一种基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统的制作方法

本实用新型涉及近眼显示系统设计技术领域，特别是涉及一种基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统。

背景技术：

增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示系统设计是增强现实技术中的关键环节，如何同时提升近眼显示系统的视场角、亮度、均匀性和对比度并减小系统功耗和体积是该研究领域的热点问题。

目前，市面上已经推出了各种各样的近眼显示方案，比如googleglass(谷歌眼镜)的反射式棱镜、微软hololens(microsofthololens)的全息体光栅、lumus(位于以色列的ar眼镜光学方案厂商)的几何阵列波导、以及北京理工大学的自由曲面棱镜等等。其中反射式棱镜结构简单，但视场角很小；全息体光栅一方面加工困难，另外一方面也存在视场角小、色散严重等问题；几何阵列波导是个不错的技术方案，但波导元件无法设计光焦度从而带来了一些使用的局限性；自由曲面棱镜由于是离轴系统，一方面存在较大的离轴像差，后期的加工装配也都需要严格的要求，从而不利于量产面向消费者。专利号为cn108227205的专利也公开了一种近眼显示方案，其结构不够紧凑，造成了很多空间的浪费；此外，其能量利用率理论计算还不到6％，且需要额外的挡光装置来消除外界杂光的影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统，以解决目前采用的近眼显示方案成像质量差、装配难度大且空间浪费严重的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统，所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统包括：图像源、分光镜和自由曲面镜；所述分光镜设置在所述图像源的出射光路上；所述自由曲面镜设置在所述分光镜的反射光路上；所述分光镜和所述自由曲面镜均对可见光波段具有部分反射和部分透射功能；由所述图像源出射的光线入射到所述分光镜的分光面上，形成透射分路和反射分路；所述反射分路入射到所述自由曲面镜的部分反部分透面后发生反射，形成反射光路；所述反射光路经过所述分光镜的所述分光面和镀膜面后被人眼接收，形成虚拟信息光路；外部环境光线透射经过所述自由曲面镜的透光面和所述部分反部分透面后进入人眼，与所述虚拟信息光路叠加；所述分光面为所述分光镜远离人眼一侧的镜面；所述镀膜面为所述分光镜靠近人眼一侧的镜面；所述部分反部分透面为所述自由曲面镜靠近人眼一侧的镜面；所述透光面为所述自由曲面镜远离人眼一侧的镜面。

可选的，所述图像源和所述分光镜之间还设有投影透镜组；所述投影透镜组设置在所述图像源的出射光路上；所述分光镜设置在所述投影透镜组的出射光路上。

可选的，所述分光镜、所述自由曲面镜以及所述投影透镜组采用光学塑料或光学玻璃制成，面型为球面或者非球面。

可选的，所述图像源为液晶显示器lcd、有机发光二极管oled、数字光处理技术dlp投影仪或硅基液晶lcos。

可选的，所述分光镜为偏振分光镜。

可选的，所述分光镜与所述自由曲面镜之间还设有一层1/4波片。

可选的，所述分光镜靠近人眼的一侧的所述镀膜面上贴有线性偏振膜。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供一种基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统，所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统包括图像源、分光镜和自由曲面镜。所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统运用自由曲面面型，可用较少的镜片实现较高成像质量；并且由于本实用新型所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统是共轴系统，因此更容易装配，生产良率高；此外本实用新型所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统结构紧凑、占用空间更小，解决了目前采用的近眼显示方案成像质量差、装配难度大且空间浪费严重的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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，还可以根据本实用新型提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例一的虚拟信息光路示意图；

图2为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例一的真实世界光路示意图；

图3为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例一的成像质量调制传递函数示意图；

图4为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例一的畸变曲线图；

图5为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例二的虚拟信息光路示意图；

图中标号分别为：1、人眼，2、分光镜，3、自由曲面镜，4、第一投影透镜，5、第二投影透镜，6、图像源，7、1/4波片。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本实用新型的目的是提供一种基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统，以解决目前采用的近眼显示方案成像质量差、装配难度大且空间浪费严重的问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供的所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统包括：图像源6、分光镜2和自由曲面镜3。其中所述分光镜2设置在所述图像源6的出射光路上；所述自由曲面镜3设置在所述分光镜2的反射光路上；所述分光镜2和所述自由曲面镜3均对可见光波段具有部分反射和部分透射功能。所述部分反射和部分透射功能可以通过在所述分光镜2的分光面202和所述自由曲面镜3的部分反部分透面301上镀部分反射部分透射膜来实现。

所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统的工作过程为：

由所述图像源6出射的光线入射到所述分光镜2的分光面201上，形成透射分路和反射分路；所述反射分路入射到所述自由曲面镜3的部分反部分透面301后发生反射，形成反射光路；所述反射光路经过所述分光镜2的所述分光面202和镀膜面201后被人眼1接收，形成虚拟信息光路。而外部环境光线透射经过所述自由曲面镜3的透光面302和所述部分反部分透面301后进入人眼1，与所述虚拟信息光路叠加，实现增强现实功能。

图1为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例一的虚拟信息光路示意图。图2为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例一的真实世界光路示意图。本实用新型实施例均采用水平向右为z轴方向，垂直z轴向上为y轴方向，垂直yoz平面纸面向里为x轴方向的右手坐标系，坐标原点位于出瞳位置的中心。

如图1和图2所示，本实用新型实施例一提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统包括分光镜2、自由曲面镜3、投影透镜组(包括第一投影透镜4和第二投影透镜5)、以及图像源6。所述投影透镜组设置在所述图像源6和所述分光镜2之间还设有；所述投影透镜组设置在所述图像源6的出射光路上；所述分光镜2设置在所述投影透镜组的出射光路上。

