CN211318883U - 一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的ar光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,包括分光穿透成像镜组、反射镜、虚拟中继成像镜组和微型显示器,分光穿透成像镜组包括半透半反平面镜和凹面透镜,在眼睛与物侧之间沿第一光轴L1依次布置半透半反平面镜和凹面透镜,在分光穿透成像镜组的一侧设置反射镜,反射镜、虚拟中继成像镜组和微型显示器沿第二光轴L2分布微型显示器显示的像源通过虚拟中继成像镜组的放大后经过反射镜反射到半透半反平面镜再透过凹面透镜并放大,在物侧形成放大的虚像,它的视场角大、分辨率高,出瞳直径大、结构简单、工艺难度小,加工成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统。
背景技术
随着科学技术的进步,为便利日常生活、学习教育及工作,增强现实技术应运而生,所谓增强现实技术就是在真实的环境中添加计算机生成图像的技术,现实世界和增强环境可以同时交互,用户可以进行数字化操作。随着增强现实技术的成熟,应用程序的数量不断增加,它正在改变我们的购物、娱乐、工作方式,而想实现增强现实,则需要应用AR光学系统来实现。
目前的AR光学系统都是由微型显示屏和光学元件组成,而目前一般的AR光学系统最常用的实现方式:1)有自由曲面棱镜组,2)几何光波导,3)衍射光波导。
以上3种方式的AR光学系统以下共同的缺点:
1、视场角(FOV)均不超过50°,分辨率低;
2、出瞳直径有小;
3、结构复杂、工艺难度大,加工成本高;
4、厚度大,佩戴不变。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,解决现有的AR光学系统视场角均不超过50°、分辨率低,出瞳直径有小、结构复杂、工艺难度大,加工成本高的技术问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:包括分光穿透成像镜组、反射镜、虚拟中继成像镜组和微型显示器,其中:分光穿透成像镜组包括半透半反平面镜和凹面透镜,在眼睛与物侧之间沿第一光轴L1依次布置半透半反平面镜和凹面透镜,在眼睛侧与半透半反平面镜之间设置出瞳,眼睛透过出瞳、半透半反平面镜和凹面透镜能观看物侧的真实景物;在分光穿透成像镜组的一侧设置反射镜,反射镜、虚拟中继成像镜组和微型显示器沿第二光轴L2分布,虚拟中继成像镜组位于反射镜、微型显示器之间,微型显示器显示的像源通过虚拟中继成像镜组的放大后经过反射镜反射到半透半反平面镜再透过凹面透镜并放大,在物侧形成放大的虚像,眼睛透过出瞳和分光穿透成像镜组可观看到在物侧形成的微型显示器的像源对应的虚像,物侧的真实景物与虚像的叠加形成AR功能。
上述的虚拟中继成像镜组包括从反射镜至微型显示器依次沿第二光轴L2分布的正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、负光焦度的第五透镜和平面镜。
上述所述第一透镜的焦距为f1,所述第二透镜的焦距为f2,两者满足如下关系:-2.0≤f1/f2≤-0.3。
上述所述正光焦度的第三透镜的焦距为f3,所述正光焦度的第四透镜的焦距为f4,两者满足如下关系:f3/f4=1。
上述所述第二透镜的焦距为f2,所述的负光焦度的第五透镜的焦距为f5,两者满足如下关系:-0.8≤f2/f5≤0.8。
上述的凹面透镜具有正光焦度且凹面的一侧朝向出瞳,半透半反平面镜和凹面透镜沿第一光轴L1的最大距离H满足:22mm≤H≤27.5mm。
上述半透半反平面镜与第一光轴L1的夹角α满足:40°≤α≤70°。
上述所述虚拟中继成像镜组的焦距为fL,所述分光穿透成像镜组的焦距为fs,其满足关系式:0.2≤fL/fs≤1。
上述的分光穿透成像镜组和虚拟中继成像镜组中全部镜片组成的光学系统的总焦距fo满足:-50≤fo≤0。
