CN109752854A - 一种光学眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学眼镜，包括眼镜镜片以及显示屏，显示屏位于眼镜镜片上方且显示屏的长轴方向与水平方向平行；眼镜镜片包括部分透射部分反射平面镜和部分透射部分反射曲面镜；显示画面光线经部分透射部分反射平面镜反射后入射至部分透射部分反射曲面镜，经部分透射部分反射曲面镜反射后入射至部分透射部分反射平面镜，经部分透射部分反射平面镜透射后进入观测者眼睛。采用上述方案，由于显示屏位于眼镜镜片上方且显示屏的长轴方向与水平方向平行，显示画面光线在水平方向的垂直方向上多次折反传播不影响显示画面光线在水平方向上的传播，保证光学眼镜兼顾轻薄、较大视场角和较大的人眼移动范围。

Description

一种光学眼镜

技术领域

本发明实施例涉及虚拟和增强现实技术领域，尤其涉及一种光学眼镜。

背景技术

现有的用于增强现实的光学眼镜大都采用棱镜方案、自由曲面棱镜方案、离轴投影方案和阵列或全息光波导方案。棱镜方案和自由曲面棱镜方案视场角太小，离轴投影方案不能做到轻薄，阵列或全息光波导方案虽然轻薄，但由于工艺复杂且不成熟，成本昂贵，很难商业化应用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种光学眼镜，以解决现有技术中光学眼镜不能兼顾良好的视场角和轻薄的技术问题。

本发明实施例提供了一种光学眼镜，包括位于观测者眼睛正前方的眼镜镜片以及与所述眼镜镜片对应设置的显示屏，所述显示屏位于所述眼镜镜片上方；

所述显示屏用于出射显示画面光线，且所述显示屏的长轴方向与水平方向平行，其中，所述水平方向与观测者左眼指向观测者右眼的方向平行；

所述眼镜镜片包括部分透射部分反射平面镜以及部分透射部分反射曲面镜，所述部分透射部分反射平面镜位于靠近所述观测者眼睛的一侧，所述部分透射部分反射曲面镜位于远离所述观测者眼睛的一侧；所述显示画面光线经所述部分透射部分反射平面镜反射后入射至所述部分透射部分反射曲面镜，经所述部分透射部分反射曲面镜反射后入射至所述部分透射部分反射平面镜，经所述部分透射部分反射平面镜透射后进入所述观测者眼睛。

可选的，所述光学眼镜还包括耦合透镜组，所述耦合透镜组位于所述显示屏与所述部分透射部分反射平面镜之间；

所述耦合透镜组用于接收所述显示画面光线并将所述显示画面光线透射至所述部分透射部分反射平面镜。

可选的，所述显示屏和所述耦合透镜组共轴设置。

可选的，所述耦合透镜组的光轴方向与第一方向之间的夹角为α，其中，70°≤α≤90°；其中，所述第一方向与所述部分透射部分反射平面镜指向所述部分透射部分反射曲面镜的方向平行。

可选的，所述耦合透镜组中耦合透镜的材料包括低色散材料。

可选的，所述部分透射部分反射平面镜与第一方向之间的夹角为β，其中，45°≤β≤55°；其中，所述第一方向与所述部分透射部分反射平面镜指向所述部分透射部分反射曲面镜的方向平行。

可选的，所述部分透射部分反射平面镜包括靠近所述部分透射部分反射曲面镜一侧的第一表面以及远离所述部分透射部分反射曲面镜一侧的第二表面；

其中，所述第一表面为部分透射部分反射面且所述第一表面包括半透半反面；

所述第二表面为透射面。

可选的，所述部分透射部分反射曲面镜包括靠近所述部分透射部分反射平面镜一侧的第三表面以及远离所述部分透射部分反射平面镜一侧的第四表面；

其中，所述第三表面为部分透射部分反射面且所述第三表面包括半透半反非球面；

所述第四表面为透射面。

所述部分透射部分反射平面镜的中心与所述部分透射部分反射曲面镜的中心的连线方向与第一方向平行；其中，所述第一方向与所述部分透射部分反射平面镜指向所述部分透射部分反射曲面镜的方向平行。

