CN218728353U - 光学组合器和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光学组合器和电子设备，光学组合器包括图像产生组件、自由曲面反射镜和畸变矫正组件。所述图像产生组件用于产生目标图像；所述目标图像经所述自由曲面反射镜反射后，出射至眼盒区域，并由人眼感知虚像；所述畸变矫正组件包括至少一个自由曲面透镜，所述畸变矫正组件设置于所述光学组合器的成像路径上。本申请的光学组合器，综合考虑了每个视场的成像质量、畸变矫正，在离轴成像系统的物面和自由曲面反射镜之间自由空间中，插入自由曲面，有效的提升了像面上的成像质量，并改善了成像的畸变。

Description

光学组合器和电子设备

技术领域

本申请涉及视觉传达领域，尤其涉及到一种光学组合器和电子设备。

背景技术

传统光学组合器一般是由球面或者非球面等构成的共轴系统。随着光电仪器使用范围的扩大和使用要求的提高，无论是在军用领域还是民用领域，传统的光学组合器已经无法满足人们对光电设备高性能、小型化、轻量化和个性化等要求。

目前在单反射镜组成的AR(Augmented Reality，增强现实)系统中，由离轴系统引起的畸变主要依靠算法反畸变补偿相差，使得设备后台计算量增大，画面实时性难以保证。另外算法补偿畸变仅仅针对EB(eyebox，眼盒区域)初始状态，当发生EB漂移，即眼瞳转动时候，算法补偿效果不佳。利用算法预处理畸变图像后，图像清晰度下降，且经过不同的预处理后，图像拼接效果不佳，还会损失部分像素。此外利用软件矫正畸变使得高清图像和视频数据的信息庞大，对硬件要求较高，成本也将增大。

在所述背景技术部分，公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术信息。

实用新型内容

本申请的至少一实施例提供了一种光学组合器和电子设备。

第一方面，本申请的至少一实施例提供了一种光学组合器，其包括图像产生组件、自由曲面反射镜和畸变矫正组件。所述图像产生组件用于产生目标图像；所述目标图像经所述自由曲面反射镜反射后，出射至眼盒区域，并由人眼感知虚像；所述畸变矫正组件包括至少一个自由曲面透镜，所述畸变矫正组件设置于所述光学组合器的成像路径上。

第二方面，本申请的至少一实施例提供了一种电子设备，其包括第一方面任一实施例中的光学组合器。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述畸变矫正组件仅包括第一自由曲面透镜，所述第一自由曲面透镜贴合设置于所述图像产生组件的表面，所述第一自由曲面透镜贴合所述图像产生组件的表面为平面，所述第一自由曲面透镜背离所述图像产生组件的表面为自由曲面。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述畸变矫正组件仅包括第二自由曲面透镜，所述第二自由曲面透镜设置于所述图像产生组件和所述自由曲面反射镜之间，所述第二自由曲面透镜临近所述图像产生组件的表面为自由曲面，且所述第二自由曲面透镜背离所述图像产生组件的表面为自由曲面。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述第二自由曲面透镜的设置位置靠近所述图像产生组件。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述畸变矫正组件包括：第一自由曲面透镜，所述第一自由曲面透镜贴合设置于所述图像产生组件的表面；第二自由曲面透镜，所述第二自由曲面透镜设置于所述图像产生组件和所述自由曲面反射镜之间。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述第二自由曲面透镜与所述图像产生组件的距离为5-10mm；所述自由曲面反射镜与所述图像产生组件的距离为35-50mm；所述自由曲面反射镜和视轴的夹角为35°-45°；所述眼盒区域与所述自由曲面反射镜的距离为60-80mm；所述图像产生组件的设置高度为25-40mm；所述图像产生组件的倾斜角度为30°-45°。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述畸变矫正组件包括多个自由曲面透镜，所述多个自由曲面透镜设置于所述图像产生组件和所述自由曲面反射镜之间。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述畸变矫正组件还包括第三自由曲面透镜，所述第三自由曲面透镜设置于所述自由曲面反射镜和所述眼盒区域之间。

例如，在本申请的第一方面或第二方面的一些实施例中，所述第三自由曲面透镜的设置位置靠近所述眼盒区域。

本申请的光学组合器，综合考虑了每个视场的成像质量、畸变矫正，在离轴成像系统的物面(图像产生组件)和自由曲面反射镜之间自由空间中，插入自由曲面(畸变矫正组件)，有效的优化像面上的成像质量和改善畸变。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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示出根据本申请示例实施例的光学组合器的结构示意图。

