CN219642015U - 一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构及校正设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构及校正设备，包括：发出线偏振光的真实影像源；弯月透镜，使像源所发出的线偏振光透射并呈现比真实像源放大的虚拟光路，第二视窗模组，改变经第一透镜透射后的虚拟光路的传播路径；凹面反射镜，将经第二视窗模组反射后的光线再次放大并反射，然后透射经过第二视窗模组；在第二视窗模组另一侧粘贴有线偏振片薄膜，在线偏振薄膜一侧即可观看到虚拟放大的影像。弯月透镜和凹面全反射镜组合以校正虚拟影像的畸变。在光路结构采用弯月透镜和凹面全反射镜所组成的光路模组，以校正虚拟影像的畸变值，实现畸变值不大于0.35％的极小值，虚拟影像与真实影像基本完全一致，提高虚拟影像的清晰度和对比度。

Description

一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构及校正设备

技术领域

本实用新型涉及虚拟光路结构领域，尤其涉及一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构及校正设备。

背景技术

通常，眼睛近距离和较长时间的观看书籍和电子屏幕，非常容易引起视觉疲劳。众所周知，当眼睛看较远处的景物时，人眼处于相对放松的状态，就能有效缓解视觉疲劳。而现有的谁能实现将影响远距离放大，但其存在实际产品的图形失真度(畸变)极高，显示画面呈凹面状，图像视觉效果不良的问题，对于解决视力健康问题的影响较大。

中国专利公开号涉及图像显示领域，具体而言涉及一种光学系统。所述光学系统包括：主图像源，呈现第一图像；离焦图像源，呈现第二图像；光路系统，包括至少一个光学成像器件；所述光路系统与所述主图像源相对设置，对所述主图像源成具有第一成像距离的主图像；所述光路系统与离焦图像源相对设置，对所述离焦图像源成具有第二成像距离的离焦图像，所述第二成像距离大于所述第一成像距离；其中，所述光路系统还包括观察界面，与主图像及离焦图像对应设置，以通过所述观察界面同时观察所述主图像和所述离焦图像。所述一种离焦显示系统能够具有针对性的分别调节两个以上图像的成像距离，使其对观察者产生离焦刺激抑制眼轴伸长。该专利记载有解决类似视力健康的问题。如图1所示，专利文献中提出一种反射式光路，优点为产品轻量化，显示器的光信号依次半透半反射镜8，反射镜3，半透半反射镜8，最后到效观测区域。然而在实际使用中，专利文献对应产品存在图像变形明显的现象。同时，根据光学像差理论，光路应用的单片凹面反射镜存在约5-10％的畸变值。

常规的VR、AR显示装置，主要包括：基于光波导技术的眼镜载体虚拟显示模式，如谷歌眼镜，或头戴式双目显示模式。前者造价高昂，且受使用环境光线的影响较大。后者均采用双显示屏，双成像镜头光学结构模式，造价比谷歌眼镜形式产品略优，分体的双显示屏分别与左眼和右眼对中。通常，人眼的瞳距一般在55mm-70mm之间。因此，头戴式的双目虚拟显示光路，限制了大尺寸、高清像素显示屏的的使用。均不适合青少年大面积的推广使用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于现有的虚拟影像在放大过程中图像畸变值较高且光路结构尺寸较大，不便于推广，针对现有技术的上述缺陷，提供一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构及校正设备。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

构造一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构，其中，包括：

像源，发出线偏振光的真实影像源；

第一透镜，使像源所发出的线偏振光透射并呈现比真实像源放大的虚拟光路影像，第一透镜置于像源上方并接收像源所发出的线偏振光后透射；

第二视窗模组，改变经第一透镜透射后的虚拟光路影像的传播路径；

第三反射镜，将经第二视窗模组反射后的光线再次放大虚拟影像并反射，然后透射经过第二视窗模组；像源与第三反射镜的中心水平距离为d₁，垂直距离为d₂，第一透镜和第三反射镜的组合焦距为f，需满足0.45f≤d₁+d₂≤0.95f时，在第二视窗模组另一侧粘贴有线偏振片薄膜，在线偏振薄膜一侧即可观看到虚拟放大的影像。

优选的，第一透镜为弯月透镜，弯月透镜凹面一侧朝向像源，第三反射镜为凹面全反射镜，凹面全反射镜的凹面朝向第二视窗模组，弯月透镜和凹面全反射镜组合以校正虚拟影像的畸变。

