DE212018000009U1

DE212018000009U1 - Ein auf doppelter Freiformflächenreflexion basierendes Abbildungssystem und Erweiterte-Realität-Gerät

Info

Publication number: DE212018000009U1
Application number: DE212018000009.3U
Authority: DE
Original assignee: Shenzhen Huynew Tech Co Ltd; Shenzhen Huynew Technology Company Ltd
Current assignee: Shenzhen Huynew Tech Co Ltd; Shenzhen Huynew Technology Company Ltd
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2018-08-30
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: WO2019033748A1; CN107300777A

Abstract

Ein Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert, ist gekennzeichnet dadurch: einschließlich der folgenden Schritte entlang des Lichtwegs:
Bildquelle, zur Übertragung von Bildinformationen, die Bildinformationen enthalten;
Projektionslinse, zum Übertragen und Einstellen der Richtung des Bildlichtes;
Eine erste Freiformfläche, zum teilweisen Reflektieren und zum teilweisen Übertragen des Bildlichts und des Umgebungslichts;
Eine zweite Freiformfläche, zum teilweisen Reflektieren und teilweisen Übertragen des Bildlichts und des externen Lichts;
Das Bildlicht tritt durch die Projektionslinse und die erste Freiformfläche und erreicht die zweite Freiformfläche und wird reflektiert;
Das externe Licht wird durch die zweite Freiformfläche übertragen und ist mit dem von der zweiten Freiformfläche reflektierten Bildlicht überlagert;
Das überlagerte Licht erreicht die die erste Freiformfläche und wird durch die erste Freiformfläche übertragen, um die menschliche Augen zu erreichen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Designtechnologie und insbesondere auf ein Abbildungssystem und Erweiterte-Realität-Gerät, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert.
Hintergrund-Technologie
Erweiterte-Realität (Augmented Reality, abgekürzt als AR) ist eine Technologie, die Computersysteme verwendet, um virtuelle Bildinformationen zu erzeugen, um die Wahrnehmung der realen Welt durch die Benutzer zu erhöhen. Anders als bei der Virtuelle-Realität-Technologie ist die Erweiterte-Realität-Technologie dazu da, computergenerierte virtuelle Objekte, Bilder und Texte sowie andere Informationen in reale Szenen zu überlagern, um eine virtuelle und reale Welt zu schaffen. Und durch die Bilderkennung-und Verfolgung sowie Registrierungstechnologie, Wolken-Technologie, um Virtual-Realität-Szene Interaktion zu erreichen, um die „Verstärkung“ der realen Welt zu erreichen.
In den letzten Jahren hat sich mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Technologien wie Mikroelektronik, Optoelektronik und optischem Design das ursprüngliche helmartige Anzeigesystem mit einem höheren Gewicht und Größe allmählich zu einem tragbaren intelligenten Brillensystem mit geringem Stromverbrauch, geringem Gewicht und kompakter Größe entwickelt (Auch als Videobrille bekannt), welche zur obersten Priorität für tragbare Technologie werden. Erweiterte-Realität-Brillen haben sich schnell von der Verwendung in der Verteidigung und Luft- und Raumfahrt zu verschiedenen industriellen Szenen und Anwendungen für normale Verbraucher entwickelt.
Das Erweiterte-Realität-Brillensystem besteht hauptsächlich aus einer Bildanzeigequelle, einem optischen Abbildungssystem, einem Positionserfassungssystem, einem Schaltungssteuerungs- und Verbindungssystem sowie einem Gewichtssystem. Die Leistung des optischen Systems beeinflusst nicht nur den Bildgebungseffekt der Bildquelle, sondern weist auch eine enge Beziehung zu der Lautstärke, dem Gewicht und das Nutzungsgefühl der intelligenten Brille auf. Erweiterte-Realität-Brillen verwenden häufig einen transmissiven Lichtweg. Der Träger sieht nach Verstärkung und Aberrationskorrektur ein virtuelles Bild der Bildquelle. Das virtuelle Bild befindet sich in einer Entfernung von 3 Metern vor den Augen. Der Träger kann gleichzeitig die virtuelle Information der Bildquelle und die reale Information der externen Szene erhalten.
Bei der Gestaltung des optischen Systems müssen Parameter wie Blickwinkel, Helligkeit, Austrittspupillenabstand, Austrittspupillendurchmesser, binokularer Pupillendistanz, Aberration, Vergrößerung und Gesamtvolumen Gewicht sowie Koordinierte Kostenoptimierung umfassend berücksichtigt werden. Aus der Perspektive existierender Lichtweg-Design-Lösungen in der Industrie, wie Google-glass Prisma-reflektierenden Lichtweg von Googles, Hololens Gläser holographischen Gitter Wellenleiter Lichtweg von Microsoft, Lumus Stacked-Array geometrische Wellenleiter-Schema von einem israelischen Unternehmen und Freilicht-Technologie Prism-Programm von Peking Institut der Technologie usw. Die Optimierung der optischen Parameter und die Kompaktheit von Volumen und Gewicht machen es gleichzeitig schwierig und anspruchsvoll.
Die Intelligente Brille mit geometrischen Gläsern oder holographischen Wellenleiter hat die Totalreflexion und Gitterbeugung von Licht in der planaren Wellenleiterelement verwendet, damit die Dicke des optischen Elements effektiv reduziert. Das planare Wellenleiterelement stellt jedoch keine optische Energie bereit und muss in Verbindung mit einem komplizierten Relaislichtweg verwendet werden.
Bei der Gestaltung des optischen Abbildungssystems zeigen sich die Anwendungsvorteile der Freiformfläche in dem optischen Abbildungssystem weiterhin und werden allmählich zu einem Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Abbildungsoptik. Das augennahe Anzeigeschema des Freiformprismas ist wie folgt: Das Bild des Mikroprojektionsschirms projiziert die virtuelle Szene vor den menschlichen Augen durch die Brechung und Totalreflexion der drei Freiformflächen des optischen Freiformflächenprismas, damit die Positionsverschmelzung mit dem realen Objekt realisiert. Da das Freiformflächenprisma selbst optische Leistung und eine hohe Aberrationskorrekturfähigkeit aufweist, wird ein virtuelles Bild erhalten, das durch Aberrationen verstärkt und korrigiert wird. Das Abbildungsprisma wird jedoch eine signifikante Verschiebung im Licht der realen Szene erzeugen, was eine große Aberration verursacht. Deswegen wird eine Kompensation des Prismas zur Kompensation erfordert. Aber die Verwendung von Kompensationsprismen kann das Volumen des Lichtwegteils umständlich machen, was weiteres Aufhellen und Ausdünnen einschränkt.
Die obererwähnten Mängel müssen verbessert werden.
Technische Probleme
Der Zweck der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Abbildungssystem auf der Basis einer doppelten Freiformflächenreflexion zu schaffen, um das technische Problem zu lösen, dass der im Stand der Technik existierende optische Weg sperrig und dünn schwierig zu realisieren ist.
Technische Lösungen
Um das vorstehende technische Problem zu lösen, ist die angenommene technische Lösung die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung: Es wird ein Abbildungssystem basierend auf zwei Freiformflächenreflexionen bereitgestellt, einschließlich der folgenden Schritte entlang des Lichtwegs:

