CN106997066A - 一种棱镜、虚拟现实以及增强现实光学显示装置 - Google Patents

一种棱镜、虚拟现实以及增强现实光学显示装置 Download PDF

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CN106997066A CN201710250702.9A CN201710250702A CN106997066A CN 106997066 A CN106997066 A CN 106997066A CN 201710250702 A CN201710250702 A CN 201710250702A CN 106997066 A CN106997066 A CN 106997066A
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宋磊
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Abstract

本发明提供一种棱镜，用于设置在像源和观看者之间，像源发出的光线经由棱镜进入到观看者眼中，此棱镜包括：第一表面、第二表面及第三表面，所述第一、第二、第三表面两两相交；第一表面设置在靠近观看者的一侧，第三表面设置在靠近像源的一侧；像源发出的光线入射至第三表面，由第三表面透射至第一表面，经过第一表面全反射后，入射至第二表面，经过第二表面的反射后，再次入射至第一表面，并由第一表面透射出去，进入到观看者眼中，其中：第一表面透射出去的光线对应的第一视角度数的绝对值与第二视角度数的绝对值不相等。本发明提供的棱镜和虚拟现实以及增强现实光学显示装置，具有体积小重量轻，有效降低视觉疲劳，提升舒适度等优点。

Description

一种棱镜、虚拟现实以及增强现实光学显示装置
技术领域
本发明属于虚拟现实成像光学技术领域，尤其涉及一种棱镜、虚拟现实以及增强现实光学显示装置。
背景技术
随着现代技术的发展，虚拟现实(VR)/增强现实(AR)显示相关技术也得到了飞速发展，但是作为二者重要组成部分的光学显示装置，体积却十分笨重，体验感较差，使得多数人仅仅作为尝鲜体验，最主要还是在军事及实验室内，始终无法真正面向消费电子市场。轻量化和便携性是现代设计光学显示装置的主要方向，也是难点。传统光路很难保证显示效果的同时，兼顾轻量与便携，所以很多新颖的光学系统提出解决该问题。
棱镜作为一种新型的光学系统，采用的是离轴光学系统的设计，可以对光轴进行折叠，并且使用自由曲面可以大幅降低因为光路离轴产生的大像差，单个元件集成了传统多片式透镜才能实现的光学质量，其在小型化，轻量化方面具有先天优势，越来越受到人们的关注。因此，将棱镜应用到AR、VR设备上来实现AR、VR设备小型化和轻量化已经成为了研发热点。
但是目前的AR、VR设备的设计思路多数都是采用望远镜和显微镜目镜的光学设计方式，将人眼的视角中心集中在虚拟图像的中心，使人眼的注意力会集中在虚拟图像的显示区域，但从生理的角度上，这样并不符合人眼常规视觉感受，会增加人眼观看的疲劳感与眩晕感。
因此，将棱镜应用到AR、VR设备上实现设备的小型化、轻量化的同时，能够改善用户体验，有效减轻人眼观看疲劳及眩晕感是亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种棱镜和虚拟现实以及增强现实光学显示装置，具有体积小重量轻，采用更适合人眼单眼观看习惯的不对称视觉角度，有效降低视觉疲劳，提升舒适度的优点。
本发明提供一种棱镜，所述棱镜用于设置在像源和观看者之间，所述像源发出的光线经由所述棱镜进入到所述观看者眼中，所述棱镜包括：
第一表面、第二表面及第三表面，所述第一、第二、第三表面两两相交；
所述第一表面设置在靠近所述观看者的一侧，所述第三表面设置在靠近所述像源的一侧；
所述像源发出的光线入射至所述第三表面，由所述第三表面透射至所述第一表面，经过所述第一表面全反射后，入射至所述第二表面，经过所述第二表面的反射后，再次入射至所述第一表面，并由所述第一表面透射出去，进入到所述观看者眼中，其中：
所述第一表面透射出去的光线对应的第一视角度数的绝对值与第二视角度数的绝对值不相等；
