CN221326853U - 一种屈光度可调的近眼显示光学装置 - Google Patents

一种屈光度可调的近眼显示光学装置 Download PDF

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CN221326853U CN202322077512.5U CN202322077512U CN221326853U CN 221326853 U CN221326853 U CN 221326853U CN 202322077512 U CN202322077512 U CN 202322077512U CN 221326853 U CN221326853 U CN 221326853U
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Abstract

本实用新型公开了一种屈光度可调的近眼显示光学装置，包括：显示单元，用于提供成像光线；第一透镜单元，包括至少一个透镜，并位于显示单元的出光侧，第一透镜单元相对显示单元移动实现调焦或与显示单元同步移动实现调焦；平面镜成像单元，包括第一膜层和平板透镜，平板透镜相对显示单元倾斜设置，第一膜层贴附于平板透镜上靠近曲面透镜的一侧，用于将调焦后的成像光线部分反射至曲面透镜，以及使现实世界信息光线透过；曲面透镜，设有第一半透半反膜，用于将接收到的成像光线透过平面镜成像单元反射至人眼；并合理设置焦距范围。使得该装置可匹配不同屈光度的近视人群，并保证不同瞳距及近视人群体验效果相同，提高了用户使用体验感和舒适度。

Description

一种屈光度可调的近眼显示光学装置
技术领域
本实用新型属于近眼显示技术领域，具体涉及一种屈光度可调的近眼显示光学装置。
背景技术
AR(Augmented Reality，增强现实)技术可在真实世界信息基础上，叠加需要显示的虚拟信息，实现该目标技术需要所设计的系统能够直接感知现实世界信息的同时显示虚拟画面。目前业界主要技术方案其一为光机搭配波导方案，其二为几何光学方案(主要是Birdbath方案)。光机搭配波导方案通过显示光机搭配光波导进行AR显示，然而由于目前光波导工艺受限，显示效果、良率等方面仍需要突破较高的技术壁垒。Birdbath方案具有较高的色彩还原性、对比度和分辨率，能够在大FOV(Field of View，视场角)的基础上显示丰富多彩的画面。
目前Birdbath方案有定焦和变焦两种结构。定焦是指光学系统的虚像距在一定距离下(通常是2m～2.5m)的结构方案，该虚像距下对于一般的近视人群难以直接观察到清晰的像，而近视人群直接佩戴眼镜会与AR设备产生干涉或由于扩瞳位置偏移丢失画面。采用磁吸式近视镜片进行辅助可一定程度提高显示及佩戴效果，但是会额外增加成本。变焦结构通过光学镜片的移动实现一定范围内的虚像距，增大了产品的适用范围，然而针对不同虚像距，光学系统中固定镜组与变焦镜组的距离需要在一定范围内变化，导致不同虚像距情况下基本光学性能不同，从而导致不同人群体验有所差异。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对上述问题，提出一种屈光度可调的近眼显示光学装置，可匹配不同屈光度的近视人群，并保证不同瞳距及近视人群体验效果相同，提高了用户使用体验感和舒适度。
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：
本实用新型提出的一种屈光度可调的近眼显示光学装置，包括显示单元、第一透镜单元、平面镜成像单元、曲面透镜，其中：
显示单元，用于提供成像光线；
第一透镜单元，包括至少一个透镜，并位于显示单元的出光侧，第一透镜单元相对显示单元移动实现调焦或与显示单元同步移动实现调焦；
平面镜成像单元，包括第一膜层和平板透镜，平板透镜相对显示单元倾斜设置，第一膜层贴附于平板透镜上靠近曲面透镜的一侧，并用于将第一透镜单元调焦后的成像光线部分反射至曲面透镜，以及使现实世界信息光线透过；
曲面透镜，靠近第一膜层的一侧设有第一半透半反膜，用于将接收到的成像光线透过平面镜成像单元反射至人眼进行成像；
且满足如下条件：
16mm≤f1≤24mm；24mm≤f2≤40mm；15mm≤f≤23mm；
其中，f1为第一透镜单元的焦距，f2为曲面透镜的焦距，f为屈光度可调的近眼显示光学装置的焦距。
优选地，第一膜层包括第一偏振单元和第二偏振单元，第二偏振单元位于第一偏振单元和平板透镜之间，第一偏振单元用于将圆偏振光转化为线偏光，第二偏振单元用于透射第一方向的偏振光并反射第二方向的偏振光，第一方向与第二方向垂直。
优选地，第一偏振单元为四分之一波片，第二偏振单元为偏振反射膜。