可选的，所述光学眼镜的出瞳距为L，其中14mm≤L≤24m。

本发明实施例提供的光学眼镜，包括眼镜镜片以及与眼镜镜片对应设置的显示屏，眼镜镜片包括部分透射部分反射平面镜和部分透射部分反射曲面镜，显示画面光线经部分透射部分反射平面镜反射后入射至部分透射部分反射曲面镜，经部分透射部分反射曲面镜反射后入射至部分透射部分反射平面镜，经部分透射部分反射平面镜透射后进入观测者眼睛。由于显示屏位于眼镜镜片上方且显示屏的长轴方向与水平方向平行，显示屏发出的显示画面光线经多次折反后耦出眼镜镜片后进入出瞳处的人眼，显示画面光线在水平方向的垂直方向上的光路改变不影响显示画面光线在水平方向上的出射范围，因此水平方向上，人眼允许移动的范围不受眼镜镜片厚度的限制，并且在相同眼镜镜片厚度的情况下，水平方向视场角较大，所以，在同等规格显示屏的条件下，可以实现水平方向视场角和水平方向人眼允许移动的范围相对较大，并且眼镜镜片的厚度相对轻薄；同时，由于水平方向人眼允许移动的范围不受眼镜镜片厚度的限制，水平方向人眼允许移动的范围相对较大，因此用于双眼的光学眼镜时，即使在瞳距不可调的情况下，本发明实施例提供的光学眼镜对不同瞳距的人群佩戴兼容性相对较大；并且，由于光学眼镜针对左右眼的结构设计可以相同，因此，光学眼镜制造成本相对低赚，适合商业化应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例提供的一种光学眼镜的光路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种光学眼镜的俯视光路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种光学眼镜的光路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种部分透射部分反射平面镜的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种部分透射部分反射曲面镜的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种半视场角与调制传递函数的对应关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

图1是本发明实施例提供的一种光学眼镜的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种光学眼镜的俯视光路结构示意图，结合图1和图2所示，本发明实施例提供的光学眼镜可以包括位于观测者眼睛正前方的眼镜镜片10以及与眼镜镜片10对应设置的显示屏20，显示屏20位于眼镜镜片10上方。

显示屏20用于出射显示画面光线21，且显示屏20的长轴方向与水平方向平行，其中，水平方向与观测者左眼指向观测者右眼的方向平行；

眼镜镜片10包括部分透射部分反射平面镜11以及部分透射部分反射曲面镜12，部分透射部分反射平面镜11位于靠近观测者眼睛的一侧，部分透射部分反射曲面镜12位于远离观测者眼睛的一侧；显示画面光线21经部分透射部分反射平面镜11反射后入射至部分透射部分反射曲面镜12，经部分透射部分反射曲面镜12反射后入射至部分透射部分反射平面镜11，经部分透射部分反射平面镜11透射后进入观测者眼睛。

示例性的，水平方向可以理解为观测者左眼指向右眼的方向，如图2中的X方向，且水平方向垂直于图1所示的纸面方向。位于眼镜镜片10上方且长轴方向与水平方向平行的显示屏20发出的显示画面光线21在图1所示的纸面内进入眼镜镜片10，显示画面光线21先被眼镜镜片10的部分透射部分反射平面镜11部分反射后入射至部分透射部分反射曲面镜12，又被部分透射部分反射曲面镜12部分反射到达部分透射部分反射平面镜11，经部分透射部分反射平面镜11部分透射后进入位于出瞳位置处的观测者眼睛，观测者眼睛看到前方某距离处显示屏20上内容所成的像30，同时观测者眼睛又可以透过部分透射部分反射平面镜11和部分透射部分反射曲面镜12看到前方的现实场景，光学眼镜实现增强现实功能。

