本發(fā)明涉及用于計算機設(shè)備的光學(xué)顯示設(shè)備，具體的說，涉及一種適用于增強現(xiàn)實及混合現(xiàn)實設(shè)備的成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，頭戴式計算機設(shè)備呈現(xiàn)出爆炸性的發(fā)展。VR（虛擬現(xiàn)實）、AR（增強現(xiàn)實）、MR（混合現(xiàn)實）設(shè)備層出不窮。然而在頭戴式計算機設(shè)備當中，特別是頭戴式增強現(xiàn)實計算機和混合現(xiàn)實計算機，采用的要么是厚重的、視場角狹小的偏振光學(xué)元件，要么是造價高昂的光柵、光波導(dǎo)元件。

這種現(xiàn)狀限制了增強現(xiàn)實設(shè)備和混合現(xiàn)實設(shè)備的發(fā)展和普及。

因此，需要一種輕薄的、廉價的、制造工藝簡單且具有大視場角的光學(xué)裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決上述問題的光學(xué)裝置。通過使用特定結(jié)構(gòu)的準直透鏡及光學(xué)基片構(gòu)成的光學(xué)裝置可以提供較大的視場角且造價低廉易于普及。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，優(yōu)選的提供一種實施例。包括：顯示像源，準直透鏡，光學(xué)基片，用于過濾發(fā)散光的部分反射面，用于最終將圖像光耦合出光學(xué)基片的反射平面。

優(yōu)選的，所述顯示像源是OLED顯示器或液晶顯示器。

優(yōu)選的，當所述準直透鏡是動態(tài)透鏡或者通過電子方法控制焦距的微透鏡陣列時可以更好的適應(yīng)觀察者眼球的屈光度。

優(yōu)選的，所述微透鏡陣列是折射微透鏡陣列或者衍射微透鏡陣列。

優(yōu)選的，所述微透鏡陣列的像素單元與顯示像源的像素單元一一對應(yīng)。

優(yōu)選的，所述準直透鏡還可以是菲涅爾透鏡。

優(yōu)選的，所述光學(xué)基片的兩平行面之間的距離為2mm~6mm。

優(yōu)選的，所述光學(xué)基片為塑料材質(zhì)或玻璃材質(zhì)。

優(yōu)選的， 所述光學(xué)基片的輸入面004a和004b與所述光學(xué)基片平行面的夾角大于30°小于75°。

優(yōu)選的，所述反射平面與所述光學(xué)基片的平行面的夾角大于25°小于40°。

優(yōu)選的，所述輸入面與所述光學(xué)基片平行面的夾角是所述反射平面與所述光學(xué)基片平行面的夾角的2倍。

優(yōu)選的，所述反射平面的透光率是可變的。

優(yōu)選的，所述用于過濾發(fā)散光的部分反射面折射率約等于1（比如空氣間隙），且其上任意一點的切平面與所述光學(xué)基片的兩平行面的夾角由上述實施例的條件決定。即由所述輸入面與所述光學(xué)基片平行面的夾角、所述反射平面與所述光學(xué)基片平行面的夾角、光學(xué)基片的折射率共同決定。

所述顯示像源001a和001b提供的圖像光分別經(jīng)由準直透鏡002a和002b準直后在光學(xué)基片003a和003b的輸入面004a和004b陷入光學(xué)基片。在光學(xué)基片的兩個平行面003a(a)、003a(2)和003b(1)、003b(2)分別經(jīng)內(nèi)反射傳遞至反射平面006a和006b最終入射到觀察者的視網(wǎng)膜上。

然而，對于通過拼接而成的圖像而言，其接縫位置若沒有冗余設(shè)計，觀察者在眼球轉(zhuǎn)動時必然會看到撕裂的圖像，同時顯示像源的發(fā)散光亦會導(dǎo)致觀察者看到不必要的邊緣重復(fù)影像。實際上，所述用于過濾發(fā)散光的部分反射面的作用即在于此。該部分反射面的存在能夠同時保證觀察者在合理的觀察范圍內(nèi)既不會看到由顯示像源發(fā)散光導(dǎo)致的邊緣重復(fù)影像，又能利用顯示像源的發(fā)散光保證觀察者在合理的觀察范圍內(nèi)不會看到撕裂的圖像。

應(yīng)當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并非對本發(fā)明所要求保護內(nèi)容的限制。

