CN115185081A - 基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜，包括折叠式折反光学系统、实像投影系统以及透明显示屏幕；所述实像投影系统发出的光线在所述透明显示屏幕表面形成实像，并经过所述透明显示屏幕反射和散射后形成左旋偏振光，进入折叠式折反光学系统，并在折叠式折反光学系统中的光学折反腔内实现光路折叠及偏振态的转化，从而透过折叠式折反光学系统，进入人眼；环境光经过所述透明显示屏幕和所述折叠式折反光学系统，进入人眼。上述近眼显示设备，在不增加屏幕大小的前提下，通过加入共轴的短焦折反投影系统，结合实像投影系统和透明显示屏幕，实现了更大的放大率和视场角，提高了成像的清晰度和沉浸感。

Description

基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体涉及一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜。

背景技术

传统的离轴一次反射光学近眼显示方案结构非常简单，但是由于仅有一个曲面来同时实现图像放大和矫正系统像差，因此成像质量较差，显示效果不佳，且视场角的增大非常依赖于屏幕大小。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜，能够实现更大的放大率和视场角，提高成像的清晰度和沉浸感。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的折叠式折反光学系统、实像投影系统以及透明显示屏幕；

其中，折叠式折反光学系统包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，所述半透半反膜贴或镀在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面，所述偏振反射元件和所述半透半反膜之间形成光学折反腔；

所述实像投影系统发出的光线在所述透明显示屏幕表面形成实像，并经过所述透明显示屏幕反射和散射后形成左旋偏振光，进入折叠式折反光学系统，并在折叠式折反光学系统中的光学折反腔内实现光路折叠及偏振态的转化，从而透过折叠式折反光学系统，进入人眼；

环境光经过所述透明显示屏幕和所述折叠式折反光学系统，进入人眼。

优选地，所述主透镜为薄透镜或透镜组。

优选地，所述折叠式折反光学系统还包括辅透镜，所述辅透镜设置在所述主透镜单侧或双侧，以实现无光焦度的增强现实显示，或在光学系统中引入额外的光焦度，实现视度调节和视力矫正；所述主透镜及所述辅透镜胶合。

优选地，所述实像投影系统包括微型显示器件、超短焦投影系统或MEMS反射型扫描器件以及圆偏振元件。

优选地，所述折叠式折反光学系统中存在至少一个非球面面型。

优选地，所述近眼显示设备还包括眼镜架，所述折叠式折反光学系统为角膜接触镜，所述实像投影系统安装在所述眼镜架的镜腿上，所述透明显示屏幕作为镜片安装在所述眼镜架上。

优选地，所述半透半反膜全部覆盖或者环形覆盖角膜及黑色瞳孔部分；所述偏振反射元件和所述相位延迟元件全部覆盖角膜及黑色瞳孔部分。

优选地，透明显示屏幕为使用全息光致聚合物材料和双相干光曝光方法加工的透明显示屏幕，所述透明显示屏幕实现对来自外界环境的光的无光焦度透射，以及对来自实像投影系统的光产生反射和散射作用。

一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的角膜接触镜，以角膜接触镜作为折叠式折反光学系统，所述角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，所述半透半反膜镀在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面，角膜接触镜将角膜和中间黑色瞳孔部分全部覆盖住。

一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的角膜接触镜，以角膜接触镜作为折叠式折反光学系统，所述角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面镀有半透半反膜，透镜中间部分具有圆形孔洞，覆盖人眼瞳孔的部分区域。

本发明的有益效果为：

1、本发明在不增加屏幕大小的前提下，通过加入共轴的短焦折反投影系统，结合实像投影系统和透明显示屏幕，与传统的近眼显示方案相比，实现了更大的放大率和视场角，提高了成像的清晰度和沉浸感，同时增大了系统的出瞳直径和出瞳距离，覆盖了不同瞳距的观看人群，满足了观察者的舒适性要求。

2、本发明的近眼显示设备可以提供视度匹配的光学效果，为观察者定制近视，远视或散光的视力矫正功能，使观察者可以无需佩戴其他视力矫正眼镜即可同时看到清晰的虚拟画面和外界真实世界的图像。

3、本发明近眼显示设备的短焦折反投影系统，通过增加透镜的数量，采用非球面面型，增加了光学设计的自由度，可以有效矫正系统像差，提高虚拟图像的显示清晰度。各个透镜之间不含有空气层，进一步缩小了系统的长度，并且消除了镜组内部在透镜表面上产生的反射杂光，提升了系统的光能利用率，进一步消除了鬼像。

