CN114690426A - 一种光学显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种光学显示装置，包括图像源、全反镜、第一半透半反镜和第二半透半反镜。图像源发射第一光线，第一光线携带虚拟图像信息。全反镜将来自图像源的第一光线反射至第一半透半反镜。第一半透半反镜将第一光线反射至第二半透半反镜。第二半透半反镜将第一光线反射至第一半透半反镜并将携带现实图像信息的第二光线透射至第一半透半反镜。第一半透半反镜将经第二半透半反镜反射的第一光线、及经第二半透半反镜透射的第二光线透射至入瞳区域。通过全反镜改变图像源发射的第一光线的传播路径，使得图像源不需要根据第一光线传输路径而限制放置的位置，通过将图像源放置在靠近佩戴AR的用户的位置，从而提高佩戴该装置时的轻便性。

Description

一种光学显示装置

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种光学显示装置。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种利用图像源产生虚拟图像，并叠加真实世界的信息，以此增加佩戴AR的用户对现实世界感知的创新技术，并可以透过软件实现实时互动，现在越来越多的公司通过AR装置为人们提供游戏服务、影视服务等便利的服务。

现有的AR装置是通过将图像源与透镜介于两片半透半反镜之间，使得整个光学的重心远离眼睛，根据杠杆原理，动力臂越长的话会越费力，从而会导致佩戴AR的用户在长时间佩戴AR装置容易劳累。

综上，如何实现降低佩戴AR的用户长时间佩戴AR装置的疲惫感，是当前亟需解决的技术问题。

发明内容

第一方面，本发明实施例提供的一种光学显示装置，包括图像源、全反镜、第一半透半反镜和第二半透半反镜。所述图像源，用于发射第一光线，所述第一光线携带虚拟图像信息。所述全反镜，用于将来自所述图像源的所述第一光线反射至所述第一半透半反镜。所述第一半透半反镜，用于将所述第一光线反射至所述第二半透半反镜。所述第二半透半反镜，用于将所述第一光线反射至所述第一半透半反镜，并将携带现实图像信息的第二光线透射至所述第一半透半反镜。所述第一半透半反镜，还用于将经所述第二半透半反镜反射的第一光线、及经所述第二半透半反镜透射的第二光线透射至入瞳区域。

本发明实施例中，通过加入全反镜，从而实现改变第一光线的传播路径，使得图像源可以不位于第一半透半反镜和第二半透半反镜之间，而是将图像源放置在靠近佩戴AR的用户的位置，若眼睛与图像源之间的长度为动力臂的话，根据杠杆原理，动力臂越短越省力，从而提高佩戴AR的用户佩戴该装置时的轻便性，提高佩戴AR的用户的体验感。

可选的，所述图像源与所述全反镜处于同一水平面上；和/或所述全反镜与所述第一半透半反镜平行。

本发明实施例中，全反镜可以改变第一光线的传播路径，由于图像源与全反镜处于同一平面，第一半透半反镜与全反镜平行，可以使得图像源可以靠近佩戴AR的用户，从而可以实现减轻佩戴AR的用户长时间佩戴的劳累感。

