CN109782441A - 一种近眼可透视头显光学系统 - Google Patents

一种近眼可透视头显光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109782441A
CN109782441A CN201810050821.4A CN201810050821A CN109782441A CN 109782441 A CN109782441 A CN 109782441A CN 201810050821 A CN201810050821 A CN 201810050821A CN 109782441 A CN109782441 A CN 109782441A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
see
optical system
light
head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810050821.4A
Other languages
English (en)
Inventor
卫荣杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taap Yi Hai (shanghai) Technology Co Ltd
Original Assignee
Taap Yi Hai (shanghai) Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taap Yi Hai (shanghai) Technology Co Ltd filed Critical Taap Yi Hai (shanghai) Technology Co Ltd
Priority to US16/760,387 priority Critical patent/US11360307B2/en
Priority to PCT/CN2018/114301 priority patent/WO2019096038A1/zh
Publication of CN109782441A publication Critical patent/CN109782441A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0804—Catadioptric systems using two curved mirrors
    • G02B17/0816—Catadioptric systems using two curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/001—Eyepieces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G02B1/041—Lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B2003/0093—Simple or compound lenses characterised by the shape
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Abstract

本发明提供一种近眼可透视头显光学系统，包括第一透镜、第二透镜和一个微型图像显示器，第一透镜与第二透镜皆与微型图像显示器贴合，且第一透镜与第二透镜皆为均厚的自由曲面透镜。藉由本发明所提供的近眼可透视头显光学系统架构，除了可以减少光在此光学系统架构中折射的次数外，还可以消除微型图像显示器所发出的光在各个方向的像差，使其在各个方向与角度看影像不会造成像差。

