一種輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，為單目目視光學系統(tǒng)，包含球面顯示屏、球面反射鏡和出瞳面；由物側至人眼側，球面顯示屏、球面反射鏡、出瞳面沿光軸方向共軸依次排列；球面顯示屏為凸球面，其曲率半徑為r；球面反射鏡為凹球面，其曲率半徑為2r；球面顯示屏與球面反射鏡的球心重合；其中，r滿足條件：15mm≤r≤75mm。該系統(tǒng)能實現(xiàn)視場大、像質好、體積小、重量輕、成本低這幾項需求的理想結合，并易于實現(xiàn)有環(huán)境透視需求的系統(tǒng)。
【專利說明】
一種輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，屬于光學系統(tǒng)設計技術領 域，具體應用于頭戴顯示設備范疇。
【背景技術】
[0002] 在頭戴顯示設備(HMD)中，近眼顯示光學系統(tǒng)是核心組成部分。由于各種因素的相 互制約，目前的系統(tǒng)仍無法滿足對于視場大(30度左右或以上）、像質好、體積小、重量輕、成 本低這幾項因素的理想結合，某些需要環(huán)境透視(see-through)的系統(tǒng)（如增強現(xiàn)實AR)更 是進一步提高了系統(tǒng)設計的難度?，F(xiàn)有的系統(tǒng)要么視場小，要么視場大但過于臃腫沉重、頭 部負擔大，要么涉及光波導、衍射光柵等復雜光學元件，加工制造成本高。

【發(fā)明內容】

[0003] 本實用新型提供一種輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，能實現(xiàn)視場大、像質好、體 積小、重量輕、成本低這幾項需求的理想結合，并易于實現(xiàn)有環(huán)境透視需求的系統(tǒng)。
[0004] 技術方案如下：該輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)為單目目視光學系統(tǒng)，包含球 面顯示屏、球面反射鏡和出瞳面；由物側至人眼側，所述球面顯示屏、球面反射鏡、出瞳面沿 光軸方向共軸依次排列;所述球面顯示屏為凸球面，其曲率半徑為r;所述球面反射鏡為凹 球面，其曲率半徑為2r;在該光學系統(tǒng)的等價基礎光學系統(tǒng)中，所述球面顯示屏的球心與所 述球面反射鏡的球心重合;其中，r滿足條件：15mn^ r < 75mm。由于近眼顯示系統(tǒng)中使用的 微顯示器尺寸小、像素密度高，人眼難以直接觀察，該技術方案通過將微顯示器的球面顯示 屏置于一球面反射鏡的光焦面處（1/2半徑處），使所述球面顯示屏上像素點發(fā)出的光經所 述球面反射鏡反射后成為準直光后到達出瞳面，從而使人眼在出瞳處看到位于遠方的放大 的圖像。通過參數r的進一步約束，可滿足大視場、輕小及良好像質的理想結合。（需要說明 的是:文中"沿光軸方向共軸依次排列"是指沿光軸上的光路順序排列，并非物理位置上的 順序排列；另外，由于在本實用新型最基礎的光學系統(tǒng)中可插入若干個光路轉折鏡，除光學 系統(tǒng)及其光路被轉折外，其視場、像質等基本特性和原基礎光學系統(tǒng)是等價的，但光路轉折 鏡對光學系統(tǒng)的轉折可能使一些原基礎光學系統(tǒng)中重合的點在物理位置上不再重合，因而 引入"等價基礎光學系統(tǒng)"的概念來表達某光學系統(tǒng)省略所有光路轉折鏡后等價變換后的 光學系統(tǒng)。）
[0005] 由于頭戴顯示設備的特殊性，當設備佩戴于頭部后，除人眼的轉動外，人眼與光學 系統(tǒng)的相對位置保持固定，因而通過出瞳位置的設計，可令人眼在設計視場內獲得最佳的 成像效果。
