具有视度调节功能的光学系统技术方案

一种具有视度调节功能的光学成像系统，包括生成影像光的图像源，第一透镜组，具有变焦功能的液体透镜以及第二透镜组，和自由曲面棱镜，影像光依次通过上述光学部件，到达出瞳平面进入人眼成像，实现视度调节功能，解决了佩戴者对视觉调节的要求，提升了佩戴的便利性与舒适性；利用诸如液体透镜这样实现视度调节，避免了复杂的轴向机械变焦结构设计与装调，结合自由曲面棱镜式的目视放大元件，在成像光学系统设计中，能够提供畸变小、像质高、结构紧凑的光学成像系统，减少光学系统的装配误差。

Optical system with visual adjustment function

【技术实现步骤摘要】
具有视度调节功能的光学系统
本专利技术涉及一种具有视度调节功能的光学系统，具体的，涉及一种离轴具有视度调节功能的目视光学系统。
技术介绍
头戴式显示设备通过目视光学系统将图像源的图像放大并呈现在用户眼前，根据不同的应用呈现不同的视觉效果，如3D显示、增强现实应用等，而且由于图像只进入用户一个人眼中，相对传统显示器有更好的私密性。随着虚拟现实和增强现实的快速发展，头戴式显示设备由于其巨大的市场价值和发展潜力受到越来越多的关注。透射式近眼显示(NearEyeDisplay,NED)系统是一种佩戴在用户眼前并为佩戴者提供可视虚拟图像同时不影响用户观察外界真实场景的小型光电显示装置。透射式NED通过微显示器产生计算机虚拟图像信号，然后经过投影技术等耦合进入人眼，同时外界真实场景图像通过光学透射式或视频透射式技术进入人眼，实现虚拟信号与真实场景的融合。光学透射式近眼显示系统因其不阻碍视线，使得用户在观察虚拟场景的同时不影响其对外界场景的观测，在军事、科学研究、增强现实、工业装配和维修、模拟训练、医疗、导航、3D显示及娱乐应用等很多领域和方面都有广阔的应用前景，具有极大的社会经济效益。由于头戴式显示器佩戴在观察者的头部，因此它必须结构紧凑、重量轻以降低使用者的佩戴负担。而对于某些特定的应用需要对虚像的距离进行调节，实现视度的调节，例如在视觉训练、视力矫正等需求中，需要配备虚像距离调节的装置。目前的双目3D显示系统普遍利用图像的偏移利用双眼视线的辐辏角度来进行虚像距离的调节，这种调节方法只适用于双目虚像距离的调节，是种假性的虚像距离调节方式，实际虚像面位置并没有发生变化，这种调节方式在一定视度范围是可行的，但视度调节量太大后不适宜长时间佩戴。另外一种实现虚像距离调节方案是采用改变显示器件与目视系统之间的距离来进行，如图1所示，微显示器发出的光线经目镜102后进入人眼，人眼逆着光线的方向反向看去光线汇聚的位置即为虚像距离107，通过调节显示器与目镜的相对位置变化(如图1中标记为103～106的各位置)使进入人眼的光线的角度发生变化，从而造成虚像距离的变化，实现视度的调节。这种调节方式需要设计像面调节的精确位移结构，并具有足够的调节空间，增加了位于眼前的光学系统的重量和复杂性。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种结构紧凑的具有视度调节功能的目视光学系统，以及使用其的近眼显示装置，利用液体透镜或类似电制、气制调焦元件实现不同虚像距离的调节，结合离轴和自由曲面等技术使系统整体结构更加紧凑，同时使系统的成像质量更高。本专利技术采用以下技术方案：一种可实现快速视度调节的光学系统，包括，中间像面形成装置和目视图像放大元件；其中，所述中间像面形成装置用以接收来自图像源的影像光以在所述目视图像放大元件的光入射面形成中间像面，所述目视图像放大元件用以将通过中间像面的影像光导入使用者眼睛以形成放大的虚像；所述中间像面形成装置包括至少一可调节元件，所述可调节元件通过电控或压力控调节方式以使通过其的波前发生预定规则的改变，从而使所述光学系统对使用者眼睛的视度实现快速调节。根据本专利技术的中间像面形成装置，具体的包括第一透镜组，液体透镜和第二透镜组，其中，第一透镜组用于直接接收来自图像源的影像光；所述的影像光依次经过第一透镜组、液体透镜和第二透镜组后形成中间像面。可选的，所述第一透镜组包括三个球面透镜，所述第二透镜组包括三个球面透镜，所述第一透镜组、液体透镜和第二透镜组共轴排布。或者，所述第一透镜组或第二透镜组任一至少包括一非球面或自由曲面，所述第一透镜组、液体透镜和第二透镜组采用折反形式放置。在一种方式中，所述目视图像放大元件包括至少一自由曲面棱镜，相对于所述中间像面设置，使得通过所述中间像面的影像光从所述自由曲面棱镜的上表面入射，依次经过所述自由曲面棱镜左侧表面全反射、右侧表面反射后经棱镜左侧表面出射进入使用者眼睛。自由曲面棱镜的右侧表面为自由曲面，所述左侧表面和上表面的面型选自球面、非球面或自由曲面之一。进一步的，所述目视图像放大元件还包括另一自由曲面棱镜，所述另一自由曲面棱镜位于所述自由曲面棱镜右侧，作为补偿棱镜以使得外界光线可以无像差地通过所述另一自由曲面棱镜与所述自由曲面棱镜，到达人眼，实现增强现实的应用。