施例中的扩展维示意图，图3是一示例性实施例中的扩展维成像光路，图4是一示例性实施例中的非扩展维示意图，图5是一示例性实施例中的非扩展维等效示意图。
如图2和图3所示，光波导阵列在出瞳扩展维有阵列分光面，每个分光面部分反射部分透射。光波导阵列耦合入瞳处的光束孔径很小，由阵列分光面将光束孔径复制、扩展和耦出，耦出的光线远大于人眼的入瞳，即使人眼移动也能接收到来自图像源的光线。
如图4和图5所示，光波导阵列非扩展维的阵列分光面不能复制光束孔径，分光面相当于反射镜，因此在非扩展维可以将光波导阵列等效为长距离的光学间隔。人眼位置即为入瞳位置，为了将投影光束覆盖人眼就需要大的物方孔径角。
在一示例性的实施例中，基于DLP的AR设备中的成像镜头，AR设备中具有光波导阵列，成像镜头具有扩展维和非扩展维。
成像镜头包括至少一个镜片，每个镜片在扩展维的宽度小于在非扩展维的宽度。
成像镜头在非扩展维的物方最大半孔径角满足如下公式一：
其中，L为人眼瞳孔与成像镜头中最靠近的镜片的距离；FOV为视场角；ED为动眼范围；E为人眼瞳孔直径；S为DLP的对焦尺寸。
按照上述公式一，成像镜头在非扩展维的物方最大半孔径角可以达到32.5°。
以成像镜头包括3片镜片为例，图6为一示例性实施例中扩展维的光路示意图，图7为一示例性实施例中非扩展维的光路示意图。DLP照明反射面置于扩展维，由于每个镜片在扩展维的宽度较小，可以避免flat态和off态的光线进入光波导阵列，从而不会影响对比度。在非扩展维，所有孔径光线均由成像镜头提供，DLP在非扩展维没有翻转量、且与照明反射面垂直，不受DLP翻转特性的限制，利用镜片组合将成像镜头在非扩展维的物方最大半孔径角进行了扩展。
进一步，可选的，如图3所示，成像镜头在扩展维的像方最大半孔径角仅需覆盖光波导阵列入口处耦合入瞳的尺寸即可，光波导阵列入口的尺寸为人眼瞳孔直径E。扩展维的像方最大半孔径角满足如下公式二：
其中，FOV为视场角；S为所述DLP的对焦尺寸。
进一步，可选的，成像镜头中的每个镜片可以设置为长圆形。图7给出的成像镜头包括3片非球面面型的镜片、每个镜片都为长圆形。图7中所示的镜片的非球面轮廓线满足如下公式三：
其中，c为非球面中心曲率半径，k为圆锥常数，α1～α8为非球面系数，r为镜片径向距离。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种基于数字光处理的增强现实设备中的成像镜头，所述增强现实设备中具有光波导阵列，所述成像镜头具有扩展维和非扩展维；其特征在于：所述成像镜头包括至少一个镜片，每个所述镜片在所述扩展维的宽度小于在所述非扩展维的宽度；
所述镜头在非扩展维的物方最大半孔径角满足如下公式：
其中，L为人眼瞳孔与所述成像镜头中最靠近的镜片的距离；FOV为视场角；ED为动眼范围；E为人眼瞳孔直径；S为所述数字光处理的对焦尺寸。
2.如权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述成像镜头在扩展维的像方最大半孔径角满足如下公式：
其中，E为人眼瞳孔直径，FOV为视场角；S为所述数字光处理的对焦尺寸。
3.如权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，每个所述镜片为长圆型。
4.如权利要求3所述的成像镜头，其特征在于，所述镜片的数量为3片。
5.如权利要求4所述的成像镜头，其特征在于，所述镜片为非球面面型；所述非球面的轮廓线由如下公式确定：
其中，c为非球面中心曲率半径；k为圆锥常数；α1～α8为非球面系数；r为所述镜片的径向距离。
6.一种增强现实设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求1至5任一项所述的成像镜头。
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