CN213276127U - 增强现实与眼镜结合的投影光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置，包括视度眼镜片部分和增强现实光学***部分。视度眼镜片包括两个表面，其中一个表面固定弯度与增强现实光学***共用，另外一个表面的曲率可调节，通过调节曲率，可以得到不同度数的近视和远视镜片。增强现实光学***部分包括六个球面、两个非球面和三个自由曲面组成，其中的第一个球面与眼镜片第一个固定弯度面共用。通过眼镜片与增强现实光学***的叠加，可以同时实现眼镜的功能和增强现实显示的功能。

Description

增强现实与眼镜结合的投影光学装置

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，具体地，涉及一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置，尤其涉及一种能够同时让戴眼镜与不戴眼镜人群都看清现实场景和虚拟显示场景的、增强现实与眼镜结合的光学***。

背景技术

近几年，消费电子得到了蓬勃的发展，在智能手机之后，虚拟现实(virtualreality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)得到快速发展，并且很多消费者追逐相关的各种概念产品作为体验新技术的尝试，头戴式显示器(HMD)之类的显示设备可实现通过简单的穿戴获得增强现实(AR)体验或虚拟现实(VR)体验，在航空、工程、科学、医疗、游戏、视频、体育、训练和仿真等领域有着广泛的应用。

在通过HMD来实现AR体验的方式中，眼镜类的模式因为类似近视眼镜或者远视眼镜，既时尚又轻便，从而受到了广泛的追捧。例如，谷歌公司推出的Google Glass，微软公司推出的Hololens概念型产品，爱普生公司推出的BT-300；又如专利文献CN109116558A公开的一种增强现实眼镜。但是近视眼和远视眼人群必须要佩戴相应的近视眼镜片或远视镜片才可以看清楚外界现实场景，因而，对于眼镜类的AR显示体验来说，减掉眼镜片实现轻量化、方便舒适化是普及应用之必须。

为了实现超薄光学透射式的AR显示方案，引入了自由曲面棱镜元件的设计，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透射式的AR，但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学***的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类AR显示的进一步轻薄化；而另外一些设计则使用平面光波导方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射有效降低了光学元件的厚度，但平面波导元件并不能提供光焦度，需要配合投影***使用才能获得合理的目视显示尺寸，如果匹配程度不佳，则佩戴者出瞳位置的光线分布容易出现明显的不均匀甚至不连续，影响用户视觉体验。

因此，提供一种新型的、增强现实与眼镜结合的投影光学装置具有较高的实用价值和意义。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置。

根据本实用新型提供的一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置，包括显示部、增强现实部以及视度眼镜部；

所述增强现实部设置在显示部输出的光线的传播路径上；

所述显示部输出的光线经增强现实部传输到达观测者；

外界景象的光线经视度眼镜部传输到达观测者；

所述增强现实部包括第二光学元件，所述第二光学元件包括光波导和/或自由曲面光学元件；

所述视度眼镜部包括第一光学元件，所述第一光学元件包括光波导和/或自由曲面光学元件；

第一光路与第二光路部分或者全部重叠，其中，所述第一光路为显示部发出的光线经第二光学元件到达观测者的光路，所述第二光路为外界景象的光线依次经过第一光学元件和第二光学元件到达观测者的光路。

优选地，所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置还包括透镜组件；

所述透镜组件包括第二透镜和第一透镜；

所述第二透镜和第一透镜均设置在显示部至观测者间的光路上。

优选地，所述第一透镜包括矩形正透镜；所述第二透镜包括矩形负透镜；

所述第一透镜包括一个球面和一个非球面；所述第二透镜包括一个球面和一个非球面；

所述第二光学元件包括一个或多个自由曲面；所述第一光学元件包括倾斜的自由曲面；第二光学元件的一个自由曲面和第一光学元件的倾斜自由曲面相连，且相连处设置有半反半透膜。