[0006] 優(yōu)選地，所述光學系統(tǒng)裝置于頭戴設備，當佩戴使用時，人眼瞳孔在該光學系統(tǒng)的 等價基礎光學系統(tǒng)中位于所述重合球心處。此時所述出瞳面正位于所述重合球心處，整個 光學系統(tǒng)具有以所述重合球心為中心的旋轉對稱性，除所述出瞳面有一個相對傾斜角外， 所述球面顯示屏上的軸外像素點和軸上像素點的成像光路基本相同，因而具有同等良好的 像質水平。
[0007] 又或者，所述光學系統(tǒng)裝置于頭戴設備，當佩戴使用時，人眼球球心在該光學系統(tǒng) 的等價基礎光學系統(tǒng)中與所述重合球心重合。此時由于所述球面顯示屏、球面反射鏡和人 眼眼球三者同心，當眼球轉動朝其他方向查看時，其視覺中心的成像質量保持不變，始終為 沿光軸方向查看時軸上像素點的成像質量。
[0008] 一般而言，所述出瞳面越接近所述重合球心處，其以所述重合球心為中心的旋轉 對稱性作用越大，軸外像差越小，越能滿足大視場設計的需要。因此，該系統(tǒng)易于設計全視 場角在30度左右或以上的系統(tǒng)。
[0009] 優(yōu)選地，所述球面顯示屏上的圖像像素點在該球面上均勻排列。該方案可實現(xiàn)各 向均勻的球面視覺圖像。
[0010]又或者，所述球面顯示屏的圖像源為均勻采樣的平面圖像，所述球面顯示屏上的 圖像像素點質心在參考平面的輻射投影在該平面上以所述圖像源的采樣方式均勻排列，其 中：參考平面為垂直于光軸、在光軸正向并距所述球面顯示屏球心距離為d的平面，某點在 參考平面的輻射投影為該點與所述球面顯示屏球心連線延長線與參考平面的交點。該方案 通過精確定位所述球面顯示屏上的圖像像素點的位置，使其相對于圖像源產生與該光學系 統(tǒng)畸變相反的負畸變，以抵消原有畸變，最終對人眼呈現(xiàn)出相對于圖像源零畸變的平面視 覺圖像。
[0011] 在此基礎上，優(yōu)選地，所述圖像源為全等矩形網格采樣的平面矩形圖像，采樣點位 于全等矩形頂點處，所述圖像像素點質心在所述參考平面的輻射投影的橫向間距為2d*tan a/(w_l)，縱向間距為2d*tani3/(h-l)，其中：α、β分別為所述光學系統(tǒng)設計視場的橫向半視 場角和縱向半視場角，w、h分別為所述圖像源分辨率的寬和高。此方案的效果是:對人眼視 覺上呈現(xiàn)出零畸變的平面矩形圖像，像在觀看遠方的一個超大平面矩形屏幕。
[0012] 優(yōu)選地，所述圖像像素點的大小與該像素點質心在所述參考平面的輻射投影距所 述球面顯示屏球心的距離成反比。該方案使得每個像素點在視覺上的視角大小有所區(qū)別， 模擬真實的平面視覺圖像效果。
[0013] 優(yōu)選地，為實現(xiàn)精確的像素點位置分布，所述球面顯示屏上的像素點通過精確加 工工藝進行制備，實現(xiàn)技術可采用OLED、IXD、LCos或DMD中的一種。
[0014]優(yōu)選地，所述球面顯示屏為透明屏，其凸面一側發(fā)出的光強于凹面一側發(fā)出的光。 通過將球面顯示屏實施為透明屏，從球面反射鏡反射回來的光可透過球面顯示屏，從而進 入人眼。另外，凹面一側發(fā)出的光由于近眼無法在視網膜上成像，但仍會產生一定干擾，通 過抑制該側發(fā)出的光可有效降低成像干擾。
[0015]優(yōu)選地，所述球面顯示屏和所述球面反射鏡之間、所述球面反射鏡和所述出瞳面 之間還插入若干個光路轉折鏡對所述光學系統(tǒng)進行光路轉折，其中：光路轉折鏡為平面反 射鏡或平面半反半透鏡(半反半透指部分反射、部分投射，并非一定各占50 % )。這些光路轉 折鏡的主要作用是轉折(折疊)光路，使系統(tǒng)體積更小，及適應特定產品的結構;此外，如果 沒有光路轉折鏡，球面顯示屏必須實施為透明的顯示屏，在球面顯示屏和球面反射鏡之間 加入一個平面半反半透鏡，則可避免上述這種必要性，降低制造難度和成本。而在球面反射 鏡和出瞳面之間加入平面半反半透鏡，則能輕易實現(xiàn)可環(huán)境透視的系統(tǒng)。（得益于該系統(tǒng)較 大的出瞳距離。）
