一种可穿戴式光学系统和装置的制作方法

本申请涉及光学投影显示技术，更具体地涉及可穿戴式光学投影系统和装置。

背景技术：

可穿戴式设备重量轻、携带舒适度和成像质量高的光学系统是当前光学设计追求的目标。可穿戴式投影设备最早出现在军事领域，可以实时显示战术信息，辅助目标瞄准识别，还可用于夜视系统。随着设计理念、制造水平和微显示技术的不断进步，可穿戴式投影设备越来越小型化，并逐渐进入人们的日常生活。然而，目前可穿戴式投影光学系统存在结构复杂、装调和加工要求精度高、体积重量大、长时间佩戴会引起颈部疲劳等问题。

因此，本领域需要改进的可穿戴式投影光学系统。

技术实现要素：

为了实现上述目的，本申请提供了可穿戴式光学投影系统和装置，以提高成像质量，并减小体积、减轻重量。

根据本申请的一个实施例，提供了一种可穿戴式光学系统，包括：显示部，所述显示部被配置成生成图像信息；以及图像合成部，所述图像合成部被配置成接收来自所述显示部的表示所述图像信息的光，所述光经由所述图像合成部与外界景象合成供观测者观看。

根据本申的一个方面，所述光学系统还包括透镜组件，所述图像合成部包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述图像信息的光经由所述透镜组件引导，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面棱镜的反射进入所述观测者的眼睛，所述外界景象经第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的合成面透射进入所述观测者的眼睛。

根据本申的一个方面，所述透镜组件包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜被配置成矫正第一自由曲面棱镜放大图像产生的像差。

根据本申的一个方面，第一非球面透镜为矩形正透镜，第一非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第二非球面透镜为矩形负透镜，第二非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第一自由曲面棱镜包括一个或多个自由曲面；第二自由曲面棱镜包括倾斜面，所述倾斜面为自由曲面，第二自由曲面棱镜的所述自由曲面镀有半反半透膜并且与第一自由曲面棱镜中其中一个自由曲面胶合形成所述合成面。

根据本申的一个方面，所述显示部为自发光式硅基液晶显示像元，像面边缘出射光线与像面法线的夹角θ的范围在±10°≤θ≤150°。

根据本申的一个方面，第一自由曲面棱镜为主功能放大棱镜，第一自由曲面棱镜把所述显示部生成的图像信息放大调整为平行光进入所述观测者的眼睛。

根据本申的一个方面，第一自由曲面棱镜包括三个自由曲面，第一自由曲面棱镜的所述三个自由曲面的面型为以下之一：变形非球面、多项式曲面、和双二次曲面。

根据本申的一个方面，竖直方向最大视场上边缘光线与第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的表面两次相交时的入射角关系满足以下关系式：

其中θ₁为竖直方向最大视场上边缘光线从所述显示部发出第三次经过第一自由曲面棱镜边缘时的入射角，θ₂为竖直方向最大视场上边缘光线最后一次经过第二自由曲面棱镜时的入射角，n’值为材料的折射率。

根据本申的一个方面，所述观测者的水平视场角与垂直视场角的正切比为16:9。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种可穿戴式装置，包括：处理器，所述处理器被配置成与显示部通信以将图像信息提供给显示部；所述显示部，所述显示部被配置成显示来自所述处理器的图像信息；以及图像合成部，所述图像合成部被配置成接收来自所述显示部的表示所述图像信息的光，所述光经由所述图像合成部与外界景象合成供观测者观看。

根据本申请的一个方面，所述可穿戴式装置还包括透镜组件，所述图像合成部包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，来自所述显示部的表示所述图像信息的光经由所述透镜组件引导，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面棱镜的反射进入所述观测者的眼睛，所述外界景象经第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的合成面透射进入所述观测者的眼睛。

根据本申的一个方面，所述透镜组件包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，第一非球面透镜和第二非球面透镜被配置成矫正第一自由曲面棱镜放大图像产生的像差。

