CN116699854A - 一种可实现显示遮挡的透视光学系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学设备技术领域，具体涉及一种可实现显示遮挡的透视光学系统及设备，包括包括沿成像光线的传播方向依次间隔设置的成像子系统、显示子系统及光学放大子系统。本发明中的当液晶处于第一状态时，不会对入射该液晶的光线的偏振方向进行调节，由此，该液晶的出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直，进而使得该液晶对应的第一图像中的像素无法透过，进而形成黑色遮挡，可以实现对外界物体成像光线的完全遮挡。
Description
技术领域
本发明涉及光学设备技术领域，具体涉及一种可实现显示遮挡的透视光学系统及设备。
背景技术
增强现实技术（AR）的显示设备，可以将虚拟信息与人眼可见的真实世界巧妙融合。虚拟现实技术（VR）的显示设备，可以虚拟信息模拟环境给人以沉浸感体验。AR显示设备的光学模组可以通过透镜系统或棱镜光学系统，将显示器件（LCD、OLED、LCOS等）上的图像放大投射到人眼的视网膜上，最终给观看者呈现出一种有一定距离感的大屏图像。
在现有的AR显示设备中，如图1所示，通过波导4来实现将显示屏形成的AR虚拟图像5传送至人眼的功能。同时，再通过波导4将对应的外界物体的光线6传送至人眼处。通过将AR虚拟图像5与外界物体的光线6进行叠加后形成最终的AR图像。但是，现有技术中当需要在AR图像中形成完全黑色的图像时，由于在黑色图像部分依然有外界物体的成像光线射入。所以，用户在该黑色图像部分仍可以观察到外界物体，进而不能真正实现对外界物体成像光线的完全遮挡。最终影响到AR图像的实际成像效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可实现显示遮挡的透视光学系统及设备，该装置可以正实现对外界物体成像光线的完全遮挡，提高AR图像的实际成像效果。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种可实现显示遮挡的透视光学系统，包括：
沿成像光线的传播方向依次间隔设置的成像子系统、显示子系统及光学放大子系统；
成像子系统用于获取外界物体的第一图像，并将第一图像投射至显示子系统的第一成像面上；显示子系统用于对第一图像进行遮挡处理以生成第二图像，光学放大子系统用于对第二图像进行调整生成第三图像；第三图像的像距大于第二图像的像距，第三图像的画幅面积大于第二图像的画幅面积；
显示子系统包括处理器、液晶开关显示器、第一偏振片及第二偏振片；
第一偏振片、液晶开关显示器及第二偏振片沿成像光线的传播方向依次排列设置；第一图像投射至第一偏振片上；第一偏振片允许透过的光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直；处理器与液晶开关显示器电性连接；
液晶开关显示器包括多个液晶，每一液晶具有第一状态及第二状态，当液晶处于第一状态时，不会对入射光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直；当液晶处于第二状态时，会对光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相同；处理器控制任一液晶处于第一状态或第二状态。
进一步的，显示子系统还包括：
透明的自发光OLED显示屏，设置于第二偏振片与液晶开关显示器之间；透明的自发光OLED显示屏有多个显示单元构成，当显示单元处于激活状态时，显示对应的图像；当显示单元处于关闭状态时，为一透明结构。
进一步的，光学放大子系统包括：
沿成像光线的传播方向依次设置的第一1/4相位片、半透半反膜、放大透镜、第二1/4相位片及反射式偏振片；
放大透镜具有第一透射面及第二透射面，第一透射面位于靠近半透半反膜的一侧，第二透射面位于靠近第二1/4相位片的一侧，第一透射面及第二透射面均为向显示子系统一侧凸起的面，第一透射面的曲率大于第二透射面的曲率。
进一步的，成像子系统包括：
微透镜矩阵，微透镜矩阵由多个子微透镜构成；每一子微透镜具有靠近液晶开关显示器设置的第一微透射面，及相对于第一微透射面设置的第二微透射面。
进一步的，成像子系统包括：
