一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于穿透式视频眼镜显示【技术领域】，瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统由显示装置、目镜透镜组、望远透镜组以及人眼瞳孔等组成。具体为显示装置上的图像经目镜透镜组成虚像于无穷远，该虚像通过望远透镜组接收并最后进入人眼瞳孔；通过调节目镜透镜组以及望远透镜组之间的间隙，在不影响整个光学引擎的成像放大倍率、成像质量及岀瞳尺寸的前提下，满足不同佩戴者双眼不同瞳距位置的需求。
【专利说明】—种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统
【技术领域】
[0001]本发明属于穿透式视频眼镜显示【技术领域】，具体为瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，是一种紧凑轻巧的系统，可以用于增强现实的穿透式视频眼镜显示设备。
【背景技术】
[0002]视频眼镜显示技术主要是把图像源产生的图像，通过光路系统，在人眼之前一定距离的形成一个放大的虚像。为了区别是否能观察真实世界的显示技术，又分为穿透式和直视式，穿透式视频眼镜技术能同时获得图像源和环境的图像信息。视频眼镜显示系统其主要构造包括图像源、照明系统、成像系统、佩戴支架(镜框)等。对于光学系统有限的出瞳，需要瞳间距可调，当使用者的双目间距(即瞳距)不同于光学系统的瞳间距时，人眼的入瞳与光学系统的出瞳将不能很好的匹配。目前对于不同佩戴者的瞳距要求，一般设计上瞳距的调整都是通过增大光学引擎的出瞳尺寸来实现的，但这将会极大地增加光学引擎设计难度、系统尺寸及装调成本。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于在视频眼镜显示的光学系统中加入了针对瞳距需求的调整量，提出了一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，调整过程中不会因为瞳距调整引起系统成像品质和放大倍率等剧烈变化，同时不需要增加光学引擎系统的设计复杂度，是一种紧凑轻巧的解决方法。
[0004]所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，沿光线传播方向依次设有:显示装置，目镜透镜组，望远透镜组以及人眼瞳孔。目镜透镜组和望远透镜组之间的间距可调。显示装置上的图像经过目镜透镜组成虚像于无穷远，该虚像通过望远透镜组接收进入人眼瞳孔。
[0005]所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，显示装置是IXD、LED、LCoS, DLP、OLED或者是其它图像源。在显示装置为非主动发光源时，需要设置背光照明模组以照明显示装置。
[0006]所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，显示装置位于目镜透镜组的前焦点附近，显示装置上的图像经目镜透镜组成虚像于无穷远(像距>5mm);目镜透镜组的全视场角是5度?30度，出瞳直径Imm?8mm,出瞳距离在5mm?30mm。
[0007]所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，显示装置经过目镜透镜组成的虚像被望远透镜组接收并进入人眼；望远透镜组出瞳2?10mm，放大倍率I?10倍。
[0008]所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，目镜透镜组与望远透镜组之间间隙可以根据使用人眼瞳距差异进行调整，并且不会对视频眼镜光学引擎系统的成像倍率、成像质量及出瞳尺寸产生明显影响。
[0009]所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，目镜透镜组可以由多个镜片组成，镜片材质是玻璃或塑料，面型可以为球面、非球面、衍射面或全息面等。
[0010]所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，望远透镜组可以由多个镜片组成，镜片材质是玻璃或塑料，面型可以为球面、非球面、衍射面或全息面等；也可以组合成一个长条形零件，零件使用同一个材质或者不同材质胶合。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为瞳距可调穿透式视频眼镜光学引擎光学系统的原理图；
图2为本发明的光学系统构成图；
图3为本发明一种实施方式的构成示意图；
图4 - a、4 - b、4 - c为本发明一种实施方式各视场各间距值的具体光路图；
图5 - a、5 - b、5 - c为本发明一种实施方式各瞳距可调间距的MTF表现图；
图6为本发明一种实施方式的畸变图；
图7为本发明提及的主动发光光源显示装置(OLED)的光路图；
图8和图9为本发明提及的非主动发光光源显示装置(LCoS)的两种照明方式图。
实施方式
[0012]图1给出了所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统光路原理图，可以看出系统由L1、L2、L3三个透镜组构成，A和B分别为图像源部分和系统出瞳。对应本发明所述，LI目镜透镜组，L2、L3构成望远透镜组。图像源A位于透镜组LI的前焦点上，L2透镜组后焦点与L3透镜前焦点重合。图像源A发出的光束经过LI透镜组准直后，通过L1、L2之间的可调瞳距间距后，进入L2、L3组成的望远透镜组最后到达人眼入瞳。通过调整L1、L2透镜组间距，整个系统的成像倍率、成像质量及出瞳尺寸等参数不会发生明显变化。设三个透镜组L1、望远透镜组的系统焦距分别为f\、f23, LI与望远透镜组间距为d，整个光学系统的焦距f = ，由于物平面位于LI的前焦平面上,所以系统放大倍率β =十，
综上可得，系统的焦距和放大倍率都是与LI和望远透镜组之间间隙d无关的函数，本发明就是基于这种光路原理的系统。
