CN110376738A - 一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置及其近眼显示系统 - Google Patents

一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置及其近眼显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置及其近眼显示系统，近眼显示系统由左右两个相同的目视光学成像装置左右对称放置组合而成，每个目视光学成像装置包括自由曲面波导元件和投影光学组件，投影光学组件用于将像源元件发出的图像光信号投射入自由曲面波导元件，自由曲面波导元件中间部分是一个空腔，大大减轻了波导元件的重量，光线在自由曲面波导元件中借由全反射条件向出瞳方向传播，达到不满足全内反射条件后经由出射面出射后进入使用者的眼睛，同时透射方向的光线还能正常透射直接进入人眼，从而实现超薄轻型近眼显示。

Description

一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置及其近眼 显示系统
技术领域
本发明涉及目视显示技术领域，尤其涉及一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置及其近眼显示系统。
背景技术
显示技术作为人们生活中必不可少的部分，一直在各个领域中都发挥着重要的作用。近年来，随着各种平板显示技术的发展成熟和普及，单纯的现实世界信息或虚拟图像信息显示已经无法满足人们对显示的需要。为了更加丰富的视觉感知效果，增强现实(Augmented Reality,AR)技术应运而生。
增强现实技术与完全取代了用户现实世界环境的虚拟现实技术不同，它是现实世界环境的交互式体验，其中驻留在现实世界中的对象没有被取代而是被计算机所生成的感知信息“增强”。这种“增强”能跨越多种感知形式，包括视觉、听觉、触觉、体感和嗅觉。这些叠加的感官信息与物理世界无缝地交织，使用户将它看作是沉浸于真实环境的一部分。
沉浸式体验是AR设备的灵魂，而提升这一体验的关键就是如何减少显示设备的体积和重量，并提供足够的信息量、视场角，以求同时实现设备轻便化和高空间分辨率、高角分辨率的近眼三维呈现效果。为了解决这个问题，现有的近眼显示设备采用了多种光学显示方案，如：Google glass的共轴侧视棱镜方案， Lumus的阵列平板波导方案，HoloLens的全息光栅方案等等。其中，自由曲面方案以其较强的光束调控能力和较高的成像性能，成为AR显示光学系统较为理想的方案。小型化、轻型化、大视场以及高性能的AR显示光学系统是当前AR 设备的发展趋势，因此设计一种大视场轻型自由曲面波导型近眼显示系统十分有意义。
发明内容
本发明旨在提供一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置及其近眼显示系统，近眼显示系统由左右两个相同的目视光学成像装置左右对称放置组合而成，通过将自由曲面波导元件中间部分设计为空腔，实现超薄的轻型光学透射式双目近眼显示，可适用于VR和AR的各种应用场景。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置，包括自由曲面波导元件、投影光学组件和微型显示元件，投影光学组件用于将微型显示元件发出的图像光信号射入自由曲面波导元件；投影光学组件包括在图像光信号行进的光轴方向上依次排列的偏振分光棱镜、第一光学透镜和第二光学透镜；自由曲面波导元件包括第一组件、第二组件、第三组件和第四组件，其中第四组件的第八光学面和第三组件的第六光学面胶合连接，且两个面完全贴合；第一组件用于将第二光学透镜射出的图像光信号反射入第二组件，第二组件用于将第一组件射出的图像光信号反射入第三组件；第四组件用于透射环境光信号，环境光信号经第四组件透射后进入第三组件，环境光信号和图像光信号在第三组件内进行叠加，然后从第三组件射出。
优选的，第一组件包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，三个光学面均为自由曲面，第二光学透镜射出的图像光信号经第一光学面进入第一组件，经第一光学面和/或第二光学面反射后，从第三光学面射出；