由于显示屏20位于眼镜镜片10的上方且显示屏20的长轴方向与水平方向平行，显示屏20发出的显示画面光线21在与水平方向垂直的平面内经多次折反后耦出眼镜镜片10后进入出瞳处的观测者眼睛，显示画面光线21在与水平方向垂直的平面内(如图1所述的纸面)的光路改变不影响显示画面光线21在水平方向的出射范围，因此水平方向人眼允许移动的范围λ不受眼镜镜片10厚度的限制，并且在相同眼镜镜片10厚度的情况下，水平方向视场角γ较大，所以，在同等规格显示屏的条件下，本发明实施例通过的光学眼镜可以兼顾水平方向视场角γ和水平方向人眼允许移动的范围λ相对较大，并且眼镜镜片10的厚度相对轻薄；同时，由于水平方向人眼允许移动的范围λ不受眼镜镜片10厚度的限制，水平方向人眼允许移动的范围λ相对较大，因此用于双眼的光学眼镜时，即使在瞳距不可调的情况下，本发明实施例提供的光学眼镜对不同瞳距的人群佩戴兼容性相对较大。进一步的，由于只需合理设置眼镜镜片10的形状、显示屏20的放置位置以及显示屏20相对眼镜镜片10的位置关系，本发明实施例提供的光学眼镜结构紧凑，适合现有光学眼镜小型化智能化的发展趋势。

需要说明的是，本发明实施例提供的光学眼镜仅以适用于单眼为例进行说明，例如单眼眼镜镜片10可以为左眼眼镜镜片，也可以为双眼眼镜镜片，本发明实施例对此不进行限定。可以理解的是，本发明实施例提供的光学眼镜同样可以适用于双眼的情况，例如本发明实施例提供的光学眼镜可以包括双眼眼镜镜片10，即左眼眼镜镜片和右眼眼镜镜片，同时包括分别与左眼眼镜镜片和右眼眼镜镜片对应设置显示屏20，并且，光学眼镜针对左右眼的结构设计可以相同，因此，光学眼镜制造工艺简单同时成本相对低赚，适合商业化应用。

图3是本发明实施例提供的另一种光学眼镜的光路结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供的光学眼镜还可以包括耦合透镜组40，耦合透镜组40位于显示屏20与部分透射部分反射平面镜11之间；

耦合透镜组40包括至少一片耦合透镜，耦合透镜组40用于接收显示画面光线21并将显示画面光线21透射至部分透射部分反射平面镜11。

示例性的，显示屏20发出的显示画面光线21透过耦合透镜组40后进入眼镜镜片10。设置耦合透镜组40位于显示屏20与部分透射部分反射平面镜11之间，可以保证显示屏20发出的显示画面光线21完全耦合进入眼镜镜片10，提高显示画面光线21的耦合效率，保证观测者可以观测到清晰的显示画面，提高光学眼镜虚拟画面的显示效果，提升光学眼镜的沉浸感，提升用户体验。同时，耦合透镜组40还用于匹配眼镜镜片10的焦距，避免因眼镜镜片10焦距过大造成水平方向视场角γ较小以及水平方向人眼允许移动的范围λ较小的问题；同时避免因眼镜镜片10焦距过小造成成像效果较差的问题，例如可能出现无法完全观看到显示画面或者观看显示画面时出现眩晕的问题。

可选的，本发明实施例提供的耦合透镜组40可以包括至少一片耦合透镜，图3仅以耦合透镜组40包括一片耦合透镜为例进行说明，且本发明实施例对耦合透镜的具体形状不进行限定，可以如图3所示的双凸面形状，还可以为半平面半凸面形状，还可以为弯月形或者其他形状，只需满足可以接收全部显示画面光线21并将显示画面光线21透射至部分透射部分反射平面镜11，同时匹配眼镜镜片10的焦距即可，保证提高显示画面光线21的耦合效率，避免因眼镜镜片10焦距过大造或者过小造成成像效果较差的问题。并且，当耦合透镜组40包括多片耦合透镜时，多片耦合透镜的形状可以相同，也可以不同，本发明实施例对此不进行限定。

