CN107976792A - 一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实系统，包括：一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实系统，包括：不少于2片的自由曲面镜片、不多于2片的反射镜、1个自由曲面半反半透镜以及一个图像显示器；所述图像显示器发出的光线经过在自由曲面镜片之间的反射后，后进入反射镜，再经过反射镜反射到自由曲面半反半透镜，最后经过自由曲面半反半透镜第反射进入人眼。本发明的大出瞳大视场自由曲面折反式增强现实光学系统，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
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折反式自由曲面增强现实光学系统。
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折反式自由曲面增强现实光学系统，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：
一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于，包 括：
不少于2片的自由曲面镜片、不多于2片的反射镜、1个自由曲面半反半透镜以及一个图像显示器；
所述图像显示器发出的光线经过在自由曲面镜片之间的反射后，后进入反射镜，再经过反射镜反射到自由曲面半反半透镜，最后经过自由曲面半反半透镜第反射进入人眼。
进一步，所述一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，包括第一自由曲面镜片、第二自由曲面镜片、一个反射镜、一个自由曲面半反半透镜以及图像显示器。，
所述图像显示器发出的光线经过第一自由曲面镜片反射到第二自由曲面镜片，经过第二自由曲面镜片反射到反射镜，再经过反射镜反射到自由曲面半反半透镜，最后经过自由曲面半反半透镜第反射进入人眼。
再进一步，所述第一自由曲面镜片上设有第一光学工作面和第二光学工作面，所述第二自由曲面镜片上设有第三光学工作面和第四光学工作面，所述自由曲面半反半透镜上设有第五光学工作面和第六光学工作面；所述图像显示器发出的光线经过第一光学工作面折射到第二光学工作面，再经第二光学工作面反射到第一光学工作面，再经第一光学工作面折射到第三光学工作面，再经第三光学工作面折射到第四光学工作面，再经第四光学工作面反射到第三光学工作面，再经第三光学工作面折射到反射镜，再经反射镜反射到 第五光学工作面，再经第五光学工作面折射到第六光学工作面，再经第六光学工作面反射到第五光学工作面，最后经第五光学工作面折射到人眼。
更进一步，所述第一光学工作面和第二光学工作面中至少有一个为自由曲面。
更进一步，所述第一光学工作面镀增透膜，第二光学工作面镀高反膜。
更进一步，所述第三光学工作面和第四光学工作面中至少有一个为自由曲面。
更进一步，所述第三光学工作面镀增透膜，第四光学工作面镀高反膜。
更进一步，反射镜为自由曲面。
更进一步，所述第五光学工作面和第六光学工作面中至少有一个为自由曲面。
更进一步，所述第五光学工作面和第六光学工作面为等间距的自由曲面。
更进一步，第五光学工作面镀半反半透膜，第六光学工作面镀减反膜。
更进一步，所述两个自由曲面镜片、反射镜和自由曲面半反半透镜的位置可调换。
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折反式自由曲面增强现实系统，具有出瞳距大的优点，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48mm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，具有视场角大的优点，能够保证使用者在大视场范围内看到清晰、畸变小的图像；本发明通过两个自由曲面透镜、一个反射镜、一个自由曲面半反半透镜的配合，增大了视场角，使视场角达到66°。
(3)本发明的增强现实光学系统，具有眼动范围大、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；本发明通过两个自由曲面透镜、一个反射镜、一个自由曲面半反半透镜的配合，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。
(4)本发明的增强现实光学系统，具有全视场像差校正良好等优点，可以使得各视场(中心视场及边缘视场)的光学传递函数在45lp/mm处大于0.6，畸变小于4％。
(5)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；
(6)本结发明构精巧、简洁、紧凑，便于增加调节瞳距的机械机构；
(7)本发明提高了光能利用率，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；
其中：
1-图像传感器， 2-第一自由曲面镜片，
3-第二自由曲面镜片， 4-反射镜，
5-自由曲面半反半透镜； 11-第一光学工作面，
12-第二光学工作面， 13-第三光学工作面，
14-第四光学工作面， 15-第五光学工作面，
16-第六光学工作面。
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：图像传感器1，第一自由曲面镜片2，第二自由曲面镜片3，反射镜4，自由曲面半反半透镜5。所述第一自由曲面镜片2上设有第一光学工作面11和第二光学工作面12，所述第二自由曲面镜片3上设有第三光学工作面13和第四光学工作面14，所述自由曲面半反半透镜5上设有第五光学工作面15和第六光学工作面16。
其中，所述图像显示器1发出的光线经过第一自由曲面镜片2上的第一光学工作面11折射进入第二光学工作面12，然后经过第二光学工作面12反射到第二自由曲面镜片3上的第三光学工作面13，经过第三光学工作面13折射到第第四光学工作面14，然后经过第四光学工作面14反射到反射镜4，再经过反射镜4反射到自由曲面半反半透镜5上的第五光学工作面15，经过第五光学工作面15折射到第第六光学工作面16，最后经过第六光学工作面16反射进入人眼。