4、本发明的角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜。观察者在佩戴使用之前可先经过验光确定近视，远视以及散光度数。在设计该隐形眼镜时，即可将视力矫正考虑其中，通过为观察者提供适合的透射视度，使得观察者在只佩戴该隐形眼镜时，能观察到清晰的真实世界。当观察者进一步佩戴实像投影系统和透明显示屏幕组成的眼镜时，可以实现在外界真实场景上叠加由图像源产生的虚拟场景，形成增强现实显示的功能。角膜接触镜将角膜和中间黑色瞳孔全部覆盖住。观察者通过任何一个区域都可以看到虚拟场景和真实场景的叠加效果，实现了大视场角和极致轻薄化的增强现实显示系统。

5、相对于角膜接触镜将角膜和中间黑色瞳孔全部覆盖住，本发明基于角膜接触镜的近眼显示设备中，角膜接触镜还可以覆盖住人眼瞳孔的部分区域和角膜，其中，透镜中间部分具有2～3mm的圆形孔洞，仅覆盖人眼瞳孔二分之一的区域，使透镜的有效通光区域为一个环形。在透镜远离人眼一侧表面设置有半透半反膜，所述半透半反膜仅环形覆盖黑色瞳孔的部分区域；所述偏振反射元件和所述相位延迟元件设置在透镜的另一侧表面，全部覆盖角膜及黑色瞳孔部分。来自真实世界的光线为自然光，进入透明显示屏幕，其中一部分图像信号经透明显示屏幕反射损失掉，另一部分图像信号透射进入相位延迟元件，由于进入的光为自然光，经过相位延迟元件透射后仍然为自然光，并进入偏振反射元件，其中一部分图像信号被偏振反射元件反射损失掉，另一部分图像信号透射进入出瞳，形成外界真实世界的图像。由于外界光路中少了透镜和半透半反膜的反射损失，其光能利用率提高了一倍，大大增加了增强现实显示的透过率。而偏振反射元件和相位延迟元件依然可以提供视度匹配功能，使观察者可以清晰地观察到真实世界。

附图说明

图1是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备示意图。

图2是本发明基于角膜接触镜的近眼显示设备示意图，其中，角膜和中间黑色瞳孔部分被角膜接触镜全部覆盖住。

图3是本发明图2所示近眼显示设备的正视图。

图4是本发明基于角膜接触镜的近眼显示设备示意图，其中，人眼瞳孔的部分区域被角膜接触镜覆盖。

图5是本发明图4所示近眼显示设备的正视图。

图6是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的实施例1示意图。

图7是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的实施例2示意图。

图8是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的实施例3示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行示意性的详细描述。

本发明采用短焦折反投影系统、实像投影系统和透明显示屏幕相结合的新型近眼显示光学方案，在保证系统轻薄性的同时，通过对光线路径的折叠，在同样的物理尺寸下缩短了系统的焦距，在使用相同大小的图像显示器件时，大大提高了系统的视场角，可以给观察者带来更好的沉浸效果，并增加了出瞳直径和出瞳距离，满足了近眼显示系统的舒适性要求，且可以为观察者进行视度匹配，以满足观察者在无需佩戴额外的近视眼镜或远视眼镜等视力矫正设备的情况下，就可以观察到清晰的虚拟图像和真实世界。

图1是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备示意图。本发明近眼显示设备包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的折叠式折反光学系统105、实像投影系统106以及透明显示屏幕107。

其中，折叠式折反光学系统105包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件102、相位延迟元件103、主透镜及半透半反膜104，其中，所述半透半反膜104贴或镀在主透镜靠近透明显示屏幕107一侧的表面。所述偏振反射元件102和所述半透半反膜104之间形成光学折反腔。折叠式折反光学系统的焦距范围为14～25mm，因此可称为短焦投影系统。

其中，实像投影系统106包括LCD、OLED或LCOS等微型显示器件、超短焦投影系统(或MEMS反射型扫描器件)以及圆偏振元件，用于发射右旋圆偏振光。其中，超短焦投影系统可以以较小的投射比实现在短距离内投射出大视场的清晰画面，从而将微型显示器件上的图像信号以实像的形式投射到透明显示屏幕107上，透明显示屏幕107使光线散射和反射后进入折叠式折反光学系统105中，散射和反射后的图像信号由右旋圆偏振光转换成左旋圆偏振光。超短焦投影系统可以替换为MEMS反射型扫描器件，MEMS为反射扫描型器件，其成像方式为通过逐行扫描形成图像。MEMS将微型显示器件上的图像信号通过反射和扫描投射到透明显示屏幕107上，透明显示屏幕107再将光线反射散射进入折叠式折反光学系统105中，散射和反射后的图像信号由右旋圆偏振光转换成左旋圆偏振光。

