CN113448098B - 一种轻型全彩自由曲面-体全息型目视光学成像装置及其近眼显示*** - Google Patents

一种轻型全彩自由曲面-体全息型目视光学成像装置及其近眼显示*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轻型全彩自由曲面‑体全息型目视光学成像装置及其近眼显示***，本***由两个镜像对称的目视光学成像装置组合而成，每个目视光学成像装置包括3片光学透镜、1片玻璃平板、1个反射镜、2片体全息光学元件以及1个图像显示器，图像显示器发出的图像光信号经过光学***并最终由体全息光学元件反射进入人的眼睛。全息光学元件打破了传统的折反射定律，可以实现大角度非常规的折反射，从而大大减轻了整个***的体积和重量，而且两片体全息光学元件搭配可以矫正色差实现全彩显示。同时透射方向的光线还能正常透射进入人眼，从而实现超薄轻型双目近眼显示。

Description

一种轻型全彩自由曲面-体全息型目视光学成像装置及其近 眼显示***
技术领域
本发明涉及目视显示技术领域，尤其涉及一种轻型全彩自由曲面-体全息型目视光学成像装置及其近眼显示***。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，以下简称AR)，是一种将虚拟信息叠加到现实世界信息的技术，丰富了多种感知效果，包括视觉、听觉、触觉和嗅觉等，无论在多媒体娱乐还是在军事、工业、医疗等领域都有着巨大的市场应用价值。
全息光学元件(Holographic Optical elements，以下简称HOE)被运用于轻型AR设备中，其是根据全息术原理制成的光学元件。通常做在感光薄膜材料上。作用基于衍射原理，是一种衍射光学元件。
AR设备的关键在于用户的沉浸式体验。小型化、轻型化、大视场和高性能是当前AR设备的发展趋势。现有的近眼显示设备采用多种方案，如Epson的自由曲面波导方案、Lumus阵列波导方案、Google Glass的共轴侧视棱镜方案以及Hololens的全息光栅方案等。体全息光学元件作为一种全息光学元件打破了传统的反射定律，可以实现大角度非常规的反射，从而大大减轻了整个***的体积和重量，使小型化、轻型化成为可能，而自由曲面对像差的调控显得十分灵活，因此将自由曲面和体全息光学元件结合起来，设计一种轻型全彩自由曲面-体全息型目视光学成像装置及其近眼显示***十分有意义。
发明内容
本发明旨在提供一种轻型全彩自由曲面-体全息型目视光学成像装置及其近眼显示***，近眼显示***由两个镜像对称的目视光学***组合而成，通过两片体全息光学元件矫正色差实现轻薄光学透射式双目近眼显示，可适用于RGB彩色AR、VR的应用场景。
本发明的一种轻型RGB自由曲面-体全息型目视光学成像装置及其近眼显示***，其特征在于，包括3片光学透镜、1片玻璃平板、1个反射镜、2片体全息光学元件以及1个图像显示器；
所述的图像显示器发出的图像信号光依次经过第一光学透镜、第二光学透镜、玻璃平板和第一体全息光学元件，其中，光线经玻璃平板入射到所述第一体全息光学元件时，入射角不满足第一体全息光学元件的入射关系；光线再经过反射镜反射到第一体全息光学元件上，此时光线的入射角满足第一体全息光学元件所设计的入射关系，光线经第一体全息光学元件反射到第三光学透镜，再经过第三光学透镜透射到第二体全息光学元件上，光线入射到所述第二体全息光学元件时，满足第二体全息光学元件所设计的入射关系，光线最后由第二体全息光学元件反射进入人眼；
环境光经过眼镜镜片、第二体全息光学元件透射后进入人眼，环境光入射到所述第二体全息光学元件时，入射角不满足第二体全息光学元件的入射关系。
优选的，第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜均为自由曲面透镜。
优选的，第一体全息光学元件贴在玻璃平板的第二面上。
优选的，第二体全息光学元件贴在眼镜镜片上。
优选的，反射镜为自由曲面反射镜。
优选的，***中运用2片体全息光学元件来矫正色差并实现RGB显示。
优选的，所述目视光学成像装置的出瞳距离为30mm。
优选的，所述第一光学透镜材料为OKP4HT，第二光学透镜材料为PMMA_SPECIAL，第三光学透镜材料为OKP4HT，第一组件中玻璃平板的材料为BK9_OHARA。
