CN109471260A - 目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置包括一平面反射镜、一柱面菲涅尔透镜、一柱面反射镜以及一孔径光阑。所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的入射侧，并且所述平面反射镜的平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角为45°夹角，所述柱面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的出射侧，并且所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述柱面反射镜的弧面反射面的中心，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。
Description
技术领域
本发明涉及一头戴式显示设备，特别涉及一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法。
背景技术
近年来，VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术和AR(Augmented Reality，增强现实)技术得到了突飞猛进式的发展，其中VR技术和AR技术的相似之处在于两者通过头戴式显示装置在使用者的眼前直接显示影像，以给使用者提供比较好的视觉体验，这使得头戴式显示装置日益变得流行，其中头戴式显示装置允许使用者将其佩戴在头部，并且头戴式显示装置能够直接在使用者的眼前显示影像。头戴式显示装置由微型显示器和光学系统组成，其中微型显示器显示的影像能够在被光学系统处理后直接在使用者的眼前显示。通常情况下，按照成像方式的不同，头戴式显示装置的光学系统分为投影式光学系统和目镜式光学系统，其中投影式光学系统需要采用特殊材料的回射屏显示放大的实像，供使用者观察，然而，由于采用的具有特殊材料的回射屏的透过性比较差，这严重地限制了投影式光学系统在穿透性的头戴式显示装置中的应用。因此，现阶段目镜式光学系统仍然是头戴式显示装置中所采用的主流光学系统。
目镜式光学系统的原理是，头戴式显示装置的微型显示器在目镜式光学系统的焦距以内产生放大的虚像，并经过后续透镜组的折射或者反射后形成目镜式光学系统的出瞳，可以理解的是，目镜式光学系统的出瞳即为人眼出瞳。一般情况下，人眼双目的视场范围为200°(水平方向H)×120°(竖直方向V)，因此，为了满足使用者的视觉体验，目前的目镜式光学系统在被设计时采用水平方向和竖直方向的视场角比值为4：3或16：9，设计中常用视场为40°(水平方向H)×30°(竖直方向V)，或者80°(水平方向H)×45°(竖直方向V)。然而，由于目镜式光学系统一般采用圆对称结构，这使得微型显示器的图像长宽比必须与目镜式光学系统的水平视场和竖直视场的比值保持一致，否则的话会导致图像失真，这严重地显示了微型显示器在显示端的使用。另外，随着视场要求的不断增大，现有的目镜式光学系统对于畸变等轴外像差的校正越来越面临极大的挑战，特别是在离轴才能够实现的可透视AR技术中，离轴方向的可视角越大成像越受到限制。上述的这些原因导致现有的目镜式光学系统已经无法满足高成像质量与结构小型化和轻量化的需要。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置特别适于被应用于可透视头显技术。例如，所述目镜式成像光学装置特别适于被应用于AR显示技术。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置能够对一显示器显示的影像进行处理，以使所述显示器显示的影像能够被高品质地再现于使用者的眼前。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置使所述显示器的使用率不再受限于视场，从而提高了所述头戴式成像光学设备在被设计时的灵活性。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置能够更大程度地提高所述显示器的屏幕利用率，以使所述头戴式成像光学设备能够提供更佳的成像效果。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中现对于传统的目镜式光学系统来说，本发明的所述目镜式成像光学装置包含的光学元减少，从而有利于所述目镜式成像光学装置的小型化，以便于所述目镜式成像光学装置被集成到追求轻质化、小型化的所述头戴式成像光学设备中。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的目镜式光学系统来说，本发明的所述目镜式成像光学装置包含的光学元件少，从而使得所述目镜式成像光学装置的光能耗损低，进而可以有效地提高所述头戴式成像光学设备的光能利用率。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的目镜式光学系统来说，本发明的所述目镜式成像光学装置包含的光学元减少，从而有利于降低所述目镜式成像装置的制造成本。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置提供一柱面菲涅尔透镜，并且所述目镜式成像光学装置巧妙地利用了所述柱面菲涅尔透镜的折射和衍射两种光学性质，突破了现有的目镜式光学系统的局限性，增加了所述目镜式成像光学装置的光学设计自由度。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的目镜式光学系统的透镜组来说，本发明的所述柱面菲涅尔透镜的尺寸较小、厚度较薄，从而能够使所述目镜式成像光学装置的结构紧凑、体积小巧，有利于实现所述头戴式成像光学设备的小型化和轻质化。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置提供一柱面反射镜，以用于反射穿过所述柱面菲涅尔透镜的光线，其中所述柱面反射镜的使用不会引起色差，从而所述柱面反射镜的使用不会造成所述头戴式成像光学设备的影像失真，进而保证成像效果。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本发明的所述柱面反射镜的加工难度被降低，以有利于降低所述目镜式成像光学装置的制造成本。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本发明的所述柱面反射镜有利于实现高精度镀膜工艺，和提高所述头戴式成像光学设备的设计灵活度。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本发明的所述柱面反射镜可以被同时跨双目加工，以提高所述头戴式成像光学设备在被设计时的灵活性。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本发明的所述柱面反射镜有利于校正像差，以提高所述头戴式成像光学设备的成像品质。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面菲涅尔透镜能够对所述显示器产生的图像在水平方向进行放大。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面反射镜在改变光线的方向时对图像在竖直方向进行放大。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面反射镜在改变光线的方式时，能够对光线进行汇聚并对图像在竖直方向进行放大。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面菲涅尔透镜和所述柱面反射镜能够对所述显示器产生的图像分别在水平方向和竖直方向进行放大，从而在使用者的人眼瞳孔处形成具有一定比例的水平视场和竖直视场，以满足使用者的视觉体验。
本发明的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面菲涅尔透镜的焦距值和所述柱面反射镜的焦距值能够被单独地设计，以有利于实现对所述显示器的屏幕更大程度的利用，以提高所述显示器的屏幕利用率。
依本发明的一个方面，本发明提供一目镜式成像光学装置，其包括：
一孔径光阑；
一平面反射镜，其中所述平面反射镜具有一平面反射面；
一柱面反射镜，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射面；以及
一柱面菲涅尔透镜，其中所述柱面菲涅尔透镜具有一入射侧和对应于所述入射侧的一出射侧，其中所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述入射侧，并且所述平面反射镜的所述平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角是45°夹角，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角参数为β，所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角参数为γ，其中参数β和参数γ的取值范围均是35°～55°，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。
根据本发明的一个实施例，所述柱面菲涅尔透镜包括一基部和形成于所述基部的一工作部，其中所述工作部形成所述入射侧，并且所述工作部朝向所述平面反射镜的所述平面反射面，其中所述基部形成所述出射侧，并且所述基部朝向所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
根据本发明的一个实施例，所述工作部形成一组第一光学槽和一组第二光学槽，其中所述第一光学槽和所述第二光学槽相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴。
