CN207473201U - 一种光学系统、增强现实目镜显示系统及可穿戴式设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学系统，包括沿逆着光线入射方向依次设置的半反半透镜、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，入射光依次经过第三透镜组、第二透镜组和第一透镜组后射向半反半透镜；所述的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组均为正光焦度，第一透镜组包括一个第一正透镜，第二透镜组包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的第二正透镜和第一负透镜，第三透镜组包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的镜第三正透镜、第四正透镜和第二负透镜。光学系统采用前正后负的系统结构，具有长出瞳距、大视场的优点，同时能够满足系统紧凑，短焦距的工况要求。本实用新型还公开了采用上述光学系统的增强现实目镜显示系统及可穿戴式设备。

Description

一种光学系统、增强现实目镜显示系统及可穿戴式设备

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种光学系统、增强现实目镜显示系统及可穿戴式设备。

背景技术

增强现实是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索，将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的扩展信息或虚拟场景显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息，或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。

现有的增强现实显示设备目镜显示系统采用曲面棱镜，阵列波导、全息波导、离轴光学系统等，将虚拟图像投影入人眼，同时可以通过相应的光学系统看见外界的真实物体。但现有的增强现实显示设备普遍存在的视场小，出瞳距短的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学系统，以及采用该光学系统的增强现实目镜显示系统和可穿戴式设备，用以实现长出瞳距、大视场显示的增强现实显示技术。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例第一方面提供了一种光学系统，其包括沿逆着光线入射方向依次设置的半反半透镜、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，入射光依次经过第三透镜组、第二透镜组和第一透镜组后射向半反半透镜；半反半透镜用于反射所述入射光，同时透射外界环境光线，所述的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组均为正光焦度，第一透镜组包括一个第一正透镜，第二透镜组包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的第二正透镜和第一负透镜，第三透镜组包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的第三正透镜、第四正透镜和第二负透镜。

以光束的传播方向为前，本实用新型的光学系统采用前正后负的系统结构，第一透镜组采用正透镜，具有正光焦度，主要作用是承担系统的部分光焦度，第二透镜组和第三透镜组采用胶合形式，主要作用消除系统色差。从而使得本实用新型具有长出瞳距、大视场的优点，同时能够满足系统紧凑，短焦距的工况要求。

优选的，所述的第二正透镜采用低折射率、低色散材料；第一负透镜采用高折射、高色散材料。第三透镜组消除前面镜组剩余的色差，进而优选的，第三正透镜和第四正透镜采用低色散材料，第二负透镜采用高色散材料。

优选的，所述的第一正透镜满足：35mm<f1<40mm，1.60<n1<1.70，40<v1<50，其中：f1为第一正透镜焦距，n1为第一正透镜折射率，v1为第一正透镜阿贝数。

当单凸透镜焦距低于上述范围下限时，光焦度过大，会造成该透镜组的球差和色差变大，当该单凸透镜的焦距高于上述范围上限时，将导致第二透镜组和第三透镜组承担的光焦度变大，会造成相应的像差变大，公差灵敏度增大。

优选的，所述的第二透镜组满足：80mm<f2<85mm，1.60<n21<1.65，55<v21<65，1.75<n22<1.85，20<v22<30，f2为第二透镜组焦距，n21为第二正透镜折射率，v21为第二正透镜阿贝数，n22为第一负透镜折射率，v22为第一负透镜阿贝数。

第二透镜组用于消除系统色差，由正负透镜构成，当第二透镜组焦距小于上述范围下限时，第二正透镜承担的光焦度相应增大，相应的像差也会增大。焦距高于上述范围上限时，对于后续第三透镜组承担的光焦度会增大，为了合理匹配，光焦度位于此区间，可以较好的平衡像差。