其中，透明显示屏幕107为使用全息光致聚合物材料和双相干光曝光方法加工的透明显示屏幕，可以实现对来自外界环境的光无光焦度透射，对来自实像投影系统106的光产生反射和散射作用，起到投影屏幕作用的同时可以清晰的透过真实世界的图像信号。

上述近眼显示设备的视场角范围为50～100度，焦距范围为14～25mm，放大率范围为10～18，出瞳距离范围为0～12mm，出瞳直径范围为2～12mm。

本发明显示设备具体的工作过程为：来自显示器件的图像信号经透明显示屏幕107反射和散射后，到达折叠式折反光学系统105，其中一部分图像信号经半透半反膜104反射损失掉，另一部分图像信号经主透镜透射进入相位延迟元件103，相位延迟元件103对进入的左旋圆偏振光产生相位延迟并转换为S型线偏振光，S型线偏振光进入偏振反射元件102，偏振反射元件102为透射P型线偏振光反射S型线偏振光的偏振反射元件，故将图像信号反射，进入相位延迟元件103，相位延迟元件103对进入的光产生相位延迟并转换为左旋圆偏振光并透射，进入主透镜，其中一部分图像信号经半透半反膜104透射损失掉，另一部分图像信号经过半透半反膜104反射并转换为右旋圆偏振光，经过主透镜，进入相位延迟元件103，相位延迟元件103对进入的右旋圆偏振光产生相位延迟并转换为P型线偏振光，进入偏振反射元件102，图像信号经过偏振反射元件102透射并进入出瞳101(人眼所在的出瞳位置)形成图像。

其中，偏振反射元件102和相位延迟元件103可为独立的偏振反射元件和相位延迟元件，或贴在其他透镜表面上。主透镜可为前后曲率半径相等的薄透镜或透镜组。

此外，所述折叠式折反光学系统105还包括辅透镜，所述辅透镜设置在所述主透镜单侧或双侧，以实现无光焦度的增强现实显示，或在光学系统中引入额外的光焦度，实现视度调节和视力矫正。进一步地，所述主透镜及所述辅透镜胶合。关于主透镜和辅透镜的设置方式参见下文中的具体实施例。

具体地，来自真实世界的光线为自然光，进入透明显示屏幕107，其中一部分图像信号经透明显示屏幕107反射损失掉，另一部分图像信号透射进入折叠式折反光学系统105，其中一部分图像信号经半透半反膜104反射损失掉，另一部分图像信号经过主透镜透射进入相位延迟元件103，由于进入的光为自然光，经过相位延迟元件103透射后仍然为自然光，并进入偏振反射元件102，其中一部分图像信号被偏振反射元件102反射损失掉，另一部分图像信号透射进入出瞳101(人眼)，形成外界真实世界的图像。

主透镜和辅透镜可以组成无光焦度的透镜组，故人眼可以看到到外界无透射畸变的图像。另外，本发明的近眼显示设备还可以根据观察者的视力情况，为其单独适配不同光焦度的透镜或透镜组，以实现视度调节和视力矫正，使得观察者无需另外佩戴近视眼镜或远视眼镜等视力矫正设备，即可观察到清晰的外界环境。

本发明在增强现实显示的一种应用是以角膜接触镜(也可称为隐形眼镜)作为折叠式折反光学系统，得到基于角膜接触镜的近眼显示设备。所述近眼显示设备还包括眼镜架，所述折叠式折反光学系统为角膜接触镜，所述实像投影系统安装在所述眼镜架的镜腿上，所述透明显示屏幕作为镜片安装在所述眼镜架上。其中，角膜接触镜105包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件102、相位延迟元件103、主透镜以及半透半反膜104，其中，所述半透半反膜104设置在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面。在主透镜的单侧或双侧设置辅透镜，以实现无光焦度的增强现实显示，或在光学系统中引入额外的光焦度，实现视度调节和视力矫正。