[0016]另外，組合兩組本光學系統(tǒng)，采用同一圖像源、不同圖像源、或者是同一圖像源中 不同的部分，可實現(xiàn)雙目顯示系統(tǒng)。
[0017]以上所有優(yōu)選方案，除非有明確依賴的前提優(yōu)選方案，否則皆可作為單獨的優(yōu)選 方案與其他優(yōu)選方案進行組合。
[0018] 綜上所述，本實用新型的技術方案可實現(xiàn)視場大(30度左右或以上）、像質好(無色 差、成像清晰、零畸變）、體積小(無需大而厚的透鏡，所有光學元件都可實施為薄片式的元 件）、重量輕(元件薄，并且可實施為光學樹脂、塑料等輕質材料）、成本低(所有光學元件都 易于加工，結合注塑等工藝可進一步降低成本)這幾項需求的理想結合，并易于實現(xiàn)有透視 需求的系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本實用新型第一實施例的示意圖，同時也是本實用新型的基礎光學系統(tǒng)構 成圖；
[0020] 圖2為本實用新型第一實施例在zemax中建模的點列圖；
[0021] 圖3為本實用新型第一實施例在zemax中建模的調制傳遞函數圖；
[0022]圖4為本實用新型第二實施例在zemax中建模的點列圖；
[0023]圖5為本實用新型第二實施例在zemax中建模的調制傳遞函數圖；
[0024]圖6為本實用新型第三實施例在zemax中建模的點列圖；
[0025] 圖7為本實用新型第三實施例在zemax中建模的調制傳遞函數圖；
[0026] 圖8為本實用新型第四實施例在zemax中建模的點列圖；
[0027]圖9為本實用新型第四實施例在zemax中建模的調制傳遞函數圖；
[0028]圖10為本實用新型第一實施例在zemax中建模的場曲/畸變曲線圖；
[0029]圖11為本實用新型第五實施例中球面顯示屏上圖像像素點的排列特征方案一的 立體示意圖（投影點為全等矩形頂點）；
[0030] 圖12為本實用新型第五實施例中球面顯示屏上圖像像素點的排列特征方案二的 立體示意圖（投影點為等邊三角形頂點）；
[0031] 圖13為本實用新型第五實施例中球面顯示屏上圖像像素點的排列特征方案三的 立體示意圖（投影點為正六邊形頂點）；
[0032] 圖14為本實用新型第五實施例在圖11方案基礎上指定分辨率矩形圖像源的具體 實施方案立體示意圖；
[0033] 圖15為本實用新型第六實施例的示意圖；
[0034] 圖16為本實用新型第七實施例的示意圖；
[0035] 圖17為本實用新型第八實施例的示意圖。
[0036] 附圖標記說明
[0037] 1:球面顯示屏
[0038] 2:球面反射鏡
[0039] 3:出瞳面
[0040] 4:等價基礎光學系統(tǒng)中球面顯示屏和球面反射鏡的重合球心
[0041 ] 5:人眼
[0042] 6:光軸
[0043] 7:平面半反半透鏡(一）
[0044] 8:平面半反半透鏡(二）
[0045] 101:球面顯示屏的球心
[0046] 102:參考平面
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進一步說明。
[0048] 第一實施例：
[0049]如附圖1所示，第一實施例的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)為單目目視光學系 統(tǒng)，包含球面顯示屏1、球面反射鏡2及出瞳面3;由物側至人眼側，球面顯示屏1、球面反射鏡 2、出瞳面3沿光軸6方向共軸依次排列;球面顯示屏1為凸球面，其曲率半徑為r;球面反射鏡 2為凹球面，其曲率半徑為2r;球面顯示屏1與球面反射鏡2的球心4重合；出瞳面3位于重合 球心4處(對應人眼瞳孔位于重合球心處）。
