CN113093324B - 光学系统和可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学系统和可穿戴设备，光学系统包括：光源；准直单元，准直单元设于光源的传输路径上，光源位于准直单元的光轴的一侧；波导，波导设有第一导光部、第二导光部和目标出射面，第一导光部的导光面朝向光源的出光面，光源发出的光线经过准直单元准直后，从波导的第一端传输至波导中，并经过导光面反射后从目标出射面射出；反射单元，反射单元的反射面与目标出射面相对，从目标出射面射出的光线经过反射面反射至第二导光部，第二导光部将反射单元反射的光线导出波导。本申请通过调整光源的位置以及导光面的角度，能够避免光线离轴等问题，从而保证成像画质，提高人眼观看体验效果。

Description

光学系统和可穿戴设备

技术领域

本申请属于增强现实眼镜光学技术领域，具体涉及一种光学系统和具有该光学系统的可穿戴设备。

背景技术

在AR技术领域中，光源发射的光线经过准直镜头从波导的一端导入，并从波导的另一端导出，最终进入人眼呈现画面。

但是，在目前现有的相关技术中，屏幕和准直镜头组成的投影模组体积较大，在波导的另一端设置反射镜可以在一定程度上减小投影模组体积，但是光源发射的光线在经过波导传输之后，相对于反射镜在光学上是离轴的，这会造成最终成像的像质难以优化好，有较大的象散，同时畸变不对称，较难矫正。

发明内容

本申请旨在提供一种光学系统和可穿戴设备，至少解决光线离轴和画质不清晰的问题之一。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提出了一种光学系统，包括：光源；准直单元，所述准直单元设于所述光源的传输路径上，所述光源位于所述准直单元的光轴的一侧；波导，所述波导设有第一导光部、第二导光部和目标出射面，所述第一导光部的导光面朝向所述光源的出光面，所述光源发出的光线经过所述准直单元准直后，从所述波导的第一端传输至所述波导中，并经过所述导光面反射后从所述目标出射面射出；反射单元，所述反射单元的反射面与所述目标出射面相对，从所述目标出射面射出的光线经过所述反射面反射至所述第二导光部，所述第二导光部将所述反射单元反射的光线导出所述波导；其中，在光线通过所述光轴传输至所述波导的情况下，所述光线经过所述导光面反射后从所述目标出射面射出，并传输至所述反射面，所述光线与目标切面具有预设角度，所述目标切面为所述光线投射在所述反射单元上的点相切的切面。

第二方面，本申请实施例提出了一种可穿戴设备，包括上述实施例所述的光学系统。

在本申请的实施例中，通过将光源偏置于准直单元的光轴的一侧，同时配合第一导光部、第二导光部和反射单元的设计，使得经过第一导光部、第二导光部和反射单元后射出波导的光线不会出现离轴或者离轴范围可控，避免了由光源发出的光线到达眼睛时出现离轴问题，从而使光学成像的画质得到了更好的优化，畸变对称得到了有效矫正。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术中的一种光学系统的示意图；

图2是根据本申请一个实施例的光学系统的示意图；

图3是根据本申请又一个实施例的光学系统的示意图；

图4是根据本申请又一个实施例的光学系统的示意图；

图5是根据本申请又一个实施例的光学系统的示意图。

附图标记：

光学系统100；

光源10；

准直单元20；

波导30；第一导光部31；第二导光部32；目标出射面33；

反射单元40；反射面41；

柱面镜50；

人眼200；

屏幕1；准直镜头2。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请是发明人基于以下事实所得出的发明创造。

目前，对于投影设备而言，可以通过增设柱面镜和柱面反射镜将图像的画质提升，但是，由于光线进入导向面的角度不同，经过导向面反射出的角度也不相同，因此会出现离轴的现象，有较大的象散。如图1所示，屏幕1位于准直镜头2的正上方，并且屏幕1的中心经过准直镜头的光轴，屏幕1的左端光源a与右端光源b在屏幕上与中心点M的距离时相同的。但是经过一系列的放射折射过后，到达眼睛处a’点和b’点到中心点M’的距离发生了改变，即离轴的问题的出现。如此会导致眼睛看到的画质不清晰，整体的画面变形，最终影响体验效果。