可选的，继续参考图3所示，显示屏20和耦合透镜组40可以共轴设置，保证显示屏20发出的显示画面光线21可以完全耦合进入眼镜镜片耦合透镜组40，提高显示画面光线21的耦合效果，提高光学眼镜的成像效果。

可选的，继续参考图3所示，耦合透镜组40的光轴方向aa’与第一方向(如图中Y方向)之间的夹角为α，其中，70°≤α≤90°。示例性的，第一方向可以理解为与部分透射部分反射平面镜11指向部分透射部分反射曲面镜12的方向平行的方向。由于显示屏20和耦合透镜组40共轴设置，因此显示屏20的光轴和耦合透镜组40的光轴与第一方向具有相同的夹角。合理设置耦合透镜组40共的光轴方向与第一方向之间的夹角α满足70°≤α≤90°，可以保证经耦合透镜组40后的显示画面光线21在第一方向上具有较小的发散性，保证部分透射部分反射平面镜11在第一方向上的尺寸较小，保证眼镜镜片10在第一方向上的尺寸较小，保证眼镜镜片10结构紧凑，有利于实现光学眼镜的小巧轻便化设计。

可选的，耦合透镜组40中耦合透镜的材料包括低色散材料，例如每片耦合透镜的色散系数可以大于或者等于70，保证经耦合透镜组40后的显示画面光线21的色散小，可以避免因大的色散影响显示效果，造成用户的使用效果较差。

可选的，继续参考图1和图3所示，部分透射部分反射平面镜11与第一方向(如图中所示的Y方向)之间的夹角为β，其中，45°≤β≤55°。示例性的，第一方向可以理解为与部分透射部分反射平面镜11指向部分透射部分反射曲面镜12的方向平行的方向。合理部分透射部分反射平面镜11与第一方向之间的夹角β满足45°≤β≤55°，可以保证部分透射部分反射平面镜11在第一方向上的尺寸较小，保证眼镜镜片10在第一方向上的尺寸较小，保证眼镜镜片10结构紧凑，有利于实现光学眼镜的小巧轻便化设计。

图4是本发明实施例提供的一种部分透射部分反射平面镜的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供的部分透射部分反射平面镜11可以包括靠近部分透射部分反射曲面镜12一侧的第一表面111以及远离部分透射部分反射曲面镜12一侧的第二表面112；

其中，第一表面111为部分透射部分反射面，且第一表面111包括半透半反面；

第二表面112为透射面。

示例性的，第一表面111为部分透射部分反射面且第一表面111包括半透半反面，例如可以在第一表面111上贴附半透半反膜，以使显示屏20发出的显示画面光线21经过部分透射部分反射平面镜11的第一表面111后，部分显示画面光线21反射至部分透射部分反射曲面镜12上，经部分透射部分反射曲面镜12反射后到达部分透射部分反射平面镜11的第一表面111，经部分透射部分反射平面镜11的第一表面111部分透射后到达部分透射部分反射平面镜11的第二表面112，经部分透射部分反射平面镜11的第二表面112完全透射后进入位于出瞳位置处的观测者眼睛，保证观测者眼睛透过第二表面112和第一表面111可以看到前方某距离处显示屏20上内容所成的像30，同时观测者眼睛又可以透过第二表面112和第一表面111看到前方的现实场景，光学眼镜实现增强现实功能。

可选的，可以选择不同特性的半透半反膜，保证显示画面光线21在第一表面111具备不同的透射和反射效果，例如可以选择50％透射50％反射的半透半反膜，或者40％透射60％反射的半透半反膜，本发明实施例对此不进行限定。

