一种用于目视光学仪器的增强现实装置及其增强现实方法与流程

本发明一种用于目视光学仪器的增强现实装置及其增强现实方法涉及的是光学领域，具体涉及增强现实显示。

技术背景

增强现实技术（augmentedreality,ar）是将真实世界与虚拟显示结合起来的技术，可将虚拟信息叠加在真实世界，在各行各业有广泛的应用。目视光学仪器是和人眼配合使用进而扩大人眼视觉能力的光学仪器，如望远镜、显微镜、微光夜视仪等，目前已有的该类产品仅具备单一扩大人眼视觉能力的功能，基本不具备在人眼通过目视光学仪器观察时将与被观察对象相关而人眼无法准确获得的信息（如距离、具体方位等）显示在人眼前的功能——增强现实功能；目前的增强现实产品基本是已眼镜的形式用于人直接佩戴，或类似汽车、飞机的抬头显示器（hud），无法使虚拟信息与目视光学仪器观察的对象精确叠加进而使之具备增强现实功能。

虽然少数望远镜、微光夜视仪等目视光学仪器中通过将微显示屏幕成像在目镜像面处，添加了显示信息的功能，能够在视场范围中显示距离等信息，但是这种功能是在设计、制造时集成到仪器内的，其他目视光学仪器很难在制造完成后通过这种方式添加显示信息的功能。

技术实现要素：

本发明目的是针对上述不足之处提供一种用于目视光学仪器的增强现实装置及其增强现实方法，在不改变目视光学仪器主体结构的情况下，通过在目视光学仪器上安装本发明，使普通目视光学仪器具备增强现实功能，如使望远镜实时显示被观察目标的方位及俯仰角。本发明还具备通用性的优点，可随时拆卸，用于任何目视光学仪器上，拆卸后不会对目视光学仪器的性能造成影响。

一种用于目视光学仪器的增强现实装置及其增强现实方法是采取以下技术方案实现：

一种用于目视光学仪器的增强现实装置，包括：

对外接口，用于数据传输或充电；

电池模块，用于为增强现实装置各模块供电；

传感器模块，用于获取目视光学仪器及其所观察目标的相关信息；

显示图像产生模块，用于基于传感器模块所获取的信息产生相应的图像信号，或者为了使观察者通过目视光学仪器获取更多目标信息产生用于辅助观察的图像或视频信号；

微显示器，用于接收图像产生模块所产生的图像信号，并显示相应的图像；

光学准直放大模块，用于将微显示器的图像准直放大成位于无限远处的虚像；

光结合器，用于将微显示器准直放大后的虚像导入人眼；

壳体，用于安装固定各模块。

对外接口、电池模块、传感器模块、显示图像产生模块、微显示器、光学准直放大模块安装在壳体内，通过螺钉、卡扣等固定装置固定在壳体内壁，并通过线缆相互连接；光结合器一端固定在壳体内，其余部分露出在壳体外部。

其中对外接口、电池模块、传感器模块、显示图像产生模块、微显示器相对位置无特殊要求；微显示器与光学准直放大模块相对位置精确放置，使微显示器位于光学准直放大模块的最佳成像位置；光学准直放大模块与光结合器成一定角度、距离，使光线满足耦合进入光结合器及在其内传输的条件。

本发明所述的用于目视光学仪器的增强现实装置的总体结构布局，应使位于光结合器出射光线一侧的零部件尽量少，以免壳体向光线出射一侧突出过多，在人使用时碰到人体进而影响观察。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，所述对外接口采用hdmi视频输入接口和miniusb接口或其他数据接口，与电池模块、显示图像产生模块相互兼容即可。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，所述电池模块采用普通充电电池或一次性电池，输出电压、电流满足各模块需求即可。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，所述传感器模块包括九轴传感器、电子罗盘、温度传感器等，也可依特定的需求采用测量其他参数的传感器；依据具体实施时对精度、功耗、体积等参数的要求选择。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，所述显示图像产生模块用于实时采集传感器或外界接收的数据，并进行处理输出相应的图像、视频信号或独立计算产生图像、视频信号供微显示器显示。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，所述微显示器采用市售的lcos（硅基液晶）微显示器、oled(有机发光二极管）微显示器、lcd（液晶）微显示器、led（发光二极管）微显示器，或未来开发的新型微显示器。

光学准直放大模块为目镜，将微显示器显示的图像放大成像为无限远处的虚像，可采用冉登思目镜、惠更斯目镜、凯涅尔目镜、对称式目镜等结构形式的目镜，但不限于这些结构的目镜；对目镜的具体要求如焦距、口径、镜片数量、镜片材料、各面曲率等可依据具体实施时对成像质量、视场的要求采用常规设计光学设计方法及软件进行设计确定，具体实施方式对于本领域技术人员是公知的，在此不对其进行赘述，也不对其具体实现方式做出任何限制。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，光结合器是一种有一定透过率、无光焦度的光学镜片，用于将虚拟图像与真实图像叠加显示在人眼进而实现增强现实；波导镜片式、棱镜式等平板形状的光结合器均能使用。光结合器在光路中可等效为一个玻璃平板，即可透过目视光学仪器所成像的光线，也可将虚拟图像的光线传输至人眼，从而实现增强现实的效果。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，光结合器应具备足够大尺寸，以避免目视光学仪器出射的光线从光结合器侧面经过进而偏离正常前进方向引起图像失真。