图2是本发明基于角膜接触镜的近眼显示设备示意图，其中，角膜和中间黑色瞳孔部分被角膜接触镜全部覆盖住。图2所示的本发明基于角膜接触镜的近眼显示设备包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的出瞳101、角膜接触镜105、实像投影系统106以及透明显示屏幕107。其中，实像投影系统106可安装在眼镜镜腿位置，透明显示屏幕107位于眼镜的镜片位置。实像投影系统106和透明显示屏幕107共同组成了一副普通眼镜的形态。具体地，角膜接触镜105为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的形态。观察者在佩戴使用之前可先经过验光确定近视，远视以及散光度数。在设计该角膜接触镜时，即可将视力矫正考虑其中，通过为观察者提供适合的透射视度，使得观察者在只佩戴该角膜接触镜时，能观察到清晰的真实世界。当观察者进一步佩戴实像投影系统106和透明显示屏幕107组成的眼镜时，可以实现在外界真实场景上叠加由图像源产生的虚拟场景，形成增强现实显示的功能。图3为该系统的正视图，角膜接触镜105将角膜和中间黑色瞳孔部分全部覆盖住。观察者通过角膜接触镜105的任何一个区域都可以看到虚拟场景和真实场景的叠加效果。该方案实现了大视场角和极致轻薄化的增强现实显示系统。

图4是本发明基于角膜接触镜的近眼显示设备示意图，其中，人眼瞳孔的部分区域和角膜被角膜接触镜覆盖住。图5是本发明图4近眼显示设备的正视图。图4所示的本发明基于角膜接触镜的近眼显示设备包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的出瞳101、角膜接触镜105、实像投影系统106以及透明显示屏幕107。其中，透镜114中间部分具有2～3mm的圆形孔洞，仅覆盖人眼瞳孔二分之一的区域。使透镜114的有效通光区域为一个环形。在透镜114远离人眼一侧表面设置有半透半反膜104，所述半透半反膜104仅环形覆盖黑色瞳孔的部分区域；所述偏振反射元件102和所述相位延迟元件103设置在透镜114的另一侧表面，全部覆盖角膜及黑色瞳孔部分。来自真实世界的光线为自然光，进入透明显示屏幕107，其中一部分图像信号经透明显示屏幕107反射损失掉，另一部分图像信号透射进入相位延迟元件103，由于进入的光为自然光，经过相位延迟元件103透射后仍然为自然光，并进入偏振反射元件102，其中一部分图像信号被偏振反射元件102反射损失掉，另一部分图像信号透射进入出瞳101，形成外界真实世界的图像。与前述应用相比，该方案由于外界光路中少了透镜114和半透半反膜104的反射损失，其光能利用率提高了一倍，大大增加了增强现实显示的透过率。而偏振反射元件102和相位延迟元件103依然可以提供视度匹配功能，使观察者可以清晰地观察到真实世界。

观察者在佩戴了实像投影系统106和透明显示屏幕107组成的眼镜时，来自显示器件的图像信号在经过透镜114外侧环形区域时可以通过折反光路进入人眼。而经过透镜114中央孔洞区域的光由于是左旋圆偏振光，相位延迟元件103对进入的左旋圆偏振光产生相位延迟并转换为S型线偏振光，进入偏振反射元件102，偏振反射元件102为透射P型线偏振光反射S型线偏振光的偏振反射元件，故将图像信号反射。反射的图像信号由于没有经过透镜114再次反射，无法在人眼处形成图像。偏振反射元件102和相位延迟元件103的存在避免了从显示器件发出的图像信号在透明显示屏幕107上反射一次后直接进入人眼，形成杂光。

图6是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的实施例1示意图。基于短焦折反投影系统的近眼显示设备包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的出瞳101、凸平透镜11、偏振反射元件102、相位延迟元件103、第一平凸透镜12、半透半反膜、双凹透镜13以及透明显示屏幕107。其中，第一平凸透镜12是主透镜，凸平透镜11和双凹透镜13是辅透镜。

其中，本发明实施例1中的折叠式折反光学系统为凸平透镜11、偏振反射元件102、相位延迟元件103、第一平凸透镜12、半透半反膜以及双凹透镜13胶合在一起的透镜组，透镜组中每两个相邻元件之间都不含有空气层。透镜组可通过不同透镜的面型差异，结合每个透镜的不同材料，改变整个系统的光焦度，以实现无光焦度的增强现实显示和矫正视力的增强现实显示，由此适用于正常视力人群和屈光不正人群。