[0050] 具體實施為:r = 50mm，出瞳直徑為較寬松的10mm。球面顯示屏1實施為透明屏（如 OLED透明顯示屏），球面反射鏡2為一側鍍有反射膜的球面基片。
[0051 ] 縣體光學系統(tǒng)參教加下，（里份，臺米
） L〇〇53J 其中，序號1表_為球不坼1，序號2表_為球_反射鏡2,序號3表_為出瞳_ 3〇
[0054]在zemax軟件中建模，系統(tǒng)設置為無焦像空間模式，孔徑類型為隨光闌浮動，視場 類型為物高(毫米），視場參數為：（〇,〇)、（〇, 10.78)、（0,15.24)，波長設置為0.4861微米、 0.5876微米、0.6563微米。以此參數定義的設計視場角為35.5度，系統(tǒng)總長為100毫米。
[0055] 其點列圖如附圖2所示，分別為視場(0，0)、（0,10.78)、（0,15.24)對應的點列圖， 單位為毫弧度。下方統(tǒng)計數據可見:視場1的RMS半徑為0.078毫弧度，GEO半徑為0.126毫弧 度;視場2的RMS半徑為0.076毫弧度，GEO半徑為0.129毫弧度;視場3的RMS半徑為0.074毫弧 度，GEO半徑為0.132毫弧度，可見三個視場的成像質量相當。由于人眼的視角分辨率約為1 分(相當于0.291毫弧度），可見成像具有良好的清晰度。
[0056] 其調制傳遞函數如附圖3所示，其橫軸為角空間頻率，單位為線對/毫弧度，縱軸為 傳遞函數值，圖中可見三個視場的函數曲線非常接近，說明軸外像素點和軸上像素點的成 像質量水平相當；當縱坐標為0.03(人眼分辨極限）時，橫坐標為15.81線對/毫弧度(相當于 約276線對/度）；當縱坐標為0.5時，橫坐標為5.04線對/毫弧度(相當于約88線對/度）。以人 眼視角分辨率為1分計算，即當橫坐標為30線對/度(相當于1.72線對/毫弧度)時，調制傳遞 函數值約為〇. 82，由此可見，系統(tǒng)具有良好的像質水平。
[0057]另外，在zemax軟件中可對其進行優(yōu)化，優(yōu)化后序號2表面曲率半徑基本上仍為序 號1表面的2倍，其球心仍與序號1表面的球心基本重合，序號3表面基本位于上述球心處，除 了部分指標有所優(yōu)化外，總體上與原模型相當。因此也屬本實用新型保護范圍。
[0058] 第二實施例：
[0059]第二實施例在第一實施例的基礎上，使出瞳面3位于重合球心4前，使得球面顯示 屏1、球面反射鏡2和人眼5眼球三者同心。人眼眼球半徑約為10毫米，具體實施為出瞳面3置 于重合球心4前10毫米處。
[0000]具體光學系統(tǒng)參數如下：（單位:毫米）
L〇〇62」 zemax軟件中系統(tǒng)、視場和波長設置同第一實施例，以此參數定義的設計視場角為 35.5度，系統(tǒng)總長為90暈米。
[0063]其點列圖如附圖4所示，三個視場的RMS半徑分別為0.078毫弧度、0.136毫弧度和 0.180毫弧度，遠低于人眼視角分辨率(0.291毫弧度），成像質量良好。
[0064]其調制傳遞函數如附圖5所示，中心視場的像質水平和第一實施例相當，隨視場的 增大像質水平有所下降。當橫坐標為30線對/度(相當于1.72線對/毫弧度)時，最大視場的 最低MTF為0.54。由此可見，系統(tǒng)具有良好的像質水平。
[0065] 第三實施例：
[0066]第三實施例在第一實施例的基礎上，使r值減小至15mm，以最大限度縮減系統(tǒng)長度 (體積）。由于相對孔徑的增大，為了獲得理想的像質，約束出瞳直徑為4_(適合白天等亮度 較高的環(huán)境）。
