CN110426854A - 一种光学系统和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学系统，包括第一透镜组、棱镜、第二透镜组、反射镜、平面镜和曲面镜，其中，第一透镜组共轴属于共用光路部分；第二透镜组光轴与第一透镜组光轴垂直，曲面镜焦距23mm～33mm，第一透镜组的焦距为30mm～50mm，第二透镜组焦距为10mm～17mm。本发明还提供了一种显示设备，采用本发明所述的光学系统和显示设备可以有效的减小体积和重量。

Description

一种光学系统和近眼显示设备

技术领域

本发明属于光学显示领域，特别是指一种光学系统和近眼显示设备。

背景技术

增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于AR模式的近眼显示装置取得了长足的发展。该技术可以在不遮挡人眼正常观察真实世界的同时，为使用者提供额外的叠加信息，有效拓宽了人眼可见的信息容量，在教育、医疗、娱乐等领域均具有广阔的应用前景。

由于头戴式显示设备安装在观察者的头部，为了降低观察者的负担，它需要具有结构紧凑、重量轻的特点。同时为了取得较好的视觉观察效果，该系统需要较多的光学元件以提高光学成像质量。这与减轻重量，提高紧凑度的目标要求存在一定的矛盾。因此，如何设计出重量小、像质高的光学系统成为亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双目成像的光学系统和显示设备，可以有效的减小重量和体积。

本发明提供了一种光学系统，包括第一透镜组、棱镜、第二透镜组、反射镜、平面镜和曲面镜；第一透镜组和棱镜属于共用光路；第二透镜组、反射镜、平面镜和曲面镜属于单独光路，由共用光路出射的光入射一侧或分布于共用光路两侧的单独光路；第二透镜组，其光轴与第一透镜组的光轴垂直，反射镜用以将通过第二透镜组的光反射以导向平面镜，所述平面镜和曲面镜相对的设置，且在相对的表面上镀有预定透反比的膜；

曲面镜焦距23mm～33mm，

第一透镜组的焦距为30mm～50mm，

第二透镜组焦距为10mm～17mm。

进一步的，所述棱镜为方形，在对角面上置有反射膜，所述反射膜的透反比根据需要设置，与第一透镜组光轴的夹角分别为45度和-45度。

进一步的，所述反射镜与第一透镜组光轴形成预定角度。

进一步的，所述第一透镜组包括至少1片透镜，所述第二透镜组包括至少1片透镜。

进一步的，所述第一透镜组与第二透镜组的透镜为球面、或非球面或自由曲面。

进一步的，所述曲面镜的透反比为半反半透，其光轴与系统光轴重合。

进一步的，在两侧第二透镜组的透镜之前，或者第二透镜组之后，置有光学快门。

进一步的，位于左右侧单独光路的光学快门不同时开启或关闭。

进一步的，该光学系统包括：图像源，与第一透镜组共轴，所述图像源为LCD、OLED或者LCOS。

进一步的，所述图像源为至少具有60Hz刷新频率的微显示器。

进一步的，在平面镜所在平面和图像源所在平面形成预设夹角。

本发明还提供了一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括：控制器、光学系统和设备外壳：控制器，通过有线或无线的方式连接至光学系统，控制近眼显示设备的显示；光学系统：将图像源的图像光传递到人眼，将环境光透射至人眼；设备外壳，内置部分或全部的光学系统。

采用本发明所述的光学系统和显示设备，部分光学元件共用光路，可以减小光学系统和设备的重量和体积，图像光传递过程中，两次形成中间像，有效减少物像共轭距离，降低透镜组的口径，进一步减小光学系统的体积与重量。在单独光路中设置光学快门，通过开启和关闭单侧光路，通过暂留效应达成双眼的立体显示。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述的光学系统光路结构示意图；

