CN213069354U - 一种用于近眼显示的光学组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例提供一种用于近眼显示的光学组件，包括沿使用者视线方向依次排列的第一棱镜，第二棱镜，第三棱镜，所述第二棱镜的光入射面接收图像光透射进入第二棱镜内部，图像光到达第二棱镜上与第一棱镜相邻的表面发生全反射至第二棱镜上与第三棱镜相邻的表面，在所述与第三棱镜相邻的表面上被部分的反射，以穿过第二棱镜、第一棱镜后进入使用者眼睛；所述第二棱镜的光入射面与图像源位置的光路中还具有一个透镜组；所述用于近眼显示的光学组件的出瞳范围满足大于12mm(H)×8mm(V)。采用本实用新型所述的光学组件，可以扩展出瞳，提高显示效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学领域，特别是指一种用于近眼显示的光学组件。
背景技术
虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于VR或者AR模式的头戴式图像显示装置取得了长足的发展，近年来也出现了消费级的产品，由于这些头戴式显示装置在使用时需要佩戴于观察者头部，因此紧凑和轻量化一直是业内的不懈追求，以减轻观察者的负载，提高可使用性。
随着设计的改进，可以通过改变AR或VR的面型例如采用自由曲面提升像质，减轻光学元件的重量并缩小体积。但是，采用这种结构的显示设备的出瞳通常较小，影响显示效果。
发明内容
针对上述问题，本实用新型实施例提供一种用于近眼显示的光学组件，包括沿使用者视线方向依次排列的第一棱镜(21)，第二棱镜(22)，第三棱镜(23)，其中，第一棱镜(21)具有朝向使用者方向的第一表面(201)，第三棱镜(23)具有朝向外侧的第二表面(208)，第一棱镜(21)与第二棱镜(22)相邻的表面(202,203)之间具有一个小的空气间隔；所述第二棱镜 (22)的光入射面(206)接收来自微型显示器的图像光透射进入第二棱镜(22) 内部，图像光到达第二棱镜(22)上与第一棱镜(21)相邻的第三表面(203) 发生全反射至第二棱镜(22)上与第三棱镜(23)相邻的第四表面(204)，在所述与第三棱镜(23)相邻的第四表面(204)上被部分的反射，以穿过第二棱镜(22)、第一棱镜(21)后进入使用者眼睛；所述第二棱镜(22)的光入射面(206)与图像源位置的光路中还具有一个透镜组；所述用于近眼显示的光学组件的出瞳范围满足大于12mm(H)×8mm(V)。
进一步的，第二棱镜(22)的第三表面(203)在垂直于视线方向上，表面走向为从靠近人眼侧至远离人眼侧延伸，其与使用者视线的夹角范围为 57°～68°。
进一步的，所述第一表面(201)、第二表面(208)具有大致相同的球面面型。
进一步的，所述第二棱镜(22)的光入射面(206)为凹面或者凸面。
进一步的，所述第二棱镜(22)的光入射面(206)的面型为球面、非球面或自由曲面。
进一步的，所述第二棱镜(22)与第三棱镜相邻的第四表面(204)面型为自由曲面，其上镀有预定分光比的反射膜。
进一步的，所述微型显示器选用自发光面板OLED型、LED型、非自发光面板LCD或者LCoS型。
进一步的，所述透镜组包括正、负透镜各一，正透镜靠近微型显示器一侧，负透镜靠近第二棱镜的光入射面(206)一侧，所述透镜组的焦距f3为 25mm<f3<40mm。
进一步的，所述第三棱镜(23)与第二棱镜(22)相邻的面为承载面(207)，贴靠在第二棱镜(22)的面型为自由曲面的第四表面(204)上，二者之间通过胶合固定。
进一步的，所述光学组件的整体焦距f为:17mm<f<25mm。
采用本实用新型所述的光学组件，通过棱镜组中面型采用自由曲面的设计，提高成像质量，同时，在棱镜组与微型显示器的光路之间设置透镜组，可以扩大系统的出瞳，进一步提高显示效果。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、图2以及图3为本实用新型实施例的结构示意图；
图4为虚拟现实效果的光学镜组结构示意图。
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。
图1、图2为本实用新型所述的用于近眼显示的光学组件，包括沿使用者出瞳1视线方向依次排列的棱镜组2、透镜组3和微型显示器4。其中，棱镜组2包括距离人眼由近及远依次排列的第一棱镜21、第二棱镜22、第三棱镜23，透镜组3包括第一透镜31和第二透镜32。
微型显示器4选用自发光面板OLED型、LED型、非自发光面板LCD或者LCoS型，其发出的图像光通过透镜组3的第一透镜31和第二透镜32，到达第二棱镜的光入射面206，第一透镜31为负透镜，靠近第二棱镜22的光入射面206一侧，第二透镜32为正透镜，靠近微显示器一侧，所述第一透镜 31和第二透镜32的表面均对光线有折射作用，进一步的，各表面可以镀增透膜以增加光能利用率并减少可能产生的杂光。所述透镜组3的焦距f3为 25mm<f3<40mm。
如图3所示的，所述第二棱镜22的光入射面206，接收来自微型显示器的图像光透射进入第二棱镜22内部，图像光到达第二棱镜22上与第一棱镜 21相邻的表面203(即，第三表面)发生全反射至第二棱镜22上与第三棱镜23相邻的表面204(即，第四表面)，在所述与第三棱镜23相邻的表面204 上被部分的反射，到达第二棱镜的表面205，图像光穿过第二棱镜22、第一棱镜21后进入使用者眼睛；同时，环境光经过第三棱镜23、第二棱镜22和第一棱镜21到达人眼，人眼同时看到图像光和环境光，实现增强现实显示的效果。其中，表面203和表面205实际上为同一个表面，图像光第二次经过该表面时，不满足发生全内反射的条件。
