CN105629476A - 一种近眼显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示光学系统，包括图像源、中继成像镜组、可反可透平面镜和可反可透凹镜；图像源输出的图像光线经中继成像镜组后，被可反可透平面镜反射至可反可透凹镜，经可反可透凹镜放大反射后，再经可反可透平面镜透射后被人眼接收；外界环境光线依次经可反可透凹镜与可反可透平面镜透射后被人眼接收。本发明采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以也保证了本发明提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

Description

一种近眼显示光学系统

技术领域

本发明涉及增强现实领域，尤其涉及一种近眼显示光学系统。

背景技术

增强现实(英文：AugmentedReality；简称：AR)，是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索，将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的扩展信息或虚拟场景显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息，或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。

现有的增强现实设备一般通过平板波导技术或衍射波导技术将光线引入人眼中，以平板波导技术为例，请参考图1，图1为现有技术中平板波导技术对应的光路图，如图1所示，每一光束被每一内嵌反射镜的多次反射和透射，在人眼100处观察到的虚拟图像的亮度不均，且由于不同波段的光谱在波导内的折射率不一样，反射和透射的角度不一样，光透射和反射系数不一样，从而导致在人眼100处观察到的虚拟图像的色彩不均，并且随着光线的透射次数和反射次数的增加，光线的损失率也逐渐增高，导致虚拟图像的亮度也逐渐降低，极大地影响了用户体验；而衍射波导技术中衍射元件本身就具有色散大的缺陷，并且衍射效率对入射光谱的波长和角度很敏感，从而导致在人眼处观察到的虚拟图像的色彩和亮度不均，也会极大地影响用户体验。

因此，现有技术中存在增强现实设备提供的虚拟图像的色彩和亮度不均的技术问题，极大地影响了增强现实设备的用户体验。

发明内容

本发明的目的是提供一种近眼显示光学系统，解决了现有技术中存在的增强现实设备提供的虚拟图像的色彩和亮度不均的技术问题，能够为用户提供色彩和亮度均匀的虚拟图像。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种近眼显示光学系统，包括图像源、中继成像镜组、可反可透平面镜和可反可透凹镜；

所述图像源输出的图像光线经所述中继成像镜组后，被可反可透平面镜反射至可反可透凹镜，经所述可反可透凹镜放大反射后，再经所述可反可透平面镜透射后被人眼接收；

外界环境光线依次经所述可反可透凹镜与所述可反可透平面镜透射后被人眼接收。

优选地，所述图像源设置于所述中继成像镜组上方，所述可反可透平面镜设置于所述中继成像镜组下方，且所述可反可透平面镜位于所述可反可透凹镜与人眼之间。

优选地，所述近眼显示系统还包括一个或多个平面全反射镜，所述图像光线由所述一个或多个平面全反射镜反射后，射入所述中继成像镜组。

优选地，所述图像源设置于所述中继成像镜组靠近人额头一侧，所述中继成像镜组上方设置一平面全反射镜，所述可反可透平面镜设置于所述中继成像镜组下方，且所述可反可透平面镜位于所述可反可透凹镜与人眼之间。

优选地，所述近眼显示系统还包括一个平面全反射镜，所述图像光线经所述中继成像镜组后，通过所述平面全反射镜反射向所述可反可透平面镜。

优选地，所述中继成像镜组至少包括正透镜和负透镜。

优选地，所述可反可透平面镜为平面可反可透平面镜，所述平面可反可透平面镜所在的平面与人眼水平视线呈30度～60度的夹角。

优选地，所述可反可透平面镜为具有折面的可反可透平面镜，其包括光学效率一致的第一平面和第二平面，所述第一平面与第二平面直接相连或通过一个弧面相连，且所述弧面与两平面均相切；