其中分光镜2的两个镜面分别为分光面202和镀膜面201，所述分光面202为所述分光镜2远离人眼1一侧的镜面；所述镀膜面201为所述分光镜2靠近人眼1一侧的镜面。所述自由曲面镜3的两个镜面分别为部分反部分透面301和透光面302。所述部分反部分透面301为所述自由曲面镜3靠近人眼1一侧的镜面；所述透光面302为所述自由曲面镜3远离人眼1一侧的镜面。所述第一投影透镜4具有第一镜面401和第二镜面402。所述第二投影透镜5具有第三镜面501和第四镜面502。

所述分光镜2和所述自由曲面镜3对可见光波段(430-680nm)具有部分反射部分透射效果。所述部分反射部分透射效果可以通过在分光面202和部分反部分透面301上镀部分反射部分透射膜来实现，本实用新型实施例一中镀膜透射率为50％，反射率50％，即所述部分反部分透面301为半反半透面。

如图1所示，所述图像源6发出的光线经过第二投影透镜5、第一投影透镜4透射后入射到分光镜2的分光面202上形成透射和反射两个分路，反射分路入射到自由曲面镜3的半反半透面301后发生反射再回到分光镜2，透射经过分光面202、镀膜面201后被人眼1接收，形成虚拟信息光路。如图2所示，外部环境光线透射经过自由曲面镜3的透光面302、半反半透面301后透射经过分光镜2的分光面202、镀膜面201后进入人眼1，与虚拟信息光路叠加，从而实现增强现实功能。

其中，所述图像源1可以为液晶显示器(lcd，liquidcrystaldisplay)、有机发光二极管(oled，organiclight-emittingdiode)、数字光处理技术(dlp，digitallightprocessing)投影仪、硅基液晶(lcos，liquidcrystalonsilicon)中的一种。

所述投影透镜组中的第一投影透镜4、第二投影透镜5均是中继透镜，用于改善成像质量。

所述分光镜2、所述自由曲面镜3以及所述投影透镜组可以采用光学塑料或光学玻璃制作，具有良好的透光性；其面型可以为球面或者非球面。其中非球面表达式为：

公式(1)中，z是非球面矢高，r是表面曲率半径，r是透镜半径，k是二次曲面常数。a、b、c、d…分别是4、6、8、10…阶非球面系数。

所述自由曲面镜3的镜片面型为xy多项式，具体表达式为：

公式(2)中，x、y、z为曲面上点的坐标，r是表面曲率半径，k是二次曲面常数，c(m，n)为对应多项式x^myⁿ的系数，p是多项式的最高次幂，m、n分别是x项和y项的次数；1≤m+n≤p。

作为优选的，所述分光镜2可以是偏振分光镜，这样可以提高本实用新型近眼显示系统的能效，在图像源1不更换的前提下提高显示亮度。

作为进一步优选的，所述分光镜2靠近人眼的一侧的所述镀膜面201可以加贴线性偏振膜，这样可以在不外加物理遮挡的情况下消除外界杂光的影响，提高虚拟信息显示对比度。

本实用新型实施例一的面型参数数据表如表1所示：

表1实施例一面型参数数据表

表1中光阑就是指人眼，所述实施例一的出瞳直径为8mm，出瞳距离14mm，全视场角为40度，全视场mtf(modulationtransferfunction，调制传递函数)值在30lp/mm处大于0.2，如图3所示。全视场畸变小于3％，如

图4所示。图4横坐标为百分比，纵坐标为畸变。

图5为本实用新型提供的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统实施例二的虚拟信息光路示意图。如图5所示，本实用新型实施例二与实施例一的区别在于，在实施例一的基础上进一步约束所述分光镜2为偏振分光镜，且在所述分光镜2和所述自由曲面镜3之间添加一层1/4波片7，用于提高显示亮度。所述1/4波片7分别设置在所述分光镜2和所述自由曲面镜3各自的反射光路上。

在这里例举一个实施例，所述偏振分光镜2的分光面202为反s透p偏振反射膜，图像源6发出的光线经过第二投影透镜5、第一投影透镜4透射后入射到分光镜2的分光面202上，光线被分成两束偏振光；其中s光发生反射经过1/4波片7后变成圆偏振光，再到自由曲面镜3的半反半透面301后发生反射再回到1/4波片7，透射后变成p光，继而透射经过分光面202、镀膜面201后被人眼1接收，形成虚拟信息光路；经过理论计算，采用该技术路线可在图像源1不更换的前提下显示亮度提升1倍，且对原成像质量无任何影响。

作为进一步优选的，如图5所示，可将所述分光镜2的镀膜面201表面加贴一层线性偏振膜。假设所述偏振分光镜2的分光面202为反s透p偏振反射膜，则镀膜面201表面加贴透p光的线性偏振膜。这样，来自镀膜面201镜片下方的外界杂光将不会被镀膜面201表面以及分光面202表面反射进入人眼1，从而可以在不外加物理遮挡的情况下消除外界杂光的影响，提高虚拟信息显示对比度。

可见相比于现有的其他近眼显示系统，本实用新型提出的基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统至少具有以下优点：

1、本实用新型所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统运用自由曲面面型，可用较少的镜片实现较高成像质量；且由于是共轴系统，系统容易装配，生产良率高；

2、所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统采用偏振的方法提高显示亮度，可以有效提高能量利用率；

3、所述基于自由曲面反射的共轴近眼显示系统可在不外加物理遮挡的情况下消除外界杂光的影响，提高虚拟信息显示对比度。

以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。