具体的，第二棱镜22的光入射面206设计为凹面或凸面。第二棱镜22 的表面205在垂直于视线方向上，表面走向为从靠近人眼侧至远离人眼侧延伸，其与使用者视线的夹角范围为57°～68°。第二棱镜的表面204上镀有分光膜，优选的，分光效率为50％，即一半的图像光被表面204反射到表面 205，一半的图像光被投射损失掉。第二棱镜22的表面206、205(203)、 204的面型可以为球面、非球面或自由曲面，优选的采用自由曲面的设计以提高光线组件的显示效果，第一棱镜21、第二棱镜22和第三棱镜23可以采用注塑的工艺进行生产，降低棱镜的重量和生产成本。
第一棱镜21具有朝向使用者方向的第一表面201，第三棱镜23具有朝向外侧的第二表面208，所述第一表面201和所述第二表面208具有大致相同的表面，所述表面可以采用球面面型。为了保证第二棱镜22的表面203的全内反射，第一棱镜21和第二棱镜22相邻的表面202、205之间具有小的空气间隔。第三棱镜的表面207为承载面，贴靠在与之相邻的第二棱镜的表面 204上，所述表面204和所述表面207通过胶合固定。
采用本实用新型的近眼显示设备，焦距f为17mm<f<25mm，出瞳范围为 12mm(H)×8mm(V)。
本实用新型中各表面的第一组设计参数如表1、表2以及表3所示：其中，表面序号101指出瞳所在表面。
表2
| 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 折射率 | 阿贝数 | 属性 | 偏心类型 | Y偏心 | Z偏心 | Alpha倾斜 | |
| 207 | XY多项式曲面 | -60.71 | 1.54 | 56.5 | 折射 | 全局坐标 | 0.46 | 32.49 | -10.19 | |
| 208 | 球面 | -514 | 1.54 | 56.5 | 折射 | 全局坐标 | 0.69 | 34.12 | 0 |
上述表面的参数设计中，面型为球面的表面满足方程：
面型为非球面的表面满足方程：
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，Ai为高阶项系数。
面型为XY多项式的自由曲面的表面满足方程：
表3
本实用新型各表面的第二组设计参数如表4、表5、表6以及表7所示。其中，表面序号101为出瞳所在表面。
表4
表5
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。
构成为非球面的表面满足方程：
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，Ai 为高阶项系数。
面型为XY多项式的自由曲面的表面满足方程：
表6
表7
进一步的，如图4所示，用于虚拟现实显示时，棱镜组2包括第一棱镜21 和第二棱镜22。此时，微型显示器41的图像光通过透镜组3到达棱镜组2，入射至第二棱镜22的入射面206，到达与第一棱镜21相邻的表面发生全反射至第二棱镜靠近环境侧的表面，被反射后，穿过第一棱镜21，到达人眼，实现虚拟现实显示。其中，透镜组、第一棱镜和第二棱镜等均可以选择与增强现实显示时同样的结构。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于近眼显示的光学组件，其特征在于，包括沿使用者视线方向依次排列的第一棱镜(21)，第二棱镜(22)，第三棱镜(23)，其中，
第一棱镜(21)具有朝向使用者方向的第一表面(201)，第三棱镜(23)具有朝向外侧的第二表面(208)，第一棱镜(21)与第二棱镜(22)相邻的表面(202,203)之间具有一个小的空气间隔；
所述第二棱镜(22)的光入射面(206)接收来自微型显示器的图像光透射进入第二棱镜(22)内部，图像光到达第二棱镜(22)上与第一棱镜(21)相邻的第三表面(203)发生全反射至第二棱镜(22)上与第三棱镜(23)相邻的第四表面(204)，在所述与第三棱镜(23)相邻的第四表面(204)上被部分的反射，以穿过第二棱镜(22)、第一棱镜(21)后进入使用者眼睛；
所述第二棱镜(22)的光入射面(206)与图像源位置的光路中还具有一个透镜组；
所述用于近眼显示的光学组件的出瞳范围满足大于12mm(H)×8mm(V)。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，第二棱镜(22)的第三表面(203)在垂直于视线方向上，表面走向为从靠近人眼侧至远离人眼侧延伸，其与使用者视线的夹角范围为57°～68°。
3.根据权利要求2所述的光学组件，其特征在于，所述第一表面(201)、第二表面(208)具有大致相同的球面面型。
4.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述第二棱镜(22)的光入射面(206)为凹面或者凸面。
5.根据权利要求3或4所述的光学组件，其特征在于，所述第二棱镜(22)的光入射面(206)的面型为球面、非球面或自由曲面。
6.根据权利要求5所述的光学组件，其特征在于，所述第二棱镜(22)与第三棱镜(23)相邻的第四表面(204)面型为自由曲面，其上镀有预定分光比的反射膜。
7.根据权利要求1或6所述的光学组件，其特征在于，所述微型显示器选用自发光面板OLED型、LED型、非自发光面板LCD或者LCoS型。
8.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述透镜组包括正、负透镜各一，正透镜靠近微型显示器一侧，负透镜靠近第二棱镜的光入射面(206)一侧，所述透镜组的焦距f3为25mm<f3<40mm。
9.根据权利要求6所述的光学组件，其特征在于，所述第三棱镜(23)与第二棱镜(22)相邻的面为承载面(207)，贴靠在第二棱镜(22)的面型为自由曲面的第四表面(204)上，二者之间通过胶合固定。
10.根据权利要求9所述的光学组件，其特征在于，所述光学组件的整体焦距f为:17mm<f<25mm。
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