可选的，所述入瞳区域与所述第一半透半反镜之间的距离范围为[10mm，18mm]。

本发明实施例中，通过确定入瞳区域与第一半透半反镜之间的距离，从而确定入瞳区域与第一半透半反镜的位置关系，可以较清晰的生成入瞳图像。

例如，所述第一半透半反镜的中心点与所述第二半透半反镜中心点之间的距离范围为[10mm，15mm]。

本发明实施例中，通过确定入瞳区域与第一半透半反镜之间的距离，从而确定入瞳区域与第一半透半反镜的位置关系，可以较清晰的生成入瞳图像。

可选的，所述第一半透半反镜的中心点到所述全反镜的中心点的距离范围为[7mm，13mm]。

本发明实施例中，通过确定第一半透半反镜与全反镜之间的距离，确定第一半透半反镜与全反镜之间的位置关系，从而可以实现较清楚的生成入瞳图像。

可选的，所述装置还包括非球面透镜，所述非球面透镜位于所述图像源与所述全反镜之间。

本发明实施例中，非球面透镜可以将第一光线透射至全反镜，从而可以降低第一光线在传播过程中的光线损耗和误差。

可选的，所述非球面透镜与所述图像源之间的距离范围为[1mm，3mm]。

本发明实施例中，根据图像源与非球面透镜之间的距离，可以确定图像源与非球面透镜之间的位置关系，便于后续更好的将第一光线透射至全反镜。

可选的，所述第一半透半反镜是平面半透半反镜，所述第一半透半反镜的透过率的范围为(35％，65％)，所述第一半透半反镜的反射率的范围为(35％，65％)。

本发明实施例中，第一半透半反镜是平面半透半反镜，可以将第一光线较大限度的反射至第二半透半反镜，从而便于后续生成较清楚的入瞳图像。

可选的，所述第二半透半反镜是凹型半透半反镜，所述第二半透半反镜的透过率的范围为(35％，65％)，所述第二半透半反镜的反射率的范围为(35％，65％)，所述第二半透半反镜的曲率半径的范围为(40，120)。

本发明实施例中，第二半透半反镜是凹型半透半反镜，可以实现将第一光线聚拢，便于第一光线透射至第一半透半反镜后射入入瞳区域，从而实现生成较清楚的入瞳图像。

可选的，所述第一半透半反镜与所述第二半透半反镜形成的第一角度的范围为(-20°，-50°)。

本发明实施例中，通过确定第一半透半反镜与第二半透半反镜之间的第一角度的范围，可以确定第一半透半反镜与第二半透半反镜之间的位置关系，从而可以实现生成较清楚的入瞳图像。

可选的，所述第一半透半反镜与所述全反镜之间形成的第二角度的范围为(-20°，20°)。

本发明实施例中，通过确定第一半透半反镜与全反镜之间的第二角度的范围，可以实现改变第一光线的传播路径，使得图像源和非球面透镜靠近佩戴AR的用户，提高光学显示装置的轻便性。

可选的，所述非球面透镜与所述全反镜之间形成的第三角度的范围为(20°，50°)。

本发明实施例中，通过确定非球面透镜与全反镜之间形成的第三角度，便于实现后续改变第一光线的传播路径，使得图像源和非球面透镜靠近佩戴AR的用户，提高光学显示装置的轻便性。

可选的，所述非球面透镜的焦距的范围为(20mm，70mm)；所述非球面透镜的第一面曲率半径的范围为(10mm，60mm)，所述非球面透镜的第二面曲率半径的范围为不小于200mm，所述非球面透镜的折射率的范围为(1.4，1.85)，所述非球面透镜的阿贝数的范围为(25，75)。

本发明实施例中，通过设置非球面透镜的焦距、第一面的曲率半径、第二面的曲率半径、折射率以及阿贝数，从而可以实现第一光线可以以最大限度的投射至全反镜，从而降低第一光线在传播路径中的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种AR装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光学显示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光学显示装置的光路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种非球面透镜的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种非球面透镜与全反镜的结构示意图；

图6为本发明实施例中提供的一种第一半透半反镜的结构示意图；

图7为本发明实施例中提供的一种第二半透半反镜的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种入瞳区域和第一半透半反镜之间结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种四分之一nyp的MTF的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种二分之一nyp的MTF的示意图；

图11为本发明实施例提供的一种全nyp的MTF的示意图；

图12为本发明实施例提供的一种场曲的示意图；

图13为本发明实施例提供的一种畸变的示意图；

图14为本发明实施例提供的一种离焦曲线的示意图；

图15为本发明实施例提供的一种色差的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为现有技术中的一种AR装置的结构示意图。AR装置包括图像源、透镜、半透半反镜A和半透半反镜B。其中，图像源与透镜是介于第一半透半反镜和第二半透半反镜之间，由于第一半透半反镜与入瞳区域之间需要一定的间隔，因此，图像源与透镜与佩戴AR的用户的距离会较远，由于图像源与透镜是有一定重量的，若眼睛与图像源之间的长度为动力臂的话，根据杠杆原理，动力臂越长越费力，使得佩戴AR的用户因为图像源与透镜的重量会导致在长时间佩戴该装置的时候会很累，降低佩戴AR的用户的体验感。

