CN113625451A - 一种近眼可透视头显光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近眼可透视头显光学成像系统，涉及近眼光学领域，包括：第一透镜、第二透镜与一显示屏；第一透镜的一边与显示屏的一边贴合，第二透镜的一边与显示屏的另一边贴合，第一透镜的另一边与第二透镜的另一边贴合，第一透镜、第二透镜和显示屏围布形成一个类三角柱体空间；第一透镜的面型为类马鞍型自由曲面。有益效果通过使用两次离轴反射折叠光程，采用类马鞍型自由曲面的光学设计，避开与观察者眉头和额头的冲突从而得到拥有更大的可视角的近眼显示系统，增加佩戴舒适性，增强用户使用时的沉浸感。

Description

一种近眼可透视头显光学成像系统

技术领域

本发明涉及近眼光学技术领域，尤其涉及一种近眼可透视头显光学成像系统。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，也被称为扩增现实或混合现实，是促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容，其将原本在现实世界的空间范围中比较难以进行体验的实体信息在电脑等科学技术的基础上，实施模拟仿真处理，叠加虚拟信息内容在真实世界中加以有效应用，并且在这一过程中能够被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验。通过将虚拟物体的图像以及真实环境的图像透射到用户眼中，使用户获得虚拟与现实融合的体验，真实环境和虚拟物体之间重叠之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在。

目前现有通常技术上的近眼光学显示系统体积大，纵向焦距长使屏幕或光学器件与观察者的用户眉头和额头的冲突，导致入瞳距增大可视角下降，同时带来佩戴不便不舒适且影响外观。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种近眼可透视头显光学成像系统，具体包括：第一透镜、第二透镜与一显示屏；所述第一透镜的一边与所述显示屏的一边贴合，所述第二透镜的一边与所述显示屏的另一边贴合，所述第一透镜的另一边与所述第二透镜的另一边贴合，所述第一透镜、所述第二透镜和所述显示屏围布形成一个类三角柱体空间；所述第一透镜的面型为类马鞍型自由曲面。

优选的，还包括一大视角光学双通道，所述大视角光学双通道包括：

第一光学通道，所述显示屏发射的图像光线经所述第一透镜反射后入射至所述第二透镜，并经由所述第二透镜反射后透射所述第一透镜，形成所述第一光学通道；

第二光学通道，外部环境光线依次透射所述第二透镜和所述第一透镜形成所述第二光学通道。

优选的，所述显示屏为LCD显示屏，或LCOS显示屏。

优选的，所述第一透镜的朝向所述类三角柱体空间的一侧设有一第一线偏振膜层。

优选的，所述显示屏为非偏振图像发射器，且所述类三角柱体空间的朝向所述第一透镜一侧设有一第二线偏振膜层。

优选的，所述第二线偏振膜层为透射式偏振膜层，且所述透射式偏振膜层的透射光的偏振方向与所述第一线偏振膜层的偏振轴方向垂直。

优选的，还包括一线栅，设置于所述显示屏和所述第一透镜之间。

优选的，所述第一透镜的背离所述类三角柱体空间的一侧设有一第一增透膜层。

优选的，所述第二透镜的朝向所述第一透镜的一侧设有一半透半反膜层和/或一四分之一波片膜层，且所述四分之一波片膜层位于所述第一反射镜和所述半透半反膜层之间。

优选的，所述四分之一波片膜层的光轴方向与所述第一透镜的朝向所述类三角柱体空间的一侧设置的一第一线偏振膜层的偏振方向的夹角为40度～50度，更佳的夹角为45度。

优选的，所述半透半反膜层的反射率为25％～35％，透过率为65％～75％，更佳的比例为反射率为30％，透过率为70％。

优选的，所述第二反射镜的背离所述类三角柱体空间的一侧设有一第二增透膜层。

优选的，所述第一透镜为均厚薄镜片，或所述第一透镜的最大厚度与最小厚度之差小于2mm。

优选的，所述第一透镜的面型为双曲抛物面，或单曲抛物面，或XY多项式自由曲面，或泽尼克多项式自由曲面。

优选的，所述第一透镜和/或所述第二透镜的面型均为XY多项式自由曲面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，c_mn是不同阶数的系数，p是多项式的最高次幂，满足1≤m+n≤p，选择偶次X项，保证面型关于YOZ面的对称性。