根据本发明的一个实施例，每个所述第一光学槽和每个所述第二光学槽分别沿着所述柱面菲涅尔透镜的宽度方向延伸。
根据本发明的一个实施例，所述工作部包括一组第一凸起、一组第二凸起以及一中心凸起，每个所述第一凸起、每个所述第二凸起和所述中心凸起分别形成于所述基部的同一侧，并且所述中心凸起形成于所述基部的中部，每个所述第一凸起和每个所述第二凸起分别形成于所述基部的两侧，并且所述第一凸起和所述第二凸起相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，其中在相邻所述第一凸起之间和在所述第一凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第一光学槽，和在相邻所述第二凸起之间和在所述第二凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第二光学槽。
根据本发明的一个实施例，所述中心凸起具有相互对称的一第一凸弧面和一第二凸弧面，其中每个所述第一凸起分别具有一第三凸弧面和一第一平面，一个所述第一凸起的所述第一平面对应于所述中心凸起的所述第一凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和所述中心凸起的所述第一凸弧面之间形成一个所述第一光学槽，任意一个所述第一凸起的所述第一平面对应于相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面之间形成另外的所述第一光学槽，其中每个所述第二凸起分别具有一第四凸弧面和一第二平面，一个所述第二凸起的所述第二平面对应于所述中心凸起的所述第二凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和所述中心凸起的所述第二凸弧面之间形成一个所述第二光学槽，任意一个所述第二凸起的所述第二平面对应于相邻所述第二凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和相邻所述第二凸起的所述第四凸弧面之间形成另外的所述第二光学槽。
根据本发明的一个实施例，每个所述第一凸起的所述第一平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，每个所述第二凸起的所述第二平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的所述中心轴。
根据本发明的一个实施例，任意一个所述第一凸起的所述第三凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第一凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，任意一个所述第二凸起的所述第四凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第二凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置。
根据本发明的一个实施例，每个所述第一凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大，每个所述第二凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大。
根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜的所述平面反射侧和所述柱面反射镜的所述弧面反射侧朝向所述目镜式成像光学装置的同一侧。
根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜具有一平面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述平面反射侧而形成所述平面反射镜的所述平面反射面。
根据本发明的一个实施例，所述柱面反射镜具有一弧面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述弧面反射侧而形成所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
根据本发明的一个实施例，所述柱面反射镜为高次柱面反射镜，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述弧面反射面的弯曲量，所述柱面反射镜的母线平行于ox轴，参数ry为所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的基准面曲率半径，参数c 是参数ry的倒数，即，c＝1/ry，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
根据本发明的一个实施例，所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面均是柱面，其面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的弯曲量，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的母线平行于oy轴，参数rx为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的基准面曲率半径，参数c 是参数rx的倒数，即，c＝1/rx，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数 a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
根据本发明的一个实施例，参数β和参数γ均是45°。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一头戴式成像光学设备，其包括：
一佩戴装置，其中所述佩戴装置具有一佩戴空间；
至少一显示器，其中每个所述显示器分别具有一显示屏幕；以及
至少一目镜式成像光学装置，其中每个所述显示器和每个所述目镜式成像光学装置分别被设置于所述佩戴装置，其中每个所述目镜式成像光学装置分别包括：
一孔径光阑；
一平面反射镜，其中所述平面反射镜具有一平面反射面；
一柱面反射镜，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射面；以及
一柱面菲涅尔透镜，其中所述柱面菲涅尔透镜具有一入射侧和对应于所述入射侧的一出射侧，其中所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述入射侧，并且所述平面反射镜的所述平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角是45°夹角，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角参数为β，所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角参数为γ，其中参数β和参数γ的取值范围均是35°～55°，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心，其中所述显示器的所述显示屏幕朝向所述平面反射镜的所述平面反射面，并且所述显示屏幕的延伸方向和所述平面反射面形成的夹角为45°夹角。
根据本发明的一个实施例，所述佩戴装置包括一安装主体和一佩戴主体，所述佩戴主体的两端分别被设置于所述安装主体的两个端部，从而在所述佩戴主体和所述安装主体之间形成所述佩戴空间，其中所述安装主体具有两个相互对称的观察空间，其中每个所述显示器和每个所述目镜式成像光学装置分别被设置于所述安装主体，并且每个所述孔径光阑分别对应于每个所述佩戴空间。
根据本发明的一个实施例，所述柱面菲涅尔透镜包括一基部和形成于所述基部的一工作部，其中所述工作部形成所述入射侧，并且所述工作部朝向所述平面反射镜的所述平面反射面，其中所述基部形成所述出射侧，并且所述基部朝向所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
根据本发明的一个实施例，所述工作部形成一组第一光学槽和一组第二光学槽，其中所述第一光学槽和所述第二光学槽相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴。
根据本发明的一个实施例，每个所述第一光学槽和每个所述第二光学槽分别沿着所述柱面菲涅尔透镜的宽度方向延伸。
根据本发明的一个实施例，所述工作部包括一组第一凸起、一组第二凸起以及一中心凸起，每个所述第一凸起、每个所述第二凸起和所述中心凸起分别形成于所述基部的同一侧，并且所述中心凸起形成于所述基部的中部，每个所述第一凸起和每个所述第二凸起分别形成于所述基部的两侧，并且所述第一凸起和所述第二凸起相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，其中在相邻所述第一凸起之间和在所述第一凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第一光学槽，和在相邻所述第二凸起之间和在所述第二凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第二光学槽。