优选的，弯月透镜的光焦度为Φ₁，所述凹面全反射镜光焦度Φ₂，组合光焦度为Φ，光焦度Φ₁、Φ₂和Φ之间需满足如下关系：0.16≤Φ₁/Φ≤0.35，且0.905≤Φ₂/Φ≤0.985的光焦度配比。

优选的，弯月透镜的第一曲率半径R₁和第二曲率半径R₂之间需满足：0.55≤R₂/R₁≤0.85的数值关系。

优选的，第二视窗模组为半透半反射视窗模组，其可使部分光线反射部分光线透射，第二视窗模组与第三反射镜光轴成45°放置，半透半反射视窗模组对可见光波段450-650nm的反射率不小于5％，且透过率不小于5％。

优选的，半透半反射视窗模组包括半透半反射基材，半透半反射基材朝向第一透镜一侧以反射第一透镜的透射光线，半透半反射基材另一侧设置有线偏振薄膜，在半透半反射基材另一侧即可观看到校正畸变后的虚拟放大的影像。

优选的，弯月透镜和半透半反射视窗模组之间还设四分之一波片，四分之一波片有效区域面积不小于弯月透镜或像源的有效面积，半透半反射基材和线偏振薄膜之间还设有四分之一波片薄膜。

优选的，组合焦距f满足如下参数，300mm≤f≤800mm，以实现3-15倍虚拟影像的放大倍率。

构造一种校正虚拟图像畸变的校正设备，该校正设备包含如上述的校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构。

本实用新型的有益效果在于：在光路结构采用弯月透镜和凹面全反射镜所组成的光路模组，以校正虚拟影像的畸变值，实现畸变值不大于0.35％的极小值，目视时虚拟影像与真实影像基本完全一致。通过调整光路模组的光焦度与弯月透镜和凹面全反射镜光焦度的光焦度配比，更有利于消除图像畸变。通过调整弯月透镜的两个凹面的曲率半径数值关系，从而进一步提高消除图像畸变的能力。

采用半反射视窗模组以提高光学装置紧凑的体积，通过调整弯月透镜和凹面全反射镜的组合焦距的大小，以实现虚拟影像放大倍率同时调整像源的位置也能改变虚拟影像的放大倍率与观察者的距离。且通过设置光路结构中的每个零部件的参数，从而有效抑制杂光和保持虚拟影像的完整度。光路结构中设置四分之一波片使得线偏振光和圆偏振光之间互相转换，在通过线偏振片薄膜调制出与显示屏最初出射光的偏振方向相互正交或直接线偏振光在线偏振片的作用下调制出与相互平行的光线，以实现光路显示装置内腔对环境光线具有不小于50％强度衰减的特点。同时具有隔离光线进入显示屏的特点，可以显著提高虚拟影像视觉清晰度和对比度，因此提出特别应用弯月透镜校正畸变的反射式虚拟远像光路装置，可以有效缓解视觉疲劳，对辅助解决青少年近视率高的问题也有积极的意义。

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，下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，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附图：

图1为本实用新型的现有技术的光路示意图；

图2为本实用新型较佳实施例一的虚拟光路结构的虚拟影像放大示意图；

图3为本实用新型较佳实施例一的虚拟光路结构的图2中的A处放大示意图；

图4为本实用新型较佳实施例一的图2中的A处去除光反射路线后的放大示意图；

图5为本实用新型较佳实施例一的图4中的半透半反射模组的B处放大示意图；

图6为本实用新型较佳实施例一的虚拟光路结构中的弯月透镜的结构示意图；

图7为本实用新型较佳实施例二的虚拟光路结构去除光反射路线后的结构示意图；

图8为本实用新型较佳实施例二的图7中的半透半反射模组的C处放大示意图；

图9为本实用新型设置弯月透镜时的仿真效果图，其畸变值为0.3078％；

图10为本实用新型不设置弯月透镜时的仿真效果图，其畸变值为2.276％；

图11为本实用新型设置弯月透镜时的仿真效果图，其畸变值为0.3078％；

图12为本实用新型不设置弯月透镜时的仿真效果图，其畸变值为2.276％。

具体实施方式

为了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技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型较佳实施例一的一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构；如图2-3所示，包括提供真实影像源的显示屏1，显示屏1上方设有弯月透镜2，弯月透镜的凹面朝向显示屏1，显示屏发出的线偏振光线透射穿过弯月透镜2，弯月透镜上方还设有将透射穿过弯月透镜2的透射线偏振光调制成圆偏振光的四分之一波片3，四分之一波片上方设有半透半反射视窗模组4，在四分之一波片作用下调制的圆偏振光经过半透半反射视窗模组4以改变圆偏振光的反射路线，反射后的圆偏振光线经过凹面全反射镜5使得反射后的圆偏振光线沿原路径朝向半透半反射视窗模组4，反射后的圆偏振光线穿过半透半反射视窗模组的一侧43，在半透半反射视窗模组的作用下将圆偏振光线调制成线偏振光线，观察者站在半透半反射视窗模组另一侧44即可观看到呈放大的虚拟影像。