优选的，所述第一透镜和/或所述第二透镜的面型均为泽尼克多项式自由曲面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，第二项是Zernike多项式，A_i是Zernike多项式系数，E_i是Zernike多项式，ρ和θ分别是Zernike多项式的变量。

优选的，所述第一透镜和/或所述第二透镜的面型均为复曲面，其表达式为：

其中，c_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是曲面在X方向的二次曲面系数，k_y是曲面在Y方向的二次曲面系数，A_i是关于Z轴旋转对称的非球面系数，B_i是非旋转对称系数。

优选的，所述第二透镜为均厚薄镜片，或所述第二透镜的最大厚度与最小厚度之差小于2mm。

优选的，所述第二透镜的面型为球面，或非球面，或自由曲面。

优选的，所述第二透镜的面型均为偶次非球面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，r是透镜的半孔径，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈分别为二阶项、四阶项、六阶项、八阶项、十阶项、十二阶项、十四阶项、十六阶项的系数。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过使用两次离轴反射折叠光程，第一透镜采用类马鞍型自由曲面的光学设计，避开与观察者眉头和额头的冲突从而得到拥有更大的可视角的近眼显示系统，增加佩戴舒适性，增强用户使用时的沉浸感。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，一种近眼可透视头显光学成像系统的结构示意图；

图2为本发明的较佳的实施例中，第一透镜为类马鞍型自由曲面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种近眼可透视头显光学成像系统，如图1所示，具体包括：

第一透镜1、第二透镜2与一显示屏3；第一透镜1的一边与显示屏3的一侧贴合，第二透镜2的一边与显示屏3的另一侧贴合，第一透镜1的另一边与第二透镜2的另一边贴合，第一透镜1、第二透镜2和显示屏3围布形成一个类三角柱体空间；第一透镜1的面型为类马鞍型自由曲面。

具体地，本实施例中，通过离轴设置的第一透镜1和第二透镜2，使得显示屏3发射出的图像光线能够入射至第一透镜1，经过第一透镜1反射到第二透镜2，再经过第二透镜2反射回第一透镜1，然后通过第一透镜1入射到人眼4，同时外部环境光线也允许依次透过第二透镜2和第一透镜1进入人眼4。上述图像光线由显示屏3发出直至进入人眼4经过的发射路径形成一第一光学通道，上述外部环境光线由外部进入人眼4经过的发射路径形成一第二光学通道，且上述第一光学通道和第二光学通道形成本发明的近眼可透视头显光学成像系统的大视角光学双通道，表现为视场角FOV大于100度。

进一步具体地，上述第一透镜1具有类马鞍型自由曲面，该类马鞍型自由曲面在用户眼睛的上下方向向前翻卷，以便避开与用户眉头和额头的冲突，在用户眼睛的左右方向向后翻卷，有利于消除二次反射产生的彗差和场曲。

优选的，上述第一透镜1的朝向类三角柱体空间一侧作为第一透镜1的内表面，第一透镜1的背离类三角柱体空间(显示屏3)一侧作为第一透镜1的外表面。上述显示屏3和第一透镜1之间优选设有线栅5，上述第一透镜1的内表面设有一第一线偏振膜层6，第一透镜1的外表面设有一第一增透膜层7；第二透镜2的内表面沿图像光线的入射方向依次设有一四分之一波片膜层8和一半透半反膜层9，第二透镜2的外表面设有一第二增透膜层10。

基于上述结构，显示屏3发出的图像光线经过线栅5时，偏振方向与线栅5的偏振方向相同的图像光线透过线栅5，入射到第一透镜1的内表面，此时，图像光线的偏振态为线偏振光，偏振方向与线栅5的偏振方向相同；由于图像光线此时的偏振方向与第一线偏振膜层6的偏振方向垂直，光线被反射，即图像光线经第一透镜1内表面的第一线偏振膜层6的反射作用，入射到第二透镜2内表面上的四分之一波片膜层8，此时，图像光线的偏振态由线偏振光转变为圆偏振光，随后该图像光线经第二透镜2内表面的半透半反膜层9的反射后再次通过四分之一波片膜层8，此时，图像光线的偏振态由圆偏振光转变为线偏振光，且图像光线的偏振方向与之前第一次经过四分之一波片膜层8的线偏振光的偏振方向垂直，即与第一线偏振膜层6的偏振方向相同，此时图像光线再次入射到第一透镜1内表面的第一线偏振膜层6时，图像光线透射，入射到人眼4，被人眼4接收。