[0067]具體光學系統(tǒng)參數如下：（單位:毫米）
[0069] zemax軟件中系統(tǒng)和波長設置同第一實施例，視場參數為：（0,0)、（0,5.30)、（0， 7.50)。以此參數定義的設計視場角為60度，系統(tǒng)總長為30毫米。
[0070]其點列圖如附圖6所示，三個視場的RMS半徑分別為0.185毫弧度、0.175毫弧度和 0.169毫弧度，遠低于人眼視角分辨率(0.291毫弧度），成像質量良好。
[0071]其調制傳遞函數如附圖7所示，三個視場的函數曲線仍較接近，軸外像素點和軸上 像素點的像質水平相當。當橫坐標為30線對/度(相當于1.72線對/毫弧度)時，所有視場的 最低MTF為0.57。由此可見，系統(tǒng)具有良好的像質水平。
[0072] 第四實施例：
[0073] 第四實施例在第三實施例的基礎上，使r值增大至75mm，增大出瞳距離，及球面顯 示屏與球面反射鏡的距離，以滿足產品需要，同時保持系統(tǒng)總長在100毫米以內的尺寸大 小。
[0074] 具體光學系統(tǒng)參數如下：（單位:毫米）
[0077] zemax軟件中系統(tǒng)和波長設置同第三實施例，視場參數為：（0,0)、（0,13.75)、（0， 19.44)。以此參數定義的設計視場角為30度，系統(tǒng)總長為100毫米。
[0078]其點列圖如附圖8所示，三個視場的RMS半徑分別為0.001毫弧度、0.087毫弧度和 0.170毫弧度，遠低于人眼視角分辨率(0.291毫弧度），成像質量良好。
[0079] 其調制傳遞函數如附圖9所示，隨視場的增大像質水平有所下降，當橫坐標為30線 對/度(相當于1.72線對/毫弧度)時，最大視場的子午MTF為0.32，弧矢MTF為0.63，中心視場 和第二視場的MTF值都在0.5以上。由此可見，系統(tǒng)仍具有較佳的像質水平。
[0080] 以上四個實施例，系統(tǒng)總長都在100毫米以內，并且球面顯示屏1和球面反射鏡2都 可實施為薄片式元件，其間可插入若干光路轉折鏡對光路進行折疊，進一步縮小系統(tǒng)體積。 [0081 ] 第五實施例：
[0082]以下在第一實施例的基礎上，對技術方案作進一步優(yōu)化。
[0083]附圖10為第一實施例在zemax中的場曲/畸變曲線圖，可見系統(tǒng)場曲為零，畸變?yōu)?5%。通過對球面顯示屏1上像素點的精確布局，可實現(xiàn)相對于圖像源零畸變的系統(tǒng)。
[0084] 優(yōu)選地，球面顯示屏1上的圖像像素點通過精確加工工藝制備，技術采用0LED、 LCD、LCos 或 DMD 中的一種。
[0085] 優(yōu)選地，通過對球面顯示屏1上的圖像像素點在該球面上均勻排列，可實現(xiàn)各向均 勻的球面視覺圖像。
[0086] 又或者，如附圖11、12、13所示，球面顯示屏1的圖像源為均勻采樣的平面圖像，球 面顯示屏1上的圖像像素點質心在參考平面102的輻射投影在該平面上以圖像源的采樣方 式均勻排列（參考平面102為垂直于光軸、在光軸正向并距球面顯示屏球心101距離為d的平 面，某點在參考平面102的輻射投影為該點與球面顯示屏球心101連線延長線與參考平面 102的交點）。以此方案布局的圖像像素點，使人眼在視覺上產生與原有畸變相反的負畸變， 抵消光學系統(tǒng)原有畸變，最終對人眼呈現(xiàn)的是相對于圖像源零畸變的平面視覺圖像。
[0087] 在此基礎上，優(yōu)選地，圖像像素點質心在參考平面102的輻射投影在該平面上均勻 排列，可實施為多種排列方式，以滿足不同圖像源的需要。如附圖6所示的全等矩形網格，可 用于全等矩形網格采樣的平面圖像源；附圖7所示的等邊三角形網格，可用于等邊三角形網 格采樣的平面圖像源；附圖8所示的正六邊形網格，可用于正六邊形網格采樣的平面圖像 源。（上述采樣點和投影點均位于網格多邊形的頂點處。）根據幾何關系，球面顯示屏上各像 素點的球坐標可以容易算得。