根据本申的一个方面，第一非球面透镜为矩形正透镜，第一非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第二非球面透镜为矩形负透镜，第二非球面透镜的第一面为非球面、第二面为球面；第一自由曲面棱镜包括一个或多个自由曲面自由曲面；第二自由曲面棱镜包括倾斜面，所述倾斜面为自由曲面，第二自由曲面棱镜的所述自由曲面镀有半反半透膜并且与第一自由曲面棱镜中其中一个自由曲面胶合形成所述合成面。

传统透镜式结构多为旋转对称的目镜结构，虽然光学性能可以接近衍射极限并能够在一定程度上校正畸变，但是多组透镜的结构复杂，装调和加工要求精度高，体积重量也很大，长时间佩戴会引起颈部疲劳。相比于传统透镜式或自由曲面/折衍混合结构，本申请提供的可穿戴式光学投影系统成像质量高，并且结构简单，体积小、重量轻，佩戴舒适。

本申请的可穿戴式光学投影技术可广泛应用于娱乐、模拟仿真训练、外科手术等虚拟现实技术的各个领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的结构示意图；

图2为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的部分光路示意图；

图3为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的垂轴像差特性曲线；

图4为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的场曲和畸变特性曲线；

图5为根据本申请一个实施例的可穿戴式光学系统的调制传递函数特性曲线MTF；以及

图6是根据本申请的一个实施例的示例性计算机系统框图。

具体实施方式

将参照附图详细描述各种实施例。在可能之处，相同附图标记将贯穿附图用于指代相同或类似部分。对特定示例和实现所作的引用是用于说明性目的，而无意限定本申请或权利要求的范围。

措辞“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或示出”。本文中描述为“示例性”的任何实现不必然被解释为优于或胜过其他实现。

可穿戴式投影显示设备的光学系统是一个图像放大系统，微显示器所产生的影像藉由光学系统放大，在人眼前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情境之中，也可以与现实相结合，形成一种拓展现实场景。

本申请提供了一种轻便型可穿戴式投影光学系统。如图1所示，可穿戴式光学系统100可以包括显示部5，透镜组件110，图像合成部120。显示部5被配置成生成图像信息，举例而言，显示部5可以是像元，例如硅基液晶显示元件(Lcos)。图像合成部120被配置成接收来自显示部5的表示该图像信息的光，光经由图像合成部120与外界景象130合成以供观测者140观看。透镜组件110可以包括第一非球面透镜4和第二非球面透镜3。图像合成部120可以包括第一自由曲面棱镜2和第二自由曲面棱镜1。其中第二自由曲面棱镜1的第一表面1a为自由曲面，为第二自由曲面棱镜1的其余表面11、12、13为平面；第一自由曲面棱镜2的三个表面2a、2b、2c都为自由曲面，第一自由曲面棱镜2的其余表面21、22、23、24、25、26都为平面。

观测部140包括用户的眼睛，即人眼或入瞳。表示图像信息的光经由透镜组件110引导，然后经过第一自由曲面棱镜2的放大和第二自由曲面棱镜1的反射进入用户的眼睛，外界景象130经第一自由曲面棱镜2和第二自由曲面棱镜1的合成面透射进入用户的眼睛。第一非球面透镜4和第二非球面透镜3被配置成矫正第一自由曲面棱镜放大图像产生的像差。第一自由曲面棱镜为主功能放大棱镜，第一自由曲面棱镜把显示部生成的图像信息放大调整为平行光进入用户的眼睛。

由物侧至人眼侧，可穿戴式光学系统包括：Lcos5、第一非球面透镜4、第二非球面透镜3、第一自由曲面棱镜2、第二自由曲面棱镜1。一面像元(见图1)产生图像，图像的光依次经过第一非球面透镜和第二非球面透镜的像差矫正，然后经过第一自由曲面棱镜的放大和第二自由曲面的反射进入的入瞳即人眼，光学系统光路图如图2所示。