图2为本发明第一实施例所述的光学系统截面示意图；

图3为本发明第二实施例所述光学系统结构示意图；

图4为本发明近眼显示设备的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例与附图来对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种双目成像的光学系统，适用于头戴显示设备，对于佩戴包含该光学系统的头戴显示设备的观看者能够看到经过本发明所述的光学系统传递的图像光。如图1、图2所示的，光学系统包括：图像源1、第一透镜组2、棱镜3组成的共用光路，第二透镜组4、反射镜5、平面镜6以及曲面镜7组成的单独光路。所述单独光路分别对应于左右眼，且左右眼单独光路完全对称，为方便描述，本发明方案中，以一边的单独光路为例对光学系统进行说明。可以理解的，在只有共用光路部分和一边单独光路部分的场合，可以实现单眼成像，所述平面镜6和曲面镜7可以根据需要预设透反比，优选的，本发明中的实施例采用半反半透平面镜6和半反半透曲面镜7。图像源1用于提供图像光，第一透镜组2、棱镜3、第二透镜组4、反射镜5、半反半透平面镜6和半反半透曲面镜7在图像光的传递光路上。图像源发出的图像光经过第一透镜组2，形成第一中间像，然后进入棱镜3，经过棱镜3中的反射膜反射，进入单独光路中的第二透镜组4，所述棱镜3中反射膜的透反比可以根据需要设定，优选的，本发明中的实施例采用半反半透膜。经过第二透镜组4，再次形成第二中间像，并传递到反射镜5，经过反射镜5反射到达半反半透平面镜6，然后图像光被部分反射至半反半透曲面镜7，经由半反半透曲面镜7再次反射至半反半透平面镜6，经过半反半透平面镜6投射至人眼成像。外部的环境光经由半反半透曲面镜7、半反半透平面镜6直接投射至人眼。本发明中的光学系统，通过共用光路部分实现单个图像源的双目显示，减少光学系统的体积和重量。光路传递中，两次形成中间像，有效减少物像共轭距离，降低透镜组的口径，大幅减小光学系统的体积与重量。

下面通过附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

第一实施例

光学系统的结构如图1、图2所示，图像源1可以选择LCD、OLED或者LCOS微显示器，优选地，使用OLED等可自主发光的微显示器，其中图像源1作为可拆卸的模块，以便本发明方案的光学系统可以选用最合适的微显示器，实现最佳视觉。

第一透镜组2，与图像源1共轴，包括至少1片透镜，所述透镜可全部或部分采用球面、非球面或自由曲面的面型。第一透镜组2焦距为30mm～50mm。在本实施例中，第一透镜组2包含5片透镜，分别为2A、2B、2C、2D、2E。其中，2A、2B、2C、2E为球面透镜，2D为非球面透镜。

棱镜3，为方形，在对角线位置设置有一组半反半透膜，所述半反半透膜与第一透镜组2光轴的夹角分别为45°和-45°，其透反比可根据需要设置。从半反半透膜透射的图像光，经由棱镜3的底部平面透射而出。

第二透镜组4，位于单独光路部分，其光轴与第一透镜组2光轴垂直，包括至少1片透镜，所述透镜可全部或部分采用球面、非球面或自由曲面的面型，第二透镜组4焦距为10mm～17mm。在本实施例中，第二透镜组4包含4片透镜，分别为4A、4B、4C、4D。其中，4A、4D为球面透镜，4B、4C为非球面透镜。

反射镜5，其中心点位于光轴上，且所在平面与第一透镜组光轴的夹角为一预设角度，优选的，该预设角度为45°。

半反半透平面镜6，与反射镜5相对放置，朝上的一面具有反射膜。半反半透平面镜6所在平面与图像源1所在平面形成预设夹角，所述预设夹角在30～60度之间，优选的，预设夹角为45度。

半反半透曲面镜7，相对半反半透平面镜6放置，朝向半反半透平面镜6的一面镀有反射膜，可以采用球面、非球面或自由曲面的面型，在本实施例中，采用球面设计，焦距为23mm～33mm。

