目视光学成像装置以及使用其的双目近眼显示器

摘要

本发明涉及一种目视光学成像装置以及使用其的超薄光学透射式近眼显示器，近眼显示器由左右两个相同的目视光学成像装置左右对称放置组合而成，每个目视光学成像装置包括了一自由曲面波导元件和投影光学组件，投影光学组件用于将像源元件发出的图像光信号投射到自由曲面波导元件的光入射面，光线在自由曲面波导元件中借由全反射条件向出瞳方向传播，达到不满足全内反射条件后经由出射面出射后进入使用者的眼镜，同时透射方向的光线还能正常透射直接进入人眼，从而实现的超薄近眼显示。

说明书

技术领域

本发明涉及一种目视光学成像装置以及使用其的超薄光学透射式近眼显示 器，特别的，涉及一种将自由曲面与波导元件相结合的超薄目视显示技术。

背景技术

消费电子产品在近年来得到了蓬勃的发展，在智能手机之后，消费者已普遍 地知道虚拟现实(virtualreality)和增强现实(augmentedreality)的概念，并追 逐相关的各种概念产品作为体验新技术的尝试。在VR领域，诸如三星、Sony、 Oculus、HTC等公司均做出了产品，向消费者提供了借助智能手机或者独立使用 的VR显示装置；而在AR领域，Google、Microsoft等公司的产品均还停留在概 念性的产品开发展示阶段，市售数量有限。在上述这些产品中，除Microsoft的 Hololens外，大多采用非光学透射式的方案，即用户在使用时与现实世界割裂， 或者仅能单独针对用户的单只眼睛，导致可视角度小，影响了用户的视觉体验。 同时，为了追求沉浸感，大部分现有VR产品位于用户眼前的光学元件均有较大 的厚度且被封闭于眼周，佩戴时甚至需要配重系统来平衡重量，加重了用户头部 的负担，无法实现轻薄的光学透射式的双目近眼显示。

为了实现超薄光学透射式的近眼显示方案，一些设计引入了自由曲面棱镜元 件，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透射，但鉴于自由曲面棱镜达成 曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做 到非常轻薄，限制了双目近眼显示的进一步轻薄化；而另外一些设计则使用平面 光波导方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射有效降低了光学元件的厚度， 但平面波导元件并不能提供光焦度，需要配合复杂的投影系统使用。

发明内容

本发明旨在提供一种目视光学成像装置，并且，由两个相同的目视光学成像 装置左右对称放置，能够实现超薄的光学透射式双目近眼显示器，可适用于VR 和AR的各种应用场景。

根据本发明的一种目视光学成像装置，包括：自由曲面波导元件和投影光学 组件，其中，投影光学组件用于将像源元件发出的图像光信号投射到自由曲面波 导元件的光入射面，所述光入射面为平面；所述自由曲面波导元件由两部分胶合 形成，其中第一部分包括四个光学面，第一和第三光学面为自由曲面，第二和第 四光学面为相互平行的平面，且与光学成像装置的出瞳相平行。

具体的，所述自由曲面波导元件的第二部分包括三个光学面，其中第五、六 光学面为相互平行的平面且在所述两部分胶合后与上述第二、第四光学面构成一 体延伸的平面，第七光学为自由曲面，第七光学面与第五光学面的夹角大于22° 小于33°；第七光学面为胶合面，与第一部分的第三光学面胶合后使用。

为了提高光利用率，所述第一光学面镀有反射膜层，第三光学面镀有反射膜 层或半反半透光学膜层。

进一步的，所述第一和三光学面与第四光学面的夹角大于25°小于38°；

所述目视光学成像装置的出瞳距离达到15mm以上。

根据本发明的一种实施例，所述投影光学组件包括四片光学透镜，在沿光行 进的光轴方向上依次排列，其中第一、三片透镜为非球面透镜，材料为光学树脂； 第二、四片透镜为球面透镜，材料为光学玻璃。所述投影光学组件的光轴与所述 自由曲面波导元件的光入射面垂直；或者所述投影光学组件的光轴与所述自由曲 面波导元件的光入射面不垂直，且所述投影光学组件的光轴与所述光入射面的垂 直方向呈约20度以内的倾斜角。

本发明还包括一种具有左右一对如上目视光学成像装置的近眼显示装置，所 使用的像源元件可以为LCD、OLED或者LCOS型微型显示元件。优选的，微型显 示元件为可拆卸的。

根据本发明的目视光学成像装置和超薄光学透射式双目近眼显示器，具有轻 薄的光学结构，可视角度大，可以实现双目立体的近眼显示；自由曲面波导元件 及投影透镜可采用压铸成型的方式进行批量生产且加工成本较低；作为光学透射 式的显示装置，观察虚拟场景的同时不影响其对外界真实场景的观测；系统出瞳 距离大，可以在自由曲面波导元件与用户眼睛之间安置视力矫正镜片以满足需要 佩戴矫正镜片的用户的需求；投影光学组件及微型显示元件与系统出瞳位置之间 的距离适宜将投影光学组件和微型显示元件安置于眼镜的镜腿中，提高近眼显示 设备的佩戴舒适度。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成像装置 光路图

图2为根据本发明第一实施例的左侧目视光学成像装置光路图

图3为根据本发明第一实施例中的自由曲面波导元件结构图

图4为根据本发明第二实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成像装置 光路图

图5为根据本发明第三实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成像装置 光路图

图6为根据本发明的近眼显示器电连接外设装置后的系统框图

图7为根据本发明的超薄光学透射式近眼显示器示意图

具体实施方式

下面将根据附图来具体描述本发明的具体实现方式，本发明可以以多种不同 的形式来实现且不应解释为限于下述的各实施方式，而是，提供这些实施例使得 本公开充分和完整，且向本领域技术人员全面地传达本发明的构思。

第一实施例

如图1-3所示，根据本发明第一实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成 像装置包括左右两套目视光学成像装置，图1中示出了本发明第一实施例的双目 近眼显示器的光路图，以所述的近眼显示器的截面图体现，由于两套目视光学成 像装置关于中心轴1O呈对称分布，在下文中，将以左侧的目视光学成像装置为 具体描述对象说明本发明的具体实施方案，本领域技术人员可以理解，右侧的目 视光学成像装置具有与左侧同样的构造，只是左右反转。

如图2所述，本发明第一实施例的左侧目视光学成像装置包括自由曲面波导 元件11L和投影光学组件12L，微型显示元件13L置于投影光学组件12L的物侧， 由微型显示元件13L发出的图像光依次经过投影光学组件12L的各个透镜121L、 122L、123L、124L后经自由曲面波导元件11L的面1114L入射自由曲面波导元 件11L内部并在1111L上发生全反射，光线经过1111L反射后满足了光的全内反 射条件而在波导元件11L的面1114L与面1112L间全反射从而完成传输，直到光 线入射到面1113L上反生反射后不再满足光的全内反射条件，从面1114L出射进 入使用者的人眼成像。同时从透射方向进入的环境光经过自由曲面波导元件的面 1113L(或1121L)、1113L和1114L(或1122L)透射之后可以无像差的直接进 入人眼成像，实现光学透射式的近眼显示。

具体的，如图3所示，自由曲面波导元件11L由两部分111L和112L胶合在 一起使用。第一部分111L包括四个光学面1111L、1112L、1113L和1114L，其 中第一、三光学面1111L与1113L为自由曲面，第二、四光学面1112L与1114L 为平面。第一、三光学面1111L与1113L镀有光学膜层，其中面1111L镀有反射 膜层，面1113L镀有半反半透光学膜层，面1113L也可镀制反射膜层以实现VR 类应用。第二、四光学面1112L与1114L相互平行，且与光学成像装置的出瞳相 平行，第一、三光学面1111L、1113L与第四光学面1114L的夹角大于25°小于 38°。第三光学面1113L为胶合面，与第二部分112L的第七光学面1123L胶合 后使用。第二部分112L包括三个光学面1121L、1122L和1123L，其中第五、六 光学面1121L、1122L为平面，第七光学1123L为自由曲面。第五、六光学面1121L 与1122L相互平行，第七光学面1123L与第五光学面1121L的夹角大于22°小 于33°。第七光学面1123L为胶合面，与第一部分111L的第三光学面1113L胶 合后使用。

在第一实施例中，投影光学组件12L由四个光学镜片组成，其中第一、第三 透镜121L与123L前后表面1211L、1212L及1231L、1232L都为非球面；第二、 四透镜122L与124L前后表面1221L、1222L及1241L、1242L都为球面。含有非 球面的透镜和自由曲面波导元件11L两部分的材料都为光学树脂，且可以采用压 铸成型的方式进行批量生产。

本发明中的作为像源元件的微型显示元件13L可以适配LCD、OLED、LCOS 等高PPI微型显示元件，并且这样的显示元件可以作为模块化的安装存在，当显 示元件的代次实现更迭时，可以通过拆卸作为模块化的显示元件来实现更换，从 而使本发明的近眼显示器可以始终使用最先进的高PPI显示元件，实现最佳的视 觉效果。微型显示元件13L可以适配OLED、LCOS、LCD等，对于OLED类的微型 显示元件，由于其属自主发光的微型显示元件，因此可以直接置于物面上，而 LCOS微型显示元件属非自主发光微型显示元件，需要借助PBS棱镜或PBS分光 膜。本实施例中像面位置与OLED微型显示元件的图像显示位置相匹配，可以直 接适用；本实施例也可以适配LCOS微型显示元件，加入PBS棱镜后像面位置需 要与LCOS微型显示元件的图像显示位置有所调整。

右侧的目视光学成像装置与左侧为对称设置，各光学元件11R-14R与 11L-14L相对设置，并具有一致的作用。左右自由曲面波导元件11L、11R正对 人眼设置，与光学系统的出瞳相平行。

为制造和安装的便利需要，本发明的各自由曲面波导元件还可能包括其他的 表面，但鉴于这类表面通常不具备光学透射或者反射的作用而被进行诸如磨毛等 处理，在此不作为本发明中的光学表面进行讨论。

本领域技术人员可以理解的，在面对用户眼睛的光学元件11L和11R，可以 镀有消除有害光线的防护膜，以避免对人眼视力的伤害。用作光学透射式近眼显 示器时，光线透过反射比可通过调节面1113L和1113R上所镀制膜系的反射率进 行调节以适应不同场景下的使用需求。

根据本发明第一实施例的各光学表面参数可由下表1-1表示，表1-2为两个 XY多项式自由曲面表面系数，表1-3为四个非球面表面系数：

表1-1

参数 面1113L 面1111L R 83.32977671 39.27173711 K 0 0 C₁₀0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₁0.00276936388 0.00440282022 C₂₀0.00025808900 -0.0744678536 C₁₁0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₂-0.00031729657 -0.0002160335 C₃₀0.0000E+00 0.0000E+00 C₂₁-4.051957438e-005 -0.0023706414 C₁₂0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₃1.0338598228e-005 -1.30628048e-005 C₄₀4.8903552421e-006 -4.738576122 C₃₁0.0000E+00 0.0000E+00 C₂₂4.0895832451e-006 -0.0001849847 C₁₃0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₄-5.988113261e-007 -1.05384340e-006

表1-2

所述描述自由曲面的XY多项式自由曲面方程为：

$\left(\begin{array}{cc}Z=\frac{(1/R)\times (x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+K)\times {(1/R)}^2\times (x^2+y^2)}}+\underset{m=0}{\overset{p}{\Sigma }}\underset{n=0}{\overset{q}{\Sigma }}{C}_{(m,n)}{x}^m{y}^n& 1\le m+n\le p\end{array}\right)$

其中R为各个面的曲率半径，x、y、z为曲面上点的坐标，K为曲面的二次系数， C_(m,n)为对应多项式项X^mYⁿ的系数。

参数 面2232L 面2231L 面2212L 面2211L R -15.8523659 -8.03834413 9.36948983 91.83300365 K 0 0 0 0 A 6.1944861e-006 3.0202941e-006 -8.07925198e-006 1.167414481e-005 B 1.9931786e-006 -2.6057485e-007 -2.86341594e-007 3.509645578e-007 C 2.2871660e-007 -2.9283357e-008 -8.87275656e-009 1.016122554e-008

表1-3

所述非球面曲面方程为：

$Z=\frac{(1/R)\times h^2}{1+\sqrt{1-(1+K)\times {(1/R)}^2\times h^2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+\mathrm{...}$

其中R为各个面的曲率半径，h为曲面上的点离光轴的距离，K为曲面的二次系 数，A、B、C…为曲面的高次非球面系数

第二实施例

与第一实施例类似，本发明的第二实施例如图4所示，也包括左右对称的两 套目视光学成像装置，以下依然以左侧为例进行说明。根据本发明第二实施例的 左侧目视光学成像装置包括自由曲面波导元件21L和投影光学组件22L，微型显 示元件23L置于投影光学组件22L的物侧。由微型显示元件23L发出的图像光信 号依次经过投影光学组件22L的各个透镜221L、222L、223L、224L后经自由曲 面波导元件21L的面2114L进入波导元件内部并入射在面2111L上并发生反射， 光线进过2111L反射后满足了光的全内反射条件在面2114L与面2112L间全反射 从而完成传输，直到光线入射在面2113L上反生反射后不再满足光的全内反射条 件，在面2114L出射进入使用者的人眼成像。同时环境光经为透射方向的光线， 经过自由曲面波导元件的面2113L(或2121L)、2113L和2114L(或2122L)透 射之后直接进入人眼进行无像差的成像，实现光学透射式的近眼显示。

与第一实施例不同的是，第二实施例中的投影光学组件22L(以及相应的微 型显示元件23L)与自由曲面波导元件21L存在一定的倾斜偏心，即投影光学组 件22L的光轴与自由曲面波导元件21L的光入射表面2114L不垂直，其相对于垂 直位置倾斜角可以处于小于20度范围。

根据本发明第二实施例的各光学表面参数可由下表2-1表示，表2-2为两个 XY多项式自由曲面表面系数，表2-3为四个非球面表面系数：

表2-1

参数 面2113L 面2111L R 79.756975 211.04223 K 0.0000E+00 0.0000E+00 C₁₀0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₁0.001150953 0.055875073 C₂₀0.00046609 -0.735387283 C₁₁0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₂-0.000479994 -0.001393034 C₃₀0.0000E+00 0.0000E+00 C₂₁-3.91E-05 -0.143355847 C₁₂0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₃-3.16E-06 -0.00022476 C₄₀-9.85E-08 -5.75E-02 C₃₁0.0000E+00 0.0000E+00 C₂₂3.38E-07 0.019705615 C₁₃0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₄-1.03E-06 9.31E-06

表2-2

参数 面2232L 面2231L 面2212L 面2211L R 18.93574 -32.86509 -27.20327 -9.739446 K 0 0 0 0 A -0.0002169054 0.00022421837 -8.21707335e-007 -1.28130870e-005 B -1.7976035e-006 -1.7635031e-006 -5.75237331e-007 6.794475404e-008 C 3.6160017e-009 1.2026919e-007 -3.01764067e-008 1.32734647e-008

表2-3

第三实施例

与第一、二实施例类似，本发明的第三实施例如图5所示，以左侧为例说明， 包括自由曲面波导元件31L和投影光学组件32L，微型显示元件33L置于投影光 学组件32L的物侧。微型显示元件33L发出的图像光信号依次经过投影光学组件 32L的各个透镜321L、322L、323L、324L后经自由曲面波导元件31L的面3114L 进入波导元件内部并入射在面3111L上并发生反射，光线进过3111L反射后满足 了光的全内反射条件在面3114L与面3112L间全反射以完成传输，直到光线入射 在面3113L上反生反射后不再满足光的全内反射条件，在面3114L上出射进入人 眼成像。同时透射方向的光线经过自由曲面波导元件的面3113L(或3121L)、 3113L和3114L(或3122L)透射之后直接进入人眼成像，实现光学透射式的近 眼显示。

与第二实施例不同的是，第三实施例中的微型显示元件33L采用LCOS微型 显示模组。LCOS微显示芯片333L为非自发光显示器件，需要外界提供照明，照 明光擎331L发出的光线经PBS棱镜332L的PBS分光面3322L反射后照射在LCOS 显示芯片333L上为其提供照明，LCOS芯片333L发出的光线经PBS棱镜332L的 PBS分光面3322L透射后进入投影光学组件32L和自由曲面波导元件31L后正常 显示。与第一、二实施例一样，第三实施例也可以适配OLED微型显示芯片，只 需要对像面位置进行适量的调整。

根据本发明第三实施例的各光学表面参数可由下表3-1表示，表3-2为两个 XY多项式自由曲面表面系数，表3-3为四个非球面表面系数：

表3-1

参数 面3113L 面3111L R 83.096106 44.340676 K 0 0 C₁₀0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₁0.001283509770 0.0691526785 C₂₀0.000466992757 -0.75765737668 C₁₁0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₂-0.00048563044 -0.0001231618 C₃₀0.0000E+00 0.0000E+00 C₂₁-3.812202188e-005 -0.1392280286 C₁₂0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₃-1.441677017e-005 -0.0002172178 C₄₀1.975437465e-008 -0.3226534488 C₃₁0.0000E+00 0.0000E+00 C₂₂5.128982846e-007 0.01827871570 C₁₃0.0000E+00 0.0000E+00 C₀₄-1.174839491e-006 2.04575351e-006

表3-2

参数 面3232L 面3231L 面3212L 面3211L R 13.302271 -86.10613 -117.8553 -10.59705 K 0 0 0 0 A -0.00021188616 0.0002113978236 -0.000248163750 -2.222489747e-005 B -1.9791387e-006 -3.0079293e-006 -8.54328052e-006 -1.80171044e-006 C 9.6072442e-009 6.62613152e-008 2.15544291e-007 -1.587600560e-007

表3-3

根据本发明的第一至三实施例，视场角度、出瞳直径、出瞳距离和自由曲面 波导元件的厚度D可以由表4-1表示，

第一实施例 第二实施例 第三实施例 视场角度(水平×垂直) 22×16.5° 22×16.5° 22×16.5° 出瞳直径 10mm 10mm 10mm 出瞳距离 16mm 16mm 16mm 厚度D 8mm 8mm 8mm

表4-1

由于本发明中的自由曲面波导元件厚度D能够被有效控制在8mm以内，从而 实现了超薄式的双目近眼显示器，并且鉴于有效出瞳距离可达到15mm以上， 对于眼睛具有屈光度的使用者，可以在自由曲面波导元件与眼睛之间安置矫正镜 片14L(24L，34L)以满足使用要求。

在本发明的上述第一至三实施例中，投影光学组件均包括四片光学透镜，在 沿光行进的光轴方向上依次排列，优选的，第一、三片透镜为非球面透镜，材料 为光学树脂；第二、四片透镜为球面透镜，使用光学玻璃制成；并且进一步的， 所述第一、三片透镜的前后两表面都为非球面。但本发明的投影光学组件不限于 此，本领域技术人员可以理解的，使用不同于四片光学透镜的其它投影光学组件 结构形式也可以满足本发明的需要，例如，以一等效的自由曲面棱镜作为投影光 学组件，或者使用更多片光学透镜以实现更小的像差。

本发明的近眼显示器在具体使用时，微型显示元件作为图像显示器件，其控 制器，图像文件存储器，供电电源等均可置于外设装置中，如图6所示，外设装 置通过电连接至微型显示元件，用以对微型显示元件供电并控制微型显示元件上 的图像显示。

进一步的，外设装置还可包括用户接口和通信接口，用以接收用户指令以及 和其他设备进行通信。在一种形式下，外设装置可以是诸如PC，平板电脑，智 能手机等通用型计算设备，其上的各种功能和应用均可用于本发明的显示装置予 以显示。以智能手机为例，其包括例如通用处理器、包括应用和非易失性存储的 存储器，处理器可实现通信以及任何数量的应用并用作控制器。存储器可以包括 非易失性和易失性存储器的各类半导体存储器件。用于操作的用户界面可以实现 用户接口的功能，通信接口诸如无线通信接口WIFI，蓝牙，NFC等，以及各种已 知有限通信接口，可与其它设备进行通信，接收来自其它设备的数据信息。

在另一种形式下，外设装置可使用专用的控制器和存储器等组件，以实现更 好的显示性能并开发个性化的功能，如各种工业应用。并且，鉴于本发明的双目 近眼显示器利用两个微型显示元件分别作为左右像源元件，可支持3D显示。

使用两个相同的目视光学成像装置左右对称放置而实现超薄的光学透射式 双目近眼显示器，其外形可以如图7所示的眼镜状，为便于安装固定，左右两侧 的自由曲面波导元件可以形成为一体，中部开有使用者鼻梁的鼻托部，鼻托部可 以包括眼镜中常用的软体材料，以提高佩戴舒适度。而投影光学组件和微型显示 元件则被置于眼镜的镜腿中，使整体外观简约易保护，镜腿可以采用渐变的宽度， 在连接波导元件一侧比较宽以覆盖波导的宽度，然后逐步减小宽度直至合适佩戴 于使用者耳部的弯折。

根据本发明的目视光学成像装置实现的近眼显示器基于自由曲面波导元件， 整体结构轻薄；当本发明的近眼显示器具有眼镜的外形而佩戴在使用者头部时， 两侧投影光学组件和微型显示元件可置于镜腿之上，以大幅减低佩戴使鼻梁处受 力，为实现有设计感、佩戴舒适的产品外观提供了有利的条件。

以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限 制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与 修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。