优选地，所述第二光学元件包括带有曲率的圆弧面；所述第一光学元件包括焦距矫正面；所述焦距矫正面能够以设定的折射率折射外界景象的光线，并将折射后的外界景象的光线输出至观测者。

优选地，所述第二光学元件能够以设定的角度折射显示部输出的光线，并将折射后的显示部输出的光线平行输出至观测者。

优选地，所述第二光学元件包括三个自由曲面，所述自由曲面包括变形非球面、多项式曲面、双二次曲面以及泽尼克多项式曲面中的任一种或任多种组合。

优选地，所述第一光学元件和第二光学元件均为自由曲面棱镜；所述第二透镜和第一透镜均为非球面透镜。

优选地，所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置的输出光线的水平视场角与垂直视场角的正切比为16：9或者4：3。

优选地，所述外界景象经过焦距矫正面折射后，能够以设定的焦距和/或强度传输至观测者。

根据本实用新型提供的一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置，包括显示部、增强现实部以及视度眼镜部；

所述增强现实部设置在显示部输出的光线的传播路径上；

所述显示部输出的光线经增强现实部传输到达观测者；

外界景象的光线经视度眼镜部传输到达观测者；

所述增强现实部包括第二光学元件，所述第二光学元件包括光波导和/或自由曲面光学元件；

所述视度眼镜部包括第一光学元件，所述第一光学元件包括光波导和/或自由曲面光学元件；

第一光路与第二光路部分或者全部重叠，其中，所述第一光路为显示部发出的光线经第二光学元件到达观测者的光路，所述第二光路为外界景象的光线依次经过第一光学元件和第二光学元件到达观测者的光路；

所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置还包括透镜组件；

所述透镜组件包括第二透镜和第一透镜；

所述第二透镜和第一透镜均设置在显示部至观测者间的光路上；

所述第一透镜包括矩形正透镜；所述第二透镜包括矩形负透镜；

所述第一透镜包括一个球面和一个非球面；所述第二透镜包括一个球面和一个非球面；

所述第二光学元件包括一个或多个自由曲面；所述第一光学元件包括倾斜的自由曲面；第二光学元件的一个自由曲面和第一光学元件的倾斜自由曲面相连，且相连处设置有半反半透膜；

所述第二光学元件包括带有曲率的圆弧面；所述第一光学元件包括焦距矫正面；所述焦距矫正面能够以设定的折射率折射外界景象的光线，并将折射后的外界景象的光线输出至观测者；

所述第二光学元件能够以设定的角度折射显示部输出的光线，并将折射后的显示部输出的光线平行输出至观测者；

所述第二光学元件包括三个自由曲面，所述自由曲面包括变形非球面、多项式曲面、双二次曲面以及泽尼克多项式曲面中的任一种或任多种组合；

所述第一光学元件和第二光学元件均为自由曲面棱镜；所述第二透镜和第一透镜均为非球面透镜；

所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置的输出光线的水平视场角与垂直视场角的正切比为16：9或者4：3；

所述外界景象经过焦距矫正面折射后，能够以设定的焦距和/或强度传输至观测者。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型提供的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，结构简单紧凑，具有体积小、重量轻以及光学成像质量高的优点；

2、本实用新型提供的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，由于透镜组透镜少、棱镜厚度小，相比于传统的透镜式结构具有加工要求较低、佩戴舒适的优点，尤其是对于近视、远视的使用者，免去了额外佩戴眼镜的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型提供的增强现实与眼镜结合的投影光学装置优选例的结构示意图；

图2为本实用新型提供的增强现实与眼镜结合的投影光学装置优选例的部分光路示意图；

图3为本实用新型提供的增强现实与眼镜结合的投影光学装置优选例的场曲特性曲线示意图；

图4为本实用新型提供的增强现实与眼镜结合的投影光学装置优选例的畸变特性曲线示意图；

图5为为本实用新型提供的增强现实与眼镜结合的投影光学装置优选例的调制传递函数特性曲线MTF。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

