CN111458884A - 光线传导结构和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光线传导结构和头戴显示设备，所述光线传导结构包括：传导镜组，所述传导镜组具有接收光线的入光面和出射所述光线的出光面，所述光线自所述入光面射向所述传导镜组，所述光线在所述传导镜组内发生若干次发反射，并由所述出光面射出；所述传导镜组还包括第一反射部，所述第一反射部设于所述入光面至所述出光面之间的光路中，所述第一反射部具有第一自由曲面，所述第一自由曲面设置于所述第一反射部的朝向所述入光面的一侧，用以将从所述入光面进入的光线反射至所述出光面。本申请的技术方案能够有效减少像差的产生，提高成像的清晰度。

Description

光线传导结构和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种光线传导结构和头戴显示设备。

背景技术

近眼显示技术，是一种贴近人眼显示的技术，AR(Augmented Reality，增强现实)显示技术和VR(Virtual Reality，虚拟现实)显示技术均属于近眼显示技术。近眼显示系统中通常以微型显示器为基础，将微型显示器的图像经过光学元件放大，再成像在人眼位置，但是在将微型显示器的图像放大成像的过程中，易产生像差，而像差的存在导致成像的模糊，清晰度较低。

上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

基于此，针对目前的近眼显示系统中在将微型显示器的图像放大成像的过程中，易产生像差，导致最终成像的质量变低的问题，有必要提供一种光线传导结构和头戴显示设备，旨在有效减少像差的产生，提高成像的清晰度。

为实现上述目的，本发明提出的一种光线传导结构，所述光线传导结构包括：

传导镜组，所述传导镜组具有接收光线的入光面和出射所述光线的出光面，所述光线自所述入光面射向所述传导镜组，所述光线在所述传导镜组内发生若干次发反射，并由所述出光面射出；

所述传导镜组还包括第一反射部，所述第一反射部设于所述入光面至所述出光面之间的光路中，所述第一反射部具有第一自由曲面，所述第一自由曲面设置于所述第一反射部的朝向所述入光面的一侧，用以将从所述入光面进入的光线反射至所述出光面。

可选地，所述传导镜组还包括第二反射部，所述第二反射部设于所述第一反射部和所述出光面之间的光路中，所述第二反射部具有朝向所述出光面的一侧的第二自由曲面，所述第二自由曲面接收所述第一自由曲面反射的光线，并将所述光线由所述出光面反射出。

可选地，所述传导镜组还包括若干全反射部，若干所述全反射部设置于所述第一反射部至所述第二反射部之间的光路中。

可选地，至少一所述全反射部的反射面为非球面。

可选地，所述第一反射部、所述第二反射部、以及若干全反射部为独立的光学元件。

可选地，所述第一反射部、所述第二反射部、以及若干全反射部设于同一光学元件。

可选地，具有非球面的所述全反射部的反射面接收所述光线的入射角度大于或等于全反射的临界角。

可选地，所述光线传导结构还包括图像源组件，所述图像源组件包括图像源，所述图像源用于发射所述光线，所述图像源面向所述入光面设置，所述入光面和所述出光面设于所述传导镜组的同侧；

所述第一反射部的表面设有全反射膜层，所述第二反射部的表面设有全反射膜层；

或者，所述第一反射部的表面设有全反射膜层，所述第二反射部的表面设置半反半透膜层。

可选地，所述光线传导结构还包括将所述光线耦合进入所述传导镜组的耦入镜组，所述耦入镜组设置于所述图像源组件和所述传导镜组的入光面之间的光路中，所述耦入镜组包括沿所述光线的传播方向依次设置第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜为正透镜，所述第二透镜为负透镜，所述第三透镜为正透镜，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的入光面和出光面均为非球面。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如上文项所述光线传导结构，所述光线传导结构设置于所述壳体。

本发明提出的技术方案中，光线在传导镜组内由入光面射向所述传导镜组，光线在传导镜组内发生若干次反射，并将光线由出光面导出。在光线由入光面至出光面的光路中设有第一反射部，且第一反射部面向光路的光学表面是自由曲面，即第一自由曲面。自由曲面能够形成曲率不同部位，光线可以依据这些曲率不同的部位调整光线的成像位置，进而完成对像差的校正，由此可知，经过第一自由曲面的光线经过校正处理。进而本申请的技术方案能够有效减少像差，提高成像的清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明光线传导结构一实施例的结构示意图；