同时，外部环境光线依次透射第二透镜2的外表面、第二透镜2的内表面、半透半反膜层9、四分之一波片膜层8、第一线偏振膜层6、第一透镜1的内表面和第一透镜1的外表面，入射到人眼4，被人眼4接收，实现虚拟场景和现实场景叠加至人眼4，优选的，近眼可透视头显光学成像系统的成像位置100位于第二透镜2的背离人眼4一侧，保证了成像的清晰度。

本发明的较佳的实施例中，还包括一大视角光学双通道，大视角光学双通道包括：

第一光学通道，显示屏3发射的图像光线经第一透镜1反射后入射至第二透镜2，并经由第二透镜2反射后透射第一透镜1，形成第一光学通道；

第二光学通道，外部环境光线依次透射第二透镜2和第一透镜1形成第二光学通道。

本发明的较佳的实施例中，显示屏3为LCD显示屏，或LCOS显示屏。

本发明的较佳的实施例中，第一透镜1的朝向类三角柱体空间的一侧设有一第一线偏振膜层6。

本发明的较佳的实施例中，显示屏3为非偏振图像发射器，且类三角柱体空间的朝向第一透镜1一侧设有一第二线偏振膜层11。

本发明的较佳的实施例中，第二线偏振膜层11为透射式偏振膜层，且透射式偏振膜层的透射光的偏振方向与第一线偏振膜层6的偏振轴方向垂直。

具体地，本实施例中，显示屏3包括但不限于LCD显示屏，LCOS显示屏，OLED显示屏或其他图像发生器。当显示屏3为OLED显示屏等非偏振图像发生器时，优选在其表面增加第二线偏振膜层11，该第二线偏振膜层11优选为透射式偏振膜层，并要求透射光的偏振方向与第一透镜1的内表面的第一线偏振膜层6的偏振轴方向垂直，以使得OLED显示屏发出的图像光线经第二线偏振膜层11转变成能够被第一透镜1的内表面的第一线偏振膜层6反射的光线，同时能够降低部分杂光的影响。

本发明的较佳的实施例中，还包括一线栅5，设置于显示屏3和第一透镜1之间。

本发明的较佳的实施例中，第一透镜1的背离类三角柱体空间的一侧设有一第一增透膜层7。

本发明的较佳的实施例中，第二透镜2的朝向第一透镜1的一侧设有一半透半反膜层9和一四分之一波片膜层8，且四分之一波片膜层8位于第一透镜1和半透半反膜层9之间。

本发明的较佳的实施例中，四分之一波片膜层8的光轴方向与第一透镜1的朝向显示屏3的一侧设置的一第一线偏振反射膜层6的偏振方向的更佳的夹角为45度。

本发明的较佳的实施例中，半透半反膜层9的更佳的反射率为30％，透过率为70％。

本发明的较佳的实施例中，第二透镜2的背离类三角柱体空间的一侧设有一第二增透膜层10。

本发明的较佳的实施例中，第一透镜1为均厚薄镜片，或第一透镜1的最大厚度与最小厚度之差小于2mm。

本发明的较佳的实施例中，第一透镜1的面型为双曲抛物面，或单曲抛物面，或XY多项式自由曲面，或泽尼克多项式自由曲面。

具体地，本实施例中，第一透镜1为一种均厚薄镜片，或者其最大厚度与最小厚度的厚度差小于2毫米，其面型的数学表达式包括但不限于双曲抛物面、单曲抛物面、XY多项式自由曲面和泽尼克多项式自由曲面。

本发明的较佳的实施例中，第一透镜1和/或第二透镜2的面型均为XY多项式自由曲面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，c_mn是不同阶数的系数，p是多项式的最高次幂，满足1≤m+n≤p，选择偶次X项，保证面型关于YOZ面的对称性。值得一提的是，第一透镜1和/或第二透镜2的面型系数较佳的情形下是具体的和不同的。

本发明的较佳的实施例中，第一透镜1和/或第二透镜2的面型均为泽尼克多项式自由曲面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，第二项是Zernike多项式，A_i是Zernike多项式系数，E_i是Zernike多项式，ρ和θ分别是Zernike多项式的变量。值得一提的是，第一透镜1和/或第二透镜2的面型系数较佳的情形下是具体的和不同的。

本发明的较佳的实施例中，第一透镜1和/或第二透镜2的面型均为复曲面，其表达式为：

其中，c_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是曲面在X方向的二次曲面系数，k_y是曲面在Y方向的二次曲面系数，A_i是关于Z轴旋转对称的非球面系数，B_i是非旋转对称系数。值得一提的是，第一透镜1和/或第二透镜2的面型系数较佳的情形下是具体的和不同的。

