近眼显示装置光学系统以及近眼显示装置的制作方法

1.本技术涉及显示技术领域，具体涉及一种近眼显示装置光学系统以及近眼显示装置。


背景技术：

2.ar眼镜(augmented reality goggles)是一种常见的近眼显示装置。目前的ar眼镜一般由光学引擎(light engine)和光学组合器(optical combiner)两部分组成，其中，光学引擎作为影像系统，可以显示虚拟信息，该虚拟信息的光线可以通过光学组合器的反射进入人眼，使用户可以观察到虚拟的信息，且光学组合器在对虚拟显示信息反射成像的同时，可以对环境光线保持一定的透过率，实现用户对现实场景和虚拟信息的同时观察。然而，现有的光学组合器为非球面镜，存在加工复杂等问题，导致ar眼镜的成本较高。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提出一种近眼显示装置光学系统以及近眼显示装置，以解决上述问题。本技术通过以下技术方案来实现上述目的。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种近眼显示装置光学系统，该光学系统包括图像发生器、中继镜组和光学组合器，图像发生器用于发出图像光，中继镜组用于将图像光引导至光学组合器，光学组合器包括第一光学面和第二光学面，第一光学面为平面，第二光学面为球面，图像光经第一光学面入射至第二光学面，并经第二光学面反射后从第一光学面出射至人眼形成图像，第一光学面和第二光学面还用于透射环境光至人眼。
5.第二方面，本技术实施例提供了一种近眼显示装置，包括壳体以及第一方面所述的光学系统，光学系统设置于壳体。
6.本技术实施例提供的光学系统以及近眼显示装置，光学组合器的第一光学面为平面，第二光学面为球面，加工更加简单，解决了现有非球面镜头加工复杂的问题。
附图说明
7.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。
8.图1是本技术实施例提供的光学系统的结构示意图。
9.图2是本技术实施例提供的光学系统的光路图。
10.图3是本技术实施例提供的光学系统的调制传递函数表现图。
11.图4是本技术实施例提供的光学系统的容差曲线图。
12.图5是本技术实施例提供的光学系统的畸变网格图。
13.图6是本技术实施例提供的近眼显示装置的结构示意图。
具体实施方式
14.下面详细描述本技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
15.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
16.请一并参阅图1和图2，本技术实施例提供了一种光学系统100，用于近眼显示装置。光学系统100可以包括图像发生器110、中继镜组120和光学组合器130。图像发生器110可以为dlp(digital light processing，数字光处理技术)等激光光源，从而使得光学系统100具备方向性好、高亮度、窄波长带宽、能效高等优点。当然，在其他一些实施方式中，图像发生器110也可以为micro-led(微型发光二极管)或者micro-oled(微型有机发光二极管)等自发光的显示器，或者为带背光的lcd(液晶显示器)。
17.图像发生器110用于发出图像光，中继镜组120和光学组合器130依次设于图像发生器110的出射光路上，中继镜组120用于将图像光引导至光学组合器130，光学组合器130包括第一光学面131和第二光学面132，第一光学面131为平面，第二光学面132为球面，图像光经第一光学面131入射至第二光学面132，并经第二光学面132反射后从第一光学面131出射至人眼形成图像，第一光学面131和第二光学面132还用于透射环境光至人眼。图像光和环境光在人眼叠加，实现用户对现实场景和虚拟信息的同时观察。
18.本技术实施例提供的光学系统100，光学组合器130的第一光学面131为平面，第二光学面132为球面，平面和球面相较于非球面加工更加简单，解决了现有非球面镜头加工复杂的问题。
19.本实施例中，中继镜组120在用于将图像光引导至光学组合器130的同时，还用于对图像进行放大。图像发生器110显示的像源在经过中继镜组120的放大后经过第二光学面132反射至人眼，以使人眼观察到放大后的虚像。
20.在光学系统100佩戴至人体头部时，第一光学面131位于第二光学面132朝向人眼的一侧。第二光学面132可以为光学组合器130的内光学面，第二光学面132可以镀有半透半反膜，具体可以通过偏振选择镀膜、倒模共振或者离散式镀反射膜等方式实现。第二光学面132通过半透半反膜可将入射的图像光反射至第一光学面131，还可将环境光透射至人眼。与第二光学面132对应的，半透半反膜的面型为球面。