优选的，光线经玻璃平板首次入射所述第一体全息光学元件时，入射角为0～10°，不满足其所设计的入射关系；
光线经反射镜反射到第一体全息光学元件上时，其入射角为30～60°，满足第一体全息光学元件所设计的入射关系；
光线经过第三光学透镜透射到第二体全息光学元件上时，入射角为30～60°，满足第二体全息光学元件所设计的入射关系；
环境光经过眼镜镜片入射到第二体全息光学元件上，入射角为0～10°，不满足第二体全息光学元件所设计的入射关系。
优选的，图像显示器为LCD、OLED、LCOS型微型显示元件中的任意一种，且为RGB彩色图像显示器。
本发明还公开了一种近眼显示***，包括两个左右镜像对称设置的所述目视光学成像装置。
本发明的有益效果：根据本发明的目视光学成像装置，使用体全息光学元件极大程度减小了***的体积，使***具有轻薄的结构，可以实现双目立体近眼显示；通过两片体全息光学元件矫正了***的色差，可以实现RGB三色显示；***出瞳位置在人眼附近；且出瞳较大，提升了用户的沉浸感。
附图说明
图1为根据本发明实施例的目视光学成像装置光路图；
图2A、图2B和图2C分别为根据本发明实施例的***R、G、B三色MTF曲线图；
图3A、图3B和图3C分别为根据本发明实施例的***R、G、B三色畸变曲线图；
图中，11图像显示器，12第一光学透镜，121第一光学透镜前表面，122第一光学透镜后表面，13第二光学透镜，131第二光学透镜前表面，132第二光学透镜后表面，14玻璃平板，141玻璃平板前表面，142玻璃平板后表面，15第一体全息光学元件，16反射镜，17第三光学透镜，171第三光学透镜前表面，172第三光学透镜后表面，18第二体全息光学元件，19眼镜镜片。
具体实施方式
下面将根据附图来具体描述本发明的具体实施方式，本发明可以以多种不同形式来实现且不应解释为限于下述的实施方式，而是，提供这个实施例使得本公开充分和完整，且向本领域技术人员全面的传达本发明的构思。
根据本发明的实施例的用于双目近眼显示***的目视光学成像装置包括相对人眼的左右两套目视光学成像装置，在下文中，将以相对人眼为左侧的目视光学成像装置为具体描述对象说明本发明的具体实施方案，本领域技术人员可以理解，右侧的目视光学成像装置具有与左侧同样的构造，只是左右镜像。
如图1所述，本发明的实施例的左侧目视光学***包括图像显示器11、第一光学透镜12、第二光学透镜13、玻璃平板14、第一体全息光学元件15、反射镜16、第三光学透镜17、第二体全息光学元件18和眼镜镜片19。由图像显示器11产生的RGB彩色图像信号光经过第一光学透镜12、第二光学透镜13和玻璃平板14后入射到第一体全息光学元件15，光线在第一体全息光学元件15的入射角为0～10°，由于不满足第一体全息光学元件15所设计的入射关系，光线透过第一体全息光学元件15，之后经过反射镜16再一次反射到第一体全息光学元件15上，光线的入射角为30～60°，由于满足第一体全息光学元件15所设计的入射关系，光线入射到第一体全息光学元件11上并不会发生透射，而是通过第一体全息光学元件11将图像反射到第三光学透镜17，再经过第三光学透镜透17射到第二体全息光学元件18上，由于光线的入射角为30～60°，依然满足第二体全息光学元件18所设计的入射关系，光线入射到第二体全息光学元件18上时并不会发生透射，而是由第二体全息光学元件18反射进入使用者的眼睛并成像。另一方面，环境光经过眼镜镜片19入射到第二体全息光学元件18上，由于入射角为0～10°，不满足第二体全息光学元件18所设计的入射关系，光线透过第二体全息光学元件18后进入人眼，实现光学透射式的近眼显示。
具体的，如图1所示，3片光学透镜的6个表面121、122、131、132、171和172，反射镜16的表面均是自由曲面，第一体全息光学元件15贴在玻璃平板的后表面142上，玻璃平板的前表面141和后表面142都是平面，第二体全息光学元件18贴在眼镜19上。
在本发明实施例中，在沿光行进的方向上依次经过三个光学透镜12、13和17，作为本实施例的优选方案，第一光学透镜12材料为OKP4HT，第二光学透镜13材料为PMMA_SPECIAL，第三光学透镜17材料为OKP4HT，且玻璃平板14的材料为BK9_OHARA。