所述可反可透平面镜的第一平面与人眼水平视线呈30度～60度的夹角，第二平面与人眼水平视线垂直。

优选地，所述可反可透平面镜远离所述人眼的一侧镀有可透可反膜层，所述可反可透膜层对入射角大于第一值的光线具有第一反射率且对入射角小于第二值的光线具有第二透射率，其中第一值大于第二值，第一反射率大于第一阈值，第二透射率大于第二阈值；所述图像光线第一次射入所述可反可透平面镜时的第一入射角大于所述第一值，且所述图像光线第二次射入所述可反可透平面镜时的第二入射角大于所述第二值；所述外界环境。

优选地，所述中继成像镜组至所述可反可透平面镜的垂直距离可调。

优选地，所述中继成像镜组的出瞳与所述可反可透凹镜的入瞳重合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明实施例提供的近眼显示光学系统采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以也保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在因虚拟图像的一部分光线的损失率较低且另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

2、本发明实施例中继成像镜组至所述可反可透平面镜的垂直距离可调，所以能够增加用户在垂直方向的上视野界限，同时对用户在垂直方向的下视野界限不存在任何限制，并且在水平方向的视野界限也不存在任何限制，所以能够向用户提供满足甚至超过人眼在水平方向和垂直方向上最大的外界环境视野，极大地减少用户因外界环境被遮挡而产生的不适应感。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为现有技术中平板波导技术对应的光路图；

图2本发明实施例一提供的近眼显示光学系统的光路示意图；

图3本发明实施例二提供的近眼显示光学系统的光路示意图；

图4为本发明实施例二提供的可反可透平面镜31的结构示意图；

图5为为本发明实施例三提供的近眼显示光学系统的光路示意图；

图6为本发明实施例四提供的近眼显示光学系统的光路示意图；

图7为本发明实施例四提供的调整射入可反可透平面镜30的光线的入射角的光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参考图2，图2为本发明实施例一提供的近眼显示光学系统的光路示意图，如图2所示，该近眼显示光学系统包括图像源10、中继成像镜组20、可反可透平面镜30和可反可透凹镜40；

如图2所示，图像源10输出的图像光线经中继成像镜组20后，被可反可透平面镜30反射至可反可透凹镜40，经可反可透凹镜40放大反射后，再经可反可透平面镜30透射后被人眼接收，这里的图像光线对人眼来说就是虚拟图像；外界环境光线依次经可反可透凹镜40与可反可透平面镜30透射后被人眼接收。

在实际应用中，图像光线经过中继成像镜组20后，可以在中继成像镜组20和可反可透平面镜30之间的空间形成以中间实像，也可以在可反可透平面镜30与可反可透凹镜40之间的空间形成一中间实像，在此不做限制，当然，由于近眼显示光学系统要求尽可能小的体积，以便于用户使用，需要近眼显示光学系统中各个部件尽可能的紧凑，所以优选地，采用“在中继成像镜组20和可反可透平面镜30之间的空间形成以中间实像”这一方案，能够减小可反可透凹镜40与可反可透平面镜30之间的距离，从而提高近眼显示光学系统中各个部件的紧凑性，缩小近眼显示光学系统的体积。

通过上述结构，本实施例提供的近眼显示光学系统能够向用户同时提供图像源10输出的图像光线和外界环境光线，从而能够向用户提供增强现实的体验，并且，采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在同一图像的一部分光线的损失率较低而另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

可以看出，本发明实施例提供的近眼显示光学系统保证了虚拟图像色彩的准确性，同时保证了虚拟图像的亮度的均匀性，避免了因虚拟图像的色彩和亮度不均而影响增强现实设备的用户体验。

在本实施例中，请继续参考图2，如图2所示，图像源10可以设置于中继成像镜组20上方，可反可透平面镜30可以设置于中继成像镜组20下方，且可反可透平面镜30可以位于可反可透凹镜40与人眼之间。