其中，所述第一视角为所述第一表面透射出去的光线中的上边缘光线与第一方向的夹角，所述第二视角为所述第一表面透射出去的光线中的下边缘光线与第一方向的夹角，所述第一方向为所述观看者人眼瞳孔的正前垂直方向。
优选的，所述第二视角度数的绝对值大于所述第一视角度数的绝对值。
优选的，所述第一视角度数的绝对值和所述第二视角度数的绝对值的差值为5～20度。
优选的，所述第一表面与所述第二表面的第一夹角小于等于40度。
优选的，所述第一表面与所述第二表面的第一夹角为25～40度。
优选的，所述第一表面的第一切平面与竖直方向的第二夹角为-15度～15 度，其中，所述第一切平面经过所述第一表面和第二表面的交线在第一坐标平面内的交点，所述第一坐标平面为垂直于水平方向和竖直方向的平面。
优选的，所述棱镜在预设空间频率内的极限MTF值大于等于0.1。
优选的，所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面为自由曲面、非球面或球面。
优选的，所述第二表面的内表面镀设有全反射膜。
优选的，所述第二表面的内表面镀设有透射光学膜和反射光学膜中的至少一种。
本发明同时还提供一种虚拟现实光学显示装置和一种增强现实光学显示装置，包括显示屏和设置在显示屏上的棱镜，其中所述棱镜为本发明所提供的棱镜。
本发明还提供一种上述棱镜的设计方法，包括：
设定所述棱镜的属性参数，其中，所述属性参数包括所述第一视角和所述第二视角，所设定的所述第一视角度数的绝对值与所设定的所述第二视角度数的绝对值不相等；
根据所述属性参数，获取所述棱镜的数学模型。
优选的，所述属性参数还包括入瞳直径、像源显示屏尺寸、出瞳最小距离。
本发明实施例技术方案的有益效果至少包括：
本发明提供的棱镜和包括此棱镜的虚拟现实光学显示装置和增强现实光学显示装置，包括两两相交的第一表面、第二表面和第三表面，像源发出的光线最终从第一表面透射出去，进入到观看者眼中，此棱镜采用不对称视角设计，第一表面透射出去的光线对应的第一视角度数的绝对值与第二视角度数的绝对值不相等。一方面，将棱镜应用到虚拟现实光学显示装置和增强现实光学显示装置上能够实现装置的小型化和轻量化，另一方面，棱镜这种不对称视角的设计，可使得人眼观看的视角中心位于虚拟场景显示区域中心线以下，更适合人眼的生理要求和人眼单眼观看习惯，有效降低视觉疲劳，提升观看舒适度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种棱镜；
图2为本发明棱镜的第三表面S3俯视方向的俯视图的示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种棱镜的成像光路示意图；
图4为本发明实施例一提供一种棱镜对应的MTF的示意图；
图5为本发明实施例二提供的一种棱镜的成像光路示意图；
图6为本发明实施例二提供一种棱镜对应的MTF的示意图；
图7为本发明实施例三提供的一种棱镜的成像光路示意图；
图8为本发明实施例三提供一种棱镜对应的MTF的示意图；
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
首先需要说明的是，为了更好的说明本发明，首先将本发明及实施例中坐标系的规定为：将出瞳位置的中心设为此坐标系的坐标原点，以此坐标原点水平向右设置为Z轴方向，即Z轴方向为水平方向，垂直Z轴向上设置为Y轴方向，即Y轴方向为竖直方向，垂直YOZ平面纸面向里设置为X轴方向的右手坐标系。当然，建立了如上所述的坐标系仅为了便于描述本发明的内容，但本发明不限于此，本领域的技术人员可以理解的是，坐标系也可自行去定义，并不限定为如上所建立的坐标系。
VR/AR等光学显示装置的光学系统中可采用棱镜，棱镜用于设置在像源 (例如显示器)和观看者之间，像源发出的光线经由棱镜进入到观看者眼中。本发明提供一种可应用于VR/AR等光学显示装置的棱镜。如图1所示，图1 为本发明提供的棱镜的横向切面图，此棱镜包括：第一表面S1、第二表面S2 及第三表面S3，第一、第二、第三表面两两相交；第一表面S1设置在靠近观看者的一侧，第三表面S3设置在靠近像源的一侧；像源发出的光线入射至第三表面S3，由第三表面S3透射至第一表面S1，经过第一表面S1全反射后，入射至第二表面S2，经过第二表面S2的反射后，再次入射至第一表面S1，并由第一表面S1透射出去，进入到观看者眼中。
