CN115877488A - 一种多棱镜双焦面光学模组及近眼显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多棱镜双焦面光学模组及近眼显示光学系统，至少包括主棱镜、第一辅棱镜和第二辅棱镜，其中，主棱镜包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，第一辅棱镜包括第一入射面、透反分光面和第一透射面，第二辅棱镜包括第二入射面和第二透射面；第一辅棱镜设置在主棱镜的第一光学面侧，第二辅棱镜的第二透射面和第一辅棱镜的透反分光面胶合；第一显示光路和第二显示光路共用主棱镜和第一辅棱镜；第一显示光路经第一辅棱镜和主棱镜在第一焦面位置成像，第二显示光路经第二辅棱镜、第一辅棱镜和主棱镜在第二焦面位置成像。上述多棱镜双焦面光学模组及近眼显示光学系统，能够实现虚拟现实或增强现实应用，并实现近视防控目的。

Description

一种多棱镜双焦面光学模组及近眼显示光学系统

技术领域

本发明涉及一种多棱镜双焦面光学模组，同时涉及近眼显示光学系统，属于增强现实应用领域。

背景技术

儿童和青少年处于成长发育期和用眼高峰期，帮助他(她)们建立良好的用眼习惯，针对眼部和视觉系统进行科学的物理锻炼和训练，增强眼睛调节能力，有助于防控近视，修复弱视，提升裸眼视力健康水平，减轻对于眼镜、手术等视力矫正手段的依赖性。

双焦面增强现实或虚拟现实近眼显示光学系统可以通过有规律的改变焦深，实现对眼睛功能的锻炼，充分调动眼睛的潜能，缓解视力疲劳，改善调节速度，增加调节幅度，有效地改善调节滞后、调节功能不足等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以实现增强现实显示或虚拟现实显示的多棱镜双焦面光学模组。

本发明所要解决的技术问题在于同时提供一种近眼显示光学系统。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

一种多棱镜双焦面光学模组，包括：

主棱镜，包括第一光学面、第二光学面和第三光学面；第一光学面作为所述主棱镜的入射面与视轴不相交，第二光学面和第三光学面与视轴相交，第二光学面靠近人眼设置，第三光学面远离人眼设置；

第一辅棱镜，包括第一入射面、透反分光面和第一透射面；第一辅棱镜设置在所述主棱镜的第一光学面侧；从第一入射面进入第一辅棱镜的第一光线经透反分光面反射后从第一透射面射出，然后经第一光学面进入主棱镜，并依次经过第二光学面和第三光学面反射后，透过第二光学面，进入人眼成像；第一光线经第一显示光路在第一焦面位置成像；

第二辅棱镜，包括第二入射面和第二透射面；所述第二透射面和所述透反分光面胶合；从第二入射面进入第二辅棱镜的第二光线经第二透射面进入第一辅棱镜，然后从第一透射面射出，然后经第一光学面进入主棱镜，并依次经过第二光学面和第三光学面反射后，透过第二光学面，进入人眼成像；第二光线经第二显示光路在第二焦面位置成像；

