一种近眼显示光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于计算机设备的光学显示设备，具体的说，涉及一种适用于增强现实及混合现实设备的成像系统，属于光学领域。近年来，头戴式计算机设备呈现出爆炸性的发展。VR（虚拟现实）、AR（增强现实）、MR（混合现实）设备层出不穷。然而在头戴式计算机设备当中，特别是头戴式增强现实计算机和混合现实计算机，采用的要么是厚重的、视场角狭小的偏振光学元件，要么是造价高昂的光栅、光波导元件。这种现状限制了增强现实设备和混合现实设备的发展和普及。本发明专利技术的技术方案要点在于设计了一种轻薄、廉价、制造工艺简单且具有大视场角的光学装置。

Near eye display optical device

The invention relates to an optical display device for a computer device, in particular to an imaging system suitable for augmented reality and hybrid reality devices, which belongs to the field of optics. In recent years, the head mounted computer equipment has shown explosive development. VR (virtual reality), AR (augmented reality), MR (hybrid reality) devices emerge in endlessly. However, in head mounted computer equipment, especially the head mounted computer augmented reality and mixed reality computer, using either a thick, narrow view angle polarizing optical element, or the high cost of the grating and optical waveguide element. This state of affairs limits the development and spread of augmented reality devices and hybrid reality devices. The key point of the technical proposal of the invention is to design an optical device with light weight, low cost and simple manufacturing process with large field of view angle.