本实施例中各个光学表面设计数据如表1、表2所示，为逆光路方向所经过的光学系统元件的参数数据，实现这些参数，可以向用户提供高质量的显示效果，但这些参数数据并不用以限定本发明，本领域的技术人员在参照本发明之后，可以对数据进行适当修改，但仍属本发明的范畴之内。

其中，2A1为第一透镜组中的2A透镜靠近图像源1的一面，2A2为远离图像源1的一面，2B1、2C1为靠近图像源的一面，2B2、2C2为远离图像源的一面，2D1、2D2，2E1、2E2依次类推，3B为棱镜对角线上半反半透膜，3B1为靠近第一透镜组方向的棱镜面，3A1为靠近第二透镜组方向的棱镜面；4A1为第二透镜组中4A靠近棱镜的一面，4A2为远离棱镜的一面，4C1、4C2，4D1、4D2依次类推。厚度为光学系统各元件在沿着逆光路方向，相邻元件之间的距离，表中各数据单位为mm。

表1：

表2是六个非球面的表面系数。

表2：

参数	4C2	4C1	4B2	4B1	2D2	2D1
							r	-9.414	-7.807	-35.926	-14.217	-27.432	15.116
r<sub>n</sub>	8.627	7.063	7.213	7.712	9.662	9.263
							k		0	0	0	0	0
a<sub>4</sub>	-0.145	-0.101	0.066	-0.192	-0.208	0.430
							a<sub>6</sub>	-0.141	-0.377	0.0228	0.275	-0.375	-0.0435
a<sub>8</sub>	-0.215	-0.172	-0.0874	-0.062	0.00716	-0.0426
							a<sub>10</sub>	0.0264	0.0877	0.198	0.113	0.0782	0.0416
a<sub>12</sub>	0	-0.0183	0	0.0559	-0.014	0
							a<sub>14</sub>	0	0.00651	0	0	-0.0034	0

采用非球面的面型，需要符合非球面公式，本发明实施例中，采用非球面方程如下：

其中R为各个面的曲率半径，cbfs为最佳拟合二次曲面的曲率半径，r为曲面上的点离光轴的距离，rn是归一化半径，k为曲面的二次系数，u为r/rn，am为曲面第m阶的非球面系数，Qmbfs为第m阶Qbfs多项式。本领域技术人员可以理解的，在使用非球面的面型时，采用其他的非球面方程仍在本发明的保护范围之内。

第二实施例：

不同于第一实施例的，本发明所述的光学系统还可进一步包括光学快门8，位于单独光路中第二透镜组的透镜之后或之前，其结构如图3所示，为本发明的第二实施例，光学系统包括：图像源1发出图像光、依次经过第一透镜组2、棱镜3、第二透镜组4、光学快门8、反射镜5、半反半透平面镜6、半反半透曲面镜7，并再次经过半反半透平面镜6透射进入人眼，其中，图像源1为至少具有60Hz刷新频率的微显示器。光学快门8的开启和关闭通过外部电信号控制，且开启关闭的频率与图像源1的刷新频率相同。左右单独光路中的光学快门不同时开启或关闭。具体的，图像源1发出图像光，外部电信号控制一边单独光路中的光学快门8开启，图像光依次通过第一透镜组2、棱镜3、第二透镜组4以及光学快门8，然后经过反射镜5、半反半透平面镜6、半反半透曲面镜7，再经由半反半透平面镜6，透射到一侧的人眼。同时，另一边单独光路中的光学快门8关闭，图像光经过第一透镜组2、棱镜3，到达第二透镜组4和光学快门8时截止。图像光经过传递后，在同一时刻只有一侧的眼睛接受图像光，导致左右眼接收的图像光不同，利用人眼的视觉暂留效应，从而实现立体显示。

