CN107966811A - 一种折反式自由曲面大视场增强现实光学*** - Google Patents

一种折反式自由曲面大视场增强现实光学*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，包括：第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜，平凸透镜以及图像显示器。图像显示器发出的光线经过平凸偶次非球面透镜透射，再经过第一自由曲面透镜的第一光学工作面反射到第二自由曲面透镜上的第二光学工作面，然后经过第二自由曲面透镜上的第二光学工作面反射到第一自由曲面透镜上的第一光学工作面，再经过第一自由曲面透镜透射进入人眼。本发明的折反式自由曲面大视场增强现实光学***，具有结构紧凑、出瞳距大、视场大、眼动范围大、全视场像差校正良好及高能量利用率等优点。

Description

一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***
技术领域
本发明涉及增强现实领域，特别涉及一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***。
背景技术
近年来，增强现实(Augmented Reality，简称AR)显示装置快速发展，由于该***属于头戴***，因此它必须结构紧凑和轻量化，以增强使用者的舒适度。对于增强现实显示装置，大视场非常重要，大视场可以增加使用者的沉浸感，使观察者能最大程度的观察优质的动态图像。紧凑和轻量化的结构可以极大的增强佩戴者的舒适感，合适的出瞳距可以使观察者佩戴其他目视***(如近视镜)进行使用，增加了***对佩戴者的适用范围。但是，光学***的视场、出瞳距、大出瞳直径、短焦距等结构参数互相制约，同时满足上述条件存在相当大的困难。
因此，急需提供一种能够同时满足结构紧凑轻便大视场的增强现实光学***。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，具有结构紧凑、轻量化、出瞳距合理、视场大、眼动范围大、全视场像差校正良好及高光能利用率等优点。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其包括：第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜、平凸透镜以及图像显示器；
所述第一自由曲面透镜上设有第一光学工作面，所述所述第二自由曲面透镜上设有第二光学工作面；
所述图像显示器发出的光线经过平凸透镜透射，再经过第一自由曲面透镜上的第一光学工作面反射到第二自由曲面透镜上的第二光学工作面，然后经过第二自由曲面透镜上的第二光学工作面反射到第一自由曲面透镜上的第一光学工作面，再经过第一自由曲面透镜透射进入人眼。
进一步，所述第一自由曲面透镜上的第一光学工作面所镀膜层为角度选择膜层，当入射角在7°-38°之间发生透射，当入射角在41°-45°之间发生反射。
再进一步，所述第一光学工作面既是透射面又是反射面，光线第一次经过第第一光学工作面时反射，第二次经过第一光学工作面时透射。
进一步，所述第一光学工作面和第二光学工作面均为为自由曲面。
进一步，，所述第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为两面具有相同光学结构参数的镜片。
再进一步，所述第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为两面具有相同光学结构参数的塑料或玻璃镜片。
进一步，所述第二光学工作面所镀膜层为半反半透膜。
进一步，所述平凸透镜的凸面为非球面、标准球面或自由曲面。
再进一步，所述平凸透镜为偶次非球面平凸透镜或奇次非球面平凸透镜。
进一步，所述平凸透镜上设有第三光学工作面。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的折反式自由曲面大视场增强现实光学***，具有出瞳距合理的优点，能够保证使用者在大视场范围内看到清晰、畸变小的图像；本发明通过两个自由曲面透镜，一个偶次非球面平凸透镜的光路结构设计，使可以达到18mm以上，保证用户可以在佩戴其他目视***(如近视镜)的情况下使用该***；
(2)本发明的增强现实光学***，还具有视场角大、眼动范围大、全视场像差校正良好等优点，用户在使用过程中不易产生眼疲劳，具有优秀的视觉体验；本发明通过两个自由曲面透镜和一个偶次非球面平凸透镜的配合，增大了视场角，提供了较大的眼动范围(±4mm)，增加了产品的适用范围；
(3)本发明通过两个自由曲面透镜和一个偶次非球面平凸透镜的配合，使现实世界中的景物经过两个自由曲面透镜到达人眼，几乎不会引入像差，不需要额外增加补偿棱镜***；
(4)本发明结构精巧、简洁、紧凑，使用折返透镜组合，替代自由曲面棱镜，使产品轻量化；
(5)本发明在第一自由曲面透镜的光学工作面镀角度选择膜层，提高了光能利用率，显示的图像亮度高。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的增强现实光学***的示意图；
图2为本发明的实施例的各视场的光学传递函数值的示意图；
图3为本发明的实施例的场曲图；
图4为本发明的实施例的畸变图；
图5为本发明的实施例的网格畸变图；
图6为现有的增强现实光学***的示意图。
其中：1-图像显示器，2-平凸偶次非球面透镜，
3-第一自由曲面透镜，4-第二自由曲面透镜，
5-人眼；
11-第一光学工作面，
12-第二光学工作面，
13-第三光学工作面
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合图1，对本发明的增强现实光学***进行详细描述，其包括：图像显示器1、平凸偶次非球面透镜2、第一自由曲面透镜3、第二自由曲面透镜4，第一光学工作面11、第二光学工作面12和第三光学工作面13。其中，图像显示器1发出的光线经过平凸偶次非球面透镜2上的第三光学工作面13透射，再经过第一自由曲面透镜3上的第一光学工作面11反射到第二自由曲面透镜4上的第二光学工作面12，然后经过第二自由曲面透镜4上的第二光学工作面12反射到第一自由曲面透镜3上的第一光学工作面11，再经过第一自由曲面透镜4透射进入人眼5。