根据本实用新型提供的一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置，包括显示部5、增强现实部以及视度眼镜部120；所述显示部5能够输出设定的图像信息；所述增强现实部能够将显示部5输出的图像信息经过光波导和/或自由曲面光学元件传输至观测者140；所述视度眼镜部120能够将外界景象130传输至观测者140，并且视度眼镜部120的光路与增强现实部的光路全部或者部分重合。

优选地，所述增强现实部包括第二光学元件2；所述视度眼镜部120包括第一光学元件1；所述第二光学元件2设置在显示部5到观测者140的光路上，即设置在显示部5输出的图像信息的传输路径上；所述外界景象130依次经过第一光学元件1和第二光学元件2传输至观测者140。所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置还包括透镜组件110；所述透镜组件110包括第二透镜3和第一透镜4；所述第二透镜3和第一透镜4均设置在显示部5至观测者140间的光路上，即第二透镜3和第一透镜4均设置在图像信息的传输路径上；所述图像信息能够通过第二透镜3和第一透镜4修正像差；所述相差包括第二光学元件2和/或第一光学元件1产生的像差。

具体地，所述第一透镜4包括矩形正透镜，其中矩形正透镜即由传统圆形正透镜切割去四条边形成；所述第二透镜3包括矩形负透镜，其中矩形负透镜即由传统圆形负透镜切割去四条边形成；所述第一透镜4包括一个球面和一个非球面；所述第二透镜3包括一个球面和一个非球面；所述第二光学元件2包括一个或多个自由曲面；所述第一光学元件1包括倾斜的自由曲面；第二光学元件2的一个自由曲面和第一光学元件1的倾斜自由曲面相连，且相连处设置有半反半透膜。优选地，所述第二光学元件2包括带有曲率的圆弧面；所述第一光学元件1包括焦距矫正面。所述第二光学元件2能够放大显示部5输出的图像信息，并将放大后的图像信息平行输出至观测者140。所述第二光学元件2包括三个自由曲面，所述自由曲面包括变形非球面、多项式曲面、双二次曲面以及泽尼克多项式曲面中的任一种或任多种组合。所述第一光学元件1和第二光学元件2均为自由曲面棱镜；所述第二透镜3和第一透镜4均为非球面透镜。所述观测者140的水平视场角与垂直视场角的正切比为16：9或者4：3。所述外界景象130经过焦距矫正面修正后，能够以设定的焦距和/或强度传输至观测者140。

进一步地，本实用新型的优选例涉及一种与眼镜片相结合的增强现实光学***，包括视度眼镜部120和增强现实光学***部分。视度眼镜部120包括两个表面，其中一个表面固定弯度与增强现实光学***共用，另外一个表面的曲率可调节，通过调节曲率，可以得到不同度数的近视和远视镜片。增强现实光学***部分包括六个球面、两个非球面和三个自由曲面组成，其中的第一个球面与眼镜片第一个固定弯度面共用。通过眼镜片与增强现实光学***的叠加，可以同时实现眼镜的功能和增强现实显示的功能。本实用新型的优选例在利用平面波导元件的基础上，加入了自由曲面，并且采用和近视镜片相结合的方案，使AR光学***做到了轻薄化和便利化，解决了目前AR眼镜需要使用者佩戴眼镜的问题。