如图1和图2所示，其中图2为本发明棱镜的第三表面S3俯视方向的俯视图，在本发明中，将第一表面S1透射出去的光线中的上边缘光线与第一方向的夹角定义为上视角a1；将第一表面S1透射出去的光线中的下边缘光线与第一方向的夹角定义为下视角a2，将第一表面S1透射出去的光线中的左边缘光线与第一方向的夹角定义为左视角a3；将第一表面S1透射出去的光线中的右边缘光线与第一方向的夹角定义为右视角a4，其中第一方向为观看者人眼瞳孔的正前垂直方向，即前述建立坐标系对应的Z轴方向。为了便于后续描述，以下将上视角称为第一视角a1，将下视角称为第二视角a2，将左视角称为为第三视角a3，将右视角称为第四视角a4。
目前的VR/AR光学显示装置的光学系统中采用的棱镜基本都是对称式视角的结构，譬如在双眼视角下，眼球不动，同时头部也保持不动，人眼在Y轴方向上，上下视角观看角度的绝对值相同约为60度，即第一视角a1和第二视角a2观看角度的绝对值相同且约为60度；在Z轴方向上即Z轴方向上左右视角相同且约为100度，即第三视角a3和第四视角a4观看角度的绝对值相同约为100度。但是VR光学显示装置的光学系统实际上分为左右眼两组镜片，并且左右眼分别观看左右图片，人眼在观看的时候基本头部是跟镜片图像一起动的，即头部不动，眼球也不动。所以实际光学系统采用单眼视角的结构可以有效提升人眼舒适度，更贴近人眼在现实世界中的观看效果。
基于上述原理，为了模拟人眼观看现实世界的观看效果，消除人眼观看 VR/AR光学显示装置的疲劳感以及眩晕感，本发明中的VR/AR显示光学装置的光学系统，即棱镜采用单眼视角的设计，亦即视角不对称设计，第一视角a1 度数的绝对值和第二视角a2度数的绝对值不相等。
基于上述描述，本发明提出一种棱镜，上下视角即第一视角a1和第二视角a2为不对称设计，即第一表面S1透射出去的光线对应的第一视角a1度数的绝对值与第二视角a2度数的绝对值不相等。
同时结合人眼生理仿生学及机构设计，考虑到可能因为重力原因导致镜片下滑或者倾斜，优选的，第二视角a2度数的绝对值大于第一视角a1度数的绝对值，更进一步的，第一视角a1度数的绝对值和第二视角a2度数的绝对值的差值为5～20度。
举例来讲，针对VR显示光学装置的应用场景中多包含人眼眼球动，同时头部保持不动的情况，这时第一视角a1度数的绝对值可设置在约为50度，第二视角a2度数的绝对值可设置在约为70度，而针对VR光学显示装置的应用场景下多包括佩戴者比较专注的情况下，即人眼眼球不动，头部也保持不动时，这时第一视角a1度数的绝对值可设置在约为40度，第二视角a2度数的绝对值可设置为约为50度。
如图1所示的棱镜，此棱镜用于设置在像源和观看者之间，像源发出的光线经由棱镜进入到观看者眼中，此棱镜包括：第一表面S1、第二表面S2及第三表面S3，第一、第二、第三表面两两相交；第一表面S1设置在靠近观看者的一侧，第三表面S3设置在靠近像源的一侧，第一表面S1相对于观察侧为凹面形状的透射面，第二表面S2相对于观察侧为凸面形状的反射面。
具体的，当棱镜应用在虚拟现实的光学显示装置，即VR光学显示装置中时，第二表面S2的内表面可镀设有全反射膜，此时像源发出的光线入射至第三表面S3，由第三表面S3透射至第一表面S1，经过第一表面S1全反射后，入射至第二表面S2，经过第二表面S2的反射后，再次入射至第一表面S1，并由第一表面S1透射出去，进入到观看者眼中。
具体的，当棱镜应用在增强现实的光学显示装置中，即AR光学显示装置中，通常该显示装置中包括棱镜以及补偿透镜，此时，棱镜的第二表面S2的内表面可镀设有具有透射和反射作用的光学膜，此时像源发出的光线入射至第三表面S3，由第三表面S3透射至第一表面S1，经过第一表面S1全反射后，入射至第二表面S2，经过第二表面S2的反射后，部分光线再次入射至第一表面S1，并由第一表面S1透射出去，进入到观看者眼中，另一部分光线经过第二表面S2入射进补偿透镜，最后经过补充透镜透射出去；另外外部环境光线经过补充透镜入射，经过第二表面S2透射，最后从第一表面S1透射出去，进入人眼，这样人眼不仅能够看到虚拟图像还能看到现实环境中的图像，其中补偿透镜可以是棱镜、常规透镜或透镜组。
