本發(fā)明一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置及其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方法涉及的是光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示。

技術(shù)背景

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（augmentedreality,ar）是將真實(shí)世界與虛擬顯示結(jié)合起來的技術(shù)，可將虛擬信息疊加在真實(shí)世界，在各行各業(yè)有廣泛的應(yīng)用。目視光學(xué)儀器是和人眼配合使用進(jìn)而擴(kuò)大人眼視覺能力的光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、微光夜視儀等，目前已有的該類產(chǎn)品僅具備單一擴(kuò)大人眼視覺能力的功能，基本不具備在人眼通過目視光學(xué)儀器觀察時(shí)將與被觀察對象相關(guān)而人眼無法準(zhǔn)確獲得的信息（如距離、具體方位等）顯示在人眼前的功能——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能；目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品基本是已眼鏡的形式用于人直接佩戴，或類似汽車、飛機(jī)的抬頭顯示器（hud），無法使虛擬信息與目視光學(xué)儀器觀察的對象精確疊加進(jìn)而使之具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能。

雖然少數(shù)望遠(yuǎn)鏡、微光夜視儀等目視光學(xué)儀器中通過將微顯示屏幕成像在目鏡像面處，添加了顯示信息的功能，能夠在視場范圍中顯示距離等信息，但是這種功能是在設(shè)計(jì)、制造時(shí)集成到儀器內(nèi)的，其他目視光學(xué)儀器很難在制造完成后通過這種方式添加顯示信息的功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對上述不足之處提供一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置及其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方法，在不改變目視光學(xué)儀器主體結(jié)構(gòu)的情況下，通過在目視光學(xué)儀器上安裝本發(fā)明，使普通目視光學(xué)儀器具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，如使望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)顯示被觀察目標(biāo)的方位及俯仰角。本發(fā)明還具備通用性的優(yōu)點(diǎn)，可隨時(shí)拆卸，用于任何目視光學(xué)儀器上，拆卸后不會對目視光學(xué)儀器的性能造成影響。

一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置及其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方法是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置，包括：

對外接口，用于數(shù)據(jù)傳輸或充電；

電池模塊，用于為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置各模塊供電；

傳感器模塊，用于獲取目視光學(xué)儀器及其所觀察目標(biāo)的相關(guān)信息；

顯示圖像產(chǎn)生模塊，用于基于傳感器模塊所獲取的信息產(chǎn)生相應(yīng)的圖像信號，或者為了使觀察者通過目視光學(xué)儀器獲取更多目標(biāo)信息產(chǎn)生用于輔助觀察的圖像或視頻信號；

微顯示器，用于接收圖像產(chǎn)生模塊所產(chǎn)生的圖像信號，并顯示相應(yīng)的圖像；

光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊，用于將微顯示器的圖像準(zhǔn)直放大成位于無限遠(yuǎn)處的虛像；

光結(jié)合器，用于將微顯示器準(zhǔn)直放大后的虛像導(dǎo)入人眼；

殼體，用于安裝固定各模塊。

對外接口、電池模塊、傳感器模塊、顯示圖像產(chǎn)生模塊、微顯示器、光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊安裝在殼體內(nèi)，通過螺釘、卡扣等固定裝置固定在殼體內(nèi)壁，并通過線纜相互連接；光結(jié)合器一端固定在殼體內(nèi)，其余部分露出在殼體外部。

其中對外接口、電池模塊、傳感器模塊、顯示圖像產(chǎn)生模塊、微顯示器相對位置無特殊要求；微顯示器與光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊相對位置精確放置，使微顯示器位于光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊的最佳成像位置；光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊與光結(jié)合器成一定角度、距離，使光線滿足耦合進(jìn)入光結(jié)合器及在其內(nèi)傳輸?shù)臈l件。

本發(fā)明所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的總體結(jié)構(gòu)布局，應(yīng)使位于光結(jié)合器出射光線一側(cè)的零部件盡量少，以免殼體向光線出射一側(cè)突出過多，在人使用時(shí)碰到人體進(jìn)而影響觀察。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，所述對外接口采用hdmi視頻輸入接口和miniusb接口或其他數(shù)據(jù)接口，與電池模塊、顯示圖像產(chǎn)生模塊相互兼容即可。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，所述電池模塊采用普通充電電池或一次性電池，輸出電壓、電流滿足各模塊需求即可。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，所述傳感器模塊包括九軸傳感器、電子羅盤、溫度傳感器等，也可依特定的需求采用測量其他參數(shù)的傳感器；依據(jù)具體實(shí)施時(shí)對精度、功耗、體積等參數(shù)的要求選擇。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，所述顯示圖像產(chǎn)生模塊用于實(shí)時(shí)采集傳感器或外界接收的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理輸出相應(yīng)的圖像、視頻信號或獨(dú)立計(jì)算產(chǎn)生圖像、視頻信號供微顯示器顯示。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，所述微顯示器采用市售的lcos（硅基液晶）微顯示器、oled(有機(jī)發(fā)光二極管）微顯示器、lcd（液晶）微顯示器、led（發(fā)光二極管）微顯示器，或未來開發(fā)的新型微顯示器。

