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一種大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:10653114閱讀:447來源:國知局
一種大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),包括:具有三個(gè)光學(xué)工作面的棱鏡、半反半透鏡以及圖像顯示器,棱鏡的三個(gè)光學(xué)工作面分別為第一光學(xué)工作面、第二光學(xué)工作面以及第三光學(xué)工作面;圖像顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過第一光學(xué)工作面透射進(jìn)入棱鏡,然后經(jīng)過第三光學(xué)工作面反射,再經(jīng)過第二光學(xué)工作面反射,再經(jīng)過第三光學(xué)工作面透射,最后經(jīng)過半反半透鏡反射進(jìn)入人眼;位于半反半透鏡的遠(yuǎn)離人眼一側(cè)的光線經(jīng)過半反半透鏡透射進(jìn)入人眼。本發(fā)明的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)緊湊、出瞳距大、視場大、眼動(dòng)范圍大、全視場像差校正良好及高光能利用率等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
-種大出瞳大視場増強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域,特別設(shè)及一種大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,簡稱AR)顯示裝置快速發(fā)展,由于該系統(tǒng) 屬于頭戴系統(tǒng),因此它必須結(jié)構(gòu)緊湊和輕量化,W增強(qiáng)使用者的舒適度。對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示 裝置,大視場非常重要,大視場可W增加使用者的沉浸感,使觀察者能最大程度的觀察優(yōu)質(zhì) 的動(dòng)態(tài)圖像。而大的出瞳距可W使觀察者佩戴其他目視系統(tǒng)(如近視鏡)進(jìn)行使用,增加了 系統(tǒng)對佩戴者的適用范圍。但是,光學(xué)系統(tǒng)的視場、出瞳距、大出瞳直徑、短焦距等結(jié)構(gòu)參數(shù) 互相制約,同時(shí)滿足上述條件存在相當(dāng)大的困難。
[0003] 因此,急需提供一種能夠同時(shí)滿足大出瞳大視場的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,提出一種大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系 統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)緊湊、出瞳距大、視場大、眼動(dòng)范圍大、全視場像差校正良好及高光能利用率等 優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006] 本發(fā)明提供一種大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其包括:具有=個(gè)光學(xué)工作面 的棱鏡、半反半透鏡W及圖像顯示器,其中,
[0007] 所述棱鏡的=個(gè)光學(xué)工作面分別為第一光學(xué)工作面、第二光學(xué)工作面W及第=光 學(xué)工作面;
[000引所述圖像顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過所述第一光學(xué)工作面透射進(jìn)入所述棱鏡,經(jīng)過所 述第一光學(xué)工作面透射的光線經(jīng)過所述第=光學(xué)工作面反射,經(jīng)過所述第=光學(xué)工作面反 射的光線經(jīng)過所述第二光學(xué)工作面反射,經(jīng)過所述第二光學(xué)工作面反射的光線經(jīng)過所述第 =光學(xué)工作面透射,經(jīng)過所述第=光學(xué)工作面透射的光線經(jīng)過所述半反半透鏡反射進(jìn)入人 眼;
[0009] 位于所述半反半透鏡的遠(yuǎn)離所述人眼一側(cè)的光線經(jīng)過所述半反半透鏡透射進(jìn)入 人眼。
[0010] 較佳地,所述半反半透鏡為球面半反半透鏡。
[0011] 較佳地,所述半反半透鏡為兩面具有相同曲率半徑的玻璃片。
[0012] 較佳地,立個(gè)所述光學(xué)工作面中至少一個(gè)為自由曲面。
[0013] 較佳地,=個(gè)所述光學(xué)工作面為:一自由曲面、一偶次非球面、一標(biāo)準(zhǔn)球面。
[0014] 較佳地,所述第一光學(xué)工作面為標(biāo)準(zhǔn)球面、所述第二光學(xué)工作面為自由曲面,所述 第=光學(xué)工作面為偶次非球面。
[0015] 較佳地,所述圖像顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過所述第=光學(xué)工作面反射時(shí)的入射角滿 足:
[0016]
[0017] 其中,r/為第=光學(xué)工作面的光學(xué)材料的折射率。
[0018] 較佳地,所述圖像顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過所述第=光學(xué)工作面透射時(shí)的入射角滿 足:
[0019]
[0020] 其中,r/為第=光學(xué)工作面的光學(xué)材料的折射率。
[0021] 相較于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn):
[0022] (1)本發(fā)明提供的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),具有出瞳距大的優(yōu)點(diǎn),能夠保 證使用者在大視場范圍內(nèi)看到清晰、崎變小的圖像;本發(fā)明通過半反半透鏡將光線反射進(jìn) 入人眼,采用半反半透鏡對光路進(jìn)行折轉(zhuǎn),延長了出射光路的距離,即增加了出瞳距,可W 達(dá)到30mmW上,大出瞳距可W保證用戶可W在佩戴其他目視系統(tǒng)(如近視鏡)的情況下使用 該系統(tǒng);
[0023] (2)本發(fā)明的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),還具有視場角大、眼動(dòng)范圍大、全視場像差校正 良好等優(yōu)點(diǎn),用戶在使用過程中不易產(chǎn)生眼疲勞,具有優(yōu)秀的視覺體驗(yàn);本發(fā)明通過=工作 面棱鏡與半反半透鏡的配合,增大了視場角,提供了較大的眼動(dòng)范圍(±4mm),增加了產(chǎn)品 的適用范圍;
[0024] (3)本發(fā)明使用半反半透鏡進(jìn)行光路折轉(zhuǎn)與像差校正,現(xiàn)實(shí)世界中的景物經(jīng)過半 反半透鏡到達(dá)人眼,幾乎不會引入像差,不需要額外增加補(bǔ)償棱鏡系統(tǒng);
[0025] (4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)精巧、簡潔、緊湊,便于增加調(diào)節(jié)瞳距的機(jī)械機(jī)構(gòu);
[00%] (5)本發(fā)明對光線在第=光學(xué)工作面上的第一次入射角及第二次入射角進(jìn)行設(shè) 置,使全視場光線都能經(jīng)過第=光學(xué)工作面反射和透射,提高了光能利用率,顯示的圖像亮 度高。
[0027] 當(dāng)然,實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到W上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明:
[0029] 圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)的示意圖;
[0030] 圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的各視場的光學(xué)傳遞函數(shù)值的示意圖;
[0031] 圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的場曲圖;
[0032] 圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的崎變圖;
[0033] 圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的網(wǎng)格崎變圖;
[0034] 圖6為現(xiàn)有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。
[0035] 標(biāo)號說明:1-棱鏡,2-半反半透鏡,3-圖像顯示器,4-人眼;11-第一光學(xué)工作面, 12-第二光學(xué)工作面,13-第=光學(xué)工作面。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明,本實(shí)施例在W本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施,給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。
[0037] 結(jié)合圖1,對本發(fā)明的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述,其包括:棱鏡1、半反半透 鏡2W及圖像顯示器3,棱鏡1包括:第一光學(xué)工作面11、第二光學(xué)工作面12W及第=光學(xué)工 作面13。其中,圖像顯示器3發(fā)出的光線,先經(jīng)過棱鏡1的第一光學(xué)工作面11透射進(jìn)入棱鏡1, 然后在第=光學(xué)工作面13內(nèi)側(cè)反射,經(jīng)過第二光學(xué)工作面12反射,再經(jīng)過第一光學(xué)工作面 11透射,再經(jīng)過半反半透鏡2反射后,到達(dá)人眼4。
[0038] 本實(shí)施例中,棱鏡1的=個(gè)光學(xué)工作面的曲面方程如下:
[0039] (1)第一光學(xué)工作面11為標(biāo)準(zhǔn)球面,其面型方程如下:
[0040]
( 1 )
[0041] 其中,C為曲率半徑,k為二次曲面系數(shù),A,B,C,D分別為4,6,8,10階非球面系數(shù),其 結(jié)構(gòu)參數(shù)為R = 117.6592mm。
[0042] (2)第二光學(xué)工作面12為自由曲面(擴(kuò)展多項(xiàng)式面型),其面型方程如下:
[0043] (2)
[0044] 其中,C為曲率半徑,k為二次曲面系數(shù),P2 = x2+y2,N為級數(shù)中多項(xiàng)式系數(shù)的總數(shù), Al為第i項(xiàng)擴(kuò)展多項(xiàng)式的系數(shù),該多項(xiàng)式只是在x,y方向的幕級數(shù),第一項(xiàng)是X,然后是y,接 著是,x*y,y*y等等,1次項(xiàng)有2項(xiàng),2次項(xiàng)有S項(xiàng),3次項(xiàng)有4項(xiàng)等等,X和y等位置的數(shù)據(jù)值 都會除W-個(gè)歸一化半徑,得到一個(gè)沒有量鋼的多項(xiàng)式系數(shù),其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,表1中 各標(biāo)號的定義如表2所示,如3,4分別為x,y的系數(shù):
[0045] 表1第二光學(xué)工作面的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0046]
[0047
[00少
[0049] (3)第=光學(xué)工作面13為偶次非球面,其面型方程如下:
[00 加]
C3)
[00川其中,C為曲率半徑,k為二次曲面系數(shù),r為透鏡的半孔徑,曰1、曰2、曰3、曰4、曰日、曰6、曰7、口8 分別為二階項(xiàng)、四階項(xiàng)、六階項(xiàng)、十階項(xiàng)、十二階項(xiàng)、十四階項(xiàng)、十六階項(xiàng)的系數(shù),其結(jié)構(gòu)參數(shù) 如表3所示:
[0052]表3第=光學(xué)工作面的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0化3]
[0化4]
[0055] 第=光學(xué)工作面13既是透射面又是反射面,光線第一次經(jīng)過第=光學(xué)工作面13時(shí) 反射,第二次經(jīng)過第=光學(xué)工作面13時(shí)透射。
[0056] 本實(shí)施例中,所有全視場邊緣光線第一次經(jīng)過第=光學(xué)工作面時(shí)的入射角0milW 及第二次經(jīng)過第S光學(xué)工作面時(shí)的入射角0mi2滿足W下關(guān)系式:
[0057]
(4 )
[0058] 其中,n/為第=光學(xué)工作面的透明光學(xué)材料的折射率,滿足上述關(guān)系式后,可W保 證全視場的光線都能夠被第=光學(xué)工作面反射和透射,減少了光能損失,使其具有高光能 利用率,使其顯示的圖像亮度高。
[0059] 本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)通過半反半透鏡將光線反射進(jìn)入人眼,采用半反半透鏡對光 路進(jìn)行折轉(zhuǎn),延長了出射光路的距離,即增加了出瞳距,使人眼與半反半透鏡之間的直線距 離可W達(dá)到30mmW上,便于使用者佩戴其他眼鏡,增強(qiáng)了光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展性。
[0060] 現(xiàn)有的自有曲面棱鏡系統(tǒng),結(jié)構(gòu)類似模形且自身具有一定的光焦度,產(chǎn)生屈光效 應(yīng),使真實(shí)景物產(chǎn)品扭曲或偏轉(zhuǎn),同時(shí)產(chǎn)生巨大的像差,需要額外增加補(bǔ)償自由曲面棱鏡, 對真實(shí)物理世界的光線進(jìn)行補(bǔ)償,如圖5和圖6所示。而本發(fā)明使用半反半透鏡2進(jìn)行光路折 轉(zhuǎn)與像差校正,半反半透鏡2為玻璃片,焦距非常大,現(xiàn)實(shí)世界中的景物經(jīng)過球面半反半透 鏡到達(dá)人眼,幾乎不會引入像差,不需要額外增加補(bǔ)償棱鏡系統(tǒng)。
[0061] 利用本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng),可W使得各視場(中屯、視場及邊緣視場)的光學(xué)傳遞函 數(shù)在361p/mm處大于0.45,各視場光學(xué)傳遞函數(shù)值如圖2所示,即可W使各視場均達(dá)到衍射 極限,使光學(xué)系統(tǒng)具有優(yōu)秀的光學(xué)性能。
[0062] 利用本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng),可W將場曲控制在小于02mm的范圍內(nèi),場曲圖如圖3所 示,可W將崎變控制在小于2%的范圍內(nèi),崎變圖如圖4所示,將場曲、崎變完美的限制在人 眼的有效范圍內(nèi),無需對圖像源進(jìn)行電子校正。