所述第一焦面和所述第二焦面的位置不同。

优选地，所述双焦面近眼显示光学系统，还包括补偿镜，设置在所述第三光学面侧，并且，所述主棱镜和所述补偿镜胶合；环境光透过所述补偿镜和所述主棱镜，进入人眼成像。

优选地，胶合的所述第一辅棱镜和所述第二辅棱镜，对第二显示光路，等效为一个正光焦度的透镜。

优选地，所述第一辅棱镜中，所述第一透射面的面型为非球面或自由曲面，所述透反分光面和所述第一入射面的面型为自由曲面；

所述第二辅棱镜的各光学表面为自由曲面。

优选地，所述第一光学面和所述第三光学面的面型是自由曲面。

优选地，所述第一显示光路、所述第二显示光路的出瞳距离为15mm～25mm。

优选地，所述第一焦面和/或所述第二焦面的位置可调整。

优选地，所述第一焦面和所述第二焦面，两者的位置变化范围为不大于-200mm的范围或不小于+200mm的范围。

一种近眼显示光学系统，包括所述多棱镜双焦面光学模组，还包括第一微显示器和第二微显示器，以提供第一光线和第二光线。

优选地，所述第一微显示器和所述第一辅棱镜之间的距离可调整，所述第二微显示器和所述第二辅棱镜之间的距离可调整。

本发明所提供的多棱镜双焦面光学模组及近眼显示光学系统，包括主棱镜、第一辅棱镜和第二辅棱镜，第一显示光路和第二显示光路共用主棱镜和第一辅棱镜，第一显示光路通过第一辅棱镜和主棱镜在第一焦面位置成像，第二显示光路通过第二辅棱镜、第一辅棱镜和主棱镜在第二焦面位置成像，两个焦面在不同的位置。人眼可以在两个焦面之间切换，从而使人眼得到锻炼，或者，使其中一个焦面正常显示，使另一个焦面离焦显示，实现近视防控。此外，通过设置补偿镜，环境光可以透过主棱镜和补偿镜成像，从而实现增强现实应用。

附图说明

图1为本发明所提供的双焦面近眼显示光学系统的整体光路示意图；

图2为图1所示双焦面近眼显示光学系统的光学表面示意图；

图3为根据本发明实施例的第一显示光路示意图；

图4为根据本发明实施例的第二显示光路示意图；

图5为根据本发明实施例的的第三显示光路示意图。

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、完整的描述，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都是属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的多棱镜双焦面光学模组，包括：主棱镜12、补偿镜13、第一辅棱镜14和第二辅棱镜16；其中，两个显示光路共用主棱镜12和第一辅棱镜14，第一显示光路通过第一辅棱镜14和主棱镜12在人眼成像，第二显示光路通过第二辅棱镜16、第一辅棱镜14和主棱镜12在人眼成像；第一显示光路和第二显示光路分别形成两个显示焦面，两个显示焦面的位置可以相同，也可以不同；与此同时，环境光通过补偿镜13和主棱镜12向人眼成像，通过使其中一个焦面成像于无穷远处，使另一个焦面位于不同的位置，可以实现具有离焦效果的增强现实显示。当光学模组中，省去补偿镜13，并在主棱镜12远离人眼侧表面设置全反膜时，可以实现虚拟现实显示，通过使人眼在两个焦面之间切换，也可以得到锻炼。

结合图1和图2，主棱镜12设置在人眼11前方，主棱镜12包括第一光学面124、第二光学面121(123)和第三光学面122；第一光学面124远离视轴，与视轴不相交，用作图像光进入主棱镜12的入射面；第二光学面121和第三光学面122正对人眼设置，与视轴相交，第二光学面121靠近人眼设置，第三光学面122远离人眼设置；根据使用场景不同，在第三光学面122设置有分光膜或全反膜，当设置分光膜时，主棱镜12结合补偿棱镜13可以透视环境光，实现增强现实显示；当设置全反膜时，仅两个显示光路进行成像，可以实现虚拟现实显示。

主棱镜12是实现光路折转的主要部分，并为系统提供主要的光焦度。其中主棱镜12的光学表面可以用球面、非球面、自由曲面来进行设计，优选的，采用自由曲面进行设计，以提高系统的显示效果，可以采用注塑的工艺进行生产，降低棱镜重量的同时还可以降低成本。其中，以第一光学面124和第三光学面122中的至少一者使用自由曲面设计为优。第二光学面121是最靠近人眼侧的外表面，优选非球面或自由曲面的设计，结合补偿镜13远离人眼侧表面131(即整个光学模组最远离人眼侧的外表面)的面型设计，可以适应不同视度人群。

第一辅棱镜14，包括第一入射面143、透反分光面142和第一透射面141。第一辅棱镜14设置在所述主棱镜12的第一光学面124侧；在第一辅棱镜13的第一入射面143侧设置有第一微显示器15。第一入射面143是面向第一微显示器15的凸面，透反分光面142为远离第一微显示器15的凸面，第一透射面141是面向人眼侧的凸面；第一辅棱镜14实现第一显示光路的折转，并校正系统畸变。其中，第一辅棱镜14的各光学表面可以用球面、非球面或者自由曲面来描述，其中以自由曲面的面型设计为优，可以改善第一显示光路的像质。第一辅棱镜14的材料可以使用树脂材料，以减轻系统重量。第一辅棱镜14中的第一透射面141、第一入射面143均对光线有折射作用，需要镀增透膜以增加光能利用率，透反分光面142为分光面，需要镀分光膜。