本实用新型优选例提供的一种增强现实与眼镜结合的光学***，包括：

增强现实部，所述增强现实部用来把显示元件上的图像经过光波导和自由曲面配置传输到人眼视网膜上；

视度眼镜部120，所述视度眼镜部包括两个表面，其中一个表面与增强现实部重合，另外一个表面为焦距矫正表面，用来形成不同度数的眼镜。

本实用新型的优选例还包括透镜组件110，所述增强现实部包括第二光学元件2和第一光学元件1，所述图像信息的光经由所述透镜组件110引导，然后经过第二光学元件2的放大和第二光学元件2的光波导传输，然后经过反射进入所述观测者140的眼睛，所述外界景象130经第一光学元件1用于焦距矫正的第一光学元件第一表面11和第二光学元件2的第二光学元件第六表面26透射进入所述观测者的眼睛。所述透镜组件110包括第一透镜4和第二透镜3，第一透镜4和第二透镜3被配置成矫正第二光学元件2放大图像产生的像差。第一透镜4为矩形正透镜，第一透镜4的第一面为非球面、第二面为球面；第二透镜3为矩形负透镜，第二透镜3的第一面为非球面、第二面为球面；第二光学元件2包括一个或多个自由曲面；第一光学元件1包括倾斜面，所述倾斜面为自由曲面，第一光学元件1的所述自由曲面镀有半反半透膜并且与第二光学元件2中其中一个自由曲面胶合形成所述合成面。所述第二光学元件2的第二光学元件第六表面26为带有曲率的圆弧面；所述第一光学元件1的第一光学元件第一表面11为焦距矫正面，通过第一光学元件第一表面11的矫正，可以生成类似各种度数的眼镜片的棱镜。第二光学元件2为主功能放大棱镜，第二光学元件2把所述显示部5生成的图像信息放大调整为平行光进入所述观测者140的眼睛。第二光学元件2包括三个自由曲面，第二光学元件2的三个自由曲面的面型为以下之一：变形非球面、多项式曲面、双二次曲面或者泽尼克曲面等。所述第二光学元件第六表面26为一固定曲率的圆弧面、非球面或者自由曲面，第一光学元件第一表面11为焦距矫正曲面，和第二光学元件第六表面26配合形成各种度数的近视或者远视镜片。不管是近视眼还是远视眼还是正常眼，都可以通过本实用新型的优选例看清AR显示的虚拟图像和外界的现实景象。同时，本实用新型的优选例还能够减小体积、减轻重量，提高佩戴的舒适性和便利性。

所述图像产生元件为自发光式硅基液晶显示像元，像面边缘出射光线与像面法线的夹角θ的范围在±10°≤θ≤150°。所述第二光学元件2的第二光学元件第六表面26为圆弧曲率面；所述第二光学元件2的第二光学元件第六表面26的圆弧曲率为定值。所述第一光学元件1的第一光学元件第一表面11为圆弧曲率面；所述第一光学元件1的第一光学元件第一表面11的圆弧曲率面为变化的值，它的值由眼镜的度数和第二光学元件2的第二光学元件第六表面26的曲率决定的。

传统透镜式结构多为旋转对称的目镜结构，虽然光学性能可以接近衍射极限并能够在一定程度上校正畸变，但是多组透镜的结构复杂，装调和加工要求精度高，体积重量也很大，长时间佩戴会引起颈部疲劳，而且近视眼和远视眼人群还需要佩戴眼镜。相比于传统透镜式或自由曲面/折衍混合结构，本申请优选例提供的增强现实与眼镜片结合的光学投影***成像质量高，并且结构简单，体积小、重量轻，佩戴舒适。

本申请优选例的光学投影技术可广泛应用于娱乐、模拟仿真训练、外科手术等虚拟现实技术的各个领域。

更进一步地，如图1至图5所示，增强现实与眼镜结合光学***是一个图像放大***，图像产生元件所产生的影像藉由光学***放大，在人眼前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情境之中，也可以与现实相结合，形成一种拓展现实场景，近视眼和远视眼借由次光学***都能同时看清虚拟图像和外界景象。