优选地，第一膜层为第二半透半反膜。
优选地，各透镜和曲面透镜的镜面为球面、非球面、自由曲面的自由组合。
优选地，第一透镜单元包括第一透镜，第一透镜为双凸非球面透镜或平凸非球面透镜，曲面透镜为凹凸非球面透镜，且第一透镜单元和曲面透镜的折射率均为1.45～1.65、阿贝数均为20～68。
优选地，第一透镜单元和曲面透镜的非球面镜面满足如下公式：
其中，z为矢高，r为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第2i阶非球面系数，N为正整数。
优选地，第一透镜单元上靠近显示单元的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-20.45mm、0.86、3E-5、-2.65E-7、-1.81E-8、5.22E-11、4.99E-14，背离显示单元的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为20.58mm、-0.39、-4.19E-6、-6.86E-8、-3.41E-10、1.62E-10、-1.34E-12；曲面透镜上靠近第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-60.84mm、1.06、-1.01E-7、1.44E-8、-1.50E-10、3.58E-13、-7.69E-16，背离第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-62.05mm、1.01、-1.06E-7、1.44E-8、-2.58E-10、1.58E-13、-6.97E-16。
优选地，第一透镜单元上靠近显示单元的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-40.32mm、-9.68、6.73E-5、3.94E-7、-8.32E-8、5.06E-11、1.99E-14，背离显示单元的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为18.58mm、-1.05、2.93E-5、5.91E-7、-6.37E-9、1.53E-10、-1.15E-12；曲面透镜上靠近第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-55.96mm、1.21、-1.95E-7、1.92E-8、-9.01E-11、3.28E-13、-8.69E-16，背离第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-56.85mm、0.46、-3.63E-7、9.14E-9、-2.34E-11、7.58E-13、-1.28E-16。
优选地，显示单元为OLED型发光面板、LED型发光面板、LCD型非自发光面板、LCOS型非自发光面板其中一种。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
该近眼显示光学装置的目的是提供用于增强现实领域的Birdbath方案，实现可调屈光度下光学性能的稳定性，具体地，相比于现有技术Birdbath方案，本申请针对不同近视人群，通过调整元件(如调焦镜组与固定镜组)之间的间距改变系统的虚像距实现不同屈光度，如可实现-5D～0D范围的屈光度调节，不需要外加近视镜片，即可匹配不同屈光度的近视人群；同时通过调节参数进行光路设计，对第一透镜单元2、曲面透镜4的面型优化，控制各视场光线数据，保证不同屈光度调节组态下视场角、MTF、畸变等光学性能基本一致，保证不同瞳距及近视人群体验效果相同，以满足不同人群的使用需求，视场角范围为40°～46°，整个眼动范围达到12mm×8mm，提高了用户使用体验感和舒适度。
附图说明
图1为本实用新型近眼显示光学装置的结构示意图；
图2为本实用新型近眼显示光学装置的光学元件表面分布图；
图3为本实用新型实施例1屈光度-1D的MTF图；
图4为本实用新型实施例1屈光度-3D的MTF图；
图5为本实用新型实施例1屈光度-5D的MTF图；
图6为本实用新型实施例2屈光度-1D的MTF图；
图7为本实用新型实施例2屈光度-3D的MTF图；
图8为本实用新型实施例2屈光度-5D的MTF图。
附图标记说明：1、显示单元；2、第一透镜单元；3、平面镜成像单元；4、曲面透镜；5、人眼；31、第一偏振单元；32、第二偏振单元；33、平板透镜。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语均属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-2所示，一种屈光度可调的近眼显示光学装置，包括显示单元1、第一透镜单元2、平面镜成像单元3、曲面透镜4，其中：