优选的，第二组件为平面反射镜；
优选的，第三组件包括第五光学面、第六光学面和第七光学面，三个光学面均为自由曲面，第四组件射出的环境光信号经第六光学面进入第三组件，第二组件射出的图像光信号经第五光学面进入第三组件；图像光信号和环境光信号在第六光学面上进行叠加，叠加后的光信号从第七光学面射出。
优选的，第四组件包括第九光学面和第八光学面，两个光学面均为自由曲面；环境光信号经第九光学面进入第四组件，从第八光学面射出。
优选的，第一组件和第三组件之间为空腔，其介质为空气。
优选的，第一光学透镜和第二光学透镜都为非球面透镜。
优选的，为了提高光能利用率，所述第二光学面的内表面镀有反射膜层优选的，所述第六光学面的内表面镀有半透半反膜层。
优选的，所述第六光学面镀有半透半反膜层，将影像光提示给观察者，并且在通过所述第六、七、八和第九面视认外界时，屈光度大致为0，并使外界光与影像光重叠来提示给观察者。
优选的，所述目视光学成像装置的出瞳距离为20mm。
优选的，所述偏振分光棱镜材料为SF57_SCHOTT，第一光学透镜材料为 Z-E48R，第二光学透镜材料为PCARB_SPECIAL。
优选的，微型显示元件为LCD、OLED、LCOS型微型显示元件中的任意一种。
优选的，本发明还公开了一种近眼显示系统，其包括两个左右对称设置的所述目视光学成像装置。
本发明的有益效果：根据本发明的目视光学成像装置，具有轻薄的结构，可视角度大，可以实现双目立体的近眼显示；系统可视角度大，使佩戴者拥有宽广的观察视野，大大提升了沉浸感；作为光学透射式的显示装置，观察虚拟场景的同时不影响其对外界真实场景的观测；系统出瞳距离大，可以在自由曲面波导元件与用户之间安置视力矫正镜片以满足需要佩戴矫正镜片的用户的需求；投影光学组件和微型显示元件安置于人体的头部，系统出瞳位置在人眼附近。
附图说明
图1为根据本发明实施例的左侧目视光学成像装置光路图；
图2为根据本发明实施例的成像系统MTF曲线图；
图3为根据本发明实施例的成像系统畸变曲线图；
图中，11自由曲面波导元件，111第一组件，1111第一光学面，1112第二光学面，1113第三光学面，112第二组件，1121第四光学面，113第三组件，1131 第五光学面，1132第六光学面，1133第七光学面，114第四组件，1141第八光学面，1142第九光学面，12投影光学组件，121偏振分光棱镜，1211第一前表面，1212第一后表面，122第一光学透镜，1221第二前表面，1222第二后表面， 123第二光学透镜，1231第三前表面，1232第三后表面，13微型显示元件。
具体实施方式
下面将根据附图来具体描述本发明的具体实施方式，本发明可以以多种不同的形式来实现且不应解释为限于下述的实施方式，而是，提供这个实施例使得本公开充分和完整，且向本领域技术人员全面的传达本发明的构思。
实施例
根据本发明的实施例的用于双目近眼显示系统的目视光学成像装置包括左右两套目视光学成像装置，在下文中，将以左侧的目视光学成像装置为具体描述对象说明本发明的具体实施方案，本领域技术人员可以理解，右侧的目视光学成像装置具有与左侧同样的构造，只是左右反转。
如图1所述，本发明的实施例的左侧目视光学成像装置包括自由曲面波导元件11和投影光学组件12，微型显示元件13置于投影光学组件12的物侧，由微型显示元件13发出的图像光依次经过投影光学组件12的偏振分光棱镜121和第一光学透镜122、第二光学透镜123后经自由曲面波导元件11的第一光学面1111 入射自由曲面波导元件11内部并在第二光学面1112上发生全反射，再在第一光学面1111上发生全反射然后经第三光学面1113折射后进入自由曲面波导元件的第二组件112，然后光线经第四光学面1121反射后经第五光学面1131进入自由曲面波导元件的第三组件113，光线先后在第七光学面1133和第六光学面1132 上发生全反射后从第七光学面1133出射进入使用者的人眼成像。同时从透射方向进入的环境光进入自由曲面波导元件的第四组件114，经过第九光学面1142、第八光学面1141和第七光学面1133透射之后可以无像差的直接进入人眼成像，实现光学透射式的近眼显示。