Description

一种近眼可透视头显光学系统
技术领域
本发明提供一种近眼可透视头显光学系统，特别是一种具有超大可视角的离轴双反自由曲面的近眼可透视头显光学系统。
背景技术
现阶段虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)和增强现实(Augmented Reality，简称AR)头戴显示器快速发展，为了沉浸感和大的视角，目前VR头显产品都体积大，重量重，所以头戴VR时无法走动交互无法观看外界。另外，AR头显产品视角较小，而且AR头显产品一样体积较大且镜片厚重，因为要光学系统的视角、出瞳孔径以及焦距三者之间是相互制约的关系，所以要同时达到大的视角，大的出瞳孔径和焦距短相当困难，现有技术有不足之处详列如下：
现有虚拟现实和增强现实头戴显示器都采用多个折反射的稜镜或透镜的方法实现多信道显示，此时所使用的稜镜或透镜会具有色散问题，且入瞳距离做不大，无法兼容眼镜；若要设计成大入瞳距离时，会使头戴显示器的体积重量会成倍增加，且多次折射和反射降低了光能利用率。同时，楔形稜镜对于外部实际光线的两次折射，引起用户观察外部真实世界的失真，光源的产生使用的都是微型液晶显示器，微型液晶显示器的分辨率难以做到很高，面积有限亮度不能太高(因为考虑温度)，成本也非常高。另外，还有两个镜片的不对称问题、材料挑选问题、制造时的注塑缩水问题、热膨胀问题，胶合问题，以及实心材料构成重量大体积大的问题等等。
在一个现有技术中，利用一块具有三个自由曲面的稜镜(Prism)配上一个微型图像显示器来达成虚拟现实装置(Virtual Reality Device)和增强现实成像装置(Augmented Reality Device)。但是，由于微型图像显示器发出的光线经过稜镜成像时，至少需要经过两次折射与两次反射后，才会进到用户的眼睛中。但是，每经过一次折射就会提高微型图像显示器发出的影像产生像变的风险，而且此具有三个自由曲面稜镜的折射率并非等于1，所以除了前述的两次折射与两次反射，光在自由曲面稜镜中会因为材料分配不均匀且折射率在每个点都不等于1的情况下，造成影像光线会有数以万计的折射与反射，严重影响成像品质。另外，自由曲面稜镜一般都是由玻璃所构成，此装置又都是由多个自由曲面稜镜组拼接而成，造成整个装置体积过重。最后，因为其稜镜自由曲面设计时，考虑成本因素及研磨镜技术，无法将三个光学自由曲面设计成都能消除像变的自由曲面，使得光在折射时遇到某一个自由曲面就会光造成的场曲或球面像差等像变，所以使用此装置成像品质较差，一般都需要通过非常多的修正技术，才能得到较佳的成像质量，例如:像差修正或是畸变修正等，增加了产品的制造成本。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的主要目的在提供一种能够解决稜镜长久以来存在使用不方便的问题。而根据上述的目的，本发明提供一种近眼可透视头显光学系统，包括第一透镜、第二透镜和一个微型图像显示器，第一透镜与第二透镜皆与微型图像显示器贴合成一体，其特征在于，第一透镜与第二透镜皆为均厚的自由曲面透镜，用以使微型图像显示器产生的影像在第一透镜与第二透镜中反射成像。同时半透特性可透过第一透镜与第二透镜可以看到真实外环境。
根据上述的目的，本发明接着再提供一种近眼可透视头显光学系统，包括第一透镜、第二透镜和一个微型图像显示器，第一透镜具有第一表面与第二表面，第二透镜具有第三表面与第四表面，第一透镜与第二透镜皆与微型图像显示器贴合，其特征在于，第一透镜与第二透镜皆为均厚的自由曲面透镜，且第二表面与第三表面皆涂布一层半反半透膜，用以使微型图像显示器产生的影像在第一透镜与第二透镜中反射成像。
根据上述的目的，本发明进一步再提供一种近眼可透视头带显示器，包括第一镜片组、第二镜片组以及一个微型图像显示器，第一镜片组与第二镜片组一体成形后，并与微型图像显示器贴合成一体，其特征在于，第一镜片组与第二镜片组为相同结构，其中，第一镜片组与第二镜片组均由第一透镜及第二透镜所组成，第一透镜与第二透镜皆为均厚的自由曲面透镜，第一透镜具有第一表面与第二表面，第二透镜具有第三表面与第四表面，且第二表面与第三表面皆涂布一层半反半透膜，用以使微型图像显示器产生的影像在第一镜片组与第二镜片组中反射成像。
藉由本发明所提供的近眼可透视头显光学系统架构，不但可以减少光在此光学系统架构中折射的次数，减少像差发生。
本发明的微型图像显示器产生的影像通过第一透镜及第二透镜反射后，其在第一透镜的反射面将图像的Y轴放大和X轴放大及在其第二透镜的反射面将图像的Y轴放大和X轴缩小，便于优化Y轴离轴方向的畸变，和优化X轴(90-110度)超大视角时横向入瞳光线角度和人脸的贴合实现超大视角和沉浸式体验。
另外，本发明所提供的近眼可透视头显光学系统架构中的透镜，是使用塑胶制成，可使可透视头显光学系统更为轻巧，并减少体积，利用制作工法更可以让双眼镜片可以一体成型的完成。再者，两眼之间无任何的接缝，除了抵抗机械应变，更可以将视野扩大，各像素之间也不需要使用拼接即可一体成型的组成。
通过透镜中自由曲面的设定，可以消除微型图像显示器所发出的光在各个方向的像差，使其在各个方向与角度看影像不会造成像差。
藉由本发明所提供的近眼可透视头显光学系统架构中，微型图像显示器所发出的图像，不需要经过折射就可以接进入到透镜组合中，减少了一次折射，因此，可以减少像变的机会。
此外，透镜组合中的第一透镜与第二透镜为均厚的自由曲面构造，可以缩小第一透镜与第二透镜之间的距离(或是厚度)，可以有效的缩短光程，进而达到降低畸变及色散的问题。
另外，再由于第一透镜与第二透镜为均厚的自由曲面构造，使得外界图像不会倾斜或变形。
另外，加上本发明藉由所提供的半反半透膜，可使光线在特定面上能够全反射，或是半反半透，故具方便性。
本发明藉由使用高亮度2～3寸的显示器，使得发光亮度可以更高，焦距可以更长，可以达到超大可视角的效果。
最后，当本发明的半反半透膜反射微型图像显示器所产生的影像时，影像在第一透镜可以产生图像在Y轴放大和X轴放大的效果，其镜面弧度对应大视角时，拥有极好的反射成像角度，同时第二透镜的X轴方向成凹面缩小，可以大幅度调整可视角达90-110度时X轴向上的像差和场曲，使得本发明的近眼可透视头显光学系统可以达到超大可视角的效果。