光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊為目鏡，將微顯示器顯示的圖像放大成像為無限遠(yuǎn)處的虛像，可采用冉登思目鏡、惠更斯目鏡、凱涅爾目鏡、對稱式目鏡等結(jié)構(gòu)形式的目鏡，但不限于這些結(jié)構(gòu)的目鏡；對目鏡的具體要求如焦距、口徑、鏡片數(shù)量、鏡片材料、各面曲率等可依據(jù)具體實(shí)施時(shí)對成像質(zhì)量、視場的要求采用常規(guī)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)方法及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)確定，具體實(shí)施方式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，在此不對其進(jìn)行贅述，也不對其具體實(shí)現(xiàn)方式做出任何限制。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，光結(jié)合器是一種有一定透過率、無光焦度的光學(xué)鏡片，用于將虛擬圖像與真實(shí)圖像疊加顯示在人眼進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；波導(dǎo)鏡片式、棱鏡式等平板形狀的光結(jié)合器均能使用。光結(jié)合器在光路中可等效為一個(gè)玻璃平板，即可透過目視光學(xué)儀器所成像的光線，也可將虛擬圖像的光線傳輸至人眼，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，光結(jié)合器應(yīng)具備足夠大尺寸，以避免目視光學(xué)儀器出射的光線從光結(jié)合器側(cè)面經(jīng)過進(jìn)而偏離正常前進(jìn)方向引起圖像失真。

所述的用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置中，光結(jié)合器的eyebox包含目視光學(xué)儀器眼點(diǎn)的情況下，使光結(jié)合器位于目鏡和眼點(diǎn)位置之間并盡量靠近目鏡鏡片。

一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方法，包括：

1、在不改變目視光學(xué)儀器主體結(jié)構(gòu)的情況下，為了使傳感器模塊（如溫度傳感器、電子羅盤等）能夠獲取目視光學(xué)儀器、目視光學(xué)儀器周圍環(huán)境及其所觀察目標(biāo)的相關(guān)信息，將用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置安裝在目視光學(xué)儀器上，在滿足光接合器出射光線朝向人眼、eyebox包含目視光學(xué)儀器眼點(diǎn)的情況下，使光結(jié)合器位于目鏡和眼點(diǎn)位置之間并盡量靠近目鏡鏡片；

2、安裝完成后傳感器模塊與目視光學(xué)儀器所處環(huán)境相同，并隨目視光學(xué)儀器運(yùn)動，可以實(shí)時(shí)探測周圍環(huán)境、目視光學(xué)儀器及其所觀察目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)（如方位角、俯仰角、溫度等數(shù)據(jù)），并將探測的數(shù)據(jù)傳輸至顯示圖像產(chǎn)生模塊；

3、顯示圖像產(chǎn)生模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的圖像或視頻信號并傳輸至微顯示器；或者為了使觀察者通過目視光學(xué)儀器獲取更多目標(biāo)信息產(chǎn)生用于輔助觀察的圖像或視頻信號（例如為沒有安裝分劃板的目視光學(xué)儀器，顯示一個(gè)分劃圖像用于評估被觀察對象的距離、尺寸）；

4、微顯示器將圖像或視頻顯示出來，并通過光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊放大成虛像；

5、虛像的光線耦合進(jìn)入到光結(jié)合器中，光結(jié)合器將光學(xué)輸出并進(jìn)入人眼，與目視光學(xué)儀器提供的圖像疊加從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置及其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方法設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，在不改變目視光學(xué)儀器主體結(jié)構(gòu)的情況下，通過在目視光學(xué)儀器上安裝本發(fā)明，使普通目視光學(xué)儀器具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能，如使望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)顯示被觀察目標(biāo)的方位及俯仰角。并且該裝置可隨時(shí)拆卸，用于任何目視光學(xué)儀器上。還可根據(jù)不同的應(yīng)用范圍預(yù)留數(shù)據(jù)接口，用于與其他儀器連接并顯示相關(guān)探測數(shù)據(jù)，如外接激光測距儀，并顯示距離信息。

