隐形眼镜式的光学系统以及装配该光学系统的头戴显示器的制作方法

本发明涉及头戴显示器系统，尤其涉及一种隐形眼镜式的光学系统以及装配该光学系统的头戴显示器。

背景技术：

现代的各种电子或光学系统正朝微型、高性能的方面发展。头戴显示器是近年来才新兴的一种显示系统，在多媒体传播、游戏娱乐、军事训练、工业现场控制、医疗以及虚拟现实和增强现实等领域都有广泛的应用。头戴显示器(英文全称Head-Mounted Display,英文缩写HMD)已经走进人们的生活，其带给使用者强烈的沉浸感与真实感，能够为人类带来视觉感受上的颠覆性突破，有着十分重要的应用和商业价值。

头戴显示器要尽量做到小重量、小体积、佩戴舒适并且大视场。头戴显示器的核心部件是光学系统，光学系统性能的好坏直接决定了头戴显示器的各项性能指标。

根据光线传播的路径，头戴显示器的光学系统可以分为共轴系统和离轴系统。大部分共轴光学系统体积大、重量大、成像质量差，并且很难解决视场角和出瞳距与设备小型化之间的冲突。离轴光学系统中由于透镜数目多、装配困难、成本高，所以体积和重量也很难减小。随着技术的发展和加工精度的提高，自由曲面逐渐应用于头戴显示器光学系统中，其能够减小系统的体积和重量，成像质量也得以提升。但是，现存文献中涉及的自由曲面透镜依然存在体积过大的问题，同时由于自由曲面的加工难度大，光学系统往往价格昂贵。

名称为“一种头戴式显示器”、授权公告号为CN 201184928Y的中国发明专利中，公开了一种只用一片菲涅尔透镜的头戴式显示器，因为菲涅尔透镜的精度不高，而且会形成盲区和高敏区，故而其像差大，不能给佩戴者提供很好的视觉效果。

名称为“双片式自由曲面头戴显示器光学系统”、公开号为CN 101900872A的中国发明专利公开了一种双片自由曲面系统。该发明中的主透镜有两面为自由曲面，相对于三面全自由曲面棱镜，该发明的长度因为离轴而有所减小，但依然较长，没有实质性的突破。该发明中的第二个透镜可与像源粘合，像源不可更换，维修代价高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提出一种将图像生成单元发出的光线多次往返经过透镜调焦后导入人眼的可直接佩戴在人眼上的隐形眼镜式的光学系统以及装配该光学系统的头戴显示器。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种隐形眼镜式光学系统，该隐形眼镜式光学系统位于图像生成单元和人眼之间。该隐形眼镜式光学系统包括：

透镜，用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距；

分光组件，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜后进入图像接收器，包括第一分光器和第二分光器，第一分光器位于透镜和图像生成单元之间，第二分光器位于透镜和人眼之间；

四分之一波片组件，用于对透射光增加四分之一波长的相位；以及

偏振过滤器，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入图像接收器，

其中，透镜、分光组件、四分之一波片组件以及偏振过滤器贴合在一起形成隐形眼镜。

对于上述隐形眼镜式光学系统，第一分光器用于透射具有第一偏振态的光并且反射具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光。

对于上述隐形眼镜式光学系统，第一分光器是透镜靠近图像生成单元一侧镀有偏振分光膜的表面或者是位于透镜和图像生成单元之间的偏振分光片。

对于上述隐形眼镜式光学系统，第二分光器用于对入射的光线透射其中一部分而且反射其余部分。

对于上述隐形眼镜式光学系统，第二分光器是分光镜。

对于上述隐形眼镜式光学系统，图像生成单元生成的图像光信息是偏振光，或者该光学系统还包括贴附在第一分光器朝向图像生成单元一面上的偏振形成器，用于保留与其透光轴平行的线偏振光。

对于上述隐形眼镜式光学系统，偏振形成器是偏振片。

对于上述隐形眼镜式光学系统，作为偏振形成器的偏振片的透光轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向垂直。