[0088]在此基礎上，優(yōu)選地，實施球面顯示屏1的圖像源為全等矩形網格采樣的平面矩形 圖像，采樣點位于全等矩形頂點處，球面顯示屏1上圖像像素點質心在參考平面102的輻射 投影的橫向間距為2d*tana/(w-l)，縱向間距為2d*tani3/(h-l)(其中：α、β分別為所述光學 系統(tǒng)設計視場的橫向半視場角和縱向半視場角，w、h分別為所述圖像源分辨率的寬和高）。 如附圖14所示，參考平面102上的全等矩形橫向邊長為2d*tana/( w-l)，縱向邊長為2d*tan fV(h-l)，圖像源分辨率為w*h，具體實施取d= 150毫米、α = 12.7534度、β= 12.7534度、W = 4、h = 4(以上取值僅為便于實施例說明，實際實施時可寬泛選擇），則參考平面102上的全等 矩形大小為22.634毫米*22.634毫米，個數為3*3，其頂點坐標分別為(-33.951，-33.951)、 (-11·317，-33·951)、（11·317，-33·951)、（33·951，-33·951)、（-33·951，-11·317)、（-11.317,-11.317)、（11.317,-11.317)、（33.951,-11.317)、（-33.951,11.317)、（-11.317， 11.317)、（11.317,11.317)、（33.951,11.317)、（-33.951,33.951)、（-11.317,33.951)、 (11.317,33.951)、（33.951,33.951)，球面顯示屏1半徑r為50毫米，根據幾何關系，可計算 得球面顯示屏1上圖像像素點P的球坐標（以球面顯示屏球心為原點0)分別為：（50.000， 0.3098,3.9270)、（50·000,0.2342,4.3906)、（50.000,0.2342,5.0341)、（50·000,0.3098， 5·4978)、（50·000，0·2342，3·4633)、（50·000，0·1063，3·9270)、（50·000，0·1063，5·4978)、 (50·000,0.2342,5.9614)、（50.000,0·2342,2.8198)、（50·000,0.1063,2.3562)、（50.000， 0.1063,0.7854)、（50·000,0.2342,0.3218)、（50.000,0.3098,2.3562)、（50·000,0.2342， 1 · 8925)、（50 · 000，0 · 2342，1 · 2490)、（50 ·000，0 · 3098，0 · 7854)。其中，點P的球坐標（P，Θ， Φ )中P為點P到原點〇的距離，Θ為有向線段OP與Z軸正向的夾角，Φ為從正Z軸來看自X軸按 逆時針方向轉到OM所轉過的角(M為點P在XOY面上的投影）。以上述球坐標制備球面顯示屏， 該系統(tǒng)可實現(xiàn)橫向和縱向半視場角都為12.7534度(對角視場角35.5度）、圖像分辨率為4* 4,并且相對于矩形圖像源零畸變的平面視覺圖像。
[0089] 優(yōu)選地，由于平面視覺圖像中，平面上等大的像素點在視覺上的視角大小與距觀 察點的距離成反比，因此，通過精確設定球面顯示屏1上的圖像像素點的大小，使其與該像 素點質心在參考平面102的輻射投影距球面顯示屏1球心的距離成反比，可實現(xiàn)更真實的平 面視覺圖像效果。
[0090] 第六實施例：
[0091] 第六實施例在第一實施例的基礎上，在球面顯示屏1和球面反射鏡2之間插入一個 光路轉折鏡并對光學系統(tǒng)進行轉折而實施。
