CN114690295A - 微光学反射结构、隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜 - Google Patents
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Abstract
本发明属于近眼显示光学装置，为解决目前的紧凑高质量光学显示设备使用时，需要斜视聚焦，用户长时间使用后会感到头晕和不适，以及使用时会遮挡人眼正前方视场的技术问题，提供一种光学反射结构、隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜，包括平行设置的第一透镜基底和第二透镜基底。第一透镜基底和第二透镜基底通过填充剂相连。第一透镜基底和第二透镜基底之间设有多个微结构反射镜，每个所述微结构反射镜整体上呈三棱柱状，各所述微结构反射镜形状相同且连续排列设置，各三棱柱中心线相互平行，微结构反射镜表面设有半透射半反射涂层，微结构反射镜的第一侧面为圆柱曲面。近眼显示光学眼镜的镜片中设有光学反射结构。
Description
技术领域
本发明属于近眼显示光学装置，具体涉及一种微光学反射结构、隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜。
背景技术
随着多媒体设备性能的提高，信息的可视化显示越来越重要。在许多领域，应用场景所需要的图像显示起着重要作用，例如医学、工程和消费电子领域的显示设备近些年都得到了广阔的发展。
目前AR/VR、以及头盔显示等近眼显示设备已经开展多年研究，外观形式也发生了很大变化。近眼显示设备的主要区别在于像素的可显示数量和视场大小，参数提升带来的主要问题是限制了系统尺寸的大小和重量，为了更轻便、更舒适地携带于头部或眼睛上，显示系统设备的尺寸和重量应尽可能低，并且舒适。
随着光学加工技术和投影技术的更新，微显示器和光学结构变得越来越小，重量也越来越轻，这也使紧凑的高质量光学显示设备成为可能，例如，谷歌眼镜利用波导成像的方式，将其微显示器和光学元件并入设备中，用户使用时就像佩戴眼镜一样。但是，由于波导成像元件安装在眼镜镜片的斜右后方，人眼长时间斜视聚焦，会使用户感到头晕和不适，同时，还会遮挡一部分人眼视场。包括其他一些非透视型的近眼设备，佩戴者使用时，也无暇顾忌人眼正前方视场内的环境与情况。
发明内容
本发明为解决目前的紧凑高质量光学显示设备使用时，需要斜视聚焦，用户长时间使用后会感到头晕和不适，以及使用时会遮挡人眼正前方视场的技术问题，提供一种微光学反射结构、隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种微光学反射结构，其特殊之处在于，包括相互平行设置的第一透镜基底和第二透镜基底；
第一透镜基底和第二透镜基底的两个表面均为平面；
所述第一透镜基底和第二透镜基底通过填充剂相连；
所述第一透镜基底和第二透镜基底之间设有多个微结构反射镜，每个所述微结构反射镜整体上呈三棱柱状，各所述微结构反射镜形状相同且连续排列设置，各三棱柱中心线相互平行；微结构反射镜表面设有半透射半反射涂层；
定义整体上呈三棱柱状的微结构反射镜的三个侧面分别为第一侧面、第二侧面和第三侧面；所述第一侧面为圆柱曲面；
所述第三侧面均与第二透镜基底相连，第一侧面朝向第一透镜基底设置。
进一步地，所述第一侧面的面型Z为：
其中，x为位置(x,y)处的横坐标，y为位置(x,y)处的纵坐标，其中，第一侧面所在圆柱曲面对应圆心处为平面直角坐标系原点；k为圆锥系数，c为曲率，r为位置(x,y)处与光轴之间的径向距离，Cj为扩展多项式系数，m为x的阶数，n为y的阶数。
进一步地，所述第一透镜基底和第二透镜基底均为玻璃或塑料材质；所述第二侧面垂直于第三侧面。
进一步地，所述第一透镜基底和第二透镜基底均为有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩丁醛中的任一种材质。
进一步地，所述填充剂为光学胶水。
本发明还提供了另一种微光学反射结构，其特殊之处在于，包括相对设置的第一透镜基底和第二透镜基底；
第一透镜基底和第二透镜基底的两个表面为相同的圆柱状曲面，第一透镜基底和第二透镜基底通过填充剂相连；
所述第一透镜基底和第二透镜基底之间设有多个微结构反射镜，每个所述微结构反射镜整体上呈三棱柱状，各所述微结构反射镜形状相同且连续排列设置，各三棱柱中心线相互平行；微结构反射镜表面设有半透射半反射涂层；