图2为本发明光线传导结构的调制传递函数图；

图3为本发明光线传导结构的点列图；

图4为本发明光线传导结构的场曲与畸变图；

图5为本发明光线传导结构的垂轴色差图；

图6为本发明光线传导结构的相对照度图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1和图2所示，本实施例提出的一种光线传导结构，光线传导结构用于近眼显示系统。所述近眼显示系统包括AR头戴显示设备，AR头戴显示设备需要将外界光线和虚拟画面结合起来显示在人眼位置。近眼显示系统还包括VR头戴显示设备，VR头戴显示设备在人眼位置显示虚拟画面。在AR头戴显示设备或者VR头戴显示设备中通常均设置有传导结构。传导结构包括：传导镜组10，传导镜组10用于传播光线210。

传导镜组10具有接收光线210的入光面111和出射光线210的出光面121，光线210自入光面111射向传导镜组10，光线210在传导镜组10内发生若干次发反射，并由出光面121射出；具体地，传导镜组10包括第一透明板材110，例如玻璃或者是透明塑胶。第一透明板材110设于光线210的传播方向，第一透明板材110面向光线210的入射方向的表面为入光面111，在第一透明板材110的入光面111可以设置增透膜，增透膜能够提高光线210的透过率，将更多的光线210射入到传导镜组10内部。入光面111的增透膜可以是贴覆在上面，也可以是镀膜的设置方式。传导镜组10还包括第二透明板材110，例如玻璃或者是透明塑胶。第二透明板材110设于光线210的出射传导镜组10的方向，第二透明板材110面向光线210的入射方向的表面为出光面121，在第二透明板材110的出光面121可以设置增透膜，增透膜能够提高光线210的透过率，将更多的光线210传导出传导镜组10。同样地，出光面121的增透膜可以是贴覆在上面，也可以是镀膜的设置方式。贴覆方式更易操作加工，镀膜的方式能够使膜层更加牢固的设置在传导镜组10上。光线210在传导镜组10内发生若干次发反射，经过若干次反射可以增加光程，同时将光线210由入射面传递至出射面。

传导镜组10还包括第一反射部130，第一反射部130设于入光面111至出光面121之间的光路中，第一反射部130具有第一自由曲面131，第一自由曲面131设置于第一反射部130的朝向入光面111的一侧，用以将从入光面111进入的光线210反射至出光面121。自由曲面(Free style)指表面形状不能被连续加工的，具有传统加工成型的任意性特点的曲面。简单来说，自由曲面是非旋转对称的面型。由此可知，在第一自由曲面131上可以形成曲率不同的反射部位，依据这些部位可以调整光线210的反射角度，进而调整光线210的成像位置。第一自由曲面131接收入光面111入射的光线210，对光线210进行校正处理后，将光线210从反射面射出。

本实施例提出的技术方案中，光线210在传导镜组10内由入光面111射向所述传导镜组10，光线210在传导镜组10内发生若干次反射，并将光线210由出光面121导出。在光线210由入光面111至出光面121的光路中设有第一反射部130，且第一反射部130面向光路的光学表面是自由曲面，即第一自由曲面131。自由曲面自由曲面能够形成曲率不同部位，光线210可以依据这些曲率不同的部位调整光线210的成像位置，进而完成对像差的校正，由此可知，经过第一自由曲面131的光线210经过校正处理。进而本申请的技术方案能够有效减少像差，提高成像的清晰度。

在上述实施例中，传导镜组10还包括第二反射部140，第二反射部140设于第一反射部130和出光面121之间的光路中，第二反射部140具有朝向出光面121的一侧的第二自由曲面141，第二自由曲面141接收第一自由曲面131反射的光线210，并将光线210由出光面121反射出。通过设置第二自由曲面141能够更进一步的消除像差。且在第一反射部130和第二反射部140之间的位置设置有其它全反射部150，光线210在经过第一反射部130和第二反射部140之间的全反射部150的若干次反射后，也可能再次产生像差，因此通过第二自由曲面141校正经过第一自由曲面131的光线210，进一步减小、甚至消除像差，进而提高成像清晰度。