21.本实施例中，光学系统100还可以包括透明盖板(未示出)，例如玻璃盖板，透明盖板盖设于图像发生器110的出光面，以起到保护图像发生器110的作用。图像发生器110的出光面通常为矩形，图像光经图像发生器110的出光面发出，图像发生器110的出光面垂直于图像发生器110的光轴。
22.在一些实施例中，中继镜组120包括第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124、第五透镜125、反射镜126和第六透镜127，第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124、第五透镜125、反射镜126和第六透镜127沿图像发生器110的出射光路依次设置，且相互不共轴，也即第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124、第五
透镜125、反射镜126和第六透镜127中任意相邻的两个镜片均不共轴。
23.本实施例中，中继镜组120采用离轴设计，使得光学系统100的出瞳直径以及出瞳距离较大。光学组合器130位于第六透镜127的出射光路上，反射镜126用于将第五透镜125出射的图像光反射至第六透镜127，并经第六透镜127折射至光学组合器130，实现了光路折叠，使得光学系统100更加紧凑，能够有效地减小光学系统100的体积。
24.在一些实施例中，第一透镜121和第三透镜123可以为球面透镜，第二透镜122、第四透镜124、第五透镜125和第六透镜127为非球面透镜，反射镜126为非球面反射镜。其中，反射镜126具有反射面，用于将第五透镜125出射的图像光反射至第六透镜127。反射镜126为非球面反射镜，是指反射镜126的反射面为非球面。通过上述的镜片组合，能够扩大系统视场，准直发散光线，还能够对各视场的光线进行像差校正。
25.在一些实施例中，至少部分图像光经过第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124、第五透镜125、第六透镜127的物侧面和像侧面、反射镜126的反射面、第一光学面131以及第二光学面132的顶点。
26.在一些实施例中，第一透镜121和第三透镜123为玻璃透镜，透光率高且耐温高。第二透镜122、第四透镜124、第五透镜125、第六透镜127和反射镜126可以为同一种塑胶光学材料制成的塑胶镜。塑胶镜可以通过注塑成型的方式制成，注塑成型相较于冷加工能够节省量产成本，且第二透镜122、第四透镜124、第五透镜125、第六透镜127和反射镜126采用同一种塑胶光学材料制成，因此在加工过程中只需要一个模具即可，减少了模具的数量，便于进行加工制造。
27.作为一种示例，上述塑胶光学材料可以为树脂材料k26r，折射率为1.535，阿贝数为56。
28.进一步地，建立系统坐标系，x轴的正方向为近眼显示装置的佩戴者的人眼平视前方时的水平方向，z轴的正方向为竖直向上方向，y轴的正方向按照右手定则确定。同时，建立参考平面zoy，参考平面zoy与x轴相互垂直，第一光学面131可与参考平面zoy相互平行。
29.在一些实施例中，图像发生器110的出光面与参考平面zoy的夹角为-30.49
°
～-37.27
°
，第一透镜121的光轴与参考平面zoy的夹角为-50.12
°
～-61.34
°
，第二透镜122的光轴与参考平面zoy的夹角为13.26
°
～16.20
°
，第三透镜123的光轴与参考平面zoy的夹角为-15.98
°
～-19.52
°
，第四透镜124的光轴与参考平面zoy的夹角为-11.48～-14.04
°
，第五透镜125的光轴与参考平面zoy的夹角为31.5
°
～38.5
°
，反射镜126的光轴与参考平面zoy的夹角为28.44
°
～34.76
°
，第六透镜127的光轴与参考平面zoy的夹角为76.5
°
～93.5
°
。
30.其中，以参考平面zoy为基准，顺时针旋转参考平面zoy使得参考平面zoy与图像发生器110的出光面以及各个镜片的光轴平行，则参考平面zoy与图像发生器110的出光面以及各个镜片的光轴所成的夹角为正数；逆时针旋转参考平面zoy使得参考平面zoy与图像发生器110的出光面以及各个镜片的光轴平行，则参考平面zoy与图像发生器110的出光面以及各个镜片的光轴所成的夹角为负数。在以上条件的控制下，使得中继镜组120的光路设计满足结构合理性以及轻小性，提高中继镜组120的可制造性和可装配性。
31.本技术实施例提供的光学系统100，具有较大视场角，水平视场角为15.39
°
～18.81
°
，垂直视场角为9
