CN102253491B - 不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机 - Google Patents

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Abstract

一种不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，它包括影像显示器、光学透明材料和反射镜；所述的光学透明材料斜向设置于影像显示器和反射镜之间，在光学透明材料上、与影像显示器相对的一面镀有反向抗反射膜，另一面镀有偏光膜或者依次镀有偏光膜和正向抗反射膜，反射镜与光学透明材料的夹角同反向抗反射膜的镀膜角度之和为90度。本发明是就双折射作用虚像光学设计的光机结构设计上：做出创新改良光学新的设计。空间虚像影像在放大更高倍率的情况下,影像更大，更清晰，并且影像平整度更高、不弯曲变形，能满足头戴式显示器HMD产品领域市场客户的需求。

Description

不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机
技术领域
 本发明涉及一种光机，尤其是将镀膜技术应用在光机上，进行双折射影像的虚像显示装置，具体地说是一种短焦距、高放大倍率、显像清晰、平整的虚像显示光机。
背景技术
目前，虚像显示光机，例如传统的头戴式显示器HMD，通常应用光学反射及折射效应进行虚像投影，如专利号为：200710176478。X的半反射及折射光学效应组合光学应用的虚像显示装置。虚像影像在偏光板系统分光后在呈像片上呈像；此时，呈像焦距（偏光片到呈像片的距离）较长；呈像片之影像是由视觉焦距（眼睛到偏光片的距离）上的半实半虚的双影像重叠所构成的，清晰度较差；呈像片上的影像，随着放大倍率增大，其影像会变曲变形度，呈现半弧形弯曲，放大倍率愈大、变形愈严重；这是基本的几何光学原理。同时，因为呈像片的设置，此种虚像光学装置视觉焦距轴较长，影响显示器的外观尺寸大小。几何光学在做投影系统光机设计时,一般解决投射影像愈变形弯曲的方式是做多层次放大, 每层放大加上整束光影的散射角度, 以控制影像的变形状况至最小, 此种光光机 光路径轴加长, 要有多片镜片组合，体积尺寸变得很长很大。
发明内容
本发明的目的是针对现有的虚像显示光机所存在的呈像焦距较长、清晰度较差、弯曲变形严重和视觉焦距轴较长、影响显示器的外观尺寸大的问题，提出一种结构简单，视觉焦距轴短, 影像尺寸大， 平整度高和清晰度好的虚像显示光机。
本发明的技术方案是：
一种不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，它包括影像显示器、光学透明材料和反射镜；所述的光学透明材料斜向设置于影像显示器和反射镜之间，在光学透明材料上、与影像显示器相对的一面镀有反向抗反射膜，另一面镀有偏光膜或者依次镀有偏光膜和正向抗反射膜，反射镜与光学透明材料的夹角同反向抗反射膜的镀膜角度之和为90度。
本发明的影像显示器、光学透明材料和反射镜同轴设置。
本发明的光学透明材料位于视角同轴线上。
本发明的光学透明材料光学透明材料为耐高温的玻璃。
本发明的凹面镜与光学透明材料的夹角为45度，反向抗反射膜的镀膜角度为45度。
本发明的反射镜为凹面放大反射镜或是凹面放大反射镜组。
本发明的有益效果：
本发明是就双折射作用虚像光学设计的光机结构设计上：做出创新改良光学新的设计。 最新的(虚像折射光学)的光学应用原理 , 以便达到(空间虚像)影像能在放大更高倍率的情况下, 影像更大，更清晰及影像平整度更高而且不弯曲变形, 更能将影像的视觉轴（焦）距缩到更短小，满足头戴式显示器HMD产品领域市场客户的需求, 本发明的光学设计能突破光机因放大影像倍率而造成影像变形,的问题，减少了清晰度失真度损失，克服了光机视觉轴距大不利于产品外观的难题。