定义整体上呈三棱柱状的微结构反射镜的三个侧面分别为第一侧面、第二侧面和第三侧面；所述第一侧面为圆柱曲面，所述第三侧面为圆柱曲面；
所述第三侧面均与第二透镜基底相连，且第三侧面为与第二透镜基底表面相同的圆柱曲面；第一侧面朝向第一透镜基底设置。
进一步地，所述第一侧面的面型Z为：
其中，x为位置(x,y)处的横坐标，y为位置(x,y)处的纵坐标，其中，第一侧面所在圆柱曲面对应圆心处为平面直角坐标系原点；k为圆锥系数，c为曲率，r为位置(x,y)处与光轴之间的径向距离，Cj为扩展多项式系数，m为x的阶数，n为y的阶数。
进一步地，所述第一透镜基底和第二透镜基底均呈曲面状，且通过下式计算D，得到对应的第一透镜基底的屈光度D1和第二透镜基底的屈光度D2：
其中，f为透镜基底焦距，D为透镜基底屈光度，n为透镜基底材料折射率，r1为透镜基底前表面的曲率半径，r2为透镜基底后表面的曲率半径。
进一步地，所述第一透镜基底和第二透镜基底均为玻璃或塑料材质；
所述第二侧面垂直于与第三侧面相连接处的切面。
进一步地，所述第一透镜基底和第二透镜基底均为有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩丁醛中的任一种材质；
所述填充剂为光学胶水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明微光学反射结构，应用场景广泛，可应用于眼镜、行车显示仪、头盔等多种场景中，安装该微光学反射结构后，入射至微光学反射结构的光能够被折射至使用者的眼睛中，在视网膜处完成成像，且不会影响使用者正常看外部环境。尤其对于紧凑高质量光学显示设备，用户不再需要斜视聚焦，即使长时间使用也不会出现不适感，有效提高了用户的使用舒适性。
2.本发明中第一透镜基底和第二透镜基底的材质可以有多种选择，可根据使用需要进行选择。
3.本发明的隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜，利用微显示器与设置在镜片中的微光学反射结构相结合的结构，形成了超紧凑近眼显示光学系统，微显示器投射的光射入至微光学反射结构，可使微显示器投影的图像经折反进入人眼，并于无穷远处聚焦成像，同时，外部视野的光也可透射通过该微光学反射结构，进入到佩戴者的人眼中，实现部分透视的效果，使得该光学眼镜可以同时显示微显示器投射出的图像和外部场景。
4.本发明的隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜中，隐藏埋入式的微光学反射结构中，微结构反射镜的第一侧面是具有复杂扩展多项式系数的自由曲面面型，具备非传统镜面反射的能力，可实现一定角度的折光。在结构设计上，可使近眼成像光路更加紧凑、灵活。另外，微结构反射镜面型引入的复杂扩展多项式系数，给光学设计上带来丰富的设计自由度，可以进一步优化成像质量。
附图说明
图1为本发明实施例一的示意图；
图2为本发明实施例二的示意图；
图3为本发明实施例三的示意图；
图4为图3的光学示意图；
图5为图3对应光学系统的艾里光斑点列图。
其中：1-第一透镜基底、2-第二透镜基底、3-微结构反射镜、4-镜架、5-镜片、6-微光学反射结构、7-微显示器、8-填充剂。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
本发明提供了微光学反射结构，以及基于该微光学反射结构的隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜，本发明的近眼显示光学眼镜，利用微显示器7与埋入在眼镜镜片5中的微光学反射结构6相结合，实现了新的超紧凑近眼显示光学系统。
实施例一
如图1所示，一种微光学反射结构6，包括平行设置的第一透镜基底1和第二透镜基底2，第一透镜基底和第二透镜基底的两个表面均为平面，第一透镜基底1和第二透镜基底2通过填充剂8相连，填充剂8采用光学胶水，在其他实施例中也可采用其他合适的填充剂介质，使第一透镜基底1和第二透镜基底2结合在一起。第一透镜基底1和第二透镜基底2之间设有多个整体上呈三棱柱状的微结构反射镜3，微结构反射镜3表面设有半透射半反射涂层，具有半透射半反射效果，各所述微结构反射镜3形状相同且连续排列设置，各三棱柱中心线相互平行。把整体上呈三棱柱状的微结构反射镜3的三个侧面分别定义为第一侧面、第二侧面和第三侧面，第一侧面为朝向第一透镜基底1的表面，其中第一侧面为圆柱曲面，第二侧面垂直于第三侧面，在本发明的其他实施例中，第二侧面与第三侧面也可以不垂直，所述第三侧面均与第二透镜基底2相连。第一透镜基底1和第二透镜基底2可以由刚性或柔性的玻璃或塑料制成，例如pmma(有机玻璃)、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)等。另一方面，微结构反射镜2表面的半透射半反射涂层使其同时具有反射性和部分透过性，具有半透射半反射的效果，50％的光能够被反射到眼睛，同时，50％的光可穿透。
