CN208654444U - 一种双目光学镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双目光学镜，包括一体形成的左镜和右镜，以及连接左镜和右镜的桥部，所述桥部被配置为当双目光学镜被置于人眼前时，位于鼻梁之上；所述左镜和右镜分别包括一个自由曲面棱镜，该自由曲面棱镜包括三个有效光学表面，所述三个有效光学表面包括至少一自由曲面的表面，其中，所述自由曲面的表面用以折反图像光以使像源图像得到预设的放大率并保持像差；所述图像光的出射面和/或图像光的入射面被置为非自由曲面的表面；所述自由曲面的表面包括具有预定反射率的反射层，有效光学表面和其他表面把左镜/右镜围成体形态。采用本实用新型所述的双目光学镜，可以扩大视场，增大出瞳直径，提升用户体验。

Description

一种双目光学镜

技术领域

本实用新型涉及一种光学系统。特别是一种用于头戴式显示设备的双目光学镜。可广泛应用于虚拟现实和增强现实显示领域。

背景技术

近年来，可穿戴式的虚拟现实和增强现实显示装置取得了长足的发展，特别是头戴显示装置，因其广泛的应用，越来越被广大用户接受和认可。由于头戴显示装置佩带与观察者头部，因此必须紧凑和轻量化。另外，视场角、出瞳等也会影响观察者的佩带体验。

为解决大视场问题，头戴显示装置的光学系统逐渐由同轴旋转对称投射式结构向折反射式结构演变。但往往这类光学系统结构比较复杂，有的采用大量的光学元件，将光学元件中心偏离光轴和相对于光轴倾斜，有的使用衍射/全息光学元件和塑料材料，有的应用特殊面型的非球面，增加光学设计的自由度，但这些设计加工成本比较昂贵，光学系统的装调也非常困难。

目前，有些光学系统采用自由曲面折反棱镜式的光学结构，利用折反光路可有效提高系统的紧凑度，减小系统整体的体积。同时，自由曲面的面型可以增加系统的设计自由度，从而以最大限度的控制成像畸变、减小系统像差，提高成像质量。

专利号为US5699194的发明专利，采用自由曲面棱镜，光线在自由曲面表面2反射一次，光学表面4上反射两次，最后透过表面2进入人眼，该光学系统的视场不大于30°H×22.8°V，出瞳直径为4mm。奥林巴斯在专利号US5701202 的专利里提出了类似的结构，并在棱镜与图像源之间增加了一块透镜，其最大视场为45°H×34.5°V，出瞳直径为4mm。

Interactive imaging systems公司的专利US6417970中也使用了自由曲面棱镜作为头盔显示光学系统的一部分。有些专利在棱镜表面4和图像源5或出瞳和棱镜之间增加一块透镜或衍射元件，以达到消除色差和像差的目的，有些专利在前面2增加衍射光学元件增加衍射光学元件。专利US6181475在出瞳1和棱镜2之间增加衍射光学元件，该专利中有些实例在棱镜4和显示器5之间增加了渐变折射率材料透镜。奥林巴斯的US6646812专利在前面增加了一块透镜，出瞳距离很长，但是视场很小。

奥林巴斯、佳能等公司先后还申请了类似的采用自由曲面棱镜多项发明专利，结构形式多种多样，但主要光学参数并没有提高，本质上没有解决出瞳直径和大视场的问题。相关的涉及使用了自由曲面棱镜的头戴显示器光学系统专利还有很多，这些专利的共同的不足是出瞳直径小，所采用的图像源尺寸比较大，对于出瞳直径很小的系统，不同的使用者必须进行瞳距调解，给产品使用带来了很大的麻烦。在瞳距不变的情况下，用户眼球稍微移动就可能看不到图像，影响产品的使用性能，进一步影响其应用推广。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双目光学镜，实现大视场角，大出瞳距；为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于对图像进行放大的双目光学镜，包括一体形成的左镜和右镜，以及连接左镜和右镜的桥部，所述桥部被配置为当双目光学镜被置于人眼前时，位于鼻梁之上；所述左镜和右镜分别包括三个有效光学表面，有效光学表面和非有效光学表面把左镜/右镜围成体形态；其中，所述三个有效光学表面包括至少一自由曲面的表面，该自由曲面的表面包括具有预定反射率的反射层，用以折反图像光以使像源图像得到预设的放大率并保持像差；