如图3所示的第一显示光路，第一微显示器15发出第一光线，从第一入射面143进入第一辅棱镜14在透反分光面142发生分光，部分光线被透反分光面142反射后从第一透射面143射出，然后经第一光学面124进入主棱镜12，并依次经过第二光学面123和第三光学面122反射后，部分光线透过第二光学面121，进入人眼成像；第一光线经第一显示光路在第一焦面位置成像。其中，当图像信号第一次到达第二光学面123时，包含图像信号的第一光线发生全内反射，第二光学面123与第二光学面121实际上为同一个表面，但是当光线第二次经过该表面时，由于光线已经不满足全内反射条件，此时光线会透过第二光学面面121，进入人眼。

第二辅棱镜16，包括第二入射面162和第二透射面161；其中，第二透射面161和透反分光面142具有相同面型，第二透射面161和透反分光面142胶合。在第二辅棱镜16的第二入射面162侧设置有第二微显示器17。第二入射面162是面向第二微显示器17的凸面。其中，第二辅棱镜16中的第二透射面161和第二入射面162表面均对光线有折射作用，需要镀增透膜以增加光能利用率。

如图4所示，对于第二显示光路来说，第一辅棱镜14和第二辅棱镜16胶合，第一辅棱镜14和第二辅棱镜16可等效为一个正光焦度的透镜。其中，第二辅棱镜16的各个光学表面可以用球面、非球面或者自由曲面来描述。第二辅棱镜16优选与第一辅棱镜14相同的材料，第一辅棱镜14和第二辅棱镜16的材料可以为树脂，以减轻系统重量。

对于第二显示光路，从第二入射面162进入第二辅棱镜16的第二光线，经第二透射面161和透反分光面142折射后进入第一辅棱镜14，并从第一透射面141射出，然后经第一光学面124进入主棱镜12，并依次经过第二光学面123和第三光学面122反射后，透过第二光学面121，进入人眼成像；第二光线经第二显示光路在第二焦面位置成像。

如上所示，该双焦面近眼显示光学系统，可以作为VR设备进行应用。通过第一显示光路和第二显示光路形成不同的焦面，人眼可以在两个焦面之间切换，从而进行视力训练，进行视力防控。或者，也可以使其中一个焦面正常显示，另一个焦面离焦显示，从而对人眼进行离焦刺激，实现近视防控。

优选地，该双焦面近眼显示光学系统，还包括补偿镜13，补偿镜13包括第三入射面131和第三透射面132。其中，第三透射面132和第三光学面122具有相同面型。补偿镜13设置在第三光学面122侧，并且，主棱镜12和补偿镜13胶合，主棱镜12和补偿镜13可以等效为一个透镜。主棱镜12为三个显示光路共用的部分，环境光透过补偿镜13和主棱镜12，进入人眼成像。补偿镜13的第三入射面131和第三透射面132表面均对光线有折射作用，需要镀增透膜以增加光能利用率。

为了实现用户与真实环境之间的交互，保证用户能够看清真实环境，设置补偿镜13来校正主棱镜12的透视畸变。其中补偿镜13的光学表面可以用球面、非球面、自由曲面来进行设计，优选的，采用自由曲面进行设计，以提高系统的显示效果。补偿镜13优选与主棱镜12使用相同的材料，补偿镜13和主棱镜12的材料可以为树脂，可以采用注塑的工艺进行生产，降低棱镜重量的同时还可以降低成本。

对于第三显示光路来说，图像源为位于人眼前方且位于眼镜外侧的反射或发出光线的物体。在该显示光路中，由主棱镜12和补偿镜13组成的棱镜组等效为一个透镜，该透镜的前后表面面型一致或存在差异，以适配人眼视度。图像信号经过棱镜组进入人眼，首先图像信号到达第三入射面131，再到达第三透射面132，经过第三光学面122分光后，图像信号透过第二光学面121，最终进入人眼。其中，第三光学面122镀分光膜，因此由真实场景传递过来的图像信号会有一部分损失掉，即透射光线进入人眼，反射光线被损失。