优选的，所述的第三透镜组满足：35mm<f3<40mm，1.60<n31<1.65，55<v31<65，1.60<n32<1.65，50<v32<60，1.60<n33<1.65，30<v33<40，其中：f3为第三透镜组焦距，n31为第三正透镜折射率，v31为第三正透镜阿贝数，n32为第四正透镜折射率，v32为第四正透镜阿贝数，n33为第二负透镜折射率，v33为第二负透镜阿贝数。

第三透镜组同样用于消除系统色差，由正负透镜构成，当第三透镜组焦距小于上述范围下限时，第三正透镜及第四正透镜承担的光焦度相应增大，相应的像差也会增大。当第三透镜组焦距高于上述范围上限时，对于第二透镜组承担的光焦度会增大，为了合理匹配，光焦度位于此区间，可以较好的平衡像差。

进一步优选的，所述的第一透镜组与半反半透镜间的间距为10mm-20mm。该间距范围能够使得人眼距离半反半透镜的间距在10mm-20mm，保证佩戴舒适性。

进一步优选的，所述的第一透镜组与第二透镜组间的间距为：0.05mm-0.15mm，以满足系统紧凑的情况下，保证成像效果。

进一步优选的，所述的第二透镜组与第三透镜组间的间距为：0.5mm-1.5mm，以满足系统紧凑的情况下，保证成像效果。

本实用新型第二方面提供了一种增强现实目镜显示系统，包括沿逆着光线入射方向依次设置的光阑、如上所述的任意一种光学系统和微显示器，微显示器用于发射图像光，微显示器发射的图像光经过所述光学系统后射入光阑。光阑即为人眼的瞳孔。

具体来说，微显示器发射的图像经过第三透镜组、第二透镜组和第一透镜组后射向半反半透镜；半反半透镜用于将所述图像反射到光阑、同时将现实光线传递至光阑。

可选的，所述的微显示器为OLED显示器、LCD显示器、DLP显示器、LCOS显示器、光纤扫描显示器和MEMS显示器中的一种。

本实用新型第三方面提供了一种可穿戴式增强现实设备，其包括佩戴于用户头上的主体，主体上设置有至少一套上述任意一种增强现实目镜显示系统，主体用于将所述增强现实目镜显示系统固定在用户头部预设位置。从而用户可以通过半反半透镜同时接收显示器发射的光线和现实中的光线。

进一步优选的，所述的可穿戴式增强现实设备为头盔型设备，头盔型设备的护目镜被配置为所述增强现实目镜显示系统中的半反半透镜

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

采用前正后负的系统结构，使得本实用新型具有长出瞳距、大视场的优点，同时能够满足系统紧凑，短焦距的工况要求。

本实用新型的焦距最小达到20mm，出瞳距最大达到45mm，出瞳直径最大达到8mm，对角线视场角最大达到40°。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为由两个底面相互胶合的直角棱镜构成的半反半透镜的结构示意图。

图中，1-半反半透镜，11-半透半反膜层，12-直角棱镜，

2-第一透镜组，21-第一正透镜，

3-第二透镜组，31-第二正透镜，32-第一负透镜，

4-第三透镜组，41-第三正透镜，42-第四正透镜，43-第二负透镜，

5-微显示器，6-光阑。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例第一方面提供了一种光学系统，如图1所示，其包括沿逆着光线入射方向依次设置的半反半透镜1、第一透镜组2、第二透镜组3和第三透镜组4，入射光依次经过第三透镜组4、第二透镜组3和第一透镜组2后射向半反半透镜1；

半反半透镜1用于反射所述入射光，同时透射外界环境光线；

所述的第一透镜组2、第二透镜组3和第三透镜组4均为正光焦度，第一透镜组2包括一个第一正透镜21，第二透镜组3包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的第二正透镜31和第一负透镜32，第三透镜组4包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的第三正透镜41、第四正透镜42和第二负透镜43。