在上述实施例中，传导镜组10还包括若干全反射部150，若干全反射部150设置于第一反射部130至第二反射部140之间的光路中。其中，全反射部150可以理解为，在全反射部150的表面设置全反射膜层的形式，也可以理解为光线210在全反射部150之间发生光的全反射现象的形式。若干全反射部150的作用在于将经过第一自由曲面131校正的光线210传导至第二自由曲面141。具体地，若干全反射部150可以在光线210传播方向的两侧设置，光线210在若干全反射部150之间传导，并将光线210由第一反射部130传导至第二反射部140。如此，可以在保证光程不变的情况，经过全反射部150的依次折返传导反射能够缩短光线210的传播空间。

在上述实施例中，至少一全反射部150的反射面为非球面。非球面是在镜片的中心至边缘曲率逐渐变化的表面。这种曲率逐渐变化可以是曲率逐渐升高，也可以是曲率逐渐降低，通过这种连续的曲率变化可以减少光轴附近和远离光轴成像差异的情况，也即可以减少成像像差。通常非球面的全反射部150朝向第一反射部130设置。

在上述实施例中，第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150为独立的光学元件。第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150按照光线210的传播路径设置。可以理解的是，第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150之间的位置是空气，而不存在折射率较高的其它光学介质，由此可以减轻光线传导结构的重量，进而使相应的AR头戴显示设备或VR头戴显示设备便于携带。其中，若干全反射部150的表面设置全反射膜层。设置全反射膜层的方式可以是贴覆在上面，也可以是镀膜的设置方式。贴覆方式更易操作加工，镀膜的方式能够使膜层更加牢固。

在上述实施例中，第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150设于同一光学元件。在第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150之间的位置是设置有光学介质的，其中，光学介质的折射率相比若干全反射部150的折射率大，如此可以满足发生光全反射的条件。将第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150设置为同一个光学元件便于安装摆放，减少调整第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150之间位置的时间，提高安装效率。

在上述实施例中，具有非球面的全反射部150的反射面接收光线210的入射角度大于或等于全反射的临界角。具体地，在第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150设于同一光学元件的情况下，依据光的全反射原理传输光线210，在非球面的全反射部150的反射面接收光线210的入射角度大于或等于全反射的临界角，同时传导镜组10的折射率由内而外是减小的，由此满足光的全反射条件。再者，其余全反射部150的反射面接收光线210的入射角度也大于或等于全反射的临界角，由此可知，在全反射部150上不需要设置全反射膜层，就可实现光线210的传播。由此减少加工全反射膜层的步骤，继而提高生产效率。另外，在发生全反射的情况下，第一反射部130、第二反射部140、以及若干全反射部150形成同一光学元件，则传导镜组10是整体密封的，由此还能够避免灰尘等杂质进入到传导镜组10内部。

在上述实施例中，光线传导结构还包括图像源组件20，图像源组件20包括图像源，图像源用于发射光线210，图像源面向入光面111设置，入光面111和出光面121设于传导镜组10的同侧；另外，图像源组件20还可包括电源，电源和图像源连接，电源用于给图像源供电。再者，光线210进出传导镜组10的位置为同侧，也就是说入光面111和出光面121是同一平面，或者是，入光面111和出光面121平行设置的。用户在使用AR头戴显示设备或VR头戴显示设备时，图像源组件20可以设置在用户人眼40一侧，如此能够减小AR头戴显示设备或VR头戴显示设备整体的体积。

第一反射部130的表面设有全反射膜层，第二反射部140的表面设有全反射膜层；具体的，在VR头戴显示设备中，用户观看到的画面是虚拟画面，形成虚拟画面的光线210来自图像源，因此要尽可能的将光线210更多的由出光面121射出。第一反射部130的表面设有全反射膜层，可以是在第一反射部130的内表面设置全反射膜层，还可在第一反射部130的外表面设置全反射膜层，通过第一反射部130的全反射膜层可以将更多光线210在传导镜组10内传导。第二反射部140的表面设有全反射膜层，可以是在第二反射部140的内表面设置全反射膜层，还可在第二反射部140的外表面设置全反射膜层，第二反射部140对应出光面121设置，通过第二反射部140的全反射膜层可以将更多光线210由出光面121传导出传导镜组10。