附图说明
图1(a)是根据本发明所揭露的技术，表示为近眼可透视头显光学系统，透镜组合与微型图像显示器组合前的侧视图；
图1(b)是根据本发明所揭露的技术，表示为近眼可透视头显光学系统，透镜组合与微型图像显示器组合后的侧视图；
图2是根据本发明所揭露的技术，表示近眼可透视头显光学系统附上半反半透膜的另一具体实施方式的架构图；
图3是根据本发明所揭露的技术，表示近眼可透视头带显示器的实体架构图；
图4是根据本发明所揭露的技术，表示近眼可透视头显光学系统的VR(虚拟实境)具体实施方式的光路图具体实施方式的光路图；以及
图5是根据本发明所揭露的技术，表示近眼可透视头显光学系统的VR(虚拟实境)具体实施方式的光路图具体实施方式的光路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本发明，在此配合所附的图式、具体阐明本发明的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本发明特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。
于具体实施方式中的说明与说明书附图的标示中所称的坐标系是采用笛卡尔坐标系，即三轴的(X,Y,Z)的正交坐标系，采用右旋坐标系统，三个轴的方向如各个说明书附图所标示。坐标轴的方向以图1为基准，其他各图皆是图1不同方向的视图。在本发明中，将X轴的轴向称为第一方向，将Y轴的轴向称为第二方向，将Z轴的轴向称为第三方向；将Y轴和Z轴所构成的平面称为第一平面，在此将X轴和Y轴所构成的平面称为第二平面，将X轴和Z轴所构成的平面称为第三平面，坐标轴原点订在第一透镜及第二透镜的交点，如说明书附图中的编号0所示。
首先，请参照图1(a)，为本发明的近眼可透视头显光学系统1，透镜组合与微型图像显示器组合前的侧视图。如图1(a)所示，本发明的近眼可透视头显光学系统1包括:第一透镜10、第二透镜20和一个微型图像显示器30。在光学的定义上，第一透镜10与第二透镜20分别是两个透镜(lens)，用以做为光学镜片使用，且将两者通过适当的组合后，即构成一透镜组合1a。此外，在第一平面上(即Y轴和Z轴所构成的平面)，第一透镜10与第二透镜20所构成的透镜组合1a的外观，是一个缺了颈的竖琴，颈的部份在第一平面上是此组合的一个开口部40，在开口部40的一侧上，具有两个开口端，即第一开口端13与第二开口端23，其中，第一开口端13位于第一透镜10的开放端，而第二开口端23位于第二透镜20的开放端。
接着，请继续参照图1(a)，第一透镜10具有第一表面11与第二表面12，第二透镜20具有第三表面21与第四表面22。这四个表面都是所谓的自由曲面，且在第一平面上，第一表面11与第二表面12的投影线段是互相平行的，第三表面21与第四表面22的投影线段也是互相平行的，此即避免光线遇到透镜时产生像差。其中，第一透镜10与第二透镜20可以选择使用光学玻璃(Optic Glass)或是高分子(Polymer)作为材料。而在本发明的较佳实施例中，第一透镜10与第二透镜20可以选择使用高分子的工程塑料作为材料，例如:甲基丙烯酸甲酯(即压克力,PMMA)或是聚碳酸酯(PC)或是聚丙烯(PP)或是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或是耐纶(Nylon)中的一种。也可以使用例如是包含有高純度矽、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物的玻璃。其中，当第一透镜10与第二透镜20选择使用甲基丙烯酸甲酯(即压克力,PMMA)或是聚碳酸酯(PC)作为材料时，第一透镜10与第二透镜20是以一体成型的方式形成透镜组合1a。例如:通过一预先打造的铸模，将滚烫的液状甲基丙烯酸甲酯材料倒入铸模内，静置一段时间之后，待铸模的温度下降至室温后即完成定型，后续再将凝固的甲基丙烯酸甲酯脱离铸模，就形成了一个由第一透镜10与第二透镜20组成的透镜组合1a。此外，由于第一透镜10及第二透镜20为均厚结构，故在注塑没有缩水，没有复杂的内应力，使得制造良率容易提升，直接及间接地降低装置的制造成本。若是第一透镜10与第二透镜20选择使用包含有高純度矽的玻璃时，会先将一个高10cm、最大表面积为10000cm2的高純度矽的玻璃板切割成高10cm、长10cm以及宽5cm的小型玻璃，以供后续磨镜处理。
在本发明的具体实施方式中，为了避免第一透镜10与第二透镜20在成像时产生畸变或是球面像差，因此，在一较佳实施方式中，第一透镜10与第二透镜20的曲面厚度都是均匀的(uniform)。在本发明的具体实施方式中，第一透镜10与第二透镜20曲面的厚度都是1-3mm，最佳是2.5mm。
请继续参照图1(b)，为本发明的近眼可透视头显光学系统1，透镜组合与微型图像显示器组合后的侧视图。在形成透镜组合1a后，将微型图像显示器30覆盖至第一透镜10的第一开口端13与第二透镜20的第二开口端23，并且将微型图像显示器30的两端分别与第一开口端13与第二开口端23以工业胶粘合后，就可以形成近眼可透视头显光学系统1。从第一平面上来看，微型图像显示器30是跨接在第一开口端13与第二开口端23之间，类似一个经由第一开口端13与第二开口端23支撑的桥。微型图像显示器30是用来提供本身所产生的影像(图未示)，并通过第一透镜10与第二透镜20反射到用户眼球的视网膜中成像，以使用户的眼睛可以看到此影像，特别是让用户会看到此影像出现在眼前(即具有虚拟实境的效果)。另外，通过本发明的近眼可透视头显光学系统1还能看到影像与外界影像的叠加成像，特别是使用两片均厚的自由曲面透镜的构造，使得外界图像不会倾斜或变形，换句话说，当本系统使用在扩增实境(AR)的领域时，可以让影像与外界真实场景达到融合。
微型图像显示器30可以是由液晶类屏幕(例如LCD,OLED,AMOLED或是LED)、LCOS类屏幕或是CMOS类屏幕等形成。微型图像显示器30萤幕的面积可以是5吋到7吋的范围，最佳的是1.5吋到3吋的范围，但本发明并不加以限制，只要微型图像显示器30在第一平面上看起来能覆盖第一透镜与第二透镜所构成的开口部即可。微型图像显示器30还具有预处理的功能，例如:通过微型图像显示器30的软件，用以控制影像产生的数量，与控制影像中不同像素的放大倍率，以使影像在用户眼睛中的视网膜看到的桶形畸变与梯形畸变被消除，对于这些功能，本发明并不加以限制。