具体的，如图1所示，自由曲面波导元件11由第一组件111、第二组件112、第三组件113和第四组件114组成。第一组件111包括第一光学面1111、第二光学面1112和第三光学面1113，这三个光学面都是自由曲面，第二光学面1112 镀有反射膜层；第二组件112是空腔，其中第四光学面1121是平面；第三组件 113包括第五光学面1131、第六光学面1132和第七光学面1133，这三个光学面都是自由曲面，第六光学面镀有半透半反光学膜层；第四组件114包括第八光学面1141和第九光学面1142，这两个光学面都是自由曲面，此外第八光学面1141 为胶合面，与第三组件113的第六光学面1132胶合后使用。
投影光学组件12由一个偏振分光棱镜和两个光学透镜组成，其中偏振分光棱镜121的第一前表面1211和第一后表面1212都为平面；第一光学透镜122的第二前表面1221、第二后表面1222都为非球面；第二光学透镜123的第三前表面1231、第三后表面1232都为非球面。偏振分光棱镜的材料为SF57_SCHOTT，第一光学透镜122的材料为'Z-E48R'，第二光学透镜123的材料为 PCARB_SPECIAL，自由曲面波导元件的第一组件111、第三组件113和第四组件114的材料都是Z-E48R。
本发明中的作为像源元件的微型显示元件13可以适配LCD、OLED、LCOS 等高PPI微型显示元件，并且这样的显示元件可以作为模块化的安装存在，当显示元件的代次实现更迭时，可以通过拆卸作为模块化的显示元件来实现更换，从而使本发明的近眼显示器可以始终使用最先进的高PPI显示元件，实现最佳的视觉效果。微型显示元件13可以适配LCD、OLED、LCOS等，对于OLED类的微型显示元件，由于其属自主发光的微型显示元件，因此可以直接置于物面上，而LCOS微型显示元件属非自主发光的微型显示元件，需要借助PBS棱镜或PBS 分光膜。本实施例中适配LCOS微型显示元件，加入PBS棱镜后像面位置需要与LCOS微型显示元件的图像显示位置有所调整；本实施例也可以适配OLED 微型显示元件,像面位置与OLED微型显示元件的图像显示位置相匹配，可以直接适用。
自由曲面波导元件11正对人眼设置，其出瞳与人眼的入瞳相匹配。
为制造和安装的便利需要，本发明的各自由曲面波导元件还可能包括其他的表面，但鉴于这类表面通常不具备光学透射或者反射的作用而被进行诸如磨毛等处理，在此不作为本发明中的光学表面进行讨论。
本领域技术人员可以理解的，在面对用户眼睛的自由曲面波导元件11，可以镀有消除有害光线的防护膜，以避免对人眼视力的伤害。用作光学透射式近眼显示器时，光线透过反射比可通过调节第六光学面1132上所镀制膜系的反射率进行调节以适应不同场景下的使用需求。
根据本发明实施例的各光学表面参数可由下表1表示，这里，从眼睛的位置开始对相对于影像光的行进逆行的光线进行追踪，并进行测定。表2为波导元件第四组件中第八光学面1141和第九光学面1142的光学面参数。表3为两个XY 多项式自由曲面表面系数，表4为第一光学透镜中第二前表面1221，第二后表面1222，第二光学透镜中第三前表面1231，第三后表面1232四个非球面表面系数：
表1
表2
表3
描述自由曲面的XY多项式自由曲面方程为：
其中R为各个面的曲率半径，x、y、z为曲面上点的坐标，K为曲面的二次系数， C(m,n)为对应多项式项xmyn的系数。
表4
非球面曲面方程为：
其中R为各个面的曲率半径，h为曲面上的点离光轴的距离，K为曲面的二次系数，A、B、C…为曲面的高次非球面系数
本发明实施例的半视场角度、出瞳直径和出瞳距离可以由表5表示，
表5
由于本发明中的双目近眼显示系统有效出瞳距离可达到20mm，对于眼睛具有屈光度的使用者，可以在自由曲面波导元件与眼睛之间安置矫正镜片以满足使用要求。
本发明的成像系统MTF曲线图见附图2；在像面可以达到80线对10％以上，而且子午与弧矢分离小。
本发明的成像系统畸变图见附图3；直线构成的网格部分为像面上的理想位置，带星号的交叉点位置为模拟的实际系统的畸变图形示意；由于视场较大，存在一定桶形畸变，基本满足成像质量要求。