显示单元1，用于提供成像光线；
第一透镜单元2，包括至少一个透镜，并位于显示单元1的出光侧，第一透镜单元2相对显示单元1移动实现调焦或与显示单元1同步移动实现调焦；
平面镜成像单元3，包括第一膜层和平板透镜33，平板透镜33相对显示单元1倾斜设置，第一膜层贴附于平板透镜33上靠近曲面透镜4的一侧，并用于将第一透镜单元2调焦后的成像光线部分反射至曲面透镜4，以及使现实世界信息光线透过；
曲面透镜4，靠近第一膜层的一侧设有第一半透半反膜，用于将接收到的成像光线透过平面镜成像单元3反射至人眼5进行成像；
且满足如下条件：
16mm≤f1≤24mm；24mm≤f2≤40mm；15mm≤f≤23mm；
其中，f1为第一透镜单元2的焦距，f2为曲面透镜4的焦距，f为屈光度可调的近眼显示光学装置的焦距。
该近眼显示光学装置的目的是提供用于增强现实领域的Birdbath方案，实现可调屈光度下光学性能的稳定性。包括显示单元1、第一透镜单元2、平面镜成像单元3和曲面透镜4。显示单元1出射的光线经过第一透镜单元2调制后，入射至倾斜放置的平面镜成像单元3，平面镜成像单元3利用第一膜层进行光学调制后，将光线反射至曲面透镜4，曲面透镜4可将一部分光线反射至平面镜成像单元3，此时由于光线状态的变化，光线经过曲面透镜4反射回平面镜成像单元3后，光线会直接透过平面镜成像单元3到达出瞳位置(人眼5)。
第一透镜单元2的焦距范围为16mm～24mm。根据优化设计需求，结合实际结构支架设计，可将第一透镜单元2单独设置为调焦镜组，此时显示单元1为固定镜组或者将第一透镜单元2和显示单元1整体设置为调焦镜组，平面镜成像单元3和曲面透镜4为固定镜组。
平面镜成像单元3以玻璃作为基板(平板透镜33)倾斜一定角度放置(30°～45°范围内)，根据实际设计需求，其上可通过镀特殊膜层，或可选择性贴合光学元件，反射从第一透镜单元2出射的光，同时透射曲面透镜4反射的光，利用膜层光学特性或偏振元件实现折反光路，确保光学显示效果。
曲面透镜4具有一定的曲率，靠近平面镜成像单元3的内侧曲面可采用非球面优化光路，曲面透镜4的焦距范围为24mm～40mm，内侧曲面可设置具有半透半反作用的膜层，以反射经平面镜反射的部分光线，形成折反光路。如曲面透镜4上靠近第一膜层的一侧设有半透半反膜，通过半透半反膜实现部分透射部分反射，使得用户在感知现实世界信息的同时能够显示虚拟画面，半透半反膜可以是以镀膜方式或者贴膜方式实现。
整个近眼显示光学装置的焦距为15mm～23mm，同时为了保证用户体验，视场角范围为40°～46°，整个眼动范围达到12mm×8mm。通过调焦镜组的移动，可实现-5D～0D范围的屈光度调节，满足大部分近视人群的使用需求。还可通过第一透镜单元2、曲面透镜4的面型优化，控制各调焦组态的光学性能基本一致，主要包括FOV、成像清晰度、畸变等特性，保证不同人群具有相同的视觉体验，提高用户使用体验感和舒适度。
在一实施例中，第一膜层包括第一偏振单元31和第二偏振单元32，第二偏振单元32位于第一偏振单元31和平板透镜33之间，第一偏振单元31用于将圆偏振光转化为线偏光，第二偏振单元32用于透射第一方向的偏振光并反射第二方向的偏振光，第一方向与第二方向垂直。
在一实施例中，第一偏振单元31为四分之一波片，第二偏振单元32为偏振反射膜。容易理解的是，第一偏振单元31和第二偏振单元32还可替换为现有技术中具有相同作用的结构。
在一实施例中，第一膜层为第二半透半反膜。通过半透半反膜实现部分透射部分反射，使得用户在感知现实世界信息的同时能够显示虚拟画面，半透半反膜可以是以镀膜方式或者贴膜方式实现。
在一实施例中，各透镜和曲面透镜4的镜面为球面、非球面、自由曲面的自由组合。
在一实施例中，第一透镜单元2包括第一透镜，第一透镜为双凸非球面透镜或平凸非球面透镜，曲面透镜4为凹凸非球面透镜，且第一透镜单元2和曲面透镜4的折射率均为1.45～1.65、阿贝数均为20～68。容易理解的是，第一透镜单元2中的透镜数量、以及各透镜和曲面透镜4的镜面形状还可根据实际需求调整，优选第一透镜单元2包括1～2个非球面透镜，非球面透镜根据优化控制结果，可采用双凸非球面构型或平凸非球面构型，其材料可选用玻璃或塑料。且除上述可选方案外，采用更高阶自由度的透镜组或曲面透镜也可以实现，例如更换为面型为自由曲面的结构等。
在一实施例中，第一透镜单元2和曲面透镜4的非球面镜面满足如下公式：
其中，z为矢高，r为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第2i阶非球面系数，N为正整数。