要特别说明的是，本发明是使用的透镜组合1a的结构来实现虚拟现实成像功能，而背景技术中则是使用稜镜结构来实现虚拟现实成像的功能，两者间的差异在于，背景技术中的稜镜结构在第一平面上的投影半反半透是一个梯形，但是本发明透镜组合1a在第一平面上的投影半反半透是一个V字形，除了能够节省材料的使用量外，并且也能够有效的降低近眼可透视头显光学系统1的整体重量(例如:减少50-80％的重量)，进而降低整体系统的制造成本。另外，由于两者在结构上不相同，所以造成两者在光路上也不相同，例如:背景技术的微型图像显示器30所发射出的图像光线，需要经过一次折射才能进入稜镜结构中，但在本发明的透镜组合1a结构中，微型图像显示器30所发出的图像光线，不需要经过折射就可以接进入到透镜组合1a中，减少了一次折射，因此，可以减少像变的机会。此外，透镜组合1a中的第一透镜10与第二透镜20为均厚的自由曲面构造，可以缩小第一透镜10与第二透镜20之间的距离，以及第一透镜10与第二透镜20的厚度，可以有效的缩短光程，进而达到降低畸变及色散的问题。另外，由于第一透镜10与第二透镜20为均厚的自由曲面构造，使得外界图像不会倾斜或变形，而这些都是稜镜结构所做不到的。
接着，本发明的近眼可透视头显光学系统1在卡式坐标系中的第一透镜10与第二透镜20的曲面条件。如图1(b)的近眼可透视头显光学系统1所示，其在第一表面11至第四表面22的曲面条件应该满足式(1)的描述：
其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，Zi(ρ，φ)为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，φ为归一化的角度坐标。
在本发明中，利用泽尼克多项式(Zernike Polynomials)所形成的两个反射曲面来控制z方向的光焦度，利用两个离轴的第二表面12与第三表面21相互补偿来消除影像的畸变和场曲。
上述的各个参数受到各种不同光路条件下，用以决定每个参数的实际值。实际运作上，是透过光学模拟软体决定式(1)中在各种条件下的实际数值，以形成确切的第一至第四表面的形状，进而完成第一透镜10与第二透镜20的铸造。
接着，请参考图2，为本发明的近眼可透视头显光学系统附上半反半透膜的另一具体实施方式的架构图。其中，第二表面12与第三表面21皆可以选择涂布上一层半反半透膜51/52。在第二表面12上的膜称为半反半透膜51，在第三表面21上的膜称为半反半透膜52。半反半透膜51与半反半透膜52可增加第一透镜10与第二透镜20反射光线的功能，即半反半透膜51/52让第一透镜10与第二透镜20增加面镜(mirror)的功能，以使用户眼睛能透过本发明的近眼可透视头显光学系统1看到由环境光线构成的外界影像出现在眼前。
在本实施例中，半反半透膜51/52可以采用包括如下的方式实施：1、半反半透化的介质膜层，可根据用户需要设计反射率，藉由半反半透实现反射成像和透光的目的；2、半反半透化的金属及氧化金属或合成膜层；3、对于光有反射及穿透效果的非介质膜层，如镀两种不同折射率的膜在第二表面12或是第三表面21上，例如高折射率的二氧化钛(TiO2)和低折射率的二氧化硅(SiO2)，两种膜在第二表面12上交替着镀，二氧化钛与二氧化硅的膜层数不限制，一般是分别镀两层，膜层的总厚度达137.5纳米可产生反射效果；膜层数增加，反射效果增加；4、有光反射及透射效果的金属及氧化金属或合成膜层，如30～100纳米的铝(Al)膜；以及5、有反射及透明效果的金属合金膜层，如30～100奈米的铝钕合金(AlNd)膜等等。
在本发明的另一具体实施方式中，可将半反半透膜51/52的光透过率(光透过率是材料的光通量的透过比例，即透过材料后的光强度与原始的光强度的比值)控制在10％～70％范围内，反射率(反射率为材料的光通量的反射比例，即经过材料反射后的光强度与原始的光强度的比例)控制在10％～70％范围内，可以达到较好的半反半透效果。当然，将半反半透膜51/52的透过率、反射率控制在上述范围之外，亦能够实现本发明目的，例如:透过率为29％、反射率为71％，同样能够实现本发明目的。另外，经过本发明的两层半反半透膜51/52的处理，可以将微型图像显示器30发射出来的图像光线反射超过20％的光线亮度至用户眼睛E中，而同时外环境光线也有超过20％的光线亮度至用户眼睛E中，可以使实现虚拟场景和现实场景合理的清晰的叠加到用户眼睛E。
再接着，请参考图3，图3为本发明的近眼可透视头带显示器实体架构图。从图3中可以看出，近眼可透视头带显示器9实体包括两个镜片组，即第一镜片组1A与第二镜片组1B，并且一个微型图像显示器30覆盖并贴合在第一镜片组1A与第二镜片组1B的上端，其中，第一镜片组1A与第二镜片组1B为相同结构，每一个镜片组都是由第一透镜10与第二透镜20所组合而成。设计成两个镜片组的原因，是因为人的两眼视觉而设计成的。在本发明的具体实施方式中，第一镜片组1A与第二镜片组1B亦是使用一体成型的形成，例如:使用一个铸模来将第一镜片组1A与第二镜片组1B一体成型，而第一镜片组1A与第二镜片组1B的制造过程与图1a图说所述的方法相同，故不在此重复叙述。近眼可透视头显光学系统1还包括左绑带1C与右绑带1D，以供用户佩戴用。佩戴时，第一镜片组1A与第二镜片组1B的位置是在相对于用户眼睛E的-Z方向，类似于配戴镜式眼镜一样，使用户眼睛E看到的影像在眼前。在本发明的具体实施方式中，近眼可透视头带显示器9的X方向侧视图就是如图1(b)所示的近眼可透视头显光学系统1，仅是多增加左绑带1C与右绑带1D，方便用户佩戴。
在本发明的具体实施方式中，可透视头带显示器9的实际长度为130-150mm，高度为32-38mm，重量为80-170g，不仅轻且小巧。而本发明使用一体成型制造第一镜片组1A与第二镜片组1B，而不使用拼接方式形成的主要原因是，除了可以让第一透镜10与第二透镜20的重量较轻，且能减少黏接点，以光学系统强化机械强度外，且更进一步的使影像不会被黏接点遮挡，以增大可视角。另外，微型图像显示器30可以集成电路芯片方式，分别跨接在第一透镜10与第二透镜20的开口部40；也可以是一大片的芯片同时跨接在第一透镜10与第二透镜20的开口部40。再者，微型图像显示器更具有一软件，可调整其对于第一透镜10与第二透镜20所发射出的影像内容，例如:放大率以及亮度，以使用户眼睛看到的影像更具有立体感。