进一步地，如图3-4和图6所示，弯月透镜2作为光路装置的关键组成单元，其放置在显示屏1上方，采用弯月透镜和凹面全反射镜5的光路组合，可校正消除反射式虚拟远像光路中的图像畸变。通过实际测算可知，可以实现畸变值不大于0.35％的极小值，其在目视的情况下基本可忽略，目视时基本与实际影响一致，如图9-12所示。

进一步地，如图3所示，为了对显示屏影响实现放大的虚拟影像效果，弯月透镜2的焦距为f₁，凹面全反射镜5的焦距为f₂，弯月透镜和凹面全反射镜的组合焦距为f。显示屏1中心与凹面全反射镜5中心的垂直距离为d₁，显示屏1中心与凹面全反射镜5中心的水平距离为d₂，d₁和d₂需满足0.45f≤d₁+d₂≤0.95f时，即显示屏放置于凹面全反射镜与弯月透镜的组合焦距的焦内时，光学成像镜头模块对显示屏影像成虚拟放大的影像。其中组合焦距f的计算方式见公式①。

进一步地，如图3-4所示，基于保持光学装置紧凑体积和适当的放大倍率原则，要求光学成像镜头的焦距f满足300mm≤f≤800mm，可实现3-15倍的虚拟影像放大倍率，显示屏出射的光线经过弯月透镜后，穿过四分之一波片，再经过半透半发射视窗模组和凹面全反射镜，再次经过半透半反射视窗模组后，观察者在另一侧即可观看到呈虚拟放大的影像，虚拟影像的额放大倍率在3-15倍，虚拟放大影像距离观察者的距离D为3-6米。放大倍率和距离均可随着显示屏与凹面全反射镜的距离改变而变化，具体针对放大倍率和虚拟影像与观察者的距离计算如下：

由近轴光高斯公式可计算出光路的放大倍率，

其中：物距U：即显示器到凹面全反射镜中心的距离；

物距U为预设定长度量值，

要求： |U|<f (|U|,f均为正数) ③

由公式②可计算出像距V：凹面全反射镜中心至虚拟成像面的距离。

焦距f：成像镜头模块组合的焦距。

观察者在半透半反射视窗模组另一侧44时，即可观察到对显示影像在远距离成虚拟放大的影像。由公式④和⑤可知，调整显示屏位置使得d₁减小时，此时物距U也减小,在f不变的情况下，M也变小，即放大倍率由高变低，同时由公式④可知，此时V将变大，即虚拟影像距离观察者的距离由近到远。从而得知调整显示屏位置使得d₁或d₂减小时，放大倍率由高变低,虚拟影像距离观察者则由近至远。

进一步地，为了更好的消除虚拟影像畸变，本专利的反射式虚拟成像光路中，弯月透镜2的光焦度为Φ₁，凹面全反射镜5的光焦度为Φ₂，弯月透镜和凹面全反射镜的组合光焦距为Φ。Φ₁和Φ₂需满足：0.16≤Φ₁/Φ≤0.35，且0.905≤Φ₂/Φ≤0.985的光焦度配比时，更有利于消除图像畸变。其中组合光焦距Φ的计算方式见公式⑥。

Φ＝Φ₁+Φ₂-(d₁+d₂)×Φ₁×Φ₂ ⑥

名词解释：

[1]畸变：畸变是指光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度，光学畸变是指光学理论上计算所得到的变形度。

[2]光焦度Φ：透镜焦距的倒数，即规定凸透镜的光焦度为正，凹透镜的光焦度为负。

进一步地，如图6所示，弯月透镜2包括第一凹面21和第二凹面22，在本虚拟光路中，第一凹面朝向显示屏，其中第一凹面的曲率半径为R₁，第二凹面的曲率半径为R₂，要求R₁和R₂的数值关系满足：0.55≤R₂/R₁≤0.85；此数值范围的配比更有利于消除图像畸变，可以将畸变值下降约86.5％。实现目视失真度可以忽略不计的效果，如图9-12所示。