图2示出根据本申请一些实施例的光学组合器的结构示意图。

图3示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

图4示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

图5示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

图6示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

目前在单反射镜组成的AR(Augmented Reality，增强现实)系统中，由离轴系统引起的畸变主要依靠算法反畸变补偿相差，使得设备后台计算量增大，画面实时性难以保证。另外算法补偿畸变仅仅针对EB(eyebox，眼盒区域)初始状态，当发生EB漂移，即眼瞳转动时候，算法补偿效果不佳。利用算法预处理畸变图像后，图像清晰度下降，且经过不同的预处理后，图像拼接效果不佳，还会损失部分像素。此外利用软件矫正畸变使得高清图像和视频数据的信息庞大，对硬件要求较高，成本也将增大。

光学自由曲面的出现解决了上述问题，自由曲面较球面和非球面而言具有更高的自由度，能在不影响性能的条件下实现系统的简单化，或者在相同的系统复杂程度的条件下，实现系统的性能优异化。尤其是非共轴的自由曲面光学元件，可以很好地矫正非共轴系统的离轴像差(自由曲面光学元件对光线有近似的放大率，从而矫正像差)，这是传统球面和非球面系统所不能做到的。

光学自由曲面具有非对称面型、灵活的空间布局、丰富的设计自由度等优良特征，可满足现代光学组合器的高品质的光学特征参数、优良的成像或者照明质量、小型化、轻量化等要求。得益于自由曲面的自由的度较大，理论上自由曲面的上的每一点都可以有不同的曲率半径，由人为控制法线方向，实现控制光程差、光线方向和位置等。

自由曲面光学，以Asphericon非球面镜为例，在几何方面上可以定义为表面没有围绕光轴旋转对称或平移的光学器件。自由曲面光学是折射和反射表面，与球面和非球面几何形状有很大不同。自由曲面光学制造始于定义表面，在数学表征上要求高且复杂。自由曲面光学的数学描述有多种可能性。非球面根据ISO 10110使用Zernike-Fringe多项式计算，其中表面轮廓在数学的表征上描述为：

其中c是曲率半径的倒数，k是圆锥常数，Zi是标准Zernike多项式，Ai是Zernike系数，r是表面的径向坐标，ρ(rho)归一化径向和φ(phi)角坐标。

自由曲面与球面或非球面相比，自由曲面具有更多的自由度。因为自由曲面光学打破了对称性，光学组合器的设计有了更多的可能性，使得光学元件的几何形状更加复杂，并且需要使用参考结构进行定向。得益于现代化的制造和测量设备，Asphericon非球面还可以生产非常规的Asphericon自由曲面和系统，使得在自由曲面光学的应用中实现更多的可能。通过非球面的创新技术，Asphericon在自由曲面光学的应用上有以下一些优势：材料(包括陶瓷)中的常规形状；透镜、反射镜、直径达300毫米的单片元件；多焦点、紧凑型系统；出色的表面质量(至少达到RMSi50nm)；无CGH(Computer-GeneratedHolograms，计算机生成的全息图)测量；单独的涂层和安装；针对生产而优化的光学组合器设计。

由于自由曲面光学具有特殊的表面形状，它们还可以实现传统光学器件无法实现的功能。特别是对于小型光学组件，例如整体式组件。这在折叠光束路径时较为有利，并且可以替代现有的装置，例如反射镜系统，如抬头显示光学组合器(HMD)。

下面将参照附图，对根据本申请实施例的光学组合器进行详细说明。

图1示出根据本申请示例实施例的光学组合器的结构示意图。

参见图1，示例实施例的光学组合器包括图像产生组件100、自由曲面反射镜200和畸变矫正组件300。

图像产生组件100用于产生目标图像。

图像产生组件100可以是投影机或者液晶显示器，或者也可以是其它类型的图像产生装置，也都在本实用新型保护范围内。如可以采用小型投影机，具体可以采用CRT(Cathode Ray Tube)投影，LCD(liquid crystal display)投影，DLP(Digital LightProcession)投影、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)、OLED(OrganicElectroluminescence Display)投影、LED(light emitting diode)屏幕、microLED屏幕、DMD(Digital Micromirror Device)投影、激光投影等不同类型。