在一实施例中，第一透镜单元2上靠近显示单元1的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-20.45mm、0.86、3E-5、-2.65E-7、-1.81E-8、5.22E-11、4.99E-14，背离显示单元1的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为20.58mm、-0.39、-4.19E-6、-6.86E-8、-3.41E-10、1.62E-10、-1.34E-12；曲面透镜4上靠近第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-60.84mm、1.06、-1.01E-7、1.44E-8、-1.50E-10、3.58E-13、-7.69E-16，背离第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-62.05mm、1.01、-1.06E-7、1.44E-8、-2.58E-10、1.58E-13、-6.97E-16。
在一实施例中，第一透镜单元2上靠近显示单元1的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-40.32mm、-9.68、6.73E-5、3.94E-7、-8.32E-8、5.06E-11、1.99E-14，背离显示单元1的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为18.58mm、-1.05、2.93E-5、5.91E-7、-6.37E-9、1.53E-10、-1.15E-12；曲面透镜4上靠近第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-55.96mm、1.21、-1.95E-7、1.92E-8、-9.01E-11、3.28E-13、-8.69E-16，背离第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-56.85mm、0.46、-3.63E-7、9.14E-9、-2.34E-11、7.58E-13、-1.28E-16。
在一实施例中，显示单元1为OLED型发光面板、LED型发光面板、LCD型非自发光面板、LCOS型非自发光面板其中一种。显示单元1可选用自发光面板OLED型(Organic LightEmitting Display，有机发光二极管)、LED型(Light Emitting Display，发光二极管)或者非自发光面板LCD型(Liquid Crystal Display，液晶显示器)或LCOS型(Liquid CrystalOf Silicon，硅基液晶)，根据显示需求，显示单元1还可选择性贴合有助于显示的光学元件。如显示单元1的出射面可依次贴合偏振片和四分之一波片，偏振片位于显示单元1的出射面和四分之一波片之间，若显示单元1是OLED型发光面板，出射光线没有偏振态，可通过贴合的这些光学元件调制成圆偏振光，对应的第一膜层可包括第一偏振单元31和第二偏振单元32。
以下通过介绍上述近眼显示光学装置的实施例，进一步描述本实用新型的技术方案。其中，表面编号501指出瞳位置(即人眼5)，402指曲面透镜4上背离第一偏振单元31的镜面，401指曲面透镜4上靠近第一偏振单元31的镜面，307指平板透镜33上背离曲面透镜4的镜面，306指平板透镜33上靠近曲面透镜4的镜面，305、302均指第二偏振单元32上靠近第一偏振单元31的镜面，304、303、301均指第一偏振单元31上靠近曲面透镜4的镜面，202指第一透镜单元2上背离显示单元1的镜面，201指第一透镜单元2上靠近显示单元1的镜面，102指显示单元1的出射面，101指图像出射面。其中，101是图像出射面，即显示单元1的显示屏幕图像表面。实际使用时显示屏幕上会有一层保护玻璃，则102可以是保护玻璃上靠近平面镜成像单元3的表面。如果另外在保护玻璃上贴合偏振元件(如偏振片和四分之一波片)，则102为偏振元件上靠近平面镜成像单元3的表面。
实施例1：
如图1-2所示，该近眼显示光学装置是微型投影光机，可生成虚拟图像。根据光线走向分布，包括显示单元1、第一透镜单元2、平面镜成像单元3和曲面透镜4，使用者在出瞳位置(人眼5)处进行观察，目视得到显示的虚拟画面。显示单元1和第一透镜单元2设置在上方，下方是以一定角度(如为45°，具体角度可根据实际需求调整)倾斜放置的平面镜成像单元3，曲面透镜4放置在平面镜成像单元3的右侧，出瞳位置处供人眼5观察，位于平面镜成像单元3的左侧。仅便于描述，具体方位不作限定。
