可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于光學(xué)投影顯示技術(shù)，特別是關(guān)于一種可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]可穿戴式設(shè)備重量輕、好的攜帶舒適度和高性能的光學(xué)系統(tǒng)是當(dāng)前光學(xué)設(shè)計必不可少的要求?？纱┐魇酵队霸O(shè)備最早出現(xiàn)在軍事領(lǐng)域，可以實時顯示戰(zhàn)術(shù)信息，輔助目標(biāo)瞄準(zhǔn)識別，還可用于夜視系統(tǒng)。隨著設(shè)計理念、制造水平和微顯示技術(shù)的不斷進(jìn)步，可穿戴式投影設(shè)備越來越小型化，并逐漸進(jìn)入人們的日常生活，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于娛樂、模擬仿真訓(xùn)練、外科手術(shù)等虛擬現(xiàn)實技術(shù)的各個領(lǐng)域?？纱┐魇酵队帮@示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)是一個圖像放大系統(tǒng)，微顯示器所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大，在人眼前一定距離處呈現(xiàn)一個放大的虛像，使用戶可以完全沉浸在虛擬的情境之中，也可以與現(xiàn)實相結(jié)合，形成一種拓展現(xiàn)實場景。目前關(guān)于可穿戴式投影光學(xué)系統(tǒng)的文獻(xiàn)中，對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的分析基本上采用的是傳統(tǒng)透鏡式或自由曲面/折衍混合結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)透鏡式結(jié)構(gòu)多為旋轉(zhuǎn)對稱的目鏡結(jié)構(gòu)，雖然光學(xué)性能可以接近衍射極限并較好地校正畸變，但是多組透鏡的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝調(diào)和加工要求精度高，體積重量也很大，長時間佩戴會引起頸部疲勞，自由曲面/折衍混合結(jié)構(gòu)設(shè)計較困難，花費時間較長，而且元件的制作商比較少，價格昂貴，而且主要集中在國外。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，以提高成像質(zhì)量，并減小體積、節(jié)省成本。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，由物測至人眼側(cè)，所述的可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)包括:Lc0S、PBS棱鏡、反射鏡、透鏡組、全反射棱鏡組及半反半透棱鏡；
[0005]一面光源照射所述Lcos后產(chǎn)生的圖像依次經(jīng)過所述PBS棱鏡的反射、所述反射鏡的反射、所述透鏡組的透射、所述全反射棱鏡組的全反射及所述半反半透棱鏡的反射進(jìn)入人眼；
[0006]位于所述半反半透棱鏡上方的外界景象透過所述全反射棱鏡組及半反半透棱鏡進(jìn)入所述人眼。
[0007]在一實施例中，所述全反射棱鏡組包括:一四邊形棱鏡及一三角形棱鏡，所述的四邊形棱鏡與三角形棱鏡通過光敏膠膠合，所述圖像的光路在所述全反射棱鏡組中經(jīng)過兩次全反射。
[0008]在一實施例中，所述人眼的水平視場角為±10°，垂直視場角為±8.7°，所述水平視場角與所述垂直視場角的正切比值應(yīng)為16:9。
[0009]在一實施例中，所述人眼到所述半反半透棱鏡的距離為13_ ;所述Lcos的像素為640 X 360，有效尺寸為8.448X4.752mm，對角線尺寸約為9.8mm ;所述全反射棱鏡組及半反半透棱鏡的厚度為7mm。
[0010]在一實施例中，所述半反半透棱鏡為直角棱鏡，所述直角棱鏡的斜面與所述四邊形棱鏡的斜面膠合在一起，并且膠合后膠合件偏心小于等于10';所述直角棱鏡對應(yīng)的三角形的兩個銳角分別為30°、60°，并且所述直角棱鏡的斜面鍍有半反半透膜；所述半反半透棱鏡及四邊形棱鏡的第一平行差為5'，第二平行差為10'。
[0011]在一實施例中，透鏡組包括兩片膠合在一起的第一透鏡及第二透鏡，所述第一透鏡為負(fù)透鏡，第二透鏡為正透鏡。
[0012]在一實施例中，所述面光源產(chǎn)生的平行光經(jīng)所述PBS棱鏡后透過P光進(jìn)入所述Lcos,經(jīng)過所述Lcos調(diào)制之后出射S光的圖像，再次進(jìn)入所述PBS棱鏡后反射。
[0013]在一實施例中，所述人眼到所述Lcos的像面的光路總長度小于80mm。
[0014]在一實施例中，所述第一透鏡及第二透鏡的光圈為5，局部光圈為0.5，厚度公差為±0.1mm,偏心為±0.1mm,傾斜為±5'。