本發(fā)明安裝在目視光學(xué)儀器上后，通過傳感器模塊探測相關(guān)數(shù)據(jù)，圖像產(chǎn)生模塊根據(jù)測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)圖像信號然后在為微顯示器顯示，準(zhǔn)直放大成位于無限遠(yuǎn)處虛像后通過光結(jié)合器在不遮擋目視光學(xué)儀器所成像光線的情況下將虛像的光線傳輸至人眼，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

附圖說明

附圖構(gòu)成本說明書的一部分，用于為進(jìn)一步理解本發(fā)明提供幫助，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的示意圖。

圖2是一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方法的框圖示意圖。

圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。

一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置如附圖1所示，由對外接口1、電池模塊2、傳感器模塊3、顯示圖像產(chǎn)生模塊4、微顯示器5、光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊6、光結(jié)合器7、殼體8等部分組成。

對外接口1、電池模塊2、傳感器模塊3、顯示圖像產(chǎn)生模塊4、微顯示器5、光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊6安裝在殼體8內(nèi)，通過螺釘、卡扣等固定裝置固定在殼體8內(nèi)壁，并通過線纜相互連接；波導(dǎo)鏡片7一端固定在殼體8內(nèi)，其余部分露出在殼體8外部。

其中對外接口1、電池模塊2、傳感器模塊3、顯示圖像產(chǎn)生模塊4、微顯示器5相對位置無特殊要求；微顯示器5與光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊6相對位置精確放置，使微顯示器5位于光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊6的最佳成像位置；光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊6與光結(jié)合器7成一定角度、距離，使光線滿足耦合進(jìn)入波導(dǎo)鏡片7及在其內(nèi)傳輸?shù)臈l件。

所述對外接口1可采用hdmi視頻輸入接口和miniusb接口或其他數(shù)據(jù)接口，與電池模塊2、顯示圖像產(chǎn)生模塊4相互兼容即可，在此不對其具體實(shí)現(xiàn)方式做出任何限制。

所述電池模塊2可采用市售的普通充電電池或一次性電池，輸出電壓、電流滿足各模塊需求即可，在此不對其具體實(shí)現(xiàn)方式做出任何限制。

所述傳感器模塊3可包含九軸傳感器、電子羅盤、溫度傳感器等，也可依特定的需求采用測量其他參數(shù)的傳感器；各種傳感器市售有多種型號，可依據(jù)具體實(shí)施時(shí)對精度、功耗、體積等參數(shù)的要求選擇，在此不對其具體實(shí)現(xiàn)方式做出任何限制。

所述顯示圖像產(chǎn)生模塊4用于實(shí)時(shí)采集傳感器或外界接收的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理輸出相應(yīng)的圖像、視頻信號或獨(dú)立計(jì)算產(chǎn)生圖像、視頻信號供微顯示器5顯示；該技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的技術(shù)，可采用任何現(xiàn)有的或未來開發(fā)的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)該功能即可，在此不對其具體實(shí)現(xiàn)方式做出任何限制。

所述微顯示器5可采用市售的lcos（硅基液晶）微顯示器、oled(有機(jī)發(fā)光二極管）微顯示器、lcd（液晶）微顯示器、led（發(fā)光二極管）微顯示器，或未來開發(fā)的新型微顯示器，在此不對其具體實(shí)現(xiàn)方式做出任何限制。

光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊6為目鏡，將微顯示器5顯示的圖像放大成像為無限遠(yuǎn)處的虛像，具體的要求如焦距、口徑、鏡片數(shù)量等可依據(jù)具體實(shí)施時(shí)對成像質(zhì)量、視場的要求確定；可采用常規(guī)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)方法及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體實(shí)施方式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，在此不對其進(jìn)行贅述，也不對其具體實(shí)現(xiàn)方式做出任何限制。

光結(jié)合器7屬于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，是一種有一定透過率、無光焦度的光學(xué)鏡片，用于將虛擬圖像與真實(shí)圖像疊加顯示在人眼進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；波導(dǎo)鏡片式、棱鏡式等平板形狀的光結(jié)合器均可使用，光結(jié)合器7等效為一個(gè)玻璃平板，即可透過目視光學(xué)儀器所成像的光線，也可將虛擬圖像的光線傳輸至人眼，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果；具體實(shí)施時(shí)，光結(jié)合器7應(yīng)具備足夠大尺寸尺寸，以避免目視光學(xué)儀器出射的光線從光結(jié)合器7側(cè)面經(jīng)過進(jìn)而偏離正常前進(jìn)方向引起圖像失真；具體實(shí)施時(shí)在光結(jié)合器的eyebox包含目視光學(xué)儀器眼點(diǎn)的情況下，使光結(jié)合器位于目鏡和眼點(diǎn)位置之間并盡量靠近目鏡鏡片。