对于上述隐形眼镜式光学系统，四分之一波片组件包括位于透镜和第二分光器之间的第一四分之一波片和位于第二分光器和偏振过滤器之间的第二四分之一波片。

对于上述隐形眼镜式光学系统，第一四分之一波片的快轴与图像生成单元发出的偏振光或图像生成单元发出的光线经第一次偏振形成的偏振光的偏振方向夹角为45°。

对于上述隐形眼镜式光学系统，第二四分之一波片的快轴与第一四分之一波片的快轴垂直。

对于上述隐形眼镜式光学系统，偏振过滤器是偏振片。

对于上述隐形眼镜式光学系统，透镜是单透镜或者多个透镜胶合而成的透镜组。

对于上述隐形眼镜式光学系统，透镜两侧面型分别为平面、球面、扩展双二次曲面或自由曲面中的任意一种。

本发明还提供一种头戴显示器。该头戴显示器包括上述隐形眼镜式光学系统和与其在同一光轴上的图像生成单元。

对于上述头戴显示器，该头戴显示器整体形状为框架眼镜形状。

对于上述头戴显示器，图像生成单元为一体式显示器并包括左右两部分，或者包括左右两个显示器。

对于上述头戴显示器，图像生成单元的左右两部分或左右两个显示器显示的图像之间有视差。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

1、利用隐形眼镜式光学系统将图像生成单元发出的光线进行折射和反射后导入观察者的眼部，由于光线在透镜内部进行了两次折射和反射，因此等效为两个透镜的像差校正效果，因此在获得足够的像质时减小了系统的尺寸。

2、本发明的隐形眼镜式光学系统更为简洁，只需一片透镜，系统总长小，体积小，重量轻，便于用户携带和使用。

3、本发明的隐形眼镜式光学系统视场角大，用户佩戴舒适且沉浸感强，适合作为虚拟现实的头戴显示器目镜。

4、本发明中光学系统出瞳直径大，便于与佩戴者眼睛的光瞳匹配。

5、整个头戴显示器类似于眼镜的结构，故而结构紧凑、体积小且重量轻，并且具有视场角大、出瞳直径大、并且成像质量好的特点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一个实施例所述的隐形眼镜式光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1所述的隐形眼镜式光学系统的结构示意图；

图3是本发明实施例2所述的隐形眼镜式光学系统的结构示意图；

图4是图1所示的隐形眼镜式光学系统的点列图；

图5是图1所示的隐形眼镜式光学系统的畸变图；

图6是本发明一个实施例所述的头戴显示器的整体结构图；

图7是本发明另一实施例所述的头戴显示器的整体结构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了本发明一个实施例所述的隐形眼镜式光学系统的结构示意图。

如图1所示，本发明的隐形眼镜式光学系统2位于图像生成单元1和人眼3之间。该隐形眼镜式光学系统2包括透镜21，透镜21用于对图像生成单元生成的图像光信息形成预定的焦距。透镜21可为材料均匀的透镜，其材质不限，例如可以为玻璃或透明有机玻璃，此外，透镜21也可以为两种或多种材料组成的胶合透镜或透镜组。此外，透镜21两侧面中任一侧面的面型可以为平面，也可以带有一定的曲率，如球面、扩展双二次曲面或自由曲面。

本发明的光学系统包括分光组件22，用于使图像生成单元生成的图像光信息中的目标光线往返多次经过透镜21后进入人眼3。该分光组件包括第一分光器221和第二分光器222，第一分光器221位于透镜21和图像生成单元1之间，第二分光器222位于透镜21和人眼2之间。第一分光器221用于透射具有第一偏振态的线偏振光并且反射具有正交的第二偏振态的线偏振光，可以是贴附在透镜3朝向图像生成单元1的一面上的偏振分光膜，作为替代也可以是设置在透镜3和图像生成单元1之间的偏振分光片。第二分光器222用于对入射的光线透射其中一部分而且反射其余部分，可以是分光镜，使入射到其上的光一部分透过并且另外一部分反射，透过光与反射光的比值可以根据具体要求决定，在此不做具体限定。

