CN108919484A - 一种隐形眼镜式放大模组及近眼放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隐形眼镜式放大模组及近眼放大系统，其中隐形眼镜式放大模组，包括隐形眼镜，隐形眼镜的中心设有一通孔，通孔上设有透明层，透明层上附有偏振膜，通孔外侧设有焦距为正的透镜。其优点在于，利用小孔成像的原理，使光学图像可通过通孔在视网膜上成像，不仅可以保证放大模组离眼睛的距离为最近，并且在也不会存在像差、畸变等光学问题，同时，利用设置在通孔前的透镜，使更多光线进入通孔，最终形成一个亮度较高的清晰的像。

Description

一种隐形眼镜式放大模组及近眼放大系统

技术领域

本发明涉及光学放大技术领域，尤其涉及一种隐形眼镜式放大模组及近眼放大系统。

背景技术

现有市面上的近眼放大系统，如智能VR设备、智能AR设备或其他头戴式显示设备等，在使用过程中为保证有较大的放大倍率，必须增大凸面镜的曲率半径或者增大凸面镜与显示屏的距离，而这两种方案的改进结果往往导致起放大作用的镜片很厚或者镜片与屏幕间的距离过大，从而导致整个近眼光学放大系统过于笨重，使整个近眼显示设备的体积也过于庞大，在使用佩戴过程中感到不适，直接地影响使用效果。

因此，为了提供较为优秀的客户体验，尽可能的缩小光学放大模组的结构，现有专利：AR隐形眼镜(公开号：CN107450182A)，其中公开了一隐形眼镜，其包括第一偏光片，第一偏光片均设一中心孔，通过隐形镜片与微型显示屏的偏光配置，利用小孔成像原理，使隐形眼镜具有AR功能。但实际应用中，依据小孔成像原理，要保证图源能在视网膜上聚成清晰的像，该中心孔的尺寸会非常小，而在如此小的孔径下，射入瞳孔中的光线十分有限，人眼感知到的亮度过低，微型显示屏产生的图像无法被人清晰的看到，缺乏实用性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的一个目的在于提供一种隐形眼镜式放大模组及放大系统，其中隐形眼镜式放大模组解决了现有近眼放大模组体积过大的问题，既保证了较高的成像质量与较大视场角，同时尽可能的缩小其光学放大模组结构，使整个放大系统轻量化。

本发明的一个目的采用如下技术方案实现：

一种隐形眼镜式放大模组，其特征在于，包括隐形眼镜，所述隐形眼镜上附有偏振膜，所述隐形眼镜的中心设有一通孔，所述通孔外侧设有焦距为正的透镜。

优选地，所述透镜与所述隐形眼镜分体设置，设置在所述隐形眼镜与显示屏之间的间隙中，所述透镜的尺寸大于所述通孔的尺寸。

进一步地，所述透镜包括焦距为正的凸透镜或者焦距为正的菲涅尔透镜或。

进一步地，所述透镜包括焦距为正的胶合透镜组，所述胶合透镜组包括双凸透镜和平凹透镜，所述双凸透镜位于所述平凹透镜的凹面中，通过胶合连接在一起。

另一优选实施方式，所述透镜与所述隐形眼镜相连接，复合在所述通孔的透明层外，所述透镜的凸面朝向远离所述隐形眼镜的方向设置。

进一步地，所述通孔的孔径小于2mm，所述隐形眼镜的尺寸为13.8mm～15mm。

本发明的另一个目的采用如下技术方案实现：

一种近眼放大系统，包括屏幕和如上述的隐形眼镜放大模组，所述屏幕上设有与所述隐形眼镜上附着的偏振膜的透射方向正交的偏振片，所述屏幕与所述隐形眼镜之间设有间隙，所述屏幕上连接有用于产生光学图像的电子元件。