所述的用于目视光学仪器的增强现实装置中，光结合器的eyebox包含目视光学仪器眼点的情况下，使光结合器位于目镜和眼点位置之间并尽量靠近目镜镜片。

一种用于目视光学仪器的增强现实装置的增强现实的方法，包括：

1、在不改变目视光学仪器主体结构的情况下，为了使传感器模块（如温度传感器、电子罗盘等）能够获取目视光学仪器、目视光学仪器周围环境及其所观察目标的相关信息，将用于目视光学仪器的增强现实装置安装在目视光学仪器上，在满足光接合器出射光线朝向人眼、eyebox包含目视光学仪器眼点的情况下，使光结合器位于目镜和眼点位置之间并尽量靠近目镜镜片；

2、安装完成后传感器模块与目视光学仪器所处环境相同，并随目视光学仪器运动，可以实时探测周围环境、目视光学仪器及其所观察目标的相关数据（如方位角、俯仰角、温度等数据），并将探测的数据传输至显示图像产生模块；

3、显示图像产生模块根据接收的数据产生相应的图像或视频信号并传输至微显示器；或者为了使观察者通过目视光学仪器获取更多目标信息产生用于辅助观察的图像或视频信号（例如为没有安装分划板的目视光学仪器，显示一个分划图像用于评估被观察对象的距离、尺寸）；

4、微显示器将图像或视频显示出来，并通过光学准直放大模块放大成虚像；

5、虚像的光线耦合进入到光结合器中，光结合器将光学输出并进入人眼，与目视光学仪器提供的图像叠加从而实现增强现实。

一种用于目视光学仪器的增强现实装置及其增强现实方法设计合理，结构紧凑，在不改变目视光学仪器主体结构的情况下，通过在目视光学仪器上安装本发明，使普通目视光学仪器具备增强现实功能，如使望远镜实时显示被观察目标的方位及俯仰角。并且该装置可随时拆卸，用于任何目视光学仪器上。还可根据不同的应用范围预留数据接口，用于与其他仪器连接并显示相关探测数据，如外接激光测距仪，并显示距离信息。

本发明安装在目视光学仪器上后，通过传感器模块探测相关数据，图像产生模块根据测量数据产生相应图像信号然后在为微显示器显示，准直放大成位于无限远处虚像后通过光结合器在不遮挡目视光学仪器所成像光线的情况下将虚像的光线传输至人眼，从而实现增强现实。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于为进一步理解本发明提供帮助，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一种用于目视光学仪器的增强现实装置的示意图。

图2是一种用于目视光学仪器的增强现实装置的增强现实的方法的框图示意图。

图3是本发明的一个实施例。

具体实施方式

将结合附图和具体实施例详细描述本发明。

一种用于目视光学仪器的增强现实装置如附图1所示，由对外接口1、电池模块2、传感器模块3、显示图像产生模块4、微显示器5、光学准直放大模块6、光结合器7、壳体8等部分组成。

对外接口1、电池模块2、传感器模块3、显示图像产生模块4、微显示器5、光学准直放大模块6安装在壳体8内，通过螺钉、卡扣等固定装置固定在壳体8内壁，并通过线缆相互连接；波导镜片7一端固定在壳体8内，其余部分露出在壳体8外部。

其中对外接口1、电池模块2、传感器模块3、显示图像产生模块4、微显示器5相对位置无特殊要求；微显示器5与光学准直放大模块6相对位置精确放置，使微显示器5位于光学准直放大模块6的最佳成像位置；光学准直放大模块6与光结合器7成一定角度、距离，使光线满足耦合进入波导镜片7及在其内传输的条件。

所述对外接口1可采用hdmi视频输入接口和miniusb接口或其他数据接口，与电池模块2、显示图像产生模块4相互兼容即可，在此不对其具体实现方式做出任何限制。

所述电池模块2可采用市售的普通充电电池或一次性电池，输出电压、电流满足各模块需求即可，在此不对其具体实现方式做出任何限制。

所述传感器模块3可包含九轴传感器、电子罗盘、温度传感器等，也可依特定的需求采用测量其他参数的传感器；各种传感器市售有多种型号，可依据具体实施时对精度、功耗、体积等参数的要求选择，在此不对其具体实现方式做出任何限制。

所述显示图像产生模块4用于实时采集传感器或外界接收的数据，并进行处理输出相应的图像、视频信号或独立计算产生图像、视频信号供微显示器5显示；该技术是一种应用广泛的技术，可采用任何现有的或未来开发的技术，能够实现该功能即可，在此不对其具体实现方式做出任何限制。