°
～11
°
，出瞳直径在3.6mm-4.4mm的范围内，出瞳距离在16.2mm-19.8mm的范围内。
32.其中，水平视场角为佩戴者观看图像时视线沿图像的水平方向的最大视角，垂直视场角为佩戴者观看图像时视线沿图像的垂直方向的最大视角。为了便于说明此处的水平方向和垂直方向，以佩戴者观察到的图像为二维图像为例，水平方向可以理解为佩戴者观看到的图像的宽度方向，垂直方向可以理解为佩戴者观察到的图像的高度方向。
33.作为一种可选实施例，光学系统100的各个光学面的设计参数可以如下表1所示。图像发生器110的出光面与参考平面的夹角为-33.88
°
，第一透镜121的光轴与参考平面的夹角为-55.74
°
，第二透镜122的光轴与参考平面的夹角为14.73
°
，第三透镜123的光轴与参考平面的夹角为-17.76
°
，第四透镜124的光轴与参考平面的夹角为-12.76
°
，第五透镜125的光轴与参考平面的夹角为35
°
，反射镜126的光轴与参考平面的夹角为31.6
°
，第六透镜127的光轴与参考平面的夹角为85
°
。在该可选实施例中，光学系统100的出瞳直径为4mm，水平视场角为10
°
，垂直视场角为17.1
°
，出瞳距离为18mm。
[0034][0035]
表1：各个光学面的设计参数表
[0036]
结合表1所示，第一透镜121的像侧面(面编号20)为凸面，第一透镜121的物侧面(面编号19)为凹面。第二透镜122的像侧面(面编号18)为凸面，第二透镜122的物侧面(面编号17)为凸面。第三透镜123的像侧面(面编号16)为凹面，第三透镜123的物侧面(面编号15)为凸面。第四透镜124的像侧面(面编号14)为凸面，第四透镜124的物侧面(面编号13)为凹面。第五透镜125的像侧面(面编号12)为凹面，第五透镜125的物侧面(面编号11)为凹面。反
射镜126的反射面(面编号10)为凹面。第六透镜127的像侧面(面编号9)为凹面，第六透镜127的物侧面(面编号8)为凸面。第一光学面131(面编号7和5)为平面，第二光学面132(面编号6)为凸面。其中，物侧面为图像光的出射面，像侧面为图像光的入射面。
[0037]
进一步地，第二透镜122的像侧面(面编号18)和物侧面(面编号17)的非球面参数分别如下表2和表3所示，第四透镜124的像侧面(面编号14)和物侧面(面编号13)的非球面参数分别如下表4和表5所示，第五透镜125的像侧面(面编号12)和物侧面(面编号11)的非球面参数分别如下表6和表7所示，反射镜126的反射面(面编号10)的非球面参数如下表8所示，第六透镜127的像侧面(面编号9)和物侧面(面编号8)的非球面参数分别如下表9和表10所示。
[0038][0039][0040]
表2：第二透镜122的像侧面(面编号18)的非球面参数表
[0041]
参数值曲率-0.253686361球半径-3.941875295二次曲面常数(k)-39.128329244阶系数(a)-0.0756108656阶系数(b)0.026689068阶系数(c)-0.00664586910阶系数(d)0.00046450312阶系数(e)1.01e-0514阶系数(f)-8.92e-1116阶系数(g)2.97e-1618阶系数(h)2.70e-1920阶系数(j)-1.53e-20
[0042]
表3：第二透镜122的物侧面(面编号17)的非球面参数
[0043]
参数值曲率-0.172591812
球半径-5.794017615二次曲面常数(k)-504阶系数(a)-0.010409566阶系数(b)0.0197205488阶系数(c)-0.00602415410阶系数(d)0.00112857112阶系数(e)1.25e-0514阶系数(f)9.07e-0616阶系数(g)-1.36e-0618阶系数(h)-4.54e-1020阶系数(j)-2.15e-13
[0044]
表4：第四透镜124的像侧面(面编号14)的非球面参数
[0045][0046][0047]
表5：第四透镜124的物侧面(面编号13)的非球面参数
[0048]
参数值曲率0.21274146球半径4.700541213二次曲面常数(k)-19.706825374阶系数(a)0.0186663846阶系数(b)-0.0047423298阶系数(c)0.00093405410阶系数(d)-9.91e-0512阶系数(e)5.14e-0614阶系数(f)2.73e-0716阶系数(g)-1.86e-0718阶系数(h)3.36e-0820阶系数(j)-1.91e-09
[0049]
表6：第五透镜125的像侧面(面编号12)的非球面参数
[0050]