以光束的传播方向为前，本实用新型的光学系统采用前正后负的系统结构，第一透镜组2采用正透镜，具有正光焦度，主要作用是承担系统的部分光焦度，第二透镜组3和第三透镜组4采用胶合形式，主要作用消除系统色差。从而使得本实用新型具有长出瞳距、大视场的优点，同时能够满足系统紧凑，短焦距的工况要求。本实用新型的焦距最小达到20mm，出瞳距达到45mm，出瞳直径达到8mm，对角线视场角最大达到40°。

优选的，所述的第二正透镜31采用低折射率、低色散材料；第一负透镜32采用高折射、高色散材料。第三透镜组4消除前面镜组剩余的色差，进而优选的，第三正透镜41和第四正透镜42采用低色散材料，第二负透镜43采用高色散材料。

优选的，所述的半反半透镜1的法线与第一透镜组2的光轴间的夹角为30°-60°。进一步优选的，所述的半反半透镜1的法线与第一透镜组2的光轴间的夹角为45°。

优选的，所述的第一正透镜21满足：35mm<f1<40mm，1.60<n1<1.70，40<v1<50，其中：f1为第一正透镜21焦距，n1为第一正透镜21折射率，v1为第一正透镜21阿贝数。

当单凸透镜焦距低于上述范围下限时，光焦度过大，会造成该透镜组的球差和色差变大，当该单凸透镜的焦距高于上述范围上限时，将导致第二透镜组3和第三透镜组4承担的光焦度变大，会造成相应的像差变大，公差灵敏度增大。

优选的，所述的第二透镜组3满足：80mm<f2<85mm，1.60<n21<1.65，55<v21<65，1.75<n22<1.85，20<v22<30，f2为第二透镜组3焦距，n21为第二正透镜31折射率，v21为第二正透镜31阿贝数，n22为第一负透镜32折射率，v22为第一负透镜32阿贝数。

第二透镜组3用于消除系统色差，由正负透镜构成，当第二透镜组3焦距小于上述范围下限时，第二正透镜31承担的光焦度相应增大，相应的像差也会增大。焦距高于上述范围上限时，对于后续第三透镜组4承担的光焦度会增大，为了合理匹配，光焦度位于此区间，可以较好的平衡像差。

优选的，所述的第三透镜组4满足：35mm<f3<40mm，1.60<n31<1.65，55<v31<65，1.60<n32<1.65，50<v32<60，1.60<n33<1.65，30<v33<40，其中：f3为第三透镜组4焦距，n31为第三正透镜41折射率，v31为第三正透镜41阿贝数，n32为第四正透镜42折射率，v32为第四正透镜42阿贝数，n33为第二负透镜43折射率，v33为第二负透镜43阿贝数。

第三透镜组4同样用于消除系统色差，由正负透镜构成，当第三透镜组4焦距小于上述范围下限时，第三正透镜41及第四正透镜42承担的光焦度相应增大，相应的像差也会增大。当第三透镜组4焦距高于上述范围上限时，对于第二透镜组3承担的光焦度会增大，为了合理匹配，光焦度位于此区间，可以较好的平衡像差。

本实用新型的优选实施例中，所述的第一透镜组2与半反半透镜1间的间距为10mm-20mm。该间距范围能够使得人眼距离半反半透镜1的间距在10mm-20mm，保证佩戴舒适性。

本实用新型的优选实施例中，所述的第一透镜组2与第二透镜组3间的间距为：0.05mm-0.15mm，以满足系统紧凑的情况下，保证成像效果。

本实用新型的优选实施例中，所述的第二透镜组3与第三透镜组4间的间距为：0.5mm-1.5mm，以满足系统紧凑的情况下，保证成像效果。

可选的，所述的第一正透镜21为双凸透镜。

可选的，所述的第二正透镜31为双凸透镜，所述的第一负透镜32为凹凸透镜，第一负透镜32的凸面位于光的入射侧。进一步的，所述的第二正透镜31位于光的入射侧的凸面与第一负透镜32的凹面紧密贴合。