本发明的较佳的实施例中，第二透镜2为均厚薄镜片，或第二透镜2的最大厚度与最小厚度之差小于2mm。

本发明的较佳的实施例中，作为一种凹面放大屈光器，第二透镜2面型的数学表达式包括但不限于球面、非球面和自由曲面。

本发明的较佳的实施例中，第二透镜2的面型为偶次非球面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，r是透镜的半孔径，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈分别为二阶项、四阶项、六阶项、八阶项、十阶项、十二阶项、十四阶项、十六阶项的系数。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (20)

1.一种近眼可透视头显光学成像系统，包括：第一透镜、第二透镜与一显示屏；所述第一透镜的一边与所述显示屏的一边贴合，所述第二透镜的一边与所述显示屏的另一边贴合，所述第一透镜的另一边与所述第二透镜的另一边贴合，所述第一透镜、所述第二透镜和所述显示屏围布形成一个类三角柱体空间；其特征在于，所述第一透镜的面型为类马鞍型自由曲面。

2.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，还包括一大视角光学双通道，所述大视角光学双通道包括：

第一光学通道，所述显示屏发射的图像光线经所述第一透镜反射后入射至所述第二透镜，并经由所述第二透镜反射后透射所述第一透镜，形成所述第一光学通道；

第二光学通道，外部环境光线依次透射所述第二透镜和所述第一透镜形成所述第二光学通道。

3.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述显示屏为LCD显示屏，或LCOS显示屏。

4.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜的朝向所述类三角柱体空间的一侧设有一第一线偏振膜层。

5.根据权利要求4所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述显示屏为非偏振图像发射器，且所述类三角柱体空间的朝向所述第一透镜一侧设有一第二线偏振膜层。

6.根据权利要求5所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第二线偏振膜层为透射式偏振膜层，且所述透射式偏振膜层的透射光的偏振方向与所述第一线偏振膜层的偏振轴方向垂直。

7.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，还包括一线栅，设置于所述显示屏和所述第一透镜之间。

8.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜的背离所述类三角柱体空间的一侧设有一第一增透膜层。

9.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第二透镜的朝向所述类三角柱体空间的一侧设有一半透半反膜层和/或一四分之一波片膜层。

10.根据权利要求9所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述四分之一波片膜层的光轴方向与所述第一透镜的朝向所述类三角柱体空间的一侧设置的一第一线偏振透膜层的偏振方向的夹角为40度～50度。

11.根据权利要求9所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述半透半反膜层的反射率为25％～35％，透过率为65％～75％。

12.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第二透镜的背离所述类三角柱体空间的一侧设有一第二增透膜层。

13.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜为均厚薄镜片，或所述第一透镜的最大厚度与最小厚度之差小于2mm。

14.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜的面型为双曲抛物面、单曲抛物面、XY多项式自由曲面，或泽尼克多项式自由曲面。

15.根据权利要求14所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜和/或所述第二透镜的面型均为XY多项式自由曲面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，c_mn是不同阶数的系数，p是多项式的最高次幂，满足1≤m+n≤p，选择偶次X项，保证面型关于YOZ面的对称性。

16.根据权利要求14所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜和/或所述第二透镜的面型均为泽尼克多项式自由曲面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，第二项是Zernike多项式，A_i是所述Zernike多项式系数，E_i是所述Zernike多项式，ρ和θ分别是所述Zernike多项式的变量。

17.根据权利要求14所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第一透镜和/或所述第二透镜的面型均为复曲面，其表达式为：

其中，c_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，c_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，k_x是曲面在X方向的二次曲面系数，k_y是曲面在Y方向的二次曲面系数，A_i是关于Z轴旋转对称的非球面系数，B_i是非旋转对称系数。

18.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第二透镜为均厚薄镜片，或所述第二透镜的最大厚度与最小厚度之差小于2mm。

19.根据权利要求1所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第二透镜的面型为球面、非球面，或自由曲面。

20.根据权利要求19所述的近眼可透视头显光学成像系统，其特征在于，所述第二透镜的面型为偶次非球面，其表达式为：

其中，c是曲率半径，k是二次曲面系数，r是透镜的半孔径，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈分别为二阶项、四阶项、六阶项、八阶项、十阶项、十二阶项、十四阶项、十六阶项的系数。

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