如圖2所示，一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方法如下：

1.在不改變目視光學(xué)儀器主體結(jié)構(gòu)的情況下，為了使傳感器模塊3（如溫度傳感器、電子羅盤等）能夠獲取周圍環(huán)境、目視光學(xué)儀器及其所觀察目標(biāo)的相關(guān)信息，將用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置安裝在目視光學(xué)儀器上，在滿足光結(jié)合器出射光線朝向人眼、eyebox包含目視光學(xué)儀器眼點(diǎn)的情況下，使光結(jié)合器7位于目鏡和眼點(diǎn)位置之間并盡量靠近目鏡鏡片；

2.安裝完成后傳感器模塊3與目視光學(xué)儀器所處環(huán)境相同，并隨目視光學(xué)儀器運(yùn)動，可以實(shí)時(shí)探測周圍環(huán)境、目視光學(xué)儀器及其所觀察目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)（如方位角、俯仰角、溫度等數(shù)據(jù)），并將探測的數(shù)據(jù)傳輸至顯示圖像產(chǎn)生模塊；

3.顯示圖像產(chǎn)生模塊4根據(jù)接收的數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的圖像或視頻信號并傳輸至微顯示器；或者為了使觀察者通過目視光學(xué)儀器獲取更多目標(biāo)信息產(chǎn)生用于輔助觀察的圖像或視頻信號（例如為沒有安裝分劃板的目視光學(xué)儀器，顯示一個(gè)分劃圖像用于評估被觀察對象的距離、尺寸）；

4.微顯示器5將圖像或視頻顯示出來，并通過光學(xué)準(zhǔn)直放大模塊6放大成虛像；

5.虛像的光線耦合進(jìn)入到光結(jié)合器中，光結(jié)合器將光學(xué)輸出并進(jìn)入人眼，與目視光學(xué)儀器提供的圖像疊加從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

將結(jié)合圖3所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例說明一種用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的增強(qiáng)現(xiàn)

實(shí)方法：

圖3圖示了本發(fā)明用于伽利略望遠(yuǎn)鏡的實(shí)施例；在該實(shí)施例中，用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的傳感器模塊3集成了電子羅盤，用于探測伽利略望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)所指向的方位角，即所觀察目標(biāo)的方位角；在該實(shí)施例中，用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的光結(jié)合器7采用了分光膜的棱鏡式光結(jié)合器；伽利略望遠(yuǎn)鏡由于其本身成像原理的限制，無法安裝分劃板，該實(shí)施例中用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置將在顯示方位角的同時(shí)顯示一個(gè)分劃板。

在圖3所示的實(shí)施例中，首先將用于目視光學(xué)儀器的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置固定在伽利略望遠(yuǎn)鏡目鏡上，在滿足光接合器出射光線朝向人眼、eyebox包含目視光學(xué)儀器眼點(diǎn)的情況下，使光結(jié)合器位于目鏡和眼點(diǎn)位置之間并盡量靠近目鏡鏡片；安裝完成后，傳感器模塊3集成的電子羅盤可隨伽利略望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)運(yùn)動，并實(shí)時(shí)探測伽利略望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)指向的方位角，即所觀察目標(biāo)的方位角；傳感器模塊3集成的電子羅盤將探測的伽利略望遠(yuǎn)鏡觀察目標(biāo)的方位角數(shù)據(jù)傳輸至顯示圖像產(chǎn)生模塊4，顯示圖像產(chǎn)生模塊4生成相應(yīng)的圖像信號并傳輸至微顯示器5；微顯示器5將根據(jù)圖像信號將圖像顯示出來，在本實(shí)施例中以315°nw為例（圖3中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置產(chǎn)生的圖像右下角和人眼所看到圖像右下角）。在本實(shí)施例中，為了輔助伽利略望遠(yuǎn)鏡的觀察，使之具備測量典型被觀察目標(biāo)距離的能力（本實(shí)施例中以身高175cm的人為典型被觀察目標(biāo)），顯示圖像產(chǎn)生模塊結(jié)合伽利略望遠(yuǎn)鏡的放大率生成了一個(gè)測距分劃，用于測量典型被觀察目標(biāo)的距離；如人眼看的圖像所顯示，一個(gè)被觀察的人所成的像卡在水平分劃線和200m距離分劃線之間，因此距離約為200m。

以上所述本發(fā)明進(jìn)行了詳盡描述，并結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了說明，所涉及的實(shí)施例只是為了對理解本發(fā)明及其核心方法、思想提供幫助；對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的原理、方法及思想，在具體實(shí)施方式及其應(yīng)用范圍上均可能有所改變，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。