除此之外，第一反射部130的表面设有全反射膜层，第二反射部140的表面设置半反半透膜层。具体的，在AR头戴显示设备中，用户观看到的画面是虚拟画面和外部画面的结合，也就是在外部场景中添加虚拟显示画面，由此需要将外界光线导入到光线传导结构内部。因此需要将图像源的光线210射向人眼40，还要将外界光线射向人眼40。第一反射部130的表面设有全反射膜层，可以是在第一反射部130的内表面设置全反射膜层，还可在第一反射部130的外表面设置全反射膜层，通过第一反射部130的全反射膜层可以将更多光线210在传导镜组10内传导。第二反射部140的表面设有半反半透膜层，可以是在第二反射部140的内表面设置半反半透膜层，还可在第二反射部140的外表面设置半反半透膜层，第二反射部140对应出光面121设置，人眼40也位于出光面121的出光方向中，通过第二反射部140的半反半透膜层，图像源的光线210可以反射向出光面121，而外界光线可以透射于第二反射部140，继而外界光线也可射向出光面121。

在上述实施例中，光线传导结构还包括将光线210耦合进入传导镜组10的耦入镜组30，耦入镜组30设置于图像源组件20和传导镜组10的入光面111之间的光路中，耦入镜组30包括沿光线210的传播方向依次设置第一透镜310、第二透镜320和第三透镜330，第一透镜310为正透镜，第二透镜320为负透镜，第三透镜330为正透镜，第一透镜310、第二透镜320和第三透镜330的入光面111和出光面121均为非球面。一般图像源的尺寸较小，需要耦入镜组30将光线210耦合进入传导镜组10内部。通过正透镜和负透镜对图像源光线210的聚焦和发散处理可以很好扩大成像面，并通过第三透镜330将光线210会聚入传导镜组10的入光面111。另外，第一透镜310、第二透镜320和第三透镜330的入光面111和出光面121均为非球面，这种非球面的设计也利于进一步消除会聚和发散光线210而产生的像差。

另外，第一透镜310、第二透镜320和第三透镜330为塑胶材质，便于热塑成型，也便于降低成本。第一透镜310、第二透镜320和第三透镜330的折射率范围在1.45～1.75之间，色散系数在50～70之间。第一透镜310的入光面111和第一透镜310的出光面121均朝向光线210的入射方向凸起，第一透镜310的有效焦距为f1，安装光线传导结构的头戴显示设备的有效焦距为f，则1＜f1/f＜2，第一透镜310的厚度范围在2mm～8mm之间。第二透镜320的有效焦距为f2，则0.5＜f2/f＜1，第二透镜320的厚度范围在2mm～6mm之间。第三透镜330的有效焦距为f3，则0.1＜f3/f＜1，第三透镜330的厚度范围在2mm～6mm之间。在第三透镜330和传导镜组10的入光面111之间还设置光阑340，光阑340具有圆环遮光面。圆环遮光面用于限定光线210透过的孔径，使成像质量变得更加清晰。第一透镜310、第二透镜320和第三透镜330的入光面111和出光面121均为设置增透膜，由此便于提高光线210的透过率。

基于上述实施例，第一透镜310和图像源的最小间距在1mm～4mm之间可调。第二透镜320和第一透镜310的最小间距在2mm～5mm之间可调。第三透镜330和第二透镜320的最小间距在0.1mm～1mm之间可调。第三透镜330和传导镜组10的最小间距在2mm～5mm之间可调。在上述范围内调整各个透镜间距，可以有效将光线210耦合进入到传导镜组10内部。另外，耦入镜组30的光轴和垂直于入光面111的法线之间具有夹角，该夹角范围在0°～15°之间。也就是说，耦入镜组30的光轴于入光面111可以产生一定的倾斜。耦入镜组30的设置角度和位置更加灵活。传导镜组10的整体尺寸为长度在50mm～70mm之间，宽度在15mm～20mm之间，高度在8mm～15mm之间。经过传导镜组10还具有扩瞳作用，经过传导镜组10的扩瞳，成像在人眼40位置的图像长度大于13mm。

