CN108227209B - 一种近眼双通道光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近眼双通道光学系统，包括第一光学层和第二光学层，当光学系统中射入两种属性不同的偏振光，其中的一种偏振光可以透过第一光学层和第二光学层后射入人眼，但经过第二光学层的反射，再经过第一光学层的反射，就无法再透过第二光学层；另一种偏振光透过第一光学层后无法再透过第二光学层，但经过第二光学层的反射，再经过第一光学层的反射，可以透过第二光学层后射入人眼。两种光线经过的光路不同，产生光程差或焦距差，形成了相对于人眼的双通道光学系统。
Description
技术领域
本发明涉及近眼显示领域，具体涉及一种近眼双通道光学系统。主要应用于增强现实(简称AR)中。
背景技术
增强现实AR系统需要允许外界环境光直接射入人眼，从而让人看清外界环境；同时也需要内部显示光(通常是在距离人眼50mm以内的光源发出的光线)经过相应的折射或反射，变成能让人眼看清的远光(虚像距离在20cm～无穷远的光线)。现有增强现实系统通过光波导光学系统、全息波导光学系统、曲面半反射光学系统、自由曲面反射光学系统等实现内外光线的混合显示。
视场角为VR、AR系统中非常重要的参数，表述了人眼观察虚拟画面的视觉张角，是影响显示效果和体验感的核心参数。
现有增强现实系统无法实现在较小的体积下实现较大的视场角，因此无法制造出体积小巧轻便的大视场角AR眼镜。
发明内容
针对以上出现的问题，本发明提供一种近眼双通道光学系统，能够以较小的体积实现较大的视场角。
本发明的技术方案：一种近眼双通道光学系统，包括第一光学层和第二光学层，当光学系统中射入两种属性不同的偏振光，其中的一种偏振光可以透过第一光学层和第二光学层后射入人眼，但经过第二光学层的反射，再经过第一光学层的反射，就无法再透过第二光学层；另一种偏振光透过第一光学层后无法再透过第二光学层，但经过第二光学层的反射，再经过第一光学层的反射，可以透过第二光学层后射入人眼。对于两种属性不同的入射偏振光，分别为直接透过光线和两次反射光线，由于经过的光路不同，产生光程差或焦距差，形成了相对于人眼的双通道光学系统。
优选的，所述第一光学层或第二光学层可以是平面或者曲面，其中曲面形态包括球面、非球面等形态。
优选的，所述第一光学层或第二光学层可以包含多层结构，其中每层结构可以是半反半透膜、四分之一波片、二分之一波片、全波片、线偏振片、圆偏振片等材料。
优选的，在第一光学层之前还可以有前透镜，第一光学层和第二光学层之间还可以有中透镜，第二光学层之后还可以有后透镜。前透镜、中透镜、后透镜可以是平面透镜，平凹透镜，平凸透镜，双凸透镜，双凹透镜，凹凸透镜或其他类型的光学透镜。
优选的，直接透过光线和两次反射光线为振动方向相互垂直的线偏振光。
优选的，直接透过光线和两次反射光线为自旋方向相反的圆偏振光。
优选的，当应用于增强现实领域，直接透过光线为现实环境光经过特殊处理所得的偏振光，两次反射光线为显示模组发出的偏振光。
优选的，直接透过光线为外界光经过偏振片后，经过半反射器形成的偏振光；两次反射光线为显示模组发出，经过半反射器反射后形成的偏振光。
优选的，半反射器可以是平面半反射器、柱面半反射器、球面半反射器、非球面半反射器、光波导半反射器、全息波导半反射器、多层阵列式半反射器。
优选的，显示模组可以采用液晶显示器、OLED显示器、发光二极管阵列、微投影、微投影阵列或者包含微透镜阵列结构的显示屏等。
优选的，直接透过光线为外界光经过偏振片后，穿过半透明显示层后的偏振光；两次反射光线为半透明显示层发出的偏振光。
优选的，半透明显示层可以包含发光二极管稀疏阵列，有机发光二极管稀疏阵列，OLED半透明显示器，旋转式LED显示器，旋转式OLED显示器或其他呈现为半透明效果的显示器件。
本发明的有益效果：本发明，一种近眼双通道光学系统，通过在距离人眼很近的位置以多次反射和折射的方式对显示光线进行屈光，使得人眼可以看清显示光线，因此可以使得显示图像的视场角很大；同时又允许外界环境光不经过屈光而射入人眼，使得人眼可以同时看清环境光线，实现了较大视场角的AR显示。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明一种近眼双通道光学系统的结构示意图；