进一步地，所述屏幕与所述隐形眼镜的距离为12mm～15mm。

进一步地，所述透镜复合在所述屏幕上。

进一步地，所述系统还包括不影响光学图像偏振态和相位延时的光学元件，所述光学元件设置在所述屏幕和所述隐形眼镜之间。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的放大模组中的隐形眼镜上附着有偏振膜，且在隐形眼镜的中心开设通孔，在使用时，放大系统产生与偏振膜的透射方向正交的光学图像，利用偏振膜过滤多余光线，使光线仅从通孔射入眼睛，利用小孔成像的原理，使光学图像可通过通孔在视网膜上成像，不仅可以保证放大模组离眼睛的距离为最近，并且在也不会存在像差、畸变等光学问题，而隐形眼镜在正常状态下可正常使用；同时，利用设置在通孔前的透镜，使更多光线进入通孔，最终形成一个亮度较高的清晰的像。而应用了隐形眼镜式放大模组的近眼放大系统，由于放大模组的体积和质量大大缩小，实现近眼放大系统的真正的轻量化，即使近眼放大系统的屏幕设置在眼睛的一倍焦距内，也可清晰地看到屏幕上的光学图像，而放大模组和屏幕之间设有一定距离的间隙，因此，还可加入多种光学元件，从而达到满足不同视觉效果和提高光学图像的成像质量等更有利于提高产品需求的辅助作用。

附图说明

图1为本发明的放大模组一实施例的结构示意图；

图2为图1中A处的剖面示意图；

图3为本发明的放大模组一实施例的使用状态示意图；

图4为本发明的放大模组另一实施例的使用状态示意图，其显示了透镜与隐形眼镜分体设置的结构；

图5为本发明的放大模组另一实施例的使用状态示意图，其显示了分体设置的透镜的另一种结构；

图6为本发明的近眼放大系统的实施例的使用状态示意图；

图7为本发明的放大模组的实验光路效果图；

图8为人眼接收光源等效图；

图中：10、眼睛；20、放大模组；21、隐形眼镜；22、通孔；23、透明结构；24、偏振膜；25、透镜；251、双凸透镜；252、平凹透镜；253、凸透镜；30、屏幕；31、偏振片。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图7对本发明实施例的隐形眼镜式放大模组及近眼放大系统进行具体描述，其中隐形眼镜式放大模组解决了现有近眼放大模组体积过大的问题。

如图1和图2所示，一种隐形眼镜式放大模组，包括隐形眼镜21，隐形眼镜21上附有偏振膜24,，隐形眼镜21的中心设有一通孔22，通孔22外侧设有焦距为正的透镜25。

当图像源离人眼很近时，此时瞳孔自动调节尺寸以便人眼可以看到最清晰的像，但是由于图像源离人眼过近，瞳孔尺寸缩到最小时，无法在视网膜上会聚成清晰的像，导致人眼感受不到清晰的图像。而本实施例中的隐形眼镜式放大模组20，在隐形眼镜21中心设置一通孔22，从而利用小孔成像的原理，使光学图像可通过通孔22在视网膜上成像，不仅可以保证放大模组20离眼睛10的距离为最近，并且在也不会存在像差、畸变等光学问题。设置该通孔22相当于人为地调节瞳孔的最小尺寸，这样就可以保证及时在屏幕30或者图像源离人眼很近的情况下也可以清晰的看到来自屏幕30或者图像源。本实施例的隐形眼镜21可以不添加任何光学元件都可以看到近距离的光学影像，并且不会对最终的图像质量产生不良结果。另外，由于设置在隐形眼镜21上的通孔22尺寸过小，透过通孔22的光线过少，需要很高的光学图像的亮度才可以使穿过通孔22的光学足够在视网膜上形成能够看清的图像，而亮度过高的光学图像的成像质量不高，为解决上述问题，本实施例在通孔22外侧设有焦距为正的透镜25，起到聚光作用，使更多光线可穿过通孔22，在视网膜上形成清晰的图像，即使正常亮度的光学图像也能被看见，成像质量更好，视场角更广。本实施例的隐形眼镜可为普通隐形眼镜，整体为透明结构，也可为美瞳隐形眼镜，瞳孔对应位置为透明结构，偏振膜附着在隐形眼镜的透明结构23所在的位置，通孔设置在隐形眼镜的中心位置，与瞳孔位置对应，且尺寸小于瞳孔，通孔穿透隐形眼镜，未被偏振膜覆盖，光线可正常通过通孔进入瞳孔中，在视网膜上形成图像。当隐形眼镜对应的是自然光时，光线可正常进入瞳孔，隐形眼镜可正常使用。