本发明中，在光学透明材料上与影像显示器相对的一面镀反向抗反射膜，使得呈像在光学透明材料上，因视距（偏光）轴的成像焦距大幅缩短, 有利外观设计更轻, 更薄, 更小 , 投影影像却可投射更大, 更清晰, 得到平整不变形弯曲的影像, 增加产品市场实用性。
本发明因视距轴（偏光）轴更短，在外观结构上可设计的更薄、更轻、更小，实用性强。
本发明中，在光学透明材料上与影像显示器相背的一面依次镀有偏光膜和正向抗反射膜，能够消除光源影像在光机内,投影光路径上所产生的光干涉普遍自然现象 ( 如：光的散射造成的光晕及迭影 ) ,避免光源影像清晰度的下降。 增加空间虚像的影像,在光机暗房效果下呈现更接近投影实像的真实度，清晰度高。
本发明的虚像显示光机，成像放大倍率高，可因缩短的呈像焦距而多增加10—15 %的放大视觉感受。
本发明突破基础几何光学原理的框架 , 产生更多投影光学产品在设计应用上的空间及发展。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的主光路的光学路径示意图。
图3是本发明的光学路径示意图。
图4是本发明的光机组合的系统参数图。
图5是本发明提取虚像的原理示意图。
图中：1、影像显示器；2、光学透明材料；3、反射镜；4、反向抗反射膜；5、偏光膜；6、正向抗反射膜；7、第一平面；8、第二平面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示, 一种虚像显示光机，它包括影像显示器、光学透明材料和反射镜；所述的光学透明材料斜向设置于影像显示器和凹面镜之间，在光学透明材料上、与影像显示器相对的一面（即后述玻璃片的第一平面）镀有反向抗反射膜，另一面（即后述玻璃片的第二平面）镀有偏光膜或者依次镀有偏光膜和正向抗反射膜，凹面镜与光学透明材料的夹角同反向抗反射膜的镀膜角度之和为90度。
其中，影像显示器：用于显示实体影像画面，并将影像光线投射出去；
凹面镜：反射穿透过偏光片而来的影像显示器投射的光线。
反向抗反射膜的镀膜方法是：电子镀膜机对光学透明材料进行镀抗反射膜的过程中，将电子镀膜机的粒子枪电极极化仓上的正、负电荷反向，进行反向镀抗反射膜，在光学透明材料表面形成反向抗反射膜。
镀有偏光膜的玻璃即偏光玻璃：如图1所示，一面镀有反向抗反射膜，另一面依次镀有偏光膜和正向抗反射膜时：偏光片上的反向抗反射膜具有半穿透半反射性，面向影像显示器的一面即正作用面为穿透面，具有穿透性；面向偏光片的一面即反作用面为反射面，具有反射性； 偏光片上的正向抗反射膜具有半穿透半反射性，面向凹面镜的一面即正作用面为反射面，具有反射性；面向偏光膜的一面即反作用面为穿透面，具有反射性；影像显示器投射的光线穿透偏光片至凹面镜，偏光片反射凹面镜反射的光线。
玻璃片：如图1所示，一面镀有反向抗反射膜，另一面依次镀有偏光膜和正向抗反射膜：
如图2所示，影像显示器发出光线（a）穿透玻璃片的第一平面和第二平面，入射至凹面镜，凹面镜反射光线至玻璃片的第一平面，在正向抗反射膜上产生分光，主分光线（c）折射至玻璃的第二平面，在反向抗反射膜上反射的光线（d）穿透正向抗反射膜后射出，在人眼的视网膜成像区成像。
如图3所示，（a）为穿透性光；（b）折射光（（a）的主分光线穿透）；（c）主分光线；（e）为副分光线（穿透）；（d）为（e）的反射光线；（h）为分光（a）的副分光线；
图5中，F是g轴的视觉轴距（即焦距）。
