CN216285989U - 一种用于目视的复合光学镜及近眼显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于目视的复合光学镜，由两个平凸透镜以及位于平凸透镜中间的偏振元件层结合构成为单透镜形态；两个平凸透镜沿光轴方向共轴排列，相邻表面为大致平面；两个平凸透镜中靠近目视一侧的为第一透镜，另一为第二透镜；偏振元件层包括一偏振反射膜、一1/4波片；在第一透镜的凸面表面上设置有半透半反膜；在偏振反射膜和人眼之间设置有偏振膜，用以消除杂光；复合光学镜的中心厚度D满足4mm＜D＜16mm。上述复合光学镜具有单透镜形态，系统非常简洁；并且，拥有超大出瞳直径，超大视场角，F/#小，结构紧凑、轻薄，主光线入射角小，像面照度均匀等优点。本实用新型同时公开了包括上述复合光学镜的轻薄近眼显示设备。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于目视的复合光学镜，同时涉及一种近眼显示设备，适用于头戴式显示设备领域。
背景技术
头戴显示器(Head Mounted Display，HMD)是一种可穿戴的小型近眼显示装置，是增强现实和虚拟现实技术的重要载体，在军事、娱乐、教育、医疗等领域具有巨大的应用潜力。对于HMD而言，实现高沉浸感(这意味着优越的显示性能和舒适的用户体验)始终是其最核心的研发目标，而这一目标对光学系统的设计提出了多重要求，即需同时实现超轻薄、大出瞳、大视场和高分辨率。
在目前主流的光学方案中，非球面直透式光学系统在大视场和大出瞳直径的设计要求下存在体积笨重、像面照度不均和瞳泳(pupil swimming)等问题；菲涅尔透镜虽然可以一定程度减小镜片厚度和重量，但光学系统整体长度不会减小，并且存在显著的“环状伪像”，成像质量不佳。
发明内容
本实用新型所要解决的首要技术问题在于提供一种复合光学镜。
本实用新型所要解决的另一技术问题在于提供一种近眼显示设备。
为了实现上述技术目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种用于目视的复合光学镜，包括两个平凸透镜、偏振元件层、半透半反膜和偏振膜，两个平凸透镜以及位于平凸透镜中间的偏振元件层结合构成为单透镜形态；
所述两个平凸透镜沿光轴方向共轴排列，相邻表面为平面；所述两个平凸透镜中靠近目视一侧的为第一透镜，另一为第二透镜；
所述偏振元件层包括一偏振反射膜、一1/4波片；所述1/4波片设置在所述偏振反射膜和所述第二透镜之间，所述偏振反射膜设置在所述第一透镜和所述1/4波片之间；
所述半透半反膜，设置在所述第二透镜远离所述偏振元件层的凸面表面上；
所述偏振膜，设置在所述偏振元件层和人眼之间，用于抑制杂光；
所述复合光学镜的中心厚度D满足4mm＜D＜16mm。
可选地，所述偏振膜设置在所述第一透镜和所述偏振反射膜之间。
可选地，所述偏振膜设置在所述第一透镜远离所述偏振元件层的凸面表面上。
可选地，第一透镜的与第二透镜相邻的表面替换为曲率半径大于50mm的弧面。
可选地，所述两个平凸透镜的凸面表面为非球面或自由曲面，曲率半径范围为10mm～200mm。
可选地，第一透镜的中心厚度为2mm～8mm，边缘厚度为2mm～4mm，第一透镜的与第二透镜相邻的表面为平面或曲率半径大于50mm的弧面；
第二透镜的中心厚度为2mm～8mm，边缘厚度为2mm～4mm。
可选地，该复合光学镜的F数满足0.2～0.85范围。
可选地，该复合光学镜满足下述条件中至少两项：视场角大于80度，出瞳直径为3mm～15mm，出瞳距离为10mm～18mm。
一种具有复合光学镜的轻薄型近眼显示设备，还包括显示元件和控制器，所述显示元件用以显示图像，并向复合光学镜一侧发出具有预定偏振态的偏振光；所述控制器根据接收的图像信号控制图像在显示元件上的显示。
可选地，所述显示元件与复合光学镜之间的位置可调整，所述复合光学镜靠近显示元件侧的最后一个光学面在光轴上到所述显示元件的屏幕出光面之间的距离L范围在10～14mm之内调整，以实现复合光学镜对目视观察者的0D至-7D范围视度调节。
可选地，所述显示元件为可出射偏振光的微型液晶显示器件；或者，所述显示元件为不出射偏振光的微型显示器件，所述显示器件朝向所述复合光学镜一侧的表面具有与显示元件分立设置或形成为一体的起偏层。
本实用新型所提供的复合光学镜，具有单透镜形态，由两个平凸透镜以及封装在两个平凸透镜之间的偏振元件层构成。上述复合光学镜，具有超大出瞳直径，超大视场角，F/#小，结构紧凑、轻薄，主光线入射角小，像面照度均匀等优点，在实现系统轻量化、小型化的同时兼顾大视场和大出瞳范围的要求，并且能够通过注塑成型工艺实现低成本、大批量生产，特别符合近眼显示设备的要求。