位于第一自由曲面棱镜的第一自由曲面1a为外界景象和虚拟图像合成面，此面镀有半反半透膜，外界景象和虚拟图像合成后经过此面进入人眼。

在一实施例中，自由曲面棱镜2和1的面型可以为以下三种面型中的一种：变形非球面、复曲面XY多项式曲面、以及双二次曲面。

a.变形非球面

在公式(1)中，C_x是曲面在X-Z平面内X方向的曲率半径，C_y是曲面在Y-Z平面内Y方向的曲率半径，K_x是曲面X方向的二次曲线系数，K_y是曲面Y方向的二次曲线系数，A_i是4,6,8，10，…2n阶非球面系数，关于Z轴旋转对称，P_i是4,6,8,10，…2n阶非旋转对称系数。XYZ方向表示见图1(X方向为垂直纸面往外，Y方向为往上，Z方向为往右)。各参数在实数范围。

b.复曲面XY多项式曲面

复曲面XY多项式曲面(AXYP)的曲面方程：

其中，c_x，c_y分别是曲面在子午方向和弧矢方向的顶点曲率半径，k_x，k_y分别是子午和弧矢方向的二次曲面系数，C_(m,n)是多项式x^myⁿ的系数，p为多项式的最高幂数。各参数在实数范围。

c.双二次曲面

其中，

X方向的半径值在第一参数栏中设定。如果设为0，则x方向的半径值被认为是无穷大。双二次曲面的参数定义：第一参数Rx，第二参Kx。其中，Kx为二次曲面系数。各参数为实数范围。

在一实施例中，非球面的面型方程为：

其中，c为曲率半径，k为二次曲面系数。其它参数：第一参数α₁、第二参数α₂、第三参数α₃、第四参数α₄、第五参数α₅、第六参数α₆、第七参数α₇、第八参数α₈。各参数为实数范围。

如图1所示，竖直方向(Y方向)最大视场上边缘光线与第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的表面两次相交时的入射角关系满足以下关系式：

其中θ₁为竖直方向最大视场上边缘光线从显示部发出经过第一自由曲面棱镜边缘时的入射角，θ₂为竖直方向最大视场上边缘光线经过第二自由曲面棱镜时的入射角，n’值为第二自由曲面棱镜所用材料的折射率，n’取值范围可以在1.4至1.6。第二自由曲面棱镜的材料可以采用光学玻璃、光学塑料、光学树脂等材料。。

为简洁起见，图中示出θ₁为竖直方向最大视场上边缘光线从显示部发出第五次经过第一自由曲面棱镜边缘时的入射角。可选地，竖直方向最大视场上边缘光线从显示部发出第三、第四、和第五次经过第一自由曲面棱镜边缘时的入射角θ₁均满足上述关系式。同样，为简洁起见，图中示出θ₂为竖直方向最大视场上边缘光线最后一次经过第二自由曲面棱镜时的入射角。可选地，竖直方向最大视场上边缘光线第一次和最后一次经过第二自由曲面棱镜时的入射角θ₂均满足上述关系式。

在一实施例中，第一自由曲面棱镜2与第二自由曲面棱镜1胶合，胶合面为第一自由曲面棱镜的第一自由曲面2c，在第二自由曲面棱镜的自由曲面1a上镀有半反半透膜。

在一实施例中，显示部可以是自发光式硅基液晶显示元件。如图1所示，像面出射角θ为像面边缘出射光线与像面法线的夹角，θ的范围在±10°≤θ≤150°。举例而言，像面出射角θ可以是±5°、或±10°。θ取±5°时视场小，获得的光照度高；θ取±10°时视场大，获得的光照度稍低。

在一实施例中，用户的眼睛的水平视场角为ω的范围在±10°≤ω≤±60°，举例而言，ω(见图1)可以取±7.5°。用户的眼睛的垂直视场角h的范围在±6°≤ω≤±40°，举例而言，h(ω的垂直方向)可以取±6°。水平视场角与垂直视场角的正切比值为16：9。

