CN106019595A - 一种大出瞳大视场增强现实光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大出瞳大视场增强现实系统，包括：具有三个光学工作面的棱镜、半反半透镜以及图像显示器，棱镜的三个光学工作面分别为第一光学工作面、第二光学工作面以及第三光学工作面；图像显示器发出的光线经过第一光学工作面透射进入棱镜，然后经过第三光学工作面反射，再经过第二光学工作面反射，再经过第三光学工作面透射，最后经过半反半透镜反射进入人眼；位于半反半透镜的远离人眼一侧的光线经过半反半透镜透射进入人眼。本发明的大出瞳大视场增强现实光学系统，具有结构紧凑、出瞳距大、视场大、眼动范围大、全视场像差校正良好及高光能利用率等优点。

Description

一种大出瞳大视场增强现实光学系统

技术领域

本发明涉及增强现实领域，特别涉及一种大出瞳大视场增强现实光学系统。

背景技术

近年来，增强现实(Augmented Reality，简称AR)显示装置快速发展，由于该系统属于头戴系统，因此它必须结构紧凑和轻量化，以增强使用者的舒适度。对于增强现实显示装置，大视场非常重要，大视场可以增加使用者的沉浸感，使观察者能最大程度的观察优质的动态图像。而大的出瞳距可以使观察者佩戴其他目视系统(如近视镜)进行使用，增加了系统对佩戴者的适用范围。但是，光学系统的视场、出瞳距、大出瞳直径、短焦距等结构参数互相制约，同时满足上述条件存在相当大的困难。

因此，急需提供一种能够同时满足大出瞳大视场的增强现实光学系统。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种大出瞳大视场增强现实光学系统，具有结构紧凑、出瞳距大、视场大、眼动范围大、全视场像差校正良好及高光能利用率等优点。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种大出瞳大视场增强现实光学系统，其包括：具有三个光学工作面的棱镜、半反半透镜以及图像显示器，其中，

所述棱镜的三个光学工作面分别为第一光学工作面、第二光学工作面以及第三光学工作面；

所述图像显示器发出的光线经过所述第一光学工作面透射进入所述棱镜，经过所述第一光学工作面透射的光线经过所述第三光学工作面反射，经过所述第三光学工作面反射的光线经过所述第二光学工作面反射，经过所述第二光学工作面反射的光线经过所述第三光学工作面透射，经过所述第三光学工作面透射的光线经过所述半反半透镜反射进入人眼；

位于所述半反半透镜的远离所述人眼一侧的光线经过所述半反半透镜透射进入人眼。

较佳地，所述半反半透镜为球面半反半透镜。

较佳地，所述半反半透镜为两面具有相同曲率半径的玻璃片。

较佳地，三个所述光学工作面中至少一个为自由曲面。

较佳地，三个所述光学工作面为：一自由曲面、一偶次非球面、一标准球面。

较佳地，所述第一光学工作面为标准球面、所述第二光学工作面为自由曲面，所述第三光学工作面为偶次非球面。

较佳地，所述图像显示器发出的光线经过所述第三光学工作面反射时的入射角满足：

${\mathrm{\θ}}_{mi1}>arcsin\left(\frac{1}{n^{\′}}\right);$

其中，n′为第三光学工作面的光学材料的折射率。

较佳地，所述图像显示器发出的光线经过所述第三光学工作面透射时的入射角满足：

${\mathrm{\&theta;}}_{mi2}<arcsin\left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right);$

其中，n′为第三光学工作面的光学材料的折射率。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的大出瞳大视场增强现实光学系统，具有出瞳距大的优点，能够保证使用者在大视场范围内看到清晰、畸变小的图像；本发明通过半反半透镜将光线反射进入人眼，采用半反半透镜对光路进行折转，延长了出射光路的距离，即增加了出瞳距，可以达到30mm以上，大出瞳距可以保证用户可以在佩戴其他目视系统(如近视镜)的情况下使用该系统；

(2)本发明的增强现实光学系统，还具有视场角大、眼动范围大、全视场像差校正良好等优点，用户在使用过程中不易产生眼疲劳，具有优秀的视觉体验；本发明通过三工作面棱镜与半反半透镜的配合，增大了视场角，提供了较大的眼动范围(±4mm)，增加了产品的适用范围；