根据本发明的一个实施例，所述中心凸起具有相互对称的一第一凸弧面和一第二凸弧面，其中每个所述第一凸起分别具有一第三凸弧面和一第一平面，一个所述第一凸起的所述第一平面对应于所述中心凸起的所述第一凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和所述中心凸起的所述第一凸弧面之间形成一个所述第一光学槽，任意一个所述第一凸起的所述第一平面对应于相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面之间形成另外的所述第一光学槽，其中每个所述第二凸起分别具有一第四凸弧面和一第二平面，一个所述第二凸起的所述第二平面对应于所述中心凸起的所述第二凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和所述中心凸起的所述第二凸弧面之间形成一个所述第二光学槽，任意一个所述第二凸起的所述第二平面对应于相邻所述第二凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和相邻所述第二凸起的所述第四凸弧面之间形成另外的所述第二光学槽。
根据本发明的一个实施例，每个所述第一凸起的所述第一平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，每个所述第二凸起的所述第二平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的所述中心轴。
根据本发明的一个实施例，任意一个所述第一凸起的所述第三凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第一凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，任意一个所述第二凸起的所述第四凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第二凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置。
根据本发明的一个实施例，每个所述第一凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大，每个所述第二凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大。
根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜的所述平面反射侧和所述柱面反射镜的所述弧面反射侧朝向所述目镜式成像光学装置的同一侧。
根据本发明的一个实施例，所述平面反射镜具有一平面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述平面反射侧而形成所述平面反射镜的所述平面反射面。
根据本发明的一个实施例，所述柱面反射镜具有一弧面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述弧面反射侧而形成所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
根据本发明的一个实施例，所述柱面反射镜为高次柱面反射镜，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述弧面反射面的弯曲量，所述柱面反射镜的母线平行于ox轴，参数ry为所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的基准面曲率半径，参数c 是参数ry的倒数，即，c＝1/ry，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
根据本发明的一个实施例，所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面均是柱面，其面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的弯曲量，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的母线平行于oy轴，参数rx为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的基准面曲率半径，参数c 是参数rx的倒数，即，c＝1/rx，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数 a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
根据本发明的一个实施例，参数β和参数γ均是45°。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一目镜式成像光学装置的制造方法，其中所述制造方法包括如下步骤：
(a)在一柱面菲涅尔透镜的一入射侧设置一平面反射镜，其中所述平面反射镜的一平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成夹角为45°夹角；
(b)在所述柱面菲涅尔透镜的一出射侧设置一柱面反射镜，其中所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述弧面反射面的中心，并且所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角均是45°夹角；以及
(c)将一孔径光阑设置在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一一通过目镜式成像光学装置实现成像的方法，其中所述成像方法包括如下步骤：
(A)藉由一平面反射镜以反射的方式将一显示器的显示屏幕辐射的光线进行转向；
(B)藉由一柱面菲涅尔透镜以折射和衍射的方式将穿过所述柱面菲涅尔透镜的光线携带的影像在水平方向进行放大；
(C)在一柱面反射镜以反射的方式将穿过所述柱面菲涅尔透镜的光线转向的同时，对光线进行汇聚和将光线携带的影像在竖直方向进行放大；以及
(D)在被所述柱面反射镜转向的光线自一孔径光阑射出后直接再现于使用者的眼部。
附图说明
图1是依本发明的一较佳实施例的一目镜式成像光学装置的概念示意图。
图2是依本发明的上述较佳实施例的所述目镜式成像光学装置的一柱面菲涅尔透镜的示意图。
图3A是图2的一个局部位置放大示意图。
图3B是图2的另一个局部位置放大示意图。
图4是依本发明的上述较佳实施例的所述目镜式成像光学装置的成像原理示意图。
图5是依本发明的上述较佳实施例的一头戴式成像光学设备的立体示意图。
图6是依本发明的上述较佳实施例的所述头戴式成像光学设备的分解示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参考本发明的说明书附图之附图1至图4，依本发明的一较佳实施例的一目镜式成像光学装置10在接下来的描述中被阐述，其中所述目镜式成像光学装置 10包括一平面反射镜11、一柱面菲涅尔透镜12、一柱面反射镜13以及一孔径光阑14。
所述平面反射镜11具有一平面反射面111，以用于使光线转向。例如，当光线到达所述平面反射镜11的所述平面反射面111后，所述平面发射镜11的所述平面反射面111能够依反射原理使光线转向。
所述柱面菲涅尔透镜12具有一入射侧121和一出射侧122，其中所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121和所述出射侧122相互对应。另外，所述柱面菲涅尔透镜12具有一中心轴120，其中所述平面反射镜11位于所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121，并且所述平面反射镜11的所述平面反射面111朝向所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121，其中所述平面反射镜11的所述平面反射面111与所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120具有一第一夹角α。当光线因被所述平面反射镜11的所述平面反射面111反射而被所述平面反射镜11 转向后，被转向的光线能够自所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121射入所述柱面菲涅尔透镜12，和自所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122射出所述柱面菲涅尔透镜12。
优选地，所述第一夹角α的取值为45°。也就是说，所述平面发射镜11的所述平面发射面111与所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120形成的所述第一夹角是45°夹角，通过这样的方式，所述平面反射面11的所述平面反射面111 能够将光线在转向后射向所述柱面菲涅尔透镜12。
所述柱面反射镜13具有一弧面反射面131，其中所述柱面反射镜13位于所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122，并且所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131朝向所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122，和所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120穿过所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的中心。自所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122射出所述柱面菲涅尔透镜12的光线在到达所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131后，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131能够依反射原理使光线转向。
