本發(fā)明涉及一種輕型增強現(xiàn)實眼鏡的設計，尤其涉及一種部分微投影機與眼鏡分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置。

背景技術：

當前，增強現(xiàn)實(augmentedreality，ar)技術作為熱門科技現(xiàn)已獲得不少關注，無論是科研機構還是產品公司都在爭相推出能普及的便攜式ar眼鏡。不同于虛擬現(xiàn)實(virtualreality，vr)的完全虛擬影像，ar是建立在真實世界中的的虛擬文字或者圖像，通過使用者的手勢、聲音等信息發(fā)出指令，改變虛擬信息內容并與周圍環(huán)境完美地融合在一起。

ar現(xiàn)有2種常見的處理模式：利用顯示面板加上相機模組，依靠相機模組獲得原本使用者可看見的真實影像，經影像加工處理后，透過顯示面板呈現(xiàn)真實與虛擬影像的結合，以達到ar效果，常見于智慧型手機、平板機與掌上型游戲機等；或是透過ar眼鏡的透明鏡片讓使用者可直接看到外界影像，再通過投影方式疊上虛擬影像，讓使用者處在真實環(huán)境中接收投影機內的虛擬信息。

目前，ar眼鏡屬于穿戴型顯示面板類型，主要由鏡片、鏡架、微投影儀、攝像頭等感應器及其控制或驅動芯片組成。不像vr眼鏡基本上做成頭盔式，ar眼鏡力求輕便易攜帶，在普通眼鏡的框架下加入前置攝像頭與鏡架微投影儀設備，比起頭盔式更適合日常使用。安裝于鏡架處的微投影儀主要由紅綠藍(redgreenblue，rgb)光源、光源散熱裝置、數(shù)字光學處理(digitallightprocessing，dlp)的微反射鏡陣列或硅基液晶(liquidcrystalonsilicon，lcos)組成。由于組成部分較多且集成化有限，微投影儀對于使用者來說依舊是個很重的佩戴負擔，鏡架過重會給鼻梁以及耳朵造成很大的壓力，體積過大不方便使用者隨身攜帶，不利于ar眼鏡的輕便化小型化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，一種可將投影儀部件與鏡架分離的輕便型ar眼鏡裝置，旨在有效解決投影儀與鏡架組合過重且體積較大的問題，以服務于新一代ar眼鏡，本發(fā)明裝置體積小、重量輕、易于使用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種微投影機分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置，該裝置包括：眼鏡、成像系統(tǒng)、驅動及圖像信號處理盒、信號源、光纖和電線；信號源發(fā)出的影像信號經usb接口由驅動及圖像信號處理盒轉換為rgb光源信號通過光纖傳輸至成像系統(tǒng)；成像系統(tǒng)中的掃描裝置由信號源經驅動及圖像信號處理盒通過電線提供電源，驅動及圖像信號處理盒產生驅動信號由電線傳至成像系統(tǒng)；成像系統(tǒng)中的光信號再出射至眼鏡鏡片，讓使用者通過鏡片得以看見清晰的動態(tài)影像。

進一步地，所述驅動及圖像信號處理盒中，將rgb光源耦合至光纖的結構包括：rgb光源貼片陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列和平面光波導；rgb光源貼片陣列中的每個光源發(fā)出的光依次經過兩個對準的第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列的微透鏡，兩片微透鏡將光束聚焦調整成適合平面光波導耦合的光束后入射至平面光波導中對應的耦合功率合成波導處，功率合成波導最終將三原色匯聚在一條波導中，并耦合至光纖輸出光源信號。

進一步地，所述rgb光源貼片陣列為rgb三原色led貼片陣列或rgb三原色激光ld貼片陣列；所述光纖為石英或塑料的多?；騿文９饫w。

進一步地，所述成像系統(tǒng)包括：微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem，mems)光束掃描單元和成像透鏡組；驅動及圖像信號處理盒輸出的rgb光源信號通過光纖照射到mems光束掃描單元上，mems光束掃描單元根據(jù)驅動及圖像信號處理盒提供的驅動信號完成角度掃描。經mems光束掃描單元反射的信號光通過成像透鏡組調整光束，然后照射到眼鏡的波導上完成光信號傳輸。