Bildquelle, zur Übertragung von Bildinformationen, die Bildinformationen enthalten;
Projektionslinse, zum Übertragen und Einstellen der Richtung des Bildlichtes;
Eine erste Freiformfläche, zum teilweisen Reflektieren und zum teilweisen Übertragen des Bildlichts und des Umgebungslichts;
Eine zweite Freiformfläche, zum teilweisen Reflektieren und teilweisen Übertragen des Bildlichts und des externen Lichts;
Das Bildlicht tritt durch die Projektionslinse und die erste Freiformfläche und erreicht die zweite Freiformfläche und wird reflektiert;
Das externe Licht wird durch die zweite Freiformfläche übertragen und ist mit dem von der zweiten Freiformfläche reflektierten Bildlicht überlagert;
Das überlagerte Licht erreicht die die erste Freiformfläche und wird durch die erste Freiformfläche übertragen, um die menschliche Augen zu erreichen.

Weiter, ist die erste Freiformfläche eine optische Kunststofflinse oder optische Glaslinse und die zweite Freiformfläche eine optische Kunststofflinse oder eine optische Glaslinse.
Weiter, beträgt die Dicke der ersten Freiformfläche nicht mehr als 1,5 mm und die Dicke der zweiten Freiformfläche nicht mehr als 1,5 mm.
Weiter, ist die obere Oberfläche und / oder die untere Oberfläche der Projektionslinse mit einem reflektierenden Film versehen.
Weiter, ist eine obere Oberfläche der ersten Freiformoberfläche mit einem reflektierenden Film versehen, und ein Antireflexionsfilm ist auf der unteren Oberfläche der ersten Freiformoberfläche versehen.
Weiter, ist die zweite Freiformfläche mit einem reflektierenden Film zur Oberfläche der ersten Freiformfläche hin versehen, und die zweite Freiformfläche ist mit einem Antireflexionsfilm versehen, der von der Oberfläche der ersten Freiformfläche abgewandt ist.
Weiter, ist eine von der ersten Freiformfläche abgewandte Oberfläche der zweiten Freiformfläche mit einer photochromen Schicht versehen.
Weiter, ist die photochrome Schicht eine mikrokristalline Silberhalogenidschicht.
Weiter, liegt der Einfallswinkel des einfallenden Lichts der ersten Freiformfläche in dem Bereich von 45 ° bis 60 °.
Weiter, liegt der Einfallswinkel des einfallenden Lichts der zweiten Freiformfläche in dem Bereich von 15 ° bis 25 °.
Weiter, enthält die Bildquelle eine LCD-Anzeige, OLED, DLP oder LCoS-Mikroanzeige.
Weiter, sind sowohl die erste Freiformfläche als auch die zweite Freiformfläche bivariate orthogonale polynomiale Freiformfläche. Der spezifische Ausdruck ist: $z (x, y) = \frac{c (x^{2} + y^{2})}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} (x^{2} + y^{2})}} + \sum_{m = 0}^{p} \sum_{n = 0}^{p} c_{m n} x^{m} y^{n}$
Davon ist c die Oberflächenkrümmung, k die quadratische asphärische Konstante, c_mn ein Koeffizient verschiedener Ordnungen und p die höchste Potenz des Polynoms, erfüllt 1≤m+n≤p.
Weiter, sind sowohl die erste Freiformfläche als auch die zweite Freiformfläche Zernike-Polynom-Freiform. Der spezifische Ausdruck ist: $z (x, y) = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{N} A_{i} E_{i} (ρ, θ)$
Davon ist Z (x, y) die Vektorhöhe von der Optische Oberfläche. Das erste Element in der Formel ist ein Kegelschnitt. C ist die Oberflächenkrümmung und K ist die quadratische asphärische Konstante. Das zweite Element in der Formel ist das Zernike-Polynom. Ai ist Zernike-Polynomkoeffizient, Ei ist Zernike-Polynom, ρ und θ sind Variablen des Zernike-Polynoms.
Weiter, sind sowohl die erste Freiformfläche als auch die zweite Freiformfläche die torische Oberfläche. Die mathematische Beschreibungsgleichung lautet: $z (x, y) = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) c_{x}^{2} x^{2} - (1 + k_{y}) c_{y}^{2} y^{2}}} + \sum_{i = 1}^{p} A_{i} {((1 - B_{i}) x^{2} + (1 + B_{i}) y^{2})}^{i + 1}$
Davon ist c_x der Krümmungsradius der Oberfläche in der XZ-Ebene, ist c_y der Krümmungsradius der Oberfläche in der YZ-Ebene, ist k_x der quadratische Oberflächenkoeffizient der Oberfläche in sagittaler Richtung, ist k_y der quadratische Oberflächenkoeffizient der Oberfläche in meridionaler Richtung, ist A_i der asphärische Koeffizient der Rotationssymmetrie um die Z-Achse, ist B_i ein Nicht-Rotationssymmetriekoeffizient.
Eine weitere Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erweiterte-Realität-Vorrichtung bereitzustellen, die das oben erwähnte Abbildungssystem enthält, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert.
Vorteilhafte Wirkung
Die vorteilhafte Wirkung eines Abbildungssystems, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert, die durch die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, liegt in:

(1) Durch Einstellen der ersten Freiformfläche und der zweiten Freiformfläche hat es die gleiche Fähigkeit, die Aberration des virtuellen Bildes zu korrigieren, wie das Freiformflächenprisma, und gleichzeitig ist das Gesamtvolumen heller und leichter, was günstiger für leichter und dünner ist.
(2) Externes Licht kann durch die zweite Freiformfläche in das Abbildungssystem eintreten und sich mit dem Bildlicht überlagern. Die menschlichen Augen haben fast keine Verzerrungen und Aberrationen bei der Beobachtung von externen Bildern, und somit ist es nicht mehr notwendig, Kompensationsprismen zu verwenden, um reale Szenen zu kompensieren. Dadurch werden die Bildqualität nicht nur optimiert, sondern das Gesamtvolumen leichter gemacht, wodurch es leichter und dünner wird.

Beschreibung der beigefügten Zeichnung
Um die technischen Lösungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung klarer zu beschreiben, werden die Zeichnungen, die in der Beschreibung der Ausführungsformen oder des Standes der Technik verwendet werden, nachstehend kurz beschrieben. Offensichtlich sind die Zeichnungen in der folgenden Beschreibung nur einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet können auch andere Zeichnungen basierend auf diesen Zeichnungen ohne jegliche kreative Arbeit erhalten werden.
Bild 1 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Abbildungssystems, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert, die durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
Darunter ist jedes Bezugszeichen in der Figur:

Bildquelle: 2 - Projektionslinse;

Die erste Freiformfläche: 4 - Die zweite Freiformfläche;