第一侧面为具有复杂扩展多项式系数的自由曲面面型，该面型表达公式为：
其中，x为位置(x,y)处的横坐标，y为位置(x,y)处的纵坐标，其中，第一侧面所在弧面对应圆心处为平面直角坐标系原点；k为圆锥系数，c为曲率，r为位置(x,y)处与光轴之间的径向距离，Cj为扩展多项式系数，m为x的阶数，n为y的阶数。
首先，具有自由曲面面型的微结构反射镜具备非传统镜面反射的能力，可实现一定角度的折光，在结构设计上，可使近眼成像光路更加紧凑、灵活。其次，微结构反射镜面型引入的复杂多项式系数，给光学设计上带来丰富的设计自由度，可以进一步优化成像质量。
实施例二
如图2所示一种微光学反射结构6，与实施例一的区别在于，第一透镜基底1和第二透镜基底2相对设置，且第一透镜基底1和第二透镜基底2的两个表面为相同的圆柱状曲面，第三侧面为圆柱曲面，第三侧面均与第二透镜基底2相连，且第三侧面为与第二透镜基底2表面相同的圆柱曲面，第二侧面垂直于与第三侧面相连接处的切面，在本发明的其他实施例中，第二侧面与第三侧面相连接处的切面也可以不垂直。
第一透镜基底1和第二透镜基底2的曲率大小可根据人眼的屈光程度进行匹配设置。具有曲率的透镜基底适合具有近视的人群使用，透镜基底的曲率程度根据佩戴者人眼的屈光程度来匹配选择。
透镜基底的屈光度近似公式为：
其中，f为透镜基底焦距，D是透镜基底屈光度，n是透镜基底材料折射率，r1和r2分别是透镜基底前后表面的曲率半径。将实施例二的微光学反射结构6用于眼镜中时，眼镜镜片其他部分的屈光度，即人眼屈光度D’可通过验光获得。
实施例三
如图3为一种隐藏埋入式透视型近眼显示光学眼镜，包括镜架4、两个镜片5，以及微光学反射结构6，微光学反射结构6分别置于两个镜片5内的中部区域，镜架4的两个镜腿上分别设有一个微显示器7，微显示器7可以采用现有产品，如可以使用液晶显示器LCD、LCoS或OLED等显示器件，也可以自行设计，由微显示器7发射出的光以平行光的形式打到镜片5的微光学反射结构6上即可，微显示器7体积和空间小，与镜架4的外壳匹配即可，微显示器7的出射光入射至微光学反射结构6中的各微结构反射镜2底面处，且第二透镜基底2靠近镜片5内部设置，微光学反射结构6可采用上述实施例一和实施例二中的结构。
如图4，在考虑设备尺寸和重量的前提下，为了达到超轻便和舒适的佩戴体验，又能不遮挡佩戴者使用时的人眼视场，提供了一种合理地、超紧凑的设计形式。当微显示器7投射的光，如LCD或OLED发射的光入射到埋入镜片5中的微光学反射结构6，可使微显示器7投影的图像投射到无穷远处，投射出的微投影图像的光入射到埋入的微光学反射结构6后被折射入人眼的瞳孔中，最后，在视网膜处成像，同时，外部视野的光也可透射通过该微光学反射结构6进入到佩戴者的眼中，实现部分透视的效果。佩戴者可同时观看外部图像和投影显示的图像，实现透视的效果，而无需重新调整聚焦他的眼睛。该隐藏埋入式的微光学反射结构6具有一定的折光能力，且镀有半透半反射膜层，透过率和反射率均为50％。镜片5还可以根据不同人眼视力的情况，设计为无曲率平镜或带有一定曲率的近视镜。如图5，图4所示光学系统的艾里光斑小于衍射极限2。
本发明实施例一与实施例二中示出的微光学反射结构6，不仅可以用于实施例三所示的眼镜，还可将其设置于如汽车的抬头显示仪、飞行员的头盔中，发挥同等作用。
另外，微结构反射镜3的数量与反射区域有关，一般覆盖正常眼镜中间区域的三分之一，大概20-30mm，与投影的光区域相匹配。
需要说明的是，前述微结构反射镜3整体上呈三棱柱状，仅是对其外形整体的描述，并不表示微结构反射镜3的各个表面均为平面。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微光学反射结构，其特征在于：包括相互平行设置的第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)；
第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)的两个表面均为平面；