图像产生组件100产生的目标图像经自由曲面反射镜200反射后，出射至眼盒区域400。

自由曲面反射镜200可以被配置为半透半反镜，根据膜层特征实现50％反射、50％透射，以使得外界光可以通过自由曲面反射镜200实现AR功能。

可选地，为了使得自由曲面面型过度平滑提升像质增加观看舒适感，自由曲面反射镜200的曲率范围可以被设置为无穷。

畸变矫正组件300包括至少一个自由曲面透镜，畸变矫正组件300设置于光学组合器的成像路径上。通过设置畸变矫正组件300，使得自图像产生组件100生成的目标图像在传递到眼盒区域之前，除了被自由曲面反射镜200进行畸变矫正外，还进一步被畸变矫正组件300进行矫正，使得最终的矫正效果显著优于不设置畸变矫正组件300的技术方案。

本申请利用传统的光学硬件自由曲面矫正畸变，不需要处理原图像，也不需要高性能的软件的处理，不需要专业的技术人员，所以也不存在像素的损失也能更好的实现实时性。

在本申请的光学组合器成像的过程中，图像产生组件100的高度和倾斜角、自由曲面反射镜200的高度和倾斜角，以及自由曲面反射镜200与视轴的夹角被配置为实现光投射到人眼。

图2示出根据本申请一些实施例的光学组合器的结构示意图。

参见图2，一些实施例的光学组合器包括图像产生组件100、自由曲面反射镜200和畸变矫正组件300。

畸变矫正组件300仅包括第一自由曲面透镜310，第一自由曲面透镜310贴合设置于图像产生组件100的表面。即，利用图像产生组件100胶合自由曲面的方案矫正离轴反射存在的畸变情况，减少算法负担。在这种技术方案中，只要保证图像产生组件100上的自由曲面胶合的稳定性，便可以减小安装误差，使用两个自由曲面补偿畸变，效果更好。

第一自由曲面透镜310贴合图像产生组件100的表面为平面，第一自由曲面透镜310背离图像产生组件100的表面为自由曲面。本方案利用一面为平面的第一自由曲面透镜310与自由曲面反射镜200配合矫正，通过两个自由曲面矫正离轴畸变，矫正效果好。由于第一自由曲面透镜310的平面侧胶合于图像产生组件100，简化了自由曲面透镜的安装，同时可减小安装误差，使用自由曲面反射镜200而不使用自由曲面棱镜，以保证在光学组合器组装时，系统的装调自由度较大。

图像产生组件100上胶合第一自由曲面透镜310虽然能够减少安装误差，但是最终的得到的光学组合器的矫正畸变能力有限。另外将图像产生组件100与第一自由曲面透镜310胶合后，如果图像产生组件100或第一自由曲面透镜310之一出现不良品，整个胶合件将不能再用，增加了生产成本。

图3示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

参见图3，另一实施例的光学组合器包括图像产生组件100、自由曲面反射镜200和畸变矫正组件300。

畸变矫正组件300仅包括第二自由曲面透镜320，第二自由曲面透镜320设置于图像产生组件100和自由曲面反射镜200之间。

在这种技术方案中，为了降低损耗，提高畸变矫正能力，采用双自由曲面透镜矫正畸变的方案，第二自由曲面透镜320位于图像产生组件100与自由曲面反射镜200之间，且靠近图像产生组件100一端，以规避结构对人眼视线的遮挡。从图像产生组件100中投出的光线先后通过3个自由曲面，矫正效果显著优于双自由曲面矫正方案。即，第二自由曲面透镜320临近图像产生组件100的表面为自由曲面，且第二自由曲面透镜320背离图像产生组件100的表面也同样为自由曲面。另外，此光学组合器中若图像产生组件100或第二自由曲面透镜320之一出现不良品时，可以单独更换图像产生组件100或第二自由曲面透镜320。

在本申请的光学组合器成像的过程中，图像产生组件100的高度和倾斜角、自由曲面反射镜200的高度和倾斜角，以及自由曲面反射镜与视轴的夹角被配置为实现光投射到人眼。在实际配置过程中可以根据布局空间、用户需求等外界因素灵活调整。

如，第二自由曲面透镜320与图像产生组件100的距离可以被配置为5-10mm。自由曲面反射镜200与图像产生组件100的距离为35-50mm。自由曲面反射镜200和视轴的夹角为35°<θ<45°，眼盒区域到自由曲面反射镜200的距离为：65mm＜d＜80mm。

图像产生组件100的高度为25-40mm，倾斜角度30°-45°。

图4示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

参见图4，另一实施例的光学组合器包括图像产生组件100、自由曲面反射镜200和畸变矫正组件300。

畸变矫正组件300包括第一自由曲面透镜310和第二自由曲面透镜320。其中，第一自由曲面透镜310贴合设置于图像产生组件100的表面，第二自由曲面透镜320设置于图像产生组件100和自由曲面反射镜200之间。

