一种可穿戴式光学系统和装置制造方法及图纸

本申请涉及一种可穿戴式光学系统和装置。该可穿戴式光学系统包括：显示部，所述显示部被配置成生成图像信息；以及图像合成部，所述图像合成部被配置成接收来自所述显示部的表示所述图像信息的光，所述光经由所述图像合成部与外界景象合成供观测者观看。所述图像信息的光经由透镜组件引导，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面棱镜的反射进入所述观测者的眼睛，所述外界景象经第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的合成面透射进入所述观测者的眼睛。本申请的可穿戴式光学系统棱镜厚度小，重量轻，结构紧凑，成像质量高。

A wearable optical system and device

The application relates to a wearable optical system and device. The wearable optical system includes the display section, which is configured to generate image information; and an image synthesis unit configured to receive light from the display section representing the image information, which is synthesized by the image synthesis section for the observer to be viewed by the observer. The light of the image information is guided by the lens component, and then through the amplification of the first free-form prism and the reflection of the second free surface prism into the eye of the observer, the outside scene transmises into the observer's eye through the synthetic surface of the first free-form prism and the second free-form prism. The wearable optical system prism has small thickness, light weight, compact structure and high imaging quality.

【技术实现步骤摘要】
一种可穿戴式光学系统和装置
本申请涉及光学投影显示技术，更具体地涉及可穿戴式光学投影系统和装置。
技术介绍
可穿戴式设备重量轻、携带舒适度和成像质量高的光学系统是当前光学设计追求的目标。可穿戴式投影设备最早出现在军事领域，可以实时显示战术信息，辅助目标瞄准识别，还可用于夜视系统。随着设计理念、制造水平和微显示技术的不断进步，可穿戴式投影设备越来越小型化，并逐渐进入人们的日常生活。然而，目前可穿戴式投影光学系统存在结构复杂、装调和加工要求精度高、体积重量大、长时间佩戴会引起颈部疲劳等问题。因此，本领域需要改进的可穿戴式投影光学系统。
技术实现思路
为了实现上述目的，本申请提供了可穿戴式光学投影系统和装置，以提高成像质量，并减小体积、减轻重量。根据本申请的一个实施例，提供了一种可穿戴式光学系统，包括：显示部，所述显示部被配置成生成图像信息；以及图像合成部，所述图像合成部被配置成接收来自所述显示部的表示所述图像信息的光，所述光经由所述图像合成部与外界景象合成供观测者观看。根据本申的一个方面，所述光学系统还包括透镜组件，所述图像合成部包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述图像信息的光经由所述透镜组件引导，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面棱镜的反射进入所述观测者的眼睛，所述外界景象经第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的合成面透射进入所述观测者的眼睛。根据本申的一个方面，所述透镜组件包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜被配置成矫正第一自由曲面棱镜放大图像产生的像差。根据本申的一个方面，第一非球面透镜为矩形正透镜，第一非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第二非球面透镜为矩形负透镜，第二非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第一自由曲面棱镜包括一个或多个自由曲面；第二自由曲面棱镜包括倾斜面，所述倾斜面为自由曲面，第二自由曲面棱镜的所述自由曲面镀有半反半透膜并且与第一自由曲面棱镜中其中一个自由曲面胶合形成所述合成面。根据本申的一个方面，所述显示部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°。根据本申的一个方面，第一自由曲面棱镜为主功能放大棱镜，第一自由曲面棱镜把所述显示部生成的图像信息放大调整为平行光进入所述观测者的眼睛。根据本申的一个方面，第一自由曲面棱镜包括三个自由曲面，第一自由曲面棱镜的所述三个自由曲面的面型为以下之一：变形非球面、多项式曲面、和双二次曲面。根据本申的一个方面，竖直方向最大视场上边缘光线与第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的表面两次相交时的入射角关系满足以下关系式：其中θ1为竖直方向最大视场上边缘光线从所述显示部发出第三次经过第一自由曲面棱镜边缘时的入射角，θ2为竖直方向最大视场上边缘光线最后一次经过第二自由曲面棱镜时的入射角，n’值为材料的折射率。根据本申的一个方面，所述观测者的水平视场角与垂直视场角的正切比为16:9。根据本申请的另一个实施例，提供了一种可穿戴式装置，包括：处理器，所述处理器被配置成与显示部通信以将图像信息提供给显示部；所述显示部，所述显示部被配置成显示来自所述处理器的图像信息；以及图像合成部，所述图像合成部被配置成接收来自所述显示部的表示所述图像信息的光，所述光经由所述图像合成部与外界景象合成供观测者观看。根据本申请的一个方面，所述可穿戴式装置还包括透镜组件，所述图像合成部包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，来自所述显示部的表示所述图像信息的光经由所述透镜组件引导，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面棱镜的反射进入所述观测者的眼睛，所述外界景象经第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的合成面透射进入所述观测者的眼睛。