光学系统和可穿戴设备的制作方法

1.本技术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：

2.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。


技术实现要素：

3.本技术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。
4.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
5.第一方面，本技术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光线传输路径上；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；反射单元，所述反射单元的反射面与所述目标出射面之间形成夹角，夹角小于90
°
，光学系统的光轴与反射单元的切面具有预设角度，切面为光线传输至反射单元时，光线与反射单元的接触点的切面，其中，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，所述反射面将从所述目标出射面射出的光线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。
6.第二方面，本技术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。
7.在本技术的实施例中，通过将反射面与目标出射面之间的夹角的度数设置为小于90
°
，并且光学系统的光轴与反射单元的切面形成预设角度，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。
8.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
9.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：
10.图1是现有技术中的一种光学系统的示意图
11.图2是根据本技术实施例的光学系统的示意图；
12.图3是根据本技术实施例的光学系统的模拟光线示意图；
13.图4是图3中圈示的p部的放大图。
14.附图标记：
15.光学系统100；
16.光源10；
17.准直单元20；
18.波导30；第一导光部31；第二导光部32；目标出射面33；
19.反射单元40；
20.吸光装置50；
21.柱面镜60；
22.屏幕1；准直镜头2。
具体实施方式
23.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。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
24.本技术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。
25.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。
26.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。
27.本技术是发明人基于以下事实所得出的发明创造。
28.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。
29.基于此，本技术的发明人经过长期研究和实验，创造性的得出本技术的光学系统100和可穿戴设备。
30.下面结合图2至图4描述根据本发明实施例的光学系统100。
31.如图2至图4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。
32.具体而言，准直单元20设于光源10的光线传输路径上，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，反射单元40的反射面与目标出射面33之间形成夹角，夹角小于90
°
。光学系统的光轴与反射单元的切面具有预设角度，切面为光线传输至反射单元时，光线与反射单元的接触点的切面。其中，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，反射面将从目标出射面33射出的光线反射至第二导光部32，第二导光部32将反射单元40反射的光线导出波导30。
33.可选的，反射单元40的反射面可以为平面，也可以为弧面，在反射单元40的反射面为平面的情况下，反射面与目标出射面33之间的夹角可以为反射面的法向量与目标出射面33的法向量之间的夹角；在反射面为曲面的情况下，反射面与目标出射面33之间的夹角可以为反射面的中轴线与目标出射面33的法向量之间的夹角。
34.换言之，根据本技术实施例的光学系统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。
35.为了便于描述，此处将波导30的延伸方向定义为左右延伸，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。
36.波导30的内部靠左侧的位置设有第一导光部31(此处的第一导光部31为光线导入部分，可以为几何导入，也可以为光栅导入，在此不作限定)，第一导光部31的导光面能够与光源10的出光面相对设置，例如，第一导光部31可以位于光源10的正下方并且第一导光部31的导光面的面积可以大于出光面的面积。
37.进一步地，光源10发出的光线可以经过准直单元20调整后从波导30的左端进入波导30的内部，从而光线可以传输到第一导光部31的导光面。光线经过导光面的折射或反射等作用下，可以继续在波导30内部沿波导30的延伸方向进行传输，直到光线能够到达波导30的目标出射面33。
38.此外，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的反射面之间能够形成夹角，并且夹角的度数小于90
°
。也就是说，反射面能够与目标出射面相对倾斜设置。进一步地，光学系统100的光轴与反射单元40的切面之间能够形成预设角度。其中需要说明的是，光线在传输至反射单元40时会在反射面上形成光点，即接触点。而反射单元40的切面能够经过接触点，并且与形成接触点的光线互相垂直。此时，光轴能够与切面之间具有预设角度。
39.需要说明的是，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(此处的第二导光部32为光线导出部分，可以为几何反射阵列导出，也可以为光栅导出，在此不作限定)。经过反射单元40的反射面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，人眼可以观看经过第二导光部32导出的光线。
40.其中需要说明的是，光学系统100本身具有光轴，在光线与光轴重合的条件下传输至波导30时，从目标出射面33射出的光线与且切面具有预设角度。这里需要进行说明，反射单元40可以与波导30的目标出射面33相对倾斜设置，使得光轴保持垂直或近似垂直于反射单元40的切面。
41.也就是说，光源10的光线从同一点发出能够形成一个光锥，其中，与光轴重合的光线首先能够经过准直单元20的准直后射入波导30内，经过第一导光部31的反射或折射后，在波导30传输，经过多次反复的改变传输角度从目标出射面33射出后，能够到达反射单元40的反射面。
42.其中需要说明的是，当与光轴重合的光线射向反射面后能够形成的夹角的度数可以落入预设角度的范围内时，其余不经过光轴的光线大部分从反射面反射回波导30的角度都是正常的，并且不会出现离轴现象。从而可以避免由光源10发出的光线到达眼睛时出现离轴的问题，从而使光学成像的画质得到更好的优化，畸变对称得到了有效矫正。