附图说明
图1为第一实施例所提供的复合光学镜的纵截面结构图；
图2为第二实施例所提供的复合光学镜的纵截面结构图；
图3为复合光学镜的偏振原理示意图；
图4为近眼显示设备的成像流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行进一步地详细描述。
本实用新型所提供的复合光学镜，是一种偏振折反式目镜，包括两个平凸透镜、偏振元件层、半透半反膜和偏振膜，其中，两个平凸透镜以及位于平凸透镜中间的偏振元件层结合构成为单透镜形态；偏振元件层被密封封装在两个平凸透镜之间，两个平凸透镜与偏振元件层之间以及偏振元件层内各元件之间均不存在气隙。两个平凸透镜沿光轴方向共轴排列，相邻表面为大致平面；两个平凸透镜中靠近目视一侧的透镜为第一透镜，另一透镜为第二透镜。偏振元件层至少包括一偏振反射膜、一1/4波片；1/4波片设置在偏振反射膜和第二透镜之间，偏振反射膜设置在第一透镜和1/4波片之间。两个平凸透镜远离偏振元件层的一侧表面分别为凸面表面，在第二透镜远离偏振元件层的凸面表面上设置有半透半反膜。优选地，在上述复合光学镜中还可以包括一偏振膜，偏振膜设置在偏振反射膜和人眼之间，用于抑制来自显示器直接透射杂光，同时屏蔽来自外界杂光。偏振膜可以设置在第一透镜的任意一侧，即，偏振膜可以设置在第一透镜和偏振反射膜之间，或者，偏振膜也可以设置在第一透镜远离偏振元件层的凸面表面上。偏振膜预设的偏振方向与偏振反射膜预设的偏振方向相同。
本实用新型还提供了包括上述复合光学镜的近眼显示设备。在近眼显示设备中，除去复合光学镜外，还设置有显示元件和控制器。显示元件用以显示图像，并向复合光学镜一侧发出具有预定偏振态的偏振光；控制器根据接收的图像信号控制图像在显示元件上的显示。显示元件与复合光学镜之间的位置可调整，在光轴上，复合光学镜靠近显示元件侧的最后一个光学面到屏幕出光面之间的距离L范围在10mm～14mm之内调整，以实现复合光学镜对使用其的目视观察者达成视度适配相应的视度适配范围为0D至-7D的视度调节范围。通过对显示元件或复合光学镜的移动进行调整，近眼显示设备也可以实现其他视度范围的调节。作为示例，显示元件可以是可出射偏振光的微型液晶显示器件。或者，显示元件是不出射偏振光的微型显示器件，显示元件朝向复合光学镜一侧的表面具有与显示元件分立设置或形成为一体的起偏层。
上述复合光学镜的F数满足0.2～0.85范围，F数较小。本申请所提供的复合光学镜满足下述条件：视场角大于80度，出瞳直径为3mm～15mm，出瞳距离为10mm～18mm。
满足上述显示需求的复合光学镜在光轴上的中心厚度D满足4mm＜D＜16mm，第一透镜的中心厚度为2mm～8mm，边缘厚度为2mm～4mm，第二透镜的中心厚度为2mm～8mm，边缘厚度为2mm～4mm。由于上述复合光学镜的厚度以面型表达优势而可控至外形轻薄的水平，作为单一的目镜使用观察显示元件显示的图像时，在光轴上计算，从复合光学镜最靠近目视观察一侧的表面到显示元件的出光面之间的距离范围依然可以在27mm之内，即可实现适配0D至-7D的视度。
下面结合具体的实施例及附图，对复合光学镜中各透镜表面参数及包括复合光学镜的近眼显示设备的偏振原理进行描述。
在下列描述过程中，以视轴(即复合光学镜的光轴)方向为Z向，并以垂直于视轴向上的方向为Y向，以垂直于Y-Z面向里的方向为X向，建立三维直角坐标系。
第一实施例：
图1所示为第一实施例所提供的近眼显示设备中光学系统的纵截面图，包括：从显示器到人眼105依次排列的OLED显示器101、输入滤光器102和复合光学镜103。
其中，OLED显示器101，用于发出图像光，显示器101和控制器(未图示)连接，控制器根据接收的图像信号控制图像在显示器上的显示。所述显示器在光轴上的轴向位置可以调整，从而改变OLED显示器101和复合光学镜103之间的距离，实现0至-7D的视度调节。
输入滤光器102，贴合于OLED显示器101靠近人眼侧，可以将显示器发出的自然光变为圆偏振光。
复合光学镜103，形态为单透镜，通过光学面复用的方法实现光路折叠，即，将经输入滤光器102出射的圆偏光，两次反射后折射至出瞳104，最终进入人眼105。