成像透镜，设置于靠近外界物体的一端，用于获取第一图像；成像透镜具有相对设置的第一成像面及第二成像面，第一成像面为靠近液晶开关显示器设置的面，第二成像面为靠近外界物体设置的面；
矫正透镜，设置于靠近第一成像面的一侧；矫正透镜具有相对设置的第一矫正面及第二矫正面，第一矫正面为靠近液晶开关显示器一侧的面，第二矫正面为靠近第一成像面一侧的面；
第三1/4相位片，设置于靠近第二成像面的一侧；
半透半反膜，设置在第二矫正面上；
第四1/4相位片，设置于第一矫正面上；以及
反射式偏振片，设置于第四1/4相位片远离第一矫正面的一侧。
进一步的，光学放大子系统还包括：
补偿透镜，补偿透镜沿成像光线的传播方向依次具有第一补偿面及第二补偿面，第二补偿面与第一透射面胶合设置，半透半反膜夹设于第二补偿面与第一透射面之间，第一1/4相位片设置于靠近第一补偿面的一侧。
进一步的，成像子系统还包括：
线性偏振片，设置于第三1/4相位片靠近外界物体的一侧，线性偏振片用于滤除杂光。
进一步的，液晶开关显示器为空间光调制器或LCD的液晶层。
进一步的，放大透镜及微透镜矩阵的材质为PMMA。
根据本发明的第二个方面，提供了一种可实现显示遮挡的透视光学设备，包括上述的可实现显示遮挡的透视光学系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中的显示子系统包括液晶开关显示器、第一偏振片及第二偏振片。第一偏振片及第二偏振片分别设置在该液晶的光线入射侧及光线出射侧，且允许透过第一偏振片及第二偏振片的光线的偏振方向相互垂直。当液晶处于第一状态时，不会对入射该液晶的光线的偏振方向进行调节，由此，该液晶的出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直，进而使得该液晶对应的第一图像中的像素无法透过，进而形成黑色遮挡，可以实现对外界物体成像光线的完全遮挡。
另外，当液晶处于第一状态时，会对入射该液晶的光线的偏振方向进行调节，该液晶的出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相同，由此，该液晶对应的第一图像中的像素可以顺利透过，以提高AR图像的实际成像效果。
附图说明
图1为现有技术中的AR光学系统的结构示意图。
图2为实施例1中可实现显示遮挡的透视光学系统的结构示意图。
图3为实施例1中液晶开关显示器的多个液晶阵列排列的示意图。
图4为实施例2中的可实现显示遮挡的透视光学系统的结构示意图。
图5为实施例3中的可实现显示遮挡的透视光学系统的结构示意图。
图6为实施例2中光线在光学放大子系统中传播路径示意图。
图7为实施例2中的可实现显示遮挡的透视光学系统的OTF图。
图8为实施例3中的可实现显示遮挡的透视光学系统的OTF图。
附图中： 1、放大透镜；11、第一透射面；12、第二透射面；13、补偿透镜；2、显示子系统；21、液晶开关显示器；22、透明的自发光OLED显示屏；3、微透镜矩阵；31、矫正透镜；32、成像透镜；4、波导；5、AR虚拟图像；6、外界物体的光线；71、第一1/4相位片；72、半透半反膜；73、第二1/4相位片；74、反射式偏振片；75、第三1/4相位片；76、第四1/4相位片；77、线性偏振片。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、 “ 水平的”、“ 左”、“ 右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
根据本发明的一个方面，请同时参见图2和图3，提供了一种可实现显示遮挡的透视光学系统，包括：
如图2所示，沿成像光线的传播方向依次间隔设置的成像子系统、显示子系统2及光学放大子系统。沿成像光线的传播方向为图2中的虚线箭头所指的方向。
成像子系统用于获取外界物体的第一图像，并将第一图像投射至显示子系统2的第一成像面上。显示子系统2用于对第一图像进行遮挡处理以生成第二图像，并将第二图像射入光学放大子系统中，光学放大子系统用于对第二图像进行调整生成第三图像。第三图像的像距大于第二图像的像距，第三图像的画幅面积大于第二图像的画幅面积。本发明中所述的像距为对应的图像到用户使用AR显示设备时，用户眼睛到图像之间的距离。
在AR显示设备中，如VR眼镜中，图像是由成像子系统中的屏幕显示出来的，但是由于设备尺寸的限制会使得该屏幕的大小较小，通常为5-7英寸，且该屏幕距离人眼的距离较近，通常为3-4厘米。