本发明的光学系统包括四分之一波片组件23，用于对透射光增加四分之一波长的相位。四分之一波片组件23包括第一四分之一波片231和第二四分之一波片232。

本发明的光学系统包括偏振过滤器24，用于阻挡图像生成单元生成的图像光信息中的杂散光线进入人眼3。偏振过滤器24可以是一个偏振片。

透镜21、分光组件22、四分之一波片组件23、以及偏振过滤器24贴合在一起形成隐形眼镜。

本发明的头戴式显示装置包括上述隐形眼镜式光学系统2以及与其在同一光轴上的图像生成单元1。整个头戴显示器类似于眼镜的结构。

图像生成单元1为像源，图像生成单元1可以为手机显示屏，也可以为微显示器，凡是能够发出光线的显示器都可以作为像源应用于此光学系统中。图像生成单元1为一体式显示器或者包括左右两个显示器。

在一个实施例中，图像生成单元1出射的光不具有偏振特性，该光线入射到贴附在第一分光器221朝向图像生成单元1一面上的偏振形成器25，偏振形成器25使入射的光线发生偏振形成线偏振光。偏振形成器25例如可以是一个偏振片。作为偏振形成器25的偏振片和作为偏振过滤器24的偏振片均为线偏振片，可以使偏振方向与线偏振片透光方向平行的光通过，将偏振方向与线偏振片透光方向垂直的光遮挡，从而可以将特定的光透过。

在另一个实施例中，图像生成单元1和偏振形成器25可以采用手机显示屏实现，手机显示屏发出的光线通常为线偏振光，因此可以直接用手机替代图像生成单元1和偏振形成器25。图像生成单元1也可以是微显示器或微型投影仪，凡是能够发出光线的显示器都可以作为像源。比如可以使用硅基液晶(LCOS)三色(RGB)投影技术的微投影仪作为本实施例的头戴式显示装置的图像生成单元1。

如图2所示，本发明实施例1所述的隐形眼镜式光学系统1包括沿光轴方向从手机11到人眼3之间依次设置的偏振分光片2211、透镜21、第一四分之一波片231、分光镜2221、第二四分之一波片232、以及偏振片241。具体地，图像光信息从手机11的显示屏出射，从手机11的显示屏出射的光具有偏振特性，称为第一线偏振光，第一线偏振光经过偏振分光片2211和透镜21的透射后入射到第一四分之一波片231，经过第一四分之一波片231的相位延迟后形成第一旋转方向的圆偏振光，第一旋转方向的圆偏振光入射到分光镜2221后形成第一反射光和第一透射光。第一透射光经过第二四分之一波片232后变为偏振方向与偏振片241的透光方向垂直的线偏振光，该线偏振光不能通过透光方向与其偏振方向垂直的偏振片241。第一反射光再次入射到第一四分之一波片231，经过第一四分之一波片231的相位延迟后形成偏振方向与第一线偏振光的偏振方向垂直的第二线偏振光，第二线偏振光经过透镜21偏折后被偏振分光片2211反射，再次透过透镜21后入射到第一四分之一波片231，并被第一四分之一波片231相位延迟后形成旋转方向与第一旋转方向圆偏振光的旋转方向相反的第二旋转方向的圆偏振光，第二旋转方向的圆偏振光经过分光镜2221形成第二反射光和第二透射光，第二透射光经过第二四分之一波片232形成偏振方向与偏振片241的透光方向平行的第二线偏振光，第二线偏振光经过偏振片241后进入人眼3。

