一種大出瞳大視場增強現實光學系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大出瞳大視場增強現實系統，包括：具有三個光學工作面的棱鏡、半反半透鏡以及圖像顯示器，棱鏡的三個光學工作面分別為第一光學工作面、第二光學工作面以及第三光學工作面；圖像顯示器發出的光線經過第一光學工作面透射進入棱鏡，然后經過第三光學工作面反射，再經過第二光學工作面反射，再經過第三光學工作面透射，最后經過半反半透鏡反射進入人眼；位于半反半透鏡的遠離人眼一側的光線經過半反半透鏡透射進入人眼。本發明的大出瞳大視場增強現實光學系統，具有結構緊湊、出瞳距大、視場大、眼動范圍大、全視場像差校正良好及高光能利用率等優點。
【專利說明】
-種大出瞳大視場増強現實光學系統
技術領域
[0001] 本發明設及增強現實領域，特別設及一種大出瞳大視場增強現實光學系統。
【背景技術】
[0002] 近年來，增強現實(Augmented Reality,簡稱AR)顯示裝置快速發展，由于該系統 屬于頭戴系統，因此它必須結構緊湊和輕量化，W增強使用者的舒適度。對于增強現實顯示 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質 的動態圖像。而大的出瞳距可W使觀察者佩戴其他目視系統（如近視鏡)進行使用，增加了 系統對佩戴者的適用范圍。但是，光學系統的視場、出瞳距、大出瞳直徑、短焦距等結構參數 互相制約，同時滿足上述條件存在相當大的困難。
[0003] 因此，急需提供一種能夠同時滿足大出瞳大視場的增強現實光學系統。
【發明內容】
[0004] 本發明針對上述現有技術中存在的問題，提出一種大出瞳大視場增強現實光學系 統，具有結構緊湊、出瞳距大、視場大、眼動范圍大、全視場像差校正良好及高光能利用率等 優點。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案實現的：
[0006] 本發明提供一種大出瞳大視場增強現實光學系統，其包括:具有=個光學工作面 的棱鏡、半反半透鏡W及圖像顯示器，其中，
[0007] 所述棱鏡的=個光學工作面分別為第一光學工作面、第二光學工作面W及第=光 學工作面；
[000引所述圖像顯示器發出的光線經過所述第一光學工作面透射進入所述棱鏡，經過所 述第一光學工作面透射的光線經過所述第=光學工作面反射，經過所述第=光學工作面反 射的光線經過所述第二光學工作面反射，經過所述第二光學工作面反射的光線經過所述第 =光學工作面透射，經過所述第=光學工作面透射的光線經過所述半反半透鏡反射進入人 眼；
[0009] 位于所述半反半透鏡的遠離所述人眼一側的光線經過所述半反半透鏡透射進入 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，立個所述光學工作面中至少一個為自由曲面。
[0013] 較佳地，=個所述光學工作面為:一自由曲面、一偶次非球面、一標準球面。
[0014] 較佳地，所述第一光學工作面為標準球面、所述第二光學工作面為自由曲面，所述 第=光學工作面為偶次非球面。
[0015] 較佳地，所述圖像顯示器發出的光線經過所述第=光學工作面反射時的入射角滿 足：
[0016]
[0017] 其中，r/為第=光學工作面的光學材料的折射率。
[0018] 較佳地，所述圖像顯示器發出的光線經過所述第=光學工作面透射時的入射角滿 足：
[0019]
[0020] 其中，r/為第=光學工作面的光學材料的折射率。
[0021] 相較于現有技術，本發明具有W下優點：
[0022] (1)本發明提供的大出瞳大視場增強現實光學系統，具有出瞳距大的優點，能夠保 證使用者在大視場范圍內看到清晰、崎變小的圖像;本發明通過半反半透鏡將光線反射進 入人眼，采用半反半透鏡對光路進行折轉，延長了出射光路的距離，即增加了出瞳距，可W 達到30mmW上，大出瞳距可W保證用戶可W在佩戴其他目視系統(如近視鏡）的情況下使用 該系統；
[0023] (2)本發明的增強現實光學系統，還具有視場角大、眼動范圍大、全視場像差校正 良好等優點，用戶在使用過程中不易產生眼疲勞，具有優秀的視覺體驗;本發明通過=工作 面棱鏡與半反半透鏡的配合，增大了視場角，提供了較大的眼動范圍（±4mm)，增加了產品 的適用范圍；
[0024] (3)本發明使用半反半透鏡進行光路折轉與像差校正，現實世界中的景物經過半 反半透鏡到達人眼，幾乎不會引入像差，不需要額外增加補償棱鏡系統；
[0025] (4)本發明結構精巧、簡潔、緊湊，便于增加調節瞳距的機械機構；
[00%] (5)本發明對光線在第=光學工作面上的第一次入射角及第二次入射角進行設 置，使全視場光線都能經過第=光學工作面反射和透射，提高了光能利用率，顯示的圖像亮 度高。
[0027] 當然，實施本發明的任一產品并不一定需要同時達到W上所述的所有優點。
【附圖說明】
[0028] 下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明：
[0029] 圖1為本發明的實施例的增強現實光學系統的示意圖；
[0030] 圖2為本發明的實施例的各視場的光學傳遞函數值的示意圖；
[0031] 圖3為本發明的實施例的場曲圖；
[0032] 圖4為本發明的實施例的崎變圖；
[0033] 圖5為本發明的實施例的網格崎變圖；
[0034] 圖6為現有的增強現實光學系統的示意圖。
[0035] 標號說明：1-棱鏡，2-半反半透鏡，3-圖像顯示器，4-人眼；11-第一光學工作面， 12-第二光學工作面，13-第=光學工作面。
【具體實施方式】
[0036] 下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在W本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0037] 結合圖1，對本發明的增強現實光學系統進行詳細描述，其包括:棱鏡1、半反半透 鏡2W及圖像顯示器3,棱鏡1包括:第一光學工作面11、第二光學工作面12W及第=光學工 作面13。其中，圖像顯示器3發出的光線，先經過棱鏡1的第一光學工作面11透射進入棱鏡1， 然后在第=光學工作面13內側反射，經過第二光學工作面12反射，再經過第一光學工作面 11透射，再經過半反半透鏡2反射后，到達人眼4。
[0038] 本實施例中，棱鏡1的=個光學工作面的曲面方程如下：
[0039] (1)第一光學工作面11為標準球面，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，A，B，C，D分別為4,6,8，10階非球面系數，其 結構參數為R = 117.6592mm。
[0042] (2)第二光學工作面12為自由曲面(擴展多項式面型），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，P2 = x2+y2，N為級數中多項式系數的總數， Al為第i項擴展多項式的系數，該多項式只是在x，y方向的幕級數，第一項是X，然后是y，接 著是，x*y，y*y等等，1次項有2項，2次項有S項，3次項有4項等等，X和y等位置的數據值 都會除W-個歸一化半徑，得到一個沒有量鋼的多項式系數，其結構參數如表1所示，表1中 各標號的定義如表2所示，如3,4分別為x，y的系數：
[0045] 表1第二光學工作面的結構參數
[0046]
[0047
[00少
[0049] (3)第=光學工作面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，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、四階項、六階項、十階項、十二階項、十四階項、十六階項的系數，其結構參數 如表3所示：
[0052]表3第=光學工作面的結構參數
[0化3]
[0化4]
[0055] 第=光學工作面13既是透射面又是反射面，光線第一次經過第=光學工作面13時 反射，第二次經過第=光學工作面13時透射。
[0056] 本實施例中，所有全視場邊緣光線第一次經過第=光學工作面時的入射角0milW 及第二次經過第S光學工作面時的入射角0mi2滿足W下關系式：
[0057]
(4 )
[0058] 其中，n/為第=光學工作面的透明光學材料的折射率，滿足上述關系式后，可W保 證全視場的光線都能夠被第=光學工作面反射和透射，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] 本實施例的光學系統通過半反半透鏡將光線反射進入人眼，采用半反半透鏡對光 路進行折轉，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達到30mmW上，便于使用者佩戴其他眼鏡，增強了光學系統的應用擴展性。
[0060] 現有的自有曲面棱鏡系統，結構類似模形且自身具有一定的光焦度，產生屈光效 應，使真實景物產品扭曲或偏轉，同時產生巨大的像差，需要額外增加補償自由曲面棱鏡， 對真實物理世界的光線進行補償，如圖5和圖6所示。而本發明使用半反半透鏡2進行光路折 轉與像差校正，半反半透鏡2為玻璃片，焦距非常大，現實世界中的景物經過球面半反半透 鏡到達人眼，幾乎不會引入像差，不需要額外增加補償棱鏡系統。
[0061] 利用本實施例的光學系統，可W使得各視場（中屯、視場及邊緣視場)的光學傳遞函 數在361p/mm處大于0.45,各視場光學傳遞函數值如圖2所示，即可W使各視場均達到衍射 極限，使光學系統具有優秀的光學性能。
[0062] 利用本實施例的光學系統，可W將場曲控制在小于02mm的范圍內，場曲圖如圖3所 示，可W將崎變控制在小于2%的范圍內，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，無需對圖像源進行電子校正。
[0063] 不同實施例中，第一光學工作面11、第二光學工作面12W及第=光學工作面13的 面型可W互換，也可W采用其它面型，可W根據需要進行設置。
[0064] 不同實施例中，第一光學工作面11、第二光學工作面12W及第=光學工作面13的 結構參數不一定為本實施例中所舉出的，可W根據需要進行不同的設置。
[0065] 較佳實施例中，半反半透鏡為兩面具有相同曲率半徑的玻璃片，進一步增加了其 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，現實 世界中的景物經過如此大焦距的透鏡到達人眼時，更不會引入像差。
[0066] 較佳實施例中，控制=個光學工作面的結構參數，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，進一步減小系統的像差。
[0067] 此處公開的僅為本發明的優選實施例，本說明書選取并具體描述運些實施例，是 為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，并不是對本發明的限定。任何本領域技術人員 在說明書范圍內所做的修改和變化，均應落在本發明所保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種大出瞳大視場增強現實光學系統，其特征在于，包括:具有三個光學工作面的棱 鏡、半反半透鏡以及圖像顯示器，其中， 所述棱鏡的三個光學工作面分別為第一光學工作面、第二光學工作面以及第三光學工 作面； 所述圖像顯示器發出的光線經過所述第一光學工作面透射進入所述棱鏡，經過所述第 一光學工作面透射的光線經過所述第三光學工作面反射，經過所述第三光學工作面反射的 光線經過所述第二光學工作面反射，經過所述第二光學工作面反射的光線經過所述第三光 學工作面透射，經過所述第三光學工作面透射的光線經過所述半反半透鏡反射進入人眼； 位于所述半反半透鏡的遠離所述人眼一側的光線經過所述半反半透鏡透射進入人眼。2. 根據權利要求1所述的大出瞳大視場增強現實光學系統，其特征在于，所述半反半透 鏡為球面半反半透鏡。3. 根據權利要求1所述的大出瞳大視場增強現實光學系統，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. 根據權利要求1所述的大出瞳大視場增強現實光學系統，其特征在于，三個所述光學 工作面中至少一個為自由曲面。5. 根據權利要求1所述的大出瞳大視場增強現實光學系統，其特征在于，三個所述光學 工作面為:一自由曲面、一偶次非球面、一標準球面。6. 根據權利要求5所述的大出瞳大視場增強現實光學系統，其特征在于，所述第一光學 工作面為標準球面、所述第二光學工作面為自由曲面，所述第三光學工作面為偶次非球面。7. 根據權利要求1所述的大出瞳大視場增強現實光學系統，其特征在于，所述圖像顯示 器發出的光線經過所述第三光學工作面反射時的入射角滿足：其中，Y為第三光學工作面的光學材料的折射率。8. 根據權利要求1或7所述的大出瞳大視場增強現實光學系統，其特征在于，所述圖像 顯示器發出的光線經過所述第三光學工作面透射時的入射角滿足：其中，Y為第三光學工作面的光學材料的折射率。
【文檔編號】G02B27/01GK106019595SQ201610601123
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月27日
【發明人】梁海亮, 董若, 李長隆
【申請人】上海渺視光學科技有限公司