进一步地，如图3-4所示，半透半反射视窗模组4与凹面全反射镜光轴成45°放置，显示屏出射的光线依次经由透过弯月透镜、四分之一波片窗口调制，入射到半透半反射视窗模组完成90°的光线转折，入射到凹面全反射镜，再反射透过半透半反射视窗模组。半透半反射视窗模组可以有效压缩光路装置的体积。需要说明的是，半透半反射视窗模组并非透射光线和反射光线各占50％，此处半透半反仅表示部分光线透射部分光线反射，本实用新型要求半透半反射视窗模组对可见光波段450-650nm的反射率不小于5％，并且透过率不小于5％。

进一步地，如图5所示，半透半反射视窗模组包括半透半发射基材41，以及粘贴在半透半反射基材一侧的四分之一波片薄膜45和线偏振片薄膜42，四分之一波片薄膜设置在线偏振片薄膜和半透半反射基材之间，半透半反射基材41朝向弯月透镜一侧，即半透半反射视窗模组的一侧43设置于半透半反射基材处，半透半反射视窗模组的另一侧44设置于线偏振片薄膜处，观察者在线偏振片薄膜一侧观察看到虚拟放大的影像。在半透半反射基材另一侧粘贴四分之一波片薄膜将由凹面全反射镜出射的圆偏振光先调制成线偏振光线，再线偏振片薄膜的作用下调制出该线偏振光与显示屏出射光呈相互正交的出射光。通过该光路显示装置内腔对环境光线具有不小于50％强度衰减的特点，同时具有隔离光线进入显示屏的特点，可以显著提高虚拟影像视觉清晰度和对比度。

进一步地，如图3-4和图6所示，四分之一波片3放置于弯月透镜上方，具体可选择为四分之一波片窗口，其是透明额光学晶体器件，要求其有效区域面积不小于弯月透镜或显示器的有效面积。四分之一波片能把显示屏出射的线偏振光调制成圆偏振光，也能将圆偏振光调制成线偏振光。四分之一波片薄膜也拥有和四分之一波片相同的光学属性，此处不做重复赘述。

进一步地，发出真实影像源的显示屏1，其是虚拟成像装置的真实影像源，显示屏的几何中心位于弯月透镜的光轴上，显示屏出射的光线为线偏振光，为了更好的实现大视野的高清晰度的虚拟成像画面，光路中设置的显示屏尺寸不小于5英寸。也可以将显示屏替换为LCD显示屏、LED显示屏或者OLED显示屏等用于显示真实影像源的装置，均满足使用要求也均应属于本实用新型的保护范畴。

进一步地，如图3-4所示，为了使虚拟影像显示完整，虚拟光路中的各光路部件应满足：弯月透镜2置于显示屏1上方时，显示屏1的水平长度小于弯月透镜2的水平长度，即从弯月透镜上方往下观看，不能看到显示屏；四分之一波片3的水平长度大于弯月透镜的水平长度，即从四分之一波片上方往下观看，不能看到弯月透镜；半透半反射视窗模组4在水平面的投影长度大于四分之一波片的水平长度，即从半透半反射视窗模组上方往下看，不能看到四分之一波片；而凹面全反射镜5垂直方向的高度等于半透半反射视窗模组4在垂直方向的投影。通过光学部件的大小尺寸和位置拜访避免杂光进入光路结构，有效抑制杂散光，同时也能实现完整的虚拟影像，提高虚拟影像的清晰度，可以有效缓解视觉疲劳，对辅助解决青少年近视率高的问题也有积极的意义。

使用时，显示屏发出的线偏振光经过弯月透镜透射后，在四分之一波片的作用下将线偏振光调制成圆偏振光，后经过半透半反射视窗模组改变圆偏振光的传播路径且反射后的圆偏振光亮度减小，反射后的圆偏振光在凹面全反射镜的作用下使光线的传播路径发生180°改变后射入半透半反射视窗模组，并透射穿过半透半反射基材，在四分之一波片薄膜作用下将圆偏振光调制成线偏振光，最后经过线偏振薄膜成出射光，此时在线偏振薄膜的作用下调制出与显示屏出射光相互正交的线偏振出射光。观察者站在半透半反射视窗模组另一侧即可观察到成放大虚拟的远距离影像，且虚拟影像的清晰度和对比度较高，与真实影像源的影像基本一致。调整显示屏的位置，还可以改变虚拟影像的放大倍率以及与观察者的距离。

本实用新型较佳实施例二的一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构，如图7-8所示，与实施例一不同在于，半透半反射视窗模组中不设置四分之一波片薄膜，且光路中也取消设置位于弯月透镜上方的四分之一波片，显示器1发出的线偏振光在弯月透镜2的作用下发生透射，然后在半透半反射基材41上进行反射到凹面全反射镜5，反射后的光线穿过半透半反射基材，在线偏振片薄膜42的作用下，选择透过与显示屏最初出射光的偏振方向相同的光。通过该光路显示装置内腔对环境光线具有不小于50％强度衰减的特点，同时具有隔离光线进入显示屏的特点，可以显著提高虚拟影像视觉清晰度和对比度，可以有效缓解视觉疲劳，对辅助解决青少年近视率高的问题也有积极的意义。