本实施例中，各透镜光学工作面的曲面方程如下：
(1)第三光学工作面13为偶次非球面，其面型方程如下：
其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，r为透镜的半孔径，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为二阶项、四阶项、六阶项、十阶项、十二阶项、十四阶项、十六阶项的系数，其结构参数如表1所示：
表1 平凸偶次非球面透镜的结构参数
(2)第二光学工作面12为自由曲面(扩展多项式面型)，其面型方程如下：
其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数，ρ2＝x2+y2，N为级数中多项式系数的总数，Ai为第i项扩展多项式的系数，该多项式只是在x,y方向的幂级数，第一项是x，然后是y，接着是x*x，x*y，y*y等等，1次项有2项，2次项有三项，3次项有4项等等，x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量钢的多项式系数，
第一光学工作面11既是透射面又是反射面，光线第一次经过第一光学工作面11时反射，第二次经过第一光学工作面11时透射。
本实施例中，第一自由曲面透镜光学工作面11镀角度选择膜层，当入射角在7°-38°之间发生透射，当入射角在41°-45°之间发生反射。减少了光能损失，使其具有高光能利用率，使其显示的图像亮度高。
本实施例的光学***通过两个自由曲面透镜，一个偶次非球面平凸透镜的光路结构设计，增加了出瞳距，使人眼与第一自由曲面透镜光学工作面11的直线距离可以达到18mm以上，便于使用者佩戴其他眼镜，增强了光学***的应用扩展性。
现有的自有曲面棱镜***，结构类似楔形且自身具有一定的光焦度，产生屈光效应，使真实景物产品扭曲或偏转，同时产生巨大的像差，需要额外增加补偿自由曲面棱镜，对真实物理世界的光线进行补偿，图6所示。而本发明使用两个自由曲面透镜，一个偶次非球面平凸透镜组合的光路结构设计，使现实世界中的景物经过两个等厚自由曲面透镜到达人眼，几乎不会引入像差，不需要额外增加补偿棱镜***。
利用本实施例的光学***，可以使得各视场(中心视场及边缘视场)的光学传递函数在45lp/mm处大于0.5，各视场光学传递函数值如图2所示，即可以使各视场均达到衍射极限，使光学***具有优秀的光学性能。
利用本实施例的光学***，可以将场曲控制在小于0.2mm的范围内，场曲图如图3所示，可以将畸变控制在小于0.6％的范围内，畸变图如图4所示，网格畸变图图图5所示，将场曲、畸变完美的限制在人眼的有效范围内，无需对图像源进行电子校正。
实施例中，第一自由曲面透镜光学工作面11、第23自由曲面透镜光学工作面12以及平凸偶次非球面透镜的面型可以互换，也可以采用其它面型，可以根据需要进行设置。
不同实施例中，第一自由曲面透镜光学工作面11、第23自由曲面透镜光学工作面12以及平凸偶次非球面透镜的面型的结构参数不一定为本实施例中所举出的，可以根据需要进行不同的设置。
较佳实施例中，两块自由曲面透镜为两面具有相同曲率半径的玻璃片，进一步增加了其焦距，厚度为2mm，两面具有相同曲率半径的玻璃片，焦距大于2000mm，现实世界中的景物经过如此大焦距的透镜到达人眼时，更不会引入像差。
较佳实施例中，控制各光学工作面的结构参数，包括：偏心、倾斜、曲面一阶以及曲面二阶，可以使单色像差得到很好的控制，进一步减小***的像差。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：包括第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜、平凸透镜以及图像显示器；
所述第一自由曲面透镜上设有第一光学工作面，所述所述第二自由曲面透镜上设有第二光学工作面；
所述图像显示器发出的光线经过平凸透镜透射，再经过第一自由曲面透镜上的第一光学工作面反射到第二自由曲面透镜上的第二光学工作面，然后经过第二自由曲面透镜上的第二光学工作面反射到第一自由曲面透镜上的第一光学工作面，再经过第一自由曲面透镜透射进入人眼。
2.根据权利要求1所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述第一自由曲面透镜上的第一光学工作面所镀膜层为角度选择膜层，当入射角在7°-38°之间发生透射，当入射角在41°-45°之间发生反射。
3.根据权利要求2所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述第一光学工作面既是透射面又是反射面，光线第一次经过第第一光学工作面时反射，第二次经过第一光学工作面时透射。
4.根据权利要求1所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述第一光学工作面和第二光学工作面均为为自由曲面。
5.根据权利要求1所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为两面具有相同光学结构参数的镜片。
6.根据权利要求4所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为两面具有相同光学结构参数的塑料或玻璃镜片。
7.根据权利要求1所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述第二光学工作面所镀膜层为半反半透膜。
8.根据权利要求1所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述平凸透镜的凸面为非球面、标准球面或自由曲面。
9.根据权利要求1所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述平凸透镜为偶次非球面平凸透镜或奇次非球面平凸透镜。
10.根据权利要求1所述的一种折反式自由曲面大视场增强现实光学***，其特征在于：所述平凸透镜上设有第三光学工作面。
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