AR光学系统、AR眼镜和变焦控制方法与流程

本发明涉及ar显示领域，特别涉及一种ar光学系统、ar眼镜和变焦控制方法。

背景技术：

1、ar技术的根本是通过虚拟世界和现实世界的融合，实现人和增强现实世界的交互。人眼观看物体时，利用左右眼的视差在人脑中能够形成立体图像，并且观看不同位置图像时，左右眼球能够自动调整使左右眼的两幅画面能够在人脑中融合。但当前的电子设备都是基于平面显示，其显示的是单焦点画面，画面距离固定。即使能够利用左右眼视差显示具有立体效果的画面，左右眼实际聚焦的距离与画面距离不匹配，会产生辐辏问题；此外，当用户注视环境中的物体后再回来看虚拟图像时，眼睛要重新聚焦和重新调整辐辏，容易使人感到不适和出现眩晕。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提出一种ar光学系统，旨在通过调焦组件对虚拟图像变焦，以缓解ar显示的聚焦和辐辏冲突。

2、为实现上述目的，本发明提出的ar光学系统，包括：

3、光机，用于出射图像光；

4、镜片，用于接收所述图像光和环境光，并将其向人眼出射，所述人眼和所述光机之间形成有图像光光路，和环境之间形成有环境光光路；以及

5、调焦组件，至少所述图像光光路设有所述调焦组件，所述调焦组件包括变焦元件和用于消色差的超构透镜，所述超构透镜位于所述变焦元件的光路后端。

6、可选地，所述图像光和所述环境光混合后形成组合光出射，所述图像光光路和所述环境光光路均包括形成于所述镜片和所述人眼之间的出射光路，所述环境光光路还包括形成于所述环境和所述镜片之间的环境光入射光路，所述调焦组件设置有两个，所述环境光入射光路和所述出射光路各设置有一所述调焦组件，两所述调焦组件的焦距互为相反数。

7、可选地，所述变焦元件设置为液晶元件，所述图像光光路还包括形成于所述光机和所述镜片之间的图像光入射光路，所述图像光入射光路设置有偏振元件，所述偏振元件用于将所述图像光转换为圆偏振光。

8、可选地，所述变焦元件包括多个层叠设置的变焦子件。

9、可选地，所述变焦子件包括液晶变焦层和偏振旋转层，所述液晶变焦层位于对应的所述偏振旋转层的光路后端。

10、可选地，所述偏振元件包括层叠设置的半波片和四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述半波片的光路后端。

11、可选地，所述半波片和所述四分之一波片均为液晶波片。

12、可选地，设于所述出射光路的所述变焦元件的变焦范围为[0,2.5d]，设于所述环境光入射光路的所述变焦元件的变焦范围对应为[-2.5d,0]。

13、可选地，所述镜片设置为光波导，所述光波导设置有双层，其中一层所述光波导用于使绿光耦入及耦出，另一层所述光波导用于使红光和蓝光耦入及耦出。

14、本发明还提出一种ar眼镜，所述ar眼镜包括眼动追踪仪、控制器和前述的ar光学系统，所述控制器电连接于所述眼动追踪仪和所述变焦元件，所述控制器能根据所述眼动追踪仪的反馈结果控制所述变焦元件变焦。

15、本发明还提出一种应用于ar眼镜的变焦控制方法，该变焦控制方法包括：

16、眼动追踪仪获取眼动信息，以获取人眼的当前聚焦位置；以及

17、控制器根据当前聚焦位置控制变焦元件变焦，使得ar眼镜呈现的虚拟图像的成像位置靠近当前聚焦位置，并使出射光路的第一调焦组件的焦距和环境光入射光路的第二调焦组件的焦距互为相反数。

18、可选地，所述眼动追踪仪获取眼动信息的步骤具体为：

19、眼动追踪仪识别瞳距、瞳孔的大小以及瞳孔注视的方向。

20、可选地，所述眼动追踪仪识别瞳距、瞳孔的大小以及瞳孔注视的方向的步骤之后还包括以下步骤：

21、控制器根据瞳距、瞳孔的大小以及瞳孔注视的方向获取当前聚焦位置。

22、可选地，所述控制器根据当前聚焦位置控制变焦元件变焦，使得ar眼镜呈现的虚拟图像的成像位置靠近当前聚焦位置，并使出射光路的第一调焦组件的焦距和环境光入射光路的第二调焦组件的焦距互为相反数的步骤具体为：