在具体实施过程中，图像源10可以由一块或两块显示屏构成，也可以是采用激光、LED等光源的微型投影光学引擎，在此不做限制，以能够满足实际情况的需求为准。

在具体实施过程中，中继成像镜组20可以是包括正透镜和负透镜所组成的镜组，在实际应用中，中继成像镜组20可以根据图像源10的具体情况，设置为对应的功能，例如，若图像源10具体为两块0.5英寸的显示屏时，中继成像镜组20可以通过正透镜和负透镜的组合，将该两块0.5英寸的显示屏输出的图像光线进行放大，若图像源10具体为1块5英寸的显示屏时，则中继成像镜组20可以通过正透镜和负透镜的组合，将该两块0.5英寸的显示屏输出的图像光线进行缩小，由于中继成像镜组20通过正透镜和负透镜实现放大或者缩小的方式有很多，在此就不再赘述了。

在具体实施过程中，请继续参考图2，如图2所示，可反可透平面镜30可以为平面可反可透平面镜，该平面可反可透平面镜所在的平面与人眼的水平视线呈30度～60度的夹角，较优地，该平面可反可透平面镜所在的平面与人眼的水平视线呈45度的夹角。

在实际应用中，平面可反可透平面镜30可以是在平板玻璃上镀上一层可反可透膜而得到，可反可透膜具体可以通过在平板玻璃上镀选用具有高折射率的硫化锌(化学式：ZnS)和具有低折射率的氟化镁(化学式：MgF2)等材料形成的膜层，具体地，以采用折射率为2.3的硫化锌和折射率为1.38的氟化镁为例，可以通过G|HLHL|A或者G|2LHLHL|A的镀膜结构来实现可透可反的功能，其中，G为玻璃基材，H为硫化锌，L氟化镁，2L表示镀两层氟化镁，A表示空气，在实际应用中，可以通过膜层的厚度来控制透射光和反射光的比例，例如可以将透射光和反射光的比例控制为1:1等等，在此就不再赘述了。

在具体实施过程中，请继续参考图2，如图2所示，可反可透凹镜40可以为一旋转对称非球面面型的凹面镜，具有放大的功能，并在近人眼一侧镀有具有某一透射比的膜层，如透射光与反射光的比为3：7，或1：1等等，可反可透凹镜40在远离人眼一侧可镀如抗紫外线，抗辐射等多种功能性膜层，在此不做限制。

请继续参考图2，如图2所示，人眼发出的虚线为人眼看到的不被中继成像镜组20遮挡的外界环境界限，也即本实施例提供给用户的在垂直方向的上视野角度为β，由于人眼在垂直方向的上视野界限为50度，所以采用了本实施例中的结构后，只需要保证中继成像镜组20与人眼之间在垂直方向上的距离，就能够达到甚至超过该上视野界限，而垂直方向的下视野界限没有任何遮挡，所以不存在任何限制，同时，针对水平方向的视野界限，只需要保证可反可透平面镜30与可反可透凹镜40在水平方向的尺寸足够大，就不会对人眼在水平方向的视野造成限制；这样，本发明实施例提供的近眼显示光学系统能够向用户提供满足甚至超过人眼在水平方向和垂直方向上最大的外界环境视野，极大地减少用户因外界环境被遮挡而产生的不适应感。

具体地，针对保证中继成像镜组20与人眼之间在垂直方向上的距离，由于中继成像镜组20为包括正透镜和负透镜的组合，所以可以通过设置中继成像镜组20的焦距，来保证中继成像镜组20与人眼之间在垂直方向上的距离，在此就不再赘述了。

请继续参考图2，如图2所示，为了保证能够最大程度地利用图像源10的能量，在本实施例中，可以将中继成像镜组20的出瞳设置为可反可透凹镜40的入瞳，从而能够尽可能地接收到图像源10发出的光线，保证人眼看到的虚拟图像的亮度。

请继续参考图2，如图2所示，本发明实施例二提供的近眼显示光学系统还包括可透弯月保护板60，可透弯月保护60可以用于保护图2中的光学元件不受外界的影响，例如防潮等等，在此就不再赘述了。

通过本实施例可以看出，本发明实施例提供的近眼显示光学系统采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在因虚拟图像的一部分光线的损失率较低且另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

