一種基於透明顯示屏的AR光學模組及產品的製作方法
2023-04-28 01:05:06
本發明涉及計算機視覺領域，尤其涉及一種基於透明顯示屏的ar光學模組。
背景技術：
增強現實技術（augmentedreality，簡稱ar），是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像、視頻、3d模型的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界並進行互動。目前，ar顯示主要採用兩種方式：基於lcos（液晶附矽）的波導技術和基於液晶屏幕和分光鏡的半透半反射技術。前者體積小，但很難實現大的視域和高清顯示；後者可以實現高清顯示和大的視域，但體積比較大，只適合做頭盔類應用。同時，因為這兩種技術都利用了半透技術，顯示屏光路上有較高的光損失，所以在能耗、亮度、色彩上存在很大的缺陷；此外，人機互動是目前ar終端產品的一個短板，尤其是波導片的面積比較小，很難在圖像上實現直接的點擊。
因此，現有技術還有待於改進和發展。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的不足，本發明提供的一種基於透明顯示屏的ar光學模組，將透明顯示屏直接設置在環境光路上，避免了半反射所做成的光損失，因此在能耗、亮度和色彩方面具有很大優勢；並且，本發明通過設置透明顯示屏或液晶快門，使應用多元化，具有vr虛擬實境顯示技術的特性；此外，本發明可選擇性的在透明顯示屏外側設置觸控螢幕，使用戶可通過在屏幕上點擊等方法進行直觀操作，實現更好的人機互動。
本發明的技術方案如下：
一種基於透明顯示屏的ar光學模組，包括鏡組和密封固定外殼，所述密封固定外殼設置於鏡組外部並包覆所述鏡組，其中，所述鏡組還包括第一凸透鏡、透明顯示屏和第一凹透鏡，其中，所述第一凸透鏡設置於所述透明顯示屏前方，所述第一凹透鏡設置於透明顯示屏後方，所述第一凹透鏡的外側設置為平面，使第一凹透鏡的第二主焦點與第一凸透鏡的第一主焦點重合，形成伽利略式反望遠結構。
所述的基於透明顯示屏的ar光學模組，其中，所述鏡組的第一凹透鏡平面側還設置有以平面側為對稱軸對稱的第二凹透鏡和第二凸透鏡，形成對稱式的光學結構，用於光路在人眼中1:1的影像還原。
所述的基於透明顯示屏的ar光學模組，其中，所述第一凸透鏡為第一正焦距菲涅爾透鏡，所述第二凸透鏡為第二正焦距菲涅爾透鏡，所述第一凹透鏡為第一負焦距菲涅爾透鏡，所述第二凹透鏡為第二負焦距菲涅爾透鏡。
所述的基於透明顯示屏的ar光學模組，其中，所述第二負焦距菲涅爾透鏡與第二正焦距菲涅爾透鏡之間還設置有光線調節器。
所述的基於透明顯示屏的ar光學模組，其中，所述光線調節器為液晶快門或變色鏡片。
所述的基於透明顯示屏的ar光學模組，其中，所述第二正焦距菲涅爾透鏡外側還緊貼設置有觸控螢幕。
所述的基於透明顯示屏的ar光學模組，其中，所述透明顯示屏為液晶、oeld或microled。
一種使用所述的基於透明顯示屏的ar光學模組的產品。
有益效果：本發明提供一種基於透明顯示屏的ar光學模組，通過將透明顯示屏直接安置在環境光路上，避免了半反射所造的光損失，在能耗、亮度和色彩方面具有很大優勢；採用高精度菲涅爾透鏡，使產品輕量和小型化，廣泛適用於各種ar增強現實應用；通過設置液晶快門或變色鏡片的方法，使應用多元化，使其具有vr虛擬實境顯示技術的特性；此外，本發明可選擇在透明顯示屏外側設置觸控螢幕，使用戶可通過在屏幕上點擊等方法進行直觀操作，實現更好的人機互動。