另外，第一反射部130的有效焦距为f4，则2＜f4/f＜3。具有非球面的全反射部150靠近第一反射部130，该具有非球面的全反射部150的有效焦距为f5，则2＜f5/f＜3。第二反射部140的有效焦距为f6，则1＜f6/f＜1.5。再者，耦入镜组30折射率范围在1.45～1.75之间，耦入镜组30色散系数在50～70之间。耦入镜组30整体的有效焦距为f7，则2＜f7/f＜2.5。

图2为本发明的调制传递函数图，即MTF(Modulation Transfer Function)图，MTF图用于是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力；其中最上面黑色虚线是理论上没有像差的曲线，越靠近黑色实线成像质量越好，大部分曲线位于0.7以上，符合设计规格。

图3为本发明的点列图；其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学组件后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。均方根半径值和几何半径值越小成像质量越好。其中，区域1～9的排列顺序是由左至右，由上至下，可见均方根半径值均小于6。

图4为本发明的场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学组件中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过光学组件成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。图中可见畸变在正负0.2之间变动，畸变较小，符合设计规定。

图5为本发明的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，由图5可见，虽然出现色散，但是色散小于1微米。

图6为本发明的相对照度图，在一个视角方向上测量得出的照度值，横坐标的单位为毫米。图6反映光学组件成像的亮度情况，一般中心亮度高，周边亮度低。可见有中心向周边相对亮度虽然降低，但是相对照度值依然在0.9以上。

本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括壳体和如上文项光线传导结构，光线传导结构设置于壳体。壳体可以形成一个放置光线传导结构的安装空间。同时壳体也可以保护光线传导结构，避免光线传导结构受到外力干扰破损。

本发明头戴显示设备具体实施方式可以参照上述光线传导结构各实施例，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光线传导结构，其特征在于，所述光线传导结构包括：

传导镜组，所述传导镜组具有接收光线的入光面和出射所述光线的出光面，所述光线自所述入光面射向所述传导镜组，所述光线在所述传导镜组内发生若干次发反射，并由所述出光面射出；

所述传导镜组还包括第一反射部，所述第一反射部设于所述入光面至所述出光面之间的光路中，所述第一反射部具有第一自由曲面，所述第一自由曲面设置于所述第一反射部的朝向所述入光面的一侧，用以将从所述入光面进入的光线反射至所述出光面。

2.如权利要求1所述的光线传导结构，其特征在于，所述传导镜组还包括第二反射部，所述第二反射部设于所述第一反射部和所述出光面之间的光路中，所述第二反射部具有朝向所述出光面的一侧的第二自由曲面，所述第二自由曲面接收所述第一自由曲面反射的光线，并将所述光线由所述出光面反射出。

3.如权利要求2所述的光线传导结构，其特征在于，所述传导镜组还包括若干全反射部，若干所述全反射部设置于所述第一反射部至所述第二反射部之间的光路中。

4.如权利要求3所述的光线传导结构，其特征在于，至少一所述全反射部的反射面为非球面。

5.如权利要求4所述的光线传导结构，其特征在于，所述第一反射部、所述第二反射部、以及若干全反射部为独立的光学元件。

6.如权利要求4所述的光线传导结构，其特征在于，所述第一反射部、所述第二反射部、以及若干全反射部设于同一光学元件。

7.如权利要求6所述的光线传导结构，其特征在于，具有非球面的所述全反射部的反射面接收所述光线的入射角度大于或等于全反射的临界角。

8.如权利要求5或6所述的光线传导结构，其特征在于，所述光线传导结构还包括图像源组件，所述图像源组件包括图像源，所述图像源用于发射所述光线，所述图像源面向所述入光面设置，所述入光面和所述出光面设于所述传导镜组的同侧；

所述第一反射部的表面设有全反射膜层，所述第二反射部的表面设有全反射膜层；

或者，所述第一反射部的表面设有全反射膜层，所述第二反射部的表面设置半反半透膜层。

9.如权利要求8所述的光线传导结构，其特征在于，所述光线传导结构还包括将所述光线耦合进入所述传导镜组的耦入镜组，所述耦入镜组设置于所述图像源组件和所述传导镜组的入光面之间的光路中，所述耦入镜组包括沿所述光线的传播方向依次设置第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜为正透镜，所述第二透镜为负透镜，所述第三透镜为正透镜，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的入光面和出光面均为非球面。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括壳体和如权利要求1至9中任一项所述光线传导结构，所述光线传导结构设置于所述壳体。

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