CN114545630A - 一种激光扫描型反射光谱成像ar眼镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光学技术领域的一种激光扫描型反射光谱成像AR眼镜光学系统，由光信息输出单元激光扫描光学引擎（100）与反射光谱成像近眼显示光学模组（200）组成，其组合方式可实现AR眼镜的轻量化、小型化设计，具有与人眼适配性好、结构相对简单、重量轻、光效高、成像质量好、透视性能佳的特点，使AR眼镜的功能性与佩戴的轻巧性、舒适性相结合，有效提升了AR眼镜的人机体验效果。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种激光扫描型反射光谱成像AR眼镜光学系统。
背景技术
目前世界上虚拟现实增强技术（AR）的应用研究异常活跃并发展迅速，开发了基于LCoS、DLP、Micro LED、Micro OLED、LBS等多种技术路径的虚拟显示AR眼镜方案及形态各异的多种AR眼镜产品投放市场，但大规模普及应用不及预期，进展相对缓慢，制约其发展进步的关键之一在于所开发的AR眼镜系统结构复杂、笨重，与普通眼镜相比佩戴不舒适、不方便、人机体验效果差。
从已公开的信息和报道来看，为使AR眼镜的功能性兼顾佩戴的轻巧性、舒适性，提升AR眼镜的人机体验效果，目前世界上基于LCoS、DLP、Micro LED、Micro OLED、LBS等多种技术路径开发的虚拟显示AR眼镜方案主要围绕将图像源的光信息通过光路传输再耦合至光波导镜片最终投射至人眼形成虚拟显示影像的方法展开。光波导镜片（包括透射式光波导、反射式光波导、几何光波导、衍射光栅与全息光栅光波导等）虽然可以设计制造得较为轻薄，但以光波导技术为核心的光路系统整体相对复杂，结构尺寸相对较大，难以实现像普通眼镜一样与人眼的曲率半径、瞳距、视觉习惯等生理因素的完全匹配，且存在系统光路与光波导镜片的光耦合传输光效率低，虚拟显示成像的色晕效应难以彻底消除、视场角相对较小等不足限制了其大规模应用推广。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于采用不同于现有光波导技术的近眼显示反射光谱成像光学系统（参见本人已公开的发明专利：CN202110612023.8用于近眼显示的反射光谱成像系统）构成AR眼镜底层硬件的光学系统解决方案，利用激光扫描（LBS）光学引擎或其他类似光集成处理器等微型化光信息输出单元与反射光谱成像近眼显示光学模组相组合来简化现有AR眼镜的结构设计，实现AR眼镜的轻量化与小型化，与现有AR眼镜技术或产品相比，不仅其外观与轻巧性更接近常规眼镜，而且具有与人眼适配性好、光效利用率高、成像质量好、透视性能优良、易于实现工业化规模生产且制造成本相对较低等特点，可广泛应用在虚拟现实增强（AR）的各种应用场景，对优化AR眼镜生态、形成AR眼镜标准化轻量化光学模组及系统、促进AR眼镜规模化应用与推广、推动产业发展进步具有较大的现实意义。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种激光扫描型反射光谱成像AR眼镜光学系统，其特征在于：由激光扫描光学引擎（100）与反射光谱成像近眼显示光学模组（200）组成（附图1）。所述激光扫描光学引擎（100）采用包含窄带光谱特征的红R（λR±δλR）/绿G（λG±δλG）/蓝B（λB±δλB）半导体激光光源经准直与合束后通过MEMS微镜或其它光集成处理器组成的光信息输出单元；所述反射光谱成像近眼显示光学模组（200）由具有光线扩束作用的微透镜阵列（201）、偏折反射镜（202）与反射光谱成像近眼显示的光学镜片（203）组成。光学镜片（203）的内表面镀制有与激光扫描光学引擎（100）所采用的激光光源红R（λR±δλR）/绿G（λG±δλG）/蓝B（λB±δλB）的特征光谱相匹配的窄带光谱高反射、对其余光谱波段高透射的光学薄膜。激光扫描光学引擎（100）输出的光束经微透镜阵列（201）扩束后通过偏折反射镜（202）投射至反射光谱成像镜片（203）内表面被反射至人眼形成近眼视窗（Eye Box）效应并透过光学镜片（203）在人眼前方空间形成虚拟显示影像，实现AR近眼显示。
进一步地，所述反射光谱成像近眼显示光学模组（200）的微透镜阵列光线扩束镜（201）位于激光扫描光学引擎（200）的光信息输出窗口与偏折反射镜（202）之间，微透镜的形状可依据使用要求的不同分别采用长方形、正方形、多边形、圆形或椭圆形进行排布设计，其结构如图2所示。
进一步地，所述反射光谱成像近眼显示光学模组（200）的偏折反射镜（202）其光学反射面镀制有与激光扫描光学引擎（200）输出的特征光谱相匹配的红R/绿G/蓝B高反射光学薄膜，偏折反射镜（202）可根据需要贴合安装微型震动马达形成振镜扫描功能，其结构如图3所示。
采用上述技术方案的有益效果与本发明的独特性表现在：
