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

背景技術：

近年來，頭戴式計算機設備呈現(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）設備層出不窮。然而在頭戴式計算機設備當中，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元件，要么是造價高昂的光柵、光波導元件。

這種現(xiàn)狀限制了增強現(xiàn)實設備和混合現(xiàn)實設備的發(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裝置。

技術實現(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裝置。通過使用特定結構的準直透鏡及光學基片構成的光學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)選的提供一種實施方式。包括：顯示像源，準直透鏡，光學基片，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基片的反射平面以及用于遮擋不必要外部光線的遮光邊條。

優(yōu)選的，所述顯示像源是oled顯示器或qled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。

優(yōu)選的，所述準直透鏡還可以是菲涅爾透鏡。

優(yōu)選的，所述光學基片的兩平行面之間的距離為2mm~6mm。

優(yōu)選的，所述光學基片為塑料材質或玻璃材質。

優(yōu)選的，所述光學基片的輸入面004a和004b與所述光學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基片平行面的夾角是所述反射平面與所述光學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基片平行面的夾角、所述反射平面與所述光學基片平行面的夾角、光學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準直后在光學基片003a和003b的輸入面004a和004b陷入光學基片。在光學基片的兩個平行面003a(1)、003a(2)、003b(1)、003b(2)和反射平面006a和006b分別各反射一次后從光學基片的平行面003a（2）和003b（2）射出并最投射到觀察者的視網(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計，觀察者在眼球轉動時必然會看到撕裂的圖像，同時顯示像源的發(fā)散光亦會導致觀察者看到不必要的邊緣重復影像。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既不會看到由顯示像源發(fā)散光導致的邊緣重復影像，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不會看到撕裂的圖像。

應當理解，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剖面圖。

圖3是本發(fā)明的實施例采用衍射型微透鏡陣列的剖面圖。

圖4是本發(fā)明的實施例采用菲涅爾透鏡的剖面圖。

圖5是本發(fā)明的實施例中采用折射型微透鏡陣列時，為了說明各部分結構應用原理而設置了必要的平面直角坐標系的剖面圖。

圖6是本發(fā)明的實施例中采用折射型微透鏡陣列時，在如該圖所示的觀察角度時光學基片003a中各部分的應用原理圖。

圖7是本發(fā)明的實施例中采用折射型微透鏡陣列時，在如該圖所示的觀察角度時光學基片003a中各部分的應用原理圖。

圖8是本發(fā)明的實施例中采用折射型微透鏡陣列時，在如該圖所示的觀察角度時光學基片003a中各部分的應用原理圖。

圖9是本發(fā)明的實施例所述顯示像源復用圖像數(shù)據(jù)的原理圖。

圖10是本發(fā)明權利要求2中所述顯示像源的原理圖。

圖11是本發(fā)明所述光學裝置嵌入平光鏡中的效果圖。

圖12是如權利要求10所述單組應用本發(fā)明所述光學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)。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發(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入射到光學基片003a和003b中。此時的縱向fov取決于光學基片的兩個平行面之間的距離，即光學基片的主體厚度。而橫向的fov則由顯示像源的尺寸決定。并且，在該光學裝置內嵌于平光鏡中時，除該光學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)境的結合能夠更為真實。

圖2、圖3、圖4三個剖面圖示出了采用不同準直透鏡的實施方式中各個部分的實際位置。由各剖面圖中顯而易見的軸對稱結構可知，在下文討論實施例的原理時僅需說明其中一側的原理即可。

結合上述發(fā)明內容，以采用折射型微透鏡陣列的實施方式作為參考示范性實施例。

為了討論該實施例中各個部分的設計原理，在剖面圖所屬平面建立如圖5所示的平面直角坐標系。平面直角坐標系的原點o位于所述反射平面006a靠近所述光學基片平行面003a(1)一側的邊緣。通過討論各個部分與所述剖面圖所屬平面的交線即可理解本發(fā)明的要點。

如圖5所示，部分反射面005a與所述剖面圖所屬平面的交線所構成的曲線段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，如圖6所示，從像源001a發(fā)射出的大部分圖像光在經(jīng)由光學基片平行面003a（1）、003a（2）和反射平面006a反射后射出光學基片平行面003a（2）。當oa與所述光學基片平行面的夾角小于或等于線段om與所示光學基片平行面的夾角時，即以該圖所示的觀察角度觀察時，由于部分反射面的存在，像源001a遠離所述光學基片平行面003a(1)一側的部分圖像光被反射。

并且由于光學基片邊緣遮光邊條008a的存在，在合理的觀察范圍內觀察者不會在反射平面006a靠近所述光學基片平行面003a(1)的一側看到不必要的外部光線。

在曲線005af滿足上述條件的情況下，部分反射面005a上任意一點的切平面與所述光學基片的平行面的夾角即可滿足因內反射過濾所述圖像光的部分散射光的要求。

在對于圖7所示的觀察角度，由于此時像源的一部分圖像光在部分反射面005a的入射角遠小于全內反射的臨界角，因此其大部分能量能夠透過部分反射面005a傳播。

而當觀察者垂直于平行面003a（2）觀察時，如圖8所示，所觀察到的由像源發(fā)出的圖像光離像源001a遠離所述光學基片平行面003a(1)的一側的邊緣存在一定的距離，并且由于此時這部分圖像光在部分反射面005a的入射角同樣遠小于全內反射的臨界角，因此依舊可以透過部分反射面005a傳播。

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，應當在上述條件下使顯示像源對遠離所述光學基片平行面003a(1)和003b(1)一側的部分圖像數(shù)據(jù)進行復用。

應當理解，實際應用中，在滿足上述設計條件下，反射平面并非必須與光學基片的平行面相交。而是可以根據(jù)實際效果，如體積，可視角度等因素綜合考慮。

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系統(tǒng)的體積。在這種應用方式下，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。

如權利要求10所述，本發(fā)明在實際應用中可以有多種靈活的組合。既能夠適用于大視野的應用要求，如圖11所示。

還可以根據(jù)應用環(huán)境簡化設計，如僅在觀察者的視野兩側顯示圖像，如圖12所示。由于此時反射平面位于視野兩側，為了獲得理想的顯示效果，所述輸入面與所述光學基片平行面的夾角并非必須是所述反射平面與所述光學基片平行面的夾角的2倍。