本实施例中各个光学表面参数数据如表3、表4所示，根据这些数据，可以向用户提供高质量的显示效果，但这些参数数据并不用以限定本发明，本领域的技术人员在参照本发明之后，可以对数据进行适当修改，但仍属本发明的范畴之内。其中，2A1为第一透镜组2中的2A透镜靠近图像源1的一面，2A2为远离图像源1的一面，2B1、2C1为靠近图像源的一面，2B2、2C2为远离图像源的一面，2D1、2D2，2E1、2E2依次类推，3B为棱镜对角线上的半反半透膜，3B1为靠近第一透镜组方向的棱镜面，3A1为靠近第二透镜组方向的棱镜面；4A1为第二透镜组中4A靠近棱镜的一面，4A2为远离棱镜的一面，4C1、4C2，4D1、4D2依次类推。厚度光学系统各元件在沿着逆光路方向，相邻元件之间的距离，表中各数据单位为mm。

表3：

表4是六个非球面的表面系数。

本发明还提供了一种近眼显示设备，如图4所示，包括控制器401，前述的光学系统402和设备外壳403(未示出)。

其中控制器401通过无线或有线的方式连接至光学系统；具体的，连接至图像源和/或光学快门，以控制近眼显示设备对用户左右眼输出的图像显示内容，控制器401包括电源、存储部、控制按键等，可通过操作控制按键实现对图像显示内容的控制，例如选择、播放、暂停、切换等，所述图像显示内容存储于存储部；为方便用户通过控制器401操作近眼显示设备，可将控制器设计成符合人体工学设计的形状，提高使用者的用户体验。

光学系统402的功能和结构如上所述，将图像光传递到人眼，将环境光透射至人眼；

设备外壳403，内置光学系统402的部分或全部元件，通过舒适的方式佩戴于用户头部。

控制器401还可包括通信接口，与外部设备如手机、电脑或者其他AR/VR设备进行通信，并将外部设备的信息通过光学系统向用户显示，所述通信可以通过有线和/或无线的方式进行。

以上所述的光学系统和近眼显示设备，可以实现出瞳距离大于15mm，这样，可以在半反半透平面镜与人眼之间安置矫正镜片，所述矫正镜片的视度可以根据需要调节，以满足不同视力的用户的需求。

前面对本技术的详细描述只是为了说明和描述，所描述的实施例只是为了更好地说明本技术的原理以及其实际应用，从而使精通本技术的其他人在各种实施例中最佳地利用本技术，适合于特定用途的各种修改也是可以的。本技术的范围由所附的权利要求进行定义。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括沿光路方向依次排列的第一透镜组、棱镜、第二透镜组、反射镜、平面镜和曲面镜；

其中，第一透镜组和棱镜属于共用光路；第二透镜组、反射镜、平面镜和曲面镜属于单独光路，由共用光路出射的光入射一侧或分布于共用光路两侧的单独光路；第二透镜组，其光轴与第一透镜组的光轴垂直，反射镜用以将通过第二透镜组的光反射以导向平面镜，所述平面镜和曲面镜相对的设置，且在相对的表面上镀有预定透反比的膜；

曲面镜焦距23mm～33mm，

第一透镜组的焦距为30mm～50mm，

第二透镜组焦距为10mm～17mm。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述棱镜为方形，在对角面上置有反射膜，所述反射膜的透反比根据需要设置，与第一透镜组光轴的夹角分别为45度和/或-45度。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述反射镜与第一透镜组光轴形成预定角度。

4.根据权利要求1、2或3所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括至少1片透镜，所述第二透镜组包括至少1片透镜。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，曲面镜光轴与系统光轴重合。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，包括分别置于第一透镜组左右两侧的各一第二透镜组，在各第二透镜组的透镜之前，或者之后，置有光学快门。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述位于两侧单独光路中的光学快门不同时开启或关闭。

8.根据权利要求1-7任一所述的光学系统，其特征在于，进一步包括：图像源，与第一透镜组共轴，所述图像源为LCD、OLED或者LCOS。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述图像源为至少具有60Hz刷新频率的微显示器。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求8或9任一的光学系统、控制器和设备外壳：

控制器，通过有线或无线的方式连接至光学系统，控制近眼显示设备对用户输出的显示内容；

光学系统：将图像源的图像光传递到人眼，将环境光透射至人眼；

设备外壳，内置光学系统的部分或全部。