具体实施时：
在双折射虚像光学设计的光机中，就该设计光机的组件做光学改良设计，改良方式如下：
1、如图1所示，玻璃片第二平面做电子蒸镀镀膜，镀上有功能角度设计的偏光膜，让光线具有50 %穿透率及具有50 %反射率特性。 (均匀产生分光影像作用, 产生清晰的两道实(虚)分光影像 ), 后面再镀上一层正向抗反射镀膜，增加光线穿透率、增加视觉清晰度及防止外界光源的散射造成的光干涉和光晕的影响。
2、玻璃片第一平面（即：光学透明材料上、与影像显示器相对的一面）则设计用反向电子蒸镀法 （采用专利号为“201110069118。6”的一种能消除光学成像中光干涉影像的反向镀抗反射膜的方法）镀上反向作用面的抗反射膜, 让反向作用面的抗反射膜产生反向作用(一。 做为呈像片使用；二。 消除在玻璃片厚度内造成的光源散射现象及鬼影, 使影像因光干涉减少，影响影像清晰程度即失真度的问题降至最小)。
3、取消原先在偏正光轴即视觉轴线上的呈像片装置；将呈像片功能转移至 玻璃片第二平面上即镀有反向抗反射膜的平面上，有效缩短视觉焦距的长度，加大影像视觉效果。
4、另外在眼球窗口接目镜窗口做个(镜片加装装置) 以补强在 重度近视及老花眼, 和有老花眼及近视眼患者 要用的( 有度数矫正视觉的镜片 ) 来调整 视觉焦距的焦点。
就改良光机结构及组件技术设置, 所产生的新的光学应用原理及作用, 和光学作用效果的说明如下；
上述1, 2 , 3 项修改的原理说明:
此3项设计改良是将(呈像片功能设计)在第二平面即镀有反向抗反射膜的平面(将影像成像的焦距缩短), 在抗反射膜反向镀膜下, 产生将光源影像，藉45度角偏光作用到玻璃第一平面即偏光膜与正向抗反射膜夹得平面，相同作用穿越到凹面放大折射镜。经过弧形面的曲率折射放大后, 投射回偏光45度角的第一平面, 产生两道折射分光影像向第二平面的抗反射作用面, 投射一道成90度角直接穿透第二平面,另一道分光影像则不成90度角投射第二平面, 因抗反射膜正向作用, 又因非90度角所以产生折射光束, 返回第一平面 穿透第一平面到达，视觉轴的轴线上,进入眼球视网膜区 感应到而形成影像, 因此视网膜焦距的(焦点)落在第一平面的偏光膜上(形成影像的成像固定焦距的焦点)而光源影像则因玻璃片的厚度所产生的多次折射光路径加长延伸而成 焦点却不在视网膜上的空间虚像(该虚像不会影响眼球视觉的变焦动作)。另外光源影像因成像面的转移到偏光板第二平面(反向抗反射膜表面)上, 使原先 (偏正光（轴）路径)大幅缩短，眼睛所看到的影像视距更近、影像更大 (比原先放大倍率更大)的视觉感受。---------（造成影像放大的加成效果原理）说明。 
偏光板玻璃的第一平面在偏光镀膜后，再加镀正向抗反射膜及玻璃第二平面的(反向)抗反射膜镀膜，联合作用下，让眼球视觉感受减少了光源影像在 投射的光路径上所产生多次 折(反)射作用发生的常态性的光线散射作用(例如曝光作用)及穿透接口会产生的双重迭影(俗称鬼影) 这些 (通称光的干涉现象是影像清晰度的主因 ) 会被 (反向)抗反射膜作用排除。正面则因(正向)抗反射膜作用, 而加强了视觉偏正光轴上光线的穿透性作用, 及减少(光晕现象) 的干涉视觉效果导致清晰度渐次下降, 使光机内部的(暗房效应) 更好, 让眼球视觉感受获得更清晰的视觉感受度。 ------------ (清晰度的增加的原理) 说明。
此三项的组件的改良设计组合结构创造出新的投射影像放大技术 ( 不对等焦距的成像光学应用原理 ) 。主要技术效果是突破 ( 基础几何光学原理 ) 对投影放大影像在投射焦距与成像焦距必须对等下, 影像放大倍率愈大, 成像面影像变形率也相对变大，若缩短焦距变形量将更大。