其中，第一旋转方向的圆偏振光为右旋偏振光或左旋偏振光。

在上述实施例中，偏振片241的透光轴方向与第一线偏振光的偏振方向垂直，第一透射光经过第二四分之一波片232的相位延迟后形成偏振方向与第一线偏振光的偏振方向平行的第二线偏振光，由于其偏振方向与偏振片241的透光方向垂直，因此被偏振片241遮挡，无法进入到人眼3。此外，第二透射光入射到人眼，第二反射光再次通过第一四分之一波片231和透镜21，然后透过偏振分光片2211，之后不再在光路中折返。

本隐形眼镜式光学系统只需一片透镜。透镜21可以为单透镜，也可以为达到相同效果的多片透镜胶合而成的透镜或者多透镜组成的透镜组。透镜21朝向手机11一侧的表面可以为平面、普通球面、非球面、自由曲面、以及扩展双二次曲面中的任意一种。透镜21朝向人眼3一侧的表面可以为平面、普通球面、非球面、自由曲面、以及扩展双二次曲面中的任意一种。

偏振分光片2211用于透射与第一线偏振光的偏振方向平行的线偏振光并且反射与第一线偏振光的偏振方向垂直的线偏振光。

第一四分之一波片231和第二四分之一波片232用于对透射光增加1/4波长的相位，并且第一四分之一波片231的快轴与第一线偏振光的偏振方向夹角为45°，第二四分之一波片232的快轴与第一线偏振光的偏振方向夹角为-45°。

分光镜2221主要用于对光线进行反射和透射，并不起到改变光线偏振态的作用。分光镜2221的分光比例根据系统实际需求设定。

优选地，偏振分光片2211、第一四分之一波片231、分光镜2221、第二四分之一波片232和偏振片241均通过晶体生产或者镀膜的方式按照次序依次生长、蒸镀或者贴合在透镜21的表面。

上述隐形眼镜式光学系统的优点是利用一片透镜实现了两片或者更多片透镜才能达到的像质，从而实现了利用更小的厚度和体积实现相同成像质量的要求，小到该光学系统可以做成类似于隐形眼镜的薄片。该系统完成了一片透镜达到几片透镜的成像质量的原因在于通过折射反射多次，利用透镜材料和边缘折射，从而形成一片透镜被多次利用的物理本质。

本发明的实施例2所述的隐形眼镜式光学系统如图3所示。图像生成单元1产生的光线可以认为不具有偏振特性，经过第一偏振片251后，假设光线为振动方向沿x轴的第一线偏振光，第一线偏振光在透镜21处发生偏折，然后在通过第一四分之一波片231时，被附加上1/4波长的相位，从而调制为右旋偏振光，此光线在分光镜2221的作用下分为了两束，分别为杂散光线和目标光线。

经过第一四分之一波片231的光线在分光镜2221上发生透射的光线即为杂散光线。杂散光线穿过分光镜2221继续向前传播，然后被第二四分之一波片232附加上1/4波长的相位，调制为线偏振光，偏振方向沿x轴。由于第二偏振片241的透光轴方向与第一偏振片251垂直，即是沿y轴方向，所以杂散光线不能透过第二偏振片241，人眼不能观察到此光线。因此，此光学装置可以使杂散光线不能透过，目标光线正常透过，实现对光线进行筛选的目的。

经过第一四分之一波片231的光线被分光镜2221反射的光线即为目标光线。由于反射是发生在光疏介质到光密介质的界面上，所以目标光线会附加一个π的相位差，入射的右旋偏振光反射后变为了左旋偏振光。该左旋偏振光经过第一四分之一波片231，被附加上1/4波长的相位，调制为偏振方向沿y轴的第二线偏振光，然后第二线偏振光在透镜21中经过一定的偏折，被透镜21朝向图像生成单元1的镀有偏振分光膜的一面2212反射，此时的反射发生在光密介质到光疏介质的界面上，没有附加相位。接着目标光线第三次经过第一四分之一波片231，被调制为第二左旋偏振光。之后第二左旋偏振光向前传播穿过分光镜2221和第二四分之一波片232被调制为偏振方向沿y轴的线偏振光，此偏振态和第二偏振片241的透光方向相符合，可以正常出射，被人眼接收。