在一实施例中，用户的眼睛的入瞳η(见图1)的范围可以在3≤η≤8，举例而言，入瞳η可以为5mm。人眼入瞳到第二自由曲面棱镜面13的距离即入瞳距l范围在15≤l≤20mm，举例而言，入瞳距l为20mm。第一自由曲面棱镜的厚度即面26到面25的水平距离为5mm。Lcos的像素可以为640×480，有效尺寸可以为0.294英寸。

在一实施例中，第二自由曲面棱镜1两个非直角的角度为30°和150°(即，1a与11的夹角为30°，1a与13的夹角为150°)。第一自由曲面棱镜24和25的夹角为120°。胶合棱镜(即，第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜的胶合)的第一平行差为3′，第二平行差为5′。

在一实施例中，透镜组件110可作为像差矫正透镜。像差矫正透镜包括两片非球面透镜：第一非球面透镜4和第二非球面透镜3，其中第一非球面透镜4为正透镜，第二非球面透镜3为负透镜。

在一实施例中，面光源产生的平行光经PBS棱镜后反射s光进入Lcos，经过Lcos调制之后出射p光的图像，再次进入PBS棱镜后进入第一非球面透镜4后进入光学系统。

在一实施例中，人眼到Lcos的像面的光路总长度小于50mm。

在一实施例中，非球面透镜和棱镜的面型公差PV值小于等于1um，厚度公差为±0.03mm，偏心为±0.03mm，倾斜为±1′。

在一实施例中，第一非球面透镜、第二非球面透镜、第一自由曲面棱镜、第二自由曲面棱镜的厚度公差小于等于±0.02mm，倾斜、偏心公差小于等于±0.02mm，面型公差PV小于等于1微米，第一平行差小于等于3′，第二平行差小于等于5′，所述第一自由曲面棱镜的厚度小于等于5mm。

在一实施例中，光学系统的垂轴像差特性曲线如图3所示，场区和畸变特性曲线如图4所示，调制传递函数MTF如图5所示，图3、4、5皆为光学系统的成像质量的评价方法。

本申请的轻便型可穿戴式投影光学系统结构简单紧凑，透镜组透镜少、棱镜厚度小而且体积小、重量轻、光学成像质量高。

与其它可穿戴投影光学系统相比，从技术参数上来说，本申请因采用了较小的出瞳和较小的视场角从而获得了更轻薄的光学结构。因采用了全新的光学材料从而获得了更清晰的成像质量。因采用了尺寸更小亮度更高的像元从而获得了更高的清晰度。从原理上来说，与目前一些可穿戴投影光学系统采用的复杂的光波导原理不同，本申请基于光的折射、反射和全反射，使用了更简单易懂、更本质的光学原理。并且本申请采用了独特的、离轴的、非轴对称的三种自由曲面面型与非球面相结合的方式成像同时校正像差，为本申请首创。

应当理解，上述实施例仅作为示例而非限制，本领域技术人员还可以构想更多其他类似方法来实现虚拟图像与外界景象的结合。这样的实现方式不应被解读成导致脱离了本申请的范围。

