一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統的製作方法
2023-05-27 06:17:36 1
一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統的製作方法
【專利摘要】本發明屬於穿透式視頻眼鏡顯示【技術領域】，瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統由顯示裝置、目鏡透鏡組、望遠透鏡組以及人眼瞳孔等組成。具體為顯示裝置上的圖像經目鏡透鏡組成虛像於無窮遠，該虛像通過望遠透鏡組接收並最後進入人眼瞳孔；通過調節目鏡透鏡組以及望遠透鏡組之間的間隙，在不影響整個光學引擎的成像放大倍率、成像質量及岀瞳尺寸的前提下，滿足不同佩戴者雙眼不同瞳距位置的需求。
【專利說明】—種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於穿透式視頻眼鏡顯示【技術領域】，具體為瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，是一種緊湊輕巧的系統，可以用於增強現實的穿透式視頻眼鏡顯示設備。
【背景技術】
[0002]視頻眼鏡顯示技術主要是把圖像源產生的圖像，通過光路系統，在人眼之前一定距離的形成一個放大的虛像。為了區別是否能觀察真實世界的顯示技術，又分為穿透式和直視式，穿透式視頻眼鏡技術能同時獲得圖像源和環境的圖像信息。視頻眼鏡顯示系統其主要構造包括圖像源、照明系統、成像系統、佩戴支架(鏡框)等。對於光學系統有限的出瞳，需要瞳間距可調，當使用者的雙目間距(即瞳距)不同於光學系統的瞳間距時，人眼的入瞳與光學系統的出瞳將不能很好的匹配。目前對於不同佩戴者的瞳距要求，一般設計上瞳距的調整都是通過增大光學引擎的出瞳尺寸來實現的，但這將會極大地增加光學引擎設計難度、系統尺寸及裝調成本。
【發明內容】
[0003]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在於在視頻眼鏡顯示的光學系統中加入了針對瞳距需求的調整量，提出了一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，調整過程中不會因為瞳距調整引起系統成像品質和放大倍率等劇烈變化，同時不需要增加光學引擎系統的設計複雜度，是一種緊湊輕巧的解決方法。
[0004]所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，沿光線傳播方向依次設有:顯示裝置，目鏡透鏡組，望遠透鏡組以及人眼瞳孔。目鏡透鏡組和望遠透鏡組之間的間距可調。顯示裝置上的圖像經過目鏡透鏡組成虛像於無窮遠，該虛像通過望遠透鏡組接收進入人眼瞳孔。
[0005]所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，顯示裝置是IXD、LED、LCoS, DLP、OLED或者是其它圖像源。在顯示裝置為非主動發光源時，需要設置背光照明模組以照明顯示裝置。
[0006]所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，顯示裝置位於目鏡透鏡組的前焦點附近，顯示裝置上的圖像經目鏡透鏡組成虛像於無窮遠(像距>5mm);目鏡透鏡組的全視場角是5度?30度，出瞳直徑Imm?8mm,出瞳距離在5mm?30mm。
[0007]所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，顯示裝置經過目鏡透鏡組成的虛像被望遠透鏡組接收並進入人眼；望遠透鏡組出瞳2?10mm，放大倍率I?10倍。
[0008]所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，目鏡透鏡組與望遠透鏡組之間間隙可以根據使用人眼瞳距差異進行調整，並且不會對視頻眼鏡光學引擎系統的成像倍率、成像質量及出瞳尺寸產生明顯影響。