根据本发明的目视光学成像装置，体全息光学元件打破了传统的反射定律，可以实现大角度非常规的反射，这极大程度缩减了***的体积，使***具有轻薄的结构；通过两片体全息光学元件矫正了***的色差，可以实现RGB彩色显示。在制作全息光学元件的时候，通常用点光源发出的物光和参考光对全息光学元件进行曝光。为了使***适用于RGB三色光，针对RGB三色光分别用不同的物光和参考光对体全息光学元件进行曝光，在设计时保持其他光学元件的参数不变。
根据本发明实施例的各光学表面参数可由下表1表示，这里使用逆向设计的方法，即从眼睛位置开始对实际光的传播进行逆向追踪。表2为第一光学透镜中前表面121，后表面122，第二光学透镜中前表面131，后表面132，反射镜16，第三光学透镜中前表面171，后表面172的XY多项式自由曲面系数。表3A为针对RGB三色光制作第一体全息光学元件15时物光、参考光的位置参数，表3B为针对RGB三色光制作第二体全息光学元件18时物光、参考光的位置参数：
表1
Figure BDA0003116229750000051
表2
参数 面172 面171 面16
R -60 198.3684303 -45.17085588
K -15 -100 -2.779370502
C<sub>10</sub> 0 0 0
C<sub>01</sub> 0 0 0
C<sub>20</sub> 0.023863317 0.007317562 -6.69E-07
C<sub>11</sub> 0 0 0
C<sub>02</sub> -0.00052276 -0.005405286 0.002507243
C<sub>30</sub> 0 0 0
C<sub>21</sub> -0.000764842 3.26E-05 0.000382718
C<sub>12</sub> 0 0 0
C<sub>03</sub> -0.000157626 0.000157281 -2.85E-05
C<sub>40</sub> -5.81E-05 -3.79E-05 4.22E-06
C<sub>31</sub> 0 0 0
C<sub>22</sub> 5.81E-05 9.54E-05 -1.25E-05
C<sub>13</sub> 0 0 0
C<sub>04</sub> -5.84E-06 -8.35E-08 9.58E-06
C<sub>50</sub> 0 0 0
C<sub>41</sub> 9.25E-06 1.23E-05 -4.15E-08
C<sub>32</sub> 0 0 0
C<sub>23</sub> 4.12E-07 -4.05E-07 4.05E-06
C<sub>14</sub> 0 0 0
C<sub>05</sub> 2.17E-07 4.15E-08 3.45E-07
C<sub>60</sub> 0 0 5.89E-11
C<sub>51</sub> 0 0 0
C<sub>42</sub> 0 0 4.25E-08
C<sub>33</sub> 0 0 0
C<sub>24</sub> 0 0 -5.88E-08
C<sub>15</sub> 0 0 0
C<sub>06</sub> 0 0 1.35E-08
Figure BDA0003116229750000061
Figure BDA0003116229750000071
描述自由曲面的XY多项式自由曲面方程为：
Figure BDA0003116229750000081
其中R为各个面的曲率半径，x、y、z为曲面上点的坐标，K为曲面的二次系数，C(m,n)为对应多项式项xmyn的系数。
表3A
Figure BDA0003116229750000082
表3B
Figure BDA0003116229750000083
第二体全息光学元件18正对人眼设置，其出瞳直径为10mm，出瞳较大，提升了用户的沉浸感；且本发明中的双目近眼显示***的有效出瞳距离可达到30mm。
本发明实施例的视场相当于2m处大小为347mm×611mm的物面所产生的视场；***的视场大小、出瞳直径和出瞳距离可以由表4表示，
表4
视场大小(2m处) 出瞳直径 出瞳距离
347mm×611mm 10mm 30mm
本发明成像***关于RGB三色的MTF曲线图见附图2A、图2B和图2C；***各个视场的MTF在像面均达到80线对20％以上，即图中每一条曲线在80lp/mm处的MTF值均大于0.2，而且图中所示子午(Y)分量与弧矢(X)分量所对应的曲线分离小，证明***满足设计要求且成像质量较好。