本实施例中，各光学工作面的曲面方程如下：
(1)
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。
或
(2)
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，Ai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各标号的定义
本实施例的光学系统本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，使出瞳距可以达到48mm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，增强了光学系统的应用扩展性。
本发明使用半反半透镜5进行光路折转与像差校正，半反半透镜5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5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。
本发明的增强现实光学系统，具有视场角大的优点，能够保证使用者在大视场范围内看到清晰、畸变小的图像；本发明通过两个自由曲面透镜、一个反射镜、一个自由曲面半反半透镜的配合，增大了视场角，使视场角达到66°。
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45lp/mm处大于0.6，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0.1mm的范围内，场曲图如图3所示，可以将畸变控制在小于4％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，各镜片光学工作面面型方程可以使用上文提到方程中的任意一个，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，自由曲面透镜的数量至少为2片，自由曲面反射镜的数 量为1至2片，自由曲面半反半透镜的数量为1片，自由曲面透镜，自由曲面反射镜，自由曲面半反半透镜的顺序可以具体需求进行调整。
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。
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 (12)
1.一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于，包括：不少于2片的自由曲面镜片、不多于2片的反射镜、1个自由曲面半反半透镜以及一个图像显示器；
所述图像显示器发出的光线经过在自由曲面镜片之间的反射后，后进入反射镜，再经过反射镜反射到自由曲面半反半透镜，最后经过自由曲面半反半透镜第反射进入人眼。
2.根据权利要求1所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统包括：第一自由曲面镜片、第二自由曲面镜片、一个反射镜、一个自由曲面半反半透镜以及图像显示器；
所述图像显示器发出的光线经过第一自由曲面镜片反射到第二自由曲面镜片，经过第二自由曲面镜片反射到反射镜，再经过反射镜反射到自由曲面半反半透镜，最后经过自由曲面半反半透镜第反射进入人眼。
3.根据权利要求2所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述第一自由曲面镜片上设有第一光学工作面和第二光学工作面，所述第二自由曲面镜片上设有第三光学工作面和第四光学工作面，所述自由曲面半反半透镜上设有第五光学工作面和第六光学工作面；所述图像显示器发出的光线经过第一光学工作面折射到第二光学工作面，再经第二光学工作面反射到第一光学工作面，再经第一光学工作面折射到第三光学工作面，再经第三光学工作面折射到第四光学工作面，再经第四光学工作面反射到第三光学工作面，再经第三光学工作面折射到反射镜，再经反射镜反射到第五光学工作面，再经第五光学工作面折射到第六光学工作面，再经第六光学工作面反射到第五光学工作面，最后经第五光学工作面折射到人眼。
4.根据权利要求3所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述第一光学工作面和第二光学工作面中至少有一个为自由曲面。
5.根据权利要求3所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述第一光学工作面镀增透膜，第二光学工作面镀高反膜。
6.根据权利要求3所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述第三光学工作面和第四光学工作面中至少有一个为自由曲面。
7.根据权利要求3所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述第三光学工作面镀增透膜，第四光学工作面镀高反膜。
8.根据权利要求3所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：反射镜为自由曲面。
9.根据权利要求3所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述第五光学工作面和第六光学工作面中至少有一个为自由曲面。
10.根据权利要求9所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述第五光学工作面和第六光学工作面为等间距的自由曲面。
11.根据权利要求3所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：第五光学工作面镀半反半透膜，第六光学工作面镀减反膜。
12.根据权利要求2所述的一种大出瞳大视场折反式自由曲面增强现实光学系统，其特征在于：所述两个自由曲面镜片、反射镜和自由曲面半反半透镜的位置可调换。
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