附圖說明

本申請中的附圖與上文給出的實施例及下文給出的詳細描述一起，用于解釋本發(fā)明的功能和優(yōu)點。

圖1是本發(fā)明的實施例的立體圖。

圖2是本發(fā)明的實施例采用折射型微透鏡陣列的側(cè)視圖。

圖3是本發(fā)明的實施例采用衍射型微透鏡陣列的側(cè)視圖。

圖4是本發(fā)明的實施例采用菲涅爾透鏡的側(cè)視圖。

圖5、圖6、圖7和圖8是本發(fā)明的實施例中采用折射型微透鏡陣列時，所述用于過濾發(fā)散光的部分反射面的原理圖。

圖9是本發(fā)明的實施例所述顯示像源的原理圖。

圖10是本發(fā)明權(quán)利要求2中所述顯示像源的原理圖。

圖11和圖12是本發(fā)明所述光學(xué)裝置嵌入平光鏡中的效果圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

圖1示出了實施例的一種安置方式，即顯示像源的圖像光分別從鏡片的上下兩側(cè)入射到光學(xué)基片003a和003b中。此時的縱向FOV取決于光學(xué)基片的兩個平行面之間的距離，即光學(xué)基片的主體厚度。而橫向的FOV則由顯示像源的尺寸決定。并且，在該光學(xué)裝置內(nèi)嵌于平光鏡中時，除該光學(xué)裝置以外的鏡片部分形狀不受限制。而在外界環(huán)境光線較強時，部分透光的遮光元件007則能夠保證圖像的顯示效果，當遮光元件007的透光率可變時，圖像與外部環(huán)境的結(jié)合能夠更為真實。

圖2、圖3、圖4三個側(cè)視圖示出了實施例中各個部分的實際位置。由側(cè)視圖中著顯而易見的軸對稱結(jié)構(gòu)可知，在討論所述實施例的原理時僅需說明其中一側(cè)的原理即可。

為了討論所述用于過濾發(fā)散光的部分反射面的面型，以圖2采用折射型微透鏡陣列的實施例作說明。建立如圖5所示的直角坐標系來研究該反射面與該直角坐標系所在平面的交線，即直角坐標系中曲線005af的方程。

如圖6所示，若005f不存在，則觀察者在合理的觀察角度內(nèi)難免的會在圖像邊緣看到一個由像源發(fā)散光產(chǎn)生的重復(fù)影像。為了避免這個情況，應(yīng)根據(jù)全內(nèi)反射的原理設(shè)計005af。即曲線段005af上任意一點A的切線與它的徑向夾角α滿足常微分方程。其中α由所采用的光學(xué)基片的折射率決定。（比如采用折射率為1.49的PMMA材料，則此時）。

另外，曲面005a的存在會導(dǎo)致不必要的外部光線被觀察到，為了解決這種情況，在光學(xué)基片的邊緣位置設(shè)置用于遮光的邊條即可解決問題。

在曲面005a滿足上述條件的情況下，對于圖7所示的觀察角度，由于此時像源的一部分發(fā)散光在曲面005a的入射角遠小于全內(nèi)反射的臨界角，發(fā)散光的大部分能量能夠透過曲面005a傳播。而在垂直于平行面003a（2）觀察時，如圖8所示，所觀察到的像源發(fā)出的圖像光離像源001a的邊緣存在一定的距離。

如圖9所示，由于在該實施例中存在兩個顯示像源，為了滿足觀察者正常觀察時圖像不會撕裂的要求，應(yīng)當在上述條件下使顯示像源對部分圖像數(shù)據(jù)進行復(fù)用。

對于所述的實施例，在顯示分辨率要求不高的情況下，采用光纖傳像束和單一的微型顯示器，并最終在光纖傳像束的輸出端構(gòu)成顯示像源同樣是可行的，此時兩組光纖傳像束的輸入端需要整合在一起。若采用單一的微型OLED顯示器，可直接將輸入端面緊貼OLED顯示器表面以縮小光學(xué)系統(tǒng)的體積。在這種應(yīng)用方式下，采用長寬比較小的顯示器并通過軟件方式實現(xiàn)對部分圖像數(shù)據(jù)進行復(fù)用即可使最終的顯示像源獲得較大的長寬比。而在輸出端，為了獲得較大尺寸的顯示像源，則需要對光纖傳像束的每根光纖的輸出端面分別進行膠接或者焊接處理，如圖10所示。

如權(quán)利要求10所述，本發(fā)明在實際應(yīng)用中可以有多種靈活的組合。不僅能夠適用于大視野的應(yīng)用要求，如圖11所示；還可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境簡化設(shè)計，如僅在觀察者的視野兩側(cè)顯示圖像，如圖12所示。