结合补偿镜13，该双焦面近眼显示光学系统，能够作为AR设备进行应用，在正常AR显示的同时，提供离焦显示，进行近视防控。

本发明提供的近眼显示光学系统，包括上述多棱镜双焦面光学模组，其中，主棱镜12为三条光路的共用部分，实现第一和第二显示光路的折转，并提供光学系统主要的光焦度。第一辅棱镜14为第一显示光路和第二显示光路共用部分，在第一显示光路中作为折反射元件使用，在第二显示光路中作为折射元件使用。第二辅棱镜16在第二显示光路中作为折射元件使用。补偿棱镜13作为补偿元件，与主棱镜12结合，实现对真实环境的光学透射。

该近眼显示光学系统还包括第一微显示器15和第二微显示器17，以提供第一光线和第二光线。该显示器可以为OLED，Mirco LED，LCD，Lco s等。优选的，为了减小系统体积，可以使用OLED微显示器。

在该双焦面近眼显示光学系统中，两个显示光路的焦面位置还可以改变。规定像距在整体光路结构远离人眼的一侧为正像距，在靠近人眼的一侧为负像距，其中，正像距所形成的焦面为聚焦面，所形成的像为聚焦像，负像距所形成的焦面为离焦面，所形成的像为离焦像。

具体来说，通过调节第一微显示器15和第一辅棱镜14之间的距离，实现第一显示光路焦面位置的变化；通过调节第二微显示器17和第二辅棱镜16之间的距离，实现第二显示光路焦面位置的变化。

优选地，第一显示光路和第二显示光路的焦面分属于实现正视度和负视度；其中一者的变化范围为不大于-200mm的范围，另一者的变化范围为不小于+200mm的范围，可以适配近视人群，实现正离焦显示。其中一个焦面对应视度为-5D～-0D，另一个焦面对应视度为+0D～+5D。

可以理解，第一显示光路和第二显示光路的焦面位置还可以在其他范围内变化。例如，第一显示光路和第二显示光路的焦面位置，两者同时在不大于-200mm的范围内变化，以适配远视人群，或者，两者同时在不小于+200mm的范围内变化，以适配近视人群，上述技术方案都是可以实现的，并具有相应的应用场景。上述焦面位置变化范围仅作为示例进行说明，并不构成对本技术方案的限制。

当该双焦面近眼显示光学系统作为增强现实应用时，其中一显示光路的焦面位置位于无穷远处，与环境光的成像重合，另一显示光路的焦面离焦设置。对于近视或远视人群，与环境光成像重合的显示光路的焦面位置设置应适应矫正视力人群。

上述近眼显示光学系统中，主棱镜12、补偿镜13、第一辅棱镜14和第二辅棱镜16，可以使用相同的材料，也可以使用不同的材料。在主棱镜12的第三光学面122设置有分光膜，优选的分光效率为50％；并在透反分光面142和第二透射面161之间设置有分光膜，优选的分光效率为50％。

为了提高图像光的像质，第一光学面124和第三光学面122的面型优选为自由曲面，其他光学面的面型可以为球面、非球面或自由曲面。

上述近眼显示光学系统，第一显示光路、第二显示光路和环境光透视光路的出瞳距离一致，出瞳距离范围为15mm～25mm。

表1至表6给出了近眼显示系统的一组实施例的具体设计参数。其中，主棱镜12各光学表面的面型为自由曲面，可以有效矫正系统由于离轴造成的像差，补偿镜13的各光学表面的面型为自由曲面，可以有效校正主棱镜12的透视畸变；第一辅棱镜14中，第一透射面141的面型为非球面或自由曲面，透反分光面142和第一入射面143的面型为自由曲面，第二辅棱镜16的各光学表面为自由曲面。主棱镜12、补偿镜13、第一辅棱镜14和第二辅棱镜16的材料为光学树脂。

具体来说，表1是第一显示光路的光学参数表，表2是第一显示光路中自由曲面表面121(123)、122、124、142和143的系数表；表3是非球面141的非球面系数，表4是第二显示光路的光学参数表，表5是第三显示光路的光学参数表，表6是第二显示光路中自由曲面表面161、162和第三显示光路中自由曲面131和132的表面系数表，其中，第三光学面122和第三透射面132的参数相同，透反分光面142和第二透射面161的参数相同。