如图1所示，此棱镜的出瞳直径为D，第一视角为a1，第二视角为a2，最短出瞳距离为lz，则第一视角a1对应的有效工作长度应大于lz*(tan a1)，当第二视角a2度数的绝对值>第一视角度a1度数的绝对值时，第二视角a2对应的有效工作长度较长，则人眼第二视角a2观看的图像面积较大，更符合人眼自然观看的习惯，以此降低或减弱视觉疲劳。
同时为了使得棱镜的体积较小，所以第一表面S1与第二表面S2的第一夹角可设置为小于等于40°，在优选实施例中，第一表面S1与第二表面S2的第一夹角为25度到40度之间，这样可以使得棱镜的体积更小。
为了满足像源发出的光线经过第三表面S3入射，由第三表面S3透射至第一表面S1，并在第一表面S1的内表面发生全反射，此时，第一表面S1的第一切平面与Y轴方向的第二夹角可设置为-15度～15度，其中，第一切平面经过所述第一表面S1和第二表面S2的交线在第一坐标平面内的交点，第一坐标平面为垂直于水平方向和竖直方向的平面，即第一坐标平面为垂直于Z轴和Y 轴的平面，即X平面。因第一表面S1与第二表面S2之间的第一夹角会对此第二夹角产生影响，当第一表面S1与第二表面S2的第一夹角不大于40度时，此第一表面S1的第一切平面与Y轴方向的第二夹角的取值范围在-15～15度之间，此第一表面S1的第一切平面与Y轴方向的第二夹角的取值范围-15～15度之间不仅可以减小像差、减小整个自由曲面棱镜的体积，同时避免了在进行加工的时候，因旋转角度过大，难以定位的问题。
当棱镜的初始结构已经确定时，那么整个光学系统的总像差就已经确定了。当整个光学系统总像差确定之后，此时合理的选择棱镜的MTF的值，可以更好的平衡系统像差，其中系统像差指的是球差、畸变、彗差、像散等。更好的平衡系统像差即调整球差、畸变、彗差、像散之间的分配关系，提升显示效果。
本发明提供的棱镜MTF的值应与显示器的分辨率相匹配，通常MTF的值大于0.03即可被人分辨，即极限MTF的值应大于0.03，但是为了保证满足更大的公差容限，使得更容易满足生产加工需要，本发明中极限MTF(水平和垂直)在预设空间频率内的最低值不小于0.1，本发明中预设空间频率的取值为0～30lp/mm，其中极限MTF水平跟垂直方向分别为：
HMTF＝HP/LH
VMTF＝VP/LV
其中HP为垂直方向的像素点数，VP为水平方向的像素点数，LH、LV分别为垂直方向和水平方向的显示有效区长度，如果显示器为隔行扫描形式显示，则对应方向的极限MTF值再除以2为极限MTF值，更高的MTF值容易牺牲其他方面像差，对显示效果的实际提升并没有效果。
在上述棱镜中，第一表面S1、第二表面S2、第三表面S3可以是自由曲面或非球面、球面。
上述第一表面S1、第二表面S2、第三表面S3任一表面采用自由曲面的方程式为：
其中c为曲率，r为径向半径，k为二次曲面系数，Ai为系数，Ei(x，y) 为x、y相乘的组合方程x0y1、x2y0、x0y2、x4y0……，x始终为偶次幂。
上述第一表面S1、第二表面S2、第三表面S3任一表面采用非球面的公式为：
其中c为曲率，r为径向半径，k为二次曲面系数，a1,a2,,a3,a4,a5,a6,a7,a8, 为2、4、6、8、10、12、14、16阶非球面系数；
上述第一表面S1、第二表面S2、第三表面S3任一表面采用球面的公式为非球面公式中k＝0的情况。
可以理解的是，本发明所涉及到的第一视角a1和第二视角a2限定了像源发出的光线从所述棱镜出射的光线的极限角度，即限定了通过棱镜的第一表面S1面投射的两条极限光线，那么在棱镜应用时，作为像源的显示屏与棱镜之间的相对位置关系等需要满足一定的要求，以使得显示屏发出的光线经过棱镜后出射的光线满足上述视角要求。通常来讲，在设计棱镜时，可预先设定好作为像源的显示屏与棱镜之间的相对位置关系，还可以预先设定好观察者即观察者眼睛与棱镜的位置关系，基于这些位置关系来设计棱镜，设定第一视角和第二视角。当然，本领域技术人员在已知棱镜的第一视角和第二视角角度时，也可根据现有技术确定显示屏与棱镜之间的相对位置关系，本发明对此不做详细说明。
本发明同时还提供一种虚拟现实光学显示装置和一种增强现实光学显示装置，包括显示屏和设置在显示屏上的棱镜，其中棱镜为本发明所提供的棱镜。