更具体地说，如附图3，为本发明的放大模组20的一种实施例，其中，透镜25与隐形眼镜21相连接，复合在通孔22外侧，透镜25的凸面朝向远离隐形眼镜21的方向设置，本实施例中的透镜25为膜层结构的凸透镜253，制作工艺为现有技术，通过压制或胶合的方式与通孔22边缘的隐形眼镜相连接，当光线入射从像端入射过来，经过人眼小孔时，先对于入射光线进行了会聚，再次入眼成像，所以当最终成像的大小相同时，可以得到有更多的光进入瞳孔参与成像，最终形成一个亮度较高的清晰的像。

另外，如附图4所示，为本发明的放大模组20的另一种优选实施例，其中，透镜25与隐形眼镜21分体设置，设置在隐形眼镜21与显示屏之间的间隙中，透镜25的尺寸大于通孔22的尺寸。分体设置的透镜25和隐形眼镜21便于加工，减轻佩戴隐形眼镜21的眼睛10的负担。而透镜25的种类有多种，可以为如附图3中所示的凸透镜，也可为焦距为正的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的加工成本更低，相同放大倍率的菲涅尔透镜相比凸透镜来说体积更小，质量更轻，有利于放大模组20的轻量化。

如图5所示，为上述优选实施例中的透镜25的另一种结构，透镜25包括焦距为正的胶合透镜组，胶合透镜组包括双凸透镜251和平凹透镜252，双凸透镜251位于平凹透镜252的凹面中，通过胶合连接在一起。如上文，总焦距为正的光学结构可以增加入瞳的光线数，提高整体亮度，但是凸透镜的加入会造成一定的畸变，因此将双凸透镜251和平凹透镜252胶合在一起，可以减轻由于透镜加入所造成光学畸变，最终形成一个高亮度，低畸变甚至无光学畸变的清晰的像。

如附图1至附图5所示的放大模组20中，为使小孔成像的图像可清晰地显示在视网膜上，通孔22的孔径小于2mm，更具体地说，通孔22的孔径基于下列公式计算可得：

人眼接收光源等效图如图8所示，其中，d为屏幕有效距离的一半，r为瞳孔尺寸的一半，R为人眼到屏幕的距离，A为一个像素点，在空间内发射一个面光源，从而被人眼所感知，人眼所能收到的有效亮度为W，系数β，L₀为光源已知参数。X,Y表示像素点的相对距离；通过人眼所能感受的最低亮度联立以上公式就可以求出r的区域大小，从而决定小孔尺寸。

而为了方便加工和佩戴，放大模组20中采用隐形眼镜21的尺寸为市面上常见的13.8mm～15mm，符合人体结构，使用户佩戴更舒适。

基于焦距为正的胶合透镜组，通过光学设计软件的大量优化和模拟，对胶合透镜组的参数进行细化，在保持中心和周围视场都有较高的清晰度的情况下，仍保持较短的光学总长和较轻的重量，下述实施例中保护两个胶合透镜组，下面将结合本发明实例中的相关参数设计，对方案进行详尽的描述，

表1为实施例的相关设计参数

表1中为胶合透镜组的相关参数，如附图7所示，包含两个胶合透镜组，其中，第一个透镜的焦距F1＝68，第二个透镜的焦距F2＝16.5，系统总焦距F＝13.8，附图7表示两个点光源射出的光经过胶合透镜组进入隐形眼镜上的通孔形成的光路。

根据附图6所示，对本发明提供的一种近眼放大系统进行具体描述，本系统包括屏幕30和如上述的隐形眼镜21放大模组20，屏幕30上设有与隐形眼镜21上附着的偏振膜24的透射方向一致的偏振片31，屏幕30与隐形眼镜21之间设有间隙，屏幕30上连接有用于产生光学图像的电子元件(未画出)。

应用了隐形眼镜21式放大模组20的近眼放大系统，由于放大模组20的体积和质量大大缩小，实现近眼放大系统的真正的轻量化，即使近眼放大系统的屏幕30设置在眼睛10的一倍焦距内，也可清晰地看到屏幕30上的光学图像，而放大模组20和屏幕30之间设有一定距离的间隙，因此，还可加入多种光学元件，从而达到满足不同视觉效果和提高光学图像的成像质量等更有利于提高产品需求的辅助作用。

