本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)多媒體技術(shù)傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。模擬環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。

而作為實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)備之一的頭盔顯示設(shè)備也隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，得到了各界的關(guān)注。

目前的頭盔顯示設(shè)備中，能夠增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬世界的信息和現(xiàn)實(shí)世界的信息疊加在一起，但因結(jié)構(gòu)設(shè)置的限制存在視場角無法滿足用戶需求、清晰度不足等缺陷，同時(shí)，因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也限制了設(shè)備的使用人群及范圍，不利于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及。

因此，如何設(shè)計(jì)一種能夠解決上述問題的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示結(jié)構(gòu)，是亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)用性強(qiáng)，通過結(jié)構(gòu)的設(shè)置有效提高了近眼顯示設(shè)備的視場角度及觀看像質(zhì)，進(jìn)而提高了應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的近眼顯示設(shè)備的適用性及可靠性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括微型圖像顯示器、與所述微型圖像顯示器平行設(shè)置的透鏡、以及呈傾斜狀態(tài)固定設(shè)置在所述微型圖像顯示器與透鏡之間的半透半反平面鏡；

所述微型圖像顯示器的顯示屏幕與所述透鏡的頂面相對(duì)設(shè)置，且所述透鏡的底面設(shè)有反射膜；

所述半透半反平面鏡的頂面與所述微型圖像顯示器的顯示屏幕之間呈銳角角度設(shè)置，且所述半透半反平面鏡的頂面用于接收外部光，使得所述外部光部分穿過所述半透半反平面鏡的底面；

在所述微型圖像顯示器播放畫面時(shí)，播放畫面的光經(jīng)所述半透半反平面鏡部分透射至所述透鏡，并經(jīng)由所述透鏡的底面反射至所述半透半反平面鏡的底面，使得所述播放畫面的光及外部光均通過所述半透半反平面鏡的底面發(fā)出。

進(jìn)一步的，所述半透半反平面鏡的頂面與所述微型圖像顯示器的顯示屏幕之間的銳角角度為45°。

進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)還包括：成像透鏡；

所述成像透鏡固定設(shè)置在微型圖像顯示器與半透半反平面鏡之間，且所述成像透鏡與所述微型圖像顯示器的顯示屏幕平行設(shè)置，使得播放畫面的光經(jīng)所述成像透鏡放大后射入所述半透半反平面鏡。

進(jìn)一步的，所述成像透鏡為單透鏡或透鏡組。

進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)還包括：折射率高于空氣且低于透鏡的介質(zhì)桶；

所述介質(zhì)桶與所述透鏡同軸設(shè)置，且所述介質(zhì)桶圍設(shè)在所述半透半反平面鏡的外部。

進(jìn)一步的，靠近所述微型圖像顯示器的所述介質(zhì)桶的頂面與所述微型圖像顯示器的顯示屏幕相對(duì)設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述微型圖像顯示器的顯示屏幕與所述透鏡的頂面之間的距離大于或等于22mm。

進(jìn)一步的，所述透鏡為單透鏡。

進(jìn)一步的，所述透鏡為雙膠合透鏡或三膠合透鏡。

進(jìn)一步的，所述半透半反平面鏡的光透射率與光反射率均為50％。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明所述的一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)，包括微型圖像顯示器、與微型圖像顯示器平行設(shè)置的透鏡、以及呈傾斜狀態(tài)固定設(shè)置在微型圖像顯示器與透鏡之間的半透半反平面鏡；微型圖像顯示器的顯示屏幕與透鏡的頂面相對(duì)設(shè)置，且透鏡的底面設(shè)有反射膜；半透半反平面鏡的頂面與微型圖像顯示器的顯示屏幕之間呈銳角角度設(shè)置，且半透半反平面鏡的頂面用于接收外部光；在微型圖像顯示器播放畫面時(shí)，播放畫面的光經(jīng)半透半反平面鏡部分透射至透鏡，并經(jīng)由透鏡的底面反射至半透半反平面鏡的底面；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)用性強(qiáng)，通過結(jié)構(gòu)的設(shè)置有效提高了近眼顯示設(shè)備的視場角度及觀看像質(zhì)，進(jìn)而提高了應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的近眼顯示設(shè)備的適用性及可靠性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的第一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例二的一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的第二種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例三的一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的第三種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中近眼顯示光學(xué)顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)識(shí)示意圖；