请参见图1，本实用新型优选例的增强现实与眼镜结合光学***可以包括显示部5，透镜组件110，眼镜部120。显示部5被配置成生成图像信息，举例而言，显示部5可以是像元，例如硅基液晶显示元件(Lcos)。显示部5的图像信息的光，经由透镜组件110和第二光学元件2的放大和光波导传输以供观测者140观看。透镜组件110可以包括第一透镜4和第二透镜3。其中第一光学元件1的第一光学元件第四表面1a为自由曲面，第一光学元件1的第一光学元件第一表面11为眼镜度数矫正曲面，第一光学元件1的其余表面，即第一光学元件第二表面12和第一光学元件第三表面13为平面；第二光学元件2的三个表面，即第二光学元件第七表面2a、第二光学元件第八表面2b以及第二光学元件第九表面2c均为自由曲面，第二光学元件2的第二光学元件第六表面26为带有弧度的曲率面，用来和第一光学元件1的第一光学元件第一表面11配合形成各种度数的眼镜片，第二光学元件2的其余表面，即第二光学元件第一表面21、第二光学元件第二表面22、第二光学元件第三表面23、第二光学元件第四表面24以及第二光学元件第五表面25都为平面。

观测部140包括用户的眼睛，即人眼或入瞳。表示图像信息的光经由透镜组件110引导，然后经过第二光学元件2的放大和第一光学元件1的反射进入用户的眼睛，外界景象130经第二光学元件2的第二光学元件第六表面26和第一光学元件1的第一光学元件第一表面11矫正后透射进入用户的眼睛，形成清晰的图像。第一透镜4和第二透镜3被配置成矫正第二光学元件2放大图像产生的像差。第二光学元件2为主功能放大棱镜，第二光学元件2把图像生成元件生成的图像信息放大调整为平行光进入用户的眼睛。竖直方向最大视场上边缘光线与第二自由曲面的表面两次相交时的入射角关系应满足以下关系式：

其中，如图2所示，θ₁为竖直方向最大视场上边缘光线从所述图像生成元件发出第三、四、五次经过第二光学元件2边缘时的入射角，θ₂为竖直方向最大视场上边缘光线第一次和最后一次经过第二光学元件2时的入射角，n′值为材料的折射率。

由物侧至人眼侧，可增强现实与眼镜结合光学***包括：Lcos构成的显示部5、第一透镜4、第二透镜3、第二光学元件2、第一光学元件1。一面像元(见图1)产生图像，图像的光依次经过第一透镜和第二透镜的像差矫正，然后经过第二光学元件的放大和第二自由曲面的反射进入的入瞳即人眼，光学***光路图如图2所示。

与第二光学元件2相连的自由曲面，即第一光学元件第四表面1a为外界景象和虚拟图像合成面，此面镀有半反半透膜，外界景象130和虚拟图像合成后经过此面进入人眼。第一光学元件1和第二光学元件2的面型可以为以下三种面型中的一种：变形非球面、复曲面XY多项式曲面、以及双二次曲面。

a、变形非球面

所述变形非球面满足如下第一方程：

其中，C_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径；C_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4，6，8，10，…2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称；P_i是4，6，8，10，…2n阶非旋转对称系数。x、y分别代表X轴、Y轴方向上的坐标值；Y轴和Z轴的方向表示见图2所示，X轴、Y轴以及Z轴满足右手坐标系；参数均在实数范围。

B、复曲面XY多项式曲面

所述复曲面XY多项式曲面(AXYP)满足如下第二方程：

其中，c_x、c_y分别是曲面在子午方向、弧矢方向的顶点曲率半径，k_x，k_y分别是子午方向、弧矢方向的二次曲面系数，C_(m，n)是多项式x^myⁿ的系数，p为多项式的最高幂指数。x、y分别代表X轴、Y轴方向上的坐标值；Y轴和Z轴的方向表示见图2所示，X轴、Y轴以及Z轴满足右手坐标系；各参数均在实数范围。