在本发明实施例中，投影光学组件包括一个偏振分光棱镜和两个光学透镜，在沿光行进的光轴方向上依次排列，作为本实施例的优选方案，偏振分光棱镜的前后表面都为平面，材料为SF57_SCHOTT；第一、二片透镜为非球面透镜，第一片透镜的材料为Z-E48R，第二片透镜的材料为PCARB_SPECIAL；并且进一步的，所述第一、二片透镜的前后两表面都为非球面。但本发明的投影光学组件不限于此，本领域技术人员可以理解的，使用不同于一个偏振分光棱镜和两个光学透镜的其它投影光学组件结构形式也可以满足本发明的需要，例如，以一等效的自由曲面棱镜作为投影光学组件，或者使用更多片光学透镜以实现更小的像差。
根据本发明的目视光学成像装置实现的近眼显示系统基于自由曲面波导元件，整体结构轻薄；本发明的近眼显示器具有头盔的外形，佩戴时，投影光学组件和微型显示元件安置于人体的头部，系统出瞳位置在人眼附近。
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种大视场轻型自由曲面波导型目视光学成像装置，其特征在于，包括自由曲面波导元件、投影光学组件和微型显示元件，投影光学组件用于将微型显示元件发出的图像光信号射入自由曲面波导元件；投影光学组件包括在图像光信号行进的光轴方向上依次排列的偏振分光棱镜(121)、第一光学透镜(122)和第二光学透镜(123)；自由曲面波导元件包括第一组件(111)、第二组件(112)、第三组件(113)和第四组件(114)，其中第四组件的第八光学面和第三组件的第六光学面胶合连接，且两个面完全贴合；第一组件用于将第二光学透镜射出的图像光信号反射入第二组件，第二组件用于将第一组件射出的图像光信号反射入第三组件；第四组件用于透射环境光信号，环境光信号经第四组件透射后进入第三组件，环境光信号和图像光信号在第三组件内进行叠加，然后从第三组件射出。
2.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，第一组件包括第一光学面(1111)、第二光学面(1112)和第三光学面(1113)，三个光学面均为自由曲面，第二光学透镜射出的图像光信号经第一光学面进入第一组件，经第一光学面和/或第二光学面反射后，从第三光学面射出；
第二组件为平面反射镜；
第三组件包括第五光学面(1131)、第六光学面(1132)和第七光学面(1133)，三个光学面均为自由曲面，第四组件射出的环境光信号经第六光学面进入第三组件，第二组件射出的图像光信号经第五光学面进入第三组件；图像光信号和环境光信号在第六光学面上进行叠加，叠加后的光信号从第七光学面射出。
3.如权利要求1或2所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，第四组件包括第九光学面(1142)和第八光学面(1141)，两个光学面均为自由曲面；环境光信号经第九光学面进入第四组件，从第八光学面射出。
4.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，第一组件和第三组件之间为空腔，其介质为空气。
5.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，第一光学透镜和第二光学透镜都为非球面透镜。
6.如权利要求2所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，所述第二光学面(1112)的内表面镀有反射膜层；所述第六光学面(1132)的内表面镀有半透半反膜层。
7.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，所述目视光学成像装置的出瞳距离为20mm。
8.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜材料为SF57_SCHOTT，第一光学透镜材料为Z-E48R，第二光学透镜材料为PCARB_SPECIAL。
9.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，微型显示元件为LCD、OLED、LCOS型微型显示元件中的任意一种。
10.一种近眼显示系统，其特征在于，包括两个权利要求1-9任一项所述的目视光学成像装置，且所述的两个目视光学成像装置左右对称设置。
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