并且，本发明实施例中继成像镜组至可反可透平面镜的垂直距离可调，所以能够增加用户在垂直方向的上视野界限，同时对用户在垂直方向的下视野界限不存在任何限制，并且在水平方向的视野界限也不存在任何限制，所以能够向用户提供满足甚至超过人眼在水平方向和垂直方向上最大的外界环境视野，极大地减少用户因外界环境被遮挡而产生的不适应感。

实施例二：

请参考图3，图3为本发明实施例二提供的近眼显示光学系统的光路示意图，如图3所示，该近眼显示光学系统包括图像源10、中继成像镜组20、可反可透平面镜31、可反可透凹镜40和一平面全反射镜50。

请继续参考图3，在本实施例中，图像源10具体为一5.0英寸的显示屏，其设置于中继成像镜组20靠近人额头一侧，中继成像镜组20上方设置一平面全反射镜50，可反可透平面镜31设置于中继成像镜组20下方，且可反可透平面镜31位于可反可透凹镜40与人眼之间。

如图3所示，图像光线由平面全反射镜50反射后，射入中继成像镜组20，再被可反可透平面镜31反射至可反可透凹镜40，经可反可透凹镜40放大反射后，再经可反可透平面镜31透射后被人眼接收；外界环境光线依次经可反可透凹镜40与可反可透平面镜31透射后被人眼接收。这样，本实施例提供的近眼显示光学系统能够向用户同时提供图像源10输出的图像光线和外界环境光线，从而能够向用户提供增强现实的体验。

可以看出，本实施例中近眼显示系统的结构在保证图像源10与人眼之间的光线路径的同时，还保证了近眼显示光学系统的紧凑性，从而避免了近眼显示光学系统的体积过大。

在其他实施例中，近眼显示系统还可以包括多个平面全反射镜，由多个平面全反射镜来实现图3中平面全反射镜50的反射功能，在此就不再赘述了。

在实际应用中，上述介绍的一个或者多个平面全反射镜，可以单独设置，也可以集成在图像源10或中继成像镜组20中，在此不做限制。

在本实施例中，图像源10、中继成像镜组20和可反可透凹镜40可以与实施例一中介绍的内容一致，在此就不再赘述了。

请继续参考图3和图4，图4为本发明实施例二提供的可反可透平面镜31的结构示意图，如图3和图4所示，在本实施例中，可反可透平面镜31为具有折面的可反可透平面镜，可反可透平面镜31具体包括光学效率一致的第一平面311和第二平面312，第一平面311和第二平面312通过弧面313相连，弧面313与第一平面311和第二平面312相切。在另一实施例中，第一平面311和第二平面312可以直接相连，在此就不再赘述了。

在本实施例中，请继续参考图3，虚拟图像和一部分的外界环境光线依次经过可反可透凹镜40和第一平面311后进入人眼，另一部分的外界光线依次经过可反可透凹镜40和第二平面312后进入人眼，从而保证了两部分的外界光线的亮度的均匀性。

在具体实施过程中，第一平面311与人眼水平视线可以呈30度～60度的夹角，第二平面312与人眼水平视线垂直，较优地，第一平面311与人眼水平视线呈45度的夹角。

请继续参考图3，如图3所示，本发明实施例二提供的近眼显示光学系统还包括可透弯月保护板60，可透弯月保护60可以用于保护图3中所示的光学元件不受外界的影响，例如防潮等等，在此就不再赘述了。

在本实施例中，同样可以通过实施例一中介绍的控制中继成像镜组20与可透可反镜31之间的距离的方式，来保证人眼在垂直方向的上视野界限，而本实施例提供的近眼显示光学系统对人眼在垂直方向的下视野没有任何限制，同时针对水平方向的视野界限，只需要保证可反可透平面镜31与可反可透凹镜40在水平方向的尺寸足够大，就不会对人眼在水平方向的视野造成限制，并且还可以通过将中继成像镜组20的出瞳设置为可反可透凹镜40的入瞳，来尽可能地接收到图像源10发出的光线，保证人眼看到的虚拟图像的亮度，在此就不再赘述了。

在本实施例中，近眼显示光学系统同样采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以也保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在因虚拟图像的一部分光线的损失率较低且另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