并且，子午方向、弧矢方向的定义如下：

轴外物点的主光线与光学***主轴所构成的平面，称为光学***成像的子午面，沿子午面的方向为子午方向；与子午面垂直的面为弧矢面，沿弧矢面的方向为弧矢方向。

C、双二次曲面

在X和Y方向独立的二次非球面为双二次曲面。

所述双二次曲面满足如下第三方程：

其中，

其中，第一参数R_x为设定的曲面在X轴方向上的半径值，当R_x＝0时，曲面在X轴方向上的半径值无穷大；第二参数k_x为二次曲面系数；第三参数R_y为设定的曲面在Y轴方向上的半径值，当R_y＝0时，曲面在Y轴方向上的半径值无穷大；第四参数k_y为二次曲面系数；

所述第二透镜3和第一透镜4均为非球面透镜，其非球面的面型方程为如下第三方程：

其中，c为曲率半径，r为透镜上不同位置处的孔径，k为二次曲面系数。其它参数：第一参数α₁、第二参数α₂、第三参数α₃、第四参数α₄、第五参数α₅、第六参数α₆、第七参数α₇、第八参数α₈。各参数为实数范围。

第二光学元件2与第一光学元件1胶合，胶合面为第二光学元件的第一自由曲面2c，在第一光学元件的自由曲面1a上镀有半反半透膜。显示部可以是自发光式硅基液晶显示元件。如图1所示，像面出射角θ为像面边缘出射光线与像面法线的夹角，θ的范围在±10°≤θ≤150°。举例而言，像面出射角θ可以是±5°、或±10°。θ取±5°时视场小，获得的光照度高；θ取±10°时视场大，获得的光照度稍低。用户的眼睛的水平视场角为ω的范围在±10°≤ω≤±60°，举例而言，ω(见图1)可以取±7.5°。用户的眼睛的垂直视场角h的范围在±6°≤ω≤±40°，举例而言，h(ω的垂直方向)可以取±6°。水平视场角与垂直视场角的正切比值为16：9。用户的眼睛的入瞳η(见图1)的范围可以在3mm≤η≤8mm，举例而言，入瞳η可以为5mm。人眼入瞳到第一光学元件1的第一光学元件第三表面13的距离即入瞳距l范围在15mm≤l≤20mm，举例而言，入瞳距l为20mm。第二光学元件2的厚度，即第二光学元件第五表面25到第二光学元件第六表面26的水平距离为5mm。Lcos的像素可以为1280×720，有效尺寸可以为0.294英寸。第二光学元件2的第二光学元件第六表面26的曲率半径R_c为一定值，范围在10mm≤R_c≤100mm，举例来说，曲率半径R_c为20mm。第一光学元件1的第一光学元件第一表面11的曲率半径R_d是根据眼镜片的度数和第二光学元件2的第二光学元件第六表面26的曲率半径值R_c计算出来的，计算方式如下：根据眼镜片的度数φ，计算出眼镜片的焦距f，f的单位为m(米)，计算公式如下：

然后根据透镜焦距计算公式：

计算出R_d的值，即为第一光学元件1的第一光学元件第一表面11的曲率半径R_d的值。其中n′为第二光学元件的折射率，d为第一光学元件第一表面11到第二光学元件第六表面26的距离，单位为mm。第一光学元件1两个非直角的角度为30°和150°(即，第一光学元件第四表面1a与第一光学元件第一表面11的夹角为30°，第一光学元件第四表面1a与第一光学元件第三表面13的夹角为150°)。第二光学元件2的第二光学元件第四表面24和第二光学元件第五表面25的夹角为120°。胶合棱镜(即，第二光学元件2和第一光学元件1的胶合)的第一平行差为3′，第二平行差为5′。

透镜组件110可作为像差矫正透镜。像差矫正透镜包括两片非球面透镜：第一透镜4和第二透镜3，其中第一透镜4为正透镜，第二透镜3为负透镜。

面光源产生的平行光经PBS棱镜(polarization beam splitter，偏振分光棱镜)后反射s偏振光进入Lcos，经过Lcos调制之后出射p偏振光的图像，再次进入PBS棱镜后进入第一透镜4后进入光学***。人眼到Lcos的像面的光路总长度小于50mm。非球面透镜和棱镜的面型公差PV值小于等于1um，厚度公差为±0.03mm，偏心为±0.03mm，倾斜为±1′。