所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)通过填充剂(8)相连；
所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)之间设有多个微结构反射镜(3)，每个所述微结构反射镜(3)整体上呈三棱柱状，各所述微结构反射镜(3)形状相同且连续排列设置，各三棱柱中心线相互平行；微结构反射镜(3)表面设有半透射半反射涂层；
定义整体上呈三棱柱状的微结构反射镜(3)的三个侧面分别为第一侧面、第二侧面和第三侧面；所述第一侧面为圆柱曲面；
所述第三侧面均与第二透镜基底(2)相连，第一侧面朝向第一透镜基底(1)设置。
2.如权利要求1所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述第一侧面的面型Z为：
其中，x为位置(x,y)处的横坐标，y为位置(x,y)处的纵坐标，其中，第一侧面所在圆柱曲面对应圆心处为平面直角坐标系原点；k为圆锥系数，c为曲率，r为位置(x,y)处与光轴之间的径向距离，Cj为扩展多项式系数，m为x的阶数，n为y的阶数。
3.如权利要求1或2所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)均为玻璃或塑料材质；
所述第二侧面垂直于第三侧面。
4.如权利要求3所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)均为有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩丁醛中的任一种材质。
5.如权利要求4所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述填充剂(8)为光学胶水。
6.一种微光学反射结构，其特征在于：包括相对设置的第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)；
第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)的两个表面为相同的圆柱状曲面，第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)通过填充剂(8)相连；
所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)之间设有多个微结构反射镜(3)，每个所述微结构反射镜(3)整体上呈三棱柱状，各所述微结构反射镜(3)形状相同且连续排列设置，各三棱柱中心线相互平行；微结构反射镜(3)表面设有半透射半反射涂层；
定义整体上呈三棱柱状的微结构反射镜(3)的三个侧面分别为第一侧面、第二侧面和第三侧面；所述第一侧面为圆柱曲面，所述第三侧面为圆柱曲面；
所述第三侧面均与第二透镜基底(2)相连，且第三侧面为与第二透镜基底(2)表面相同的圆柱曲面；第一侧面朝向第一透镜基底(1)设置。
7.如权利要求6所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述第一侧面的面型Z为：
其中，x为位置(x,y)处的横坐标，y为位置(x,y)处的纵坐标，其中，第一侧面所在圆柱曲面对应圆心处为平面直角坐标系原点；k为圆锥系数，c为曲率，r为位置(x,y)处与光轴之间的径向距离，Cj为扩展多项式系数，m为x的阶数，n为y的阶数。
8.如权利要求6或7所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)均呈曲面状，且通过下式计算D，得到对应的第一透镜基底(1)的屈光度D1和第二透镜基底(2)的屈光度D2：
其中，f为透镜基底焦距，D为透镜基底屈光度，n为透镜基底材料折射率，r1为透镜基底前表面的曲率半径，r2为透镜基底后表面的曲率半径。
9.如权利要求8所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)均为玻璃或塑料材质；
所述第二侧面垂直于与第三侧面相连接处的切面。
10.如权利要求9所述一种微光学反射结构，其特征在于：所述第一透镜基底(1)和第二透镜基底(2)均为有机玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩丁醛中的任一种材质；
所述填充剂(8)为光学胶水。
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