所述图像光的出射面和/或图像光的入射面被置为非自由曲面的表面。

进一步的，所述自由曲面表面可以通过XY多项式曲面来表述，描述方程如下：

其中c为曲面曲率半径，k为圆锥常数，Ci为多项式系数。

进一步的，所述非自由曲面的表面面型选自非球面或曲率半径大于100mm 的球面。

进一步的，所述自由曲面的表面的水平方向的投影距离小于或等于20mm。

进一步的，围绕左右镜入射面周边形成密封支撑部，用于密封显示器件到入射面的空间，并支撑显示器件与入射面的预定位置关系。

双目光学镜进一步包括分别附于左镜和右镜外侧的补偿镜；所述补偿镜与左/右镜胶合，或者通过机械固定，中间有空气隔膜。

进一步的，所述补偿镜与左/右镜相邻的光学表面与所述自由曲面的面型保持一致，面向环境侧的光学表面与左/右镜靠近人眼侧的光学表面平行。

进一步的，所述体形态的竖截面为圆形截面、多边形截面，适应外框形状。

进一步的，光学镜两边侧和桥部向上伸出固定部，用于和框架固定，所述固定部和光学镜一体形成或单独连接。

或者，光学镜两边侧向佩戴者方向伸出固定部，用于和镜腿固定，所述固定部与光学镜一体形成。

采用本发明所述的双目光学镜，采用一体成型设计，有利于佩戴，减轻了重量，光学镜的棱镜面型包含自由曲面，增大视场，扩大出瞳直径，提升了用户的佩戴体验。

附图说明

图1为本实用新型所述的双目光学镜的结构示意图；

图2为双目光学镜左镜的左视图；

图3为双目光学镜的左镜与补偿镜胶合时的左视图；

图4为双目光学镜的左镜与补偿镜有间隙时的左视图。

图5为一种示例性的包含有本实用新型双目光学镜的眼镜示意图

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本实用新型提供一种双目光学镜，如图1所示，包括左镜1和右镜2；以及连接左镜1和右镜2的倒U型桥部3；

左镜1和右镜2分别对应于人眼的左右目，与倒U型的桥部3一起，通过注塑一体成型，作为可代替的方案，通过胶合或者机械连接的方式，借由U型的桥部将左右镜连接在一起。当双目光学镜被置于人眼前时，其连接处的桥部 3位于鼻梁之上。

为了便于固定，双目光学镜的两边侧和桥部伸出固定部(未示出)，用于和框架(未示出)固定，所述固定部和光学镜可以一体成形，也可为独立的两个相连的部分。双目光学镜在垂直于通常水平视线方向的竖截面为圆形、多边形等，与框架相适应。

进一步的，在双目光学镜左右镜的靠近图像源的入射面周边形成具有密封作用的支撑部(未示出)，所述图像源由显示器例如LCD或OLED等小尺寸平板显示器件发出，对显示器到入射面的空间进行密封，并支撑显示器件与入射面的预定位置关系。

由于左右镜的结构相同，为便于描述，下面以左镜1为例，对双目光学镜进行说明。

如图2所示，为左镜1的左视图，左镜1为一自由曲面棱镜体11，包括三个有效的光学表面，其中，第一光学表面111具有平面或弯曲的表面面型，面对显示器设置，显示器发出的图像光经由第一光学表面111(记为光入射面) 折射进入左镜1内，在左镜1内向其第二光学表面112传播，第一次到达第二光学表面112时，图像光在左镜1的表面112上发生全内反射，反射光至左镜 1的第三光学表面113上再次被反射，经左镜1的表面112透射(记为光出射面)，到达人眼的出瞳位置EPD；其中，第二光学表面112的面型需满足使第一次到达其的图像光实现全内反射的条件，并且，由于第二光学表面112面向 EPD，通常需暴露在外，优选被置为利于进行保护和处理的表面面型，例如，呈现大于100mm的球面或者非球面，从而使第二光学表面112适宜使用现有的各种处理设备进行处理，同时，第三光学表面113具有自由曲面的面型，以提高对各种像差矫正的能力，在第三光学表面113上设置有反射层，使图像光入射到左镜1的表面113时能够被反射回左镜1的内部，反射层的反射比可以根据显示器件的发光亮度进行选择，以确保显示器的图像光尽可能被有效利用，并与亮度需要达到平衡，优选的，第三光学表面的自由曲面在水平方向(即沿视线方向)上的投影距离小于或等于20mm。

进一步的，第一光学表面111的面型优选的以自由曲面为宜，以进一步引入光焦度提高对图像的放大率，并且帮助各种像差的矫正。这样，显示器的图像光通过左镜1被重聚焦，使人眼看到的来自显示器的图像看上去像是从离眼睛几英尺远的地方发出的而不是从约一英寸远的地方(该显示器实际所在的位置)发出的，实现放大的虚像。