先前技术中虚拟现实和增强现实头戴显示器所提供的超大可视角，一般都是在40-60度左右，但本发明通过薄而大的自由曲面和特殊的面型，以及半反半透膜51反射角的控制，即能合理解决离轴光学(光路、球差、彗差、场曲、畸变)补偿，也巧妙的配合横向大视角时的面型和脸型配合，可视角可以达到90-110度，可视面积多出以往一半以上甚至一倍，但重量依然轻(因为中空)。相较于先前技术实心全玻璃所构成的稜镜，重量就会比本发明重4-5倍以上(超过一磅，加上其它原件眼镜会接近1公斤)。
接着，请参考图4，为本发明的近眼可透视头显光学系统1的VR(虚拟实境)具体实施方式的光路图。为了表示方便，本光路图仅采用近眼可透视光学系统中的第一透镜10的侧视图来解说；而且，我们将第二表面12与第三表面21上的半反半透膜51/52不标示在此图中，这是因为半反半透膜的厚度(um)相较于第一表面上与第二表面的厚度(cm)等级差异高达四个级数(约104)，故可忽略半反半透膜51/52厚度对于光路的影响，且为了简化图形标示的复杂度，所以不将半反半透膜标示于图4中。实际上，如从+X轴往坐标原点观察第一透镜10与第二透镜20，因为两者对称性设置的关系，第一透镜10与第二透镜20是呈现重合的影像，如图4所示。又图4中所代表是第一光线L1与第二光线L2的光路线图，其为简化图中的光线，我们将微型图像显示器30的面光源，以最大视场边缘光线(第一光线)与最小视场边缘光线(第二光线)代表此面光源对于第一透镜10与第二透镜20的在第一平面上的光学行为。且微型图像显示器30发出的图像中的所有光线，在第一平面上的路径必定在第一光线L1与第二光线L2之间。在本具体实施方式中，近眼可透视头显光学系统1的实际光路是由微型图像显示器30发出第一光线L1与第二光线L2后，随即进入第一透镜10与第二透镜20的光学组合中，并在第三表面21上发生第一次反射，再经过第二表面12反射后，再次经过第二透镜20第三表面21并透射第四表面22之后，最后，第一光线与第二光线可以进入至用户眼睛E。此时，第二表面12与第三表面21都是半反半透面。为了达成上面所述的光路径，在光学模拟时，除了需要先符合式(1)，第一光线L1、第二光线L2、第二表面12与第三表面21还应该满足式(2)至式(4)，以确认最后的第二表面12与第三表面21的形状：
其中，式(2)至式(4)中的代数Y、Z分别表示某个点在本发明之卡式坐标系下的坐标值，而各个下标表示的是各个不同的点，如图4所示，L1是第一光线，L2为第二光线。其中，b是微型图像显示器30发射出第一光线L1的发射点，b2为第一光线L1反射时与第三表面21的交点，b1为第一光线L1反射时与第二表面12反射时的交点；b3为第一光线L1折射时与第二表面12的交点，另外，a是微型图像显示器30发射出第二光线L2的发射点，a2为第二光线L2反射时与第三表面21的交点，a1为第二光线L2反射时与第二表面12反射时的交点；a3为第二光线L2折射时与第二表面12的交点。
要特别说明的是，本发明的近眼可透视头显光学系统1起始点的边界条件a与b是直接从光源(微型图像显示器30)计算，而背景技术起始点的边界条件是由光学系统(稜镜)计算。当起始点的边界条件由光学系统(稜镜)计算时，其计算出的光路与实际光路会有位移现象。而当起始点的边界条件由光源计算时，会使计算出的光路与实际光路较为贴近，因此可以让成像降低色散与畸变的机会。此外，本发明的近眼可透视头显光学系统1的第一透镜10及第二透镜20是透明的，故使用者的眼睛可以直接透视外界，但透过稜镜则无法直接透视外界，这是因为稜镜会使光线弯折、畸变、色散、场曲等现象。很明显的，本发明使用第一透镜10及第二透镜20在结构上、在光路上以及在成像效果上，都是与稜镜结构完全不相同的。
此外，也要特别说明的是，在本发明的另一特色是第一透镜10的第二表面12及第二透镜20的第三表面21分别镀上半反半透膜51/52成为半透射半反射面后，当半反半透膜51/52反射微型图像显示器30所产生的影像光线时，影像在第二透镜20的X轴横向缩小来预修正像差，再通过第一透镜10可以产生图像在X轴横向放大到超大可视角90-110度，通过此设计，当第一透镜10在X轴的横向放大到超大可视角90-110度时，就不会在X轴向上产生严重的的像差和场曲。同时，Y轴上通过第二透镜20的Y轴纵向实现一次部分的离轴放大，再通过第一透镜10在Y轴纵向离轴放大，通过此设计，也就不会产生严重的离轴像差。此外，在本发明的近眼可透视头显光学系统1中，并没有使用中间像，而是使用一次大焦距成像，同时，镜片使用的放大率都不大(例如:在7.5倍左右)。再者，在本发明的近眼可透视头显光学系统1的另一较佳实施例中，可以选择使用较大显示像源，例如，微型图像显示器30可以选择使用高亮度2～3寸的显示器，其发光亮度可以选择800-2000nit或是更高，如此，可以有更好的散热，显示器面积更大视角可以更大，使得本发明的近眼可透视头显光学系统1可以达到超大可视角的效果。
最后，请参考图5，为本发明的VR(虚拟实境)另一具体实施方式的光路图。其中为了清晰表示角度的位置，图5是将图4的光路简化后并标上角度所形成的。
微型图像显示器30的所有发射出的光线，对于第二表面12的入射角，例如图5中的θmi1与θmi2要大于临界角(即式(5)所述)，才会在第二表面12上发生全反射。
其中n’代表第一透镜10与第二透镜20的折射率。
本发明的第一透镜10与第二透镜20是采用折射率大于1的透明光学材料，一方面可以通过注塑方式进行批量化加工，另一方面可以有效减轻头盔显示器的重量。在本发明的一个具体实施方式中，如果所用材料折射率n＝1.492，则所有微型图像显示器30发出的图像光线在第二表面12第一次反射时的入射角必须是42.2°，否则光线会有部份穿透过第二表面12，造成用户看到的影像馍糊。此第一光线L1与第二光线L2透过第二表面12的光线是用户眼睛不想要看到的光线，因为其可在第一表面11产生部份反射光并能再结合其他的环境光线后，进入用户眼睛E而造成杂散光，干扰第一光线L1与第二光线L2，造成用户眼睛E看到的影像亮度降低及影像模糊。在本发明的一具体实施方式，为了控制所有图像光线都能在第二表面12上发生全反射，必须控制第一光线L1在第二表面12上的入射角大于42.2°，这样就能控制微型图像显示器30发出的所有图像光线在第二表面12上能发生全反射。