所述微显示器5可采用市售的lcos（硅基液晶）微显示器、oled(有机发光二极管）微显示器、lcd（液晶）微显示器、led（发光二极管）微显示器，或未来开发的新型微显示器，在此不对其具体实现方式做出任何限制。

光学准直放大模块6为目镜，将微显示器5显示的图像放大成像为无限远处的虚像，具体的要求如焦距、口径、镜片数量等可依据具体实施时对成像质量、视场的要求确定；可采用常规设计光学设计方法及软件进行设计，具体实施方式对于本领域技术人员是公知的，在此不对其进行赘述，也不对其具体实现方式做出任何限制。

光结合器7属于增强现实领域，是一种有一定透过率、无光焦度的光学镜片，用于将虚拟图像与真实图像叠加显示在人眼进而实现增强现实；波导镜片式、棱镜式等平板形状的光结合器均可使用，光结合器7等效为一个玻璃平板，即可透过目视光学仪器所成像的光线，也可将虚拟图像的光线传输至人眼，从而实现增强现实的效果；具体实施时，光结合器7应具备足够大尺寸尺寸，以避免目视光学仪器出射的光线从光结合器7侧面经过进而偏离正常前进方向引起图像失真；具体实施时在光结合器的eyebox包含目视光学仪器眼点的情况下，使光结合器位于目镜和眼点位置之间并尽量靠近目镜镜片。

如图2所示，一种用于目视光学仪器的增强现实装置的增强现实方法如下：

1.在不改变目视光学仪器主体结构的情况下，为了使传感器模块3（如温度传感器、电子罗盘等）能够获取周围环境、目视光学仪器及其所观察目标的相关信息，将用于目视光学仪器的增强现实装置安装在目视光学仪器上，在满足光结合器出射光线朝向人眼、eyebox包含目视光学仪器眼点的情况下，使光结合器7位于目镜和眼点位置之间并尽量靠近目镜镜片；

2.安装完成后传感器模块3与目视光学仪器所处环境相同，并随目视光学仪器运动，可以实时探测周围环境、目视光学仪器及其所观察目标的相关数据（如方位角、俯仰角、温度等数据），并将探测的数据传输至显示图像产生模块；

3.显示图像产生模块4根据接收的数据产生相应的图像或视频信号并传输至微显示器；或者为了使观察者通过目视光学仪器获取更多目标信息产生用于辅助观察的图像或视频信号（例如为没有安装分划板的目视光学仪器，显示一个分划图像用于评估被观察对象的距离、尺寸）；

4.微显示器5将图像或视频显示出来，并通过光学准直放大模块6放大成虚像；

5.虚像的光线耦合进入到光结合器中，光结合器将光学输出并进入人眼，与目视光学仪器提供的图像叠加从而实现增强现实。

将结合图3所示的本发明的一个实施例说明一种用于目视光学仪器的增强现实装置的增强现

实方法：

图3图示了本发明用于伽利略望远镜的实施例；在该实施例中，用于目视光学仪器的增强现实装置的传感器模块3集成了电子罗盘，用于探测伽利略望远镜观察时所指向的方位角，即所观察目标的方位角；在该实施例中，用于目视光学仪器的增强现实装置的光结合器7采用了分光膜的棱镜式光结合器；伽利略望远镜由于其本身成像原理的限制，无法安装分划板，该实施例中用于目视光学仪器的增强现实装置将在显示方位角的同时显示一个分划板。

在图3所示的实施例中，首先将用于目视光学仪器的增强现实装置固定在伽利略望远镜目镜上，在满足光接合器出射光线朝向人眼、eyebox包含目视光学仪器眼点的情况下，使光结合器位于目镜和眼点位置之间并尽量靠近目镜镜片；安装完成后，传感器模块3集成的电子罗盘可随伽利略望远镜实时运动，并实时探测伽利略望远镜观察时指向的方位角，即所观察目标的方位角；传感器模块3集成的电子罗盘将探测的伽利略望远镜观察目标的方位角数据传输至显示图像产生模块4，显示图像产生模块4生成相应的图像信号并传输至微显示器5；微显示器5将根据图像信号将图像显示出来，在本实施例中以315°nw为例（图3中增强现实装置产生的图像右下角和人眼所看到图像右下角）。在本实施例中，为了辅助伽利略望远镜的观察，使之具备测量典型被观察目标距离的能力（本实施例中以身高175cm的人为典型被观察目标），显示图像产生模块结合伽利略望远镜的放大率生成了一个测距分划，用于测量典型被观察目标的距离；如人眼看的图像所显示，一个被观察的人所成的像卡在水平分划线和200m距离分划线之间，因此距离约为200m。

以上所述本发明进行了详尽描述，并结合实施例对本发明的原理及实施方式进行了说明，所涉及的实施例只是为了对理解本发明及其核心方法、思想提供帮助；对于本领域的一般技术人员，依据本发明的原理、方法及思想，在具体实施方式及其应用范围上均可能有所改变，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。