可选的，所述的第三正透镜41为平凸透镜，第三正透镜41的凸面位于光的出射侧，所述的第四正透镜42为平凸透镜，第四正透镜42的凸面位于光的入射侧，所述的第二负透镜43为双凹透镜。进一步的，所述的第三正透镜41的平面与第四正透镜42的平面紧密贴合，所述的第四正透镜42的凸面与第二负透镜43位于光的出射侧的凹面紧密贴合。

可选的，所述的半反半透镜1为表面镀有半透半反膜层11的平板玻璃或者塑料板，所述的镀有半透半反膜层11的表面朝向第一透镜组2的出射侧，且与第一透镜组2的光轴间的夹角为30°-60°。优选的，镀有半透半反膜层11的表面与第一透镜组2的光轴间的夹角为45°。

可选的，如图2所示，所述的半反半透镜1由两个底面相互胶合的直角棱镜12构成，且所述的胶合面上镀有半透半反膜层11，所述的胶合面朝向第一透镜组2的出射侧，且与第一透镜组2的光轴间的夹角为30°-60°。优选的，所述的胶合面与第一透镜组2的光轴间的夹角为45°。

优选的，所述的半透半反膜层11的透射光和反射光的比例优选为1：1。

优选的，所述的半透半反膜层11由间隔设置的高折射率层和低折射率层构成，且所述的半透半反膜层11包括至少两层高折射率层和至少两层低折射率层。在实际应用中，可以通过膜层的厚度来控制透射光和反射光的比例。

例如半透半反膜层11的结构为沿从内向外依次设置的高折射率层、低折射率层、高折射率层和低折射率层。或例如，半透半反膜层11的结构为沿从内向外依次设置的低折射率层、高折射率层、低折射率层和高折射率层，并且优选的，位于最内层的低折射率层的厚度是其他层的厚度的2倍。

优选的，所述的高折射率层的折射率不低于2.3，所述的低折射率层的折射率不高于1.38。

可选的，所述的高折射率层为硫化锌层，所述的第折射率层为氟化镁层。

本实用新型实施例第二方面提供了一种增强现实目镜显示系统，如图1所示，包括沿逆着光线入射方向依次设置的光阑6、如上所述的任意一种光学系统和微显示器5，微显示器5用于发射图像光，微显示器5发射的图像光经过光学系统后射入光阑6。光阑6即为人眼的瞳孔。

具体来说，微显示器5发射的图像经过第三透镜组4、第二透镜组3和第一透镜组2后射向半反半透镜1；

半反半透镜1用于将所述图像反射到光阑6、同时将现实光线传递至光阑6。

优选的，所述的为显示器与光学系统间的间距为：1.31mm-1.51mm，上述范围的间距使得虚像投影距为1m-2m，适合人眼观看

可选的，所述的微显示器5为OLED显示器、LCD显示器、DLP显示器、LCOS显示器、光纤扫描显示器和MEMS显示器中的一种。

一种可穿戴式增强现实设备，其包括佩戴于用户头上的主体，主体上设置有至少一套上述任意一种增强现实目镜显示系统，主体用于将所述增强现实目镜显示系统固定在用户头部预设位置。从而用户可以通过半反半透镜1同时接收显示器发射的光线和现实中的光线。

本实用新型的一个应用场景可为，应用于送外卖或快递的工作人员的头盔上，在其头盔上布设若干所述增强现实目镜显示系统，从而配送人员可以不用反复拿去、查看手机，可以通过增强现实目镜显示系统时时查看订单信息、导航信息等，提高配送人员工作效率，也利于保障配送员工作中的人身安全。

进一步优选的，所述的可穿戴式增强现实设备为头盔型设备，头盔型设备的护目镜被配置为所述增强现实目镜显示系统中的半反半透镜。即在护目镜上镀设半透半反膜层11，使其用作增强现实目镜显示系统中的半反半透镜，人眼通过护目镜同时接收显示器发射的光线和现实中的光线。