表1第一显示光路的光学系统参数

表2第一显示光路自由曲面系数

表3第一显示光路非球面系数

表4第二显示光路的光学系统参数

表5第三显示光路的光学系统参数

表6第二显示光路和第三显示光路的部分光学面的自由曲面系数

上述表面中，面型为球面的表面满足方程：

其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离。

面型为XY多项式的自由曲面的表面满足方程：

其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离，k为二次曲面常数，Cj为多项式系数。

上述近眼显示系统可以实现双焦面、大出瞳范围、大出瞳距离的轻薄化设计。与上表所示的实施例对应的近眼显示系统，在视轴方向的厚度小于10mm，出瞳范围>10mm*7mm，出瞳距离>18mm。第一显示镜头系统的焦距15mm<f 1<25mm。第二显示系统的焦距18mm<f2<30mm。

本领域技术人员可以理解的，多棱镜双焦面增强现实近眼显示系统的实现方式不限于上述实施例，只要能实现对图像的放大效果，均可用于实现本发明的目的。

综上所述，本发明所提供的双焦面近眼显示光学系统，通过两个显示光路形成两个位置不同的焦面；人眼可以在两个焦面之间切换，从而使人眼得到锻炼，或者，其中一个焦面可以离焦显示，从而进行视力防控。此外，还可以通过有规律的改变两个显示光路的焦面位置，实现对眼睛功能的锻炼，充分调动眼睛的潜能，缓解视力疲劳，改善调节速度，增加调节幅度，有效地改善调节滞后、调节功能不足等。

Claims (10)

1.一种多棱镜双焦面光学模组，其特征在于包括：

主棱镜，包括第一光学面、第二光学面和第三光学面；第一光学面作为所述主棱镜的入射面与视轴不相交，第二光学面和第三光学面与视轴相交，第二光学面靠近人眼设置，第三光学面远离人眼设置；

第一辅棱镜，包括第一入射面、透反分光面和第一透射面；第一辅棱镜设置在所述主棱镜的第一光学面侧；从第一入射面进入第一辅棱镜的第一光线经透反分光面反射后从第一透射面射出，然后经第一光学面进入主棱镜，并依次经过第二光学面和第三光学面反射后，透过第二光学面，进入人眼成像；第一光线经第一显示光路在第一焦面位置成像；

第二辅棱镜，包括第二入射面和第二透射面；所述第二透射面和所述透反分光面胶合；从第二入射面进入第二辅棱镜的第二光线经第二透射面进入第一辅棱镜，然后从第一透射面射出，然后经第一光学面进入主棱镜，并依次经过第二光学面和第三光学面反射后，透过第二光学面，进入人眼成像；第二光线经第二显示光路在第二焦面位置成像；

所述第一焦面和所述第二焦面的位置不同。

2.如权利要求1所述的双焦面近眼显示光学系统，其特征在于还包括：

补偿镜，设置在所述第三光学面侧，并且，所述主棱镜和所述补偿镜胶合；环境光透过所述补偿镜和所述主棱镜，进入人眼成像。

3.如权利要求1或2所述的双焦面近眼显示光学系统，其特征在于：

胶合的所述第一辅棱镜和所述第二辅棱镜，对第二显示光路，等效为一个正光焦度的透镜。

4.如权利要求1所述的双焦面近眼显示光学系统，其特征在于：

所述第一辅棱镜中，第一透射面的面型为非球面或自由曲面，透反分光面和第一入射面的面型为自由曲面；

所述第二辅棱镜的各光学表面为自由曲面。

5.如权利要求1所述的双焦面近眼显示光学系统，其特征在于：

所述第一光学面和所述第三光学面的面型是自由曲面。

6.如权利要求1或2所述的双焦面近眼显示光学系统，其特征在于：

所述第一显示光路、所述第二显示光路的出瞳距离为15mm～25mm。

7.如权利要求1所述的双焦面近眼显示光学系统，其特征在于：

所述第一焦面和/或所述第二焦面的位置可调整。

8.如权利要求7所述的双焦面近眼显示光学系统，其特征在于：

所述第一焦面和所述第二焦面，两者的位置变化范围为不大于-200mm或不小于+200mm。

9.一种近眼显示光学系统，其特征在于包括：

如权利要求1至8任一项所述的多棱镜双焦面光学模组，

第一微显示器和第二微显示器，以提供第一光线和第二光线。

10.如权利要求9所述的近眼显示光学系统，其特征在于：

所述第一微显示器和所述第一辅棱镜之间的距离可调整，所述第二微显示器和所述第二辅棱镜之间的距离可调整。

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