本实施例的第一偏振片251和第二偏振片241均为线偏振片而且第一偏振片251和第二偏振片241的透光轴方向垂直，从而可以实现对透过的光的选择性。

第一四分之一波片231的快轴与第一偏振片251的透光轴方向的夹角为45°。第二四分之一波片232的快轴与第一四分之一波片231的快轴垂直，即第二四分之一波片231的快轴与第一偏振片251的透光轴方向夹角为-45°。此外，分光镜2221主要起到对光线进行反射和透射作用，并不改变光线偏振态。从而通过设置第一偏振片251、第一四分之一波片231、第二四分之一波片232和第二偏振片241来实现对特定光的透过。

在本实施例中，第一偏振片251、第一四分之一波片231、分光镜2221、第二四分之一波片232和第二偏振片241可以为平面结构，也可为曲面结构，根据具体的显示要求进行具体的设计。

将第一偏振片251、透镜21、第一四分之一波片231、分光镜2221、第二四分之一波片232以及第二偏振片241依次贴附形成隐形眼镜。

下面通过具体参数对本发明的隐形眼镜式光学系统进一步详细说明。

如图1所示的光学系统，视场角为90°，出瞳大小为15mm，出瞳距为15mm，总长(包含出瞳距)约为40mm，成像高度约为40mm。透镜13的前表面为球面，曲率半径为115.165mm；透镜13的后表面为偶次非球面，曲率半径为-135.322mm，Conic系数为4.749，透镜中心厚度为10mm，材质为PMMA。第一偏振片11、偏振分光片12、第一四分之一波片14、分光镜15、第二四分之一波片16和第二偏振片17贴合放置。因为本发明的头戴显示器的体积小于现有的头戴显示器的体积，故而可做成框架眼镜形式进行佩戴，重量轻，方便携带，佩戴舒适度高。

本实施例中隐形眼镜式光学系统的像质评价结果如图4和图5所示。从图4中可知，本实施例中光学系统的边缘视场的弥散斑半径约为100μm，非边缘视场的弥散斑半径比较适中。从图5中可知，本实施例中光学系统的边缘视场的畸变为25％，畸变虽然过大，但对所述图像生成单元1显示的图像进行预畸变校正处理后，人眼看到的图像基本无畸变。

图6为本发明一个实施例所述的头戴显示器的整体结构图。如图6所示，图像生成单元1虽然为一个整体，但是分为左右两部分，分别对应于左右眼睛上的第一隐形眼镜式光学系统2A和第二隐形眼镜式光学系统2B，第一隐形眼镜式光学系统2A和第二隐形眼镜式光学系统2B均为本发明所述的隐形眼镜式光学系统。图像生成单元1显示的两部分图像带有一定的视差。

图7为本发明另一个实施例所述的头戴显示器的整体结构图。如图7所示，图像生成单元1包括左右两个显示器1A和1B，左右两个显示器1A和1B分别固定在眼镜框架左右镜片的位置上，分别对应于左右眼睛上的第一隐形眼镜式光学系统2A和第二隐形眼镜式光学系统2B，第一隐形眼镜式光学系统2A和第二隐形眼镜式光学系统2B均为本发明所述的隐形眼镜式光学系统。图像生成单元1的左右两个显示器1A和1B显示对应的带视差的图像。

图像生成单元1的左右不同的显示部分1A和1B显示的图像带有视差并且左右不同的显示部分1A和1B发出光的振动方向不同，隐形眼镜式光学系统2同时收到来自图像生成单元1的左右不同的显示部分1A和1B的图像光信息，隐形眼镜式光学系统2左右镜片2A和2B上的偏振过滤器24的偏振光轴分别与对应显示部分的偏振光的振动方向平行，因此对应显示部分的图像光信息通过对应的镜片并且被另一镜片阻挡，防止图像串扰。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。