第一透镜4、第二透镜3、第二光学元件2、第一光学元件1的厚度公差小于等于±0.02mm，倾斜、偏心公差小于等于±0.02mm，面型公差PV小于等于1微米，第一平行差小于等于3′，第二平行差小于等于5′，所述第二光学元件2的厚度小于等于5mm。

本申请的轻便型增强现实与眼镜结合光学***结构简单紧凑，透镜组透镜少、棱镜厚度小而且体积小、重量轻、光学成像质量高。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，包括显示部(5)、增强现实部以及视度眼镜部(120)；

所述增强现实部设置在显示部(5)输出的光线的传播路径上；

所述显示部(5)输出的光线经增强现实部传输到达观测者(140)；

外界景象(130)的光线经视度眼镜部(120)传输到达观测者(140)；

所述增强现实部包括第二光学元件(2)，所述第二光学元件(2)包括光波导和/或自由曲面光学元件；

所述视度眼镜部(120)包括第一光学元件(1)，所述第一光学元件(1)包括光波导和/或自由曲面光学元件；

第一光路与第二光路部分或者全部重叠，其中，所述第一光路为显示部(5)发出的光线经第二光学元件(2)到达观测者(140)的光路，所述第二光路为外界景象(130)的光线依次经过第一光学元件(1)和第二光学元件(2)到达观测者(140)的光路；

第一光学元件(1)的第一光学元件第四表面为自由曲面，第一光学元件(1)的第一光学元件第一表面(11)为眼镜度数矫正曲面，第一光学元件(1)的其余表面为平面；

第二光学元件(2)的第二光学元件第七表面、第二光学元件第八表面以及第二光学元件第九表面均为自由曲面，第二光学元件(2)的第二光学元件第六表面为带有弧度的曲率面，用来和第一光学元件(1)的第一光学元件第一表面(11)配合形成各种度数的眼镜片，第二光学元件(2)的其余表面都为平面；

第一光学元件(1)的第一光学元件第一表面(11)的曲率半径R_d是根据眼镜片的度数和第二光学元件(2)的第二光学元件第六表面(26)的曲率半径值R_c计算出来的，计算方式如下：根据眼镜片的度数φ，计算出眼镜片的焦距f，f的单位为m(米)，计算公式如下：

然后根据透镜焦距计算公式：

计算出R_d的值，即为第一光学元件(1)的第一光学元件第一表面(11)的曲率半径R_d的值；其中n′为第二光学元件的折射率，d为第一光学元件第一表面(11)到第二光学元件第六表面(26)的距离，单位为mm。

2.根据权利要求1所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置还包括透镜组件(110)；

所述透镜组件(110)包括第二透镜(3)和第一透镜(4)；

所述第二透镜(3)和第一透镜(4)均设置在显示部(5)至观测者(140)间的光路上。

3.根据权利要求2所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述第一透镜(4)包括矩形正透镜；所述第二透镜(3)包括矩形负透镜；

所述第一透镜(4)包括一个球面和一个非球面；所述第二透镜(3)包括一个球面和一个非球面；

所述第二光学元件(2)包括一个或多个自由曲面；所述第一光学元件(1)包括倾斜的自由曲面；第二光学元件(2)的一个自由曲面和第一光学元件(1)的倾斜自由曲面相连，且相连处设置有半反半透膜。

4.根据权利要求1所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述第二光学元件(2)包括带有曲率的圆弧面；所述第一光学元件(1)包括焦距矫正面；所述焦距矫正面能够以设定的折射率折射外界景象(130)的光线，并将折射后的外界景象(130)的光线输出至观测者(140)。

5.根据权利要求1所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述第二光学元件(2)能够以设定的角度折射显示部(5)输出的光线，并将折射后的显示部(5)输出的光线平行输出至观测者(140)。