本发明中所指的近眼放大系统包括但不限于智能VR设备、智能AR设备。智能眼镜或其他头戴式显示设备等。

为了进一步缩小近眼放大系统的体积，透镜25可为膜层机构，复合在屏幕30上。

由于隐形眼镜21上设有偏振膜24，而屏幕30上设有与偏振膜24的透射方向正交的偏振片31，光线只可从未覆盖有偏振膜的通孔中射入眼睛，防止多余光线射入眼睛10，影响成像质量。该偏振片31可以为薄片结构，也可为膜层结构，附着在屏幕30表面。更具体地说，如隐形眼镜21上的偏振膜24为竖直偏振膜24，则屏幕30上的偏振片31为水平偏振片31，使屏幕30射出的光为水平偏振光；如隐形眼镜21上的偏振膜24为水平偏振膜24，则屏幕30上的偏振片31为竖直偏振片31，使屏幕30射出的光为竖直偏振光。优选地，隐形眼镜21上偏振膜24为反射型偏振膜24，将除了射入通孔22的偏振光以外的其余光线全部反射出去，不会被人眼感受到。这样的构造还保证了人在佩戴此隐形眼镜21的时候不会对正常的视觉感受造成不良影响。

本发明实施例的系统中，为保证显示系统的轻量化和人机工程学，胶合透镜组设置在屏幕30前或与屏幕30复合在一起，双凸透镜251与隐形眼镜21的距离为12mm～15mm。即隐形眼镜21与双凸透镜251之间的间隙为12mm～15mm。与此同时，为了不浪费安装空间，系统还包括不影响光学图像偏振态和相位延时的光学元件，光学元件设置在双凸透镜251和隐形眼镜21之间，从而达到满足不同视觉效果和提高光学图像的成像质量等更有利于提高产品需求的辅助作用。在其他实施例中，透镜25设置在屏幕30前或与屏幕30复合在一起，光学元件可设置在透镜25与隐形眼镜21之间的间隙中。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种隐形眼镜式放大模组，其特征在于，包括隐形眼镜，所述隐形眼镜上附有偏振膜，所述隐形眼镜的中心设有一通孔，所述通孔外侧设有焦距为正的透镜。

2.如权利要求1所述的隐形眼镜式放大模组，其特征在于，所述透镜与所述隐形眼镜分体设置，设置在所述隐形眼镜与显示屏之间的间隙中，所述透镜的尺寸大于所述通孔的尺寸。

3.如权利要求2所述的隐形眼镜式放大模组，其特征在于，所述透镜包括焦距为正的凸透镜或者焦距为正的菲涅尔透镜或者总焦距为正的透镜组。

4.如权利要求2所述的隐形眼镜式放大模组，其特征在于，所述透镜包括焦距为正的胶合透镜组，所述胶合透镜组包括双凸透镜和平凹透镜，所述双凸透镜位于所述平凹透镜的凹面中，通过胶合连接在一起。

5.如权利要求1所述的隐形眼镜式放大模组，其特征在于，所述透镜与所述隐形眼镜相连接，复合在所述通孔的外侧，所述透镜的凸面朝向远离所述隐形眼镜的方向设置。

6.如权利要求1-5任一条所述的隐形眼镜式放大模组，其特征在于，所述通孔的孔径小于2mm，所述隐形眼镜的尺寸为13.8mm～15mm。

7.一种近眼放大系统，其特征在于，包括屏幕和如权利要求1-4任一条所述的隐形眼镜放大模组，所述屏幕上设有与所述隐形眼镜上附着的偏振膜的透射方向正交的偏振片，所述屏幕与所述隐形眼镜之间设有间隙，所述屏幕上连接有用于产生光学图像的电子元件。

8.如权利要求7所述的近眼放大系统，其特征在于，所述屏幕与所述隐形眼镜的距离为12mm～15mm。

9.如权利要求7所述的近眼放大系统，其特征在于，所述透镜复合在所述屏幕上。

10.如权利要求7所述的近眼放大系统，其特征在于，所述系统还包括不影响光学图像偏振态和相位延时的光学元件，所述光学元件设置在所述屏幕和所述隐形眼镜之间。