实施例三：

请参考图5，图5为本发明实施例三提供的近眼显示光学系统的光路示意图，如图5所示，本实施例提供的近眼显示光学系统包括图像源10、中继成像镜组20、可反可透平面镜30、可反可透凹镜40和平面全反射镜51。

如图5所示，图像源10输出的图像光线经中继成像镜组20后，被平面全反射镜51反射至可反可透平面镜30，再被可反可透平面镜30反射至可反可透凹镜40，经可反可透凹镜40放大反射后，再经可反可透平面镜30透射后被人眼接收；外界环境光线依次经可反可透凹镜40与可反可透平面镜30透射后被人眼接收。这样，本实施例提供的近眼显示光学系统能够向用户同时提供图像源10输出的图像光线和外界环境光线，从而能够向用户提供增强现实的体验。

通过上述结构，本实施例提供的近眼显示光学系统采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在同一图像的一部分光线的损失率较低而另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

并且，由于通过平面全反射镜51将中继成像镜组20透射的图像光线反射至可反可透平面镜30，所以中继成像镜组20不会对人眼在垂直方向的上视野造成遮挡，同时人眼在垂直方向的下视野没有任何遮挡，而针对水平方向的视野，只要保证只需要保证可反可透平面镜30与可反可透凹镜40在水平方向的尺寸足够大，就不会对人眼在水平方向的视野造成限制；这样，本发明实施例提供的近眼显示光学系统能够向用户提供满足甚至超过人眼在水平方向和垂直方向上最大视角的外界环境视野，极大地减少用户因外界环境被遮挡而产生的不适应感。

在本实施例中，图像源10、中继成像镜组20、可反可透平面镜30和可反可透凹镜40可以与实施例一中介绍的内容一致，在此就不再赘述了。

请继续参考图5，如图5所示，在本实施例中，图中虚线b为人眼和显示系统的分界，当人眼观察外界环境时，外界环境通过可反可透凹镜40在垂直方向提供的上视野界限为β角，而图像源10输出的图像光线在垂直方向上提供的上视野界限为α角，因此，对人眼接收到的图像来说，图像源10输出的图像光线也即虚拟图像所在的区域的亮度较高，而虚拟图像之外的其他区域的亮度较低，这样容易使得人眼出现不舒适的感觉，因此，在本实施例中可以将可反可透平面镜30与水平方向的夹角C设置为55度，使得在保持人眼到显示系统的距离L1为25mm、以适配佩戴近视眼镜使用者使用此显示系统的情况下，可反可透平面镜30上端到人眼的距离H1为22mm(调整后的示意图未给出)，这样本实施例提供的近眼显示光学系统能够提供给用户的外界环境的上视界为41.34度，与人眼在垂直方向的上视野界限50度较为接近，且能够向用户提供亮度均匀的图像，避免用户因亮度不均而产生不舒适感。

本实施例提供的近眼显示光学系统在垂直方向提供的上视野界限为41.34度，与人眼在垂直方向上的视野界限50度较为接近，而在垂直方向的下视野没有任何限制，同时针对水平方向的视野界限，只需要保证可反可透平面镜30与可反可透凹镜40在水平方向的尺寸足够大，就不会对人眼在水平方向的视野造成限制，并且还可以通过将中继成像镜组20的出瞳设置为可反可透凹镜40的入瞳，来尽可能地接收到图像源10发出的光线，保证人眼看到的虚拟图像的亮度，在此就不再赘述了。

本发明实施例提供的近眼显示光学系统同样采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以也保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在因虚拟图像的一部分光线的损失率较低且另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

实施例四：

请参考图6，图6为本发明实施例四提供的近眼显示光学系统的光路示意图，如图6所示，本实施例提供的近眼显示光学系统包括图像源10、中继成像镜组20、可反可透平面镜30、可反可透凹镜40、平面全反射镜52和53、菲涅尔透镜54(又被称为菲涅耳透镜)。