6.根据权利要求1所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述第二光学元件(2)包括三个自由曲面，所述自由曲面包括变形非球面、多项式曲面、双二次曲面以及泽尼克多项式曲面中的任一种或任多种组合。

7.根据权利要求2所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述第一光学元件(1)和第二光学元件(2)均为自由曲面棱镜；所述第二透镜(3)和第一透镜(4)均为非球面透镜。

8.根据权利要求1所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置的输出光线的水平视场角与垂直视场角的正切比为16：9或者4：3。

9.根据权利要求4所述的增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，所述外界景象(130)经过焦距矫正面折射后，能够以设定的焦距和/或强度传输至观测者(140)。

10.一种增强现实与眼镜结合的投影光学装置，其特征在于，包括显示部(5)、增强现实部以及视度眼镜部(120)；

所述增强现实部设置在显示部(5)输出的光线的传播路径上；

所述显示部(5)输出的光线经增强现实部传输到达观测者(140)；

外界景象(130)的光线经视度眼镜部(120)传输到达观测者(140)；

所述增强现实部包括第二光学元件(2)，所述第二光学元件(2)包括光波导和/或自由曲面光学元件；

所述视度眼镜部(120)包括第一光学元件(1)，所述第一光学元件(1)包括光波导和/或自由曲面光学元件；

第一光路与第二光路部分或者全部重叠，其中，所述第一光路为显示部(5)发出的光线经第二光学元件(2)到达观测者(140)的光路，所述第二光路为外界景象(130)的光线依次经过第一光学元件(1)和第二光学元件(2)到达观测者(140)的光路；

所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置还包括透镜组件(110)；

所述透镜组件(110)包括第二透镜(3)和第一透镜(4)；

所述第二透镜(3)和第一透镜(4)均设置在显示部(5)至观测者(140)间的光路上；

所述第一透镜(4)包括矩形正透镜；所述第二透镜(3)包括矩形负透镜；

所述第一透镜(4)包括一个球面和一个非球面；所述第二透镜(3)包括一个球面和一个非球面；

所述第二光学元件(2)包括一个或多个自由曲面；所述第一光学元件(1)包括倾斜的自由曲面；第二光学元件(2)的一个自由曲面和第一光学元件(1)的倾斜自由曲面相连，且相连处设置有半反半透膜；

所述第二光学元件(2)包括带有曲率的圆弧面；所述第一光学元件(1)包括焦距矫正面；所述焦距矫正面能够以设定的折射率折射外界景象(130)的光线，并将折射后的外界景象(130)的光线输出至观测者(140)；

所述第二光学元件(2)能够以设定的角度折射显示部(5)输出的光线，并将折射后的显示部(5)输出的光线平行输出至观测者(140)；

所述第二光学元件(2)包括三个自由曲面，所述自由曲面包括变形非球面、多项式曲面、双二次曲面以及泽尼克多项式曲面中的任一种或任多种组合；

所述第一光学元件(1)和第二光学元件(2)均为自由曲面棱镜；所述第二透镜(3)和第一透镜(4)均为非球面透镜；

所述增强现实与眼镜结合的投影光学装置的输出光线的水平视场角与垂直视场角的正切比为16：9或者4：3；

所述外界景象(130)经过焦距矫正面折射后，能够以设定的焦距和/或强度传输至观测者(140)；

第一光学元件(1)的第一光学元件第四表面为自由曲面，第一光学元件(1)的第一光学元件第一表面(11)为眼镜度数矫正曲面，第一光学元件(1)的其余表面为平面；

第二光学元件(2)的第二光学元件第七表面、第二光学元件第八表面以及第二光学元件第九表面均为自由曲面，第二光学元件(2)的第二光学元件第六表面为带有弧度的曲率面，用来和第一光学元件(1)的第一光学元件第一表面(11)配合形成各种度数的眼镜片，第二光学元件(2)的其余表面都为平面。

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