参数值曲率0.087851769球半径11.38281007二次曲面常数(k)-40.291968124阶系数(a)0.001300156阶系数(b)-0.0001412468阶系数(c)6.20e-0610阶系数(d)4.24e-0712阶系数(e)-2.45e-0814阶系数(f)-1.92e-0916阶系数(g)3.50e-1118阶系数(h)1.10e-1120阶系数(j)-4.06e-13
[0051]
表7：第五透镜125的物侧面(面编号11)的非球面参数
[0052][0053][0054]
表8：反射镜126的反射面(面编号10)的非球面参数
[0055]
参数值曲率0.010115946球半径98.85383026二次曲面常数(k)504阶系数(a)0.0001716696阶系数(b)-6.20e-078阶系数(c)-4.56e-0910阶系数(d)-2.08e-1112阶系数(e)-1.59e-1214阶系数(f)-1.61e-14
16阶系数(g)2.06e-1618阶系数(h)3.47e-1820阶系数(j)-2.57e-20
[0056]
表9：第六透镜127的像侧面(面编号9)的非球面参数
[0057]
参数值曲率-0.028815222球半径-34.70387981二次曲面常数(k)-504阶系数(a)0.0001823046阶系数(b)2.55e-078阶系数(c)-1.39e-0810阶系数(d)-1.11e-1012阶系数(e)-4.17e-1314阶系数(f)2.73e-1516阶系数(g)7.99e-1718阶系数(h)1.98e-1820阶系数(j)-1.46e-20
[0058]
表10：第六透镜127的物侧面(面编号8)的非球面参数
[0059]
下面通过具体实验对光学系统100的光学性能进行验证说明。
[0060]
光学系统100的调制传递函数(modulation transfer function，mtf)表现图如图3所示，图中，纵坐标代表调制传递函数值，横坐标代表空间频率，单位cycles/mm(周期每毫米)。从图3可以看出，图像内每毫米线对数为30时，全视场的mtf大于0.3，光学系统100的综合解像水平较高。
[0061]
光学系统100的容差曲线图如图4所示，从图中可以看出，光学系统100抗公差能力强，生产良率高。
[0062]
光学系统100的畸变网格如图5所示，图中，横坐标表示水平视场角范围，纵坐标表示竖直视场角范围，从图5可以看出，近眼显示装置100的畸变可控，小于10％。
[0063]
请一并参阅图2和图6，本技术实施例还提供了一种近眼显示装置200，近眼显示装置200可以包括壳体210以及上述任一实施例的光学系统100，光学系统100设置于壳体210。
[0064]
本技术实施例提供的近眼显示装置200中，光学组合器130的第一光学面131为平面，第二光学面132为球面，平面和球面相较于非球面加工更加简单，解决了现有非球面镜头加工复杂的问题。
[0065]
近眼显示装置200可以是ar眼镜或者ar头盔等，本技术实施例以近眼显示装置200为ar眼镜为例进行说明。对应ar眼镜，壳体210为镜架。
[0066]
本实施例中，镜架可以包括镜框211、镜臂212和镜腿213，镜臂212与镜框211角度连接，镜腿213可转动地连接于镜臂212远离镜框211的一端。光学组合器130设置于镜框211，图像发生器110和中继镜组120设置于镜臂212。
[0067]
具体地，镜臂212的数量为两个，两个镜臂212分别固定连接于镜框211的长度方向两端，每个镜臂212均可与镜框211相互垂直。光学组合器130包括两个，两个光学组合器130
均固定于镜框211，且沿镜框211的长度方向间隔排布，以分别对应于人体的左右眼。相应的，图像发生器110和中继镜组120均包括两组，分别设置于两个镜臂212。镜腿213也为两条，两条镜腿213分别连接于两个镜臂212。
[0068]
关于光学系统100的详细结构特征请参阅上述实施例的相关描述。由于近眼显示装置200包括上述实施例中的光学系统100，因而具有光学系统100所具有的一切有益效果，在此不再赘述。
[0069]
以上所述，仅是本技术的较佳实施例而已，并非对本技术作任何形式上的限制，虽然本技术已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本技术，任何本领域技术人员，在不脱离本技术技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本技术技术方案内容，依据本技术的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本技术技术方案的范围内。