附圖說明
圖1為本發明一種基於透明顯示屏的ar光學模組的伽利略式反望遠結構剖面示意圖。
圖2為本發明實施例提供的對稱式的光學結構示意圖。
圖3為本發明實施例提供的一種基於透明顯示屏的ar光學模組示意圖。
1-第一凸透鏡；2-透明顯示屏；3-第一凹透鏡；4-密封固定外殼；5-凸透鏡第一正焦距和凹透鏡第二正焦距的重合點；6-排線；7-透明顯示屏虛像位置；8-眼睛；9-第一正焦距菲涅爾透鏡；10-第一負焦距菲涅爾透鏡；11-第二正焦距菲涅爾透鏡；12-第二負焦距菲涅爾透鏡；13-觸控螢幕；14-液晶快門；15-第二凸透鏡；16-第二凹透鏡。
具體實施方式
本發明提供一種基於透明顯示屏的ar光學模組，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1所示，本發明提供了一種基於透明顯示屏的ar光學模組，包括鏡組和密封固定外殼4，密封固定外殼4設置於鏡組外部並包覆所述鏡組，其中，鏡組還包括第一凸透鏡1、透明顯示屏2和第一凹透鏡3，其中，第一凸透鏡1設置於透明顯示屏2前方，第一凹透鏡3設置於透明顯示屏2後方，第一凹透鏡3的外側設置為平面(外側為遠離人眼的一側)，使第一凹透鏡3的第二主焦點與第一凸透鏡1的第一主焦點5重合，形成伽利略式反望遠結構（反望遠結構多用於廣角鏡頭設計，就是將望遠鏡頭的光學結構倒轉過來使用，原物方變為像方，原像方變為物方，原放大作用變為縮小，伽利略反望遠結構是將伽利略望遠鏡光學結構作反望遠鏡使用）。本發明通過將透明顯示屏2直接設置在環境光路(環境光路是人眼視度範圍內物體到眼睛的入射光路)上，避免了半反射所造成的的光損失，從而在能耗、亮度和色彩方面具有相當大的優勢；近眼第一凸透鏡1使眼睛8能夠看到第一凸透鏡1焦距以內的物體，使用透明顯示屏2代替該物體，在透明顯示屏2的虛像位置可以讓顯示屏上的影像在人眼內成像，在透明顯示屏2後方設置第一凹透鏡3，使第一凹透鏡3的第二主焦點f1和第一凸透鏡1的第一主焦點f2重合，這時候環境光路的光學結構符合伽利略式望遠鏡結構。但是，經本發明人研究發現，本設計將伽利略望遠鏡光學結構作反望遠鏡使用，使前方光路平行光進平行光出，使人眼在觀察到透明顯示屏2影像的同時，也能看到環境的情況，因而使人眼觀看到的是縮小了的影像，不符合人的視覺習慣，在實際應用中可能會造成障礙。因此，本發明人設計了一個對稱式的光學結構，使其能實現環境光路在人眼中1:1的影像還原。
進一步的，如圖2所示，鏡組的第一凹透鏡3平面側還設置有以平面側為對稱軸對稱的第二凹透鏡16和第二凸透鏡15，形成對稱式的光學結構，用於光路在人眼中1:1的影像還原。對稱式的光學結構在保留原伽利略式反望遠結構所避免的半反射所造成的光損失外，還能將環境光路在人眼中按1:1的影像還原，解決了人眼觀看縮小了的影像，不符合人的視覺習慣的技術問題。
再進一步的，如果僅僅採用傳統透鏡的方式，只適合較大的應用場景，例如望遠鏡等。若要實現產品輕量和小型化，則需要薄尺寸的透鏡。在結合實際需求的情況下，本發明人研究發現，用高精度的菲涅爾透鏡代替傳統的凹透鏡和凸透鏡不僅可以提供高清大視域，還能實現產品的便攜小型化。此外，為了保障獲得優質的光學質量，本發明人提供了一種完善光學模組。參見圖3，所述第一凸透鏡1為第一正焦距菲涅爾透鏡9，所述第二凸透鏡15為第二正焦距菲涅爾透鏡11，所述第一凹透鏡3為第一負焦距菲涅爾透鏡10，所述第二凹透鏡16為第二負焦距菲涅爾透鏡12。本實施例採用高精度的菲涅爾透鏡代替傳統的凹透鏡和凸透鏡，菲涅爾透鏡的厚度一般不超過2mm，可以實現0.1mm以內的正負短焦距，因使模組的厚度最薄化，實現產品的輕量和小型化。