 本发明原理，是利用人类眼球( 虚拟视觉感官功能 ) 成像原理 –--- 说明 : 眼睛是最细致的层次扫描传感装置, 它可分辨空间层次感, 但唯独还是不能多焦点 变焦 ( 焦点却只能一个) 眼球水晶体所致。 
 本技术将原先设计的对等焦距中的(成像焦距缩短) , 就是除去 第3 项的呈像片, 将第 2 项玻璃片的第二平面镀上(反向)作用的抗反射镀膜, 做为成像平面使用。因为抗反射膜反向作用, 使得(投射成像焦距缩短) , 相对的在 视觉偏正光轴上的(视觉焦距) 也大幅度缩短至玻璃片上, 藉由眼睛精细的层次感知功能 及单一焦点变焦的作用下, 让具有高穿透性的玻璃片第二平面 成为偏正光轴上的视觉焦距的成像面，也是(视网膜上的固定焦点)。 在玻璃片第二平面折射成像的虚像则因为眼球的层次空间(虚拟视觉) 功能, 在水晶球体的偏正光轴上(成像), 所以人的眼睛在(光机的暗房效果)下将视网膜成像 焦点固定在偏光玻离第二平面上。 然而会产生变化的虚像, 在眼球(水晶球体)形成在(层次视觉) 感受, 而不影响视网膜的焦点变化。这就是看虚像不会造成 ( 眼球高频缩放运动, 视网膜高频焦点变焦 ) 致使 眼睛感到疲累的原理。 藉由第二平面的光源高穿透性, 可穿透见到背景景物, 就形成所谓的 (空间虚像) 的 ( 眼球虚拟视觉 ) 光学效应原理。
因成像焦距的缩短使放大投影的放射状光路径缩短及影像成像焦距的变形焦点 不存在(在原有偏光轴上的呈像片)所以影像不会有成像面可以成像显示出 变形弯曲面, 光源影像也因此成像焦距缩短, 凹面放大镜折射焦距的焦点, 在第二平面后方, 所以影像在光束折射交错的第一焦点(在凹面镜前方, 影像因折射作用上下颠倒) 及成像焦距的焦点之间, 再藉由玻璃片第二平面 所形成 (空间虚像) 是平整不变形的影像, 再加上前述的偏正光轴上的成像 焦距缩短 造成眼睛视觉感受上, 有影像放大倍率更大的视觉效果。 这就是 --------- ( 形成影像平整不弯曲变形, 放大倍率更大的视觉作用光学应用原理 ) 说明
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，其特征是它包括影像显示器、光学透明材料和反射镜；所述的光学透明材料斜向设置于影像显示器和反射镜之间，在光学透明材料上、与影像显示器相对的一面镀有反向抗反射膜，另一面镀有偏光膜或者依次镀有偏光膜和正向抗反射膜，反射镜与光学透明材料的夹角同反向抗反射膜的镀膜角度之和为90度。
2.根据权利要求1所述的不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，其特征是所述的影像显示器、光学透明材料和反射镜同轴设置。
3.根据权利要求1所述的不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，其特征是所述的光学透明材料位于视角同轴线上。
4.根据权利要求1所述的不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，其特征是所述的光学透明材料为耐高温的玻璃。
5.根据权利要求1所述的不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，其特征是所述的反射镜与光学透明材料的夹角为45度，反向抗反射膜的镀膜角度为45度。
6.根据权利要求1所述的不对等焦距、高放大倍率的虚像显示光机，其特征是所述的反射镜为凹面放大反射镜或是凹面放大反射镜组。
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