显示单元1为微型显示屏，如为OLED型自发光面板，其发出的光线经过第一透镜单元2后，到达平面镜成像单元3处。光线经过平面镜成像单元3贴合的第一偏振单元31和第二偏振单元32后反射至曲面透镜4。曲面透镜4的内表面(即靠近第一偏振单元31的镜面)镀有半透半反膜，光线经过曲面透镜4反射后再次入射至平面镜成像单元3，此时光线依次经过第一偏振单元31、第二偏振单元32和平板透镜33透射，到达出瞳的人眼5位置。同时现实世界的信息，可以直接通过曲面透镜4、平面镜成像单元3到达人眼5位置，以此该光学系统实现增强现实技术功能。通过各光学组件的搭配，光学系统可实现12mm×8mm的眼动范围，以满足不同瞳距人群的使用需求。
为满足不同近视人群的使用需求，本实施例中将显示单元1和第一透镜单元2整体作为调焦镜组，平面镜成像单元3和曲面透镜4作为固定镜组。通过调整显示单元1和第一透镜单元2整体与平面镜成像单元3的距离，得到光学系统出射图像不同的虚像距，以匹配不同近视人群的使用需求。调焦镜组距离平面镜成像单元3越近，经过系统所形成虚像的距离越短，此时能够满足近视程度更高的人群。通过调焦镜组与平面镜成像单元3距离调整，在屈光度从-5D～0D范围调节时整个系统的焦距变化范围为19mm～23mm，能够匹配-5D～0D范围内的近视人群，可满足大部分人群的使用需求。
在实现不同虚像距调节时，由于调焦镜组与固定镜组之间距离变化，不同距离情况下形成不同组态时，近眼显示光学装置的焦距会随之变化，从而导致不同组态之间光学性能的差异。不同组态下，光学系统基本性能包括FOV、成像清晰度、畸变等具有一定差异。通过调整第一透镜单元2以及曲面透镜4的表面参数，优化控制各个组态不同视场的真实光线追迹数据，使得不同屈光度调节下光学系统的性能基本一致，保证不同人群具有相同的视觉体验。
本实施例的近眼显示光学装置中各光学元件的参数如表1所示。
表1
表面编号 表面类型 曲率半径(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数 折射模式
501 球面 无限 18.50 折射
307 球面 无限 0.60 1.52 64.2 折射
306 球面 无限 0.32 1.49 57.4 折射
305 球面 无限 0.15 1.49 57.4 折射
304 球面 无限 11.00 折射
401 非球面 -60.84 -11.00 反射
303 球面 无限 -0.15 1.49 57.4 折射
302 球面 无限 0.15 1.49 57.4 反射
301 球面 无限 10.45 折射
202 非球面 20.58 5.75 1.54 56.3 折射
201 非球面 -20.45 1.39 折射
102 球面 无限 0.55 1.52 64.2 折射
101 球面 无限 0 折射
以上各非球面面型参数如表2所示。
表2
为实现近眼显示光学装置中的折反光路，光学元件的偏心设置如表3所示。
表3
表面编号 307 304 401 303 301 202
偏心类型 基本 基本 偏心和回归 基本 基本 基本
Y偏心(mm) 0 0 -0.35 0 0 -0.28
Alpha偏心(°) 45 -45 0 45 45 0
为实现一定的眼动范围，同时兼顾评价不同眼动范围处系统的光学性能。在不同物距情况下，对应表面301的厚度不同，以此实现不同屈光度调节。其中，一般光轴方向(平行纸面向右)为Z方向，子午方向(平行纸面向上)为Y方向，弧矢方向(垂直纸面向里为X方向)。Y偏心指沿Y方向平移距离，Alpha偏心指绕X轴旋转角度。
真实世界信息通过曲面透镜4和平面镜成像单元3透射后进入人眼，透视光路中曲面透镜4参数如表4所示。由于虚拟光路(即显示单元发出的光线形成的光路)和真实光路(即真实世界信息光线形成的光路)建模时为相反方向，因此下表中对应曲率半径体现为正值。
表4
表面编号 表面类型 曲率半径(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数 折射模式
402 非球面 62.05 2 1.52 64.2 折射
401 非球面 60.84 11.00 折射
表面402的非球面面型参数如下表所示。
表5
表面编号 二次曲面(k) 4阶(a2) 6阶(a3) 8阶(a4) 10阶(a5) 12阶(a6)
402 1.01 -1.06E-7 1.44E-8 -2.58E-10 1.58E-13 -6.97E-16
本实施例对角线视场可达到42°，针对不同虚像距，实现对应屈光度调节的同时，不同屈光度下系统的视场角保持不变，其结果如表6所示。
表6
屈光度 -1D -3D -5D
视场角 42.2° 42.2° 42.2°