而且，由于现有技术中对镜片的切割、镀膜、粘贴、打磨等工艺要求较高，因此生产的镜片合格率也较低，从而使得现有技术中的镜片价格昂贵，生产成本较高，不利于量产该AR装置。

鉴于此，本发明实施例提供了一种光学显示装置。该装置可以实现降低佩戴AR的用户长时间佩戴产生的劳累感以及降低生产成本实现大量生产。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种光学显示装置的结构示意图。该光学显示装置200包括图像源201、全反镜202、第一半透半反镜203和第二半透半反镜204。其中图像源201用于发射第一光线，第一光线携带虚拟图像信息。全反镜202用于将来自图像源的第一光线反射至第一半透半反镜。第一半透半反镜203用于将第一光线反射至第二半透半反镜。第二半透半反镜204用于将第一光线反射至第一半透半反镜，并将携带现实图像信息的第二光线透射至第一半透半反镜。第一半透半反镜203还用于将经第二半透半反镜反射的第一光线、及经第二半透半反镜透射的第二光线透射至入瞳区域。

本发明实施例中的所使用的全反镜、第一半透半反镜和第二半透半反镜均是常规镜片，这种常规镜片的制作工艺简单，生产合格率较高，从而使得这种常规镜片的价格便宜，经济实惠，从而降低光学显示装置的生产成本，适合大规模的生产。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种第一光线的传输路径示意图。光学显示装置还包括非球面透镜，其中非球面透镜位于图像源与全反镜之间，首先，图像源发射第一光线，其中第一光线携带虚拟图像信息，然后第一光线透过非球面透镜透射至全反镜。具体来说，第一光线共有三个波长，分别是0.486um，0.587um，0.656um这三个值，这个三个波长组合一起即是可见光的波长，图像源、非球面透镜和全反镜处于同一平面上，图像源与非球面透镜之间的距离范围为(1mm，3mm)，例如，非球面透镜与图像源之间的距离可以是2mm。根据非球面透镜与图像源的距离，可以确定非球面透镜与图像源的位置。

如图4所示，为本发明实施例提供的一种非球面透镜的结构示意图。非球面透镜的焦距为f，其中f的范围满足公式1：

20mm<|f|<70mm 公式1

例如，非球面透镜的焦距可以是34.1mm。

非球面透镜的第一面的曲率半径为R1，其中R1的范围满足公式2：

10mm<|R1|<60mm 公式2

例如，非球面透镜的第一面的曲率半径可以是-54.1mm。

非球面透镜的第二面的曲率半径为R2，其中R2的范围满足公式3：

|R1|>200mm 公式3

例如，非球面透镜的第二面的曲率半径可以是-237.4mm。

非球面透镜的折射率为N1，其中V1的范围满足公式4：

1.4<|N1|<1.85 公式4

例如，非球面透镜的折射率可以是1.5。

非球面透镜的阿贝数为V1，其中V1的范围满足公式5：

25<|V1|<75 公式5

例如，非球面透镜的阿贝数可以是50。

非球面透镜的第一面的中心点与第二面的中心点之间的距离为3mm，也就是说非球面透镜的厚度为3.0mm。其中非球面透镜的作用是进行球面像差矫正，具体来说，球面像差是由使用球面表面来聚焦或对准光线而产生的，也就是说所有球面表面，无论是否存在任何的测量误差和制造误差，都会出现球差，因此，可以通过对圆锥常数和非球面系数进行调整，从而使得非球面透镜可以得到优化，可以最大限度的减少像差。