进一步地，所述目镜式成像光学装置10具有一光轴101，其中所述目镜式成像光学装置10的所述光轴101穿过所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131 的中心。优选地，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120具有一第二夹角β，和所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置的所述光轴101具有一第三夹角γ，其中所述第二夹角β和所述第三夹角γ的取值均35°～55°(包含35°和55°)，优选为45°。也就是说，所述柱面反射镜 13的所述弧面反射面131的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120形成的所述第二夹角是45°夹角，和所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置10的所述光轴101形成的所述第三夹角是45°夹角，通过这样的方式，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131能够将自所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122射出的光线转向。
优选地，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131是一个凹弧面，这样，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131在使光线转向的同时能够汇聚光线，例如，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131在将自所述柱面菲涅尔透镜12 的所述出射侧122射出的非平行的光线转向时对光线进行汇聚，以使非平行的光线能够形成平行的光线。优选地，所述柱面菲涅尔透镜12的后焦平面和所述柱面反射镜13的后焦平面重合。
参考附图1，在本发明的所述目镜式成像光学装置10的这个具体示例中，所述平面反射镜11的所述平面反射面111和所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131朝向所述柱面菲涅尔透镜12的同一侧，例如，所述平面反射镜11的所述平面反射面111和所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131均朝向所述柱面菲涅尔透镜12的左侧，通过这样的方式，自所述柱面菲涅尔透镜12的左侧射向所述平面反射镜11的所述平面反射面111的光线在后续被所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131反射后射向所述柱面菲涅尔透镜12的左侧。
值得一提的是，在本发明的所述目镜式成像光学装置10的另一个具体示例中，所述平面反射镜11的所述平面反射面111和所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131朝向所述柱面菲涅尔透镜12的相反侧，例如，所述平面反射镜11的所述平面反射面111朝向所述柱面菲涅尔透镜12的左侧，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131朝向所述柱面菲涅尔透镜12的右侧，通过这样的方式，自所述柱面菲涅尔透镜12的左侧射向所述平面反射镜11的所述平面反射面111的光线在后续被所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131反射后射向所述柱面菲涅尔透镜12的右侧。
所述孔径光阑14被保持在所述柱面反射镜13的光线出射方向，即，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131朝向所述孔径光阑14，通过这样的方式，被所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131反射的光线能够穿过所述孔径光阑14，并在穿过所述孔径光阑14后射向所述目镜式成像光学装置10的外部。优选地，所述目镜式成像光学装置10的所述光轴101穿过所述孔径光阑14的中心。
进一步地，所述平面反射镜11具有一平面反射侧112，其中所述平面反射侧112形成所述平面反射面111。优选地，所述平面反射镜11的所述平面反射侧 112通过被镀反射膜的方式形成所述平面发射面111。更优选地，所述平面反射镜11的所述平面发射侧112通过被镀高反膜的方式形成所述平面发射面111，通过这样的方式，所述平面反射镜11的所述平面发射面111的反射率能够被显著地提高，从而所述平面反射镜11的所述平面反射面111能够高效地反射光线，并且在这个过程中，尽可能地减少对光能的耗损。
相应地，所述弧面反射面13具有一弧面反射侧132，其中所述弧面反射侧 132形成所述弧面反射面131。优选地，所述柱面反射镜13的所述弧面反射侧 132通过被镀反射膜的方式形成所述弧面反射面131。更优选地，所述柱面反射镜13的所述弧面反射侧132通过被镀高反膜的方式形成所述弧面反射面131，通过这样的方式，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的反射率能够被显著地提高，从而所述弧面反射镜13的所述弧面反射面131能够高效地反射光线，并且在这个过程中，尽可能地减少对光能的耗损。值得一提的是，形成高反膜的材料在本发明的所述目镜式成像光学装置10中不受限制，例如形成高反膜的材料可以是金属材料，例如但不限于铝、银、金等金属材料。换言之，可以通过在所述平面反射镜11的所述平面反射侧112镀铝、银、金等金属材料的方式形成所述平面反射面111，以使所述平面反射镜11的所述平面反射面111具有高反射率，和可以通过在所述柱面反射镜13的所述弧面反射侧132镀铝、银、金等金属材料的方式形成所述弧面反射面131，以使所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131具有高反射率。
优选地，所述柱面反射镜13为高次柱面反射镜，其中所述柱面反射镜13的面形矢高满足公式：
，
其中所述柱面反射镜13的母线平行于ox轴，参数o是直角坐标系的原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，参数z 为所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的弯曲量，参数ry为所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的基准面曲率半径，参数c是参数ry的倒数，即， c＝1/ry，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
另外，所述柱面反射镜13的材料在本发明的所述目镜式成像光学装置10中不受限制，例如所述柱面反射镜13的材料可以是但不限于聚甲基丙烯酸甲酯，更具体地，所述柱面反射镜13的材料可以是但不限于PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、PMMP(Polymethylmethacrylate，亚克力)、PS(Polystyrene，聚苯乙烯)、MS等。值得一提的是，在本发明的所述目镜式成像光学装置10的一个具体示例中，可以通过上述任一种材料制作所述柱面反射镜13，并同时形成所述柱面反射镜13的所述弧面反射侧132，然后在所述柱面反射镜13的所述弧面反射侧132通过镀高反膜的方式形成所述柱面反射镜13的所述弧面反射面 131。
所述柱面菲涅尔透镜12具有折射和衍射两种光学性质，即，在被所述平面反射镜11的所述平面反射面111反射的光线自所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121射入所述柱面菲涅尔透镜12时，所述柱面菲涅尔透镜12能够对光线进行折射和衍射处理，这样的方式，突破了现有的目镜式光学系统的局限性，有利于增加所述目镜式成像光学装置10的光学设计的自由度。
另外，在本发明的所述目镜式成像光学装置10中，可以利用所述柱面菲涅尔透镜12取代现有的目镜式光学系统的透镜组，其中所述柱面菲涅尔透镜12的厚度较薄、体积小巧，从而有利于实现所述目镜式成像光学装置10的小型化和轻质化。另外，在本发明的所述目镜式成像光学装置10中，所述柱面菲涅尔透镜12取代现有的目镜式光学系统的透镜组，从而使光线穿过的光学元件更少，通过这样的方式，能够大幅度地降低对光能的耗损。
进一步地，参考附图2和图3，所述柱面菲涅尔透镜12包括一工作部123 和一基部124，其中所述工作部123被设置于所述基部124，或者所述工作部123 一体地形成于所述基部124，并且所述工作部123形成所述入射侧121，所述基座124形成所述出射侧122。也就是说，光线能够自所述工作部123射入，和自所述基部124射出。
优选地，所述工作部123包括一组第一凸起1231、一组第二凸起1232以及一中部凸起1233，并且所述工作部123具有一组第一光学槽1234和一组第二光学槽1235。每个所述第一凸起1231、每个所述第二凸起1232和所述中部凸起 1233分别形成于所述基部124的同一个侧部，其中所述中部凸起1233位于中间，每个所述第一凸起1231位于所述中部凸起1233的一侧，每个所述第二凸起1232 位于所述中部凸起1233的另一侧，并且在相邻所述第一凸起1231之间形成所述第一光学槽1234，和在所述第一凸起1231与所述中部凸起1233之间形成所述第一光学槽1234，在相邻所述第二凸起1232之间形成所述第二光学槽1235，和在所述第二凸起1232与所述中部凸起1233之间形成所述第二光学槽1235。也就是说，光线在自所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121射入所述柱面菲涅尔透镜12时，首先经过凹凸的所述工作部123，并被每个所述第一凸起1231、每个所述第二凸起1232和所述中部凸起1233进行折射处理后，再进入所述基部 124，然后自所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122射出所述柱面菲涅尔透镜 122。当光线在穿过所述柱面菲涅尔透镜12的所述工作部123和所述基部124时，所述柱面菲涅尔透镜12能够将管线进行折射和衍射处理。