图2示意性示出本发明一种近眼双通道光学系统的五层结构示意图；
图3示意性示出本发明一种近眼双通道光学系统的实施例一方案A的结构示意图；
图4a～图4d分别示意性示出本发明一种近眼双通道光学系统的实施例一方案B、C、D、E的结构示意图；
图5示意性示出本发明一种近眼双通道光学系统的实施例三的结构示意图；
图6示意性示出本发明一种近眼双通道光学系统的实施例四的结构示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
如图1所示，一种近眼双通道光学系统，包括第一光学层101和第二光学层102，当光学系统中射入两种属性不同的偏振光，其中的一种偏振光可以透过第一光学层101和第二光学层102后射入人眼105，但经过第二光学层102的反射，再经过第一光学层101的反射，就无法再透过第二光学层102；另一种偏振光透过第一光学层101后无法再透过第二光学层102，但经过第二光学层102的反射，再经过第一光学层101的反射，可以透过第二光学层102后射入人眼。
对于两种属性不同的入射偏振光，分别为直接透过光线103和两次反射光线104，由于经过的光路不同，产生光程差或焦距差，形成了相对于人眼的双通道光学系统。
所述第一光学层101或第二光学层102可以是平面或者曲面，其中曲面形态包括球面、非球面等形态。
所述第一光学层101或第二光学层102可以包含多层结构，其中每层结构可以是半反半透膜、四分之一波片、二分之一波片、全波片、线偏振片、圆偏振片等材料。
如图2所示，在第一光学层101之前还可以包括前透镜201，第一光学层101和第二光学层102之间还可以包括中透镜202，第二光学层102之后还可以包括后透镜203。其中所述前透镜201、中透镜202、后透镜203可以是平面透镜，平凹透镜，平凸透镜，双凸透镜，双凹透镜，凹凸透镜或其他类型的光学透镜。
所述的直接透过光线103和两次反射光线104可以为振动方向相互垂直的线偏振光。
所述的直接透过光线103和两次反射光线104可以为自旋方向相反的圆偏振光。
所述的直接透过光线103可以为现实环境光经过特殊处理所得的偏振光，两次反射光线104可以为显示模组发出的偏振光。
实施例一：
当直接透过光线103入射时为左旋圆偏振光，两次反射光线104入射时为右旋圆偏振光，为了实现拥有无穷大和30mm两种焦距的双通道光学系统，可以有以下具体方案：
方案A：
如图3所示，在方案A中，201为平凹透镜，101为曲面半反半透膜，202为与201形状相补的平凸透镜，102为由四分之一波片、半反半透膜、线偏振片组成的三层结构，其作用相当于左旋偏振片，可以允许103通过，但不允许104通过，104经过102的反射，保持右旋状态不变，再经过202，经过101反射后，变成左旋圆偏振光，再次经过102时即可透过。
103经过光学系统后，并未发生汇聚和发散，等效焦距为无穷大；104相比103多经过了101的反射汇聚和202的两次折射汇聚，因此焦距较短，等效焦距为30mm。
同理，可以有以下几种方案实现实施例一。
如图4a～图4d所示，图4a为方案B示意图，图4b为方案C示意图，图4c所示为方案D示意图，图4d所示为方案E示意图，其中方案B、C、D、E中，101为半反半透膜，102为由四分之一波片、半反半透膜、线偏振片组成的三层结构。
方案F：将实施例一中的方案A、B、C、D、E中的101改为半反半透膜和四分之一波片的双层结构，102改为半反半透膜和线偏振片的双层结构，同样可以实现实施例一的效果。
方案G：将方案F中的101改为四分之一波片、半反半透膜和四分之一波片的三层结构，102改为半反半透膜和圆偏振片的双层结构，同样可以实现实施例一的效果。
实施例二：
当直接透过光线103入射时为垂直线偏振光，两次反射光线104入射时为水平线偏振光，为了实现拥有无穷大和30mm两种焦距的双通道光学系统，可以有以下具体方案：
方案H：在方案A、B、C、D、E、F基础上，在光学系统之前，增加一层四分之一波片，将103和104处理成自旋方向相反的两种圆偏振光。