[0092]如附圖15所示，系統(tǒng)在第一實施例系統(tǒng)的基礎上，在球面顯示屏1和球面反射鏡2 之間插入了平面半反半透鏡7,并對原光學系統(tǒng)進行了轉折，球面顯示屏1和球面反射鏡2的 球心物理上不再重合(在等價基礎光學系統(tǒng)中始終重合）。平面半反半透鏡7為其中一側鍍 有部分反射、部分透射的膜材的平面基片，與光軸成45度角放置。平面半反半透鏡7的加入 使得球面顯示屏1不需要實施為透明屏，同時，由于平面半反半透鏡7對光的部分反射和部 分透射降低了光的強度，光能的利用率有所降低。
[0093]除上述區(qū)別特性，該實施例的基本光學特性(視場、像質等）和第一實施例大體上 一致。
[0094] 第七實施例：
[0095] 第七實施例在第一實施例的基礎上，在球面反射鏡2和出瞳面3之間插入一個光路 轉折鏡并對光學系統(tǒng)進行轉折而實施。
[0096] 如附圖16所示，系統(tǒng)在第一實施例系統(tǒng)的基礎上，在球面反射鏡2和出瞳面3之間 插入了平面半反半透鏡7,并對原光學系統(tǒng)進行了轉折，球面顯示屏1和球面反射鏡2的球心 物理上仍然重合。平面半反半透鏡7為其中一側鍍有部分反射、部分透射的膜材的平面基 片，與光軸成45度角放置。平面半反半透鏡7的加入使得球面顯示屏1不需要實施為透明屏， 同時，由于平面半反半透鏡7對光的部分反射和部分透射降低了光的強度，光能的利用率有 所降低。
[0097]除上述區(qū)別特性，該實施例的基本光學特性(視場、像質等）和第一實施例大體上 一致。
[0098]第八實施例：
[0099]第八實施例在第一實施例的基礎上，在球面顯示屏1和球面反射鏡2之間、球面反 射鏡2和出瞳面3之間各插入一個光路轉折鏡對光學系統(tǒng)進行轉折而實施。
[0100]如附圖17所示，系統(tǒng)在第一實施例系統(tǒng)的基礎上，在球面顯示屏1和球面反射鏡2 之間插入了平面半反半透鏡7,在球面反射鏡2和出瞳面3之間插入了平面半反半透鏡8,并 對原光學系統(tǒng)進行了轉折，球面顯示屏1和球面反射鏡2的球心物理上不再重合(在等價基 礎光學系統(tǒng)中始終重合）。平面半反半透鏡7和平面半反半透鏡8為其中一側鍍有部分反射、 部分透射的膜材的平面基片，均與光軸成45度角放置。平面半反半透鏡7的加入使得球面顯 示屏1不需要實施為透明屏，平面半反半透鏡8的加入則實現(xiàn)了可透視前方環(huán)境且光學元件 布局不阻礙視野的系統(tǒng)(第六和第七實施例也可以透視前方環(huán)境，但光學元件的布局對視 野有一定阻礙）。由于平面半反半透鏡對光的多次部分反射和部分透射降低了光的強度，光 能的利用率有所降低。
[0101]除上述區(qū)別特性，該實施例的基本光學特性(視場、像質等）和第一實施例大體上 一致。
[0102] 該實施例非常適合作為透視式頭戴顯示設備的光學系統(tǒng)，其具有較大的出瞳距 離，甚至可在佩戴眼鏡的基礎上使用；此外，通過將r值減小至40毫米、35毫米甚至30毫米， 和/或將對角視場角減小到30度，可進一步縮小系統(tǒng)的尺寸。
[0103] 通過以上實施例對技術方案的具體說明，表明其可實現(xiàn)視場大(對角30度左右或 以上）、像質好(無色差、成像清晰、零畸變）、體積小(無需大而厚的透鏡，所有光學元件都可 實施為薄片式的元件）、重量輕(元件薄，并且可實施為光學樹脂、塑料等輕質材料）、成本低 (所有光學元件都易于加工，結合注塑等工藝可進一步降低成本)這幾項需求的理想結合， 并易于實現(xiàn)有環(huán)境透視需求的系統(tǒng)。
[0104] 以上實施例中的細節(jié)、參數等僅為示例性設定，在本實用新型指導思想的基礎上， 本領域技術人員對其實施方案可寬泛選擇，本實用新型保護范圍應以權利要求為準。
