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