同时由于人眼是有一个观看范围的。对于一个正常视力的人来说，能够看清的距离大约是从14cm到无穷远；而对于近视眼来说，这个范围则被拉近并且减小了。比如对于500度近视的人来说，他能看清的范围大约在8cm到20cm之间。由此可知现有的AR显示设备中由于屏幕距离人眼太近致使人眼无法正常看到该屏幕中的画面。
因为这个原因，我们在使用VR眼镜的时候，也需要把屏幕放在这个有效的观看范围内才能正常观看。所以需要通过光学放大子系统来折射光线，让屏幕上的图像形成一个更远的虚像。这个虚像在我们可以有效观看的范围之内。
同时，光学放大子系统的另一个作用就是将原本5-7英寸的屏幕放大几百至上千英寸，形成一个巨幅的画面。进而提高VR眼镜的沉浸感。本实施例中的光学放大子系统可选用现有结构中可以实现上述效果的光学放大子系统。
如图2所示，显示子系统2包括处理器、液晶开关显示器21、第一偏振片及第二偏振片。
第一偏振片、液晶开关显示器21及第二偏振片沿成像光线的传播方向依次排列设置。第一图像投射至第一偏振片上。第一偏振片允许透过的光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直。处理器与液晶开关显示器21电性连接。
液晶开关显示器21包括多个液晶，每一液晶具有第一状态及第二状态，当液晶处于第一状态时，不会对入射光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直。当液晶处于第二状态时，会对光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相同。处理器控制任一液晶处于第一状态或第二状态。
具体的，液晶开关显示器21为空间光调制器或LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）的液晶层。
如图3所示，本实施例中的液晶开关显示器21是由多个液晶阵列排列在一起形成的一个显示面板。液晶可以用于改变入射光线的偏振状态。
当液晶开关显示器21上无图案进行显示时，所有的液晶均处于第二状态，会对光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相同。此时，液晶开关显示器21相当于一个透明的平板，外界射入的成像光线可以顺利从这个透明的液晶开关显示器21中穿过。
当液晶开关显示器21上有图案需要显示时，显示图案对应的液晶处于第一状态时，不会对入射光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直。如图3所示，A、C为处于第一状态的液晶，若入射该液晶的成像光线为竖直方向的线偏振光线，则经过转换后会变成水平方向的线偏振光线，可以正常出射。B为处于第二状态的液晶，若入射该液晶的成像光线为竖直方向的线偏振光线，则出射的光线依然为竖直方向的线偏振光线，无法正常出射。进而实现对目标区域的图像的完全遮挡。
进一步的，显示子系统2还包括：
透明的自发光OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机电激光显示）显示屏，设置于第二偏振片与液晶开关显示器21之间。透明的自发光OLED显示屏22有多个显示单元构成，当显示单元处于激活状态时，显示对应的图像。当显示单元处于关闭状态时，为一透明结构。
透明的自发光OLED显示屏22为主动发光部件，其可以主动显示虚拟图像。透明的自发光OLED显示屏22由多个透明的显示像素单元（显示单元）阵列排列在一起形成的一个显示面板，其中，显示像素单元的排列形式可以参照图6所示。
当透明的自发光OLED显示屏22无图案进行显示时，所有显示像素单元处于关闭状态，透明的自发光OLED显示屏22不发光，相当于一个透明的平板，外界射入的成像光线可以顺利从这个透明的自发光OLED显示屏22中穿过。
当透明的自发光OLED显示屏22上有图案需要显示时，显示图案对应的显示像素单元被激活，会发出对应的虚拟成像光线。此时，入射该显示像素单元的的成像光线会被虚拟成像光线覆盖。而为未被激活的显示像素单元，依然为一个透明的平板，外界射入的成像光线可以顺利从其中穿过。由此，可以实现对应位置的虚拟图像的显示。
