一种微型显示器成像光学系统及带VR/AR功能的设备的制作方法

本实用新型涉及一种微型显示器成像光学系统及带VR/AR功能的设备。

背景技术：

微型显示器成像光学系统，一般采用自由曲面面型的光学棱镜，在各种领域具有不同的应用，为产品改进或者技术革新带来了很多新的突破，目前对具有显示功能的产品需求越来越日益增多，各高校、研究所和公司等单位对具有这样的产品的需求也呈快速增长趋势。

传统的微型显示器成像光学系统，多是采用几片透镜来完成对微小显示器件的显示，由于光学元件多，装调比较繁琐，而且由于元件的增加，也导致了成本的增加，采用单一棱镜的方案具有很多灵活性，比如可以采用注塑的方式完成生产，可以减少光学元件的数量，可以在光学表面上采用非球面和自由曲面、甚至衍射光学表面。

总体来说，采用传统的或者原有的微型显示器成像光学系统要么周期长，产能低；要么成本高，致使光学结构的价格昂贵。因此，旧的方法限于制作成本或者元件数量或者尺寸的原因，难以满足产品微小化、轻量化的需求。

目前，虽然存在单一光学棱镜的解决方案，但光路设计不合理，目前对于近视或者远视的使用者需要佩戴近视眼镜或者远视眼镜后再佩戴 AR/AR功能的设备才能看清图像，使用十分不便,微小显示器件在光学棱镜要至少2次的反射，同一个面要具有反射和折射两种功能，全反射面一定要镀上增反膜才能达到要求，工序麻烦，成本增加,结构复杂，光路过长，信号损失较多，影响成像质量，有鉴于此，必须对微型显示器成像光学系统进行改良，以满足越来越日益增多的产品需求。

技术实现要素：

本实用新型提供一种微型显示器成像光学系统及带VR/AR功能的设备，用以解决现有技术中光学棱镜设计不合理，结构复杂，光路过长影响成像质量的技术问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种微型显示器成像光学系统,包括微型显示器及光学棱镜,其特征在于: 所述的光学棱镜上设置入射面、全反射面和出射面,其中入射面位于光学棱镜的顶部，出射面和全反射面位于光学棱镜的左右两侧，出射面处于靠近人的眼球的一侧，微型显示器上视频图像产生的光线从入射面进入光学棱镜，并被全反射面反射到出射面，再从出射面折射出去到达人的眼球里成像，微型显示器上视频图像经过光学棱镜的放大处理，在人的眼球形成放大的虚像。

上述所述的全反射面和出射面的底端相交，全反射面和出射面顶端分别与入射面相交，所述的入射面、全反射面和出射面是非球面或者是Extended Polynomial(扩展多项式)面型或者是自由曲面。

上述的全反射面表面镀有增反膜。

上述的入射面表面和出射面表面镀增透膜。

上述的微型显示器是LCOS或者LCD或者OLED类型的微型显示芯片，光学棱镜是PC或者PMMA或者ZEONEX类型的光学级别的塑料材料制造。

上述在微型显示器与光学棱镜的入射面之间设置滤光片或者弧形玻璃罩，以增强成像质量。

上述的入射面、全反射面和出射面都分别满足非球面公式：

其中，c为顶点曲率半径的倒数，r为球面上的点达z轴的距离，k是圆锥系数，当k<-1时，表示双曲面，当k＝-1时，表示抛物线，当-1<k<0 时，表示椭球面，当k＝0时，表示球面；

是非球面的高次项。

上述的入射面、全反射面和出射面采用Extended Polynomial(扩展多项式)面型，满足以下公式：

其中：c是表面的曲率，k是二次项系数，N是多项式系数的数量；r为归一化半径，Ai是多项式系数，x,y是笛卡尔坐标的x轴和y轴的数值，Ei(x,y) 是多项式。

上述的入射面、全反射面和出射面采用自由曲面面型或者非球面面型。

一种带VR/AR功能的设备，包括左眼微型显示器成像光学系统、右眼微型显示器成像光学系统和机壳，左眼微型显示器成像光学系统、右眼微型显示器成像光学系统安装在机壳上，其特征在于：左眼微型显示器成像光学系统和右眼微型显示器成像光学系统都采用上述所述的微型显示器成像光学系统。

上述的左眼微型显示器成像光学系统和右眼微型显示器成像光学系统中的光学棱镜至少一部分外露出机壳。

上述的微型显示器及光学棱镜安装在一个支架上形成一个模组，在支架的顶部外侧安装驱动线路板，在微型显示器的下面安装有一垫片以调节微型显示器及光学棱镜的入射面之间的距离，适用不同的视力的人群。