另外，为了实现在第二表面12让微型图像显示器30产生的图像光线全反射，除了上述采取控制临界角的手段外，在本发明的另一具体实施方式中，也可以选用适当的半反半透膜51/52材料形成在第二表面12上以达成全反射的条件。且因本具体实施方式中，第二表面12是要让微型图像显示器30产生的图像光线全反射，但第三表面21是要让微型图像显示器30产生的图像光线半反半透，此时第二表面12与第三表面21所采用的半反半透膜51/52的材料是不同的。在本具体实施方式中，第一透镜10与第二透镜20的第一光线L1与第二光线L2的走向都是相同的。同时，用户也可经微型图像显示器所附的软件调整微型图像显示器的出光强度。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明之权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种近眼可透视头显光学系统，包括第一透镜、第二透镜和一个微型图像显示器，所述第一透镜与所述第二透镜皆与所述微型图像显示器贴合，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜皆为均厚的自由曲面透镜，用以使所述微型图像显示器产生的影像在所述第一透镜与所述第二透镜中反射成像。
2.一种近眼可透视头显光学系统，包括第一透镜、第二透镜和一个微型图像显示器，所述第一透镜具有第一表面与第二表面，所述第二透镜具有第三表面与第四表面，所述第一透镜与所述第二透镜皆与所述微型图像显示器贴合，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜皆为均厚的自由曲面透镜，且所述第二表面与所述第三表面皆涂布一层半反半透膜，用以使所述微型图像显示器产生的影像在所述第一透镜与所述第二透镜中反射成像。
3.一种近眼可透视头带显示器，包括第一镜片组、第二镜片组以及一个微型图像显示器，所述第一镜片组与所述第二镜片组一体成形后，并与所述微型图像显示器贴合成一体，其特征在于，所述第一镜片组与所述第二镜片组为相同结构，其中，所述第一镜片组与所述第二镜片组均由第一透镜及第二透镜所组成，所述第一透镜与所述第二透镜皆为均厚的自由曲面透镜，所述第一透镜具有第一表面与第二表面，所述第二透镜具有第三表面与第四表面，且所述第二表面与所述第三表面皆涂布一层半反半透膜，用以使所述微型图像显示器产生的影像在所述第一镜片组与所述第二镜片组中反射成像。
4.如权利要求1或2或3所述的近眼可透视头显光学系统，其特征在于，所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面以及所述第四表面满足下术面形方程(1)：
其中，c＝1/r0，r0为自由曲面基准面的曲率半径，k为二次曲面系数，r为入射光线的径向坐标，ai为高阶系数，Zi(ρ，φ)为泽尼克多项式，N为泽尼克多项式的总数，Ai为第i项泽尼克多项式的系数，ρ为归一化的半径坐标，φ为归一化的角度坐标。
5.如权利要求1或2或3所述的近眼可透视头显光学系统，其特征在于，所述第二表面、所述第三表面以及所述第四表面应满足条件方程(2)至(4)：
其中，b是所述微型图像显示器发射出所述第一光线的发射点，b2为所述第一光线反射时与所述第三表面的交点，b1为所述第一光线反射时与所述第二表面反射时的交点；b3为所述第一光线折射时与所述第二表面的交点；a是所述微型图像显示器发射出所述第二光线的发射点，a2为所述第二光线反射时与所述第三表面的交点，a1为所述第二光线反射时与所述第二表面反射时的交点；a3为所述第二光线折射时与所述第二表面的交点。
6.如权利要求1或2或3所述的近眼可透视头显光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜的材料是光学玻璃,甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚碳酸酯(PC),聚丙烯(PP),聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或耐纶(Nylon)。
7.如权利要求1或2所述的近眼可透视头显光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜是一体成型的。
8.如权利要求1或2或3所述的近眼可透视头显光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜是厚度均为1-3mm。
9.如权利要求2或3所述的近眼可透视头显光学系统，其特征在于，当所述微型图像显示器产生的所述影像通过所述第一透镜及所述第二透镜反射后，其在所述第一透镜的反射面将所述图像的Y轴放大和X轴放大、及在其所述第二透镜的反射面将所述图像的Y轴放大和X轴缩小。
10.如权利要求2或3所述的近眼可透视头显光学系统，其特征在于，所述第二表面的所述半反半透膜的反射率为20-70％，或是所述第三表面的所述半反半透膜的反射率为20-70％。
CN201810050821.4A 2017-11-14 2018-01-18 一种近眼可透视头显光学系统 Pending CN109782441A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/760,387 US11360307B2 (en) 2017-11-14 2018-11-07 Optical system of near-eye see-through head-mounted display
PCT/CN2018/114301 WO2019096038A1 (zh) 2017-11-14 2018-11-07 一种近眼可透视头显光学系统