進一步地，所述成像系統(tǒng)包括：諧振掃描單元、反射鏡和成像透鏡組；驅動及圖像信號處理盒輸出的rgb光源信號通過光纖傳輸，光纖的末端進行拉錐處理形成錐形光纖并固定于諧振掃描單元上，諧振掃描單元根據(jù)驅動及圖像信號處理盒提供的驅動信號完成對錐形光纖的點掃描。錐形光纖端面出射的信號光經反射鏡反射至成像透鏡組調整光束，然后照射到眼鏡的波導上完成光信號傳輸。

進一步地，所述成像系統(tǒng)包括：光學相位控制陣列和成像透鏡組；驅動及圖像信號處理盒輸出的rgb光源信號通過光纖照射到光學相位控制陣列上，光學相位控制陣列根據(jù)驅動及圖像信號處理盒提供的驅動信號完成對光束的各個子光束的相移控制。經光學相位控制陣列出射的信號光依據(jù)相位分配情況，輸出角度可控的光束，在空間掃描成像，經成像透鏡組調整光束，然后照射到眼鏡的波導上完成光信號傳輸。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明將微投影機與鏡架分離，將其模塊化為驅動及圖像信號處理盒直接與影像信號源連接，并用光纖以及電線連接成像系統(tǒng)與驅動及圖像信號處理盒，具有輕捷便利、易于收納、便于佩戴使用的特點。

2、本發(fā)明提供了三種成像系統(tǒng)裝置：mems光束掃描單元掃描裝置體積小、便于集成，像素點小、分辨率高；錐形光纖掃描裝置在與lcos芯片、dlp芯片同樣的分辨率條件下物面更小，光學裝置集成體積更小、物點更為近軸，因而像差更為可控，成像質量均勻性更好；光學相位控制陣列掃描裝置為固態(tài)掃描件，避免了機械掃描結構中各種不穩(wěn)定因素，抗震、抗抖動干擾，可靠性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明微投影機分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明中將rgb光源耦合至光纖的結構裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明的第一種成像系統(tǒng)裝置；

圖4為本發(fā)明的第二種成像系統(tǒng)裝置；

圖5為本發(fā)明的第三種成像系統(tǒng)裝置；

圖中，眼鏡1、成像系統(tǒng)2、驅動及圖像信號處理盒3、信號源4、光纖5、電線6、rgb光源貼片陣列7、第一微透鏡陣列8、第二微透鏡陣列9、平面光波導10、mems光束掃描單元11、成像透鏡組12、諧振掃描單元13、反射鏡14、光學相位控制陣列15。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種微投影機分離的增強現(xiàn)實眼鏡裝置，該裝置包括：眼鏡1、成像系統(tǒng)2、驅動及圖像信號處理盒3、信號源4、光纖5和電線6；信號源4發(fā)出的影像信號經usb接口由驅動及圖像信號處理盒3轉換為rgb光源信號通過光纖5傳輸至成像系統(tǒng)2；成像系統(tǒng)2中的掃描裝置由信號源4經驅動及圖像信號處理盒3通過電線6提供電源，驅動及圖像信號處理盒3產生驅動信號由電線6傳至成像系統(tǒng)2；成像系統(tǒng)2中的光信號再出射至眼鏡1鏡片，讓使用者通過鏡片1得以看見清晰的動態(tài)影像。

本發(fā)明的工作原理如下：驅動及圖像信號處理盒通過usb接口采集信號源的影像信號，將驅動及圖像信號處理盒內的rgb光源調制成影像對應的rgb信號通過光纖輸出到成像系統(tǒng)；并通過usb接口由信號源完成對掃描裝置的供電，通過與光纖并行的電線控制成像系統(tǒng)中的掃描裝置，完成對光纖出射光信號的掃描。掃描后的光信號經成像系統(tǒng)中的成像透鏡組調整光束成平行光出射至眼鏡鏡片上的波導，完成光信號的傳輸。

上述裝置中，信號源可以是手機、電視等視頻顯示設備或移動硬盤、計算機等視頻存儲設備。

上述裝置中，光纖可運用石英或塑料多模或單模光纖外加保護層形成單光纖光纜結構，并與電線包裝在同一塑料包層內，作為驅動及圖像信號處理盒內的rgb光源、掃描驅動與成像系統(tǒng)的單線連接裝置，易于彎曲收納也可展開使用，便于使用者佩戴眼鏡。

上述裝置中，通過光纖傳輸?shù)膔gb光源與眼鏡分離，大幅度減少眼鏡上微投影部件的重量和體積。其重要原因是，目前無論是led或ld的rgb光源，工作效率低于50％，不僅需要光束整形部件，而且需要體積較大的散熱元件。

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種將rgb光源耦合至光纖的結構裝置，該裝置包括：rgb光源貼片陣列7、第一微透鏡陣列8、第二微透鏡陣列9和平面光波導10；所述rgb光源貼片陣列7為rgb三原色led貼片陣列或rgb三原色激光ld貼片陣列；rgb光源貼片陣列7中的每個光源發(fā)出的光依次經過兩個對準的第一微透鏡陣列8、第二微透鏡陣列9的微透鏡，兩片微透鏡將光束聚焦調整成適合平面光波導10耦合的光束后入射至平面光波導10中對應的耦合功率合成波導處，功率合成波導最終將三原色匯聚在一條波導中，并耦合至光纖5輸出光源信號，所述光纖5為石英或塑料的多?；騿文９饫w。

上述裝置中，rgb光源貼片陣列7為rgb三原色led貼片陣列或rgb三原色激光ld貼片陣列；紅、綠、藍三色光源的波長分別為620-625nm、520-525nm、460-465nm，每個光源需要兩個微透鏡將發(fā)射的光束聚焦輸出到平面光波導的耦合段，合束后的平面光波導再將信號光耦合至光纖傳輸。

如圖3-5所示，本發(fā)明中的成像系統(tǒng)裝置可以有三種實現(xiàn)方法：

第一種為mems光束掃描單元掃描裝置。信號源經再調制形成的rgb光源信號由光纖傳輸至眼鏡鏡片邊緣作為光源照射到mems光束掃描單元上，通過與光纖并行的電線接入掃描驅動發(fā)出的與rgb光源調制信號同步的mems光束掃描單元微反射鏡掃描信號，使mems光束掃描單元反射出與信號源同步的影像至成像透鏡組。成像透鏡組調整mems光束掃描單元反射的信號光束成為平行光，再入射至眼鏡鏡片上的波導完成光信號的傳輸。

上述系統(tǒng)中，掃描驅動通過電線將驅動信號發(fā)送至mems光束掃描單元(例如texasinstrument的dlp系列產品)，其掃描驅動信號與rgb光源調制信號同步，使光源在提供不斷變化的rgb信號的同時mems光束掃描單元上的微反射鏡產生與之對應的反射角度，因而掃描反射出與信號源同步的影像。mems光束掃描單元掃描反射后的信號光再通過成像透鏡組調整光束，使之成為平行光，便于與眼鏡鏡片中的波導耦合并傳輸。

如圖3所示，為實現(xiàn)上述方法提供的成像系統(tǒng)包括：微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem，mems)光束掃描單元11和成像透鏡組12；驅動及圖像信號處理盒3輸出的rgb光源信號通過光纖5照射到mems光束掃描單元11上，mems光束掃描單元11根據(jù)驅動及圖像信號處理盒3提供的驅動信號完成角度掃描。經mems光束掃描單元11反射的信號光通過成像透鏡組12調整光束，然后照射到眼鏡1的波導上完成光信號傳輸。

第二種為錐形光纖掃描裝置。信號源經再調制形成的rgb光源信號由光纖傳輸至眼鏡鏡片邊緣的諧振掃描單元，光纖末端做拉錐處理后固定在諧振掃描單元上，其掃描驅動信號由與光纖并行的電線接入，完成與rgb光源調制信號同步的錐形光纖快速點掃描，使反射鏡上形成與信號源同步的影像。成像透鏡組調整反射鏡反射的信號光束成為平行光，再入射至眼鏡鏡片上的波導完成光信號的傳輸。

上述系統(tǒng)中，光纖末端做拉錐處理后，由于錐形端透鏡的聚焦作用，出射的光斑在焦平面直徑可小至0.5-0.8微米?，F(xiàn)有的lcos芯片，例如himax的lcos系列產品hx7318ctjpb，1366×768p的單像素點大小為6×6微米，對角線物面尺寸9.40mm；現(xiàn)有的dlp芯片，例如texasinstrument的dlp系列產品dlp4501，1280×800p的單像素點直徑7.6微米，對角線物面尺寸11.43mm。而錐形光纖的像素尺寸直徑在0.4-0.6微米，所以錐形光纖掃描方法在同樣的分辨率條件下物面更小，光學裝置集成體積更小、物點更為近軸，因而像差更為可控，成像質量均勻性更好。

上述系統(tǒng)中，反射鏡置于錐形光纖端面出射光斑的焦平面，諧振掃描單元控制錐形光纖在反射鏡上做逐行點掃描，其驅動信號與rgb光源調制信號同步，使諧振掃描單元在光源提供不斷變化的rgb信號的同時在反射鏡上掃描投射出與之同步的各顏色影像。反射鏡反射后的信號光再通過成像透鏡組調整光束，使之成為平行光，便于與眼鏡鏡片中的波導耦合并傳輸。由于人眼存在視覺延遲，快速逐行點掃描形成的影像對人眼來說是連續(xù)不斷的，所以不會對使用者造成頻閃的影響，進而在人腦中合成色彩連續(xù)的高分辨圖像。

如圖4所示，為實現(xiàn)上述方法提供的成像系統(tǒng)包括：諧振掃描單元13、反射鏡14和成像透鏡組12；驅動及圖像信號處理盒3輸出的rgb光源信號通過光纖5傳輸，光纖5的末端進行拉錐處理形成錐形光纖并固定于諧振掃描單元13上，諧振掃描單元13根據(jù)驅動及圖像信號處理盒3提供的驅動信號完成對錐形光纖的點掃描。錐形光纖端面出射的信號光經反射鏡14反射至成像透鏡組12調整光束，然后照射到眼鏡1的波導上完成光信號傳輸。

第三種為光學相位控制陣列掃描裝置。信號源經再調制形成的rgb光源信號由光纖傳輸至眼鏡鏡片邊緣作為光源照射到光學相位控制陣列上，通過與光纖并行的電線接入控制驅動發(fā)出的與rgb調制信號同步的光學相位控制陣列掃描信號，使光學相位控制陣列透射出與信號源同步的影像至成像透鏡組。光學相位控制陣列實現(xiàn)對入射光束的高速偏轉，使視頻傳輸?shù)膱D像各像素呈現(xiàn)于物面，成像透鏡組調整光學相位控制陣列透射的信號光束成為平行光，再入射至波導完成光信號的傳輸。

上述系統(tǒng)中，光學相位控制陣列通過波導將光束分束，每束光相當于單像素點由波導傳遞至相位調節(jié)器，每個相位調節(jié)器尺寸在2μm量級。控制驅動通過施加不同的電壓和阻尼調節(jié)相位調節(jié)器對光束的相移，使不同位置的光束產生不同的相移，因而可以還原出信號源的圖像。由于相位調節(jié)只對單波長的光起作用，彩色信號需要在rgb光源信號中產生對應的時序信號，將不同時刻的光偏轉不同的相移再出射至成像透鏡組。由于人眼存在視覺延遲，時序相移掃描形成的影像對人眼來說是連續(xù)不斷的，所以不會對使用者造成頻閃的影響。成像透鏡組調整光束使之成為平行光，便于與眼鏡鏡片中的波導耦合并傳輸。

如圖5所示，為實現(xiàn)上述方法提供的成像系統(tǒng)包括：光學相位控制陣列15和成像透鏡組12；驅動及圖像信號處理盒3輸出的rgb光源信號通過光纖5照射到光學相位控制陣列15上，光學相位控制陣列15根據(jù)驅動及圖像信號處理盒3提供的驅動信號完成對光束的各個子光束的相移控制。經光學相位控制陣列15出射的信號光依據(jù)相位分配情況，輸出角度可控的光束，在空間掃描成像，經成像透鏡組12調整光束，然后照射到眼鏡1的波導上完成光信號傳輸。