43.由此，根据本技术实施例的光学系统100，通过将反射面与目标出射面之间的夹角的度数设置为小于90
°
，并且光学系统的光轴与反射单元的切面形成预设角度，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。
44.根据本技术的一个实施例，如图4所示，光学系统100还包括：吸光装置50，吸光装置50设于波导30的第二端的侧面，第二端的侧面与目标出射面相邻，吸光装置的吸光面朝向反射面，吸光装置50用于吸收从反射面射出的余光，余光与反射面形成的夹角超出预设角度。
45.例如，以图2中的c点发出的a光线和b光线为例进行说明。
46.其中，可以认为a光线与光轴重合，b光线为距离光轴较远的光线，光源10发出的a光线和b光线可以经过准直单元20准直后传输至波导30内，a光线和b光线经过第一导光部31的导入后，两束光线平行在波导30里全反射传输。当a光线和b光线到达反射单元40时，能够在反射面上形成的光点，其中a光线投射在反射面上形成的光点为d点，b光线投射在反射面上形成的光点为e点，但因为a光线和b光线全反射次数不同，与反射面形成的夹角的度数就会出现不同，并且b光线与反射面形成的夹角并不会落入预设角度的范围内，从而导致被反射单元40反射后不再平行。此处可以将b光线理解为余光，也就是说，余光与反射面形成的夹角超出了预设角度，无法返回波导。
47.但是，在实际模拟中发现，b光线的在总体的光线中占比很小，而且会在反射单元40附近反射出波导30，不会导入到人眼。虽然大多数光还是被反射回波导30，b光线的占比不多，而且导出了波导30，此时通过利用吸光装置50的吸光性能，就可以将余光吸收掉。
48.也就是说，可以在波导30的第二端的侧面设置吸光装置50，将余光吸收掉，从而可以避免光线干扰，影响光学系统100的正常使用。需要说明的是，波导30第二端的侧面与目标出射面相邻，吸光装置50的吸光面能够朝向反射面进行设置。如图4所示，虚线处可以理解为余光光线原本的走向，因此余光从波导30的射出面可以理解为波导30第二端的侧面。而吸光装置50的吸光面可以理解为与余光从波导30的射出面相对的面。
49.可选地，吸光装置50包括但不限于粗糙的黑色壳体。
50.根据本技术的一些可选实施例，如图4所示，吸光装置50的吸光面与波导30的第二端的侧面间隔开形成间隙。吸光装置50在吸收从波导30射出的余光时，如果吸光装置50紧贴波导30的第二端的侧面，会导致余光被吸光装置50反射回波导30。
51.换句话说，吸光面与波导30的第二端的侧面之间并非完全紧密贴合，而是使吸光装置50的吸光面与波导30的第二端的侧面间隔开形成间隙，不仅可以将余光更完全的吸收，避免余光泄露干扰人眼，而且还能够避免余光被反射回波导30，导致最终呈像畸变。
52.根据本技术的一个实施例，如图4所示，吸光面与波导30的第二端的侧面平行设置。由于余光从波导30射出时，无法保证与波导30的第一侧表面完全垂直射出，如果吸光面与波导30的第二端的侧面之间的夹角和余光与波导30的第二端的侧面形成的夹角相同，也就是说，如果吸光面与波导30的第二端的侧面平行，甚至与射出的余光平行时，余光则无法被吸光面吸收。例如，吸光装置50可以位于波导30的上方，并且靠近反射单元40的位置。吸光面与余光射出的位置相对。
53.也就是说，通过将吸光面与波导30的第二端的侧面平行设置，不仅能够充分利用吸光面，而且能够避免吸光面相对波导30倾斜而使余光无法照射到吸光面上。
54.根据本技术的一些可选实施例，吸光装置50为不透光片体。通过将吸光装置50设置为片体结构，不仅占用空间小，而且便于生产加工。此外，通过将吸光装置50设置为不透光的材质，可以将余光吸收的更充分，避免余光透出。
55.根据本技术的一个实施例，波导30沿第一方向延伸，反射单元40为柱面反射镜，柱面反射镜的轴线延伸方向相对于第一方向倾斜设置。
56.为了便于描述，可以将第一方向定义为左右方向。
57.也就是说，如图2所示，波导30能够沿左右方向延伸。此外，当反射单元40为柱面反射镜时，柱面反射镜具有轴线，其中轴线可以为与反射面平行的直线，轴线的延伸方向可以与波导的延伸方向相对倾斜设置。通过将柱面反射镜的轴线延伸方向相对于第一方向倾斜设置，可以确保反射单元40的反射面与目标出射面33之间形成夹角，并且能够保证夹角小于90
°
，从而能够实现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。
58.此外，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。例如，反射单元40的反射面可以为凹面，并且凹面的切面能够经过光线投射在反射单元40上的点。
59.可选地，反射单元40与波导30为一体成型结构。例如，可以将波导30的一端设置为弧形面，并且镀上一层反射膜，使得光线沿着波导30延伸的方向传输时，光线能够到达波导30的端面进行反射，并且反射回第二导光部32。
60.根据本技术的一些可选实施例，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。也就是说，当光轴处射出的光线到达反射面时，入射到反射面的光线与反射面之间的夹角范围为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。
61.根据本技术的一个实施例，光线从反射面射出后与反射面垂直。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，再由反射面射向第二导光部32，由第二导光部3232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，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。
62.根据本技术的一些可选实施例，如图2所示，光学系统100还包括：柱面镜60，柱面镜60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60传输至波导30中。
63.换句换说，柱面镜60位于准直单元20和波导30之间，并且柱面镜60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60，经过柱面镜60的光线能够发散或聚拢。柱面镜60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。通过采用柱面镜60组合，实现光线在屏幕平面内原角度返回，减小投影光机的尺寸。并且，由于反射部分结构没有突变的棱角，比较平滑，能够防止图像产生纹络。
64.总而言之，根据本技术实施例的光学系统100，通过将反射单元40倾斜设置，并且使经过光轴的光线与反射面之间的夹角在预设角度的范围内，同时配合第一导光部31和第二导光部32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。
65.根据本技术实施例的可穿戴设备，包括根据上述实施例的光学系统100，由于根据本技术上述实施例的光学系统100具有上述技术效果，因此，根据本技术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，提高人眼观看体验效果。
66.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，人眼即可观看到光源10发出的虚像。
67.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。
68.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。
69.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。