具体的，OLED显示器101，有效显示区域为方形，可以更换为LCD显示器、LCoS显示器等，但需要相应地调整输入滤光器102的组分。输入滤光器102，包括但不限于起偏器和四分之一波片，只要可以实现将显示器发出的图像光变为圆偏振光，并达到一定的光能利用率即可。OLED显示器101和输入滤光器102结合，用于向复合光学镜103一侧发出具有预定偏振态的偏振光。当显示元件为可出射偏振光的微型液晶显示器件时，可以省去输入滤光器。
复合光学镜103，包括靠近人眼侧的第一透镜1031、靠近显示器的第二透镜1032、封装在第一透镜1031和第二透镜1032之间的偏振膜1036、偏振反射膜1033、四分之一波片1034，以及设置在第二透镜1032的凸面表面的半透半反膜1035。
第一透镜1031和第二透镜1032相邻的表面(第一表面S11)大致为平面，第一表面S11可以为曲率半径大于50mm的弧面；第二透镜1032和第一透镜1031相邻的表面(第二表面S21)大致为平面，并具有与第一表面S11相应的形状，以实现第一透镜1031和第二透镜1032的紧密结合。第一透镜1031、偏振膜1036、偏振元件层(包括偏振反射片1033和四分之一波片1034)和第二透镜1032紧密贴合在一起，并封装为一体。
第一透镜1031和第二透镜1032相互远离的表面为凸面表面，凸面表面的面型为非球面或自由曲面，用于校正像差，改善图像显示效果。两个平凸透镜的曲率半径范围为10mm～200mm。将第一透镜1031靠近眼睛的表面定义为第三表面S12，将第二透镜1032靠近显示器101的表面定义为第四表面S22。
半透半反膜1035具有预定透反比，贴合于第二透镜1036靠近显示器一侧的外表面B(即第四表面S22，也可以称之为反射面B)上，这样的设计可以将从输入滤光器102出射的圆偏光部分透射至第二透镜1032内，也可以将被偏振反射膜1033反射的圆偏光部分反射回第二透镜1032内并改变其旋向。
四分之一波片1034位于第二透镜1032的靠近人眼侧，偏振反射膜1033位于第一透镜1031的靠近显示器侧，二者面型均为平面，不与空气接触，通过胶合的方式与两个透镜构成单透镜形态。偏振反射膜1033靠近显示器一侧的表面，也可以称之为反射面A，能够阻拦直接透射光，将与预设偏振方向垂直的线偏振光反射回反射面B，同时使与预设偏振方向相同的线偏振光透射至第一透镜1031中。
下面对第一实施例中复合光学镜的各面型参数进行介绍。第一透镜1031和第二透镜1032均为平凸透镜，凸面的面型为非球面，两个透镜的中心厚度D(即在光轴上的厚度)之和小于14mm。两个透镜均采用低应力、低双折射率、均一性好的光学塑料，可以通过注塑成型的方式实现超轻薄、低成本、大批量生产。
表1、表2为光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。
表1第一透镜和第二透镜的光学表面面型参数
| 表面 | 类型 | 曲率半径 | 厚度 | 折射率 | 阿贝数 |
| S12 | 非球面 | 102.22 | 6.77 | 1.4947 | 57.45 |
| S11 | 平面 | 0 | |||
| S21 | 平面 | 7.05 | 1.5460 | 58.57 | |
| S22 | 非球面 | -82.55 |
表2两个非球面表面的参数
其中，非球面的方程为：
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，Ai为高阶项系数。
第二实施例：
第二实施例所提供的近眼显示设备的结构示意图如图2所示，其具有与第一实施例大致相同的结构，区别在于：复合光学镜的设计不同。
在该实施例中，复合光学镜203，形态为单透镜，通过光学面复用的方法实现光路折叠，即，将从显示器101经输入滤光器102出射的圆偏光，两次反射后折射至出瞳104，最终进入人眼105。
具体的，复合光学镜203，包括靠近人眼侧的第一透镜2031、靠近显示器的第二透镜2032、封装在第一透镜2031和第二透镜2032之间的偏振膜2036、偏振反射膜2033、四分之一波片2034，以及设置在第二透镜2032的凸面表面的半透半反膜2035。
第一透镜2031和第二透镜2032相邻的表面(第一表面S11)大致为平面，第一表面S11可以为曲率半径大于50mm的弧面；第二透镜2032和第一透镜2031相邻的表面(第二表面S21)大致为平面，并具有与第一表面S11相应的形状。第一透镜2031、偏振膜2036、偏振元件层(包括偏振反射膜2033和四分之一波片2034)和第二透镜2032紧密贴合在一起，并封装为一体。