根据第一光线的传输路径，当图像源将第一光线发射至非球面透镜后，非球面透镜将第一光线透射至全反镜，然后全反镜将第一光线反射至第一半透半反镜中。通过加入全反镜，从而实现改变第一光线的传播路径，使得图像源与非球面透镜可以不位于第一半透半反镜和第二半透半反镜之间，而是将图像源和非球面透镜放置在靠近佩戴AR的用户的位置，若眼睛与图像源之间的长度为动力臂的话，根据杠杆原理，动力臂越短越省力，从而提高佩戴AR的用户佩戴该装置时的轻便性，提高佩戴AR的用户的体验感。全反镜最大限度的将第一光线反射至第一半透半反镜，需要确定全反镜的位置以及偏向的角度。由于非球面透镜的位置已确定，现以非球面透镜为参照物，确定全反镜的位置。具体来说，全反镜相对于非球面透镜向上平移的范围为(0.5mm，2mm)，例如，全反镜相对于非球面透镜向上平移1mm，全反镜与非球面透镜形成的第三角度为θ3，其中θ3的范围满足公式6：

20°<θ3<50° 公式6

例如，全反镜与非球面透镜形成的第三角度为40°，可参见图5。全反镜与第一半透半反镜平行，全反镜的中心点与第一半透半反镜的中心点之间的距离范围为[7mm，13mm]，例如，全反镜的中心点与第一半透半反镜的中心点之间的距离可以是9.8mm。

如图6所示，为本发明实施例中第一半透半反镜与全反镜之间的结构示意图。根据全反镜的位置已确定，现以全反镜为参照物，确定第一半透半反镜的位置。全反镜与第一半透半反镜形成的第二角度的范围为(-20°，20°)，举个例子，若全反镜与第一半透半反镜之间是平行的，那么，全反镜与第一半透半反镜之间的第二角度为0，第一半透半反镜相对于全反镜向下平移的范围为[10，14]，例如，第一半透半反镜相对于全反镜向下平移12mm。

为了使第一半透半反镜可以最大限度的将第一光线反射到第二半透半反镜中，需要确定第一半透半反镜与第二半透半反镜之间的位置关系。具体来说，第一半透半反镜是平面半透半反镜，第一半透半反镜的透过率为C1，其中C1的范围满足公式7：

35％<C1<65％ 公式7

例如，第一半透半反镜的透过率可以为50％。

第一半透半反镜的反射率为K1，其中K1的范围满足公式8：

35％<K1<65％ 公式8

例如，第一半透半反镜的反射率可以为50％。

第二半透半反镜是凹型半透半反镜，第二半透半反镜的透过率为C2，其中C2的范围满足公式9：

35％<C2<65％ 公式9

例如，第二半透半反镜的透过率可以为50％。

第二半透半反镜的反射率为K2，其中K1的范围满足公式10：

35％<K2<65％ 公式10

例如，第二半透半反镜的反射率可以为50％。

第二半透半反镜的曲率半径为R3，其中R3的范围满足公式11：

40mm<|R3|<120mm 公式11

例如，第二半透半反镜的曲率半径为-88.113mm。

第一半透半反镜的中心点到第二半透半反镜的中心点之间的距离范围为[10，15]，例如，第一半透半反镜的中心点到第二半透半反镜的中心点的距离可以是12.3mm。其中由于第一半透半反镜已确定位置，现以第一半透半反镜为参照物，确定第二半透半反镜的位置。第二半透半反镜相对于第一半透半反镜向下平移的范围为[4，8]，例如，第二半透半反镜相对于第一半透半反镜向下平移6mm。第一半透半反镜与第二半透半反镜形成的第一角度的范围为(-20°，-50°)，例如，第一半透半反镜与第二半透半反镜形成的第一角度为40°，参见图7。由于第二半透半反镜是凹型半透半反镜，第二半透半反镜将第一光线发射至第一半透半反镜，并将携带显示图像信息的第二光线透射至第一半透半反镜，从而可以实现将第一光线聚拢反射至第一半透半反镜以及将第二光线聚拢反射至第一半透半反镜。

如图8所示，为本发明实施例提供的一种入瞳区域和第一半透半反镜之间结构示意图。根据第一半透半反镜的位置，确定入瞳区域的位置。具体来说，入瞳区域的中心点与第一半透半反镜的中心点之间的距离范围为[10mm，18mm]，例如，入瞳区域的中心点与第一半透半反镜的中心点之间的距离为12.7mm。其中入瞳区域的直径范围为[4mm，8mm]，例如，入瞳区域的直径为4mm。