根据本申的一个方面，所述透镜组件包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜被配置成矫正第一自由曲面棱镜放大图像产生的像差。根据本申的一个方面，第一非球面透镜为矩形正透镜，第一非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第二非球面透镜为矩形负透镜，第二非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第一自由曲面棱镜包括一个或多个自由曲面自由曲面；第二自由曲面棱镜包括倾斜面，所述倾斜面为自由曲面，第二自由曲面棱镜的所述自由曲面镀有半反半透膜并且与第一自由曲面棱镜中其中一个自由曲面胶合形成所述合成面。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。相比于传统透镜式或自由曲面/折衍混合结构，本申请提供的可穿戴式光学投影系统成像质量高，并且结构简单，体积小、重量轻，佩戴舒适。本申请的可穿戴式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。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的结构示意图；图2为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的部分光路示意图；图3为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的垂轴像差特性曲线；图4为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的场曲和畸变特性曲线；图5为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的调制传递函数特性曲线MTF；以及图6是根据本申请的一个实施例的示例性计算机系统框图。具体实施方式将参照附图详细描述各种实施例。在可能之处，相同附图标记将贯穿附图用于指代相同或类似部分。对特定示例和实现所作的引用是用于说明性目的，而无意限定本申请或权利要求的范围。措辞“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或示出”。本文中描述为“示例性”的任何实现不必然被解释为优于或胜过其他实现。可穿戴式投影显示设备的光学系统是一个图像放大系统，微显示器所产生的影像藉由光学系统放大，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。本申请提供了一种轻便型可穿戴式投影光学系统。如图1所示，可穿戴式光学系统100可以包括显示部5，透镜组件110，图像合成部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)。图像合成部120被配置成接收来自显示部5的表示该图像信息的光，光经由图像合成部120与外界景象130合成以供观测者140观看。透镜组件110可以包括第一非球面透镜4和第二非球面透镜3。图像合成部120可以包括第一自由曲面棱镜2和第二自由曲面棱镜1。其中第二自由曲面棱镜1的第一表面1a为自由曲面，为第二自由曲面棱镜1的其余表面11、12、13为平面；第一自由曲面棱镜2的三个表面2a、2b、2c都为自由曲面，第一自由曲面棱镜2的其余表面21、22、23、24、25、26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，然后经过第一自由曲面棱镜2的放大和第二自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可穿戴式光学系统，包括：显示部，所述显示部被配置成生成图像信息；以及图像合成部，所述图像合成部被配置成接收来自所述显示部的表示所述图像信息的光，所述光经由所述图像合成部与外界景象合成供观测者观看；所述光学系统还包括透镜组件，所述图像合成部包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述图像信息的光经由所述透镜组件引导，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面棱镜的反射进入所述观测者的眼睛，所述外界景象经第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的合成面透射进入所述观测者的眼睛；所述透镜组件包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜被配置成矫正第一自由曲面棱镜放大图像产生的像差。

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴式光学系统，包括：显示部，所述显示部被配置成生成图像信息；以及图像合成部，所述图像合成部被配置成接收来自所述显示部的表示所述图像信息的光，所述光经由所述图像合成部与外界景象合成供观测者观看；所述光学系统还包括透镜组件，所述图像合成部包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述图像信息的光经由所述透镜组件引导，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面棱镜的反射进入所述观测者的眼睛，所述外界景象经第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的合成面透射进入所述观测者的眼睛；所述透镜组件包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜被配置成矫正第一自由曲面棱镜放大图像产生的像差。2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：第一非球面透镜为矩形正透镜，第一非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第二非球面透镜为矩形负透镜，第二非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第一自由曲面棱镜包括一个或多个自由曲面；第二自由曲面棱镜包括倾斜面，所述倾斜面为自由曲面，第二自由曲面棱镜的所述自由曲面镀有半反半透膜并且与第一自由曲面棱镜中其中一个自由曲面胶合形成所述合成面。3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述显示部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°。4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：第一自由曲面棱镜为主功能放大棱镜，第一自由曲面棱镜把所述显示部...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵铭，胡伟，
申请(专利权)人：上海真曦通信技术有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11