优选地，每个所述第一凸起1231和每个所述第二凸起1232相互对称，其中每个所述第一凸起1231和每个所述第二凸起1232的对称轴为所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120。更优选地，每个所述第一凸起1231的尺寸自所述中部凸起1233向外侧依次增大，相应地，而每个所述第二凸起1232的尺寸自所述中部凸起1233向外侧依次增大。也就是说，越是靠近所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120的所述第一凸起1231的尺寸越小，越是远离所述柱面菲涅尔透镜 12的所述中心轴120的所述第一凸起1231的尺寸越大，相应地，越是靠近所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120的所述第二凸起1232的尺寸越小，越是远离所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120的所述第二凸起1232的尺寸越大，通过这样的方式，光线在射入所述柱面菲涅尔透镜12时，入射位置越靠近所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120被折射的幅度越小，入射位置越远离所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120被折射的辐射越大。
进一步地，所述中部凸起1233具有一第一凸弧面12331和一第二凸弧面 12332，其中所述中部凸起1233形成于所述基部124的中部，从而所述中部凸起 1233的所述第一凸弧面12331和所述第二凸弧面12332分别朝向所述基部124 的两侧。每个所述第一凸起1231分别具有一第三凸弧面12311和一第一平面 12312，其中每个所述第一凸起1231形成于所述基部124，并且位于所述中部凸起1233的侧部，其中每个所述第一凸起1231的所述第一平面12312垂直于所述基部124，其中一个所述第一凸起1231的所述第一平面12312朝向所述中部凸起1233的所述第一凸弧面12331，从而在所述第一凸起1231的所述第一平面 12312和所述中部凸起1233的所述第一凸弧面12331之间形成一个所述第一光学槽1234，另外的任意一个所述第一凸起1231的所述第一平面12312对应于相邻一个所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311，从而在所述第一凸起1231 的所述第一平面12312和相邻所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311之间形成一个所述第一光学槽1234。相应地，每个所述第二凸起1232分别具有一第四凸弧面12321和一第二平面12322，其中每个所述第二凸起1232形成于所述基部124，并且位于所述中部凸起1233的侧部，其中每个所述第二凸起1232的所述第一平面12322垂直于所述基部124，其中一个所述第二凸起1232的所述第二平面12322朝向所述中部凸起1233的所述第二凸弧面12332，从而在所述第二凸起1232的所述第二平面12322和所述中部凸起1233的所述第二凸弧面 12332之间形成一个所述第二光学槽1235，另外的任意一个所述第二凸起1232 的所述第二平面12322对应于相邻一个所述第二凸起1232的所述第四凸弧面 12321，从而在所述第二凸起1232的所述第二平面12322和相邻所述第二凸起 1232的所述第四凸弧面12321之间选形成一个所述第二光学槽1235。
优选地，每个所述第一凸起1231、每个所述第二凸起1232和所述中部凸起 1233的延伸方向一致，从而使每个所述第一光学槽1234和每个所述第二光学槽 1235均相互平行。更优选地，每个所述第一凸起1231、每个所述第二凸起1232 和所述中部凸起1233均沿着所述基部124的宽度方向相互平行地延伸，从而使每个所述第一光学槽1234和每个所述第二光学槽1235沿着所述基部124的宽度方向相互平行地延伸。
更优选地，任意一个所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311与所述基部124的连接位置和相邻所述第一凸起1231的所述第一平面12312与所述基部 124的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起1233的所述第一凸弧面12331 与所述基部124的连接位置和相邻所述第一凸起1231的所述第一平面12312与所述基部124的连接位置是同一个位置。相应地，任意一个所述第二凸起1232 的所述第四凸弧面12321与所述基部124的连接位置和相邻所述第二凸起1232 的所述第二平面12322与所述基部124的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起1233的所述第二凸弧面12332与所述基部124的连接位置和相邻所述第二凸起1232的所述第二平面12322与所述基部124的连接位置是同一个位置。
进一步地，每个所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311和每个所述第二凸起1232的所述第四凸弧面12321以及所述中部凸起1233的所述第一凸弧面 12331和所述第二凸弧面12332均是柱面，其中每个所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311和每个所述第二凸起1232的所述第四凸弧面12321以及所述中部凸起1233的所述第一凸弧面12331和所述第二凸弧面12332的面形矢高满足公式：
，
其中每个所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311和每个所述第二凸起1232的所述第四凸弧面12321以及所述中部凸起1233的所述第一凸弧面12331和所述第二凸弧面12332的母线平行于oy轴，参数o是直角坐标系的原点，参数x、y和 z为直角坐标系的三个坐标量，参数z为每个所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311和每个所述第二凸起1232的所述第四凸弧面12321以及所述中部凸起1233的所述第一凸弧面12331和所述第二凸弧面12332的弯曲量，参数rx为每个所述第一凸起1231的所述第三凸弧面12311和每个所述第二凸起1232的所述第四凸弧面12321以及所述中部凸起1233的所述第一凸弧面12331和所述第二凸弧面12332的基准面曲率半径，参数c是参数rx的倒数，即，c＝1/rx，参数 k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
优选地，所述柱面菲涅尔透镜12的所述工作部123和所述基部124是一体地形成的，并且形成所述柱面菲涅尔透镜12的材料在本发明的所述目镜式成像光学装置10中不受限制，例如所述柱面菲涅尔透镜12的材料可以是但不限于聚甲基丙烯酸甲酯，更具体地，所述柱面菲涅尔透镜12的材料可以是但不限于PC (Polycarbonate，聚碳酸酯)、PMMP(Polymethylmethacrylate，亚克力)、 PS(Polystyrene，聚苯乙烯)、MS等。
附图4示出了本发明的所述目镜式成像光学装置10的原理，其中一显示器 20被相邻地设置于所述目镜式成像光学装置10的所述平面反射镜11，并且所述显示器20的一显示屏幕21朝向所述平面反射镜11的所述平面反射面111，和所述显示器20的所述显示屏幕21的长宽方向与所述平面反射镜11的所述平面反射面111的延伸方向形成的夹角为45°夹角。
当所述显示器20的所述显示屏幕21被用于显示影像(图像或视频)时，所述显示屏幕21显示的影像以光线的形式被传播。本领域的技术人员应当理解，所述显示屏幕21的任何一个像素点显示的信息都是以光线的形式向四周传播的。在接下来的描述中，以所述显示屏幕21的中心位置的像素点显示的信息为例，来阐述本发明的所述目镜式成像光学装置10的内容和优势，其中所述显示屏幕21的中心位置的像素点显示的信息以光线l1、光线l2和光线l3的形式向所述平面反射镜11的所述平面反射面111的方向辐射。值得一提的是，所述显示屏幕21的中心位置的像素点显示的信息以光线l1、光线l2和光线l3的形式向所述平面反射镜11的所述平面反射面111的方向辐射的方式仅为示例，其并不限制本发明的所述目镜式成像光学装置10的内容和范围。
另外，所述目镜式成像光学装置10是一个近眼式成像光学装置，即，当所述目镜式成像光学装置10被使用者使用时，所述目镜式成像光学装置10能够在使用者的眼前直接显示影像。优选地所述目镜式成像光学装置10在被使用者使用时，所述目镜式成像光学装置10的所述孔径光阑14对应于使用者的眼部。
所述显示器20的所述显示屏幕21的中心位置的像素点产生的光线l1、光线l2和光线l3分别向所述平面反射镜11的所述平面反射面111辐射，其中光线l1辐射至所述平面反射镜11的所述平面反射面111的中心，即，所述光线 l1辐射至所述平面反射镜11的所述平面反射面111的能够被所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120穿过的位置，光线l2和光线l3分别辐射至所述平面反射镜11的所述平面反射面111的其他位置。