上述的半透半反平面镜是玻璃平板镜片,半透半反平面镜的左侧面是透射面,半透半反平面镜的右侧面为半透半反面;凹面透镜是半透半反塑料非球面凹面透镜片,其凹面朝向出瞳侧且凸面朝向物侧;反射镜是玻璃平面反射镜片;所述正光焦度的第一透镜为玻璃球面镜片,曲率半径较小的球面为凸面并背离微型显示器,曲率半径较大的球面为凸面并朝向微型显示器;所述负光焦度的第二透镜为塑料非球面镜片,面形较平坦的面背离微型显示器,面形较凹的面朝向微型显示器;所述正光焦度的第三透镜和正光焦度的第四透镜都为玻璃球面镜片,正光焦度的第三透镜和正光焦度的第四透镜是面形、厚度、材质完全一样的同种镜片,并沿光轴对称设置,其平坦面相对,而较凸面相背;所述负光焦度的第五透镜是塑料非球面镜片,负光焦度的第五透镜中心的凹面朝向微型显示器;平面镜是玻璃平面镜片。
上述的微型显示器与平面镜之间留有一定的空气间隔距离,使微型显示器沿第二光轴L2来回移动,可进行视度调节。
上述的出瞳直径大于10mm。
上述的负光焦度的第二透镜和负光焦度的第五透镜的折射率为nd,负光焦度的第二透镜和负光焦度的第五透镜的阿贝数为vd,其满足关系式:4.7<nd+In(vd)<6。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点:
1)具有较大视场角,视场角FOV≥60°,在60°—85°的范围;
2、出瞳直径大于10mm,一般在10mm-12mm范围;
3、高分辨率:微型显示器的屏幕长宽比是4:3时,分辨率≥1600*1200;微型显示器的屏幕长宽比是16:9时,分辨率≥2560*1440;
4、长出瞳距离:出瞳距离≥16.5mm
5、厚度≤27.5mm,比较薄,便于佩戴;
6、TV畸变≤0.4%
7、本实用新型的大部分镜片都是通用的镜片,结构简单,加工工艺简单,制造成本低。
附图说明
图1为本实用新型提供的结构原理图;
图2为本实用新型提供的成像原理图;
图3为本实用新型提供的立体图;
图4为本实用新型提供的主视图;
图5为本实用新型提供的侧视图;
图6为本实用新型提供的第一解析MTF图;
图7为本实用新型提供的第二解析TF-MTF图;
图8为本实用新型提供的SPOT图;
图9为本实用新型提供的场曲畸变图;
图10是本实用新型提供的温度是零下-20度的解析MTF图;
图11是本实用新型提供的温度是60度的解析MTF图;
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,都属于本实用新型保护的范围。
如图1至图11所示,本实施例提供了一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,包括分光穿透成像镜组1、反射镜2、虚拟中继成像镜组3和微型显示器4,其中:
分光穿透成像镜组1包括半透半反平面镜11和凹面透镜12,在眼睛与物侧之间沿第一光轴L1依次布置半透半反平面镜11和凹面透镜12,在眼睛侧与半透半反平面镜11之间设置出瞳5,眼睛透过出瞳5、半透半反平面镜11和凹面透镜12能观看物侧的真实景物;
在分光穿透成像镜组1的一侧设置反射镜2,反射镜2、虚拟中继成像镜组3和微型显示器4沿第二光轴L2分布,虚拟中继成像镜组3位于反射镜2、微型显示器4之间,微型显示器4显示的像源通过虚拟中继成像镜组3的放大后经过反射镜2反射到半透半反平面镜11再透过凹面透镜12并放大,在物侧形成放大的虚像,眼睛透过出瞳5和分光穿透成像镜组1可观看到在物侧形成的微型显示器4的像源对应的虚像,物侧的真实景物与虚像的叠加形成AR功能。
上述的虚拟中继成像镜组3包括从反射镜2至微型显示器4依次沿第二光轴L2分布的正光焦度的第一透镜31、负光焦度的第二透镜32、正光焦度的第三透镜33、正光焦度的第四透镜34、负光焦度的第五透镜35和平面镜36。
本实用新型具有较大视场角,视场角FOV≥60°,在60°—85°的范围;出瞳直径大于10mm,一般在10mm-12mm范围;具有高分辨率:微型显示器的屏幕长宽比是4:3时,分辨率≥1600*1200;微型显示器的屏幕长宽比是16:9时,分辨率≥2560*1440;具有长出瞳距离:出瞳距离≥16.5mm;厚度≤27.5mm,比较薄,便于佩戴;TV畸变≤0.4%,保证成像的质量;本实用新型的大部分镜片都是通用的镜片,结构简单,加工工艺简单,制造成本低。