本发明中的显示子系统2包括液晶开关显示器21、第一偏振片及第二偏振片。第一偏振片及第二偏振片分别设置在该液晶的光线入射侧及光线出射侧，且允许透过第一偏振片及第二偏振片的光线的偏振方向相互垂直。当液晶处于第一状态时，不会对入射该液晶的光线的偏振方向进行调节，由此，该液晶的出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直，进而使得该液晶对应的第一图像中的像素无法透过，进而形成黑色遮挡，可以实现对外界物体成像光线的完全遮挡。
另外，当液晶处于第一状态时，会对入射该液晶的光线的偏振方向进行调节，该液晶的出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相同，由此，该液晶对应的第一图像中的像素可以顺利透过，以提高AR图像的实际成像效果。
实施例2
本实施例2与实施例1中的区别仅在于光学放大子系统及成像子系统的结构不同。
本实施例2中，如图4所示，光学放大子系统包括：
沿成像光线的传播方向（图中虚线箭头所示方向）依次设置的第一1/4相位片71、半透半反膜72、放大透镜1、第二1/4相位片73及反射式偏振片74。
放大透镜1具有第一透射面11及第二透射面12，第一透射面11位于靠近半透半反膜72的一侧，第二透射面12位于靠近第二1/4相位片73的一侧，第一透射面11及第二透射面12均为向显示子系统2一侧凸起的面，第一透射面11的曲率大于第二透射面12的曲率。
放大透镜1的厚度为13mm，折射率为1.491，阿贝数为57.44。对应的，本实施例中由放大透镜1及半透半反膜72构成的光学结构，也可以通过现有的半透半反透镜进行实现。
第一透射面11及第二透射面12的面型参数如下：
| 透镜名 | 曲率半径（mm） | K |
| 第一透射面 | 48.16 | 0.408 |
| 第二透射面 | 49.7 | 0.41 |
其中，k为圆锥二次曲线系数。
具体的，上述非球面满足如下条件：
其中，Z为镜面深度值，即以各非球面与光轴交点为起点，平行于光轴方向的轴向值；c＝1/R，其中R为曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数；本实施例中各径向坐标所对应的系数为0。
本实施例中的光学放大子系统可以使成像光线在放大透镜1内进行多次反射及偏转，由此延长光线的传播路径，也方便对成像光线进行对应的矫正，进而保证成像质量。通过本实施例中的折叠光路的设计，也可以减小此光学系统的总长，进而使得AR设备的体积减小质量减轻，提高用户的佩戴舒适性。
具体的，如图6所示，第一1/4相位片71设置于靠近液晶开关显示器21的一侧，半透半反膜72远离第一1/4相位片71的一侧贴设在第一透射面11上，第二1/4相位片73贴设在第二透射面12上，反射式偏振片74贴设在第二1/4相位片73远离第二透射面12的一侧。
由于进入光学放大子系统中的光线，均为第二偏振片允许透过的成像光线，该成像光线为线偏振状态的第一线偏振光，第一线偏振光透射至第一1/4相位片71后，线偏振状态的第一线偏振光转换为圆偏振状态的第一圆偏振光，一部分第一圆偏振光可透过半透半反膜72，然后经过放大透镜1第一次偏转后射向第二1/4相位片73上，此时，光线的偏振状态会发生第二次转化，也即第一圆偏振光经过第二1/4相位片73后转化为第二线偏振光，第二线偏振光和第一线偏振光的偏振状态相同，具体为第二线偏振光和第一线偏振光的偏振方向相同。然后，第二线偏振光射向反射式偏振片74。反射式偏振片74具有偏振透射方向和偏振反射方向，且偏振透射方向与第二线偏振光的偏振方向正交，偏振反射方向与第二线偏振光的偏振方向同向。因此，第二线偏振光无法透射反射式偏振片74，而是在反射式偏振片74上发生第一次反射，形成第三线偏振光。
然后，第三线偏振光再次射向第二1/4相位片73，偏振状态再次发生改变，也即，第三线偏振光转化为第二圆偏振光，第二圆偏振光与第一圆偏振光的旋向相反，第二圆偏振光再次经过放大透镜1的偏转后射向半透半反膜72，此时，一部分第二圆偏振光在半透半反膜72上进行第二次反射，第二次反射后的光线为第三圆偏振光，由于第三圆偏振光为第二圆偏振光中的一部分光线，所以，第三圆偏振光与第一圆偏振光的旋向相反。