[0063] 不同實(shí)施例中,第一光學(xué)工作面11、第二光學(xué)工作面12W及第=光學(xué)工作面13的 面型可W互換,也可W采用其它面型,可W根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。
[0064] 不同實(shí)施例中,第一光學(xué)工作面11、第二光學(xué)工作面12W及第=光學(xué)工作面13的 結(jié)構(gòu)參數(shù)不一定為本實(shí)施例中所舉出的,可W根據(jù)需要進(jìn)行不同的設(shè)置。
[0065] 較佳實(shí)施例中,半反半透鏡為兩面具有相同曲率半徑的玻璃片,進(jìn)一步增加了其 焦距,如半反半透鏡為厚度為2mm,兩面具有相同曲率半徑的玻璃片,焦距大于2000mm,現(xiàn)實(shí) 世界中的景物經(jīng)過如此大焦距的透鏡到達(dá)人眼時(shí),更不會引入像差。
[0066] 較佳實(shí)施例中,控制=個(gè)光學(xué)工作面的結(jié)構(gòu)參數(shù),包括:偏屯、、傾斜、曲面一階W及 曲面二階,可W使單色像差得到很好的控制,進(jìn)一步減小系統(tǒng)的像差。
[0067] 此處公開的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,本說明書選取并具體描述運(yùn)些實(shí)施例,是 為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用,并不是對本發(fā)明的限定。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員 在說明書范圍內(nèi)所做的修改和變化,均應(yīng)落在本發(fā)明所保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,包括:具有三個(gè)光學(xué)工作面的棱 鏡、半反半透鏡以及圖像顯示器,其中, 所述棱鏡的三個(gè)光學(xué)工作面分別為第一光學(xué)工作面、第二光學(xué)工作面以及第三光學(xué)工 作面; 所述圖像顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過所述第一光學(xué)工作面透射進(jìn)入所述棱鏡,經(jīng)過所述第 一光學(xué)工作面透射的光線經(jīng)過所述第三光學(xué)工作面反射,經(jīng)過所述第三光學(xué)工作面反射的 光線經(jīng)過所述第二光學(xué)工作面反射,經(jīng)過所述第二光學(xué)工作面反射的光線經(jīng)過所述第三光 學(xué)工作面透射,經(jīng)過所述第三光學(xué)工作面透射的光線經(jīng)過所述半反半透鏡反射進(jìn)入人眼; 位于所述半反半透鏡的遠(yuǎn)離所述人眼一側(cè)的光線經(jīng)過所述半反半透鏡透射進(jìn)入人眼。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述半反半透 鏡為球面半反半透鏡。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述半反半透 鏡為兩面具有相同曲率半徑的玻璃片。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,三個(gè)所述光學(xué) 工作面中至少一個(gè)為自由曲面。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,三個(gè)所述光學(xué) 工作面為:一自由曲面、一偶次非球面、一標(biāo)準(zhǔn)球面。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述第一光學(xué) 工作面為標(biāo)準(zhǔn)球面、所述第二光學(xué)工作面為自由曲面,所述第三光學(xué)工作面為偶次非球面。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述圖像顯示 器發(fā)出的光線經(jīng)過所述第三光學(xué)工作面反射時(shí)的入射角滿足:其中,Y為第三光學(xué)工作面的光學(xué)材料的折射率。8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的大出瞳大視場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述圖像 顯示器發(fā)出的光線經(jīng)過所述第三光學(xué)工作面透射時(shí)的入射角滿足:其中,Y為第三光學(xué)工作面的光學(xué)材料的折射率。
【文檔編號】G02B27/01GK106019595SQ201610601123
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月27日
【發(fā)明人】梁海亮, 董若, 李長隆
【申請人】上海渺視光學(xué)科技有限公司
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