所述平面反射镜11的所述平面反射面111能够依反射原理将光线l1、光线 l2和光线l3进行转向，并且被转向后的光线l1、光线l2和光线l3能够自所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121射入所述柱面菲涅尔透镜12，和自所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122射出所述柱面菲涅尔透镜12。也就是说，所述柱面菲涅尔透镜12是一个穿透性的透镜，其允许光线l1、光线l2和光线l3 穿过，和在光线l1、光线l2和光线l3穿过时将光线l1、光线l2和光线l3携带的影像信息在水平方向放大。
值得一提的是，本发明的所述柱面菲涅尔透镜12具有折射和衍射性能，当光线l1、光线l2和光线l3自所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121入射所述柱面菲涅尔透镜12时，所述柱面菲涅尔透镜12通过对光线l1、光线l2和光线l3进行折射和衍射的处理方式对光线l1、光线l2和光线l3携带的影响信息在水平方向放大。
更值得一提的是，本发明的所述柱面菲涅尔透镜12具有的折射和衍射性能基于本发明的所述柱面菲涅尔透镜12的结构，即，所述柱面菲涅尔透镜12包括所述基部124和形成于所述基部124的所述工作部123，从而所述基部124和所述工作部123相互配合而使所述柱面菲涅尔透镜12具有折射和衍射性能。
另外，所述柱面菲涅尔透镜12具有折射和衍射性能，不仅有利于增加光学设计的自由度和灵活性，而且有利于校正像差，以提高所述目镜式成像光学装置 10的成像品质。更为重要的是，所述柱面菲涅尔透镜12具有折射和衍射性能，从而所述柱面菲涅尔透镜12能够取代现有的目镜式光学系统的透镜组。换言之，所述柱面菲涅尔透镜12允许光线穿过更好的光学元件，通过这样的方式，一方面能够减少对光能的耗损，另一方面能够降低在对光线进行处理时对光线的品质造成的影响，以保证所述目镜式成像光学装置10的成像品质。
自所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122射出所述柱面菲涅尔透镜12的光线l1、光线l2和光线l3继续向所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的方向辐射，并且所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131能够依反射原理将光线l1、光线l2和光线l3进行转向，由于所述柱面反射镜13的所述弧面反射面 131是一个凹弧面，从而所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131在使光线l1、光线l2和光线l3进行转向时，能够对光线l1、光线l2和光线l3进行汇聚，以使光线l1、光线l2和光线l3形成平行光线，即，被所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131转向后的光线l1、光线l2和光线l3相互平行。更为重要的是，在所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131使光线l1、光线l2和光线l3 进行转向和对光线l1、光线l2和光线l3进行汇聚时，能够将光线l1、光线l2 和光线l3携带的影像信息在竖直方向放大。被所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131反射后的光线l1、光线l2和光线l3在穿过所述孔径光阑14后能够在使用者的人眼瞳孔处直接显示影像。
也就是说，在光线l1、光线l2和光线l3穿过所述柱面菲涅尔透镜12时，所述柱面菲涅尔透镜12首先在水平方向将光线l1、光线l2和光线l3携带的影像信息进行放大，和在光线l1、光线l2和光线l3被所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131转向和汇聚时，所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131再次在竖直方向将光线l1、光线l2和光线l3携带的影像信息进行放大，通过这样的方式，所述目镜式成像光学装置10能够在使用者的人眼瞳孔处形成具有一定比例的水平视场和竖直视场，以满足使用者的视觉体验。
为了使所述目镜式成像光学装置10形成特定比例的观察视场角，例如40° (水平方向H)×30°(竖直方向V)，或者80°(水平方向H)×45°(竖直方向V)，本发明的所述目镜式成像光学装置10的所述柱面菲涅尔透镜12的焦距值和所述柱面反射镜13的焦距值能够被单独地设计，例如，所述柱面菲涅尔透镜12的焦距值可以是但不限于35mm，所述柱面反射镜13的焦距值可以是但不限于70mm。并且，通过单独地涉及所述柱面菲涅尔透镜12的焦距值和所述柱面反射镜13的焦距值的方式，有利于对所述显示器20的所述显示屏幕21 的最大化利用，消除所述显示器20在圆对称系统中所述显示屏幕21的利用率受限的弊端。
例如，在本发明的所述目镜式成像光学装置10的一个具体的示例中，所述显示器20的所述显示屏幕21的尺寸为5英寸，图像分辨率为1280×720pixels，并且所述显示屏幕21辐射的光线为可见光，其中光线的中心波长λ为587.56nm。所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的非球面系统为：参数ry＝140.2mm，参数a1＝2.316×10-3，参数a2＝-41.35，参数a3＝26.92，参数a4＝120.15，参数 a5＝-675.87，其中所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的焦距值为70mm。所述柱面菲涅尔透镜12的非球面系数为：参数rx＝4.62mm，参数k＝-0.97744，参数a2＝0.137，参数a4＝4.08×10-5，其中所述柱面菲涅尔透镜12的焦距值为 35mm。具有上述参数的所述目镜式成像光学装置10能够实现左右双眼的视场大小为或者80°(水平方向H)×45°(竖直方向V)，这样，能够有效地满足使用者的视觉体验。
图5和图6示出了依本发明的一较佳实施例的一头戴式成像光学设备，其中所述头戴式成像光学设备包括至少一个所述目镜式成像光学装置10、至少一个所述显示器20以及一佩戴装置30，其中每个所述目镜式成像光学装置10和每个所述显示器20分别被设置于所述佩戴装置30，所述佩戴装置30被用于佩戴在使用者的头部。当使用者通过所述佩戴装置30将所述头戴式成像光学设备佩戴在使用者的头部时，所述目镜式成像光学装置10的所述孔径光阑14对应于使用者的瞳孔，其中所述显示器20的所述显示屏幕21显示的影像在被所述目镜式成像光学装置10处理后能够经由所述孔径光阑14直接再现在使用者的眼前，从而帮助使用者获得良好的视觉体验。
优选地，所述头戴式成像光学设备包括两个所述目镜式成像光学装置10、两个所述显示器20和一个所述佩戴装置30，其中每个所述目镜式成像光学装置 10和每个所述显示器20分别被对称地设置于所述佩戴装置30的两侧，从而当使用者通过所述佩戴装置30将所述头戴式成像光学设备佩戴在头部时，两个所述目镜式成像光学装置10的所述孔径光阑14能够分别对应于使用者的左右眼。
在附图5和图6示出的所述头戴式成像光学设备的这个具体的示例中，所述佩戴装置30包括一安装主体31和一佩戴主体32，其中所述安装主体31具有两观察空间311，两个所述观察空间311分别对称地形成于所述安装主体31的两端，其中所述佩戴主体32的两个端部分别被设置于所述安装主体31的两个端部，并且在所述安装主体31和所述佩戴主体32之间形成一佩戴空间33，以供使用者通过所述安装主体31和所述佩戴主体32将所述佩戴装置30佩戴于头部，并且在使用者将所述佩戴装置30佩戴于头部之后，使用者的头部被容纳于所述佩戴空间33，和使用者的左右眼分别对应于每个所述观察空间311。每个所述目镜式成像光学装置10和每个所述显示器20分别被设置于所述安装主体31，并且所述目镜式成像光学装置10的所述孔径光阑14对应于所述观察空间311，从而当使用者的左右眼对应于所述安装主体31的每个所述观察空间311时，每个所述目镜式成像光学装置10的所述孔径光阑14分别对应于使用者的左右眼。此时，每个所述显示器20显示的影像能够分别在被每个所述目镜式成像光学装置10处理后在直接再现在使用者的左右眼，以帮助使用者获得良好的视觉体验。
优选地，所述佩戴空间33的尺寸被可调，以使所述佩戴装置30能够满足不同使用者的佩戴需要。例如，在本方面的所述头戴式成像光学设备的一个示例中，所述佩戴主体32被可调节，以通过调节所述佩戴主体32的状态的方式调整所述佩戴空间33的尺寸，例如所述佩戴主体32可以具有松紧性，或者所述佩戴主体 32是由两个相互可调节的连接结构形成的。在本发明的所述头戴式成像光学设备的另一个示例中，所述佩戴主体32被可调节地设置于所述安装主体31，从而通过调节所述佩戴主体32和所述安装主体31的连接关系的方式能够调节所述佩戴空间33的尺寸。
依本发明的一个方面，本发明进一步提供所述目镜式成像光学装置10的制造方法，其中所述制造方法包括如下步骤：
(a)在所述柱面菲涅尔透镜12的所述入射侧121设置所述平面反射镜11，其中所述平面反射镜11的所述平面反射面111与所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120形成夹角为45°夹角；