第一透镜2031和第二透镜2032相互远离的表面为凸面表面，第一透镜2031的凸面表面(即第三表面S12)的面型为非球面，第二透镜2032的凸面表面(即第四表面S22)的面型为自由曲面。
封装在第一透镜2031和第二透镜2032之间的偏振元件层的结构与第一实施例类似，在此不再赘述。
半透半反膜2035为自由曲面面型，镀于第二透镜2032的凸面表面(即第四表面S22)上。
与第一实施例相比，在第二实施例中，将第二透镜2032的凸面表面(即第四表面S22)面型由非球面改为自由曲面，从而使复合光学镜203的中心厚度D(即在光轴上的厚度)进一步缩减为小于10mm。
具体的，第一透镜2031的第三表面S12为非球面，第一透镜2031的中心厚度小于3mm。第二透镜2032的第四表面S22为自由曲面，第二透镜2032的中心厚度小于7mm。
并且，在第二实施例中，通过改变第二透镜2032的面型，进一步校正像差，改善成像质量。
表3、表4、表5分别为第二实施例光学镜组中透镜各光学表面的设计参数。
表3第一透镜和第二透镜中各光学表面的参数
| 表面 | 类型 | 曲率半径 | 厚度 | 折射率 | 阿贝数 |
| S12 | 非球面 | 228.82 | 2.84 | 1.4947 | 57.45 |
| S11 | 平面 | 0 | |||
| S21 | 平面 | 6.34 | 1.5460 | 58.57 | |
| S22 | XY多项式 | -81.54 |
表4第一透镜的凸面表面的参数
表5第二透镜的凸面表面的参数
其中，非球面的方程为：
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，Ai为高阶项系数。
面型为XY多项式的自由曲面的表面方程为：
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。
下面结合图3对本公开所提供的近眼显示设备的偏振原理进行描述。如图3所示，OLED显示器301发出图像光307，照射到输入滤光器302；输入滤光器302接收图像光307，将其转化为左旋圆偏振光308，照射到半透半反膜303；左旋圆偏振光308经过半透半反膜303，变为部分透射光309，保持其原旋向；四分之一波片304接收左旋圆偏光309，将其转化为水平线偏振光310，照射到偏振反射膜305；由于该线偏振光310的偏振方向与偏振反射膜305的预设偏振方向垂直，因此被反射回到四分之一波片304；四分之一波片304将被反射的水平线偏振光311转化为左旋圆偏振光312，照射到半透半反膜303；半透半反膜303将接收到的左旋圆偏振光312部分反射并转化为右旋圆偏振光313，照射到四分之一波片304；四分之一波片304将右旋圆偏振光313转化为垂直线偏振光314，照射到偏振反射膜305；由于该线偏振光314的偏振方向与偏振反射膜305的预设偏振方向相同，因此可以透射出偏振反射膜305；经过偏振反射膜305透射出来的线偏振光315依然为垂直偏振光，照射到偏振膜306上，由于该线偏光的偏振方向与偏振膜306的偏振方向相同，所以直接透射出偏振膜306，最终经过透镜折射进入人眼。通过在偏振反射膜305和人眼之间增设偏振膜306，可以抑制来自显示器直接透射杂光，同时屏蔽来自外界杂光，提高成像清晰度。
相应的，本公开还提供了一种基于偏振和光学面复用的成像方法，适用于要求同时实现大视场、大出瞳和超轻薄的近眼显示光学系统，具体包括如下步骤：
S401：微图像源发出图像光，照射到输入滤光器；
S402：输入滤光器接收图像光，将其转化为某一旋向的圆偏振光，照射到复合光学镜；
S403：复合光学镜接收圆偏振光，将其两次反射后转化为垂直线偏振光并折射至出瞳，最终进入人眼。
具体的，复合光学镜中的半透半反膜首先接收圆偏振光，使其部分透射至复合光学镜内，随后四分之一波片将圆偏振光转化为线偏振光，线偏振光到达偏振反射膜，由于其偏振方向与预设偏振方向垂直，因此被反射回四分之一波片，透射后再次变为原旋向的圆偏振光，第二次到达半透半反膜，被部分反射后旋向改变为反向的圆偏振光，经过四分之一波片转化为线偏振光，照射于偏振反射膜上，由于其偏振方向与预设偏振方向相同，因此可以从偏振反射膜透射，最终进入人眼。