Menschliche Augen: 6 - Außenlicht.
Die spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Um die technischen Probleme, die technischen Lösungen und die vorteilhaften Wirkungen, die durch die vorliegende Erfindung zu lösen sind, deutlicher zu machen, wird die vorliegende Erfindung weiter im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und Ausführungsformen beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen nur verwendet werden, um die vorliegende Erfindung zu erklären und die vorliegende Erfindung nicht zu beschränken.
Es sollte angemerkt werden, dass, wenn eine Komponente an einer anderen Komponente „befestigt“ oder „darauf angeordnet“ genannt wird, sie direkt oder indirekt auf der anderen Komponente angeordnet sein kann. Wenn eine Komponente als mit einer anderen Komponente „verbunden“ bezeichnet wird, kann sie direkt oder indirekt mit der anderen Komponente verbunden sein. Die Begriffe „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „vome“, „hinten“, „vertikal“, „horizontal“, „innen“, „außen“, „oben“, „unten“ usw. geben die Orientierung oder Position basierend auf der in den Zeichnungen gezeigten Orientierung oder Position an. Es dient nur zur leichteren Beschreibung und sollte nicht als Einschränkung der technischen Lösung verstanden werden. Die Begriffe „erster“ und „zweiter“ werden nur zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet und sind nicht so auszulegen, dass sie eine relative Bedeutung angeben oder implizieren, oder die Anzahl von technischen Merkmalen implizieren. Die Bedeutung von „Mehrzahl“ ist zwei oder mehr, wenn nicht anders spezifisch definiert.
Bezugnehmend auf 1 umfasst ein Abbildungssystem, das auf doppelten Freiformflächenreflexionen basiert, einschließlich die in einer Reihe entlang des Lichtweges angeordnete Bildquellen 1, Projektionslinse 2, die erste Freiformfläche 3, die zweite Freiformfläche 4. Davon wird die Bildquelle 1 verwendet, um Bildlicht zu emittieren, das Bildinformation trägt. Die Projektionslinse 2 wird verwendet, um die Ausbreitung von Bildlicht zu projizieren und einzustellen. Die erste Freiformfläche 3 ist eine Halbspiegellinse zum teilweisen Reflektieren und teilweise Übertragen von Bildlicht und externem Licht. Die zweite Freiformfläche 4 ist eine Halbspiegellinse zum teilweisen Reflektieren und teilweise Übertragen von Bildlicht und externem Licht. Das von der Bildquelle 1 emittierte Bildlicht tritt sequentiell durch die Projektionslinse 2 und die erste Freiformfläche 3 hindurch, erreicht die zweite Freiformfläche 4 und wird reflektiert. Das externe Licht 6 wird durch die zweite Freiformfläche 4 übertragen und ist mit dem von der zweiten Freiformfläche 4 reflektierten Bildlicht überlagert. Die überlagerten Strahlen erreichen die erste Freiformfläche 3 und werden durch die erste Freiformfläche 3 übertragen, um die menschliche Augen 5 zu erreichen.
Das Arbeitsprinzip eines Abbildungssystems, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert, die in dieser Ausführungsform vorgesehen ist, ist wie folgt: Wenn der Benutzer das Bild anzeigen muss, beginnt Bildquelle 1 zu arbeiten. Das von der Bildquelle 1 emittierte Bildlicht durchläuft nacheinander die Projektionslinse 2 und die erste Freiformfläche 3, um die zweite Freiformfläche 4 zu erreichen und wird an der Oberfläche der zweiten Freiformfläche 4 reflektiert. Das externe Licht 6 wird durch die zweite Freiformfläche 4 übertragen und ist mit dem von der zweiten Freiformfläche 4 reflektierten Bildlicht überlagert. Die überlagerten Strahlen erreichen die erste Freiformfläche 3 und werden durch die erste Freiformfläche 3 übertragen, um die menschliche Augen 5 zu erreichen. Somit kann der Benutzer das virtuelle überlagerte Bild betrachten, dh das Bild, das von der Bildquelle 1 übertragen wird, und das Bild, das durch das überlagerte externe Bild erzeugt wird.
Die vorteilhafte Wirkung eines in diesem Ausführungsbeispiel bereitgestellten, auf der Freiformflächen-Reflexion basierenden Abbildungssystems liegt in:

(1) Durch Einstellen der ersten Freiformfläche 3 und der zweiten Freiformfläche 4 hat es die gleiche Fähigkeit, die Aberration des virtuellen Bildes zu korrigieren, wie das Freiformflächenprisma, und gleichzeitig ist das Gesamtvolumen heller und leichter, was günstiger für leichter und dünner ist.
(2) Externes Licht 6 kann durch die zweite Freiformfläche 4 in das Abbildungssystem eintreten und sich mit dem Bildlicht überlagern. Die menschliche Augen 5 haben fast keine Verzerrungen und Aberrationen bei der Beobachtung von externen Bildern, und somit ist es nicht mehr notwendig, Kompensationsprismen zu verwenden, um reale Szenen zu kompensieren. Dadurch werden die Bildqualität nicht nur optimiert, sondern das Gesamtvolumen leichter gemacht, wodurch es leichter und dünner wird.