(b)在所述柱面菲涅尔透镜12的所述出射侧122设置所述柱面反射镜13，其中所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120和所述目镜式成像光学装置10的所述光轴101均穿过所述弧面反射面131的中心，并且所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜12的所述中心轴120 和所述目镜式成像光学装置10的所述光轴101形成的夹角均是45°夹角；以及
(c)将所述孔径光阑14设置在所述柱面反射镜13的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置10的所述光轴101穿过所述孔径光阑14的中心，以制得所述目镜式成像光学装置10。
依本发明的一个方面，本发明进一步提供一通过所述目镜式成像光学装置10 实现成像的方法，其特征在于，所述成像方法包括如下步骤：
(A)藉由所述平面反射镜11以反射的方式将所述显示器20的显示屏幕21 辐射的光线进行转向；(B)藉由所述柱面菲涅尔透镜12以折射和衍射的方式将穿过所述柱面菲涅尔透镜12的光线携带的影像在水平方向进行放大；
(C)在所述柱面反射镜13以反射的方式将穿过所述柱面菲涅尔透镜12的光线转向的同时，对光线进行汇聚和将光线携带的影像在竖直方向进行放大；以及
(D)在被所述柱面反射镜13转向的光线自所述孔径光阑射14出后直接再现于使用者的眼部。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (33)
1.一目镜式成像光学装置，其特征在于，包括：
一孔径光阑；
一平面反射镜，其中所述平面反射镜具有一平面反射面；
一柱面反射镜，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射面；以及
一柱面菲涅尔透镜，其中所述柱面菲涅尔透镜具有一入射侧和对应于所述入射侧的一出射侧，其中所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述入射侧，并且所述平面反射镜的所述平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角是45°夹角，其中所述柱面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述出射侧，并且所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角参数为β，所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角参数为γ，其中参数β和参数γ的取值范围均是35°～55°，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。
2.根据权利要求1所述的目镜式成像光学装置，其中所述柱面菲涅尔透镜包括一基部和形成于所述基部的一工作部，其中所述工作部形成所述入射侧，并且所述工作部朝向所述平面反射镜的所述平面反射面，其中所述基部形成所述出射侧，并且所述基部朝向所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
3.根据权利要求2所述的目镜式成像光学装置，其中所述工作部形成一组第一光学槽和一组第二光学槽，其中所述第一光学槽和所述第二光学槽相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴。
4.根据权利要求3所述的目镜式成像光学装置，其中每个所述第一光学槽和每个所述第二光学槽分别沿着所述柱面菲涅尔透镜的宽度方向延伸。
5.根据权利要求3所述的目镜式成像光学装置，其中所述工作部包括一组第一凸起、一组第二凸起以及一中心凸起，每个所述第一凸起、每个所述第二凸起和所述中心凸起分别形成于所述基部的同一侧，并且所述中心凸起形成于所述基部的中部，每个所述第一凸起和每个所述第二凸起分别形成于所述基部的两侧，并且所述第一凸起和所述第二凸起相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，其中在相邻所述第一凸起之间和在所述第一凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第一光学槽，和在相邻所述第二凸起之间和在所述第二凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第二光学槽。
6.根据权利要求5所述的目镜式成像光学装置，其中所述中心凸起具有相互对称的一第一凸弧面和一第二凸弧面，其中每个所述第一凸起分别具有一第三凸弧面和一第一平面，一个所述第一凸起的所述第一平面对应于所述中心凸起的所述第一凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和所述中心凸起的所述第一凸弧面之间形成一个所述第一光学槽，任意一个所述第一凸起的所述第一平面对应于相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面之间形成另外的所述第一光学槽，其中每个所述第二凸起分别具有一第四凸弧面和一第二平面，一个所述第二凸起的所述第二平面对应于所述中心凸起的所述第二凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和所述中心凸起的所述第二凸弧面之间形成一个所述第二光学槽，任意一个所述第二凸起的所述第二平面对应于相邻所述第二凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和相邻所述第二凸起的所述第四凸弧面之间形成另外的所述第二光学槽。
7.根据权利要求6所述的目镜式成像光学装置，其中每个所述第一凸起的所述第一平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，每个所述第二凸起的所述第二平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的所述中心轴。
8.根据权利要求6所述的目镜式成像光学装置，其中任意一个所述第一凸起的所述第三凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第一凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，任意一个所述第二凸起的所述第四凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第二凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置。
9.根据权利要求5所述的目镜式成像光学装置，其中每个所述第一凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大，每个所述第二凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大。
10.根据权利要求1至9中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述平面反射镜的所述平面反射侧和所述柱面反射镜的所述弧面反射侧朝向所述目镜式成像光学装置的同一侧。
11.根据权利要求1至10中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述平面反射镜具有一平面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述平面反射侧而形成所述平面反射镜的所述平面反射面。
12.根据权利要求1至10中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述弧面反射侧而形成所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
13.根据权利要求1至12中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述柱面反射镜为高次柱面反射镜，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述弧面反射面的弯曲量，所述柱面反射镜的母线平行于ox轴，参数ry为所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的基准面曲率半径，参数c是参数ry的倒数，即，c＝1/ry，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
14.根据权利要求6至8中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面均是柱面，其面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的弯曲量，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的母线平行于oy轴，参数rx为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的基准面曲率半径，参数c是参数rx的倒数，即，c＝1/rx，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
15.根据权利要求1至14中任一所述的目镜式成像光学装置，其中参数β和参数γ均是45°。
16.一头戴式成像光学设备，其特征在于，包括：
一佩戴装置，其中所述佩戴装置具有一佩戴空间；
至少一显示器，其中每个所述显示器分别具有一显示屏幕；以及
至少一目镜式成像光学装置，其中每个所述显示器和每个所述目镜式成像光学装置分别被设置于所述佩戴装置，其中每个所述目镜式成像光学装置分别包括：
一孔径光阑；
一平面反射镜，其中所述平面反射镜具有一平面反射面；
