一种大出瞳大视场增强现实光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种大出瞳大视场增强现实系统，包括：具有三个光学工作面的棱镜、半反半透镜以及图像显示器，棱镜的三个光学工作面分别为第一光学工作面、第二光学工作面以及第三光学工作面；图像显示器发出的光线经过第一光学工作面透射进入棱镜，然后经过第三光学工作面反射，再经过第二光学工作面反射，再经过第三光学工作面透射，最后经过半反半透镜反射进入人眼；位于半反半透镜的远离人眼一侧的光线经过半反半透镜透射进入人眼。本发明专利技术的大出瞳大视场增强现实光学系统，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光能利用率等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及增强现实领域，特别涉及一种大出瞳大视场增强现实光学系统。
技术介绍
近年来，增强现实(Augmented Reality，简称AR)显示装置快速发展，由于该系统属于头戴系统，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。而大的出瞳距可以使观察者佩戴其他目视系统(如近视镜)进行使用，增加了系统对佩戴者的适用范围。但是，光学系统的视场、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大出瞳大视场的增强现实光学系统。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中存在的问题，提出一种大出瞳大视场增强现实光学系统，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光能利用率等优点。为解决上述技术问题，本专利技术是通过如下技术方案实现的：本专利技术提供一种大出瞳大视场增强现实光学系统，其包括：具有三个光学工作面的棱镜、半反半透镜以及图像显示器，其中，所述棱镜的三个光学工作面分别为第一光学工作面、第二光学工作面以及第三光学工作面；所述图像显示器发出的光线经过所述第一光学工作面透射进入所述棱镜，经过所述第一光学工作面透射的光线经过所述第三光学工作面反射，经过所述第三光学工作面反射的光线经过所述第二光学工作面反射，经过所述第二光学工作面反射的光线经过所述第三光学工作面透射，经过所述第三光学工作面透射的光线经过所述半反半透镜反射进入人眼；位于所述半反半透镜的远离所述人眼一侧的光线经过所述半反半透镜透射进入人眼。较佳地，所述半反半透镜为球面半反半透镜。较佳地，所述半反半透镜为两面具有相同曲率半径的玻璃片。较佳地，三个所述光学工作面中至少一个为自由曲面。较佳地，三个所述光学工作面为：一自由曲面、一偶次非球面、一标准球面。较佳地，所述第一光学工作面为标准球面、所述第二光学工作面为自由曲面，所述第三光学工作面为偶次非球面。较佳地，所述图像显示器发出的光线经过所述第三光学工作面反射时的入射角满足： θ m i 1 > a r c s i n ( 1 n ′ ) ; ]]>其中，n′为第三光学工作面的光学材料的折射率。较佳地，所述图像显示器发出的光线经过所述第三光学工作面透射时的入射角满足： θ m i 2 < a r c s i n ( 1 n ′ ) ; ]]>其中，n′为第三光学工作面的光学材料的折射率。相较于现有技术，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术提供的大出瞳大视场增强现实光学系统，具有出瞳距大的优点，能够保证使用者在大视场范围内看到清晰、畸变小的图像；本专利技术通过半反半透镜将光线反射进入人眼，采用半反半透镜对光路进行折转，延长了出射光路的距离，即增加了出瞳距，可以达到30mm以上，大出瞳距可以保证用户可以在佩戴其他目视系统(如近视镜)的情况下使用该系统；(2)本专利技术的增强现实光学系统，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；本专利技术通过三工作面棱镜与半反半透镜的配合，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)本专利技术使用半反半透镜进行光路折转与像差校正，现实世界中的景物经过半反半透镜到达人眼，几乎不会引入像差，不需要额外增加补偿棱镜系统；(4)本专利技术结构精巧、简洁、紧凑，便于增加调节瞳距的机械机构；(5)本专利技术对光线在第三光学工作面上的第一次入射角及第二次入射角进行设置，使全视场光线都能经过第三光学工作面反射和透射，提高了光能利用率，显示的图像亮度高。当然，实施本专利技术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专利技术的实施方式作进一步说明：图1为本专利技术的实施例的增强现实光学系统的示意图；图2为本专利技术的实施例的各视场的光学传递函数值的示意图；图3为本专利技术的实施例的场曲图；图4为本专利技术的实施例的畸变图；图5为本专利技术的实施例的网格畸变图；图6为现有的增强现实光学系统的示意图。标号说明：1-棱镜，2-半反半透镜，3-图像显示器，4-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专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术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，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。结合图1，对本专利技术的增强现实光学系统进行详细描述，其包括：棱镜1、半反半透镜2以及图像显示器3，棱镜1包括：第一光学工作面11、第二光学工作面12以及第三光学工作面13。其中，图像显示器3发出的光线，先经过棱镜1的第一光学工作面11透射进入棱镜1，然后在第三光学工作面13内侧反射，经过第二光学工作面12反射，再经过第一光学工作面11透射，再经过半反半透镜2反射后，到达人眼4。本实施例中，棱镜1的三个光学工作面的曲面方程如下：(1)第一光学工作面11为标准球面，其面型方程如下： z = cx 2 1 + [ 1 - ( 1 + k ) c 2 x 2 ] 1 / 2 + Ax 4 + Bx 6 + Cx 8 + Dx 10 - - - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，包括：具有三个光学工作面的棱镜、半反半透镜以及图像显示器，其中，所述棱镜的三个光学工作面分别为第一光学工作面、第二光学工作面以及第三光学工作面；所述图像显示器发出的光线经过所述第一光学工作面透射进入所述棱镜，经过所述第一光学工作面透射的光线经过所述第三光学工作面反射，经过所述第三光学工作面反射的光线经过所述第二光学工作面反射，经过所述第二光学工作面反射的光线经过所述第三光学工作面透射，经过所述第三光学工作面透射的光线经过所述半反半透镜反射进入人眼；位于所述半反半透镜的远离所述人眼一侧的光线经过所述半反半透镜透射进入人眼。

【技术特征摘要】
1.一种大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，包括：具有三个光学工作面的棱镜、半反半透镜以及图像显示器，其中，所述棱镜的三个光学工作面分别为第一光学工作面、第二光学工作面以及第三光学工作面；所述图像显示器发出的光线经过所述第一光学工作面透射进入所述棱镜，经过所述第一光学工作面透射的光线经过所述第三光学工作面反射，经过所述第三光学工作面反射的光线经过所述第二光学工作面反射，经过所述第二光学工作面反射的光线经过所述第三光学工作面透射，经过所述第三光学工作面透射的光线经过所述半反半透镜反射进入人眼；位于所述半反半透镜的远离所述人眼一侧的光线经过所述半反半透镜透射进入人眼。2.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述半反半透镜为球面半反半透镜。3.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述半反半透镜为两面具有相同曲率半径的玻璃片。4.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，三个所述光学工作面中至少一个为自由曲面。5.根据权利要求1所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，三个所述光学工作面为：一自由曲面、一偶次非球面、一标准球面。6.根据权利要求5所述的大出瞳大视场增强现实光学系统，其特征在于，所述第一光学工作面为标准球面、所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁海亮，董若，李长隆，
申请(专利权)人：上海渺视光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31