如图9所示，为本发明实施例提供的一种四分之一nyp的MTF的示意图，如图10所示，为本发明实施例提供的一种二分之一nyp的MTF的示意图，如

图11所示，为本发明实施例提供的一种全nyp的MTF的示意图。其中调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)，是衡量镜头性能的一个重要指标，其中曲率、镜片厚度和镜片间隔都会影响MTF值，MTF值越接近1越好，即MTF线越高越好，由图可知，光学显示装置的成像水平较高。

如图12所示，为本发明实施例提供的一种场曲的示意图。具体来说，垂直于主轴的图像源经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲，如图12可知，场曲曲线较平缓，因此该光学显示装置的成像误差较小，成像较完美。

如图13所示，为本发明实施例提供的一种畸变的示意图。具体来说，图像源平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。如图13可知，畸变的图像较为平缓，因此该光学显示装置的成像误差较小，成像较清晰。

如图14所示，为本发明实施例提供的一种离焦曲线的示意图。离焦曲线是用来评价多焦或者调节人工晶体不同距离视力的工具，其中曲率镜片厚度和镜片间隔都会影响离焦曲线，由图14可以看出，离焦曲线的曲线较平缓，从而可以使得不同视力的佩戴AR的用户的入瞳图像都很清晰。

如图15所示，为本发明实施例提供的一种色差的示意图。图像源通过透镜所成的像的边缘往往都带有颜色，这种现象称为色差，这是由于玻璃对不同色光的折射率不同所造成的。将本方案的三个不同波长的光输入即可生成色差。由图15可以看出，该光学显示装置的色差较小，成像较清晰。

Claims (13)

1.一种光学显示装置，其特征在于，包括图像源、全反镜、第一半透半反镜和第二半透半反镜；

所述图像源，用于发射第一光线，所述第一光线携带虚拟图像信息；

所述全反镜，用于将来自所述图像源的所述第一光线反射至所述第一半透半反镜；

所述第一半透半反镜，用于将所述第一光线反射至所述第二半透半反镜；

所述第二半透半反镜，用于将所述第一光线反射至所述第一半透半反镜，并将携带现实图像信息的第二光线透射至所述第一半透半反镜；

所述第一半透半反镜，还用于将经所述第二半透半反镜反射的第一光线、及经所述第二半透半反镜透射的第二光线透射至入瞳区域。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像源与所述全反镜处于同一水平面上；和/或，

所述全反镜与所述第一半透半反镜平行。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入瞳区域与所述第一半透半反镜之间的距离范围为[10mm，18mm]。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半透半反镜的中心点与所述第二半透半反镜中心点之间的距离范围为[10mm，15mm]。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半透半反镜的中心点到所述全反镜的中心点的距离范围为[7mm，13mm]。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括非球面透镜，所述非球面透镜位于所述图像源与所述全反镜之间。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非球面透镜与所述图像源之间的距离范围为[1mm，3mm]。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半透半反镜是平面半透半反镜，所述第一半透半反镜的透过率的范围为(35％，65％)，所述第一半透半反镜的反射率的范围为(35％，65％)。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二半透半反镜是凹型半透半反镜，所述第二半透半反镜的透过率的范围为(35％，65％)，所述第二半透半反镜的反射率的范围为(35％，65％)，所述第二半透半反镜的曲率半径的范围为(40mm，120mm)。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半透半反镜与所述第二半透半反镜形成的第一角度的范围为(-20°，-50°)。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半透半反镜与所述全反镜之间形成的第二角度的范围为(-20°，20°)。

12.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非球面透镜与所述全反镜之间形成的第三角度的范围为(20°，50°)。

13.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非球面透镜的焦距的范围为(20mm，70mm)；和/或，

所述非球面透镜的第一面曲率半径的范围为(10mm，60mm)，和/或，

所述非球面透镜的第二面曲率半径的范围为不小于200mm，和/或，

所述非球面透镜的折射率的范围为(1.4，1.85，)和/或，

所述非球面透镜的阿贝数的范围为(25，75)。

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