上述在微型显示器与光学棱镜的入射面之间设置滤光片或者弧形玻璃罩，以增强成像质量，滤光片也安装在支架上。

本实用新型与现有技术相比，有以下优点：

1)本实用新型的微型显示器成像光学系统,包括微型显示器及光学棱镜, 光学棱镜上设置入射面、全反射面和出射面,其中入射面位于光学棱镜的顶部，出射面和全反射面位于光学棱镜的左右两侧，出射面处于靠近人的眼球的一侧，微型显示器上视频图像产生的光线从入射面进入光学棱镜，并被全反射面反射到出射面，再从出射面折射出去到达人的眼球里成像，微型显示器上视频图像经过光学棱镜的放大处理，在人的眼球形成放大的虚像，所述的入射面、全反射面和出射面是非球面或者是Extended Polynomial(扩展多项式)面型或者是自由曲面。它的光学棱镜设计合理，简化结构，缩短在光学棱镜的光路，提高成像质量。

2)其它优点结合在实施例部分详细展开叙述。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的原理示意图；

图2为本实用新型实施例一的光路图；

图3为本实用新型实施例一的结构示意图；

图4为本实用新型实施例二的一个角度的立体图；

图5为本实用新型实施例二的另一个角度的立体图；

图6为本实用新型实施例二的分解图；

图7是为本实用新型实施例二的主视图；

图8是图7的A-A剖视图；

图9是为本实用新型实施例三的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

如图1、图2、图3所示，本实施例提供的是一种微型显示器成像光学系统,包括微型显示器10及光学棱镜20,其特征在于:所述的光学棱镜上设置入射面2、全反射面22和出射面23,其中入射面21位于光学棱镜 20的顶部，出射面23和全反射面22位于光学棱镜20的左右两侧，出射面23处于靠近人的眼球40的一侧，微型显示器上视频图像产生的光线从入射面21进入光学棱镜20，并被全反射面22反射到出射面23，再从出射面23折射出去到达人的眼球里成像，微型显示器上视频图像经过光学棱镜20的放大处理，在人的眼球40形成放大的虚像，所述的入射面21、全反射面22和出射面23是非球面或者是Extended Polynomial(扩展多项式)面型或者是自由曲面。

如图6所示，微型显示器10及光学棱镜20安装在一个支架30上形成一个模组，整体性强，容易安装。

上述所述的全反射面22和出射面23的底端相交，全反射面22和出射面 23顶端分别与入射面21相交。入射面2、全反射面22和出射面23在计算机上采用数值算法和专用软件工具形成获得，其中包括非球面和自由曲面。软件工具可以是任何可以完成数值计算的软件，专用的工具可以是任何可以完成成像分析的软件，比如ZEMAX、CODEV、OSLO等等。全反射面22表面也可以不镀增反膜也达到技术要求，这样可以简化工序，节约成本。

当然上述的全反射面22表面镀有增反膜，则反射的技术效果更好。

上述的入射面21表面和出射面23表面镀增透膜。入射面21表面经过镀增透膜处理，可以滤掉一些不需要的杂散光，从而保证真正有用的信息进入光学棱镜20。全反射面22表面增镀反射膜，可以保证光线不会从全反射面 22透射出去，进而可以提高显示亮度。出射面23一般会镀增透膜的同时也会考虑增加该表面的硬度。因为出射面23很多时候会直接裸露在空气中，有时候我们也会在此表面镀上防止手指油脂的膜层，保证成像系统的质量。

上述的微型显示器10是LCOS或者LCD或者OLED类型的微型显示芯片，光学棱镜20是PC或者PMMA或者ZEONEX类型的光学级别的塑料材料制造。光学棱镜20的材料可以经过超精密注塑来完成。如果光学棱镜20在将来玻璃模压工艺得到完善，采用玻璃材料也是可以制造的。

如图8所示，在微型显示器10与光学棱镜20的入射面21之间设置滤光片50或者弧形玻璃罩，以增强成像质量。

上述的入射面21、全反射面22和出射面23都分别满足非球面公式：

上述的入射面21、全反射面22和出射面23都分别满足非球面公式：

其中，c为顶点曲率半径的倒数，r为球面上的点达z轴的距离，k是圆锥系数，当k<-1时，表示双曲面，当k＝-1时，表示抛物线，当-1<k<0 时，表示椭球面，当k＝0时，表示球面；

是非球面的高次项。

申请人利用专用的工具可以是任何可以完成成像分析的软件，比如ZEMAX、 CODEV、OSLO；利用专用的工具可以获得入射面21、全反射面22和出射面23 的具体方程：