图5是本发明实施例提供的一种部分透射部分反射曲面镜的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的部分透射部分反射曲面镜12可以包括靠近部分透射部分反射平面镜11一侧的第三表面121以及远离部分透射部分反射平面镜11一侧的第四表面122；

其中，第三表面121为部分透射部分反射面，且第三表面121包括半透半反非球面；

第四表面122为透射面。

示例性的，第三表面121为部分透射部分反射面且第三表面121包括半透半反非球面，例如可以在第三表面121上贴附半透半反膜，以使显示屏20发出的显示画面光线21经过部分透射部分反射平面镜11后入射至部分透射部分反射曲面镜12的第三表面121，在第三表面121发生部分反射后经部分透射部分反射平面镜11透射后进入位于出瞳位置处的观测者眼睛，同时设置第四表面122为透射面，保证观测者眼睛通过第三表面112和第四表面122可以看到前方某距离处显示屏20上内容所成的像30，同时观测者眼睛又可以透过第三表面121和第四表面122看到前方的现实场景，光学眼镜实现增强现实功能。

可选的，可以选择不同特性的半透半反膜，保证显示画面光线21在第三表面121具备不同的透射和反射效果，例如可以选择50％透射50％反射的半透半反膜，或者40％透射60％反射的半透半反膜，本发明实施例对此不进行限定。

可选的，第三表面121可以为非球面，设置第三表面121为半透半反非球面可以保证第三表面121对显示画面光线21的调制效果好，保证光学眼镜成像效果好，保证用于可以看到清晰完整的像30。同时，本发明实施例对第四表面122的形状不进行限定，第四表面122的形状可以为球面、非球面、平面或者多个平面和多个曲面依次顺滑连接形成的不规格面，本发明实施例对此不进行限定，只需保证第四表面122为完全透射面，用于通过第四表面122可以清晰看到现实场景，同时可以看到清晰完成的虚拟的像30即可。

继续参考图1和图3所示，部分透射部分反射平面镜11的中心与部分透射部分反射曲面镜12的中心的连线方向与第一方向平行；其中，第一方向与部分透射部分反射平面镜11指向部分透射部分反射曲面镜12的方向平行。示例性的，设置部分透射部分反射平面镜11的中心与部分透射部分反射曲面镜12的中心的连线方向与第一方向平行(如图中Y方向)，可以保证部分透射部分反射平面镜11指向部分透射部分反射曲面镜12在第一方向上具有最大的重叠性，保证部分透射部分反射曲面镜12可以完全接受到部分透射部分反射平面镜11反射的显示画面光线21，同时保证部分透射部分反射屏面镜11可以完全接受到部分透射部分反射曲面镜12反射的显示画面光线21，一方面可以保证最大程度的使用所有的显示画面光线21，得到完整的像30；另一方面还可以保证眼镜镜片10的整体尺寸较小，实现光学眼镜小巧轻便化设计。

可选的，继续参考图1、图2和图3所示，光学眼镜的出瞳距为L，其中14mm≤L≤24m，出瞳距可以理解为光学眼镜的出瞳位置与部分透射部分反射平面镜11的中心之间的距离，合理设置光学眼镜的出瞳距L满足14mm≤L≤24m，可以保证观测者眼睛位于出瞳位置时可以清晰观测到显示屏的显示画面，提高光学眼镜虚拟画面的显示效果，提升光学眼镜的沉浸感，提升用户体验。