圖6是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中基于分離透鏡的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中基于一體式透鏡的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中光學(xué)系統(tǒng)周圍視場分析用像素點(diǎn)示意圖；

其中，10-微型圖像顯示器；20-半透半反平面鏡；30-透鏡；31-反射膜；40-成像透鏡；50-介質(zhì)桶。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的實(shí)施例一提供了一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的第一種具體實(shí)施方式，參見圖1，該系統(tǒng)具體包括如下內(nèi)容：

微型圖像顯示器10、與所述微型圖像顯示器10平行設(shè)置的透鏡30、以及呈傾斜狀態(tài)固定設(shè)置在所述微型圖像顯示器10與透鏡30之間的半透半反平面鏡20。

在所述微型圖像顯示器10中，所述微型圖像顯示器10的顯示屏幕與所述透鏡30的頂面相對(duì)設(shè)置，所述微型圖像顯示器10的顯示屏幕與所述透鏡30的頂面之間的距離大于或等于22mm，且所述透鏡30的底面設(shè)有反射膜31；其中，所述微型圖像顯示器10選用尺寸小且高分辨率的顯示屏幕，有助于減小光學(xué)模組的體積和重量，且所述微型圖像顯示器10的顯示屏幕可以為LCD顯示屏，所述微型圖像顯示器10與所述透鏡30之間的距離即為本光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

在所述半透半反平面鏡20中，所述半透半反平面鏡20的頂面與所述微型圖像顯示器10的顯示屏幕之間呈銳角角度設(shè)置，最佳的銳角角度為45°，且所述半透半反平面鏡的頂面用于接收外部光，使得所述外部光部分穿過所述半透半反平面鏡的底面，在人使用設(shè)有本光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)備時(shí)，能夠在所述半透半反平面鏡20的底面的一側(cè)看見投射過來的部分外部光，其中，所述半透半反平面鏡20的光透射率與光反射率均為50％，所述外部光可以為人工的室內(nèi)燈光，也可以為自然光。

在所述透鏡30中，所述透鏡30可以為單透鏡，所述透鏡30也可以為雙膠合透鏡或三膠合透鏡，在透鏡30中，透鏡的面型可以為曲面、平面或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要而設(shè)置的其他形狀的面型。

在上述描述中，在所述微型圖像顯示器10播放畫面時(shí)，播放畫面的光經(jīng)所述半透半反平面鏡20部分透射至所述透鏡30，并經(jīng)由所述透鏡30的底面反射至所述半透半反平面鏡20的底面，使得所述播放畫面的光及外部光均通過所述半透半反平面鏡的底面發(fā)出，人在使用設(shè)有本光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)備時(shí)，能夠在所述半透半反平面鏡的底面的一側(cè)同時(shí)看見投射過來的部分外部光及所述微型圖像顯示器10的播放畫面，實(shí)現(xiàn)了虛擬世界信息和現(xiàn)實(shí)世界信息的疊加。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例通過結(jié)構(gòu)的設(shè)置有效提高了近眼顯示設(shè)備的視場角度及觀看像質(zhì)，進(jìn)而提高了應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的近眼顯示設(shè)備的適用性及可靠性。

本發(fā)明的實(shí)施例二提供了一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的第二種具體實(shí)施方式，參見圖2，該系統(tǒng)具體還包括如下內(nèi)容：

成像透鏡40，所述成像透鏡40固定設(shè)置在微型圖像顯示器10與半透半反平面鏡20之間，且所述成像透鏡40與所述微型圖像顯示器10的顯示屏幕平行設(shè)置，使得播放畫面的光經(jīng)所述成像透鏡40放大后射入所述半透半反平面鏡20，且所述成像透鏡20根據(jù)實(shí)際情況可以為單透鏡或透鏡組。