实施例三：
如图5所示。直接透过光线103为外界光经过偏振片302后，经过半反射器303形成的偏振光；两次反射光线104为显示模组301发出，经过半反射器303反射后形成的偏振光。
所述的半反射器303可以是平面半反射器、柱面半反射器、球面半反射器、非球面半反射器、光波导半反射器、全息波导半反射器、多层阵列式半反射器。显示模组301可以采用液晶显示器、OLED显示器、发光二极管阵列、微投影、微投影阵列或者包含微透镜阵列结构的显示屏等。
实施例四：
如图6所示。直接透过光线103为外界光经过偏振片302后，穿过半透明显示层400后的偏振光；两次反射光线104为半透明显示层400发出的偏振光。
所述的半透明显示层400可以包含发光二极管稀疏阵列，有机发光二极管稀疏阵列，OLED半透明显示器，旋转式LED显示器，旋转式OLED显示器或其他呈现为半透明效果的显示器件。
实施例五：
对于如图2所示的多层结构方案，为了实现拥有任意两种不同焦距的双通道光学系统，可以对201、202、203的形状和101、102的形状进行不同的组合，从而使得103和104获得不同的等效焦距。
实施例六：
对于如图5所示的反射式结构方案，301可以采用包含微透镜阵列结构的显示模组，使得在人眼晶状体的不同屈光度下，每个微透镜中显示的局部图像的大小也不相同，使得所有局部图像拼接组成不同的画面效果，以模拟人眼晶状体的不同成像效果，形成类似光场显示的虚化模拟效果。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种近眼双通道光学系统，应用于增强现实领域，包括第一光学层和第二光学层，光学系统中射入两种属性不同的偏振光，其中的一种偏振光为直接透过光线，能够透过第一光学层和第二光学层后射入人眼，但经过第二光学层的反射，再经过第一光学层的反射，就无法再透过第二光学层；另一种偏振光为两次反射光线，其透过第一光学层后无法再透过第二光学层，但经过第二光学层的反射，再经过第一光学层的反射，能够透过第二光学层后射入人眼；
其中直接透过光线和两次反射光线，由于经过的光路不同，产生光程差或焦距差，形成了相对于人眼的双通道光学系统；
所述第一光学层或第二光学层能够是平面或者曲面，其中曲面形态包括球面、非球面形态；
直接透过光线为现实环境光经过特殊处理所得的偏振光，两次反射光线为显示模组发出的偏振光；其中所述特殊处理为经过偏振片后，再经过半反射器；或经过偏振片后，再经过半透明显示层。
2.根据权利要求1所述的近眼双通道光学系统，其特征在于，所述第一光学层或第二光学层能够包含多层结构，其中每层结构能够是半反半透膜、四分之一波片、二分之一波片、全波片、线偏振片、圆偏振片材料。
3.根据权利要求1所述的近眼双通道光学系统，其特征在于，在第一光学层之前还能够包括前透镜，第一光学层和第二光学层之间还能够包括中透镜，第二光学层之后还能够包括后透镜，其中所述前透镜、中透镜、后透镜能够是平面透镜，平凹透镜，平凸透镜，双凸透镜，双凹透镜，凹凸透镜或其他类型的光学透镜。
4.根据权利要求1所述的近眼双通道光学系统，其特征在于，所述直接透过光线和两次反射光线为振动方向相互垂直的线偏振光。
5.根据权利要求1所述的近眼双通道光学系统，其特征在于，所述直接透过光线和两次反射光线为自旋方向相反的圆偏振光。
6.根据权利要求1所述的近眼双通道光学系统，其特征在于，所述直接透过光线为外界光经过偏振片后，经过半反射器形成的偏振光；所述两次反射光线为显示模组发出，经过半反射器反射后形成的偏振光。
7.根据权利要求6所述的近眼双通道光学系统，其特征在于，所述半反射器能够是平面半反射器、柱面半反射器、球面半反射器、非球面半反射器、光波导半反射器、全息波导半反射器、多层阵列式半反射器，显示模组能够采用液晶显示器、OLED显示器、发光二极管阵列、微投影、微投影阵列或者包含微透镜阵列结构的显示屏。
8.根据权利要求1所述的近眼双通道光学系统，其特征在于，所述直接透过光线为外界光经过偏振片后，穿过半透明显示层后的偏振光；两次反射光线为半透明显示层发出的偏振光。
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