以上所述，仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。本公开可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本公开的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照上述实施例之外的方式组合，组合后的技术方案仍落在本申请的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于目视的复合光学镜，其特征在于，包括两个平凸透镜、偏振元件层、半透半反膜和偏振膜，两个平凸透镜以及位于平凸透镜中间的偏振元件层结合构成为单透镜形态；
所述两个平凸透镜沿光轴方向共轴排列，相邻表面为平面；所述两个平凸透镜中靠近目视一侧的为第一透镜，另一为第二透镜；
所述偏振元件层包括一偏振反射膜、一1/4波片；所述1/4波片设置在所述偏振反射膜和所述第二透镜之间，所述偏振反射膜设置在所述第一透镜和所述1/4波片之间；
所述半透半反膜，设置在所述第二透镜远离所述偏振元件层的凸面表面上；
所述偏振膜，设置在所述偏振元件层和人眼之间，用于抑制杂光；
所述复合光学镜的中心厚度D满足4mm＜D＜16mm。
2.如权利要求1所述的复合光学镜，其特征在于，所述偏振膜设置在所述第一透镜和所述偏振反射膜之间，或者，所述偏振膜设置在所述第一透镜远离所述偏振元件层的凸面表面上。
3.如权利要求1所述的复合光学镜，其特征在于，第一透镜的与第二透镜相邻的表面替换为曲率半径大于50mm的弧面。
4.如权利要求1所述的复合光学镜，其特征在于，所述两个平凸透镜的凸面表面为非球面或自由曲面，曲率半径范围为10mm～200mm。
5.如权利要求1所述的复合光学镜，其特征在于，
第一透镜的中心厚度为2mm～8mm，边缘厚度为2mm～4mm；
第二透镜的中心厚度为2mm～8mm，边缘厚度为2mm～4mm。
6.如权利要求1所述的复合光学镜，其特征在于，该复合光学镜的F数满足0.2～0.85范围。
7.如权利要求6所述的复合光学镜，其特征在于，该复合光学镜满足下述条件中至少两项：视场角大于80度，出瞳直径为3mm～15mm，出瞳距离为10mm～18mm。
8.一种具有权利要求1～7中任一复合光学镜的轻薄型近眼显示设备，其特征在于，还包括显示元件和控制器，所述显示元件用以显示图像，并向复合光学镜一侧发出具有预定偏振态的偏振光；所述控制器根据接收的图像信号控制图像在显示元件上的显示。
9.如权利要求8所述的轻薄型近眼显示设备，其特征在于，所述显示元件与复合光学镜之间的位置可调整，所述复合光学镜靠近显示元件侧的最后一个光学面到所述显示元件的屏幕出光面之间在光轴上的距离范围在10～14mm之内调整，且所述复合光学镜最靠近人眼侧的表面到所述显示元件的屏幕出光面之间在光轴上的距离范围不超过27mm，以实现0D至-7D的视度调节。
10.如权利要求8所述的轻薄型近眼显示设备，其特征在于，所述显示元件为可出射偏振光的微型液晶显示器件；或者，
所述显示元件为不出射偏振光的微型显示器件，所述显示器件朝向所述复合光学镜一侧的表面具有与显示元件分立设置或形成为一体的起偏层。
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| CN202122874128.9U CN216285989U (zh) | 2021-11-23 | 2021-11-23 | 一种用于目视的复合光学镜及近眼显示设备 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114706228A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-07-05 | 沂普光电(天津)有限公司 | 一种光学系统及vr设备 |
| CN115047629A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-13 | 上海摩软通讯技术有限公司 | 一种vr光学系统及vr装置 |
| CN115185081A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-10-14 | 北京理工大学 | 基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜 |
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2021
- 2021-11-23 CN CN202122874128.9U patent/CN216285989U/zh active Active
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