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711124547 2017-11-14
CN2017111245472 2017-11-14
CN201721519012 2017-11-14
CN2017215190120 2017-11-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109782441A true CN109782441A (zh) 2019-05-21

Family

ID=63733792

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201820087744.5U Active CN207965356U (zh) 2017-11-14 2018-01-18 一种近眼可透视头显光学系统
CN201810050821.4A Pending CN109782441A (zh) 2017-11-14 2018-01-18 一种近眼可透视头显光学系统

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201820087744.5U Active CN207965356U (zh) 2017-11-14 2018-01-18 一种近眼可透视头显光学系统

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11360307B2 (zh)
CN (2) CN207965356U (zh)
WO (1) WO2019096038A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111290126A (zh) * 2020-03-31 2020-06-16 优奈柯恩(北京)科技有限公司 光学成像装置
CN112649958A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 三星电子株式会社 透视型显示设备和包括其的眼镜型增强现实设备
CN113219662A (zh) * 2021-04-27 2021-08-06 上海趣立信息科技有限公司 Ar眼镜光学系统及其使用方法
CN115826251A (zh) * 2023-02-23 2023-03-21 沂普光电(天津)有限公司 一种vr透镜结构和vr显示系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN207965356U (zh) * 2017-11-14 2018-10-12 塔普翊海（上海）智能科技有限公司 一种近眼可透视头显光学系统
CN110824710B (zh) * 2019-11-12 2022-04-19 塔普翊海（上海）智能科技有限公司 一种近眼可透视头显光学系统
WO2020113244A1 (en) * 2020-01-22 2020-06-04 Futurewei Technologies, Inc. Virtual image display optical architectures

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001013446A (ja) * 1999-07-02 2001-01-19 Olympus Optical Co Ltd 観察光学系
CN101359089A (zh) * 2008-10-08 2009-02-04 北京理工大学 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统
CN101900872A (zh) * 2010-07-27 2010-12-01 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 双片式自由曲面头戴显示器光学系统
CN102012563A (zh) * 2010-09-28 2011-04-13 中航华东光电有限公司 基于自由曲面棱镜的头盔显示器的光学系统
US20120081800A1 (en) * 2009-04-20 2012-04-05 Dewen Cheng Optical see-through free-form head-mounted display
CN103984098A (zh) * 2013-02-13 2014-08-13 精工爱普生株式会社 虚像显示装置
CN107065189A (zh) * 2017-04-28 2017-08-18 歌尔科技有限公司 一种光学模组及增强现实眼镜
CN107300777A (zh) * 2017-08-18 2017-10-27 深圳惠牛科技有限公司 一种基于双自由曲面反射的成像系统
CN207965356U (zh) * 2017-11-14 2018-10-12 塔普翊海（上海）智能科技有限公司 一种近眼可透视头显光学系统

