一种侧入式双目融合AR系统及其光信号角度控制方法与流程

本发明涉及增强现实系统，尤其是涉及一种侧入式双目融合ar系统及其光信号角度控制方法。

背景技术：

1、增强现实(augmented reality,简称ar)，是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互的技术，ar系统整体框架包含三大部分：输入数据、三维注册与重建、虚实融合，在虚实融合时，需要采用两个单目光模组来实现。

2、目前的侧入式光波导ar结构，在无双目融合时的结构，如图1所示，包括两个单目光模组，两个单目光模组关于对称轴对称设置，各单目光模组包括依次设置的微显、光机和波导片，各单目光模组的微显、光机位于眼睛侧方，波导片出射面与目视系统平行，且波导片与目视系统的距离设为l。目视系统为人的双眼，左眼和右眼之间的距离d大约为64mm，l1一般位于14～30mm之间，光机光轴与波导片之间的夹角设为φ，不同光模组的φ值不同，一般位于138°～150°之间，光机光轴方向的光线称为光模组的主光线，射出波导片的主光线与波导片出射面垂直，同时也和目视系统垂直。

3、oxyz为设定的坐标系，图1中，微显、光机和波导片图形位于oxy面上，且光机a的光轴与ox轴平行。

4、因为两个单目光模组射入人眼的两主光线平行，无法实现双目融合，双目融合是指：两单目光模组射入人眼的两个主光线在人眼前方l＝3～5m处相交，此时从波导片出来的主光线与波导片法线的夹度为θ，一般情况下，(l＝l1+l2)∈[3m，5m]，θ＝arctan[0.5d/(l1+l2)]，经计算，θ的值大约位于0.37°～0.62°之间，将能够实现双目融合的角度θ称为融合角度，如图2所示。

5、阵列波导片的结构如图3所示，波导片1的上全反射面11与下全反射面12之间，设置阵列反射膜13，两相邻阵列反射膜、位于两相邻阵列反射膜之间的部分上反射面、位于两相邻阵列反射膜之间的部分下反射面形成子棱镜，阵列反射膜与下全反射面之间的第一夹角为β，耦入棱镜设置在主光线入射路线上，与波导片的第一侧边ae边贴合，mn是阵列反射面中的第一个反射面，第一个反射面、波导片的ae边及波导片的上全反射面、下全反射面组成波导片第1子棱镜(aemn)，波导片第一侧边与波导片上反射面之间的夹角，即第1子棱镜(aemn)的第三夹角为β1，耦入棱镜第一侧边与波导片第一侧边贴合，耦入棱镜第一侧边与第二侧边的第四夹角为β2，第三夹角角度与第四夹角角度之和构成贴合角，光机与耦入棱镜第二侧边贴合，光机主光线从耦入棱镜第二侧边垂直进入，经过耦入棱镜第一侧边进入波导片，在波导片中经过上下全反射面的反射，最后在阵列反射膜的反射下，从波导片的下出射面射出；当β1＝β2＝β时，光机主光线经波导片传输后射出波导片出射面，出射光线与波导片出射面垂直，两个单目光模组的出射主光线平行，分别垂直进入人眼。

6、为了实现双目融合，目前有两种结构方式，分别如图4、5所示。

7、方案1：如图4所示，将图1中的微显沿oy方向移动，从而使得主光线和波导片出射面存在夹角θ，微显沿oy方向的移动距离为δ，通过调节单目光模组的微显位置，使得两个光模组的主光线之间存在一定的夹角从而实现双目融合。假设光机的焦距为15mm，θ＝0.5°时，δ≈15mm*tan(θ)＝0.13mm；此方案一方面需要复杂的算法保证移动距离δ满足要求，调整过程也比较复杂；另一方面移动距离δ的存在使得微显偏离了各模组最优的成像位置，造成成像质量的下降。

8、方案2：如图5所示，将图1中的光模组a和光模组b分别绕着oz旋转θ角，该方案需要用结构件来保证旋转角度，但对于0.37°～0.62°的角度，采用一般加工方法制造的结构件很难保证精度，需要特别的加工方法来实现，提高了加工成本和难度。

9、因此，如何实现高精度且操作方便的双目融合，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种侧入式双目融合ar系统及其光信号角度控制方法，通过改变进入波导片的主光线的入射角，从而使射出波导片出射面的主光线，与出射面法线的夹角，满足融合角度要求，在光机中心轴、微显中心轴重合，波导片与目视系统平行的情况下，实现双目融合，降低加工成本，提高单目光模块与双融合ar系统的组装精度。

2、第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

3、一种侧入式双目融合ar系统的光信号角度控制方法，侧入式双目融合ar系统包括两个单目光模组，各单目光模组包括微显、光机和波导片，微显中心轴与光机中心轴重合，波导片的棱镜内包括至少一个阵列反射膜，各阵列反射膜与下反射面之间形成第一夹角，在波导片与目视系统平行时，光机主光线垂直入射面射入，改变光机与波导片之间的贴合角，从而改变主光线在进入波导片后与波导片上反射面之间的夹角，使主光线从波导片下反射面射出时与波导片下反射面法线的第二夹角角度等于融合角度，各单目光模组的主光线以融合角度射入人眼，实现双目融合。

4、本发明进一步设置为：改变光机与波导片之间的贴合角，使贴合角的角度小于2倍的第一夹角，垂直入射面射入的主光线，从波导片下反射面射出时，与波导片下反射面法线形成的第二夹角角度等于融合角度，主光线以等于融合角度射入人眼，实现双目融合。

5、本发明进一步设置为：在主光线射入波导片第一侧边处设置有耦入棱镜，波导片第一侧边与波导片上反射面的夹角为第三夹角，耦入棱镜第一侧边与波导片第一侧边贴合，耦入棱镜第一侧边与耦入棱镜第二侧边的夹角为第四夹角，第三夹角与第四夹角角度之和等于贴合角的角度，耦入棱镜第二侧边为入射面，设置第三夹角或/和第四夹角小于第一夹角，使贴合角的角度小于2倍的第一夹角，从贴合角射入波导片的主光线，从下反射面射出时，以融合角度射入人眼，实现双目融合。

6、本发明进一步设置为：在主光线射入波导片第一侧边处设置有耦入棱镜和光楔，波导片第一侧边与波导片上反射面的夹角为第三夹角，耦入棱镜第一侧边与波导片第一侧边贴合，耦入棱镜第一侧边与耦入棱镜第二侧边的夹角为第四夹角，光楔的第二侧边与耦入棱镜第二侧边贴合，光楔的第二侧边与第一侧边的楔角为第五夹角，光楔的第一侧边为入射面，贴合角的角度等于第三夹角与第四夹角之和减去第五夹角，使贴合角的角度小于2倍的第一夹角。

7、本发明进一步设置为：贴合角与2倍的第一夹角的差值，为修正角，在目视系统位于空气中且空气折射率为1的情况下，修正角满足下式：

8、sin(θ)＝nsin(δφ)，式中，n表示波导片的折射率，θ表示主光线和波导片出射面法线之间的夹角，即第二夹角，δφ表示修正角。

9、第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

10、一种用于侧入式双目融合ar系统的阵列波导片，包括棱镜、耦入棱镜，棱镜内包括至少一个阵列反射膜，各阵列反射膜与下反射面之间形成第一夹角，耦入棱镜与棱镜在光信号输入侧贴合，形成贴合角，在光机主光线垂直入射面入射时，改变贴合角的角度，以改变射入波动片的主光线与波动片上反射面的角度，用于在波导片与目视系统平行时，从光机出射的主光线从贴合处射入棱镜，从下反射面射出后，以第二夹角入射人眼，进行双目融合。

11、本发明进一步设置为：波导片第一侧边与波导片上反射面的夹角为第三夹角，耦入棱镜第一侧边与波导片第一侧边贴合，耦入棱镜第一侧边与耦入棱镜第二侧边的夹角为第四夹角，第三夹角与第四夹角角度之和等于贴合角的角度，耦入棱镜第二侧边为入射面，减小第三夹角的角度或/和第四夹角的角度，使贴合角的角度值小于2倍的第一夹角角度值，用于在波导片与目视系统平行时，改变主光线射入棱镜的角度，使主光线从下反射面射出后，以第二夹角入射人眼，进行双目融合。

12、本发明进一步设置为：还包括光楔，波导片第一侧边与波导片上反射面的夹角为第三夹角，耦入棱镜第一侧边与波导片第一侧边贴合，耦入棱镜第一侧边与耦入棱镜第二侧边的夹角为第四夹角，光楔的第二侧边与耦入棱镜第二侧边贴合，光楔的第二侧边与第一侧边的楔角为第五夹角，光楔的第一侧边为入射面，第三夹角与第四夹角之和减去光楔的楔角组成贴合角，贴合角的角度值小于2倍的第一夹角角度值，用于在波导片与目视系统平行时，改变主光线射入棱镜的角度，使主光线从下反射面射出后，以第二夹角入射人眼，进行双目融合。

13、本发明进一步设置为：以修正角改变贴合角，贴合角与修正角之和等于2倍的第一夹角，在目视系统位于空气中且空气折射率为1的情况下，修正角满足下式：sin(θ)＝nsin(δφ)，式中，n表示波导片的折射率，θ表示主光线和波导片出射面法线之间的夹角，即第二夹角，δφ表示修正角。

14、第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

15、一种侧入式双目融合ar系统，包括两个单目光模组，各两个单目光模组关于对称轴对称设置，各单目光模组包括依次设置的微显、光机和波导片，各单目光模组的微显、光机位于眼睛侧方，微显中心轴与光机中心轴重合，采用本技术所述方法，在波导片与目视系统平行时，主光线与出射面法线的第二夹角等于融合角度，实现双目融合。

16、与现有技术相比，本技术的有益技术效果为：

17、1.本技术通过改变主光线进入波导片的角度，从而改变主光线从波导片出射面射出时与出射面法线之间的夹角，在夹角角度等于融合角度时，两个侧入式单目光模组的主光线以融合角进入目视系统，实现双目融合；

18、2.进一步地，本技术通过改变波导片入射光处的结构，从而改变主光线进入波导片的角度，使主光线以融合角度从出射面射出，实现双目融合；

19、3.进一步地，本技术的侧入式光波导ar系统，采用改变主光线入射角的波导片，光机中心轴与微显中心轴重合，保证了显示质量，波导片的入射光端的角度固定，实现了波导片与目视系统平行时，简化光机与波导的安装过程，降低了成本。