图像光出射面在竖直方向的投影距离为10mm～65mm。

根据本发明的上述实施例，各自由曲面表面可以通过XY多项式曲面(XYpolynomial，简称XYP)来表述，描述方程如下：

其中c为曲面曲率半径，k为圆锥常数，Ci为多项式系数。所述左镜的设计数据如表1所述：

本领域技术人员可以理解的，上述表格中的数据仅是符合本实用新型的一组示例，并不用于限定本实用新型，只要符合本实用新型的双目光学镜镜都符合本实用新型的要求。

左镜1进一步包括补偿镜12，如图3所示，补偿镜12和自由曲面棱镜11 胶合，或者通过如图4所示的通过机械(未示出)固定，两者之间有空气隔膜，其中，

如图4所示的，所述补偿镜12包括至少两个有效的光学表面，第一光学表面121朝向自由曲面棱镜11，其面型和自由曲面棱镜11的第三光学表面113 完全一致，第二光学表面122和自由曲面棱镜11的第二光学表面112平行，补偿镜12还包括下表面123。外部光线通过补偿镜12的第二光学表面122和第一光学表面121、自由曲面棱镜11的第三光学表面113和第二光学表面112入射到人眼，结合显示器发出的图像光，经由自由曲面棱镜11入射至人眼，实现虚实融合。调节自由曲面棱镜11的第三光学表面的反射膜的反射比，使外部光线和显示器发出的光线达到平衡，优选的，反射比为1/2，采用半反半透反射膜。

附有补偿镜的左/右镜使朝向环境的表面122和朝向人眼的表面112呈平行的平面或者球面，使双目光学镜可构成平整的外观，从而可以实现进一步的造型或者一体成型。一种示例性的方式如图5所示，附有补偿镜的双目光学镜形成为多边形的外型，轮廓与普通矫正视力的镜架/太阳镜架的外型类似，由于厚度大于通常5mm以内的普通矫正视力的镜片，在有效密封并支撑显示器的预定位置关系时，固定镜片的外框并不是必须的，像佩戴普通矫正视力的镜片一样，镜腿可直接连接至镜侧伸出的固定部，或者可选择的，使镜腿构成为与镜片同样的塑料材质与左镜和右镜一体的形成。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双目光学镜，其特征在于，包括一体形成的左镜和右镜，以及连接左镜和右镜的桥部，所述桥部被配置为当双目光学镜被置于人眼前时，位于鼻梁之上；

所述左镜和右镜分别包括三个有效光学表面，有效光学表面和非有效光学表面把左镜/右镜围成体形态；其中，

所述三个有效光学表面包括至少一自由曲面的表面，

该自由曲面的表面包括具有预定反射率的反射层，用以折反图像光以使像源图像得到预设的放大率并保持像差；

所述图像光的出射面和/或图像光的入射面被置为非自由曲面的表面。

2.如权利要求1所述的双目光学镜，其特征在于，所述自由曲面表面可以通过XY多项式曲面来表述，描述方程如下：

其中c为曲面曲率半径，k为圆锥常数，Ci为多项式系数。

3.如权利要求2所述的双目光学镜，其特征在于，所述非自由曲面的表面面型选自非球面或曲率半径大于100mm的球面。

4.如权利要求3所述的双目光学镜，其特征在于，所述自由曲面的表面的水平方向的投影距离小于或等于20mm。

5.根据权利要求1所述的双目光学镜，其特征在于，围绕左右镜入射面周边形成密封支撑部，用于密封显示器件到入射面的空间，并支撑显示器件与入射面的预定位置关系。

6.根据权利要求1至5任一所述的双目光学镜，其特征在于，所述进一步包括分别附于左镜和右镜外侧补偿镜；

所述补偿镜与左/右镜胶合，或者通过机械固定，中间有空气隔膜。

7.根据权利要求6所述的双目光学镜，其特征在于，所述补偿镜与左/右镜相邻的光学表面与所述自由曲面的面型保持一致，面向环境侧的光学表面与左/右镜靠近人眼侧的光学表面平行。

8.根据权利要求7所述的双目光学镜，其特征在于，所述体形态的竖截面为圆形截面、多边形截面，适应外框形状。

9.根据权利要求8所述的双目光学镜，其特征在于，光学镜两边侧和桥部向上伸出固定部，用于和框架固定，所述固定部和光学镜一体形成或单独连接。

10.根据权利要求5或8所述的双目光学镜，其特征在于，光学镜两边侧向佩戴者方向伸出固定部，用于和镜腿固定，所述固定部与光学镜一体形成。