In einer Ausführungsform können die Oberflächenparameter der ersten Freiformfläche 3 gemäß der Abbildungsqualität des virtuellen Bildes optimiert werden. Die Aberrationen der Meridianebene (die durch den Hauptstrahl des Objektpunkts und der optischen Achse definierte Ebene) und der Sagittalebene (die durch den Hauptstrahl, aber senkrecht zur Meridianebene verlaufende Ebene) werden korrigiert, um die Abbildungsqualität zu verbessern.
Weiter, ist die erste Freiformfläche 3 eine optische Kunststofflinse oder eine optische Glaslinse und beträgt die Dicke der ersten Freiformfläche 3 nicht mehr als 1,5 Millimeter. Daher tritt keine Verzerrung auf, wenn das externe Licht 6 durch die erste Freiformfläche 3 hindurchtritt, und das von den menschlichen Augen 5 betrachtete externe Licht 6 wird nicht verzerrt.
Weiter, ist die zweite Freiformfläche 4 eine optische Kunststofflinse oder eine optische Glaslinse und beträgt die Dicke der zweiten Freiformfläche 4 nicht mehr als 1,5 Millimeter. Daher tritt keine Verzerrung auf, wenn das externe Licht 6 durch die zweite Freiformfläche 4 hindurchtritt, und das von den menschlichen Augen 5 betrachtete externe Licht 6 wird nicht verzerrt.
Weiter, sind die obere Oberfläche und / oder untere Oberfläche der Projektionslinse 2 mit einem reflektierenden Film versehen, so dass das Reflexionsvermögen für Licht verbessert werden kann. Die Dicke des reflektierenden Films kann nach Bedarf optimiert werden.
In einer Ausführungsform ist eine obere Oberfläche der Projektionslinse 2 mit einem reflektierenden Film versehen, so dass das Reflexionsvermögen für das Umgebungsstreulicht verbessert werden kann. Das Streulicht von der Umgebung kann nicht in die Projektionslinse 2 eingegeben werden und der Einfluss von Umgebungsstreulicht wird vermieden.
In einer Ausführungsform ist die untere Oberfläche der Projektionslinse 2 mit einem reflektierenden Film versehen, so dass das Reflexionsvermögen von Licht verbessert werden kann. Das von der ersten Freiformfläche 3 reflektierte Licht darf nicht in die Projektionslinse 2 eintreten und der Einfluss dieses Teils des Lichts wird vermieden.
In einer Ausführungsform ist eine obere Oberfläche der Projektionslinse 2 mit einem reflektierenden Film versehen, und eine untere Oberfläche der Projektionslinse 2 ist ebenfalls mit einem reflektierenden Film versehen. Die Auswirkungen von Umgebungsstreulicht und von der ersten Freiformfläche 3 reflektiertem Licht werden vermieden.
In einer Ausführungsform ist die obere Oberfläche der ersten Freiformoberfläche 3 mit einem reflektierenden Film versehen. Die von der Bildquelle 1 emittierten Lichtstrahlen können die erste Freiformfläche 3 erreichen und können effektiv zur zweiten Freiformfläche 4 reflektiert werden. Dies verbessert die Lichtausnutzung und verbessert die Helligkeit des Bildes. Die Dicke des reflektierenden Films kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden ersten Freiformfläche 3 optimiert werden.
In einer Ausführungsform ist ein Antireflexionsfilm auf der unteren Oberfläche der ersten Freiformfläche 3 versehen. Um die Übertragung von Licht, das durch die zweite Freiformoberfläche 4 hindurchgeht, zu der ersten Freiformoberfläche 3 zu erleichtern. Dies verbessert die Lichtausnutzung und verbessert die Helligkeit des Bildes. Die Dicke des Antireflexionsfilms kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden ersten Freiformfläche 3 optimiert werden.
In einer Ausführungsform ist die obere Oberfläche der ersten Freiformoberfläche 3 mit einem reflektierenden Film versehen. Die von der Bildquelle 1 emittierten Lichtstrahlen können die erste Freiformfläche 3 erreichen und können effektiv zur zweiten Freiformfläche 4 reflektiert werden. Gleichzeitig ist ein Antireflexionsfilm auf der unteren Oberfläche der ersten Freiformfläche 3 versehen. Um die Übertragung von Licht, das durch die zweite Freiformoberfläche 4 hindurchgeht, zu der ersten Freiformoberfläche 3 zu erleichtern. Dies verbessert die Lichtausnutzung und verbessert die Helligkeit des Bildes. Die Dicke des reflektierenden Films kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden ersten Freiformfläche 3 optimiert werden. Die Dicke des Antireflexionsfilms kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden ersten Freiformfläche 3 optimiert werden.
In einer Ausführungsform ist die zweite Freiformfläche 4 mit einem reflektierenden Film in Richtung der Oberfläche der ersten Freiformfläche 3 versehen. Die von der Bildquelle 1 emittierten Lichtstrahlen können die zweite Freiformfläche 4 erreichen und können effektiv zur ersten Freiformfläche 3 reflektiert werden. Dies verbessert die Lichtausnutzung und verbessert die Helligkeit des Bildes. Die Dicke des reflektierenden Films kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden zweiten Freiformfläche 4 optimiert werden.
In einer Ausführungsform ist auf der von der ersten Freiformfläche 3 abgewandten Oberfläche der zweiten Freiformfläche 4 ein Antireflexionsfilm versehen. Beitrag zur Übertragung von Umgebungslicht 6 durch die zweite Freiformfläche 4 in das Abbildungssystem. Dies verbessert die Lichtausnutzung und verbessert die Helligkeit des Bildes. Die Dicke des Antireflexionsfilms kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden zweiten Freiformfläche 4 optimiert werden.
In einer Ausführungsform ist auf der von der ersten Freiformfläche 3 abgewandten Oberfläche der zweiten Freiformfläche 4 ein reflektierender Film versehen. Die von der Bildquelle 1 emittierten Lichtstrahlen können die zweite Freiformfläche 4 erreichen und können effektiv zur ersten Freiformfläche 3 reflektiert werden. Gleichzeitig ist auf der von der ersten Freiformfläche 3 abgewandten Oberfläche der zweiten Freiformfläche 4 ein Antireflexionsfilm versehen. Beitrag zur Übertragung von Umgebungslicht 6 durch die zweite Freiformfläche 4 in das Abbildungssystem. Dies verbessert die Lichtausnutzung und verbessert die Helligkeit des Bildes. Die Dicke des reflektierenden Films kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden zweiten Freiformfläche 4 optimiert werden. Die Dicke des Antireflexionsfilms kann gemäß dem Bereich der Einfallswinkel der auftreffenden zweiten Freiformfläche 4 optimiert werden.
In einer Ausführungsform bezieht sich das von der Bildquelle 1 emittierte Licht hauptsächlich auf das sichtbare Licht. Das externe Licht 6 bezieht sich hauptsächlich auch auf Licht im sichtbaren Lichtband.