【技术实现步骤摘要】
一种近眼显示光学装置
本专利技术涉及用于计算机设备的光学显示设备，具体的说，涉及一种适用于增强现实及混合现实设备的成像系统。
技术介绍
近年来，头戴式计算机设备呈现出爆炸性的发展。VR（虚拟现实）、AR（增强现实）、MR（混合现实）设备层出不穷。然而在头戴式计算机设备当中，特别是头戴式增强现实计算机和混合现实计算机，采用的要么是厚重的、视场角狭小的偏振光学元件，要么是造价高昂的光栅、光波导元件。这种现状限制了增强现实设备和混合现实设备的发展和普及。因此，需要一种轻薄的、廉价的、制造工艺简单且具有大视场角的光学装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够解决上述问题的光学装置。通过使用特定结构的准直透镜及光学基片构成的光学装置可以提供较大的视场角且造价低廉易于普及。根据本专利技术的一个方面，优选的提供一种实施方式。包括：显示像源，准直透镜，光学基片，用于过滤发散光的部分反射面，用于最终将图像光耦合出光学基片的反射平面以及用于遮挡不必要外部光线的遮光边条。优选的，所述显示像源是OLED显示器或QLED显示器或液晶显示器。优选的，当所述准直透镜是动态透镜或者通过电子方法控制焦距的微透镜阵列时可以更好的适应观察者眼球的屈光度。优选的，所述微透镜阵列是折射微透镜阵列或者衍射微透镜阵列。优选的，所述微透镜阵列的像素单元与显示像源的像素单元一一对应。优选的，所述准直透镜还可以是菲涅尔透镜。优选的，所述光学基片的两平行面之间的距离为2mm~6mm。优选的，所述光学基片为塑料材质或玻璃材质。优选的，所述光学基片的输入面004a和004b与所述光学基片平行面的夹角大于30°小于75°。优选的，所述反射平面与所述光学基片的平行面的夹角大于25°小于40°。优选的，所述输入面与所述光学基片平行面的夹角是所述反射平面与所述光学基片平行面的夹角的2倍。优选的，所述反射平面的透光率是可变的。优选的，所述用于过滤发散光的部分反射面折射率约等于1（比如空气间隙），且其上任意一点的切平面与所述光学基片的两平行面的夹角由上述实施例的条件决定。即由所述输入面与所述光学基片平行面的夹角、所述反射平面与所述光学基片平行面的夹角、光学基片的折射率共同决定。所述显示像源001a和001b提供的图像光分别经由准直透镜002a和002b准直后在光学基片003a和003b的输入面004a和004b陷入光学基片。在光学基片的两个平行面003a(1)、003a(2)、003b(1)、003b(2)和反射平面006a和006b分别各反射一次后从光学基片的平行面003a（2）和003b（2）射出并最投射到观察者的视网膜上。然而，对于通过拼接而成的图像而言，其接缝位置若没有冗余设计，观察者在眼球转动时必然会看到撕裂的图像，同时显示像源的发散光亦会导致观察者看到不必要的边缘重复影像。实际上，所述用于过滤发散光的部分反射面的作用即在于此。该部分反射面的存在能够同时保证观察者在合理的观察范围内既不会看到由显示像源发散光导致的边缘重复影像，又能利用显示像源的发散光保证观察者在合理的观察范围内不会看到撕裂的图像。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并非对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明本申请中的附图与上文给出的实施例及下文给出的详细描述一起，用于解释本专利技术的功能和优点。图1是本专利技术的实施例的立体图。图2是本专利技术的实施例采用折射型微透镜阵列的剖面图。图3是本专利技术的实施例采用衍射型微透镜阵列的剖面图。图4是本专利技术的实施例采用菲涅尔透镜的剖面图。图5是本专利技术的实施例中采用折射型微透镜阵列时，为了说明各部分结构应用原理而设置了必要的平面直角坐标系的剖面图。图6是本专利技术的实施例中采用折射型微透镜阵列时，在如该图所示的观察角度时光学基片003a中各部分的应用原理图。图7是本专利技术的实施例中采用折射型微透镜阵列时，在如该图所示的观察角度时光学基片003a中各部分的应用原理图。图8是本专利技术的实施例中采用折射型微透镜阵列时，在如该图所示的观察角度时光学基片003a中各部分的应用原理图。图9是本专利技术的实施例所述显示像源复用图像数据的原理图。图10是本专利技术权利要求2中所述显示像源的原理图。图11是本专利技术所述光学装置嵌入平光镜中的效果图。图12是如权利要求10所述单组应用本专利技术所述光学装置嵌入平光镜中的效果图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。图1示出了实施例的一种安置方式，即显示像源的图像光分别从镜片的上下两侧入射到光学基片003a和003b中。此时的纵向FOV取决于光学基片的两个平行面之间的距离，即光学基片的主体厚度。而横向的FOV则由显示像源的尺寸决定。并且，在该光学装置内嵌于平光镜中时，除该光学装置以外的镜片部分形状不受限制。而在外界环境光线较强时，部分透光的遮光元件007则能够保证图像的显示效果，当遮光元件007的透光率可变时，图像与外部环境的结合能够更为真实。图2、图3、图4三个剖面图示出了采用不同准直透镜的实施方式中各个部分的实际位置。由各剖面图中显而易见的轴对称结构可知，在下文讨论实施例的原理时仅需说明其中一侧的原理即可。结合上述
技术实现思路
，以采用折射型微透镜阵列的实施方式作为参考示范性实施例。为了讨论该实施例中各个部分的设计原理，在剖面图所属平面建立如图5所示的平面直角坐标系。平面直角坐标系的原点O位于所述反射平面006a靠近所述光学基片平行面003a(1)一侧的边缘。通过讨论各个部分与所述剖面图所属平面的交线即可理解本专利技术的要点。如图5所示，部分反射面005a与所述剖面图所属平面的交线所构成的曲线段005af上任意一点A的切线与它的径向夹角α满足常微分方程。其中α由所采用的光学基片的折射率决定（比如采用折射率为1.49的PMMA材料，则）。此时，如图6所示，从像源001a发射出的大部分图像光在经由光学基片平行面003a（1）、003a（2）和反射平面006a反射后射出光学基片平行面003a（2）。当OA与所述光学基片平行面的夹角小于或等于线段OM与所示光学基片平行面的夹角时，即以该图所示的观察角度观察时，由于部分反射面的存在，像源001a远离所述光学基片平行面003a(1)一侧的部分图像光被反射。并且由于光学基片边缘遮光边条008a的存在，在合理的观察范围内观察者不会在反射平面006a靠近所述光学基片平行面003a(1)的一侧看到不必要的外部光线。在曲线005af满足上述条件的情况下，部分反射面005a上任意一点的切平面与所述光学基片的平行面的夹角即可满足因内反射过滤所述图像光的部分散射光的要求。在对于图7所示的观察角度，由于此时像源的一部分图像光在部分反射面005a的入射角远小于全内反射的临界角，因此其大部分能量能够透过部分反射面005a传播。而当观察者垂直于平行面003a（2）观察时，如图8所示，所观察到的由像源发出的图像光离像源001a远离所述光学基片平行面003a(1)的一侧的边缘存在一定的距离，并且由于此时这部分图像光在部分反射面0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学装置，包括：由电子显示器构成的显示像源001a和001b，用于产生图像光；准直透镜002a和002b，与所述显示像源001a和001b大约的距离大约是所述准直透镜002a和002b的焦距，用于将所述显示像源的图像光准直并耦合进光学基片003A和003B；光学基片003a和003b，包括两组平行面003a(1)、003a(2)和003b(1)、003b(2)；对于所述光学基片003a和003b，其中包括输入面004a和004b，输入面与所述平行面的夹角大于30°小于75°；对于所述光学基片003a和003b，其中还包括：部分透明的反射面005a和005b，其上任意一点的切平面与所述光学基片的平行面的夹角满足因内反射过滤所述图像光的部分散射光的要求；对于所述光学基片003a和003b，其中还包括：部分透明的与所述光学基片的平行面夹角大于25°小于40°的反射平面006a和006b，用于将经由所述准直透镜002a和002b耦合进光学基片内的图像光因内反射传导反射平面006a和006b并最终耦合出光学基片同时使光学基片外部的环境光透过；对于所述光学基片003a和003b，其边缘位置还需设置用于遮挡不必要外部光线的遮光边条008a和008b。...

【技术特征摘要】
2017.02.24 CN 20171010188961.一种光学装置，包括：由电子显示器构成的显示像源001a和001b，用于产生图像光；准直透镜002a和002b，与所述显示像源001a和001b大约的距离大约是所述准直透镜002a和002b的焦距，用于将所述显示像源的图像光准直并耦合进光学基片003A和003B；光学基片003a和003b，包括两组平行面003a(1)、003a(2)和003b(1)、003b(2)；对于所述光学基片003a和003b，其中包括输入面004a和004b，输入面与所述平行面的夹角大于30°小于75°；对于所述光学基片003a和003b，其中还包括：部分透明的反射面005a和005b，其上任意一点的切平面与所述光学基片的平行面的夹角满足因内反射过滤所述图像光的部分散射光的要求；对于所述光学基片003a和003b，其中还包括：部分透明的与所述光学基片的平行面夹角大于25°小于40°的反射平面006a和006b，用于将经由所述准直透镜002a和002b耦合进光学基片内的图像光因内反射传导反射平面006a和006b并最终耦合出光学基片同时使光学基片外部的...

【专利技术属性】
技术研发人员：关春东，
申请(专利权)人：关春东，
类型：发明
国别省市：吉林,22