基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜技术方案

本发明专利技术提出了一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜，包括折叠式折反光学系统、实像投影系统以及透明显示屏幕；所述实像投影系统发出的光线在所述透明显示屏幕表面形成实像，并经过所述透明显示屏幕反射和散射后形成左旋偏振光，进入折叠式折反光学系统，并在折叠式折反光学系统中的光学折反腔内实现光路折叠及偏振态的转化，从而透过折叠式折反光学系统，进入人眼；环境光经过所述透明显示屏幕和所述折叠式折反光学系统，进入人眼。上述近眼显示设备，在不增加屏幕大小的前提下，通过加入共轴的短焦折反投影系统，结合实像投影系统和透明显示屏幕，实现了更大的放大率和视场角，提高了成像的清晰度和沉浸感。感。感。

【技术实现步骤摘要】
基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜


[0001]本专利技术涉及增强现实
，具体涉及一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜。

技术介绍

[0002]传统的离轴一次反射光学近眼显示方案结构非常简单，但是由于仅有一个曲面来同时实现图像放大和矫正系统像差，因此成像质量较差，显示效果不佳，且视场角的增大非常依赖于屏幕大小。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提出了一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备及其角膜接触镜，能够实现更大的放大率和视场角，提高成像的清晰度和沉浸感。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0005]一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的折叠式折反光学系统、实像投影系统以及透明显示屏幕；
[0006]其中，折叠式折反光学系统包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，所述半透半反膜贴或镀在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面，所述偏振反射元件和所述半透半反膜之间形成光学折反腔；
[0007]所述实像投影系统发出的光线在所述透明显示屏幕表面形成实像，并经过所述透明显示屏幕反射和散射后形成左旋偏振光，进入折叠式折反光学系统，并在折叠式折反光学系统中的光学折反腔内实现光路折叠及偏振态的转化，从而透过折叠式折反光学系统，进入人眼；
[0008]环境光经过所述透明显示屏幕和所述折叠式折反光学系统，进入人眼。<br/>[0009]优选地，所述主透镜为薄透镜或透镜组。
[0010]优选地，所述折叠式折反光学系统还包括辅透镜，所述辅透镜设置在所述主透镜单侧或双侧，以实现无光焦度的增强现实显示，或在光学系统中引入额外的光焦度，实现视度调节和视力矫正；所述主透镜及所述辅透镜胶合。
[0011]优选地，所述实像投影系统包括微型显示器件、超短焦投影系统或MEMS反射型扫描器件以及圆偏振元件。
[0012]优选地，所述折叠式折反光学系统中存在至少一个非球面面型。
[0013]优选地，所述近眼显示设备还包括眼镜架，所述折叠式折反光学系统为角膜接触镜，所述实像投影系统安装在所述眼镜架的镜腿上，所述透明显示屏幕作为镜片安装在所述眼镜架上。
[0014]优选地，所述半透半反膜全部覆盖或者环形覆盖角膜及黑色瞳孔部分；所述偏振反射元件和所述相位延迟元件全部覆盖角膜及黑色瞳孔部分。
[0015]优选地，透明显示屏幕为使用全息光致聚合物材料和双相干光曝光方法加工的透明显示屏幕，所述透明显示屏幕实现对来自外界环境的光的无光焦度透射，以及对来自实像投影系统的光产生反射和散射作用。
[0016]一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的角膜接触镜，以角膜接触镜作为折叠式折反光学系统，所述角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，所述半透半反膜镀在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面，角膜接触镜将角膜和中间黑色瞳孔部分全部覆盖住。
[0017]一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的角膜接触镜，以角膜接触镜作为折叠式折反光学系统，所述角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面镀有半透半反膜，透镜中间部分具有圆形孔洞，覆盖人眼瞳孔的部分区域。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019]1、本专利技术在不增加屏幕大小的前提下，通过加入共轴的短焦折反投影系统，结合实像投影系统和透明显示屏幕，与传统的近眼显示方案相比，实现了更大的放大率和视场角，提高了成像的清晰度和沉浸感，同时增大了系统的出瞳直径和出瞳距离，覆盖了不同瞳距的观看人群，满足了观察者的舒适性要求。
[0020]2、本专利技术的近眼显示设备可以提供视度匹配的光学效果，为观察者定制近视，远视或散光的视力矫正功能，使观察者可以无需佩戴其他视力矫正眼镜即可同时看到清晰的虚拟画面和外界真实世界的图像。
[0021]3、本专利技术近眼显示设备的短焦折反投影系统，通过增加透镜的数量，采用非球面面型，增加了光学设计的自由度，可以有效矫正系统像差，提高虚拟图像的显示清晰度。各个透镜之间不含有空气层，进一步缩小了系统的长度，并且消除了镜组内部在透镜表面上产生的反射杂光，提升了系统的光能利用率，进一步消除了鬼像。
[0022]4、本专利技术的角膜接触镜为软性或硬性可贴敷于人眼角膜上的隐形眼镜。观察者在佩戴使用之前可先经过验光确定近视，远视以及散光度数。在设计该隐形眼镜时，即可将视力矫正考虑其中，通过为观察者提供适合的透射视度，使得观察者在只佩戴该隐形眼镜时，能观察到清晰的真实世界。当观察者进一步佩戴实像投影系统和透明显示屏幕组成的眼镜时，可以实现在外界真实场景上叠加由图像源产生的虚拟场景，形成增强现实显示的功能。角膜接触镜将角膜和中间黑色瞳孔全部覆盖住。观察者通过任何一个区域都可以看到虚拟场景和真实场景的叠加效果，实现了大视场角和极致轻薄化的增强现实显示系统。
[0023]5、相对于角膜接触镜将角膜和中间黑色瞳孔全部覆盖住，本专利技术基于角膜接触镜的近眼显示设备中，角膜接触镜还可以覆盖住人眼瞳孔的部分区域和角膜，其中，透镜中间部分具有2～3mm的圆形孔洞，仅覆盖人眼瞳孔二分之一的区域，使透镜的有效通光区域为一个环形。在透镜远离人眼一侧表面设置有半透半反膜，所述半透半反膜仅环形覆盖黑色瞳孔的部分区域；所述偏振反射元件和所述相位延迟元件设置在透镜的另一侧表面，全部覆盖角膜及黑色瞳孔部分。来自真实世界的光线为自然光，进入透明显示屏幕，其中一部分图像信号经透明显示屏幕反射损失掉，另一部分图像信号透射进入相位延迟元件，由于进
入的光为自然光，经过相位延迟元件透射后仍然为自然光，并进入偏振反射元件，其中一部分图像信号被偏振反射元件反射损失掉，另一部分图像信号透射进入出瞳，形成外界真实世界的图像。由于外界光路中少了透镜和半透半反膜的反射损失，其光能利用率提高了一倍，大大增加了增强现实显示的透过率。而偏振反射元件和相位延迟元件依然可以提供视度匹配功能，使观察者可以清晰地观察到真实世界。
附图说明
[0024]图1是本专利技术基于短焦折反投影系统的近眼显示设备示意图。
[0025]图2是本专利技术基于角膜接触镜的近眼显示设备示意图，其中，角膜和中间黑色瞳孔部分被角膜接触镜全部覆盖住。
[0026]图3是本专利技术图2所示近眼显示设备的正视图。
[0027]图4是本专利技术基于角膜接触镜的近眼显示设备示意图，其中，人眼瞳孔的部分区域被角膜接触镜覆盖。
[0028]图5是本专利技术图4所示近眼显示设备的正视图。
[0029]图6是本专利技术基于短焦折反投影系统的近眼显示设备的实施例1示意图。
[0030本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于短焦折反投影系统的近眼显示设备，其特征在于，包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧排列的折叠式折反光学系统、实像投影系统以及透明显示屏幕；其中，折叠式折反光学系统包括从观察者一侧到透明显示屏幕一侧依次排列的偏振反射元件、相位延迟元件、主透镜和半透半反膜，其中，所述半透半反膜贴或镀在主透镜靠近透明显示屏幕一侧的表面，所述偏振反射元件和所述半透半反膜之间形成光学折反腔；所述实像投影系统发出的光线在所述透明显示屏幕表面形成实像，并经过所述透明显示屏幕反射和散射后形成左旋偏振光，进入折叠式折反光学系统，并在折叠式折反光学系统中的光学折反腔内实现光路折叠及偏振态的转化，从而透过折叠式折反光学系统，进入人眼；环境光经过所述透明显示屏幕和所述折叠式折反光学系统，进入人眼。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主透镜为薄透镜或透镜组。3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述折叠式折反光学系统还包括辅透镜，所述辅透镜设置在所述主透镜单侧或双侧，以实现无光焦度的增强现实显示，或在光学系统中引入额外的光焦度，实现视度调节和视力矫正；所述主透镜及所述辅透镜胶合。4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述实像投影系统包括微型显示器件、超短焦投影系统或MEMS反射型扫描器件以及圆偏振元件。5.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述折叠式折反光学系统中存在至少一个非球面面型。6.如权利要求1
‑
4任意一项所述的设备，其特征在于，还包括眼镜架，所述折叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：程德文，李阳，侯起超，黄逸伦，柯钧，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：