Weiter, ist die von der ersten Freiformfläche 3 abgewandte Oberfläche der zweiten Freiformfläche 4 mit einer photochromen Schicht versehen. Photochromie bezeichnet den reversiblen Prozess, bei dem sich das Absorptionsspektrum eines photochromen Materials ändert, wenn es mit einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wird. Photochrome Materialien umfassen Silberhalogenidsysteme, Diarylethylen, Fulgide, Spiropyrane, Spirooxazine, Azos und verwandte heterocyclische Verbindungen. Wenn sich die zweite Freiformfläche 4 mit der photochromen Schicht in einer starken Sonnenlichtumgebung befindet, wird die zweite optische Linse 41 kurzwelligem Licht, wie beispielsweise Ultraviolettstrahlen, ausgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Farbe der zweiten Freiformfläche 4 noch dunkler. Die Durchlässigkeit der zweiten Freiformfläche 4 gegenüber dem Außenlicht 6 wird reduziert, so dass die durch die zweite Freiformfläche 4 in das Abbildungssystem eintretende Lichtmenge reduziert wird. Dies ermöglicht dem Benutzer eine komfortable Nutzung auch bei hellen Lichtverhältnissen. Wenn das Außenlicht 6 dunkel ist, wird die Farbe der zweiten Freiformfläche 4 heller. Die Durchlässigkeit der zweiten Freiformfläche 4 gegenüber dem Außenlicht 6 wird zugenommen, so dass die durch die zweite Freiformfläche 4 in das Abbildungssystem eintretende Lichtmenge zugenommen wird. Dies ermöglicht dem Benutzer noch eine normale Nutzung bei schlechten Lichtverhältnissen.
In einer Ausführungsform ist die photochrome Schicht eine mikrokristalline Silberhalogenidschicht, welche durch einen Adsorptionsprozess an der Oberfläche der zweiten Freiformfläche 4 angebracht sein kann. Bei Bestrahlung mit Sonnenlicht und starkem UV-Licht absorbiert die Silberhalogenid-Kristallitschicht UV-Licht und dimmt schnell und zeigt eine neutrale Absorption von sichtbarem Licht. Wenn das Außenlicht 6 dunkel wird, kann die Silberhalogenid-Kristallitschicht schnell zu farblos und transparent zurückkehren. Daher kann die Intensität des übertragenen Lichts ohne häufiges Wechseln des Filters adaptiv geändert werden. Der Kontrast und die Beobachtung von überlagerten realen und virtuellen Szenen werden dadurch verbessert.
Weiter, liegt der Winkel zwischen den Lichtstrahlen, die durch die Projektionslinse 2 übertragen wurde und die erste Freiformfläche 3 erreicht und die Mittelachse der ersten Freiformfläche 3, im Bereich von 45 ° bis 60 °. Das heißt, der Einfallswinkel der einfallenden Strahlen der ersten Freiformfläche 3 liegt im Bereich von 45 ° bis 60 °. Der Winkel zwischen dem Licht, das die zweite Freiformfläche 4 erreicht, nachdem es von der ersten Freiformfläche 3 reflektiert wurde, und der Mittelachse der zweiten Freiformfläche 4 beträgt 15 ° -25 °. Das heißt, der Einfallswinkel des einfallenden Lichts der zweiten Freiformfläche 4 liegt im Bereich von 15 ° bis 25 °.
Weiter, enthält die Bildquelle 1 eine LCD (Liquid Crystal Display, Flüssigkristallanzeige), eine OLED (Organic Light-Emitting Diode, OLED), eine DLP- (Digital Light Processing, Digitale Lichtverarbeitung) - oder eine LCoS- (Flüssigkristall auf Silizium) Mikro-Bildschirm. Für OLED und andere autonome Leuchtschirme können sie direkt auf der Oberfläche platziert werden. Während sind die Mikroanzeigeelemente, wie LCoS und DLP, vom Typ mit passiver Lumineszenz und erfordern die Verwendung von PBS (Polarization Beam Splitter, Polarisations-Strahlteiler) Prismen oder PBS-Spektroskopie-Filmen. In der vorliegenden Ausführungsform stimmt die Position der Bildebene mit der Bildanzeigeposition des OLED-Mikroanzeigeelements überein und kann direkt angewendet werden. Nachdem das LCoS-Mikro-Bildschirm zu dem PBS-Prisma hinzugefügt wurde, können die Position der Bildebene und die Bildanzeigeposition des LCoS-Mikrodisplayelements nach Bedarf eingestellt werden.
Weiter, können die erste Freiformfläche 3 und die zweite Freiformfläche 4 unter Verwendung einer Diamantdrehmaschine hergestellt werden, und nur der Oberflächenformfehler muss während der Bearbeitung garantiert werden. Die relativen Positionen der optischen Komponenten des optischen Systems sind durch spezielle konstruierte strukturelle Befestigungen festgelegt. Auf diese Weise kann ein bestimmter Grad an Montagefreiheit verwendet werden, um die Strukturfehler einzustellen. Dadurch kann ein sehr geringer Strukturfehler erreicht werden. Gleichzeitig werden die Bearbeitungsschwierigkeiten und Montageprobleme stark reduziert.
In einer Ausführungsform sind sowohl die erste Freiformfläche 3 als auch die zweite Freiformfläche 4 Bivariate orthogonale Polynome Freiformfläche (auch bekannt als XY-Polynom-Freiformfläche). Der spezifische Ausdruck ist: $z (x, y) = \frac{c (x^{2} + y^{2})}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} (x^{2} + y^{2})}} + \sum_{m = 0}^{p} \sum_{n = 0}^{p} c_{m n} x^{m} y^{n}$
Davon ist c die Oberflächenkrümmung, k die quadratische asphärische Konstante, c_mn ein Koeffizient verschiedener Ordnungen, p die höchste Potenz des Polynoms, sind m, n, p vorzugsweise ganze Zahlen, erfüllt 1 ≤ m + n ≤ p. Wählen Sie den x-Wert der geraden Potenz, um die Symmetrie der Oberfläche in Bezug auf die YZ-Oberfläche sicherzustellen.
In einer Ausführungsform sind die erste Freiformfläche 3 und die zweite Freiformfläche 4 Zernike-Polynome Freiformfläche (auch Zernike-Polynome-Freiformfläche genannt). Der spezifische Ausdruck ist: $z (x, y) = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{N} A_{i} E_{i} (ρ, θ)$
Davon ist Z (x, y) die Vektorhöhe von der Optische Oberfläche. Das erste Element in der Formel ist ein Kegelschnitt (Conic Oberfläche) . c ist die Oberflächenkrümmung und k ist die quadratische asphärische Konstante. Das zweite Element in der Formel ist das Zernike-Polynom. A_i ist Zernike-Polynomkoeffizient, E_i ist Zernike-Polynom, ρ und θ sind Variablen des Zernike-Polynoms.
In einer Ausführungsform sind sowohl die erste Freiformfläche 3 als auch die zweite Freiformfläche 4 die torische Oberfläche. Die mathematische Beschreibungsgleichung lautet: $z (x, y) = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) c_{x}^{2} x^{2} - (1 + k_{y}) c_{y}^{2} y^{2}}} + \sum_{i = 1}^{p} A_{i} {((1 - B_{i}) x^{2} + (1 + B_{i}) y^{2})}^{i + 1}$
Davon ist c_x der Krümmungsradius der Oberfläche in der XZ-Ebene, ist c_y der Krümmungsradius der Oberfläche in der YZ-Ebene, ist k_x der quadratische Oberflächenkoeffizient der Oberfläche in sagittaler Richtung, ist k_y der quadratische Oberflächenkoeffizient der Oberfläche in meridionaler Richtung, ist A_i der asphärische Koeffizient der Rotationssymmetrie um die Z-Achse, ist B_i ein Nicht-Rotationssymmetriekoeffizient.
In einer Ausführungsform sind die Parameter für jede optische Oberfläche in den folgenden
Tabellen 1 und 2 gezeigt.