(3)本发明使用半反半透镜进行光路折转与像差校正，现实世界中的景物经过半反半透镜到达人眼，几乎不会引入像差，不需要额外增加补偿棱镜系统；

(4)本发明结构精巧、简洁、紧凑，便于增加调节瞳距的机械机构；

(5)本发明对光线在第三光学工作面上的第一次入射角及第二次入射角进行设置，使全视场光线都能经过第三光学工作面反射和透射，提高了光能利用率，显示的图像亮度高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的实施例的增强现实光学系统的示意图；

图2为本发明的实施例的各视场的光学传递函数值的示意图；

图3为本发明的实施例的场曲图；

图4为本发明的实施例的畸变图；

图5为本发明的实施例的网格畸变图；

图6为现有的增强现实光学系统的示意图。

标号说明：1-棱镜，2-半反半透镜，3-图像显示器，4-人眼；11-第一光学工作面，12-第二光学工作面，13-第三光学工作面。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

结合图1，对本发明的增强现实光学系统进行详细描述，其包括：棱镜1、半反半透镜2以及图像显示器3，棱镜1包括：第一光学工作面11、第二光学工作面12以及第三光学工作面13。其中，图像显示器3发出的光线，先经过棱镜1的第一光学工作面11透射进入棱镜1，然后在第三光学工作面13内侧反射，经过第二光学工作面12反射，再经过第一光学工作面11透射，再经过半反半透镜2反射后，到达人眼4。

本实施例中，棱镜1的三个光学工作面的曲面方程如下：

(1)第一光学工作面11为标准球面，其面型方程如下：

$z=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+{\&lsqb;1-(1+k)c^2{x}^2\&rsqb;}^{1/2}}+{\mathrm{Ax}}^4+{\mathrm{Bx}}^6+{\mathrm{Cx}}^8+{\mathrm{Dx}}^{10}---\left(1\right)$

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数，其结构参数为R＝117.6592mm。

(2)第二光学工作面12为自由曲面(扩展多项式面型)，其面型方程如下：

$z=\frac{{\mathrm{c\&rho;}}^2}{1+{\&lsqb;1-(1+k)c^2{\mathrm{\&rho;}}^2\&rsqb;}^{1/2}}+\underset{i=0}{\overset{N}{\&Sigma;}}{A}_i{E}_i(x,y)---\left(2\right)$

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，ρ²＝x²+y²，N为级数中多项式系数的总数，A_i为第i项扩展多项式的系数，该多项式只是在x,y方向的幂级数，第一项是x，然后是y，接着是x*x，x*y，y*y等等，1次项有2项，2次项有三项，3次项有4项等等，x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量钢的多项式系数，其结构参数如表1所示，表1中各标号的定义如表2所示，如3,4分别为x，y的系数：

表1第二光学工作面的结构参数

1	27
		2	100
3	0.0000
		4	0.0000
5	-26.0539
		6	0.0000
7	-27.5241
		8	0.0000
9	0.0000
		10	0.0000
11	0.0000
		12	-2.9332
13	0.0000
		14	-17.4591
15	0.0000
		16	-19.0997
17	0.0000
		18	0.0000
19	0.0000
		20	0.0000
21	0.0000
		22	0.0000
23	2.8657
		24	0.0000
25	46.4538
		26	0.0000
27	-2.6570
		28	0.0000
29	15.3334

表2各标号的定义

(3)第三光学工作面13为偶次非球面，其面型方程如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+{\&lsqb;1-(1+k)c^2{r}^2\&rsqb;}^{1/2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_1{r}^2+{\mathrm{\&alpha;}}_2{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\&alpha;}}_7{r}^{14}+{\mathrm{\&alpha;}}_8{r}^{16}---\left(3\right)$

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，r为透镜的半孔径，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈分别为二阶项、四阶项、六阶项、十阶项、十二阶项、十四阶项、十六阶项的系数，其结构参数如表3所示：