一柱面反射镜，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射面；以及
一柱面菲涅尔透镜，其中所述柱面菲涅尔透镜具有一入射侧和对应于所述入射侧的一出射侧，其中所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述入射侧，并且所述平面反射镜的所述平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角是45°夹角，其中所述柱面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述出射侧，并且所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角参数为β，所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角参数为γ，其中参数β和参数γ的取值范围均是35°～55°，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心，其中所述显示器的所述显示屏幕朝向所述平面反射镜的所述平面反射面，并且所述显示屏幕的延伸方向和所述平面反射面形成的夹角为45°夹角。
17.根据权利要求16所述的头戴式成像光学设备，其中所述佩戴装置包括一安装主体和一佩戴主体，所述佩戴主体的两端分别被设置于所述安装主体的两个端部，从而在所述佩戴主体和所述安装主体之间形成所述佩戴空间，其中所述安装主体具有两个相互对称的观察空间，其中每个所述显示器和每个所述目镜式成像光学装置分别被设置于所述安装主体，并且每个所述孔径光阑分别对应于每个所述佩戴空间。
18.根据权利要求16所述的头戴式成像光学设备，其中所述柱面菲涅尔透镜包括一基部和形成于所述基部的一工作部，其中所述工作部形成所述入射侧，并且所述工作部朝向所述平面反射镜的所述平面反射面，其中所述基部形成所述出射侧，并且所述基部朝向所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
19.根据权利要求18所述的头戴式成像光学设备，其中所述工作部形成一组第一光学槽和一组第二光学槽，其中所述第一光学槽和所述第二光学槽相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴。
20.根据权利要求19所述的头戴式成像光学设备，其中每个所述第一光学槽和每个所述第二光学槽分别沿着所述柱面菲涅尔透镜的宽度方向延伸。
21.根据权利要求19所述的头戴式成像光学设备，其中所述工作部包括一组第一凸起、一组第二凸起以及一中心凸起，每个所述第一凸起、每个所述第二凸起和所述中心凸起分别形成于所述基部的同一侧，并且所述中心凸起形成于所述基部的中部，每个所述第一凸起和每个所述第二凸起分别形成于所述基部的两侧，并且所述第一凸起和所述第二凸起相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，其中在相邻所述第一凸起之间和在所述第一凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第一光学槽，和在相邻所述第二凸起之间和在所述第二凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第二光学槽。
22.根据权利要求21所述的头戴式成像光学设备，其中所述中心凸起具有相互对称的一第一凸弧面和一第二凸弧面，其中每个所述第一凸起分别具有一第三凸弧面和一第一平面，一个所述第一凸起的所述第一平面对应于所述中心凸起的所述第一凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和所述中心凸起的所述第一凸弧面之间形成一个所述第一光学槽，任意一个所述第一凸起的所述第一平面对应于相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面之间形成另外的所述第一光学槽，其中每个所述第二凸起分别具有一第四凸弧面和一第二平面，一个所述第二凸起的所述第二平面对应于所述中心凸起的所述第二凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和所述中心凸起的所述第二凸弧面之间形成一个所述第二光学槽，任意一个所述第二凸起的所述第二平面对应于相邻所述第二凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和相邻所述第二凸起的所述第四凸弧面之间形成另外的所述第二光学槽。
23.根据权利要求22所述的头戴式成像光学设备，其中每个所述第一凸起的所述第一平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，每个所述第二凸起的所述第二平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的所述中心轴。
24.根据权利要求22所述的头戴式成像光学设备，其中任意一个所述第一凸起的所述第三凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第一凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，任意一个所述第二凸起的所述第四凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第二凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置。
25.根据权利要求21所述的头戴式成像光学设备，其中每个所述第一凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大，每个所述第二凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大。
26.根据权利要求16至25中任一所述的头戴式成像光学设备，其中所述平面反射镜的所述平面反射侧和所述柱面反射镜的所述弧面反射侧朝向所述目镜式成像光学装置的同一侧。
27.根据权利要求16至26中任一所述的头戴式成像光学设备，其中所述平面反射镜具有一平面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述平面反射侧而形成所述平面反射镜的所述平面反射面。
28.根据权利要求16至26中任一所述的头戴式成像光学设备，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述弧面反射侧而形成所述柱面反射镜的所述弧面反射面。
29.根据权利要求16至28中任一所述的头戴式成像光学设备，其中所述柱面反射镜为高次柱面反射镜，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述弧面反射面的弯曲量，所述柱面反射镜的母线平行于ox轴，参数ry为所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的基准面曲率半径，参数c是参数ry的倒数，即，c＝1/ry，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
30.根据权利要求22至24中任一所述的头戴式成像光学设备，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面均是柱面，其面形矢高满足公式：
，
其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的弯曲量，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的母线平行于oy轴，参数rx为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的基准面曲率半径，参数c是参数rx的倒数，即，c＝1/rx，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。
31.根据权利要求16至30中任一所述的头戴式成像光学设备，其中参数β和参数γ均是45°。
32.一目镜式成像光学装置的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：
(a)在一柱面菲涅尔透镜的一入射侧设置一平面反射镜，其中所述平面反射镜的一平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成夹角为45°夹角；
(b)在所述柱面菲涅尔透镜的一出射侧设置一柱面反射镜，其中所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述弧面反射面的中心，并且所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角均是45°夹角；以及
(c)将一孔径光阑设置在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。
33.一通过目镜式成像光学装置实现成像的方法，其特征在于，所述成像方法包括如下步骤：
(A)藉由一平面反射镜以反射的方式将一显示器的显示屏幕辐射的光线进行转向；
(B)藉由一柱面菲涅尔透镜以折射和衍射的方式将穿过所述柱面菲涅尔透镜的光线携带的影像在水平方向进行放大；
(C)在一柱面反射镜以反射的方式将穿过所述柱面菲涅尔透镜的光线转向的同时，对光线进行汇聚和将光线携带的影像在竖直方向进行放大；以及
(D)在被所述柱面反射镜转向的光线自一孔径光阑射出后直接再现于使用者的眼部。
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