Tabelle 1: Tabelle der optischen Komponentenparameter

Nr. der Oberfläche	Flächetyp	Anmerkung	Krümmungsradius	Dicke (mm)	Materialien	Y -Richtung Zentrifugalwert	Rotationswinkel um die X-Achse
1	Kugelförmig	Bildquelle	Unbegrenzt	4.325		1.021	0.000
2	Kugelförmig	Erste Linsenoberfläche	-65.339	7.437	BK7	3.528	0.000
3	Kugelförmig	Zweite Linsenoberfläche	12.315	9.143		0.000	-44.967
4	XY-Polynom	Erste Freiformfläche	-285.735	12.687	PMMA	0.394	-55.164
5	XY-Polynom	Zweite Freiformfläche	-38.571	30.843	PMMA	0.000	20.038
6	Kugelförmig	Austrittspupillenposition	Unbegrenzt	0.000		0.000	0.000

Die erste Linsenoberfläche ist die obere Oberfläche der Projektionslinse 2 und die zweite Linsenoberfläche ist die untere Oberfläche der Projektionslinse 2. Tabelle 2: Tabelle der optischen Freiformparameter

Oberflächenname	Erste Freiformfläche	Zweite Freiformfläche
Krümmungsradius R	-38.571	-285.735
Quadratischer Oberflächenkoeffizient k	3.793	0
C10	54.513	-1.382
C01	280.899	-1157.015
C20	2.41E+05	1.982E+05
C11	-1.930E+07	-1.218E+07
C02	2.064E+07	1.287E+07
C30	5.317E+10	1.331E+10
C21	-2.218E+12	-2.177E+11
C12	1.477E+13	-1.256E+13
C03	1.174E+15	2.900E+14
C40	-7.993E-28	0.000E+00
C31	-1.388E-29	0.000E+00
C22	-8.079E-33	0.000E+00
C13	-3.419E-34	0.000E+00
C04	-6.943E-36	0.000E+00

Der Zweck der vorliegenden Ausführungsform besteht auch darin, eine Erweiterte-Realität-Vorrichtung bereitzustellen, die das oben erwähnte Abbildungssystem enthält, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert. Durch Vorsehen der ersten Freiformfläche 3 und der zweiten Freiformfläche 4 hat es die gleiche Fähigkeit, die Aberration des virtuellen Bildes zu korrigieren wie das Freiformflächenprisma. Gleichzeitig ist das Gesamtvolumen leichter und hilft, Leichtigkeit zu erreichen. Das externe Licht 6 kann durch die zweite Freiformfläche 4 in das Bildfassungssystem eintreten, um das Licht von der Bildquelle zu überlagern. Die menschliche Augen 5 weist bei der Betrachtung des Außenbildes nahezu keine Verzerrungen und Aberrationen auf. Daher ist es nicht mehr notwendig, ein Kompensationsprisma zu verwenden, um die reale Szene zu kompensieren, was nicht nur die Bildqualität optimiert, sondern auch die Gesamtlautstärke leichter und kompakter macht.
Die obige Beschreibung ist nur ein Beispiel der vorliegenden Erfindung und soll die vorliegende Erfindung nicht beschränken. Jede Modifikation, gleichwertige Ersetzung und Verbesserung, die innerhalb des Grundgedankens und des Prinzips der vorliegenden Erfindung vorgenommen wird, sollte in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein.