其中，凸平透镜11、第一平凸透镜12以及双凹透镜13为含有非球面表面的树脂注塑镜片或玻璃非球面镜片。

具体地，凸平透镜11靠近人眼一侧表面(S11)为非球面，远离人眼一侧表面(S12)为平面，第一平凸透镜12靠近人眼一侧表面(S21)为平面，远离人眼一侧表面(S22)为非球面，双凹透镜13靠近人眼一侧表面(S31)为非球面，远离人眼一侧表面(S32)为非球面。S11表面与空气接触，S12后依次胶合着偏振反射元件102和相位延迟元件103，偏振反射元件102后表面为分光面，S22表面设置有半透半反膜，S22表面为另一分光面，偏振反射元件102后表面和S22表面构成光学折反腔，S22表面和S31表面曲率半径和面型相同，S32表面与空气接触。表1为第一实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。

表1光学镜组中各光学表面的参数

序号

表面类型

曲率半径(单位mm)

厚度(单位mm)

折射率

阿贝数

属性

S11

非球面

154.52

2.09

1.5855

29.91

折射

S12

平面

无穷

0

折射

S21

平面

无穷

5.50

1.5460

58.57

折射

S22

非球面

-44.97

0

折射/反射

S31

非球面

-44.97

1.50

1.5855

29.91

折射

S32

非球面

269.62

折射

在该实施例中，通过增加透镜的数量，采用非球面面型，增加了光学设计的自由度，可以有效矫正系统像差，提高虚拟图像的显示清晰度。各个透镜之间不含有空气层，进一步缩小了系统的长度，并且消除了镜组内部在透镜表面上产生的反射杂光，提升了系统的光能利用率，进一步消除了鬼像。

图7是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的实施例2示意图。基于短焦折反投影系统的近眼显示设备包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的出瞳101、凹平透镜21、偏振反射元件102、相位延迟元件103、第二平凸透镜22、弯月透镜23、半透半反膜以及透明显示屏幕107。其中，凹平透镜21是辅透镜，第二平凸透镜22和弯月透镜23组成主透镜。

其中，本发明实施例2为凹平透镜21、偏振反射元件102、相位延迟元件103、第二平凸透镜22、弯月透镜23以及半透半反膜胶合在一起的透镜组，透镜组中每两个相邻元件之间都不含有空气层。透镜组可通过不同透镜的面型差异，结合每个透镜的不同材料，改变整个系统的光焦度，以实现无光焦度的增强现实显示和矫正视力的增强现实显示，由此适用于正常视力人群和屈光不正人群。

其中，凹平透镜21、第二平凸透镜22以及弯月透镜23为含有非球面表面的树脂注塑镜片或玻璃非球面镜片。

具体地，凹平透镜21靠近人眼一侧表面(S11)为非球面，远离人眼一侧表面(S12)为平面，第二平凸透镜22靠近人眼一侧表面(S21)为平面，远离人眼一侧表面(S22)为非球面，弯月透镜23靠近人眼一侧表面(S31)为非球面，远离人眼一侧表面(S32)为非球面。S11表面与空气接触，S12后依次胶合着偏振反射元件102和相位延迟元件103，偏振反射元件102后表面为分光面，偏振反射元件102后表面和S32表面构成光学折反腔，S22表面和S31表面曲率半径和面型相同，S32表面与空气接触。表2为第二实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。

表2光学镜组中各光学表面的参数

序号

表面类型

曲率半径(单位mm)

厚度(单位mm)

折射率

阿贝数

属性

S11

非球面

-80.26

2.00

1.5855

29.91

折射

S12

平面

无穷

0

折射

S21

平面

无穷

5.50

1.5460

58.57

折射

S22

非球面

-51.23

0

折射

S31

非球面

-51.23

5.50

1.5855

29.91

折射

S32

非球面

-65.51

折射/反射

在该实施例中，S32表面为另一分光面，偏振反射元件102后表面和S32表面共同形成光学折反腔，在相同物理长度的条件下，进一步加长了光程，提供了更大的光焦度和更小的焦距，可以为观察者产生更大视场角和更强的沉浸感。

图8是本发明基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的实施例3示意图。

基于短焦折反投影系统的近眼显示设备包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的出瞳101、第一凹透镜31、偏振反射元件102、相位延迟元件103、凸透镜32、第二凹透镜33、半透半反膜以及透明显示屏幕107。其中，第一凹透镜31为辅透镜，凸透镜32和第二凹透镜33组成主透镜。

其中，本发明实施例3为第一凹透镜31、偏振反射元件102、相位延迟元件103、凸透镜32、第二凹透镜33以及半透半反膜胶合在一起的透镜组，透镜组中每两个相邻元件之间都不含有空气层。透镜组可通过不同透镜的面型差异，结合每个透镜的不同材料，改变整个系统的光焦度，以实现无光焦度的增强现实显示和矫正视力的增强现实显示，由此适用于正常视力人群和屈光不正人群。