本发明提供的棱镜和虚拟现实以及增强现实光学显示装置，包括两两相交的第一表面S1、第二表面S2和第三表面S3，像源发出的光线最终从第一表面 S1透射出去，进入到观看者眼中，此棱镜采用不对称视角设计,第一表面S1透射出去的光线对应的第一视角a1度数的绝对值与第二视角a2度数的绝对值不相等。一方面，将棱镜应用到虚拟现实光学显示装置和增强现实光学显示装置上能够实现装置的小型化和轻量化，另一方面，棱镜这种不对称视角的设计，可使得人眼观看的视角中心位于虚拟场景显示区域中心线以下，更适合人眼的生理要求和人眼单眼观看习惯，有效降低视觉疲劳，提升观看舒适度。
相应的，本发明还提供一种上述发明内容中所涉及到的棱镜的设计方法，此方法包括以下步骤：
设定棱镜的属性参数，其中属性参数包括第一视角a1和所述第二视角a2，所设定的第一视角a1度数的绝对值与所设定的所述第二视角a2度数的绝对值不相等；
根据上述属性参数，来获取本发明涉及到的棱镜的数学模型。
可以理解是，棱镜需要与像源显示器配合使用，像源显示器发出的光经过棱镜进入到观察者眼中，因此，设计棱镜时，需要考虑棱镜的使用场景，即需要考虑像源显示器的尺寸、像源显示器与棱镜的位置关系、观察者与棱镜之间的距离等内容来设计棱镜，因此，在本发明的一个实施例中，上述方法中所设定棱镜的属性参数还可包括入瞳直径、像源显示屏尺寸、出瞳最小距离等，其中入瞳直径为人眼瞳孔的直径，其中，出瞳最小距离为人眼瞳孔到第一表面 S1的距离。
下面将以三个具体的实施例来进一步说明本发明实施例提供的棱镜，该棱镜可采用本发明的设计方法所设计。
实施例一
为了得到本发明所涉及的棱镜，在本实施例中，首先设定棱镜的属性参数如下：入瞳直径为8mm，屏幕尺寸为0.7寸，第一视角a1度数为+10度，第二视角a2度数为-16度，对角线视角为60度，出瞳最小距离为20mm，根据这些参数得到棱镜的数学模型。下表1为本实施例中棱镜的三个不同表面的倾斜偏心系数，下表2为本实施例中棱镜的三个不同表面的面型参数表，其中曲率半径R为曲率c的倒数，图4为本实施例中的棱镜的成像光路示意图，图5为本实施例中棱镜对应的MTF图。
表1
系数 第一表面 第二表面 第三表面
conic 2.930238 1.951361 -0.8568989
曲率半径R -42.804 -40.664 29.941
X0Y1 -165.31666 -40.819124 -290.91082
X2Y0 -118.3384 -10.813915 4895.8335
X0Y2 15.536758 24.54126 -43.153128
X2Y1 3757.9765 -158.15593 8577.6559
X0Y3 3591.6237 -294.78971 1061.2082
X4Y0 -6734.4125 198.96408 -395581.71
X2Y2 -44711.898 302.04636 -6610.8062
X0Y4 -12739.016 807.0899 -748.02533
X4Y1 117290.56 2552.16 -790915.56
X2Y3 308483.58 4491.4133 82.921431
X0Y5 -80557.668 -4240.0194 -1733.8498
X6Y0 35503.318 14208.505 5734765.7
X4Y2 -800686.17 -16190.223 154599.47
X2Y4 -1440577.6 -88590.423 30199.351
X0Y6 681008.62 20113.051 3314.333
X6Y1 196583.77 -109565.14 9105608.7
X4Y3 2441674.4 136556.36 674145.07
X2Y5 3191097.2 200584.45 20972.483
X0Y7 -1378222.7 -87750.398 4489.0507
表2