在上述描述中，所述成像透鏡40將微型圖像顯示器10的圖像進(jìn)行放大成像后，再經(jīng)下面的成像透鏡40及半透半反平面鏡20，使得微型圖像顯示器10的圖像最終經(jīng)半透半反平面鏡20射出，被使用者的眼睛接收，且所述成像透鏡40的面型可以為曲面、平面或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要而設(shè)置的其他形狀的面型。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了在不改變微型圖像顯示器的大小的前提下，也可以保證近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的成效焦距為最佳距離，保證了近眼顯示設(shè)備的視場角度及觀看像質(zhì)。

本發(fā)明的實(shí)施例三提供了一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的第三種具體實(shí)施方式，參見圖3，該系統(tǒng)具體還包括如下內(nèi)容：

折射率高于空氣且低于透鏡的介質(zhì)桶50，所述介質(zhì)桶50與所述透鏡30同軸設(shè)置，且所述介質(zhì)桶50圍設(shè)在所述半透半反平面鏡20的外部；其中，靠近所述微型圖像顯示器10的所述介質(zhì)桶50的頂面所述微型圖像顯示器10的顯示屏幕相對(duì)設(shè)置，所述介質(zhì)桶50的頂面的面型可以為曲面、平面或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要而設(shè)置的其他形狀的面型，且與所述微型圖像顯示器10的顯示屏相對(duì)的一面可以為凸面、平面或凹面等面型。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例在能夠保證微顯示器與底部透鏡距離的同時(shí)增大觀看視角，同時(shí)接近顯示器的透鏡面也可以為曲面、平面或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要而設(shè)置的其他形狀的面型，這樣可以進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。

為進(jìn)一步的說明本方案，本發(fā)明還提供一種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，該應(yīng)用實(shí)例中的光學(xué)系統(tǒng)具體包括如下內(nèi)容：

(1)微型圖像顯示器：光學(xué)系統(tǒng)微型圖像顯示器光學(xué)系統(tǒng)這段距離不應(yīng)小于22mm，以滿足真實(shí)世界的光線可以完全進(jìn)入人眼不產(chǎn)生遮擋。

(2)半反半透平面鏡：該鏡片為50％比例透射50％比例反射的平面鏡，它相對(duì)于微型顯示屏成45°角傾斜放置。

(3)鍍有反射膜的透鏡：該透鏡可以為單透鏡、雙膠合透鏡、三膠合透鏡等，并且在透鏡的最后一面鍍有反射膜。

如圖4所示為本應(yīng)用實(shí)例中的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該光學(xué)系統(tǒng)由微型圖像顯示器、半反半透平面鏡、底面鍍有反射膜的透鏡組成。微型圖像顯示器發(fā)出的光線，經(jīng)過半反半透平面鏡，一定比例的光線透射通過，然后進(jìn)入鍍有反射膜的透鏡，在該透鏡的底面發(fā)生反射后再次穿過透鏡，在半反半透鏡處發(fā)生反射，進(jìn)入人眼。真實(shí)世界的物體發(fā)出的光線通過半反半透平面鏡透射進(jìn)入人眼。從而實(shí)現(xiàn)了虛擬世界信息和現(xiàn)實(shí)世界信息的疊加。

上述光學(xué)系統(tǒng)的2.三種近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)光路分析包括：

(1)三種光學(xué)系統(tǒng)顯示方案

方案一：基于單透鏡的光學(xué)系統(tǒng)

如圖5所示，以微型圖像顯示器上一個(gè)像素點(diǎn)為例，一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的光線經(jīng)過半反半透平面鏡，一定比例的光線透射過去，進(jìn)入鍍有反射膜的透鏡，在透鏡的表面發(fā)生折射，然后在最后一個(gè)面發(fā)生反射，再經(jīng)過透鏡表面的折射。因?yàn)槲⑿蛨D像顯示器位于該透鏡的焦平面上，所以從透鏡中出射的光線為平行光束，然后平行光束經(jīng)過半反半透平面鏡，一定比例的平行光被反射，然后進(jìn)入人眼。外面真實(shí)世界的光線經(jīng)過半反半透平面鏡，一定比例的光線進(jìn)入人眼。所以，虛擬世界的信息疊加到了現(xiàn)實(shí)世界中。