这种技术方案适用于畸变较大的光学组合器矫正，在胶合了第一自由曲面透镜310的图像产生组件100与自由曲面反射镜200之间的空间位置中，放置第二自由曲面透镜320，从图像产生组件100中投出的光线先后通过4个自由曲面，相较之前的技术方案，进一步地提升了矫正效果。

图5示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

参见图5，另一实施例的光学组合器包括图像产生组件100、自由曲面反射镜200和畸变矫正组件300。

畸变矫正组件300包括多个自由曲面透镜330，多个自由曲面透镜330设置于图像产生组件100和自由曲面反射镜200之间。

这种技术方案适用于畸变更大、更为复杂的光学组合器矫正，在图像产生组件100与自由曲面反射镜200之间的空间位置中，放置多个自由曲面透镜330，可以使得从图像产生组件100中投出的光线先后通过更多的自由曲面，从而进一步的提升本申请的光学组合器的畸变矫正性能。

图6示出根据本申请另一实施例的光学组合器的结构示意图。

参见图6，另一实施例的光学组合器包括图像产生组件100、自由曲面反射镜200和畸变矫正组件300。

畸变矫正组件300还包括第三自由曲面透镜340，第三自由曲面透镜340设置于自由曲面反射镜200和眼盒区域400之间。

通过设置第三自由曲面透镜340，使得自图像产生组件100生成的目标图像在传递到眼盒区域之前，被自由曲面反射镜200进行畸变矫正后，还进一步被第三自由曲面透镜340进行矫正。

第三自由曲面透镜340的设置位置可以根据眼盒区域400的位置灵活调整。可选的，第三自由曲面透镜340位于自由曲面反射镜200和眼盒区域400之间靠近眼盒区域400的一侧，以规避结构对人眼视线的遮挡。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种光学组合器，其特征在于，包括：

图像产生组件，用于产生目标图像；

自由曲面反射镜，所述目标图像经所述自由曲面反射镜反射后，出射至眼盒区域，并由人眼感知虚像；

畸变矫正组件，包括至少一个自由曲面透镜，所述畸变矫正组件设置于所述光学组合器的成像路径上。

2.根据权利要求1所述的光学组合器，其特征在于，所述畸变矫正组件仅包括第一自由曲面透镜，所述第一自由曲面透镜贴合设置于所述图像产生组件的表面，所述第一自由曲面透镜贴合所述图像产生组件的表面为平面，所述第一自由曲面透镜背离所述图像产生组件的表面为自由曲面。

3.根据权利要求1所述的光学组合器，其特征在于，所述畸变矫正组件仅包括第二自由曲面透镜，所述第二自由曲面透镜设置于所述图像产生组件和所述自由曲面反射镜之间，所述第二自由曲面透镜临近所述图像产生组件的表面为自由曲面，且所述第二自由曲面透镜背离所述图像产生组件的表面为自由曲面。

4.根据权利要求3所述的光学组合器，其特征在于，所述第二自由曲面透镜的设置位置靠近所述图像产生组件。

5.根据权利要求1所述的光学组合器，其特征在于，所述畸变矫正组件包括：

第一自由曲面透镜，所述第一自由曲面透镜贴合设置于所述图像产生组件的表面；

第二自由曲面透镜，所述第二自由曲面透镜设置于所述图像产生组件和所述自由曲面反射镜之间。

6.根据权利要求3或5所述的光学组合器，其特征在于，

所述第二自由曲面透镜与所述图像产生组件的距离为5-10mm；

所述自由曲面反射镜与所述图像产生组件的距离为35-50mm；

所述自由曲面反射镜和视轴的夹角为35°-45°；

所述眼盒区域与所述自由曲面反射镜的距离为60-80mm；

所述图像产生组件的设置高度为25-40mm；

所述图像产生组件的倾斜角度为30°-45°。

7.根据权利要求1所述的光学组合器，其特征在于，所述畸变矫正组件包括多个自由曲面透镜，所述多个自由曲面透镜设置于所述图像产生组件和所述自由曲面反射镜之间。

8.根据权利要求1-5或7中任一项所述的光学组合器，其特征在于，所述畸变矫正组件还包括第三自由曲面透镜，所述第三自由曲面透镜设置于所述自由曲面反射镜和所述眼盒区域之间。

9.根据权利要求8所述的光学组合器，其特征在于，所述第三自由曲面透镜的设置位置靠近所述眼盒区域。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的光学组合器。

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