请继续参考图6，如图6所示，图像源10输出的图像光线经过中继成像镜组20后，被平面全反射镜52反射经菲涅耳镜54，并被平面全反射镜53反射至可反可透平面镜30，再被可反可透平面镜30反射至可反可透凹镜，经可反可透凹镜40放大反射后，再经过可反可透平面镜30透射后被人眼接收；外界环境光线依次经过可反可透凹镜40与可反可透平面镜30透射后被人眼接收。这样，本实施例提供的近眼显示光学系统能够向用户同时提供图像源输出的图像光线和外界环境光线，从而能够向用户提供增强现实的体验。

在本实施例中，通过两块平面全反射镜52和53以及菲涅尔镜54来替代实施例中的平面全反射镜51，在保证整个光线路径的情况下，进一步提高了近眼显示光学系统的结构的紧凑性，避免了近眼显示光学系统的体积过大。

在本实施例中，图像源10、中继成像镜组20和可反可透凹镜40可以与实施例一中介绍的内容一致，在此就不再赘述了。

请继续参考图6，可反可透平面镜30远离人眼的一侧镀有可反可透膜层，该可反可透膜层对入射角大于第一值的光线具有第一反射率，对入射角小于第二值的光线具有第二透射率，其中第一值大于第二值，第一反射率大于第一阈值，第二透射率大于第二阈值，例如，在本实施例中，设定第一值为40度，第二值为35度，第一阈值为80％，第二阈值为80％，同时，可反可透凹镜40在近人眼一侧的凹面镀有另一种普通的可反可透膜层，该普通的可反可透膜层的透射光和反射系数均为0.5。

这样，通过调整近眼显示光学系统中图像源10、中继成像镜组20、平面全反射镜52和53、菲涅尔透镜54的相对位置，在保证图像源10输出的图像光线的光线路径的情况下，将平面全反射镜53反射向可反可透平面镜30的光线的入射角控制为大于第一值，此时也即图像源10输出的图像光线第一次射入可反可透平面镜30，并且将可反可透凹镜40反射向可反可透平面镜30的光线的入射角控制为小于第二值，此时也即图像源10输出的图像光线第二次射入可反可透平面镜30，例如，请参考图7，图7为本发明实施例四提供的调整射入可反可透平面镜30的光线的入射角的光路示意图，如图7所示，可反可透凹镜40为旋转对称面型，且可反可透凹镜40的凹面的曲率顶点为O3，且在该顶点处的切线a与Y轴的夹角为α₁，可反可透平面镜30与Y轴的夹角为α2，通过具体设计凹镜的面型参数及夹角α1和夹角α2，即能够控制将平面全反射镜53反射向可反可透平面镜30的光线的入射角控制为大于第一值，将可反可透凹镜40反射向可反可透平面镜30的光线的入射角控制为小于第二值，在此就不再赘述了。

在本实施例中，将平面全反射镜53反射向可反可透平面镜30的光线的入射角控制为55度，并且将可反可透凹镜40反射向可反可透平面镜30的光线的入射角控制为30度，这样，图像源10输出的光线至人眼这一光路的光学效率为0.8*0.5*0.8＝32％，外界环境光线至人眼这一光路的光学效率为0.5*0.8＝40％；而在可反可透平面镜30上镀普通的可反可透膜层后，图像源10输出的光线至人眼这一光路的光学效率为0.5*0.5*0.5＝12.5％，外界环境光线至人眼这一光路的光学效率为0.5*0.5＝25％；明显可以看出，本实施例提出的方案的光学效率得到了极大的提高，尤其是对于图像源10输出的光线至人眼这一光路的光学效率而言。

当然，在本实施例中，同样可以通过实施例一中介绍的控制中继成像镜组20与可透可反镜31之间的距离的方式，来保证人眼在垂直方向的上视野界限，而本实施例提供的近眼显示光学系统对人眼在垂直方向的下视野没有任何限制，同时针对水平方向的视野界限，只需要保证可反可透平面镜31与可反可透凹镜40在水平方向的尺寸足够大，就不会对人眼在水平方向的视野造成限制，并且还可以通过将中继成像镜组20的出瞳设置为可反可透凹镜40的入瞳，来尽可能地接收到图像源10发出的光线，保证人眼看到的虚拟图像的亮度，在此就不再赘述了。