然后，第三圆偏振光再次经过放大透镜1偏转后射向第二1/4相位片73上，在第二1/4相位片73上第三圆偏振光的偏振状态发生改变，接着第三圆偏振光转化为第四线偏振光，且第四线偏振光和第二线偏振光的偏振方向正交。可以理解的是，第四线偏振光的偏振方向和反射式偏振片74的偏振透射方向同向，所以，第四线偏振光可由所述反射式偏振片74出射，形成第五线偏振光，从而完成在本实施例的光学放大子系统中的折叠反射后进入人眼。
为了将显示屏幕上的画面的像距以及画幅增大，所以需要光学放大子系统具有更大的光焦度来实现上述目的。现有的光学放大子系统，是通过透镜的折射来使光线更加汇聚，以实现将显示屏幕上的画面的像距以及画幅增大的目的。而为了实现上述功能，只能通过增加表面的凸度来增加光焦度，但是由于表面凸度增加有一定的限度，所以现有的光学放大子系统的对光焦度的增加而言有一定的上限。
本实施例中，为了实现将显示屏幕上的画面的像距以及画幅增大的目的，是通过凹面反射的方式来使光线更加汇聚，以实现将显示屏幕上的画面的像距以及画幅增大的目的。由于，凹面反射的对于光线的汇聚能力远高于折射对光线的汇聚能力，所以本实施例中的光学放大子系统的对光焦度的增加幅度远大于现有的光学放大子系统的对光焦度的增加幅度。可以使得显示屏幕上的画面的像距更远以及画幅更大，进而获得更好的观看体验。
由于光线会在第一透射面11及第二透射面12处分别发生反射后，最终出射。所以为了对成像图像进行进一步放大，也即缩短其成像的焦距。所以需要第一透射面11的曲率大于第二透射面12的曲率。具体的，相对于放大透镜1内部的光线而言，第二透射面12为一个凹面，光线在第二透射面12处向放大透镜1的内侧发生的反射，该反射为凹面反射，具有汇聚成像光线的作用，也即会缩短其成像的焦距。而相对于放大透镜1内部的光线而言，第二透射面12为一个凸面，光线在第二透射面12处向放大透镜1的内侧发生反射，该反射为凸面反射，具有发散成像光线的作用，也即会增加其成像的焦距。为了使最终出射的光线的焦距缩短，视场角增加，则需要对光线的聚拢效果大于对光线的发散效果，所以需要使第二透射面12的曲率大于第一透射面11曲率。以此可以进一步增加显示屏幕上的画面的像距以及画幅。
成像子系统包括：
微透镜矩阵33为由21*21个子微透镜构成。每一子微透镜包括靠近液晶开关显示器21设置的第一微透射面，及相对于第一微透射面设置的第二微透射面，任一子微透镜满足如下条件：
| 透镜名 | 材料参数 | 厚度（mm） | 面名 | 面型 | 曲率半径（mm） |
| 子微透镜 | 折射率：1.491阿贝数：57.44 | 2 | 第一微透射面 | 球面 | 2.27 |
| 第二微透射面 | 球面 | 1.86 |
进一步的，放大透镜1及微透镜矩阵3的材质为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate）。
一方面，由于微透镜矩阵3本身的厚度较小，所以可以减小整个光学系统的长度。可使得整体光学系统长度缩小至35mm。现有的光学系统的长度通常大于40mm。另一方面，由于微透镜矩阵3在成像时，基本不会对入射的光线的方向进行偏转，进而可以保证出射光线与入射光线之间的平度。由此，所成像的像经过光学放大系统放大后，更加容易与外部实际的像的大小进行匹配，进而可以保证带上VR眼镜与脱掉VR眼镜所看到的同一位置出的像的大小基本一致。
本实施例中，可使得整体光学系统长度缩小至35mm，同时保证具有一个较大的56°的视场角。同时，如图7所示，为本实施例中的光学系统分别在视场角为0°、18°以及28°时的MTF曲线图。图7及图8中，纵轴为OTF（光学传递函数，optical transfer function）值，横轴为空间频率， 单位：线对/毫米。其中，最上方的实线为光学系统视场角为0°时的MTF曲线图，从上向下的第二条实线为光学系统视场角为18°时的MTF曲线图，从上向下的第三条实线为光学系统视场角为28°时的MTF曲线图。由图可知，在视场角为28°时，光学系统依然可以保证OTF值大于0.3，进而可以具有一个较好的清晰度。
实施例3
本实施例2与实施例1中的区别仅在于光学放大子系统及成像子系统的结构不同。
具体的，如图5所示，成像子系统包括：
成像透镜32，设置于靠近外界物体的一端，用于获取第一图像。成像透镜32具有相对设置的第一成像面及第二成像面，第一成像面为靠近液晶开关显示器21设置的面，第二成像面为靠近外界物体设置的面。
矫正透镜31，设置于靠近第一成像面的一侧。矫正透镜31具有相对设置的第一矫正面及第二矫正面，第一矫正面为靠近液晶开关显示器21一侧的面，第二矫正面为靠近第一成像面一侧的面。
