CN107367833B - 一种目镜结构及增强现实系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种目镜结构，包括折射元件、第一透射元件、第二透射元件和反射元件，所述第一透射元件和第二透射元件胶合，所述第一透射元件和第二透射元件的胶合面设有半反半透膜，所述目镜结构的光路从观察侧出发依次为第一透射元件—反射元件—第一透射元件—半反半透膜—第二透射元件—折射元件。该目镜结构具有结构紧凑、低成本、易复制、大视场角的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种目镜结构及增强现实系统，属于光学技术领域。
背景技术
近年来增强现实技术因其广泛的应用潜力受到越来越多人们的青睐，而光学显示作为增强现实技术的核心，直接决定了用户的体验舒适度。目前，对增强现实显示方案的研究和开发主要集中在自由曲面棱镜反射和平面光波导两个方向。这两种显示方案的加工工艺非常复杂，导致其量产性差，成本很高。目镜结构的参数包括出瞳直径(目镜在人眼瞳孔位置的光束直径)、出瞳距离(目镜靠近人眼一侧的法兰位置到人眼瞳孔的距离)、视场角、畸变等，出瞳直径、出瞳距离与视场角和畸变是相互制约的，出瞳直径和出瞳距离越大则视场角越不容易做大，畸变也会越严重。因此设计低成本的目镜结构，在保证较大的出瞳直径和出瞳距离同时增大视场角，减少畸变是需要解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种目镜结构，解决大出瞳直径和出瞳距离下视场角小，畸变严重的问题，简化结构，降低成本。
本发明的技术方案如下：一种目镜结构，包括折射元件、第一透射元件、第二透射元件和反射元件，所述第一透射元件和第二透射元件胶合，所述第一透射元件和第二透射元件的胶合面设有半反半透膜，所述目镜结构的光路从观察侧出发依次为第一透射元件—反射元件—第一透射元件—半反半透膜—第二透射元件—折射元件。
进一步的，所述折射元件的焦距f1与目镜总焦距ft的关系为：
进一步的，所述反射元件的焦距f2与目镜总焦距ft的关系为：
进一步的，所述反射元件的反射面的中心与折射元件靠近第二透射元件的面的中心间距d满足：20mm<d<28mm。
进一步的，所述折射元件为平凸透镜或弯月透镜，折射元件的材料为光学玻璃或者光学树脂。
进一步的，所述折射元件的凸面面型为非球面，所述非球面面型公式为：
其中z为非球面在坐标(x，y)处的矢高；cx为非球面顶点沿弧矢方向的曲率，cy为非球面顶点沿子午方向的曲率；kx为非球面顶点沿弧矢方向的圆锥系数；ky为非球面顶点沿子午方向的圆锥系数。
进一步的，所述第一透射元件和第二透射元件为直角透镜，所述直角透镜的材料为光学玻璃或者光学树脂，所述胶合面为直角透镜的倾斜面。
进一步的，所述反射元件为凹面反射镜，所述反射元件的材料为光学玻璃或者光学树脂或者金属。
进一步的，所述反射元件的反射面为自由曲面，所述自由曲面面型公式为：
其中z为自由曲面在坐标(x，y)处的矢高；c为自由曲面顶点处的曲率，r为坐标(x，y)的垂轴径向半径，k为自由曲面的圆锥系数，Ai为自由曲面第i阶的系数，Ei(x，y)为自由曲面的第i项；N为自由曲面的总项数，最大值为230。
本发明的另一技术方案：一种增强现实系统，包括上述目镜结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：基于几何光学成像原理，采用常用的几何光学元件，如棱镜、平凸透镜、弯月透镜、反射镜等，结构简单紧凑。折射元件的凸面采用非球面，在子午方向和弧矢方向的曲率半径和圆锥系数各不相同，可以更好的校正矩形视场的像差。而反射元件的反射面采用自由曲面，用来补偿平凸透镜带来的慧差和像散，图像清晰无形变。目镜结构的出瞳距离达到18mm，出瞳直径达到8mm，视场角为45°，畸变小于3％。该目镜结构具有成本低廉，可复制性良好的特点，支持0.29英寸至0.71英寸的显示屏，可被广泛应用到增强现实技术和产品。
附图说明
图1为本发明第一实施例的目镜结构示意图。
图2为根据本发明第一实施例的目镜光线追迹示意图。
图3为根据本发明第一实施例的目镜横向像差曲线。
图4为根据本发明第一实施例的目镜畸变示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1所示，本实施例所涉及的目镜结构，包括折射元件1、第一透射元件2、第二透射元件3和反射元件4，材料均可使用光学玻璃或者光学树脂，除此之外，反射元件4还可采用金属制成。折射元件1为平凸透镜或弯月透镜，本实施例中折射元件1采用光学玻璃K9制成的平凸透镜。平凸透镜的凸面面型为非球面，非球面面型公式为：