基于此，本申请的发明人经过长期研究和实验，创造性的得出本申请的光学系统100和可穿戴设备。

下面结合图2至图5描述根据本发明实施例的光学系统100。

如图2至图5所示，根据本发明一些实施例的光学系统100包括：光源10、准直单元20、波导30和反射单元40。

具体而言，准直单元20设于光源10的传输路径上，光源10位于准直单元20的光轴的一侧，波导30设有第一导光部31、第二导光部32和目标出射面33，第一导光部31的导光面朝向光源10的出光面，光源10发出的光线经过准直单元20准直后，从波导30的第一端传输至波导30中，并经过导光面反射后从目标出射面33射出，反射单元40的反射面41与目标出射面33相对，从目标出射面33射出的光线经过反射面41反射至第二导光部32，第二导光部32将反射单元40反射的光线导出波导30。其中，在光线通过光轴传输至波导30的情况下，光线经过导光面反射后从目标出射面33射出，并传输至反射面41，光线与目标切面具有预设角度，目标切面为光线投射在反射单元上的点相切的切面。

换言之，根据本申请实施例的光学系统100主要由可以发出成像光线的光源10、对光源10发出的光线进行准直调整的准直单元20、对经过准直调整的光线进行传输的波导30、以及可以对波导30导出的光线进行反射，并将光线反射回波导30的反射单元40构成。

其中，光源10可以是能够进行投影的投影设备，由光源10发出的光线为投影设备实际发出的光线，而“在光线通过光轴传输至波导30的情况下”中的光线，并不限定为光源发出的光线。在光源发出的光线中，如果存在可以通过光轴的光线，则“在光线通过光轴传输至波导30的情况下”中的光线可以为光源发出的光线，如果光源发出的光线不存在可以通过光轴的光线，则“在光线通过光轴传输至波导30的情况下”中的光线可以为假设的光线。该限定仅用于限定光源，准直单元，波导和反射单元之间的位置和角度关系。

为了便于描述，此处将波导30定义为左右延伸，将光源10、准直单元20和波导30的装配方向定义为沿上下方向装配。

波导30的内部靠左侧的位置设有第一导光部31，并且第一导光部31的导光面与光源10的出光面相对设置。光源10发出的光线经过准直单元20调整后能够从波导30的左端进入波导30内部，并且能够到达第一导光部31的导光面，光线经过导光面的折射或反射等作用下，继续在波导30内部传输，直到到达波导30的目标出射面33。

波导30的右侧面还设有反射单元40，光线能够通过目标出射面33到达反射单元40，波导30的目标出射面33与反射单元40的反射面41相对设置。并且，光线经过目标出射面33到达反射单元40后，反射单元40的反射面41还能够将光线反射回波导30内部。

波导30内部靠右侧的位置还设有第二导光部32。经过反射单元40的反射面41反射后的光线能够到达第二导光部32，第二导光部32能够将光线反射或折射出波导30，进而光线从波导30中射出，到达人眼200，人眼200可以从波导30的第一侧观看经过第二导光部32导出的光线。

其中需要说明的是，准直单元20具有光轴，此处光轴是指准直单元20的主轴线，并且光源10位于光轴的一侧。也就是说，光源10的左端或右端的端点能够被光轴的延长线穿过，或者光源10的左右两端的端点完全在光轴延长线的一侧。

从光轴处射入的光线可以是由光源10发出的光线，即当光源10的一部分边缘经过光轴的延长线时，该部分的光线可以经过光轴射入波导30(如图2中所示线条Z)；从光轴处射入的光线也可以是假设的光线，即当光源10完全偏离光轴时，光轴的延长线不会经过光源，在该情况下，以假设的光线经过光轴为例对其进行说明(如图3中所示虚线Z)。但是无论是由光源10射出的实际光线，还是假设的光线，可以经过第一导光部31的导光面传输到反射单元40的反射面41，再经过反射面41反射至第二导光部32，该光线能够经过第二导光部32射出波导30，从波导30射出的光线能够与射入波导的光线保持平行，从而可以避免离轴现象的发生。

此外，光轴所在直线可以与反射单元40的反射面41平行设置，或者光轴所在直线的延长线也可以与目标切面之间具有夹角，夹角的角度为预定角度。也就是说，在预定角度内的光线也能够实现到达眼睛的图像清晰的效果。

由此，根据本申请实施例的光学系统100，通过将光源10偏置于准直单元20的光轴的一侧，同时配合第一导光部31、第二导光部32和反射单元40的设计，使得经过第一导光部31、第二导光部32和反射单元40后射出波导30的光线不会出现离轴或者离轴范围可控，避免了由光源10发出的光线到达眼睛时出现离轴问题，从而使光学成像的画质得到了更好的优化，畸变对称得到了有效矫正。

根据本申请的一个实施例，反射单元40为柱面反射镜，柱面反射镜通过采用平滑连续的面型，在实现光路调整的同时，还可以实现光线的原方向返回，进一步保证成像效果。通过柱面镜组合，让光线在屏幕平面内原角度返回，减小投影光机的尺寸。并且，反射部分结构没有突变的棱角，比较平滑，防止图像产生纹络。