實際應用中，第二負焦距菲涅爾透鏡12與第二正焦距菲涅爾透鏡11之間還設置有光線調節器。安裝的光線調節器可以根據實際應用場景的需要控制環境光路的透光率，從而實現更優質的畫面觀看效果。
進一步的，光線調節器設置為液晶快門14或變色鏡片等，本實施例優選的設置為液晶快門14。例如，在戶外，陽光光線特別強時，可以通過關閉液晶快門14來增加一個較暗的背景，減小透光率，從而可以清楚的看清物體；在室內光線較暗時，可以通過打開液晶快門14來增大透光率，從而達到清楚看清物體的技術效果。
實際應用中，如圖3所示，第二正焦距菲涅爾透鏡11外側還緊貼設置有觸控螢幕13。本發明通過在第二正焦距菲涅爾透鏡11外側設置觸控螢幕13，使用戶可以通過在屏幕上點擊或觸摸等方法進行直觀的操作，從而實現更好的人機互動。
進一步的，透明顯示屏2為液晶、oeld或microled。透明顯示屏2在本質上是液晶分子的運動成像，其特色就在於當它點亮時就呈現了玻璃的特點，不僅透明而且可以在其上播放我們想要的視頻、圖片等各類素材，在用戶需求的情況下可以加上時下盛行的體感互動，科技感和時尚感兼具。透明顯示屏2可以採用液晶、oeld或microled等作為材料。
實際應用中，透明顯示屏2、液晶快門14和觸控螢幕13的一端還共同連接有排線6。排線6的作用是用於連接電路和控制器。
相應的，本發明還提供一種使用基於透明顯示屏的ar光學模組的產品，該產品包括耳機、眼鏡、頭盔、導遊帽和望遠鏡等。
以下通過具體的實施例對本發明做進一步說明。
由於在透明顯示屏2到正焦距菲涅爾透鏡的主焦點之間需要設置負焦距菲涅爾透鏡，因此模組的厚度主要受制於透明顯示屏2和菲涅爾透鏡的厚度。如採用現有的0.4mm厚度玻璃基板的透明顯示屏2和0.8mm厚度菲涅爾透鏡，則可用22mm正焦距菲涅爾透鏡作凸透鏡，透明顯示屏2像素麵安置在距透鏡20.2mm處，採用-0.6mm負焦距菲涅爾透鏡緊貼透明顯示屏2，則正負焦距的菲涅爾焦點重合（註：20.2mm+0.4mm+0.8mm+0.6mm=22mm）。此時，左側伽利略式光學結構的放大倍數是0.027倍。右側伽利略式光學結構只需要實現37倍（1/0.027）光學放大，整個模組仍能實現1:1環境光路。根據此比例，如選取右側負焦距菲涅爾透鏡焦距為-0.1mm，正焦距菲涅爾透鏡的焦距則為3.7mm，則模組的整體厚度大約為27mm。如採用更薄的透明顯示屏2和負焦距菲涅爾透鏡和精密的裝配，可實現更薄的模組。
本發明提供一種基於透明顯示屏的ar光學模組，通過將透明顯示屏2直接安置在環境光路上，避免了半反射所造的光損失，在能耗、亮度和色彩方面具有很大優勢；採用高精度菲涅爾透鏡，使產品輕量和小型化，廣泛適用於各種ar增強現實應用；通過設置液晶快門14或變色鏡片的方法，使應用多元化，使其具有vr虛擬實境顯示技術的特性；此外，本發明可選擇在透明顯示屏2外側設置觸控螢幕13，使用戶可通過在屏幕上點擊等方法進行直觀操作，實現更好的人機互動。
應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。