該光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f，水平視場角為θ，微型圖像顯示器的長度為η。由公式(1)可知：

當(dāng)微型圖像顯示器尺寸一定時(shí)，減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距，可以增大視場角。而為了保證光學(xué)系統(tǒng)不遮擋人的視線，微型圖像顯示器與透鏡的垂直高度h≥22mm，則焦距f>h≥22mm。所以應(yīng)適當(dāng)選擇光學(xué)系統(tǒng)的焦距，在保證視線不被遮擋的同時(shí)，增大視場角。以0.7英寸的LCD顯示屏為例，設(shè)計(jì)得到光學(xué)系統(tǒng)的焦距為25mm，由公式(1)計(jì)算得出，對(duì)角線視場角為42°。

方案二：基于分離透鏡的光學(xué)系統(tǒng)

通過上述分析可以得知，為了獲得大的觀看視角，就必須減小底部透鏡的焦距，這與微型圖像顯示器和底部透鏡的間隔必須大于22mm的條件產(chǎn)生了矛盾。因此，為了調(diào)節(jié)這個(gè)矛盾以進(jìn)一步增大視角，提出了基于分離透鏡的光學(xué)系統(tǒng)。

如圖6所示，在微型圖像顯示器和半反半透平面鏡之間放置成像透鏡(單透鏡、透鏡組皆可)，該透鏡將微型圖像顯示器上的圖像進(jìn)行放大成像后，再通過下面的光學(xué)器件，最終進(jìn)入人眼。成像透鏡將微型圖像顯示器上的圖像放大，相當(dāng)于微型圖像顯示器的長度η增大，由公式(1)可以推出，在保持光學(xué)系統(tǒng)的焦距不變的情況下，光學(xué)系統(tǒng)的視角增大了。

方案三：基于一體式透鏡的光學(xué)系統(tǒng)

為了使得光學(xué)系統(tǒng)的裝配更加方便，提出基于一體式透鏡的光學(xué)系統(tǒng)方案，如圖7所示。這種方案是將方案一中底部透鏡的上方由空氣替換為折射率高于空氣但低于底部透鏡材料折射率的介質(zhì)桶，如底部透鏡材料為PC，介質(zhì)桶材料為PMMA，在介質(zhì)桶中放置有半反半透鏡，需要說明的是，上述材料僅僅是舉例，其他光學(xué)材料的組合也是在保護(hù)范圍之內(nèi)。

這種光學(xué)結(jié)構(gòu)在能夠保證微顯示器與底部透鏡距離的同時(shí)增大觀看視角，同時(shí)接近顯示器的透鏡面也為曲面、平面或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要而設(shè)置的其他形狀的面型，這樣可以進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。

另外，針對(duì)于上述三種方案的底部透鏡都可以換為雙膠合或三膠合透鏡。雙膠合或三膠合透鏡比單透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此有更好的校正像差的能力。這樣可以在保證結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

(2)人眼轉(zhuǎn)動(dòng)與漸暈系數(shù)調(diào)整

在實(shí)際情況中，用戶觀看周圍視場時(shí)，眼球會(huì)向四周轉(zhuǎn)動(dòng)。為適用于該情況，微型圖像顯示器上不同視場的像素點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，會(huì)以不同角度的平行光入射到人眼。如圖8所示，像素點(diǎn)①發(fā)出的光線最終以下行的平行光進(jìn)入人眼，像素點(diǎn)②發(fā)出的光線最終以水平的平行光進(jìn)入人眼，像素點(diǎn)③發(fā)出的光線最終以上行的平行光進(jìn)入人眼。根據(jù)最大視場光線，合理調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的漸暈系數(shù)和視場偏移量，從而達(dá)到更好的觀看效果。

從上述描述可知，本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例結(jié)構(gòu)簡單且實(shí)用性強(qiáng)，通過結(jié)構(gòu)的設(shè)置有效提高了近眼顯示設(shè)備的視場角度及觀看像質(zhì)，進(jìn)而提高了應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的近眼顯示設(shè)備的適用性及可靠性。

以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。