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011134169A1 (en) * 2010-04-30 2011-11-03 Beijing Institute Of Technology Wide angle and high resolution tiled head-mounted display device
CN102566044A (zh) 2010-12-22 2012-07-11 黄志奇 一种采用自由曲面棱镜的光学成像系统
NZ627582A (en) * 2012-01-24 2016-11-25 Univ Arizona State Compact eye-tracked head-mounted display
EP2895910A4 (en) * 2012-09-11 2016-04-20 Magic Leap Inc ERGONOMIC HEAD-MOUNTED DISPLAY DEVICE AND OPTICAL SYSTEM
US9625723B2 (en) * 2013-06-25 2017-04-18 Microsoft Technology Licensing, Llc Eye-tracking system using a freeform prism
DE102013223964B3 (de) * 2013-11-22 2015-05-13 Carl Zeiss Ag Abbildungsoptik sowie Anzeigevorrichtung mit einer solchen Abbildungsoptik
CN109445095B (zh) * 2013-11-27 2021-11-23 奇跃公司 虚拟和增强现实系统与方法
CA2941655C (en) * 2014-03-05 2021-03-09 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Wearable 3d augmented reality display with variable focus and/or object recognition
US9529196B1 (en) * 2014-06-05 2016-12-27 Iphysicist Ltd. Image guide optics for near eye displays
WO2016033317A1 (en) * 2014-08-29 2016-03-03 Arizona Board Of Regent On Behalf Of The University Of Arizona Ultra-compact head-up displays based on freeform waveguide
WO2017223167A1 (en) * 2016-06-21 2017-12-28 Ntt Docomo, Inc. Optics of wearable display devices
EP3497503A4 (en) * 2016-08-12 2020-04-01 Frank Jones CLOSE-TO-THE-BODY SIGHTING SYSTEMS WITH LARGE LEAKING PUPILS AND EXPLOITATION OF FREEFORM MOCULARS
CA3033651C (en) * 2016-08-12 2023-09-05 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona High-resolution freeform eyepiece design with a large exit pupil
JP6848310B2 (ja) * 2016-09-30 2021-03-24 セイコーエプソン株式会社 虚像表示装置
US10353213B2 (en) * 2016-12-08 2019-07-16 Darwin Hu See-through display glasses for viewing 3D multimedia
WO2018103551A1 (zh) * 2016-12-08 2018-06-14 北京耐德佳显示技术有限公司 一种自由曲面棱镜组及使用其的近眼显示装置
CN106997066A (zh) 2017-04-17 2017-08-01 深圳超多维科技有限公司 一种棱镜、虚拟现实以及增强现实光学显示装置
CN109477965B (zh) * 2017-07-04 2021-02-23 北京耐德佳显示技术有限公司 一种轻薄共光轴方向的自由曲面的光学成像系统

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001013446A (ja) * 1999-07-02 2001-01-19 Olympus Optical Co Ltd 観察光学系
CN101359089A (zh) * 2008-10-08 2009-02-04 北京理工大学 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统
US20120081800A1 (en) * 2009-04-20 2012-04-05 Dewen Cheng Optical see-through free-form head-mounted display
CN101900872A (zh) * 2010-07-27 2010-12-01 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 双片式自由曲面头戴显示器光学系统
CN102012563A (zh) * 2010-09-28 2011-04-13 中航华东光电有限公司 基于自由曲面棱镜的头盔显示器的光学系统
CN103984098A (zh) * 2013-02-13 2014-08-13 精工爱普生株式会社 虚像显示装置
CN107065189A (zh) * 2017-04-28 2017-08-18 歌尔科技有限公司 一种光学模组及增强现实眼镜
CN107300777A (zh) * 2017-08-18 2017-10-27 深圳惠牛科技有限公司 一种基于双自由曲面反射的成像系统
CN207965356U (zh) * 2017-11-14 2018-10-12 塔普翊海（上海）智能科技有限公司 一种近眼可透视头显光学系统

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112649958A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 三星电子株式会社 透视型显示设备和包括其的眼镜型增强现实设备
CN111290126A (zh) * 2020-03-31 2020-06-16 优奈柯恩(北京)科技有限公司 光学成像装置
CN113219662A (zh) * 2021-04-27 2021-08-06 上海趣立信息科技有限公司 Ar眼镜光学系统及其使用方法
CN115826251A (zh) * 2023-02-23 2023-03-21 沂普光电(天津)有限公司 一种vr透镜结构和vr显示系统

Also Published As

Publication number Publication date
US11360307B2 (en) 2022-06-14
US20210208399A1 (en) 2021-07-08
WO2019096038A1 (zh) 2019-05-23
CN207965356U (zh) 2018-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN207965356U (zh) 一种近眼可透视头显光学系统
JP7304874B2 (ja) 超高屈折率接眼レンズ基板ベースの視認光学系アセンブリアーキテクチャ
US10809533B2 (en) Wide angle and high resolution tiled head-mounted display device
TWI802601B (zh) 用於擴增實境系統的波導式光學系統與方法
JP6595619B2 (ja) シースルーヘッドウェアラブルディスプレイのための効率的な薄い湾曲したアイピース
JP2021060625A (ja) ユーザの頭部上にフィット可能であると共に画像を生成するディスプレイ装置用の眼鏡レンズ
CN107771297A (zh) 用于虚拟和增强现实近眼显示器的自由曲面型纳米结构表面
CN208367337U (zh) 一种ar显示设备
CN104536138B (zh) 带有锯齿夹层结构的平面波导双目光学显示器件
US20200386995A1 (en) Method of manufacturing optical device
JP6295640B2 (ja) 虚像表示装置
JP6221732B2 (ja) 虚像表示装置
JP2018528446A (ja) シースルーヘッドウェアラブルディスプレイのためのアイピースに対する処方修正の追加
JP6221731B2 (ja) 虚像表示装置
CN106489094A (zh) 用于透明的头部可戴显示器的薄型弯曲目镜
CN103688208A (zh) 人体工程学头戴式显示设备和光学系统
JP2015534108A (ja) 人間工学的な頭部搭載型ディスプレイデバイスおよび光学システム
CN106646885A (zh) 一种投影物镜及三维显示装置
CN106646884A (zh) 一种投影物镜及三维显示装置
US20200166753A1 (en) Exit pupil expansion via curved waveguide
EP3757658B1 (en) Optical lens and head-mounted display device
KR20210046611A (ko) 광학 장치의 제조 방법
KR101362873B1 (ko) 헤드 마운티드 디스플레이 광학계
McGuire Jr Next-generation head-mounted display
CN210348063U (zh) 一种纳米波导镜片及ar显示装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination