一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构及装置的制作方法

1.本实用新型涉及虚拟成像光路领域，尤其涉及一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构及装置。


背景技术：

2.当今，人们近距离观看电子显示产品的时间越来越长。容易造成视觉疲劳，甚至损害眼睛的视力健康，而由于眼睛用眼使看到的物品大小不同，因此用眼时不能将物品放大到合适的大小，容易造成视觉疲劳。众所周知，当眼睛看较远处的景物时，人眼处于相对放松的状态，就能有效缓解视觉疲劳。因此对于缓解视觉疲劳时，既需要保持足够的距离，且还需要时被观测物进行放大，同时设备也不用尺寸过大。
3.中国专利公开号cn217587749u涉及图像显示领域，具体而言涉及一种光学系统。所述光学系统包括：主图像源，呈现第一图像；离焦图像源，呈现第二图像；光路系统，包括至少一个光学成像器件；所述光路系统与所述主图像源相对设置，对所述主图像源成具有第一成像距离的主图像；所述光路系统与离焦图像源相对设置，对所述离焦图像源成具有第二成像距离的离焦图像，所述第二成像距离大于所述第一成像距离；其中，所述光路系统还包括观察界面，与主图像及离焦图像对应设置，以通过所述观察界面同时观察所述主图像和所述离焦图像。所述一种离焦显示系统能够具有针对性的分别调节两个以上图像的成像距离，使其对观察者产生离焦刺激抑制眼轴伸长。如图1文献中的光路布局可知，经由反射镜3的光束带，方为人眼有效观测区域。在实际应用中，显示器的光信号依次半透半反射镜8，反射镜3，半透半反射镜8，最后到效观测区域。可知，显示器的光信号能量利用率约为25％，此外，存在显示屏的部分杂散光进入到人眼的现象。同时，外界环境光会入射到反射镜3和显示屏，会明显降低观看的图像质量的对比度和清晰度。
4.而常规的vr、ar显示装置，主要包括：基于光波导技术的眼镜载体虚拟显示模式，如谷歌眼镜，或头戴式双目显示模式。前者造价高昂，且受使用环境光线的影响较大。后者均采用双显示屏，双成像镜头光学结构模式，造价比谷歌眼镜形式产品略优，分体的双显示屏分别与左眼和右眼对中。通常，人眼的瞳距一般在55mm-70mm之间。因此，头戴式的双目虚拟显示光路，限制了大尺寸、高清像素显示屏的的使用。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题在于现有的放大光路无法调整放大倍率和虚拟影像的距离，且虚拟影像的图像质量的对比度和清晰度降低，影响观看，同时设备体积较大，不利于携带。针对现有技术的上述缺陷，提供一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构及装置。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
7.构造一种一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构，包括：
8.像源，发出线偏振光的真实影像；
9.波片窗口：将像源所发出的线偏振光转换成圆偏振光，并透射穿过波片窗口，波片窗口的有效区域面积不小于像源的有效面积；
10.该光路结构还包括：
11.光学成像镜头模块：将经过波片窗口的圆偏振光的像源进行放大呈虚拟影像，像源与光学成像镜头模块的水平距离与垂直距离之和d1+d2与光学成像镜头模块的焦距f之间满足：0.5f≤d1+d2≤0.85f；
12.圆偏振窗口，将经过光学成像镜头模块的圆偏振光调制成线偏振光，观察者在圆偏振窗口另一侧即可观看到呈放大的虚拟影像，当像源与光学成像镜头的距离改变时，虚拟影像的放大倍率以及虚拟影像与观察者的距离均发生改变。
13.优选的，光学成像镜头模块为非球面透镜或菲涅尔透镜，菲涅尔透镜为等距菲涅尔透镜。
14.优选的，光学成像镜头模块还包括平凹透镜和全反射镜，平凹透镜置于波片窗口上方，由波片窗口转换的圆偏振光经过平凹透镜后经由全反射镜反射，非球面透镜置于全反射镜和圆偏振窗口之间，非球面透镜对全反射镜反射的光线进行放大。
15.优选的，全反射镜对可见光波段450-650nm的反射率不小于92％，平凹透镜与非球面透镜组合以减小光学像差的球差和场曲。
16.优选的，光学成像镜头模块与波片窗口、显示器和圆偏振窗口位于同一光轴上，光学成像镜头模块位于波片窗口和圆偏振窗口之间。
17.优选的，非球面透镜为单面非球面或双面非球面，非球面透镜为高透明光学塑料材料制成。
18.优选的，当非球面透镜为双面非球面时，其人眼观察侧s1为竖椭圆形状或双曲面形状，另一侧s2为双曲面形状，s1侧的曲率半径和s2侧的曲率半径满足：2.35≤r1/r2≤4.95。
19.优选的，等距菲涅尔透镜采用光学透明塑料制成，其焦距fn满足：200mm≦fn≦300mm，等距菲涅尔透镜的环距d'≦0.5mm。
20.构造一种大视野和增距式的虚拟成像光路装置，包含上述的一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构。
21.本实用新型的有益效果在于：基于光线折射的光学原理，提出一种无需配戴、大尺寸的，采用高清像素的显示屏，并实现大视野和增距式虚拟成像的光路装置，特别包括非球面透镜式或超薄菲涅尔透镜式的两种光路结构。通过此光路装置，可仿真实现距离观察者1-5米外虚拟影像的视觉体验，可以有效缓解视觉疲劳。同时，对辅助解决青少年近视率高的问题也有积极的意义。同时提出能有效抑制杂散光，提高虚拟影像清晰度的光学方法。
22.同时基于光线折射的原理，通过调整显示器与非球面透镜或菲涅尔透镜的距离从而实现虚拟影像放大倍率的调整，同时调整虚拟影像与观察者的距离，且提到影响的清晰度，避免虚拟影像的形变问题。而采用平凹透镜与非球面透镜的光路组合，更有利于减小光学像差的球差和场曲，提高虚拟影像的清晰度。设置全反射镜也能有效压缩光路装置的体积。将光学零件设置同一光轴，也能减小光学零件数量，结构简单，制作成本更优。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
24.图1为本实用新型的现有技术的光路示意图；
25.图2为本实用新型光路结构的实施例一的光路结构示意图；
26.图3为本实用新型光路结构的实施例一中图2的a处放大示意图；
27.图4为本实用新型光路结构的实施例中的非球面透镜的面型公式图；
28.图5为本实用新型光路结构的实施例中的非球面透镜的优选面型结构图；
29.图6为本实用新型光路结构的实施例二的光路结构示意图；
30.图7为本实用新型光路结构的实施例二中图6的b处放大示意图；
31.图8为本实用新型光路结构的实施例三的光路结构示意图；
32.图9为本实用新型光路结构的实施例三中图8的c处放大示意图；
33.图10为本实用新型光路结构的实施例三的等距菲涅尔透镜的面型示意图；
34.图11为本实用新型光路结构的实施例三的等距菲涅尔透镜的厚度示意图。
具体实施方式
35.为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
36.本实用新型较佳实施例一的一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构，如图2-3所示，包括提供真实影像源的显示器1，显示器上方设有1/4波片2，显示器的真实影像源通过1/4玻片将显示器出射的线偏振光调制成圆偏振光。虚拟成像光路还包括提高圆偏振光透射清晰度的平凹透镜3，平凹透镜3放置于1/4玻片上方，平凹透镜平面侧301靠近1/4玻片2，凹面侧302远离1/4玻片，且显示器的几何中心位于平凹透镜的光轴上，显示器出射的光线为线偏振光。平凹透镜上方设有全反射镜4,全反射镜4水平侧设置有非球面透镜51，全反射镜将穿过平凹透镜3的透射光线进行90
°
转折反射后进入非球面透镜，经由全反射镜反射后的反射光线经过非球面透镜51后在穿过穿过圆偏振窗口6，圆偏振窗口将经非球面透镜的透射的圆偏振光调制成线偏振光，观察者站在圆偏振窗口6另一侧即可观看到呈虚拟放大的影像。
37.进一步地，如图2-3所示，平凹透镜3置于1/4玻片2正上方，由于平凹透镜3为负光焦度透镜，非球面透镜51为正光焦度透镜，采用平凹透镜与非球面透镜组合，更有利于减小光学像差的球差和场曲，提高虚拟影像的清晰度。
38.关于光焦度、球差和场曲的名词解释：
39.光焦度：透镜焦距的倒数。规定凸透镜的光焦度为正，凹透镜的光焦度为负。
40.球差：亦称球面像差。轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。
41.场曲：即像场弯曲。是光学像差的一种现象，当镜头存在场曲时，整个光束的交点不与理想象点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的象点，但整个像平面则是一个曲面。在检测时不能同时看清整个像面，一般是中间清楚，但边缘模糊，这样给观察者造成困难，甚至有人会感觉头晕。
42.进一步地，如图2-3所示，由非球面透镜51与平凹透镜3组合成光学成像镜头模块，像源(显示器)发出的光线以及经过1/4玻片2、平凹透镜3、全反射镜4、非球面透镜51和圆偏振窗口6，在距离观察者1-5米外形成虚拟影像。为了使光学成像镜头模块对显示屏影像成虚拟放大的影像，成像镜头模块的组合焦距(非球面透镜的焦距)为f需满足如下条件：0.5f≤d1+d2≤0.85f，其中d1为非球面透镜的中心与全反射镜中心的水平距离，d2为非球面透镜的中心与显示器的垂直距离：
43.由近轴光高斯公式可计算出光路的放大倍率，
44.近光轴高斯公式：
45.其中：物距u：即显示器到非球面透镜51中心顶点的距离；
46.物距u为预设定长度量值，
47.要求：|u|《f(|u|,f均为正数)
②
48.由公式
①
可计算出像距v：非球面透镜中心顶点至虚拟成像面的距离。
[0049][0050]
焦距f：成像镜头模块组合的焦距。
[0051][0052]
正视非球面透镜51时，非球面透镜对显示影像在远距离成虚拟放大的影像。由公式
③
和
④
可知，调整显示屏位置由1到1’，即d2减小时，此时物距u也减小,在f不变的情况下，m也变小，即放大倍率由高变低，同时由公式
③
可知，此时v将变大，即虚拟影像距离观察者的距离由近到远。从而得知调整显示器位置1至1’，放大倍率由高变低,虚拟影像距离观察者则由近至远。
[0053]
进一步地，基于保持光学装置紧凑体积和适当的放大倍率原则，光学成像镜头模块的焦距满足200mm≤f≤500mm，可实现2.5—25倍的放大倍率，而虚拟影像距离观察者的距离在1-5米外进行仿真实现，同时能有效抑制杂散光，提高虚拟影像的清晰度。
[0054]
进一步地，人眼的瞳距一般在55mm-70mm之间,在使用过程中，为了满足双目同时观看整体显示影像，本实用新型要求光路装置的窗口尺寸水平方向h不小于3倍的瞳距，即非球面透镜51的窗口尺寸水平方向h不小于3倍的瞳距，h≥70*3＝210mm；非球面透镜51的垂直方向尺寸v≥h/1.33＝157mm。同理，即圆偏振窗口6的外形尺寸应保持和非球面透镜51的外形尺寸相同：即长度h'≥210mm，宽度v'≥157mm。
[0055]
进一步地，非球面透镜51可以是单面非球面，也可以是双面非球面透镜。作为优选的实施方法，本实用新型的非球面透镜51设定为双面非球面，且其材料设定为高透明光学塑料。其中，如图4所示，设定非球面透镜的面型公式如下所示及参数，z轴为光轴。
[0056]
非球面透镜的面型数据公式：
[0057][0058]
其中：
[0059]
z：曲面顶点z＝0，沿光轴方向偏离切平面的偏离量；
[0060]
h：距光轴的高度；
[0061]
c：c＝1/r(r为曲面顶点半径)；
[0062]
k：曲面圆锥系数；
[0063]
a/b/c/d/e/f:高阶非球面系数；
[0064]
由k的取值可决定非球面透镜51的面型，具体为当k＝0时，非球面透镜面型为球面；当-1《k《0时，非球面透镜面型为横椭圆；当k＝-1时，非球面透镜面型为抛物面；当k《-1时，非球面透镜面型为双曲面；当k》0时，非球面透镜面型为竖椭圆。
[0065]
进一步地，本实用新型对非球面透镜51的曲面分别设定优选的圆锥系数，其中：
[0066]
s1曲面满足：5.5《k《6.5，此时s1曲面为竖椭圆形状，或者-2.5《k《-1，此时s1曲面为双曲面形状。
[0067]
s2曲面满足：-2.5《k《-1，此时s2曲面为双曲面形状。
[0068]
非球面透镜的另一特征，s1顶点的曲率半径r1，s2顶点的曲率半径r2，需满足参数要求：2.35≦r1/r2≦4.95。特别的指出，如图5所示，s1左侧为人眼观察区域。
[0069]
进一步地，如图2-3所示，为了有效压缩光路结构的体积，全反射镜4与非球面透镜51光轴成45
°
设置，全反射镜对可见光波段450nm—650nm的反射率不小于92％。
[0070]
进一步地，如图2-3所示，圆偏振窗口6由线偏振片组成，通过线偏振片将圆偏振光调制成线偏振光，采用圆偏振窗口和1/4玻片组合模式，具备特别的光学性能，可以调制显示屏出射光与圆偏振窗口出射光的偏振态为相互正交。因此，光路显示装置内腔对环境光线具有不小于50％强度衰减的特点。同时具有隔离光线进入显示器的特点，可以显著提高虚拟影像视觉清晰度和图像对比度。
[0071]
进一步地，显示器1可以是lcd显示屏、led显示屏、或者oled显示屏，均满足使用要求。光路装置中设置的显示器尺寸不小于5英寸，有利于实现大视野的高清晰度的虚拟成像画面。而1/4玻片的有效区域面积不小于显示器的有效面积。为了使虚拟影像显示完整，1/4玻片2置于显示器1上方时，显示器1的水平长度小于1/4玻片2的水平长度，即从1/4玻片上往下观看，不能看到显示器；平凹透镜3的水平长度大于1/4玻片的水平长度，即从平凹透镜上往下观看，不能看到1/4玻片；全反射镜4的在水平面的投影长度大于平凹透镜的水平长度，即从全反射镜上往下看，不能看到平凹透镜；而非球面透镜51垂直方向的高度大于全发射镜4在垂直方向的投影，即从非球面透镜左侧往右看，无法看到全反射镜；圆偏振窗口6的高度大于非球面透镜的高度，即从圆偏振窗口另一侧看去，无法看到非球面透镜。通过光学部件的大小和位置避免杂光进入光路结构，有效抑制杂散光，同时也能实现完整的虚拟影像，提高虚拟影像的清晰度。
[0072]
使用时，通过显示器1发出的线偏振光通过1/4玻片2将线偏振光转换成圆偏振光，转换后的圆偏振光经过平凹透镜3进行放大，穿过平凹透镜的透射光线作为全反射镜4的入射光线，在全反射镜的作用下改变圆偏振光线的路径，然后在非球面透镜51的作用下进一
步放大，最后在圆偏振窗口6的作用将圆偏振光调制成线偏振光，观察者站在圆偏振窗口另一侧即可观察到呈放大的虚拟影像，移动显示器1的位置到1’以增大显示器与非球面透镜51的距离，虚拟影像的放大倍率由高变低,虚拟影像距离观察者则由近至远。在非球面透镜的作用下对虚拟影像进行放大，使虚拟影像的距离边远，同时在一定程度上矫正相差，提高图形的清晰度，使虚拟影像的图像不形变。采用平凹透镜3的负光焦度透镜与非球面透镜51的正光焦度透镜的光路组合，更进一步利于减小光学像差的球差和场曲，提高虚拟影像的清晰度。
[0073]
本实用新型较佳实施例二的一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构，如图6-7所示，与实施例一的区别在于，光学零件均放置于同一光轴上，此时可不需要平凹透镜3和全反射镜4，线偏振光线由显示器1发出，然后经由1/4玻片调制成圆偏振光线，再通过非球面透镜51进行放大的影像，最后通过圆偏振窗口调制成线偏振光，以实现虚拟影像的呈现，调整显示器1的位置由近到远，即改变公式
③
和
④
中的物距u，即实现放大倍率由高变低,虚拟影像距离观察者则由近至远。
[0074]
此时，显示器1与非球面透镜51的中心距离d满足：0.5f≤d≤0.85f(f为非球面透镜的焦距)。其它光学零件的参数与实施例一相同，此处不在重复描述，本实施例优减光学零件数量，结构简单，制作成本更优。
[0075]
使用时，由于显示器1与非球面透镜51置于同一光轴上，因此显示器1发出的像源在1/4玻片2的作用下将线偏振光转换成圆偏振光，然后在非球面透镜的作用下对影像进行放大和提高清晰度，最后通过圆偏振窗口6将圆偏振光转换成线偏振光，观察者在圆偏振窗口另一侧即可观察到呈虚拟放大的影响，移动显示器与非球面透镜的距离可实现改变虚拟影像的放大倍率和调整虚拟影像距离观察者的距离，通过此方式实现的光路结构零件数量更少，结构更加简单，制作成本更优，但虚拟影像的清晰度较于实施例一的清晰度略差。
[0076]
本实用新型较佳实施例三的一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构，如图8-11所示，与实施例二的区别在于，将实施例二中的非球面透镜51替换成菲涅尔透镜52，其它结构相同，菲涅尔透镜优选为等距菲涅尔透镜，其焦距200mm≤fn≤300mm(fn为等距菲涅尔透镜的焦距)。显示器至菲涅尔透镜的距离d满足技术参数：0.65fn≤d≤0.85fn，而等距菲涅尔透镜本身技术参数满足环距d'≤0.5mm，厚度1mm≤t≤5mm，从而优减光学零件数量，结构简单，制作成本更优。特别的，等距菲涅尔透镜采用透明光学塑料制作，采用光学级pmma材料，表面质量为20-40g，优选等距菲涅尔透镜的环距为0.3mm。
[0077]
本实用新型较佳实施例的一种大视野和增距式的虚拟成像的光路装置，包含如上所述的一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构的三种实施例。
[0078]
应当理解的是，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

技术特征：
1.一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构，包括：像源，发出线偏振光的真实影像；波片窗口：将像源所发出的线偏振光转换成圆偏振光，并透射穿过波片窗口，所述波片窗口的有效区域面积不小于像源的有效面积；其特征在于，该光路结构还包括：光学成像镜头模块：将经过波片窗口的圆偏振光的像源进行放大呈虚拟影像，所述像源与光学成像镜头模块的水平距离与垂直距离之和d1+d2与光学成像镜头模块的焦距f之间满足：0.5f≤d1+d2≤0.85f；圆偏振窗口，将经过光学成像镜头模块的圆偏振光调制成线偏振光，观察者在圆偏振窗口另一侧即可观看到呈放大的虚拟影像，当像源与光学成像镜头的距离改变时，虚拟影像的放大倍率以及虚拟影像与观察者的距离均发生改变。2.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于：所述光学成像镜头模块为非球面透镜或菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜为等距菲涅尔透镜。3.根据权利要求2所述的光路结构，其特征在于，所述光学成像镜头模块还包括平凹透镜和全反射镜，所述平凹透镜置于波片窗口上方，由波片窗口转换的圆偏振光经过平凹透镜后经由全反射镜反射，所述非球面透镜置于全反射镜和圆偏振窗口之间，非球面透镜对全反射镜反射的光线进行放大。4.根据权利要求3所述的光路结构，其特征在于：所述全反射镜对可见光波段450-650nm的反射率不小于92％，所述平凹透镜与非球面透镜组合以减小光学像差的球差和场曲。5.根据权利要求2所述的光路结构，其特征在于：所述光学成像镜头模块与波片窗口、显示器和圆偏振窗口位于同一光轴上，所述光学成像镜头模块位于波片窗口和圆偏振窗口之间。6.根据权利要求2-5任一所述的光路结构，其特征在于：所述非球面透镜为单面非球面或双面非球面，非球面透镜为高透明光学塑料材料制成。7.根据权利要求6所述的光路结构，其特征在于：当非球面透镜为双面非球面时，其人眼观察侧s1为竖椭圆形状或双曲面形状，另一侧s2为双曲面形状，s1侧的曲率半径和s2侧的曲率半径满足：2.35≤r1/r2≤4.95。8.根据权利要求2所述的光路结构，其特征在于：所述等距菲涅尔透镜采用光学透明塑料制成，其焦距fn满足：200mm≦fn≦300mm，等距菲涅尔透镜的环距d'≦0.5mm。9.一种大视野和增距式的虚拟成像光路装置，其特征在于：包含如权利要求1-8任一所述的一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构。

技术总结
本实用新型涉及一种大视野和增距式的虚拟成像光路结构及装置，将显示器发出的线偏振光像源转换成圆偏振光虚拟影像，然后在光学结构的作用下对圆偏振光虚拟影像进行放大，再将放大后的圆偏振光虚拟影像调制成线偏振光虚拟影像即可得到放大的虚拟影像，调整显示器在光学结构内的位置，可调整放大的虚拟影像的放大倍率以及与观察者的距离。基于光线折射的光学原理，提出一种无需配戴、大尺寸，采用高清像素的显示屏，并实现大视野和增距式虚拟成像的光路装置，特别包括双非球面透镜式或超薄菲涅尔透镜的两种光路结构。通过此光路装置，可仿真实现距离观察者1-5米外虚拟影像的视觉体验。同时提出能有效抑制杂散光，提高虚拟影像清晰度的光学结构。清晰度的光学结构。清晰度的光学结构。


技术研发人员：廖汉忠 程萍 金必武
受保护的技术使用者：深圳紫泓光学技术有限公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/27