根据本申请的一些可选实施例，光线投射在反射单元40上的点位于反射面41的中间位置。当光线到达反射面41时，光线在反射面41上形成的光点能够位于反射面41上居中的位置。这样从反射面31反射出去的光线能够呈现较好的画质，不会出现形状畸形或者画质清晰的现象。

根据本申请的一个实施例，预设角度的范围为75°－90°。需要说明的是，此处预设角度包括端点值。

具体地，如图2或图3所示，反射单元40的反射面41为沿竖直方向延伸的平面，光轴Z可以是不完全沿竖直方向延伸的直线，而是相对于竖直方向可以倾斜预设角度，该预设角度使得从光轴射入的光线会在经过第一导光部31、反射单元40和第二导光部32反射之后，也会相对于竖直方向成预设角度射出，但是该预设角度的范围使得经过第一导光部31的光线仍然可以正常射向反射单元40，即当光轴处射出的光线到达反射面41时，入射到反射面41的光线与反射面41的夹角范围为75°－90°时，从光源10射出的光线不会出现离轴的现象或在可控范围内出现离轴的现象，都能够保证光学系统100呈现出清晰良好的画质。

在本申请的一些具体实施方式中，如图2所示，光线从目标出射面33射出后垂直入射至反射面41。例如，将光轴的延伸方向定义为竖直方向，经过光轴的光线或者假设的光线，经过第一导光部31反射之后，沿着与波导30平行的方向，垂直射向反射面41，再由反射面41射向第二导光部32，由第二导光部32射出波导30的光线或者假设的光线也仍然是沿竖直方向延伸的。也就是说，通过限定光线从目标出射面33射出后呈垂直状态入射至反射面41，可以有效避免光源10发出的光线出现离轴问题，从而保证光学系统100的成像效果。

根据本申请的一些可选实施例，光轴的延长线经过光源10发光面的边缘重合。

例如，如图2所示，光源10可以为能够发出光线的发光屏幕，发光屏幕的一侧边缘可以与经过光轴的延长线重合。光源10发出可以通过光轴的光线或者假设的光线能够经过导光面以及反射面41的反射，最终可以沿着平行于光轴的方向射向眼睛。

在本申请的另一个实施例中，光源10的一侧靠近光轴的延长线，并与光轴的延长线间隔开预定距离。

例如，如图3所示，将光源10定义为水平设置的且能够发出光线的发光屏幕，将图3中光源10的左端定义为端点A，将光源10的右端定义为端点B，并将沿竖直方向延伸的光轴Z的延长线和沿水平方向延伸的发光屏幕的延伸线的交点定义为C点。A点和C点间隔开分布，端点A和端点B均可以发出光线，并且从端点A和端点B发出的光线均不经过光轴Z。由C点发射出的假设的光线仍然可以经过导光面垂直到达反射面41，并且经过反射面41将假设的光线反射回第二导光部32，经过第二导光部32反射进入人眼200。

在本申请的一些具体实施方式中，经过第二导光部32反射的光线形成屏幕虚像，第二导光部32相对于波导30的倾斜角度可调以调节屏幕虚像的位置。

考虑到光源10偏置于光轴的一侧，即光源10相对于准直单元20不是居中对称设置，例如将光源10相对于光轴呈偏左或者偏右设置，有可能造成双目没有重合图像(一边偏左，一边偏右)的问题，或者整体图像偏向一边(一起偏左或偏右)的问题，影响成像效果。

在本申请的一个实施例中，如图4所示，将光轴定义为沿水平方向延伸的虚拟直线，将反射面41定义为沿水平方向延伸的平面，并将波导30定义为沿竖直方向延伸。在此基础上，将光源10定义为沿竖直方向延伸的发光屏幕，光源10位于光轴的上方，光源10的下边缘与光轴的延长线重合。光源10发出的光线经过第一导光部31、反射单元41和第二导光部32反射之后，呈现的屏幕虚像可位于眼睛水平视角偏下的位置，该设计更加符合人体观看习惯，提高用户使用体验。

在本申请的另一些具体实施例中，如图5所示，将光轴定义为沿水平方向延伸的虚拟直线，将反射面41定义为沿水平方向延伸的平面，并将波导30定义为沿竖直方向延伸。在此基础上，将光源10定义为沿竖直方向延伸的发光屏幕，光源10位于光轴的上方，光源10的下边缘与光轴的延长线重合。在该实施例中，对第二导光部32相对于波导30的倾斜角度进行一定程度的调节，在将第二导光部32旋转一定的角度后，可以使屏幕虚像相对于眼睛水平视角居中，但是屏幕虚像会有如图5中所示的倾斜，由于光线的近大远小的特征，所以人眼看到的图像会呈现梯形结构，在该情况下，可以通过软件设计来将屏幕虚像矫正为矩形。通过软件设计将屏幕虚像矫正为矩形的方法和结构对于本领域技术人员而言是可以理解并且容易实现的，因此不再进行详细描述。