上述所述第一透镜31的焦距为f1,所述第二透镜32的焦距为f2,两者满足如下关系:-2.0≤f1/f2≤-0.3,保证图像放大的效果。
上述所述正光焦度的第三透镜33的焦距为f3,所述正光焦度的第四透镜34的焦距为f4,两者满足如下关系:f3/f4=1,保证图像放大的效果。
上述所述第二透镜32的焦距为f2,所述的负光焦度的第五透镜35的焦距为f5,两者满足如下关系:-0.8≤f2/f5≤0.8,保证图像放大的效果。
上述的凹面透镜12具有正光焦度且凹面121的一侧朝向出瞳5,半透半反平面镜11和凹面透镜12沿第一光轴L1的最大距离H满足:22mm≤H≤27.5mm。整个产品比较薄,佩戴方便美观。
上述的半透半反平面镜11与第一光轴L1的夹角α满足:40°≤α≤70°。使整个产品比较薄。
上述所述虚拟中继成像镜组3的焦距为fL,所述分光穿透成像镜组1的焦距为fs,其满足关系式:0.2≤fL/fs≤1。
上述的分光穿透成像镜组1和虚拟中继成像镜组3中全部镜片组成的光学系统的总焦距fo满足:-50≤fo≤0。
上述的半透半反平面镜11是玻璃平板镜片,半透半反平面镜11的左侧面是透射面,半透半反平面镜11的右侧面为半透半反面;
上述的凹面透镜12是半透半反塑料非球面凹面透镜片,其凹面朝向出瞳侧且凸面朝向物侧;
上述的反射镜2是玻璃平面反射镜片;
上述的正光焦度的第一透镜31为玻璃球面镜片,曲率半径较小的球面为凸面并背离微型显示器4,曲率半径较大的球面为凸面并朝向微型显示器4;
上述的负光焦度的第二透镜32为塑料非球面镜片,面形较平坦的面背离微型显示器4,面形较凹的面朝向微型显示器4;
上述的正光焦度的第三透镜33和正光焦度的第四透镜34都为玻璃球面镜片,正光焦度的第三透镜33和正光焦度的第四透镜34是面形、厚度、材质完全一样的同种镜片,并沿光轴对称设置,其平坦面相对,而较凸面相背;
上述的负光焦度的第五透镜35是塑料非球面镜片,负光焦度的第五透镜35中心的凹面朝向微型显示器4;
上述的平面镜36是玻璃平面镜片。
以上的正光焦度的第一透镜31、负光焦度的第二透镜32、正光焦度的第三透镜33、正光焦度的第四透镜34、负光焦度的第五透镜35和平面镜36都是通用结构的镜片,结构简单,加工工艺简单,制造成本低。
上述的微型显示器4与平面镜36之间留有一定的空气间隔距离,使微型显示器4沿第二光轴L2来回移动,可进行视度调节。
上述的出瞳5的出瞳直径大于10mm。
上述的负光焦度的第二透镜32和负光焦度的第五透镜35的折射率为nd,负光焦度的第二透镜32和负光焦度的第五透镜35的阿贝数为vd,其满足关系式:4.7<nd+In(vd)<6。
Claims (13)
1.一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:包括分光穿透成像镜组(1)、反射镜(2)、虚拟中继成像镜组(3)和微型显示器(4),其中:
分光穿透成像镜组(1)包括半透半反平面镜(11)和凹面透镜(12),在眼睛与物侧之间沿第一光轴L1依次布置半透半反平面镜(11)和凹面透镜(12),在眼睛侧与半透半反平面镜(11)之间设置出瞳(5),眼睛透过出瞳(5)、半透半反平面镜(11)和凹面透镜(12)能观看物侧的真实景物;
在分光穿透成像镜组(1)的一侧设置反射镜(2),反射镜(2)、虚拟中继成像镜组(3)和微型显示器(4)沿第二光轴L2分布,虚拟中继成像镜组(3)位于反射镜(2)、微型显示器(4)之间,微型显示器(4)显示的像源通过虚拟中继成像镜组(3)的放大后经过反射镜(2)反射到半透半反平面镜(11)再透过凹面透镜(12)并放大,在物侧形成放大的虚像,眼睛透过出瞳(5)和分光穿透成像镜组(1)可观看到在物侧形成的微型显示器(4)的像源对应的虚像,物侧的真实景物与虚像的叠加形成AR功能。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:虚拟中继成像镜组(3)包括从反射镜(2)至微型显示器(4)依次沿第二光轴L2分布的正光焦度的第一透镜(31)、负光焦度的第二透镜(32)、正光焦度的第三透镜(33)、正光焦度的第四透镜(34)、负光焦度的第五透镜(35)和平面镜(36)。