23、控制器根据当前聚焦位置获取目标焦距；以及

24、控制器根据目标焦距控制第一调焦组件和第二调焦组件中对应数目的偏振旋转层加电压。

25、本发明的技术方案能够根据用户人眼所聚焦的位置，通过变焦元件适应性地调整虚拟图像的成像焦平面，以缓解ar显示的聚焦与辐辏冲突；并通过超构透镜对变焦后的虚拟图像进行消色差处理，以保障虚拟图像的成像质量。具体而言，利用超构透镜分区域的单元结构设计，可以在同一微小的单元结构中使不同波长的光线发生同样角度的偏转，以消除虚拟图像的色差，保障ar显示的显示效果，并且，超构透镜的尺寸很薄，不会使得ar光学系统的尺寸过大，有利于ar光学系统的小型化、轻量化设计。

技术特征：

1.一种ar光学系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的ar光学系统，其特征在于，所述图像光光路和所述环境光光路均包括形成于所述镜片和所述人眼之间的出射光路，所述环境光光路还包括形成于所述环境和所述镜片之间的环境光入射光路，所述调焦组件设置有两个，所述环境光入射光路和所述出射光路各设置有一所述调焦组件，两所述调焦组件的焦距互为相反数。

3.如权利要求2所述的ar光学系统，其特征在于，所述变焦元件设置为液晶元件，所述图像光光路还包括形成于所述光机和所述镜片之间的图像光入射光路，所述图像光入射光路设置有偏振元件，所述偏振元件用于将所述图像光转换为圆偏振光。

4.如权利要求3所述的ar光学系统，其特征在于，所述变焦元件包括多个层叠设置的所述变焦子件。

5.如权利要求4所述的ar光学系统，其特征在于，所述变焦子件包括液晶变焦层和偏振旋转层，所述液晶变焦层位于对应的所述偏振旋转层的光路后端。

6.如权利要求3所述的ar光学系统，其特征在于，所述偏振元件包括层叠设置的半波片和四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述半波片的光路后端。

7.如权利要求6所述的ar光学系统，其特征在于，所述半波片和所述四分之一波片均为液晶波片。

8.如权利要求2所述的ar光学系统，其特征在于，设于所述出射光路的所述变焦元件的变焦范围为[0,2.5d]，设于所述环境光入射光路的所述变焦元件的变焦范围对应为[-2.5d,0]。

9.如权利要求1至8任一项所述的ar光学系统，其特征在于，所述镜片设置为光波导，所述光波导设置有双层，其中一层所述光波导用于使绿光耦入及耦出，另一层所述光波导用于使红光和蓝光耦入及耦出。

10.一种ar眼镜，其特征在于，包括：

11.一种变焦控制方法，应用于ar眼镜，其特征在于，所述变焦控制方法包括：

12.如权利要求11所述的变焦控制方法，其特征在于，所述眼动追踪仪获取眼动信息的步骤具体为：

13.如权利要求12所述的变焦控制方法，其特征在于，所述眼动追踪仪识别瞳距、瞳孔的大小以及瞳孔注视的方向的步骤之后还包括以下步骤：

14.如权利要求13所述的变焦控制方法，其特征在于，所述控制器根据当前聚焦位置控制变焦元件变焦，使得ar眼镜呈现的虚拟图像的成像位置靠近当前聚焦位置，并使出射光路的第一调焦组件的焦距和环境光入射光路的第二调焦组件的焦距互为相反数的步骤具体为：

技术总结
本发明公开一种AR光学系统、AR眼镜和变焦控制方法，其中，AR光学系统包括光机、镜片和调焦组件，光机用于出射图像光，镜片用于接收所述图像光和环境光，并将其向人眼出射，所述人眼和所述光机之间形成有图像光光路，和环境之间形成有环境光光路，至少所述图像光光路设有所述调焦组件，所述调焦组件包括变焦元件和用于消色差的超构透镜，所述超构透镜位于所述变焦元件的光路后端。本发明技术方案旨在通过调焦组件对虚拟图像变焦，以缓解AR显示的聚焦和辐辏冲突。

技术研发人员：杨柳,任红恩,张忠义,李晓雷
受保护的技术使用者：潍坊歌尔电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14