根据上述数据，如图3-5所示，本实施例f＝22.5mm，该近眼显示光学装置对于不同屈光度调节下，光学系统成像清晰度、畸变基本一致，如所有组态的调制传递函数(Modulation Transfer Function，简称MTF)在25lp/mm空间频率下均在0.1以上，畸变图中实际视场角(Actual FOV)和近轴视场(Paraxial FOV)均基本重合，畸变均在1％以内。
实施例2：
如图1-2所示，本实施例的架构和基本原理与实施例1基本相同，在此不再赘述，其中系统参数设置有所差别，以实现不同视觉效果。
本实施例的近眼显示光学装置中各光学元件的参数如表7所示。
表7
以上各非球面面型参数如表8所示。
表8
表面编号 二次曲面(k) 4阶(a2) 6阶(a3) 8阶(a4) 10阶(a5) 12阶(a6)
401 1.21 -1.95E-7 1.92E-8 -9.01E-11 3.28E-13 -8.69E-16
202 -1.05 2.93E-5 5.91E-7 -6.37E-9 1.53E-10 -1.15E-12
201 -9.68 6.73E-5 3.94E-7 -8.32E-8 5.06E-11 1.99E-14
为实现近眼显示光学装置中的折反光路，光学元件的偏心设置如表9所示。
表9
表面编号 307 304 401 303 301 202
偏心类型 基本 基本 偏心和回归 基本 基本 基本
Y偏心(mm) 0 0 -0.35 0 0 -0.28
Alpha偏心(°) 45 -45 0 45 45 0
为实现一定的眼动范围，同时兼顾评价不同眼动范围处系统的光学性能。在不同物距情况下，对应表面301的厚度不同，以此实现不同屈光度调节。其中，一般光轴方向(平行纸面向右)为Z方向，子午方向(平行纸面向上)为Y方向，弧矢方向(垂直纸面向里为X方向)。Y偏心指沿Y方向平移距离，Alpha偏心指绕X轴旋转角度。
真实世界信息同样通过曲面透镜4和平面镜成像单元3透射后进入人眼5，透视光路中曲面透镜4参数如表10所示。由于虚拟光路(即显示单元发出的光线形成的光路)和真实光路(即真实世界信息光线形成的光路)建模时为相反方向，因此下表中对应曲率半径体现为正值。
表10
表面402的非球面面型参数如表11所示。
表11
表面编号 二次曲面(k) 4阶(a2) 6阶(a3) 8阶(a4) 10阶(a5) 12阶(a6)
402 0.46 -3.63E-7 9.14E-9 -2.34E-11 7.58E-13 -1.28E-16
本实施例对角线视场可达到44°，针对不同虚像距，实现对应屈光度调节的同时，视场角变化很小，很难察觉到不同组态之间视场角的变化，其结果如表12所示。
表12
屈光度 -1D -3D -5D
视场角 44.5° 44.3° 44.0°
根据上述数据，如图6-8所示，本实施例f＝21.6mm，该近眼显示光学装置对于不同屈光度调节下，光学系统成像清晰度、畸变基本一致，如所有组态的调制传递函数(Modulation Transfer Function，简称MTF)在30lp/mm空间频率下均在0.15以上，畸变图中实际视场角(Actual FOV)和近轴视场(Paraxial FOV)均基本重合，畸变均在1％以内。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述屈光度可调的近眼显示光学装置包括显示单元(1)、第一透镜单元(2)、平面镜成像单元(3)、曲面透镜(4)，其中：
所述显示单元(1)，用于提供成像光线；
所述第一透镜单元(2)，包括至少一个透镜，并位于所述显示单元(1)的出光侧，所述第一透镜单元(2)相对所述显示单元(1)移动实现调焦或与所述显示单元(1)同步移动实现调焦；
所述平面镜成像单元(3)，包括第一膜层和平板透镜(33)，所述平板透镜(33)相对所述显示单元(1)倾斜设置，所述第一膜层贴附于所述平板透镜(33)上靠近所述曲面透镜(4)的一侧，并用于将所述第一透镜单元(2)调焦后的成像光线部分反射至所述曲面透镜(4)，以及使现实世界信息光线透过；
所述曲面透镜(4)，靠近所述第一膜层的一侧设有第一半透半反膜，用于将接收到的成像光线透过所述平面镜成像单元(3)反射至人眼(5)进行成像；
且满足如下条件：
16mm≤f1≤24mm；24mm≤f2≤40mm；15mm≤f≤23mm；
其中，f1为所述第一透镜单元(2)的焦距，f2为所述曲面透镜(4)的焦距，f为所述屈光度可调的近眼显示光学装置的焦距。
2.如权利要求1所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述第一膜层包括第一偏振单元(31)和第二偏振单元(32)，所述第二偏振单元(32)位于所述第一偏振单元(31)和平板透镜(33)之间，所述第一偏振单元(31)用于将圆偏振光转化为线偏光，所述第二偏振单元(32)用于透射第一方向的偏振光并反射第二方向的偏振光，所述第一方向与第二方向垂直。