根据本申请的一个实施例，光学系统100还包括：柱面镜50，柱面镜50设于准直单元20与第一导光部31之间，光源10发出的光线经过准直单元20准直后，穿过柱面镜50传输至波导30中。

换句换说，柱面镜50位于准直单元20和波导30之间，并且柱面镜50与第一导光部31的导光面位置相对。光源10发出的光线能够经过准直单元20准直调整后射入柱面镜50，经过柱面镜50的光线能够发散或聚拢。柱面镜50通常采用平滑连续的面型，不仅可以实现光路的调整，还可以减少光线的散射和丢失。

根据本申请的一个实施例，光学系统100还包括：偏振单元(图中未示出)，偏振单元设于目标出射面33与反射单元40之间，偏振单元用于根据反射面41射出的光线，产生偏振光。

具体地，偏振单元的装配位置可以根据反射单元40的装配位置进行相应的变动，通过增加偏振单元，可以使得从反射单元40反射回波导30的光线变成需要的偏振光。在屏幕虚像不居中对称时，可以通过偏振单元对其进行上下偏振，比如一起偏上或偏下。例如图4中的屏幕虚像相对于眼睛水平视角为水平偏下，比较符合人体习惯。

总而言之，根据本申请实施例的光学系统100，通过将光源10偏置于准直单元20的光轴的一侧，同时配合第一导光部31、第二导光部32和反射单元40的设计，使得经过第一导光部31、第二导光部32和反射单元40后射出波导30的光线不会出现离轴或者离轴范围可控，避免了由光源10发出的光线到达眼睛时出现离轴问题，从而使光学成像的画质得到了更好的优化，畸变对称得到了有效矫正。

根据本申请实施例的可穿戴设备，包括根据上述实施例的光学系统100，由于根据本申请上述实施例的光学系统100具有上述技术效果，因此，根据本申请实施例的可穿戴设备也具有相应的技术效果，即实现了光源10的光线到达眼睛时没有离轴，光学成像的画质得到了更好的优化，畸变对称得到了有效矫正，提高人眼200观看体验效果。

其中，可穿戴设备可以是AR眼镜，波导30可以是AR眼镜的镜片，光源10可以是设于AR眼镜的一个镜腿上的投影设备，反射单元40则可以设于眼镜中部靠近鼻梁的位置，光源10发出的光线从一个镜片靠近该光源10的一端，向该镜片靠近鼻梁的另一端传输，经过反射单元40反射后，光线返回镜片，并且从镜片上的光线导出位置导出到人眼200，人眼200即可观看到光源10发出的虚像。

根据本发明实施例的可穿戴设备的其他构成例如投影设备和波导的装配结构等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

光源；

准直单元，所述准直单元设于所述光源的传输路径上，所述光源位于所述准直单元的光轴的一侧；

波导，所述波导设有第一导光部、第二导光部和目标出射面，所述第一导光部的导光面朝向所述光源的出光面，所述光源发出的光线经过所述准直单元准直后，从所述波导的第一端传输至所述波导中，并经过所述导光面反射后从所述目标出射面射出；

反射单元，所述反射单元的反射面与所述目标出射面相对，从所述目标出射面射出的光线经过所述反射面反射至所述第二导光部，所述第二导光部将所述反射单元反射的光线导出所述波导；

其中，在光线通过所述光轴传输至所述波导的情况下，所述光线经过所述导光面反射后从所述目标出射面射出,并传输至所述反射面，所述光线与目标切面具有预设角度，所述目标切面为所述光线投射在所述反射单元上的点相切的切面。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光线投射在所述反射单元上的点位于所述反射面的中间位置。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述预设角度的范围为75°-90°。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光线从所述目标出射面射出后垂直入射至所述反射面。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光轴的延长线与所述光源发光面的边缘重合。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光源的一侧靠近所述光轴的延长线，并与所述光轴的延长线间隔预定距离。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，经过所述第二导光部反射的光线形成屏幕虚像，所述第二导光部相对于所述波导的倾斜角度可调以调节所述屏幕虚像的位置。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括：

柱面镜，所述柱面镜设于所述准直单元与所述第一导光部之间，所述光源发出的光线经过所述准直单元准直后，穿过所述柱面镜传输至所述波导中。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括：

偏振单元，所述偏振单元设于所述目标出射面与所述反射单元之间。

10.一种可穿戴设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光学系统。

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