[0013]图2给出了一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统的光学系统构成，瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统由显示装置1、目镜透镜组2、望远透镜组3以及人眼瞳孔4组成。具体为显示装置I上的图像经目镜透镜组2成虚像于无穷远，该虚像通过望远透镜组3接收并最后进入人眼瞳孔4。
[0014]图3给出了一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统的一种实施方式，沿光路方向依次101为LCoS图像源，102为照明PBS，103为准直光学透镜组，104为转向三角棱镜，105为成像透镜一，106为成像PBS，107为成像透镜二，4为人眼瞳孔。101和102组成了整个图像源系统，103和104组成了目镜透镜组，105、106、107组成了望远透镜组。系统由LCOS发出的光源，经过目镜透镜组的三棱镜转向，进行了一次准直。在104、105之间有一定间隔，就是实现瞳距调整的可调间距，本实施方式给出了 5mm的调整量。光线经过105到达06，106为分光棱镜，同105的胶合面镀膜，可以根据实际光机用途，在交界面镀半反半透膜或者偏振膜用以实现穿透式的视频眼镜显示系统。107为成像透镜二，在与空气接触的外表面镀一内全反射膜，用以折反光路，光线折返后再次经106的镀膜分光面，反射后到达人眼入瞳4。此实施方式具有紧凑轻巧的体积，近眼透镜部分厚度小于12_。其中接眼部分105、106、107以及转向三棱镜104都是胶合在一起的塑料透镜，选用材料都为PC，大幅度的降低了整体的质量和体积大小。
[0015]图4所示为本发明所述一种实施方式在各可调瞳距间隔点具体光路。此实现方式的最大视场角为15°，焦距f为21.2mm。图示中的瞳距可调间距分别为6mm(图4 - a)，4mm (图 4 - b), 1mm (图 4 - c)。
[0016]图5为本发明以上所述一种实现方式在各可调瞳距间隔点的MTF表现，图示中的瞳距可调间距分别为6mm(图5 - a), 4mm(图5 - b), Imm(图5 - c)。在空间频率301p/mm,MTF值都在0.4附近，能满足视频眼镜光学系统的要求。
[0017]图6为本发明以上所述一种实现方式的畸变表现，可以看出所有视场内的畸变都小于3%，能满足视频眼镜光学系统的要求。
[0018]图7为本发明提及的主动发光光源显示装置(OLED)的光路方式，301为显示装置(OLED)，2为后接的目镜透镜组，中间不需要图3所示的PBS棱镜102。
[0019]图8和图9分别为本发明提及的非主动发光光源显示装置(LCoS)两种照明方式图，其中图7为主动式照明，图8为背光式照明。如图所示，图7和图8中的101都是显示装置(LCoS), 102都是PBS，201照明的光源LED，2都是后接的目镜透镜组，区别在于202和203，图7中主动式的照明使用了一聚光透镜组202，图8被动式照明使用的是一背光模组203。本发明涉及的非主动发光光源显示装置的照明方式不限于以上列举的两种。
[0020]以上实施例，仅为说明本发明的技术特征和可实施性，其目的在于使该领域的技术人员能了解本发明的内容并予以实施，尽管已经参考具体实施例对本发明作了描述，但是，不应将这些描述理解为一种限制情形，对于本领域的专业人员来说参考以上对本发明的描述显然能够作出对公开实施例中的各种改进以及本发明的另外实施例，凡依本发明的构思所作出的变换，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，其特征在于:沿光线传播方向依次设有:显示装置(1)，目镜透镜组(2)，望远透镜组(3)以及人眼瞳孔(4);目镜透镜组(2)和望远透镜组(3)之间的间距可调；显示装置(I)上的图像经过目镜透镜组(2)成虚像于无穷远，该虚像通过望远透镜组(3 )接收进入人眼瞳孔(4 )。
2.根据权利要求1所述一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，其特征在于:显示装置(I)是IXD、LED、LCoS, DLP、OLED或者是其它图像源，当显示装置(I)为非主动发光源时，需要设置背光照明模组以照明显示装置(I)。
3.根据权利要求1所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，其特征在于:显示装置(I)位于目镜透镜组(2)的前焦点处，显示装置(I)上的图像经目镜透镜组(2)成虚像于无穷远，像距>5mm ；目镜透镜组(2)的全视场角是5度?30度，出瞳直径lmnTSmm，出瞳距离在5mnT30mm，焦距由显示装置尺寸决定。
4.根据权利要求1所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，其特征在于:显示装置(I)经过目镜透镜组(2 )成的虚像被望远透镜组(3 )接收并进入人眼；望远透镜组出瞳2?10mm，放大倍率I?10。
5.根据权利要求1所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，其特征在于:目镜透镜组(2)与望远透镜组(3)之间间隙可以根据使用人眼瞳距差异进行调整，并且不会对视频眼镜光学引擎系统的成像倍率、成像质量及出瞳尺寸产生明显影响。
6.根据权利要求3所述的一种瞳距可调的穿透式视频眼镜光学引擎系统，其特征在于:目镜透镜组(2)可以由多个镜片组成，镜片材质是玻璃或塑料，面型为球面、非球面、衍射面或全息面；望远透镜组(3)由多个镜片组成，镜片材质是玻璃或塑料，面型为球面、非球面、衍射面或全息面；望远透镜组(3)可以组合成一个长条形零件，零件使用同一个材质或者不同材质胶合。
【文档编号】G02B27/01GK104049368SQ201410275901
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】张文字, 宋礼阳, 周建军 申请人:浙江晶景光电有限公司