增强现实光学模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及便携式增强现实光学设备的领域，尤其是安装在用户头上的便携式增强现实光学设备的领域。
【背景技术】
[0002]实际上存在允许由安装在用户头上的显示系统进行的图像显示的多个方案。这些设备中的大多数不允许透明视觉并且因此不能在不显著降低用户的自然视场的情况下集成在增强显示系统中，该自然视场对于水平自然视场约为180°并且对于垂直自然视场约为 120。 。
[0003]一些光学方案是透明的但是其使用“离轴”光学路径，也就是说在用户的视觉的主轴线之外，这导致强光学像差，尤其是像散、场曲和畸变，这降低了投射在视网膜中的图像的质量。为了补偿这些像差，这些设备使用一定数量的光学元件，这些光学元件不与针对希望能够被集成在人体工程眼镜对中的设备所要求的精细度相兼容。
[0004]对于当前设备的另一问题涉及出射瞳的尺寸。看平均强度的投射图像的眼睛的瞳的直径约为3_。为了具有人体工程学显示系统，出射瞳，也就是说用户接收场集合的眼睛放置区域，应该至少3倍于用户的眼睛的瞳孔，以使得即使用户相对于系统移动，用户也继续感知锐利图像而没有渐晕。
【发明内容】
[0005]本发明的目的尤其是提供一种设备，其尺寸和复杂度相对于现有显示系统显著减小，并且被设计为使得能够在保持透明用于观看的同时被固定到用户的头部。此外，这样的设备将有利地容易用于其中人体工程学和简易型是关键元素的通用应用。
[0006]根据本发明，这样的增强现实设备的特征在于该设备包括:
[0007]一显示器，用于发射以光束形式的至少一个图像；
[0008]一定位装置，用于相对于用户的眼睛在侧部定位所述显示器，以使得所述显示器相对于所述眼睛的主光轴基本横向地发射所述图像；
[0009]一视觉返回屈光片，相对于所述主光轴基本横向地设置以使得把所述图像返回到眼睛的方向上；
[0010]一重定向装置，对所述图像在所述显示器和所述屈光片之间重定向；以及[0011 ] 一偏振装置，消除杂散光。
[0012]该设备还可包括用于使图像适于用户的视觉的眼校正装置。
[0013]显示器优选地是从IXD、OLED和LCOS类型中选择的。该设备还可包括设置在显示器下游且在重定向装置上游的至少一个透镜或一组透镜，尤其是用于获得图像的所希望的放大，优选地同时补偿色差。
[0014]重定向装置有利地是半反射平面或曲面片，被设置为使来自显示器的图像光束朝着屈光片的内面的方向折叠，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过。该半反射片包括偏振结构，偏振结构能够一方面保证所述片的透射和反射功能，并且另一方面显著减少由于来自所述片的另一侧的光引起的杂散反射。
[0015]该设备还可包括微相机、惯性单元、磁罗盘以及GPS以便允许根据用户的视点和运动来与所观察到的增强现实环境进行虚拟交互，微相机的轴线被放置为与用户的定向眼睛的光轴基本平行。优选地，该设备还包括电池和计算通信电子装置，计算通信电子装置被设计为允许连同智能手机或计算机的无线使用。
[0016]本发明还涉及一种增强现实光学系统，其特征在于，该系统包括两个根据本发明所述的增强现实光学设备，其中的每一个用于用户的相应眼睛。
[0017]根据本发明的设备或系统有利地包括用于把设备固定到用户头部的承载结构，优选地是眼镜架、滑雪帽、防护面罩或安全帽类型的承载结构。
【附图说明】
[0018]下面参照附图，通过以非限定性示例方式，描述本发明的多个实施方式，在附图中:
[0019]一图1示意性示出根据本发明的设备的垂直轴向剖面；以及
[0020]—图2示出用于图1的设备的半反射条的厚度中的剖面。
【具体实施方式】
[0021]图1使用便携式光学设备1，用于向该设备的用户引起增强现实。该设备处于称作“轴上”的光学配置，也就是说，沿着光轴Xi的光学配置，光轴Xi是当用户观看其前面的无限远处时基本上为用户的观看轴线；这允许减小该设备的复杂度和重量。在所示示例中，该设备I包括显示器2、半反射条3、屈光片4、延迟片5、极化膜6以及眼校正装置7。
[0022]显示器2可以是微显示器类型，LCOS、IXD或OLED ;其用于以光束的形式形成且发射固定或动画图像。反射条3是PBS(极化分束器)类型，被用于把来自显示器2的光束的光学路径朝向屈光片4的方向折叠。屈光片4是用于使光束准直以便把无限远的图像投射到用户的眼睛10中的半透明折反射元件。延迟片5是四分之一波长类型的偏振片。
[0023]片3当相对于光轴Xl定位为45度时对于P类型偏振光是透明的并且对于S类型偏振光是反射的，P类型也就是说在入射平面中偏振，S类型也就是说与入射平面正交。一旦被反射条3反射之后，S类型偏振光透过延迟片5，延迟片5把光的偏振S转换为圆偏振。由屈光片4形成的半反射镜上的反射把圆形偏振的取向取反并且在四分之一波片内的二次通过把光转换为P型偏振；因此，半反射片3对于由屈光片4再次传送的光而言当该光在用户的眼睛的方向再次通过时是完全透明的。
[0024]由与半反射的折反射元件耦合的光学眼镜构成的在图中未示出的组件用于在补偿色差的同时获得希望的放大，被设置在显示器2的正下游。
[0025]因此，由发射器2发射的图像所经历的光学路径可以描述如下:
[0026]显示器2—眼镜组件
[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]—校正装置7—眼睛10。
[0034]由用户观察到的场景11透过设备I经历的光学路径可描述如下:
[0035]场景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]—校正装置7—眼睛10。
[0040]代替半反射镜类型的片，PBS类型的半反射片的使用，在显示器是IXD或LCOS类型时显著增大设备的发光度。对于图1的设备的光学路径的光的透射比率在用PBS片的情况下是77%，在使用半反射镜的情况下是25%。然而半反射镜可以被用于较低成本的架构。
[0041]在前面位置的半反射的折反射元件4作为屈光片4的用途允许补偿球面像差并且在用户透过设备观看时不添加棱镜或畸变效应。这样的折反射元件的好处是使用大直径的可能性而不像对于折射元件那样增加色差。与半反射曲面或平面板耦合的球面或非球面屈光片的用途还允许显著地增大可显示的场。屈光片4优选地由聚碳酸酯制成，具有半反射的内面14，该内面可以是非球面的，以便优化其性能。屈光片4的内传输被优化以保证在投射的图像和观察到的景