3.如权利要求2所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述第一偏振单元(31)为四分之一波片，所述第二偏振单元(32)为偏振反射膜。
4.如权利要求1所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述第一膜层为第二半透半反膜。
5.如权利要求1所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：各所述透镜和曲面透镜(4)的镜面为球面、非球面、自由曲面的自由组合。
6.如权利要求5所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述第一透镜单元(2)包括第一透镜，所述第一透镜为双凸非球面透镜或平凸非球面透镜，所述曲面透镜(4)为凹凸非球面透镜，且所述第一透镜单元(2)和曲面透镜(4)的折射率均为1.45～1.65、阿贝数均为20～68。
7.如权利要求6所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述第一透镜单元(2)和曲面透镜(4)的非球面镜面满足如下公式：
其中，z为矢高，r为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第2i阶非球面系数，N为正整数。
8.如权利要求7所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述第一透镜单元(2)上靠近所述显示单元(1)的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-20.45mm、0.86、3E-5、-2.65E-7、-1.81E-8、5.22E-11、4.99E-14，背离所述显示单元(1)的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为20.58mm、-0.39、-4.19E-6、-6.86E-8、-3.41E-10、1.62E-10、-1.34E-12；所述曲面透镜(4)上靠近所述第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-60.84mm、1.06、-1.01E-7、1.44E-8、-1.50E-10、3.58E-13、-7.69E-16，背离所述第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-62.05mm、1.01、-1.06E-7、1.44E-8、-2.58E-10、1.58E-13、-6.97E-16。
9.如权利要求7所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述第一透镜单元(2)上靠近所述显示单元(1)的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-40.32mm、-9.68、6.73E-5、3.94E-7、-8.32E-8、5.06E-11、1.99E-14，背离所述显示单元(1)的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为18.58mm、-1.05、2.93E-5、5.91E-7、-6.37E-9、1.53E-10、-1.15E-12；所述曲面透镜(4)上靠近所述第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-55.96mm、1.21、-1.95E-7、1.92E-8、-9.01E-11、3.28E-13、-8.69E-16，背离所述第一膜层的镜面的曲率半径、k、a2、a3、a4、a5、a6依次为-56.85mm、0.46、-3.63E-7、9.14E-9、-2.34E-11、7.58E-13、-1.28E-16。
10.如权利要求1所述的屈光度可调的近眼显示光学装置，其特征在于：所述显示单元(1)为OLED型发光面板、LED型发光面板、LCD型非自发光面板、LCOS型非自发光面板其中一种。
CN202322077512.5U 2023-08-03 一种屈光度可调的近眼显示光学装置 Active CN221326853U (zh)

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