【主權項】
1. 一種輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述光學系統(tǒng)為單目目視光學 系統(tǒng)，包含球面顯示屏、球面反射鏡和出瞳面；由物側至人眼側，所述球面顯示屏、球面反射 鏡、出瞳面沿光軸方向共軸依次排列;所述球面顯示屏為凸球面，其曲率半徑為r;所述球面 反射鏡為凹球面，其曲率半徑為2r;在該光學系統(tǒng)的等價基礎光學系統(tǒng)中，所述球面顯示屏 的球心與所述球面反射鏡的球心重合;其中，r滿足條件:15mm < r < 75mm。2. 根據權利要求1所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述光學系統(tǒng) 裝置于頭戴設備，當佩戴使用時，人眼瞳孔在該光學系統(tǒng)的等價基礎光學系統(tǒng)中位于所述 重合球心處。3. 根據權利要求1所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述光學系統(tǒng) 裝置于頭戴設備，當佩戴使用時，人眼球球心在該光學系統(tǒng)的等價基礎光學系統(tǒng)中與所述 重合球心重合。4. 根據權利要求1所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述球面顯示 屏上的像素點通過精確加工工藝制備，為〇LED、IXD、LCos或DMD。5. 根據權利要求1所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述球面顯示 屏上的圖像像素點在該球面上均勻排列。6. 根據權利要求1所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述球面顯示 屏的圖像源為均勻采樣的平面圖像，所述球面顯示屏上的圖像像素點質心在參考平面的輻 射投影在該平面上以所述圖像源的采樣方式均勻排列，其中：參考平面為垂直于光軸、在光 軸正向并距所述球面顯示屏球心距離為d的平面，某點在參考平面的輻射投影為該點與所 述球面顯示屏球心連線延長線與參考平面的交點。7. 根據權利要求6所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述圖像源為 全等矩形網格采樣的平面矩形圖像，采樣點位于全等矩形頂點處，所述圖像像素點質心在 所述參考平面的輻射投影的橫向間距為2d*tana/(w-l)，縱向間距為2d*tani3/(h-l)，其中： α、β分別為所述光學系統(tǒng)設計視場的橫向半視場角和縱向半視場角，w、h分別為所述圖像源 分辨率的寬和高。8. 根據權利要求6或7所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述圖像 像素點的大小與該像素點質心在所述參考平面的輻射投影距所述球面顯示屏球心的距離 成反比。9. 根據權利要求1所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述球面顯示 屏為透明屏，其凸面一側發(fā)出的光強于凹面一側發(fā)出的光。10. 根據權利要求1所述的輕小型大視場近眼顯示光學系統(tǒng)，其特征在于:所述球面顯 示屏和所述球面反射鏡之間、或所述球面反射鏡和所述出瞳面之間還插入至少一個平面半 反半透鏡對所述光學系統(tǒng)進行光路轉折。
【文檔編號】G02B27/01GK205539717SQ201620104771
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月2日
【發(fā)明人】張國斌
【申請人】張國斌