以下给出本实用新型中所述光学系统的一些具体实施例，但其仅用于帮助理解本实用新型，并不是对本实用新型的限定。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为光学系统。

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

用前正后负的系统结构，使得本实用新型具有长出瞳距、大视场的优点，同时能够满足系统紧凑，短焦距的工况要求。

本实用新型的焦距最小达到20mm，出瞳距最大达到45mm，出瞳直径最大达到8mm，对角线视场角最大达到40°。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括沿逆着光线入射方向依次设置的半反半透镜(1)、第一透镜组(2)、第二透镜组(3)和第三透镜组(4)，入射光依次经过第三透镜组(4)、第二透镜组(3)和第一透镜组(2)后射向半反半透镜(1)；

半反半透镜(1)用于反射所述入射光，同时透射外界环境光线；

所述的第一透镜组(2)、第二透镜组(3)和第三透镜组(4)均为正光焦度，第一透镜组(2)包括一个第一正透镜(21)，第二透镜组(3)包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的第二正透镜(31)和第一负透镜(32)，第三透镜组(4)包括沿逆着光线入射方向顺序胶合的第三正透镜(41)、第四正透镜(42)和第二负透镜(43)。

2.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述的第一正透镜(21)满足：35mm<f1<40mm，1.60<n1<1.70，40<v1<50，其中：f1为第一正透镜(21)焦距，n1为第一正透镜(21)折射率，v1为第一正透镜(21)阿贝数。

3.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述的第二透镜组(3)满足：80mm<f2<85mm，1.60<n21<1.65，55<v21<65，1.75<n22<1.85，20<v22<30，f2为第二透镜组(3)焦距，n21为第二正透镜(31)折射率，v21为第二正透镜(31)阿贝数，n22为第一负透镜(32)折射率，v22为第一负透镜(32)阿贝数。

4.如权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述的第三透镜组(4)满足：35mm<f3<40mm，1.60<n31<1.65，55<v31<65，1.60<n32<1.65，50<v32<60，1.60<n33<1.65，30<v33<40，其中：f3为第三透镜组(4)焦距，n31为第三正透镜(41)折射率，v31为第三正透镜(41)阿贝数，n32为第四正透镜(42)折射率，v32为第四正透镜(42)阿贝数，n33为第二负透镜(43)折射率，v33为第二负透镜(43)阿贝数。

5.如权利要求1或2所述的一种光学系统，其特征在于，所述的第一透镜组(2)与半反半透镜(1)间的间距为10mm-20mm。

6.如权利要求1-4中任意一项所述的一种光学系统，其特征在于，所述的第一透镜组(2)与第二透镜组(3)间的间距为：0.05mm-0.15mm；所述的第二透镜组(3)与第三透镜组(4)间的间距为：0.5mm-1.5mm。

7.一种增强现实目镜显示系统，其特征在于，包括沿逆着光线入射方向依次设置的光阑(6)、如权利要求1-6中任意一项所述的光学系统和微显示器(5)，微显示器(5)用于发射图像光，微显示器(5)发射的图像光经过所述光学系统后射入光阑(6)。

8.如权利要求7所述的一种增强现实目镜显示系统，其特征在于，所述的微显示器(5)为OLED显示器、LCD显示器、DLP显示器、LCOS显示器、光纤扫描显示器和MEMS显示器中的一种。

9.一种可穿戴式增强现实设备，其特征在于，包括佩戴于用户头上的主体，主体上设置有至少一套如权利要求7或8中所述的增强现实目镜显示系统，主体用于将所述增强现实目镜显示系统固定在用户头部预设位置。

10.如权利要求9所述的一种可穿戴式增强现实设备，其特征在于，所述的可穿戴式增强现实设备为头盔型设备，头盔型设备的护目镜被配置为所述增强现实目镜显示系统中的半反半透镜。