其中，第一凹透镜31、凸透镜32以及第二凹透镜33为含有非球面表面的树脂注塑镜片或玻璃非球面镜片。

具体地，第一凹透镜31靠近人眼一侧表面(S11)为非球面，远离人眼一侧表面(S12)为球面，凸透镜32靠近人眼一侧表面(S21)为球面，远离人眼一侧表面(S22)为非球面，第二凹透镜33靠近人眼一侧表面(S31)为非球面，远离人眼一侧表面(S32)为非球面。S11表面与空气接触，S12和S21表面曲率半径相等，S12后依次胶合着偏振反射元件102和相位延迟元件103，偏振反射元件102后表面为分光面，S22表面和S31表面曲率半径和面型相同，S32表面与空气接触，S32为另一分光面，在S12表面和S32表面之间构成光学折反腔。表3为第三实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。

表3光学镜组中各光学表面的参数

序号	表面类型	曲率半径(单位mm)	厚度(单位mm)	折射率	阿贝数	属性
							S11	非球面	-27.53	2.00	1.5855	29.91	折射
S12	球面	-28.86	0			折射
							S21	球面	-28.86	5.50	1.5460	58.57	折射
S22	非球面	-19.74	0			折射
							S31	非球面	-19.74	5.50	1.5855	29.91	折射
S32	非球面	-31.56				折射/反射

在该实施例中，与图7类似，S32表面为另一分光面，偏振反射元件103后表面和S32表面共同形成光学折反腔，在相同物理长度的条件下，进一步加长了光程，提供了更大的光焦度和更小的焦距，可以为观察者产生更大视场角和更强的沉浸感。同时，在该实施例中，将第一凹透镜31和凸透镜32相邻的表面面型设置为球面，相对于平面面型，提高了系统的优化自由度，进一步对像差进行校正，减小了系统的焦距，使系统总长减小，口径减小，成像更加清晰。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备，其特征在于，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的折叠式折反光学系统、实像投影系统以及透明显示屏幕；

其中，折叠式折反光学系统包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，所述半透半反膜贴或镀在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面，所述偏振反射元件和所述半透半反膜之间形成光学折反腔；

所述实像投影系统发出的光线在所述透明显示屏幕表面形成实像，并经过所述透明显示屏幕反射和散射后形成左旋偏振光，进入折叠式折反光学系统，并在折叠式折反光学系统中的光学折反腔内实现光路折叠及偏振态的转化，从而透过折叠式折反光学系统，进入人眼；

环境光经过所述透明显示屏幕和所述折叠式折反光学系统，进入人眼。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主透镜为薄透镜或透镜组。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述折叠式折反光学系统还包括辅透镜，所述辅透镜设置在所述主透镜单侧或双侧，以实现无光焦度的增强现实显示，或在光学系统中引入额外的光焦度，实现视度调节和视力矫正；所述主透镜及所述辅透镜胶合。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述实像投影系统包括微型显示器件、超短焦投影系统或MEMS反射型扫描器件以及圆偏振元件。

5.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述折叠式折反光学系统中存在至少一个非球面面型。

6.如权利要求1-4任意一项所述的设备，其特征在于，还包括眼镜架，所述折叠式折反光学系统为角膜接触镜，所述实像投影系统安装在所述眼镜架的镜腿上，所述透明显示屏幕作为镜片安装在所述眼镜架上。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述半透半反膜全部覆盖或者环形覆盖角膜及黑色瞳孔部分；所述偏振反射元件和所述相位延迟元件全部覆盖角膜及黑色瞳孔部分。

8.如权利要求1-4所述的设备，其特征在于，透明显示屏幕为使用全息光致聚合物材料和双相干光曝光方法加工的透明显示屏幕，所述透明显示屏幕实现对来自外界环境的光的无光焦度透射，以及对来自实像投影系统的光产生反射和散射作用。

9.一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的角膜接触镜，其特征在于，用于如权利要求6所述设备，以角膜接触镜作为折叠式折反光学系统，所述角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，所述半透半反膜镀在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面，角膜接触镜将角膜和中间黑色瞳孔部分全部覆盖住。

10.一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的角膜接触镜，其特征在于，用于如权利要求6所述设备，以角膜接触镜作为折叠式折反光学系统，所述角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面镀有半透半反膜，透镜中间部分具有圆形孔洞，覆盖人眼瞳孔的部分区域。

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