使用时，显示屏发出的线偏振光经过弯月透镜透射后，后经过半透半反射视窗模组改变圆偏振光的传播路径且反射后的圆偏振光亮度减小，反射后的圆偏振光在凹面全反射镜的作用下使光线的传播路径发生180°改变后射入半透半反射视窗模组，并透射穿过半透半反射基材，最后经过线偏振薄膜成出射光，此时在线偏振片薄膜的作用下调制出与显示屏出射光相互平行的线偏振出射光。观察者站在半透半反射视窗模组另一侧即可观察到成放大虚拟的远距离影像，且虚拟影像的清晰度和对比度较高，与真实影像源的影像基本一致。调整显示屏的位置，还可以改变虚拟影像的放大倍率以及与观察者的距离。

本实用新型还提出一种校正虚拟图像畸变的校正设备，该校正设备包含上述的校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构。也可该光路结构应用于校正装置以进行虚拟图像的畸变校正，均属于本实用新型的保护范畴。

应当理解的是，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构，包括：

像源，发出线偏振光的真实影像源；

第一透镜，使像源所发出的线偏振光透射并呈现比真实像源放大的虚拟光路影像，所述第一透镜置于像源上方并接收像源所发出的线偏振光后透射；

第二视窗模组，改变经第一透镜透射后的虚拟光路影像的传播路径；

第三反射镜，将经第二视窗模组反射后的光线再次放大成虚拟影像并反射，然后透射经过第二视窗模组；其特征在于：像源与第三反射镜的中心水平距离为d₁，垂直距离为d₂，第一透镜和第三反射镜的组合焦距为f，需满足0.45f≤d₁+d₂≤0.95f时，在第二视窗模组另一侧设有线偏振片薄膜，在线偏振薄膜一侧即可观看到虚拟放大的影像。

2.根据权利要求1所述的反射式虚拟光路结构，其特征在于：所述第一透镜为弯月透镜，所述弯月透镜凹面一侧朝向像源，第三反射镜为凹面全反射镜，所述凹面全反射镜的凹面朝向第二视窗模组，所述弯月透镜和凹面全反射镜组合以校正虚拟影像的畸变。

3.根据权利要求2所述的反射式虚拟光路结构，其特征在于：所述弯月透镜的光焦度为Φ₁，所述凹面全反射镜光焦度Φ₂，所述组合光焦度为Φ，光焦度Φ₁、Φ₂和Φ之间需满足如下关系：0.16≤Φ₁/Φ≤0.35，且0.905≤Φ₂/Φ≤0.985的光焦度配比。

4.根据权利要求2所述的反射式虚拟光路结构，其特征在于：所述弯月透镜的第一曲率半径R₁和第二曲率半径R₂之间需满足：0.55≤R₂/R₁≤0.85的数值关系。

5.根据权利要求1-4任一所述的反射式虚拟光路结构，其特征在于：所述第二视窗模组为半透半反射视窗模组，其可使部分光线反射部分光线透射，所述第二视窗模组与第三反射镜光轴成45°放置，所述半透半反射视窗模组对可见光波段450-650nm的反射率不小于5％，且透过率不小于5％。

6.根据权利要求5所述的反射式虚拟光路结构，其特征在于：所述半透半反射视窗模组包括半透半反射基材，所述半透半反射基材朝向第一透镜一侧以反射第一透镜的透射光线，所述半透半反射基材另一侧设置有线偏振薄膜，在半透半反射基材另一侧即可观看到校正畸变后的虚拟放大的影像。

7.根据权利要求6所述的反射式虚拟光路结构，其特征在于：所述第一透镜和半透半反射视窗模组之间还设四分之一波片，所述四分之一波片有效区域面积不小于第一透镜或像源的有效面积，所述半透半反射基材和线偏振薄膜之间还设有四分之一波片薄膜。

8.根据权利要求1所述的反射式虚拟光路结构，其特征在于：所述组合焦距f满足如下参数，300mm≤f≤800mm，以实现3-15倍虚拟影像的放大倍率。

9.一种校正虚拟图像畸变的校正设备，其特征在于：该校正设备包含如权利要求1-8任一所述的校正虚拟图像畸变的反射式虚拟光路结构。