从表1、表2、图3、图4可以得出，第二视角a2度数的绝对值大于第一视角a1度数的绝对值，且第二视角a2度数的绝对值与第一视角a1度数的绝对值的差值为6度，此时第二视角a2对应的有效工作长度大于第一视角a1 对应的有效工作长度，则人眼第二视角a2观看的图像面积较大，更符合人眼自然观看的习惯，以此降低或减弱视觉疲劳，同时MTF曲线从中心到边缘都十分的平滑，画面过渡自然，10lp/mm的时候MTF的值基本都大于0.4，整体光学系统的反差好，对比度高，同时30lp/mm MTF的值基本都大于0.2，远远大于人眼目视分辨的0.03，系统的分辨率高。
实施例二
为了得到本发明所涉及的棱镜，在本实施例中设定棱镜的属性参数如下：入瞳直径为8mm，屏幕尺寸为0.7寸，第一视角a1为+8度，第二视角a2为-18 度，对角线视角为40度，出瞳最小距离为20mm，根据这些参数得到棱镜的数学模型。下表3为本实施例中棱镜的三个不同表面的倾斜偏心系数，下表4为本实施例中棱镜的三个不同表面的面型参数表，其中曲率半径R为曲率c的倒数，图5为本实施例中的棱镜的成像光路示意图，图6为本实施例中棱镜对应的MTF图。
表面 第二坐标轴方向偏心 第三坐标轴方向倾斜
第一表面 -20.201862 54.977009
第二表面 -4.8879598 50.169289
第三表面 -47.155416 -76.624473
屏幕 0 -55.38948
表3
表4
从表3、表4、图5、图6可以得出，第二视角a2度数的绝对值大于第一视角度a1度数的绝对值，且第二视角a2度数的绝对值与第一视角a1度数的绝对值的差值为10度，此时第二视角a2对应的有效工作长度大于第一视角 a1对应的有效工作长度，则人眼第二视角a2观看的图像面积较大，更符合人眼自然观看的习惯，以此降低或减弱视觉疲劳，同时MTF曲线从中心到边缘都十分的平滑，画面过渡自然，10lp/mm的时候MTF的值基本都大于0.6，整体光学系统的反差好，对比度高，同时30lp/mm MTF的值基本都大于0.2，远远大于人眼目视分辨的0.03，系统的分辨率高。
实施例三
为了得到本发明所涉及的棱镜，在本实施例中设定棱镜的属性参数如下：入瞳直径为8mm，屏幕尺寸为0.7寸，第一视角a1为+5度，第二视角a2为-20 度，总对角线视角为40度，出瞳最小距离为20mm，根据这些参数得到棱镜的数学模型。下表5为本实施例中棱镜的三个不同表面的倾斜偏心系数，下表6 为本实施例中棱镜的三个不同表面的面型参数表，其中曲率半径R为曲率c的倒数，图7为本实施例中的棱镜的成像光路示意图，图8为本实施例中棱镜对应的MTF图。
表面 第二坐标轴方向偏心 第三坐标轴方向倾斜
第一表面 -10.31077 46.819555
第二表面 -4.0966935 48.019033
第三表面 29.79784 -37.912696
屏幕 0 -49.411619
表5
系数 第一表面 第二表面 第三表面
conic 3.274158 -3.678496 -0.9565653
曲率半径R -36.36869 -37.88473 26.59775
X0Y1 -77.450019 -36.833024 -210.24707
X2Y0 -41.130635 5.2449622 12742.676
X0Y2 -390.09311 16.448387 -13.11567
X2Y1 2839.6771 -149.7902 19915.013
X0Y3 4569.0056 -137.77551 1095.9219
X4Y0 -2430.0137 -1151.5021 22986.063
X2Y2 -33715.461 -2915.2315 -23519.127
X0Y4 -3634.2802 -1361.0577 -695.93412
X4Y1 14240.408 3707.1759 -343138.16
X2Y3 202182.05 5673.3671 -16405.566
X0Y5 -222131.86 1288.4502 -1897.0935
X6Y0 200366.32 13378.495 -5935540.8
X4Y2 -108043.79 -265.86995 -1296527
X2Y4 -1233359.2 -90578.48 61967.972
X0Y6 1441486.9 -45736.576 3499.5886
X6Y1 -547940.72 -207142.66 -10284757