3.根据权利要求2所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:所述第一透镜(31)的焦距为f1,所述第二透镜(32)的焦距为f2,两者满足如下关系:-2.0≤f1/f2≤-0.3。
4.根据权利要求2所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:所述正光焦度的第三透镜(33)的焦距为f3,所述正光焦度的第四透镜(34)的焦距为f4,两者满足如下关系:f3/f4=1。
5.根据权利要求2所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:所述第二透镜(32)的焦距为f2,所述的负光焦度的第五透镜(35)的焦距为f5,两者满足如下关系:-0.8≤f2/f5≤0.8。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:凹面透镜(12)具有正光焦度且凹面(121)的一侧朝向出瞳(5),半透半反平面镜(11)和凹面透镜(12)沿第一光轴L1的最大距离H满足:22mm≤H≤27.5mm。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:半透半反平面镜(11)与第一光轴L1的夹角α满足:40°≤α≤70°。
8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:所述虚拟中继成像镜组(3)的焦距为fL,所述分光穿透成像镜组(1)的焦距为fs,其满足关系式:0.2≤fL/fs≤1。
9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:分光穿透成像镜组(1)和虚拟中继成像镜组(3)中全部镜片组成的光学系统的总焦距fo满足:-50≤fo≤0。
10.根据权利要求2或3或4或5所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:
半透半反平面镜(11)是玻璃平板镜片,半透半反平面镜(11)的左侧面是透射面,半透半反平面镜(11)的右侧面为半透半反面;
凹面透镜(12)是半透半反塑料非球面凹面透镜片,其凹面朝向出瞳侧且凸面朝向物侧;
反射镜(2)是玻璃平面反射镜片;
所述正光焦度的第一透镜(31)为玻璃球面镜片,曲率半径较小的球面为凸面并背离微型显示器(4),曲率半径较大的球面为凸面并朝向微型显示器(4);
所述负光焦度的第二透镜(32)为塑料非球面镜片,面形较平坦的面背离微型显示器(4),面形较凹的面朝向微型显示器(4);
所述正光焦度的第三透镜(33)和正光焦度的第四透镜(34)都为玻璃球面镜片,正光焦度的第三透镜(33)和正光焦度的第四透镜(34)是面形、厚度、材质完全一样的同种镜片,并沿光轴对称设置,其平坦面相对,而较凸面相背;
所述负光焦度的第五透镜(35)是塑料非球面镜片,负光焦度的第五透镜(35)中心的凹面朝向微型显示器(4);
平面镜(36)是玻璃平面镜片。
11.根据权利要求2或3或4或5所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:微型显示器(4)与平面镜(36)之间留有一定的空气间隔距离,使微型显示器(4)沿第二光轴L2来回移动,可进行视度调节。
12.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:出瞳(5)的出瞳直径大于10mm。
13.根据权利要求10所述的一种高分辨率大视场角及大出瞳直径的AR光学系统,其特征在于:负光焦度的第二透镜(32)和负光焦度的第五透镜(35)的折射率为nd,负光焦度的第二透镜(32)和负光焦度的第五透镜(35)的阿贝数为vd,其满足关系式:4.7<nd+In(vd)<6。
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GR01 | Patent grant | ||
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