本发明的成像***关于RGB三色的畸变图见附图3A、图3B和图3C；直线构成的网格部分为像面上的理想位置，带星号交叉点的位置为模拟的实际***的畸变图形示意；由于视场较大，存在一定的桶形畸变，但基本成像质量要求。
本发明中的作为像源元件的图像显示器11可以适配LCD、OLED、LCOS等高PPI的微型显示元件。
并且进一步的，所述的三片透镜的前后两表面都为XY多项式自由曲面。但本发明的光学结构不限于此，本领域技术人员可以理解的，使用其他结构形式也可以满足本发明的需要，例如，使用其他面型，或者使用更多偏光学透镜以实现更高像质。
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是一句本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种轻型全彩自由曲面-体全息型目视光学成像装置，其特征在于，包括3片光学透镜、1片玻璃平板、1个反射镜、2片体全息光学元件以及1个图像显示器；
所述的图像显示器(11)发出的图像信号光依次经过第一光学透镜(12)、第二光学透镜(13)、玻璃平板(14)和第一体全息光学元件(15)，其中，光线经玻璃平板(14)入射到所述第一体全息光学元件时，入射角不满足第一体全息光学元件的入射关系；光线再经过反射镜(16)反射到第一体全息光学元件(15)上，此时光线的入射角满足第一体全息光学元件所设计的入射关系，光线经第一体全息光学元件(15)反射到第三光学透镜(17)，再经过第三光学透镜(17)透射到第二体全息光学元件(18)上，光线入射到所述第二体全息光学元件时，满足第二体全息光学元件所设计的入射关系，光线最后由第二体全息光学元件(18)反射进入人眼；
环境光经过眼镜镜片(19)、第二体全息光学元件(18)透射后进入人眼，环境光入射到所述第二体全息光学元件时，入射角不满足第二体全息光学元件的入射关系。
2.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，第一光学透镜、第二光学透镜和第三光学透镜均为自由曲面透镜。
3.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，玻璃平板的前表面(141)和后表面(142)都是平面，所述第一体全息光学元件贴在玻璃平板的后表面(142)上。
4.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，所述第二体全息光学元件贴在眼镜镜片(19)上；第二体全息光学元件正对人眼设置，其出瞳直径为10mm。
5.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，所述反射镜为自由曲面反射镜。
6.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，所述目视光学成像装置的出瞳距离为30mm。
7.如权利要求1或3所述的目视光学成像装置，其特征在于，所述第一光学透镜材料为OKP4HT，第二光学透镜材料为PMMA_SPECIAL，第三光学透镜材料为OKP4HT，第一组件中玻璃平板的材料为BK9_OHARA。
8.如权利要求1所述的一种目视光学成像装置，其特征在于，光线经玻璃平板(14)首次入射所述第一体全息光学元件时，入射角为0～10°，不满足其所设计的入射关系；
光线经反射镜(16)反射到第一体全息光学元件(15)上时，其入射角为30～60°，满足第一体全息光学元件所设计的入射关系；
光线经过第三光学透镜(17)透射到第二体全息光学元件(18)上时，入射角为30～60°，满足第二体全息光学元件所设计的入射关系；
环境光经过眼镜镜片入射到第二体全息光学元件上，入射角为0～10°，不满足第二体全息光学元件所设计的入射关系。
9.如权利要求1所述的目视光学成像装置，其特征在于，图像显示器为LCD、OLED、LCOS型微型显示元件中的任意一种，且为RGB彩色图像显示器。
10.一种近眼显示***，其特征在于，包括两个权利要求1-9任一项所述的目视光学成像装置，且所述的两个目视光学成像装置左右镜像对称。
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