第三1/4相位片75，设置于靠近第二成像面的一侧。在第三1/4相位片75靠近外界物体的一侧还设置有线性偏振片77用于滤除杂光。
半透半反膜72，设置在第二矫正面上。
第四1/4相位片76，设置于第一矫正面上。以及
反射式偏振片74，设置于第四1/4相位片76远离第一矫正面的一侧。
在本发明中，优选的，成像透镜32及矫正透镜31满足如下条件：
| 透镜名 | 材料参数 | 厚度（mm） | 面名 | 面型 | 曲率半径（mm） |
| 矫正透镜 | 折射率：1.67阿贝数：32.2 | 11.9 | 第一矫正面 | 球面 | 244.3 |
| 第二矫正面 | 球面 | 69.78 | |||
| 成像透镜 | 折射率：1.491阿贝数：57.44 | 5.1 | 第一成像面 | 球面 | 31.8 |
| 第二成像面 | 球面 | 54 |
进一步的，光学放大子系统还包括：
补偿透镜13，补偿透镜13沿成像光线的传播方向依次具有第一补偿面及第二补偿面，第二补偿面与第一透射面11的边缘处通过胶合进行连接，半透半反膜72夹设于第二补偿面与第一透射面11之间，第一1/4相位片71设置于靠近第一补偿面的一侧。
本实施例中由矫正透镜3131与半透半反膜7272构成的结构，以及第二放大透镜113与半透半反膜7272构成的结构，均可以通过现有的半透半反透镜进行实现。
为与本实施例中的补偿透镜13进行配合，以生成更符合要求的光学放大子系统，优选的，放大透镜1及补偿透镜13满足如下条件：
| 透镜名 | 材料参数 | 厚度（mm） | 面名 | 面型 | 曲率半径（mm） | K |
| 放大透镜 | 折射率：1.491阿贝数：57.44 | 9.09 | 第二透射面 | 球面 | 244.3 | / |
| 第一透射面/第二补偿面 | 球面 | 69.78 | / | |||
| 补偿透镜 | 折射率：1.69阿贝数：31.2 | 2 | 第一补偿面 | 非球面 | 67.32 | 0.57 |
其中，k为圆锥二次曲线系数。
本实施例中成像子系统及光学放大子系统中的光线传播路径与实施例1中，光线在光学放大子系统中的传播路径一致，再此不再赘述。同时，第一补偿面的非球面的公式与上述的非球面的计算公式相同，再此不再赘述。
本实施例中的成像光线通过在成像子系统及光学放大子系统中的偏转，可以减小此光学系统的总长。进而使得AR设备的体积减小质量减轻，提高用户的佩戴舒适性。在本实施例中整体光学系统长度为43mm，视场角为53°。另外成像子系统是通过两个透镜组合后实现的，由于透镜会对光线进行一定程度的偏转，进而会导致出现一些畸变、模糊以及像差等现象，所以会使得经过成像子系统所成的像与实际的像存在一定的差距。而为了对该畸变进行矫正，所以需要在光学放大子系统中设置矫正透镜31，以提高后续进入用户眼中的图像的质量。
如图8所示，为本实施例中的光学系统分别在视场角为0°、25°以及40°时的MTF曲线图。图8中，纵轴为OTF（光学传递函数，opticaltransferfunction）值，横轴为空间频率，单位：线对/毫米。其中，最上方的实线为光学系统视场角为0°时的MTF曲线图，从上向下的第二条实线为光学系统视场角为25°时的MTF曲线图，从上向下的第三条实线为光学系统视场角为40°时的MTF曲线图。
另外，光学放大子系统中放大透镜1与补偿透镜13胶合设置，可以很好的矫正像差，进而提高成像质量。
根据本发明的第二个方面，提供了一种可实现显示遮挡的透视光学设备，包括上述的可实现显示遮挡的透视光学系统。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (10)
1.一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，包括：
沿成像光线的传播方向依次间隔设置的成像子系统、显示子系统及光学放大子系统；
所述成像子系统用于获取外界物体的第一图像，并将所述第一图像投射至所述显示子系统的第一成像面上；所述显示子系统用于对第一图像进行遮挡处理以生成第二图像，所述光学放大子系统用于对所述第二图像进行调整生成第三图像；所述第三图像的像距大于所述第二图像的像距，所述第三图像的画幅面积大于所述第二图像的画幅面积；
所述显示子系统包括处理器、液晶开关显示器、第一偏振片及第二偏振片；