补偿用自由曲面补偿棱镜的外表面面型与所述自由曲面棱镜的左侧表面不同，用以配合实现将外界光线校正到使用者人眼所需要的视度。可替换的，目视图像放大元件包括由多个旋转对称球面或非球面构成的目镜。本专利技术使得影像光经过第一透镜组、液体透镜和第二透镜组，生成中间像平面，中间像面的位置可以调节以调整虚拟像面的显示距离。通过对液体透镜的调控实现中间像平面的位移，进而通过自由曲面棱镜，实现虚像位置的调节。这一视度调节方案完全由电压控制，避免了复杂的运动机械结构的设计与装调，具有简便快捷的优势。本专利技术采用离轴自由曲面棱镜的设计，在结构紧凑的同时具有很高的设计灵活度，可以提高系统的成像质量。本领域人员容易理解的，所述离轴自由曲面系统可以提高系统成像质量，减小系统的体积，传统球面、非球面目视系统可用于此类视度调节系统中；所述调焦的方式不限于液体透镜，其他电控、压力控等变焦的元件也适用于本专利技术。附图说明图1是目镜视度调节原理示意图图2是根据本专利技术实施例1的具有零视度的光学成像系统的光路图；图3是根据本专利技术实施例1的具有-8D视度的光学成像系统的光路图；图4是根据图2或图3所示的光学成像系统的第一透镜组示意图；图5是根据图2所示的光学成像系统的液体透镜结构示意图；图6是根据图3所示的光学成像系统的液体透镜结构示意图；图7是根据图2或图3所示的光学成像系统的第二透镜组示意图；图8是根据图2或图3所示的光学成像系统的自由曲面棱镜示意图；图9是根据图2或图3所示的光学成像系统的自由曲面补偿棱镜示意图；图10为根据本专利技术实施例2的具有+0D视度的光学成像系统的光路图；图11为根据本专利技术实施例2的具有-2D视度的光学成像系统的光路图；图12为根据本专利技术实施例2的具有-8D视度的光学成像系统的光路图。图13为根据本专利技术实施例3的具有+0D视度的光学成像系统的光路图图中的附图标记所分别指代的技术特征为：112、图像源；113、影像光；114、第一透镜组；14A、第一透镜组透镜一；14B、第一透镜组透镜二；14C、第一透镜组透镜三；115、液体透镜；15A、液体透镜液体一；15B、液体透镜液体二；15C、液体透镜上平板玻璃；15D、液体透镜下平板玻璃；15E、液体透镜侧面玻璃；15F、液体透镜电极一；15G、液体透镜电极二；15H、液体透镜两种液体分界面；116、第二透镜组；16A、第二透镜组透镜四；16B、第二透镜组透镜五；16C、第二透镜组透镜六；117、中间像平面；118、自由曲面棱镜；18A、自由曲面棱镜上表面；18B、自由曲面棱镜左侧表面；18C、自由曲面棱镜右侧表面；111、系统出瞳平面；119、自由曲面补偿棱镜。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。实施例1：如图2所示，示出了一种具有视本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可实现快速视度调节的光学系统，包括，中间像面形成装置和目视图像放大元件；其中，所述中间像面形成装置用以接收来自图像源的影像光以在所述目视图像放大元件的光入射面形成中间像面，所述目视图像放大元件用以将通过中间像面的影像光导入使用者眼睛以形成放大的虚像；所述中间像面形成装置包括至少一可调节元件，所述可调节元件通过电控或压力控调节方式以使通过其的波前发生预定规则的改变，从而使所述光学系统对使用者眼睛的视度实现快速调节。

【技术特征摘要】
1.一种可实现快速视度调节的光学系统，包括，中间像面形成装置和目视图像放大元件；其中，所述中间像面形成装置用以接收来自图像源的影像光以在所述目视图像放大元件的光入射面形成中间像面，所述目视图像放大元件用以将通过中间像面的影像光导入使用者眼睛以形成放大的虚像；所述中间像面形成装置包括至少一可调节元件，所述可调节元件通过电控或压力控调节方式以使通过其的波前发生预定规则的改变，从而使所述光学系统对使用者眼睛的视度实现快速调节。2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于所述中间像面形成装置包括第一透镜组，液体透镜和第二透镜组，其中，第一透镜组用于直接接收来自图像源的影像光；所述的影像光依次经过第一透镜组、液体透镜和第二透镜组后形成中间像面。3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括三个球面透镜；所述第二透镜组包括三个球面透镜；所述第一透镜组、液体透镜和第二透镜组共轴排布。4.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述第一透镜组或第二透镜组任一至少包括一非球面或自由曲面，所述第一透镜组、液体透镜和第二透镜组采用折反形式放置。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：程德文，王其为，
申请(专利权)人：苏州耐德佳天成光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32