表3第三光学工作面的结构参数

第三光学工作面13既是透射面又是反射面，光线第一次经过第三光学工作面13时反射，第二次经过第三光学工作面13时透射。

本实施例中，所有全视场边缘光线第一次经过第三光学工作面时的入射角θ_mi1以及第二次经过第三光学工作面时的入射角θ_mi2满足以下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{mi1}>arcsin\left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{mi2}<arcsin\left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，n′为第三光学工作面的透明光学材料的折射率，满足上述关系式后，可以保证全视场的光线都能够被第三光学工作面反射和透射，减少了光能损失，使其具有高光能利用率，使其显示的图像亮度高。

本实施例的光学系统通过半反半透镜将光线反射进入人眼，采用半反半透镜对光路进行折转，延长了出射光路的距离，即增加了出瞳距，使人眼与半反半透镜之间的直线距离可以达到30mm以上，便于使用者佩戴其他眼镜，增强了光学系统的应用扩展性。

现有的自有曲面棱镜系统，结构类似楔形且自身具有一定的光焦度，产生屈光效应，使真实景物产品扭曲或偏转，同时产生巨大的像差，需要额外增加补偿自由曲面棱镜，对真实物理世界的光线进行补偿，如图5和图6所示。而本发明使用半反半透镜2进行光路折转与像差校正，半反半透镜2为玻璃片，焦距非常大，现实世界中的景物经过球面半反半透镜到达人眼，几乎不会引入像差，不需要额外增加补偿棱镜系统。

利用本实施例的光学系统，可以使得各视场(中心视场及边缘视场)的光学传递函数在36lp/mm处大于0.45，各视场光学传递函数值如图2所示，即可以使各视场均达到衍射极限，使光学系统具有优秀的光学性能。

利用本实施例的光学系统，可以将场曲控制在小于02mm的范围内，场曲图如图3所示，可以将畸变控制在小于2％的范围内，畸变图如图4所示，将场曲、畸变完美的限制在人眼的有效范围内，无需对图像源进行电子校正。

不同实施例中，第一光学工作面11、第二光学工作面12以及第三光学工作面13的面型可以互换，也可以采用其它面型，可以根据需要进行设置。

不同实施例中，第一光学工作面11、第二光学工作面12以及第三光学工作面13的结构参数不一定为本实施例中所举出的，可以根据需要进行不同的设置。

较佳实施例中，半反半透镜为两面具有相同曲率半径的玻璃片，进一步增加了其焦距，如半反半透镜为厚度为2mm，两面具有相同曲率半径的玻璃片，焦距大于2000mm，现实世界中的景物经过如此大焦距的透镜到达人眼时，更不会引入像差。

较佳实施例中，控制三个光学工作面的结构参数，包括：偏心、倾斜、曲面一阶以及曲面二阶，可以使单色像差得到很好的控制，进一步减小系统的像差。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，包括：具有三个光学工作面的棱镜、半反半透镜以及图像显示器，其中，

所述棱镜的三个光学工作面分别为第一光学工作面、第二光学工作面以及第三光学工作面；

所述图像显示器发出的光线经过所述第一光学工作面透射进入所述棱镜，经过所述第一光学工作面透射的光线经过所述第三光学工作面反射，经过所述第三光学工作面反射的光线经过所述第二光学工作面反射，经过所述第二光学工作面反射的光线经过所述第三光学工作面透射，经过所述第三光学工作面透射的光线经过所述半反半透镜反射进入人眼；

位于所述半反半透镜的远离所述人眼一侧的光线经过所述半反半透镜透射进入人眼。

2.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述半反半透镜为球面半反半透镜。

3.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述半反半透镜为两面具有相同曲率半径的玻璃片。

4.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，三个所述光学工作面中至少一个为自由曲面。

5.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，三个所述光学工作面为：一自由曲面、一偶次非球面、一标准球面。

6.根据权利要求5所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述第一光学工作面为标准球面、所述第二光学工作面为自由曲面，所述第三光学工作面为偶次非球面。

7.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述图像显示器发出的光线经过所述第三光学工作面反射时的入射角满足：

${\mathrm{\&theta;}}_{mi1}>\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right);$

其中，n′为第三光学工作面的光学材料的折射率。

8.根据权利要求1或7所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述图像显示器发出的光线经过所述第三光学工作面透射时的入射角满足：

${\mathrm{\&theta;}}_{mi2}<\arcsin \left(\frac{1}{n^{\&prime;}}\right);$

其中，n′为第三光学工作面的光学材料的折射率。