图6是本发明实施例提供的一种半视场角与调制传递函数的对应关系示意图，如图6所示，曲线1表示10线对/毫米情况下弧矢方向对应的半视场角—调制传递函数的对应关系曲线；曲线2表示10线对/毫米情况下子午方向对应的半视场角—调制传递函数的对应关系曲线；曲线3表示20线对/毫米情况下弧矢方向对应的半视场角—调制传递函数的对应关系曲线；曲线4表示20线对/毫米情况下子午方向对应的半视场角—调制传递函数的对应关系曲线；曲线5表示30线对/毫米情况下弧矢方向对应的半视场角—调制传递函数的对应关系曲线；曲线6表示30线对/毫米情况下子午方向对应的半视场角—调制传递函数的对应关系曲线；从曲线1至曲线6可以知道，本发明实施例提供的光学眼镜在20°以内的半视场角下均具备良好的调制传递函数值，光学眼镜的解像效果良好。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光学眼镜，其特征在于，包括位于观测者眼睛正前方的眼镜镜片以及与所述眼镜镜片对应设置的显示屏，所述显示屏位于所述眼镜镜片上方；

所述显示屏用于出射显示画面光线，且所述显示屏的长轴方向与水平方向平行，其中，所述水平方向与观测者左眼指向观测者右眼的方向平行；

所述眼镜镜片包括部分透射部分反射平面镜以及部分透射部分反射曲面镜，所述部分透射部分反射平面镜位于靠近所述观测者眼睛的一侧，所述部分透射部分反射曲面镜位于远离所述观测者眼睛的一侧；所述显示画面光线经所述部分透射部分反射平面镜反射后入射至所述部分透射部分反射曲面镜，经所述部分透射部分反射曲面镜反射后入射至所述部分透射部分反射平面镜，经所述部分透射部分反射平面镜透射后进入所述观测者眼睛。

2.根据权利要求1所述的光学眼镜，其特征在于，所述光学眼镜还包括耦合透镜组，所述耦合透镜组位于所述显示屏与所述部分透射部分反射平面镜之间；

所述耦合透镜组包括至少一片耦合透镜，所述耦合透镜组用于接收所述显示画面光线并将所述显示画面光线透射至所述部分透射部分反射平面镜。

3.根据权利要求2所述的光学眼镜，其特征在于，所述显示屏和所述耦合透镜组共轴设置。

4.根据权利要求3所述的光学眼镜，其特征在于，所述耦合透镜组的光轴方向与第一方向之间的夹角为α，其中，70°≤α≤90°；其中，所述第一方向与所述部分透射部分反射平面镜指向所述部分透射部分反射曲面镜的方向平行。

5.根据权利要求3所述的光学眼镜，其特征在于，所述耦合透镜组中耦合透镜的材料包括低色散材料。

6.根据权利要求1所述的光学眼镜，其特征在于，所述部分透射部分反射平面镜与第一方向之间的夹角为β，其中，45°≤β≤55°；其中，所述第一方向与所述部分透射部分反射平面镜指向所述部分透射部分反射曲面镜的方向平行。

7.根据权利要求1所述的光学眼镜，其特征在于，所述部分透射部分反射平面镜包括靠近所述部分透射部分反射曲面镜一侧的第一表面以及远离所述部分透射部分反射曲面镜一侧的第二表面；

其中，所述第一表面为部分透射部分反射面且所述第一表面包括半透半反面；

所述第二表面为透射面。

8.根据权利要求1所述的光学眼镜，其特征在于，所述部分透射部分反射曲面镜包括靠近所述部分透射部分反射平面镜一侧的第三表面以及远离所述部分透射部分反射平面镜一侧的第四表面；

其中，所述第三表面为部分透射部分反射面且所述第三表面包括半透半反非球面；

所述第四表面为透射面。

9.根据权利要求1所述的光学眼镜，其特征在于，所述部分透射部分反射平面镜的中心与所述部分透射部分反射曲面镜的中心的连线方向与第一方向平行；其中，所述第一方向与所述部分透射部分反射平面镜指向所述部分透射部分反射曲面镜的方向平行。

10.根据权利要求1所述的光学眼镜，其特征在于，所述光学眼镜的出瞳距为L，其中14mm≤L≤24m。