Claims

Ein Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert, ist gekennzeichnet dadurch: einschließlich der folgenden Schritte entlang des Lichtwegs: Bildquelle, zur Übertragung von Bildinformationen, die Bildinformationen enthalten; Projektionslinse, zum Übertragen und Einstellen der Richtung des Bildlichtes; Eine erste Freiformfläche, zum teilweisen Reflektieren und zum teilweisen Übertragen des Bildlichts und des Umgebungslichts; Eine zweite Freiformfläche, zum teilweisen Reflektieren und teilweisen Übertragen des Bildlichts und des externen Lichts; Das Bildlicht tritt durch die Projektionslinse und die erste Freiformfläche und erreicht die zweite Freiformfläche und wird reflektiert; Das externe Licht wird durch die zweite Freiformfläche übertragen und ist mit dem von der zweiten Freiformfläche reflektierten Bildlicht überlagert; Das überlagerte Licht erreicht die die erste Freiformfläche und wird durch die erste Freiformfläche übertragen, um die menschliche Augen zu erreichen.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Die erste Freiformfläche ist eine optische Kunststofflinse oder optische Glaslinse und die zweite Freiformfläche ist eine optische Kunststofflinse oder eine optische Glaslinse.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 2, ist gekennzeichnet dadurch: Die Dicke der ersten Freiformfläch beträgt nicht mehr als 1,5 mm und die Dicke der zweiten Freiformfläch beträgt nicht mehr als 1,5 mm.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Die obere Oberfläche und / oder die untere Oberfläche der Projektionslinse ist mit einem reflektierenden Film versehen.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: eine obere Oberfläche der ersten Freiformoberfläche mit einem reflektierenden Film versehen, und ein Antireflexionsfilm ist auf der unteren Oberfläche der ersten Freiformoberfläche versehen.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Die zweite Freiformfläche ist mit einem reflektierenden Film zur Oberfläche der ersten Freiformfläche hin versehen, und die zweite Freiformfläche ist mit einem Antireflexionsfilm versehen, der von der Oberfläche der ersten Freiformfläche abgewandt ist.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Eine von der ersten Freiformfläche abgewandte Oberfläche der zweiten Freiformfläche ist mit einer photochromen Schicht versehen.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 7, ist gekennzeichnet dadurch: Die photochrome Schicht ist eine mikrokristalline Silberhalogenidschicht.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Der Einfallswinkel des einfallenden Lichts der ersten Freiformfläche liegt in dem Bereich von 45 ° bis 60 °.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: der Einfallswinkel des einfallenden Lichts der zweiten Freiformfläche liegt in dem Bereich von 15 ° bis 25 °.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Die Bildquelle enthält eine LCD-Anzeige, OLED, DLP oder LCoS-Mikroanzeige.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Sowohl die erste Freiformfläche als auch die zweite Freiformfläche sind bivariate orthogonale polynomiale Freiformfläche. Der spezifische Ausdruck ist: $z (x, y) = \frac{c (x^{2} + y^{2})}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} (x^{2} + y^{2})}} + \sum_{m = 0}^{p} \sum_{n = 0}^{p} c_{m n} x^{m} y^{n}$
Davon ist C die Oberflächenkrümmung, K die quadratische asphärische Konstante, c_nm ein Koeffizienten verschiedener Ordnungen und p die höchste Potenz des Polynoms, erfüllt 1 ≤ m + n ≤ p. m und n sind Ganzzahl.
Das Abbildungssystemm, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Sowohl die erste Freiformfläche als auch die zweite Freiformfläche sind Zernike-Polynom-Freiform. Der spezifische Ausdruck ist: $z (x, y) = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{N} A_{i} E_{i} (ρ, θ)$
Davon ist Z (x, y) die Vektorhöhe von der Optische Oberfläche. Das erste Element in der Formel ist ein Kegelschnitt. C ist die Oberflächenkrümmung und K ist die quadratische asphärische Konstante. Das zweite Element in der Formel ist das Zernike-Polynom. Ai ist Zernike-Polynomkoeffizient, Ei ist Zernike-Polynom, ρ und θ sind Variablen des Zernike-Polynoms.
Das Abbildungssystem, das auf einer doppelten Freiformflächenreflexion basiert und nach Rechtsanspruch 1, ist gekennzeichnet dadurch: Sowohl die erste Freiformfläche als auch die zweite Freiformfläche sind die torische Oberfläche. Die mathematische Beschreibungsgleichung lautet: $z (x, y) = \frac{c_{x} x^{2} + c_{y} y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) c_{x}^{2} x^{2} - (1 + k_{y}) c_{y}^{2} y^{2}}} + \sum_{i = 1}^{p} A_{i} {((1 - B_{i}) x^{2} + (1 + B_{i}) y^{2})}^{i + 1}$
Davon ist c_x der Krümmungsradius der Oberfläche in der XZ-Ebene, ist c_y der Krümmungsradius der Oberfläche in der YZ-Ebene, ist k_x der quadratische Oberflächenkoeffizient der Oberfläche in sagittaler Richtung, ist k_y der quadratische Oberflächenkoeffizient der Oberfläche in meridionaler Richtung, ist A_i die asphärische Koeffizient der Rotationssymmetrie um die Z-Achse, ist B_i ein Nicht-Rotationssymmetriekoeffizient.
Ein Erweiterte-Realität-Gerät ist gekennzeichnet dadurch: Einschließlich des Abbildungssystems auf der Basis einer doppelten Freiformflächenreflektion gemäß irgendeinem der Ansprüche 9-14.