参考图6，示出了一种示例性的计算机系统600。计算机系统600可以包括逻辑处理器602，例如执行核。尽管图示了一个逻辑处理器602，但在其它的实施例中，计算机系统600可以具有多个逻辑处理器，例如，每个处理器基片多个执行核，和/或多个处理器基片，其中每个处理器基片可以具有多个执行核。如图所示，各种计算机可读存储介质610可以通过一条或多条系统总线互连，所述系统总线将各种系统组件耦合到逻辑处理器602。系统总线可以是若干类型的总线结构中的任何类型，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、以及使用各种各样的总线体系结构中的任一种的本地总线。在示例性的实施例中，计算机可读存储介质610可以包括例如随机存取存储器(RAM)604、存储设备606(例如，机电硬驱动器、固态硬驱动器等等)、固件608(例如，快闪RAM或ROM)、以及可拆卸存储设备618(诸如像CD-ROM、软盘、DVD、闪存驱动器、外部存储设备等等)。本领域的技术人员应当意识到，可以使用其它类型的计算机可读存储介质，诸如磁带盒、闪存卡和/或数字视频盘。计算机可读存储介质610可以提供计算机可执行的指令622、数据结构、程序模块、以及用于计算机系统600的其它数据的非易失性和易失性存储。基本输入/输出系统(BIOS)620——其包含诸如在启动期间帮助在计算机系统600的单元之间转移信息的基本例行程序——可以被存储在固件608中。大量的程序可以被存储在固件608、存储设备606、RAM 604和/或可拆卸存储设备618上，并可以由逻辑处理器602执行，逻辑处理器602包括操作系统和/或应用程序。命令和信息可以通过输入设备616被计算机系统600所接收，输入设备616可以包括但不限于键盘和指向设备。其它的输入设备可以包括话筒、操纵杆、游戏手柄、扫描仪等等。这些和其它输入设备常常通过被耦合到系统总线的串行端口接口而被连接到逻辑处理器602，但是也可以通过其它的接口连接，诸如并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB)。显示器或其它类型的显示设备也可以经由接口连接到系统总线，比如视频适配器，其可以是图形处理单元612的一部分或被连接到图形处理单元612。除了显示器，计算机典型地包括其它的外围输出设备，诸如扬声器和打印机(未示出)。图6的示例性系统还可以包括主机适配器、小型计算机系统接口(SCSI)总线、以及连接到SCSI总线的外部存储设备。计算机系统600可以在使用到一个或多个远程计算机(诸如，某个远程计算机)的逻辑连接的联网环境中操作。远程计算机可以是另外的计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其它常见的网络节点，以及典型地可以包括上面相对于计算机系统600描述的单元中的多个或所有单元。当在LAN或WAN联网环境中使用时，计算机系统600可以通过网络接口卡614被连接到LAN或WAN。网卡(NIC)614(其可以是内部的或外部的)可以被连接到系统总线。在联网环境中，相对于计算机系统600描绘的程序模块或者它们的一些部分可以被存储在远程存储器存储设备中。应意识到，这里描述的网络连接是示范性的，以及可以使用在计算机之间建立通信链路的其它手段。

在一个或更多个示例性实施例中，所描述的功能和过程可以在硬件、软件、固件、或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。对于固件和/或软件实现，这些方法可以用执行本文中所描述功能的模块(例如，程序、函数等等)来实现。有形地体现指令的任何机器可读介质可用于实现本文中所描述的方法体系。例如，软件代码可被存储在例如移动站的存储器之类的存储器中，并由例如台式计算机、膝上型计算机、服务器计算机、移动设备的微处理器等处理器执行。存储器可以实现在处理器内部或处理器外部。如本文所使用的，术语“存储器”是指任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或其他存储器，而并不限于任何特定类型的存储器或特定数目的存储器、或记忆存储在其上的介质的类型。

上述描述和图示仅作为说明性示例提供。对单数形式的权利要求元素的任何引述，例如使用冠词“一”、“某”或“该”的引述不应解释为将该元素限定为单数。例如本文使用的“第一”、“第二”等名称对源深的任何引用通常不限制那些元素的数量或次序。对第一和第二元件的引用并不意味着此处采用仅仅两个元件，也不意味着第一元件必须以某种方式在第二元件之前。除非另外说明，否则一组元件可以包括一个或多个元件。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的结构，但这样的实现方式不应被解读成导致脱离了本申请的范围。

提供所公开的实施例的先前描述是为了使本领域任何技术人员皆能制作或使用本申请。对这些实施例的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，且本文所定义的一般原理可被应用于其它实施例而不背离本申请的精神或范围。由此，本申请并非旨在限定于本文中示出的实施例，而是应被授予与所附权利要求和本文中公开的原理和新颖性特征一致的最广义的范围。