所述第一偏振片、液晶开关显示器及第二偏振片沿成像光线的传播方向依次排列设置；所述第一图像投射至第一偏振片上；所述第一偏振片允许透过的光线的偏振方向与所述第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直；所述处理器与液晶开关显示器电性连接；
所述液晶开关显示器包括多个液晶，每一所述液晶具有第一状态及第二状态，当所述液晶处于第一状态时，不会对入射光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相互垂直；当所述液晶处于第二状态时，会对光线的偏振方向进行调整，以使出射光线的偏振方向与第二偏振片允许透过的光线的偏振方向相同；所述处理器控制任一所述液晶处于第一状态或第二状态。
2.根据权利要求1所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述显示子系统还包括：
透明的自发光OLED显示屏，设置于所述第二偏振片与液晶开关显示器之间；所述透明的自发光OLED显示屏有多个显示单元构成，当所述显示单元处于激活状态时，显示对应的图像；当所述显示单元处于关闭状态时，为一透明结构。
3.根据权利要求1所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述光学放大子系统包括：
沿成像光线的传播方向依次设置的第一1/4相位片、半透半反膜、放大透镜、第二1/4相位片及反射式偏振片；
所述放大透镜具有第一透射面及第二透射面，所述第一透射面位于靠近所述半透半反膜的一侧，所述第二透射面位于靠近所述第二1/4相位片的一侧，所述第一透射面及第二透射面均为向所述显示子系统一侧凸起的面，所述第一透射面的曲率大于所述第二透射面的曲率。
4.根据权利要求3所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述成像子系统包括：
微透镜矩阵，所述微透镜矩阵由多个子微透镜构成；每一所述子微透镜具有靠近所述液晶开关显示器设置的第一微透射面，及相对于所述第一微透射面设置的第二微透射面。
5.根据权利要求3所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述成像子系统包括：
成像透镜，设置于靠近外界物体的一端，用于获取所述第一图像；所述成像透镜具有相对设置的第一成像面及第二成像面，所述第一成像面为靠近所述液晶开关显示器设置的面，所述第二成像面为靠近所述外界物体设置的面；
矫正透镜，设置于靠近所述第一成像面的一侧；所述矫正透镜具有相对设置的第一矫正面及第二矫正面，所述第一矫正面为靠近所述液晶开关显示器一侧的面，所述第二矫正面为靠近所述第一成像面一侧的面；
第三1/4相位片，设置于靠近所述第二成像面的一侧；
半透半反膜，设置在所述第二矫正面上；
第四1/4相位片，设置于所述第一矫正面上；以及
反射式偏振片，设置于所述第四1/4相位片远离所述第一矫正面的一侧。
6.根据权利要求5所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述光学放大子系统还包括：
补偿透镜，所述补偿透镜沿成像光线的传播方向依次具有第一补偿面及第二补偿面，所述第二补偿面与所述第一透射面胶合设置，所述半透半反膜夹设于所述第二补偿面与所述第一透射面之间，所述第一1/4相位片设置于靠近所述第一补偿面的一侧。
7.根据权利要求5所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述成像子系统还包括：
线性偏振片，设置于第三1/4相位片靠近外界物体的一侧，所述线性偏振片用于滤除杂光。
8.根据权利要求1所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述液晶开关显示器为空间光调制器或LCD的液晶层。
9.根据权利要求4所述的一种可实现显示遮挡的透视光学系统，其特征在于，所述放大透镜及所述微透镜矩阵的材质为PMMA。
10.一种可实现显示遮挡的透视光学设备，其特征在于，包括权利要求1至权利要求9中任意一项所述的可实现显示遮挡的透视光学系统。
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