[0009]所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，目鏡透鏡組可以由多個鏡片組成，鏡片材質是玻璃或塑料，面型可以為球面、非球面、衍射面或全息面等。
[0010]所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，望遠透鏡組可以由多個鏡片組成，鏡片材質是玻璃或塑料，面型可以為球面、非球面、衍射面或全息面等；也可以組合成一個長條形零件，零件使用同一個材質或者不同材質膠合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為瞳距可調穿透式視頻眼鏡光學引擎光學系統的原理圖；
圖2為本發明的光學系統構成圖；
圖3為本發明一種實施方式的構成示意圖；
圖4 - a、4 - b、4 - c為本發明一種實施方式各視場各間距值的具體光路圖；
圖5 - a、5 - b、5 - c為本發明一種實施方式各瞳距可調間距的MTF表現圖；
圖6為本發明一種實施方式的畸變圖；
圖7為本發明提及的主動發光光源顯示裝置(OLED)的光路圖；
圖8和圖9為本發明提及的非主動發光光源顯示裝置(LCoS)的兩種照明方式圖。
實施方式
[0012]圖1給出了所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統光路原理圖，可以看出系統由L1、L2、L3三個透鏡組構成，A和B分別為圖像源部分和系統出瞳。對應本發明所述，LI目鏡透鏡組，L2、L3構成望遠透鏡組。圖像源A位於透鏡組LI的前焦點上，L2透鏡組後焦點與L3透鏡前焦點重合。圖像源A發出的光束經過LI透鏡組準直後，通過L1、L2之間的可調瞳距間距後，進入L2、L3組成的望遠透鏡組最後到達人眼入瞳。通過調整L1、L2透鏡組間距，整個系統的成像倍率、成像質量及出瞳尺寸等參數不會發生明顯變化。設三個透鏡組L1、望遠透鏡組的系統焦距分別為f\、f23, LI與望遠透鏡組間距為d，整個光學系統的焦距f = ，由於物平面位於LI的前焦平面上,所以系統放大倍率β =十，
綜上可得，系統的焦距和放大倍率都是與LI和望遠透鏡組之間間隙d無關的函數，本發明就是基於這種光路原理的系統。
[0013]圖2給出了一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統的光學系統構成，瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統由顯示裝置1、目鏡透鏡組2、望遠透鏡組3以及人眼瞳孔4組成。具體為顯示裝置I上的圖像經目鏡透鏡組2成虛像於無窮遠，該虛像通過望遠透鏡組3接收並最後進入人眼瞳孔4。
[0014]圖3給出了一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統的一種實施方式，沿光路方向依次101為LCoS圖像源，102為照明PBS，103為準直光學透鏡組，104為轉向三角稜鏡，105為成像透鏡一，106為成像PBS，107為成像透鏡二，4為人眼瞳孔。101和102組成了整個圖像源系統，103和104組成了目鏡透鏡組，105、106、107組成瞭望遠透鏡組。系統由LCOS發出的光源，經過目鏡透鏡組的三稜鏡轉向，進行了一次準直。在104、105之間有一定間隔，就是實現瞳距調整的可調間距，本實施方式給出了 5mm的調整量。光線經過105到達06，106為分光稜鏡，同105的膠合面鍍膜，可以根據實際光機用途，在交界面鍍半反半透膜或者偏振膜用以實現穿透式的視頻眼鏡顯示系統。107為成像透鏡二，在與空氣接觸的外表面鍍一內全反射膜，用以折反光路，光線折返後再次經106的鍍膜分光面，反射後到達人眼入瞳4。此實施方式具有緊湊輕巧的體積，近眼透鏡部分厚度小於12_。其中接眼部分105、106、107以及轉向三稜鏡104都是膠合在一起的塑料透鏡，選用材料都為PC，大幅度的降低了整體的質量和體積大小。
[0015]圖4所示為本發明所述一種實施方式在各可調瞳距間隔點具體光路。此實現方式的最大視場角為15°，焦距f為21.2mm。圖示中的瞳距可調間距分別為6mm(圖4 - a)，4mm (圖 4 - b), 1mm (圖 4 - c)。