在本实施例中，近眼显示光学系统同样采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以也保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在因虚拟图像的一部分光线的损失率较低且另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

本发明实施例中的一个或者多个方案，至少具有如下技术效果或者优点：

1、本发明实施例提供的近眼显示光学系统采用了传统光学器件来将图像源输出的图像光线传递至人眼，由于传统光学器件在传递图像光线时具有低色散的优点，所以也保证了本发明实施例提供的近眼显示光学系统提供的虚拟图像色彩的准确性，同时图像光线进入人眼的损失率相同，不存在因虚拟图像的一部分光线的损失率较低且另一部分光线的损失率较高而出现的亮度不均匀的现象，从而保证了虚拟图像的亮度的均匀性。

2、本发明实施例中继成像镜组至可反可透平面镜的垂直距离可调，所以能够增加用户在垂直方向的上视野界限，同时对用户在垂直方向的下视野界限不存在任何限制，并且在水平方向的视野界限也不存在任何限制，所以能够向用户提供满足甚至超过人眼在水平方向和垂直方向上最大的外界环境视野，极大地减少用户因外界环境被遮挡而产生的不适应感。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (11)

1.一种近眼显示光学系统，其特征在于，包括图像源、中继成像镜组、可反可透平面镜和可反可透凹镜；

所述图像源输出的图像光线经所述中继成像镜组后，被可反可透平面镜反射至可反可透凹镜，经所述可反可透凹镜放大反射后，再经所述可反可透平面镜透射后被人眼接收；

外界环境光线依次经所述可反可透凹镜与所述可反可透平面镜透射后被人眼接收。

2.如权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述图像源设置于所述中继成像镜组上方，所述可反可透平面镜设置于所述中继成像镜组下方，且所述可反可透平面镜位于所述可反可透凹镜与人眼之间。

3.如权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括一个或多个平面全反射镜，所述图像光线由所述一个或多个平面全反射镜反射后，射入所述中继成像镜组。

4.如权利要求3所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述图像源设置于所述中继成像镜组靠近人额头一侧，所述中继成像镜组上方设置一平面全反射镜，所述可反可透平面镜设置于所述中继成像镜组下方，且所述可反可透平面镜位于所述可反可透凹镜与人眼之间。

5.如权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括一个平面全反射镜，所述图像光线经所述中继成像镜组后，通过所述平面全反射镜反射向所述可反可透平面镜。

6.如权利要求1至5任一项所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述中继成像镜组至少包括正透镜和负透镜。

7.如权利要求6所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述可反可透平面镜为平面可反可透平面镜，所述平面可反可透平面镜所在的平面与人眼水平视线呈30度～60度的夹角。

8.如权利要求6所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述可反可透平面镜为具有折面的可反可透平面镜，其包括光学效率一致的第一平面和第二平面，所述第一平面与第二平面直接相连或通过一个弧面相连，且所述弧面与两平面均相切；

所述可反可透平面镜的第一平面与人眼水平视线呈30度～60度的夹角，第二平面与人眼水平视线垂直。

9.如权利要求6所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述可反可透平面镜远离所述人眼的一侧镀有可透可反膜层，所述可反可透膜层对入射角大于第一值的光线具有第一反射率且对入射角小于第二值的光线具有第二透射率，其中第一值大于第二值，第一反射率大于第一阈值，第二透射率大于第二阈值；所述图像光线第一次射入所述可反可透平面镜时的第一入射角大于所述第一值，且所述图像光线第二次射入所述可反可透平面镜时的第二入射角大于所述第二值；所述外界环境。

10.如权利要求6所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述中继成像镜组至所述可反可透平面镜的垂直距离可调。

11.如权利要求6所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述中继成像镜组的出瞳与所述可反可透凹镜的入瞳重合。