例如：入射面21的方程式是：

c＝1/13.96915

k＝-1.151052

α1＝0

α2＝2.2016375e-06

α3＝-1.5995602e-07

α4＝1.7032246e-09

α5＝α6＝α7＝α8＝0

全反射面22的方程式是：

c＝1/-2387.141

k＝13648.78

α1＝0

α2＝2.2016375e-05

α3＝-3.654673e-08

α4＝3.7765462e-09

α5＝α6＝α7＝α8＝0

出射面23的具体方程是：

c＝1/12.94697

k＝-5.511468

α1＝α2＝α3＝α4＝0

α5＝α6＝α7＝α8＝0

上述公式中c是表面的曲率，k是二次项系数。α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7，α8是非球面系数。具体实施过程中，入射面21、全反射面22和出射面23可以根据需要改变，改变其中的非球面参数就可以实现。

比如：c和k的数值可以改变。其中α1，α2，α3，α4，α5，α6，α7，α8的参数都可以改变。上述举例仅仅是其中的一种情况。

另外，入射面21、全反射面22和出射面23也可以采用Extended Polynomial(扩展多项式)面型，满足以下公式：

其中：c是表面的曲率，k是二次项系数，N是多项式系数的数量；r为归一化半径，Ai是多项式系数，x,y是笛卡尔坐标的x轴和y轴的数值，Ei(x,y) 是多项式。

还有，入射面21、全反射面22和出射面23采用自由曲面面型或者非球面面型。

以上对入射面21、全反射面22和出射面23的面型的选择可以根据具体情况而定。

本实用新型的微型显示器成像光学系统既可以用于单目近眼显示产品, 也可以用于双目近眼显示产品。

实施例二：

如图4至图8所示，一种带VR/AR功能的设备，包括左眼微型显示器成像光学系统100、右眼微型显示器成像光学系统200和机壳300，左眼微型显示器成像光学系统100、右眼微型显示器成像光学系统200安装在机壳300 上，其特征在于：左眼微型显示器成像光学系统100和右眼微型显示器成像光学系统200都采用实施例一所述的微型显示器成像光学系统。

上述的左眼微型显示器成像光学系统100和右眼微型显示器成像光学系统200中的光学棱镜20至少一部分外露出机壳300。人的眼球40既可以从光学棱镜20看到微型显示器上视频图像(虚像)，也可以从光学棱镜20裸露出机壳300的部分观看实体景像，避免戴上设备后眼睛不能观看周围环境。

左眼微型显示器成像光学系统100、右眼微型显示器成像光学系统200 各有一片光学棱镜20，利用两块光学棱镜20经过双眼形成的图像就会在人的大脑形成三维立体的图像。光学棱镜20安装在一个支架30上。如图8和图6所示，微型显示器10及光学棱镜20安装在一个支架30上形成一个模组，在支架30的顶部外侧安装驱动线路板60，在微型显示器10与光学棱镜20 的入射面21之间设置滤光片50或者弧形玻璃罩，以增强成像质量。滤光片 50也安装在支架30上，在微型显示器10的下面安装有一垫片70，垫片70 的厚度是可以改变的，通过调节垫片70的厚度，可以调节微型显示器10及光学棱镜20的入射面21之间的距离，适用不同的视力的人群，因此，可以根据使用者的要求定制一定厚度的垫片70，以适应使用者的视力要求，而无需增加近视眼镜或者远视眼镜就可以直接佩戴VR/AR功能的设备，使用更加方便轻松。

实施例三：

如图9所示，一种眼镜，在两个镜片400上安装一套微型显示器成像光学系统500，就具有VR/AR功能。VR是英语Virtual Reality的简称，中文译为虚拟现实，人们通过利用计算机的图形系统和头戴设备形成一种360度沉浸式的虚拟环境，并通过感应设备或者其它配件与上述的虚拟环境进行交互，带来和现实截然不同的感官体验。

AR(Augmented Reality)，增强现实，如果说VR给到消费者的是一个 100％的虚拟世界，那么AR就是以现实世界的实体为主体，借助于数字技术帮助消费者更好地探索现实世界并与之交互。它可以将现实世界中很难体验到的信息，如画面、声音、味道、触觉等，通过模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。现实增强技术在日常生活中还有许多好处。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本权利要求书中，用语“一个”、“一”、“”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

应可理解的是，本实用新型不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本实用新型能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本实用新型的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本实用新型延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本实用新型的多个可替代方面。本说明书的实施方式说明了已知用于实现本实用新型的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本实用新型。