[0016]圖5為本發明以上所述一種實現方式在各可調瞳距間隔點的MTF表現，圖示中的瞳距可調間距分別為6mm(圖5 - a), 4mm(圖5 - b), Imm(圖5 - c)。在空間頻率301p/mm,MTF值都在0.4附近，能滿足視頻眼鏡光學系統的要求。
[0017]圖6為本發明以上所述一種實現方式的畸變表現，可以看出所有視場內的畸變都小於3%，能滿足視頻眼鏡光學系統的要求。
[0018]圖7為本發明提及的主動發光光源顯示裝置(OLED)的光路方式，301為顯示裝置(OLED)，2為後接的目鏡透鏡組，中間不需要圖3所示的PBS稜鏡102。
[0019]圖8和圖9分別為本發明提及的非主動發光光源顯示裝置(LCoS)兩種照明方式圖，其中圖7為主動式照明，圖8為背光式照明。如圖所示，圖7和圖8中的101都是顯示裝置(LCoS), 102都是PBS，201照明的光源LED，2都是後接的目鏡透鏡組，區別在於202和203，圖7中主動式的照明使用了一聚光透鏡組202，圖8被動式照明使用的是一背光模組203。本發明涉及的非主動發光光源顯示裝置的照明方式不限於以上列舉的兩種。
[0020]以上實施例，僅為說明本發明的技術特徵和可實施性，其目的在於使該領域的技術人員能了解本發明的內容並予以實施，儘管已經參考具體實施例對本發明作了描述，但是，不應將這些描述理解為一種限制情形，對於本領域的專業人員來說參考以上對本發明的描述顯然能夠作出對公開實施例中的各種改進以及本發明的另外實施例，凡依本發明的構思所作出的變換，均屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，其特徵在於:沿光線傳播方向依次設有:顯示裝置(1)，目鏡透鏡組(2)，望遠透鏡組(3)以及人眼瞳孔(4);目鏡透鏡組(2)和望遠透鏡組(3)之間的間距可調；顯示裝置(I)上的圖像經過目鏡透鏡組(2)成虛像於無窮遠，該虛像通過望遠透鏡組(3 )接收進入人眼瞳孔(4 )。
2.根據權利要求1所述一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，其特徵在於:顯示裝置(I)是IXD、LED、LCoS, DLP、OLED或者是其它圖像源，當顯示裝置(I)為非主動發光源時，需要設置背光照明模組以照明顯示裝置(I)。
3.根據權利要求1所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，其特徵在於:顯示裝置(I)位於目鏡透鏡組(2)的前焦點處，顯示裝置(I)上的圖像經目鏡透鏡組(2)成虛像於無窮遠，像距>5mm ；目鏡透鏡組(2)的全視場角是5度?30度，出瞳直徑lmnTSmm，出瞳距離在5mnT30mm，焦距由顯示裝置尺寸決定。
4.根據權利要求1所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，其特徵在於:顯示裝置(I)經過目鏡透鏡組(2 )成的虛像被望遠透鏡組(3 )接收並進入人眼；望遠透鏡組出瞳2?10mm，放大倍率I?10。
5.根據權利要求1所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，其特徵在於:目鏡透鏡組(2)與望遠透鏡組(3)之間間隙可以根據使用人眼瞳距差異進行調整，並且不會對視頻眼鏡光學引擎系統的成像倍率、成像質量及出瞳尺寸產生明顯影響。
6.根據權利要求3所述的一種瞳距可調的穿透式視頻眼鏡光學引擎系統，其特徵在於:目鏡透鏡組(2)可以由多個鏡片組成，鏡片材質是玻璃或塑料，面型為球面、非球面、衍射面或全息面；望遠透鏡組(3)由多個鏡片組成，鏡片材質是玻璃或塑料，面型為球面、非球面、衍射面或全息面；望遠透鏡組(3)可以組合成一個長條形零件，零件使用同一個材質或者不同材質膠合。
【文檔編號】G02B27/01GK104049368SQ201410275901
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】張文字, 宋禮陽, 周建軍 申請人:浙江晶景光電有限公司