其中z为非球面在坐标(x，y)处的矢高；cx为非球面顶点沿弧矢方向的曲率，cy为非球面顶点沿子午方向的曲率；kx为非球面顶点沿弧矢方向的圆锥系数；ky为非球面顶点沿子午方向的圆锥系数。本实施例中，平凸透镜平面与凸面的中心间距为4.0mm；子午方向曲率半径为-12.81mm，圆锥系数为-11.97；弧矢方向曲率半径为-4.74mm，圆锥系数为-10.67。
第一透射元件2和第二透射元件3为互相胶合的两个直角棱镜，材料为光学玻璃K9。第一透射元件2和第二透射元件3的胶合面5为两个直角棱镜的倾斜面，并且在胶合面5设有半反半透膜。
反射元件4是由光学玻璃K9制成的凹面反射镜，并且在其反射面，即靠近第一直角棱镜2的面镀反射膜。反射面为自由曲面，自由曲面面型公式为：
其中z为自由曲面在坐标(x，y)处的矢高；c为自由曲面顶点处的曲率，r为坐标(x，y)的垂轴径向半径，k为自由曲面的圆锥系数，Ai为自由曲面第i阶的系数，Ei(x，y)为自由曲面的第i项；N为自由曲面的总项数，最大值为230。凹面反射镜顶点的曲率半径为51.95mm，圆锥系数为0.51。
折射元件1的焦距f1与目镜总焦距ft的关系为：反射元件4的焦距f2与目镜总焦距ft的关系为：本实施例中f1为24.73mm，f2为25.23mm，ft为24.33mm。反射元件4的反射面的中心与折射元件1靠近第二透射元件3的面的中心间距d满足：20mm<d<28mm。
本实施例中，第一透射元件2和第二透射元件3胶合后四个侧面分别为两个直角棱镜的直角面，在此将第一透射元件2正对人眼6的直角面定义为第一直角面，另一侧为第二直角面，将第二透射元件3正对显示屏7的直角面定义为第三直角面，另一侧为第四直角面。反射元件4设置在第二直角面一侧，折射元件1设置在第三直角面一侧。折射元件1和第三直角面可以胶合也可以设有间隙，本实施例中，折射元件1采用了平面透镜，因此直接将平面透镜的平面与第三直角面胶合。凹面反射镜的反射面的中心与第二直角面距离为5.85mm。凹面反射镜的反射面的中心与平凸透镜的平面中心间距为24mm。
请结合图2所示，采用逆向追迹方法进行仿真。光线从人眼出发，经过第一透射元件2第一直角面发生折射，在倾斜面发生反射，在第二直角面出射，然后经过凹面反射镜反射，再次进入第一透射元件2，透过第一透射元件2的倾斜面即半反半透膜，进入第二透射元件3，光线在第二透射元件3里仍沿第一透射元件2出射时的方向前进，从第三直角面出射直至进入平凸透镜，在平凸透镜的凸面出射时，光线进一步汇聚，最终在显示屏7位置成像。
对本实施例进行测试，其结果如图3、图4所示，其中PY，PX代表子午和弧矢方向归一化出瞳直径，EY，EX代表子午和弧矢方向的横向像差，最大范围为±100um。从图中可以看出，该目镜结构在全视场内的畸变不超过3％。采用该目镜的增强现实系统，可支持0.29英寸至0.71英寸的显示屏。
Claims (9)
1.一种目镜结构，其特征在于，包括折射元件、第一透射元件、第二透射元件和反射元件，所述第一透射元件和第二透射元件胶合，所述第一透射元件和第二透射元件的胶合面设有半反半透膜，所述目镜结构的光路从观察侧出发依次为第一透射元件—反射元件—第一透射元件—半反半透膜—第二透射元件—折射元件，所述折射元件的焦距f1与目镜总焦距ft的关系为：
2.根据权利要求1所述的目镜结构，其特征在于，所述反射元件的焦距f2与目镜总焦距ft的关系为：
3.根据权利要求1所述的目镜结构，其特征在于，所述反射元件的反射面的中心与折射元件靠近第二透射元件的面的中心间距d满足：20mm<d<28mm。
4.根据权利要求1所述的目镜结构，其特征在于，所述折射元件为平凸透镜或弯月透镜，折射元件的材料为光学玻璃或者光学树脂。
5.根据权利要求4所述的目镜结构，其特征在于，所述折射元件的凸面面型为非球面，所述非球面面型公式为：
其中z为非球面在坐标(x,y)处的矢高；cx为非球面顶点沿弧矢方向的曲率，cy为非球面顶点沿子午方向的曲率；kx为非球面顶点沿弧矢方向的圆锥系数；ky为非球面顶点沿子午方向的圆锥系数。
6.根据权利要求1所述的目镜结构，其特征在于，所述第一透射元件和第二透射元件为直角透镜，所述直角透镜的材料为光学玻璃或者光学树脂，所述胶合面为直角透镜的倾斜面。
7.根据权利要求1所述的目镜结构，其特征在于，所述反射元件为凹面反射镜，所述反射元件的材料为光学玻璃或者光学树脂或者金属。
8.根据权利要求7所述的目镜结构，其特征在于，所述反射元件的反射面为自由曲面，所述自由曲面面型公式为：
其中z为自由曲面在坐标(x,y)处的矢高；c为自由曲面顶点处的曲率，r为坐标(x,y)的垂轴径向半径，k为自由曲面的圆锥系数，Ai为自由曲面第i阶的系数，Ei(x,y)为自由曲面的第i项；N为自由曲面的总项数。
9.一种增强现实系统，其特征自在于，包括权利要求1至8中任意一项所述的目镜结构。
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