一种近眼显示光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术为一种近眼显示光学装置，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 a near eye display optical device, optical device for computer display device, specifically relates to an imaging system for augmented reality and mixed reality equipment, belonging to the field of optics. In recent years, head mounted computer equipment has shown explosive development. VR (virtual reality), AR (augmented reality), MR (mixed reality) devices emerge in an endless stream. 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 situation limits the development and popularization of augmented reality devices and hybrid devices. The technical proposal of the invention is to design an optical device which has the advantages of light weight, low cost, simple manufacturing process and large field of view angle.

【技术实现步骤摘要】

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例。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。优选的，所述显示像源是OLED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(a)、003a(2)和003b(1)、003b(2)分别经内反射传递至反射平面006a和006b最终入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侧视图。图3是本专利技术的实施例采用衍射型微透镜阵列的侧视图。图4是本专利技术的实施例采用菲涅尔透镜的侧视图。图5、图6、图7和图8是本专利技术的实施例中采用折射型微透镜阵列时，所述用于过滤发散光的部分反射面的原理图。图9是本专利技术的实施例所述显示像源的原理图。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和图12是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4三个侧视图示出了实施例中各个部分的实际位置。由侧视图中着显而易见的轴对称结构可知，在讨论所述实施例的原理时仅需说明其中一侧的原理即可。为了讨论所述用于过滤发散光的部分反射面的面型，以图2采用折射型微透镜阵列的实施例作说明。建立如图5所示的直角坐标系来研究该反射面与该直角坐标系所在平面的交线，即直角坐标系中曲线005af的方程。如图6所示，若005f不存在，则观察者在合理的观察角度内难免的会在图像边缘看到一个由像源发散光产生的重复影像。为了避免这个情况，应根据全内反射的原理设计005af。即曲线段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）。另外，曲面005a的存在会导致不必要的外部光线被观察到，为了解决这种情况，在光学基片的边缘位置设置用于遮光的边条即可解决问题。在曲面005a满足上述条件的情况下，对于图7所示的观察角度，由于此时像源的一部分发散光在曲面005a的入射角远小于全内反射的临界角，发散光的大部分能量能够透过曲面005a传播。而在垂直于平行面003a（2）观察时，如图8所示，所观察到的像源发出的图像光离像源001a的边缘存在一定的距离。如图9所示，由于在该实施例中存在两个显示像源，为了满足观察者正常观察时图像不会撕裂的要求，应当在上述条件下使显示像源对部分图像数据进行复用。对于所述的实施例，在显示分辨率要求不高的情况下，采用光纤传像束和单一的微型显示器，并最终在光纤传像束的输出端构成显示像源同样是可行的，此时两组光纤传像束的输入端需要整合在一起。若采用单一的微型OLED显示器，可直接将输入端面紧贴OLED显示器表面以缩小光学系统的体积。在这种应用方式下，采用长宽比较小的显示器并通过软件方式实现对部分图像数据进行复用即可使最终的显示像源获得较大的长宽比。而在输出端，为了获得较大尺寸的显示像源，则需要对光纤传像束的每根光纤的输出端面分别进行胶接或者焊接处理，如图10所示。如权利要求10所述，本专利技术在实际应用中可以有多种灵活的组合。不仅能够适用于大视野的应用要求，如图11所示；还可以根据应用环境简化设计，如仅在观察者的视野两侧显示图像，如图12所示。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扩束并耦合进光学基片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。

【技术特征摘要】
1.一种光学装置，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扩束并耦合进光学基片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...

【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