X4Y3 3042449 -100879.55 -1105701.5
X2Y5 4684227.2 191112.09 50258.023
X0Y7 -2759268 173035.49 4533.5787
表6
从表5、表6、图7、图8可以得出，第二视角a2度数的绝对值大于第一视角a1度数的绝对值，且第二视角a2度数的绝对值与第一视角a1度数的绝对值的差值为15度，此时第二视角a2对应的有效工作长度大于第一视角a1 对应的有效工作长度，则人眼第二视角a2观看的图像面积较大，更符合人眼自然观看的习惯，以此降低或减弱视觉疲劳。同时MTF曲线从中心到边缘都十分的平滑，画面过渡自然，10lp/mm的时候MTF的值基本都大于0.8，整体光学系统的反差好，对比度高，同时30lp/mm MTF的值基本都大于0.4，远远大于人眼目视分辨的0.03，系统的分辨率高。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等
同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种棱镜，所述棱镜用于设置在像源和观看者之间，所述像源发出的光线经由所述棱镜进入到所述观看者眼中，其特征在于，所述棱镜包括：
第一表面、第二表面及第三表面，所述第一、第二、第三表面两两相交；
所述第一表面设置在靠近所述观看者的一侧，所述第三表面设置在靠近所述像源的一侧；
所述像源发出的光线入射至所述第三表面，由所述第三表面透射至所述第一表面，经过所述第一表面全反射后，入射至所述第二表面，经过所述第二表面的反射后，再次入射至所述第一表面，并由所述第一表面透射出去，进入到所述观看者眼中，其中：
所述第一表面透射出去的光线对应的第一视角度数的绝对值与第二视角度数的绝对值不相等；
其中，所述第一视角为所述第一表面透射出去的光线中的上边缘光线与第一方向的夹角，所述第二视角为所述第一表面透射出去的光线中的下边缘光线与第一方向的夹角，所述第一方向为所述观看者人眼瞳孔的正前垂直方向。
2.如权利要求1所述的棱镜，其特征在于：所述第二视角度数的绝对值大于所述第一视角度数的绝对值。
3.如权利要求2所述的棱镜，其特征在于：所述第一视角度数的绝对值和所述第二视角度数的绝对值的差值为5～20度。
4.如权利要求3所述的棱镜，其特征在于：所述第一表面与所述第二表面的第一夹角小于等于40度。
5.如权利要求4所述的棱镜，其特征在于：所述第一表面与所述第二表面的第一夹角为25～40度。
6.如权利要求4所述的棱镜，其特征在于：所述第一表面的第一切平面与竖直方向的第二夹角为-15度～15度，其中，所述第一切平面经过所述第一表面和第二表面的交线在第一坐标平面内的交点，所述第一坐标平面为垂直于水平方向和竖直方向的平面。
7.如权利要求1所述的棱镜，其特征在于：所述棱镜在预设空间频率内的极限MTF值大于等于0.1。
8.如权利要求1-7任一项所述的棱镜，其特征在于：所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面为自由曲面、非球面或球面。
9.如权利要求8所述的棱镜，其特征在于：所述第二表面的内表面镀设有全反射膜。
10.如权利要求8所述的棱镜，其特征在于：所述第二表面的内表面镀设有透射光学膜和反射光学膜中的至少一种。
11.一种虚拟现实光学显示装置，其特征在于，包括：显示屏和设置在所述显示屏上的棱镜，其中：所述棱镜为如权利要求1-10任一项所述的棱镜。
12.一种增强现实光学显示装置，其特征在于，包括:显示屏和设置在所述显示屏上的棱镜，其中：所述棱镜为如权利要求1-10任一项所述的棱镜。
13.一种权利要求包括1至10任一项所述的棱镜的设计方法，其特征在于，包括：
设定所述棱镜的属性参数，其中，所述属性参数包括所述第一视角和所述第二视角，所设定的所述第一视角度数的绝对值与所设定的所述第二视角度数的绝对值不相等；
根据所述属性参数，获取所述棱镜的数学模型。
14.如权利要求13所述的设计方法，其特征在于，所述属性参数还包括入瞳直径、像源显示屏尺寸、出瞳最小距离。
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