本发明与现有已公开的专利技术和相关产品的不同之处在于：采用本人已公开的发明专利（CN202110612023.8 用于近眼显示的反射光谱成像系统）为光学系统设计的基础架构，利用微型化轻量化的激光扫描光学引擎（100）或类似的高度集成化光信息处理单元与反射光谱成像近眼显示光学模组（200）组合构成AR眼镜光学系统，可兼顾轻巧性与功能性设计开发出最接近现有眼镜的外观、适合各种场所全天候佩戴的AR眼镜，提升人机体验效果。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2为本发明的微透镜阵列扩束镜结构示意图；
图3为本发明的偏折反射镜结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图描述本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明的一种激光扫描型反射光谱成像AR眼镜光学系统，由激光扫描光学引擎100与反射光谱成像近眼显示光学模组200组成。所述激光扫描光学引擎（100）采用包含窄带光谱特征的红R（λR±δλR）/绿G（λG±δλG）/蓝B（λB±δλB）半导体激光光源组101经准直镜102后进入R/G/B合束棱镜组103合束后通过MEMS微镜104调制后组成光信息输出单元，所输出的光信息图像进入反射光谱成像近眼显示光学模组200，为扩大该系统的近眼视窗（Eye Box）设置有光线扩束作用的微透镜阵列201，扩束后的光线经偏折反射镜202反射至反射光谱成像光学镜片203的内表面，因为光学镜片203的内表面镀制有与激光扫描光学引擎100所采用的激光光源红R（λR±δλR）/绿G（λG±δλG）/蓝B（λB±δλB）的特征光谱相匹配的窄带光谱高反射、对其余光谱波段高透射的光学薄膜 ，激光扫描光学引擎100输出的光束被反射至人眼形成近眼视窗（Eye Box）效应并透过光学镜片203在人眼前方空间形成虚拟显示影像，实现AR近眼显示。
如图2所示，所述反射光谱成像近眼显示光学模组200的微透镜阵列扩束镜201位于激光扫描光学引擎100的光信息输出窗口与偏折反射镜202之间，其光线扩束作用经偏折反射镜后被进一步放大，投射至光学镜片203内表面被反射的光束汇聚于人眼视网膜成像，微透镜阵列的每一个透镜元的形状可依据使用要求的不同分别为长方形、正方形、多边形、圆形或椭圆形的排布设计，使光学系统形成合适的近眼视窗（Eye Box）、实现最佳图像均匀性、成像清晰度与对比度。
如图3所示，所述反射光谱成像近眼显示光学模组200的偏折反射镜202其光学反射面镀制有与激光扫描光学引擎100输出的特征光谱相匹配的红R/绿G/蓝B高反射光学薄膜，偏折反射镜202安装在镜腿上其光学反射面与空气接触，与特征光谱相匹配的红R/绿G/蓝B高反射光学薄膜可消除白天特别是户外阳光下的杂散光干扰。光偏折反射镜202可根据需要贴合安装微型震动马达形成振镜扫描功能，使反射至光学镜片203的成像的近眼视窗（Eye Box）、虚拟成像显示的视场角（FOV）更大。
以上显示描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种激光扫描型反射光谱成像AR眼镜光学系统，其特征在于：由激光扫描光学引擎（100）与反射光谱成像近眼显示光学模组（200）组成，所述激光扫描光学引擎（100）采用包含窄带光谱特征的红R（λR±δλR）/绿G（λG±δλG）/蓝B（λB±δλB）半导体激光光源经准直与合束后通过MEMS微镜或其它光集成处理器组成的光信息输出单元；所述反射光谱成像近眼显示光学模组（200）由具有光线扩束作用的微透镜阵列（201）、偏折反射镜（202）与反射光谱成像近眼显示的光学镜片（203）组成；光学镜片（203）的内表面镀制有与激光扫描光学引擎（100）输出的的特征光谱相匹配的窄带光谱高反射、对其余光谱波段高透射的光学薄膜，激光扫描光学引擎（100）输出的光束经微透镜阵列（201）扩束后通过偏折反射镜（202）投射至反射光谱成像镜片（203）内表面被反射至人眼形成近眼视窗（Eye Box）效应并透过光学镜片（203）在人眼前方空间形成虚拟显示影像，实现AR近眼显示。
2.如权利要求1所述的一种激光扫描型反射光谱成像AR眼镜光学系统，其特征在于：所述反射光谱成像近眼显示光学模组（200）的微透镜阵列光线扩束镜（201）位于激光扫描光学引擎（200）的光信息输出窗口与偏折反射镜（202）之间，微透镜的形状可依据使用要求的不同分别采用长方形、正方形、多边形、圆形或椭圆形进行排布设计。
3.如权利要求1所述的一种激光扫描型反射光谱成像AR眼镜光学系统，其特征在于：所述反射光谱成像近眼显示光学模组（200）的偏折反射镜（202）其光学反射面镀制有与激光扫描光学引擎（100）输出的特征光谱相匹配的红R/绿G/蓝B高反射光学薄膜，偏折反射镜（202）可根据需要贴合安装微型震动马达形成振镜扫描功能。
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