[发明专利]一种折反式自由曲面大视场增强现实光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及增强现实领域，特别涉及一种折反式自由曲面大视场增强现实光学系统。

背景技术

近年来，增强现实(Augmented Reality，简称AR)显示装置快速发展，由于该系统属于头戴系统，因此它必须结构紧凑和轻量化，以增强使用者的舒适度。对于增强现实显示装置，大视场非常重要，大视场可以增加使用者的沉浸感，使观察者能最大程度的观察优质的动态图像。紧凑和轻量化的结构可以极大的增强佩戴者的舒适感，合适的出瞳距可以使观察者佩戴其他目视系统(如近视镜)进行使用，增加了系统对佩戴者的适用范围。但是，光学系统的视场、出瞳距、大出瞳直径、短焦距等结构参数互相制约，同时满足上述条件存在相当大的困难。

因此，急需提供一种能够同时满足结构紧凑轻便大视场的增强现实光学系统。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种折反式自由曲面大视场增强现实光学系统，具有结构紧凑、轻量化、出瞳距合理、视场大、眼动范围大、全视场像差校正良好及高光能利用率等优点。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种折反式自由曲面大视场增强现实光学系统，其包括：第一自由曲面透镜、第二自由曲面透镜、平凸透镜以及图像显示器；

所述第一自由曲面透镜上设有第一光学工作面，所述所述第二自由曲面透镜上设有第二光学工作面；

所述图像显示器发出的光线经过平凸透镜透射，再经过第一自由曲面透镜上的第一光学工作面反射到第二自由曲面透镜上的第二光学工作面，然后经过第二自由曲面透镜上的第二光学工作面反射到第一自由曲面透镜上的第一光学工作面，再经过第一自由曲面透镜透射进入人眼。

进一步，所述第一自由曲面透镜上的第一光学工作面所镀膜层为角度选择膜层，当入射角在7°-38°之间发生透射，当入射角在41°-45°之间发生反射。

再进一步，所述第一光学工作面既是透射面又是反射面，光线第一次经过第第一光学工作面时反射，第二次经过第一光学工作面时透射。

进一步，所述第一光学工作面和第二光学工作面均为为自由曲面。

进一步，，所述第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为两面具有相同光学结构参数的镜片。

再进一步，所述第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜为两面具有相同光学结构参数的塑料或玻璃镜片。

进一步，所述第二光学工作面所镀膜层为半反半透膜。

进一步，所述平凸透镜的凸面为非球面、标准球面或自由曲面。

再进一步，所述平凸透镜为偶次非球面平凸透镜或奇次非球面平凸透镜。

进一步，所述平凸透镜上设有第三光学工作面。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的折反式自由曲面大视场增强现实光学系统，具有出瞳距合理的优点，能够保证使用者在大视场范围内看到清晰、畸变小的图像；本发明通过两个自由曲面透镜，一个偶次非球面平凸透镜的光路结构设计，使可以达到18mm以上，保证用户可以在佩戴其他目视系统(如近视镜)的情况下使用该系统；

(2)本发明的增强现实光学系统，还具有视场角大、眼动范围大、全视场像差校正良好等优点，用户在使用过程中不易产生眼疲劳，具有优秀的视觉体验；本发明通过两个自由曲面透镜和一个偶次非球面平凸透镜的配合，增大了视场角，提供了较大的眼动范围(±4mm)，增加了产品的适用范围；

(3)本发明通过两个自由曲面透镜和一个偶次非球面平凸透镜的配合，使现实世界中的景物经过两个自由曲面透镜到达人眼，几乎不会引入像差，不需要额外增加补偿棱镜系统；

(4)本发明结构精巧、简洁、紧凑，使用折返透镜组合，替代自由曲面棱镜，使产品轻量化；

(5)本发明在第一自由曲面透镜的光学工作面镀角度选择膜层，提高了光能利用率，显示的图像亮度高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的实施例的增强现实光学系统的示意图；

图2为本发明的实施例的各视场的光学传递函数值的示意图；

图3为本发明的实施例的场曲图；

图4为本发明的实施例的畸变图；

图5为本发明的实施例的网格畸变图；

图6为现有的增强现实光学系统的示意图。

其中：1-图像显示器，2-平凸偶次非球面透镜，