目视光学成像装置以及使用其的双目近眼显示器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种目视光学成像装置W及使用其的超薄光学透射式近眼显示器，特 别的，设及一种将自由曲面与波导元件相结合的超薄目视显示技术。
【背景技术】
[0002] 消费电子产品在近年来得到了蓬勃的发展，在智能手机之后，消费者已普遍地知 道虚拟现实(virtual reality)和增强现实(augmented reality)的概念，并追逐相关的各 种概念产品作为体验新技术的尝试。在VR领域，诸如Ξ星、Sony、Oculus、HTC等公司均做出 了产品，向消费者提供了借助智能手机或者独立使用的VR显示装置;而在AR领域，Google、 Microsoft等公司的产品均还停留在概念性的产品开发展示阶段，市售数量有限。在上述运 些产品中，除Microsoft的化lolens外，大多采用非光学透射式的方案，即用户在使用时与 现实世界割裂，或者仅能单独针对用户的单只眼睛，导致可视角度小，影响了用户的视觉体 验。同时，为了追求沉浸感，大部分现有VR产品位于用户眼前的光学元件均有较大的厚度且 被封闭于眼周，佩戴时甚至需要配重系统来平衡重量，加重了用户头部的负担，无法实现轻 薄的光学透射式的双目近眼显示。
[0003] 为了实现超薄光学透射式的近眼显示方案，一些设计引入了自由曲面棱镜元件， 利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透射，但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要， 在达到良好视觉体验的情况下，运种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了双 目近眼显示的进一步轻薄化；而另外一些设计则使用平面光波导方案，利用光线在平面波 导元件内的全内反射有效降低了光学元件的厚度，但平面波导元件并不能提供光焦度，需 要配合复杂的投影系统使用。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在提供一种目视光学成像装置，并且，由两个相同的目视光学成像装置 左右对称放置，能够实现超薄的光学透射式双目近眼显示器，可适用于VR和AR的各种应用 场景。
[0005] 根据本发明的一种目视光学成像装置，包括：自由曲面波导元件和投影光学组件， 其中，投影光学组件用于将像源元件发出的图像光信号投射到自由曲面波导元件的光入射 面，所述光入射面为平面;所述自由曲面波导元件由两部分胶合形成，其中第一部分包括四 个光学面，第一和第Ξ光学面为自由曲面，第二和第四光学面为相互平行的平面，且与光学 成像装置的出瞳相平行。
[0006] 具体的，所述自由曲面波导元件的第二部分包括Ξ个光学面，其中第五、六光学面 为相互平行的平面且在所述两部分胶合后与上述第二、第四光学面构成一体延伸的平面， 第屯光学为自由曲面，第屯光学面与第五光学面的夹角大于22°小于33%第屯光学面为胶 合面，与第一部分的第Ξ光学面胶合后使用。
[0007] 为了提高光利用率，所述第一光学面锻有反射膜层，第Ξ光学面锻有反射膜层或 半反半透光学膜层。
[0008] 进一步的，所述第一和Ξ光学面与第四光学面的夹角大于25°小于38%
[0009] 所述目视光学成像装置的出瞳距离达到15mmW上。
[0010] 根据本发明的一种实施例，所述投影光学组件包括四片光学透镜，在沿光行进的 光轴方向上依次排列，其中第一、Ξ片透镜为非球面透镜，材料为光学树脂;第二、四片透镜 为球面透镜，材料为光学玻璃。所述投影光学组件的光轴与所述自由曲面波导元件的光入 射面垂直;或者所述投影光学组件的光轴与所述自由曲面波导元件的光入射面不垂直，且 所述投影光学组件的光轴与所述光入射面的垂直方向呈约20度W内的倾斜角。
[0011] 本发明还包括一种具有左右一对如上目视光学成像装置的近眼显示装置，所使用 的像源元件可W为LCD、0L邸或者LC0S型微型显示元件。优选的，微型显示元件为可拆卸的。
[0012] 根据本发明的目视光学成像装置和超薄光学透射式双目近眼显示器，具有轻薄的 光学结构，可视角度大，可W实现双目立体的近眼显示；自由曲面波导元件及投影透镜可采 用压铸成型的方式进行批量生产且加工成本较低;作为光学透射式的显示装置，观察虚拟 场景的同时不影响其对外界真实场景的观测；系统出瞳距离大，可W在自由曲面波导元件 与用户眼睛之间安置视力矫正镜片W满足需要佩戴矫正镜片的用户的需求;投影光学组件 及微型显示元件与系统出瞳位置之间的距离适宜将投影光学组件和微型显示元件安置于 眼镜的镜腿中，提高近眼显示设备的佩戴舒适度。
【附图说明】
[0013] 图1为根据本发明第一实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成像装置光路图
[0014] 图2为根据本发明第一实施例的左侧目视光学成像装置光路图 [0015]图3为根据本发明第一实施例中的自由曲面波导元件结构图
[0016] 图4为根据本发明第二实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成像装置光路图
[0017] 图5为根据本发明第Ξ实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成像装置光路图
[0018] 图6为根据本发明的近眼显示器电连接外设装置后的系统框图
[0019] 图7为根据本发明的超薄光学透射式近眼显示器示意图
【具体实施方式】
[0020] 下面将根据附图来具体描述本发明的具体实现方式，本发明可多种不同的形 式来实现且不应解释为限于下述的各实施方式，而是，提供运些实施例使得本公开充分和 完整，且向本领域技术人员全面地传达本发明的构思。
[0021 ] 第一实施例
[0022] 如图1-3所示，根据本发明第一实施例的用于双目近眼显示器的目视光学成像装 置包括左右两套目视光学成像装置，图1中示出了本发明第一实施例的双目近眼显示器的 光路图，W所述的近眼显示器的截面图体现，由于两套目视光学成像装置关于中屯、轴10呈 对称分布，在下文中，将W左侧的目视光学成像装置为具体描述对象说明本发明的具体实 施方案，本领域技术人员可W理解，右侧的目视光学成像装置具有与左侧同样的构造，只是 左右反转。
[0023] 如图2所述，本发明第一实施例的左侧目视光学成像装置包括自由曲面波导元件 IIL和投影光学组件12L，微型显示元件1化置于投影光学组件1化的物侧，由微型显示元件 1化发出的图像光依次经过投影光学组件1化的各个透镜121L、122L、12化、12化后经自由曲 面波导元件11L的面111化入射自由曲面波导元件11L内部并在1111L上发生全反射，光线经 过1111L反射后满足了光的全内反射条件而在波导元件11L的面111化与面111化间全反射 从而完成传输，直到光线入射到面111化上反生反射后不再满足光的全内反射条件，从面 111化出射进入使用者的人眼成像。同时从透射方向进入的环境光经过自由曲面波导元件 的面1113L(或1121L)、111化和1114L(或1122L)透射之后可W无像差的直接进入人眼成像， 实现光学透射式的近眼显示。
[0024] 具体的，如图3所示，自由曲面波导元件11L由两部分111L和11化胶合在一起使用。 第一部分111L包括四个光学面111化、11121^、111化和11141^，其中第一、^光学面111化与 111化为自由曲面，第二、四光学面11121与111化为平面。第一、^光学面111化与11131锻有 光学膜层，其中面1111L锻有反射膜层，面111化锻有半反半透光学膜层，面111化也可锻制 反射膜层W实现VR类应用。第二、四光学面111化与111化相互平行，且与光学成像装置的出 瞳相平行，第一、Ξ光学面llllUllUL与第四光学面111化的夹角大于25°小于38°。第Ξ光 学面111化为胶合面，与第二部分11化的第屯光学面112化胶合后使用。第二部分11化包括 Ξ个光学面1121U112化和1123L，其中第五、六光学面1121U112化为平面，第屯光学1123L 为自由曲面。第五、六光学面1121L与112化相互平行，第屯光学面112化与第五光学面1121L 的夹角大于22°小于33°。第屯光学面112化为胶合面，与第一部分111L的第Ξ光学面1113L 胶合后使用。
[0025] 在第一实施例中，投影光学组件12L由四个光学镜片组成，其中第一、第Ξ透镜 121L与12化前后表面1211L、1212L及1231U123化都为非球面;第二、四透镜12化与12化前 后表面1221L、122化及1241L、124化都为球面。含有非球面的透镜和自由曲面波导元件11L 两部分的材料都为光学树脂，且可W采用压铸成型的方式进行批量生产。
[00%] 本发明中的作为像源元件的微型显示元件1化可W适配LCD、0LED、LC0S等高PPI微 型显示元件，并且运样的显示元件可W作为模块化的安装存在，当显示元件的代次实现更 迭时，可W通过拆卸作为模块化的显示元件来实现更换，从而使本发明的近眼显示器可W 始终使用最先进的高PPI显示元件，实现最佳的视觉效果。微型显示元件1化可W适配0LED、 LC0S、LCD等，对于0L抓类的微型显示元件，由于其属自主发光的微型显示元件，因此可W直 接置于物面上，而LC0S微型显示元件属非自主发光微型显示元件，需要借助PBS棱镜或PBS 分光膜。本实施例中像面位置与OLm)微型显示元件的图像显示位置相匹配，可W直接适用； 本实施例也可W适配LC0S微型显示元件，加入PBS棱镜后像面位置需要与LC0S微型显示元 件的图像显示位置有所调整。
[0027] 右侧的目视光学成像装置与左侧为对称设置，各光学元件11R-14R与1比-1化相对 设置，并具有一致的作用。左右自由曲面波导元件11L、11R正对人眼设置，与光学系统的出 瞳相平行。
[0028] 为制造和安装的便利需要，本发明的各自由曲面波导元件还可能包括其他的表 面，但鉴于运类表面通常不具备光学透射或者反射的作用而被进行诸如磨毛等处理，在此 不作为本发明中的光学表面进行讨论。
[0029] 本领域技术人员可W理解的，在面对用户眼睛的光学元件11L和11R，可W锻有消 除有害光线的防护膜，w避免对人眼视力的伤害。用作光学透射式近眼显示器时，光线透过 反射比可通过调节面111化和1113R上所锻制膜系的反射率进行调节W适应不同场景下的 使用需求。
[0030] 根据本发明第一实施例的各光学表面参数可由下表1-1表示，表1-2为两个XY多项 式自由曲面表面系数，表1-3为四个非球面表面系数：
[0031]
[0034] 表1-2
[0035] 所述描述自由曲面的ΧΥ多项式自由曲面方程为：
[0036]
[0037] 其中R为各