[0015]本發(fā)明實施例的有益效果在于，本發(fā)明的可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，透鏡組透鏡少、棱鏡厚度小而且體積小、重量輕、光學(xué)成像質(zhì)量高。
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本發(fā)明實施例的可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實施例的圖像產(chǎn)生的光路示意圖；
[0019]圖3A為本發(fā)明實施例中垂直視場角為0°的垂軸像差特性曲線；
[0020]圖3B為本發(fā)明實施例中垂直視場角為8.7°的垂軸像差特性曲線；
[0021]圖3C為本發(fā)明實施例中垂直視場角為-8.7°的垂軸像差特性曲線；
[0022]圖3D為本發(fā)明實施例中垂直視場角為-7.07°的垂軸像差特性曲線；
[0023]圖3E為本發(fā)明實施例中垂直視場角為7.07°的垂軸像差特性曲線；
[0024]圖4為本發(fā)明實施例的場曲和畸變特性曲線；
[0025]圖5為本發(fā)明實施例的垂軸色差特性曲線；
[0026]圖6為本發(fā)明實施例的調(diào)制傳遞函數(shù)特性曲線MTF ；
[0027]圖7為本發(fā)明實施例的相對畸變示意圖；
[0028]圖8A為本發(fā)明實施例中垂直視場角為0°時的點列圖；
[0029]圖8B為本發(fā)明實施例中垂直視場角為8°時的點列圖；
[0030]圖8C為本發(fā)明實施例中垂直視場角為-8°時的點列圖；
[0031]圖8D為本發(fā)明實施例中垂直視場角為-7.07°時的點列圖；
[0032]圖8E為本發(fā)明實施例中垂直視場角為7.07°時的點列圖。
【具體實施方式】
[0033]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供一種可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)，由物測至人眼側(cè)，所述的可穿戴式投影顯示光學(xué)系統(tǒng)包括:娃基液晶(Liquid Crystal on Silicon簡稱Lcos) 9、PBS棱鏡、反射鏡6、透鏡組、全反射棱鏡組及半反半透棱鏡I。
[0035]全反射棱鏡組包括:四邊形棱鏡2及三角形棱鏡3，四邊形棱鏡2與三角形棱鏡3通過光敏膠膠合。全反射棱鏡組有透鏡4及透鏡5膠合而成。PBS棱鏡由三角形棱鏡7及三角形棱鏡8膠合而成。
[0036]如圖1所示，設(shè)置在PBS棱鏡一側(cè)面光源9通過PBS棱鏡照射Lcos產(chǎn)生圖像。圖2為圖像產(chǎn)生的光路示意圖。如圖1及圖2所示，Lcos被照亮后產(chǎn)生的圖像依次經(jīng)過PBS棱鏡中三角形棱鏡7與三角形棱鏡8的膠合面的反射、反射鏡6的反射、透鏡組中透鏡4及透鏡5的透射、全反射棱鏡組中四邊形棱鏡2及三角形棱鏡3的全反射及半反半透棱鏡I的反射進(jìn)入人眼(即入瞳)，此時人眼看到的為虛擬的景象。
[0037]位于半反半透棱鏡I上方的外界景象透過半反半透棱鏡I及全反射棱鏡組中的四邊形棱鏡2進(jìn)入人眼，此時人眼看到的為現(xiàn)實的景象。
[0038]本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)在設(shè)計時采用光路可逆原理的反向設(shè)計，外界景物發(fā)出的平行光進(jìn)過半反半透棱鏡I和四邊形棱鏡2的膠合進(jìn)入人眼，人眼可以看見外界景物。同時，Lcos產(chǎn)生的像面經(jīng)過PBS棱鏡反射、反射鏡反射、透鏡組放大、全反射棱鏡組及半反半透棱鏡的傳遞，最后經(jīng)過半反半透棱鏡I反射進(jìn)入人眼，這樣當(dāng)人眼看見外界無窮遠(yuǎn)物體的同時，也可以清晰地看到圖像源產(chǎn)生的圖像信息，實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合。
[0039]光路結(jié)構(gòu)中各個光學(xué)元件的功能如下:半反半透棱鏡I是實現(xiàn)外界景物與像源圖像及結(jié)合，各個棱鏡是實現(xiàn)光路的傳遞，同時實現(xiàn)人眼前光學(xué)元件厚度尺度最小化的要求，透鏡組起匯聚光學(xué)放大圖像的作用，同時可以校正多種像差。反射鏡6起折轉(zhuǎn)光路的作用，可以縮小空間，更容易佩戴，外觀上也較美觀。PBS棱鏡、面光源(led+導(dǎo)光板)9和Lcos是像源的生成模塊。
[0040]半反半透棱鏡1、四邊形棱鏡2及三角形棱鏡3三片棱鏡膠合在一起，半反半透棱鏡I為直角棱鏡，直角棱鏡的斜面與四邊形棱鏡3的斜面通過光敏膠膠合在一起，并且膠合后膠合件偏心小于等于10'，棱鏡的膠合設(shè)計使得虛擬圖像可以進(jìn)入人眼，人眼能夠看清圖像。半反半透棱鏡I及四邊形棱鏡2的第一平行差為5'，第二平行差為10'。在半反半透棱鏡I與四邊形棱鏡2的膠合面上，外界景象與Lcos產(chǎn)生的圖像合成，共同進(jìn)入人眼。
[0041]四邊形棱鏡2與三角形棱鏡3通過光敏膠膠合，圖像的光路在四邊形棱鏡2與三角形棱鏡3中可以經(jīng)過兩次全反射。需要注意的是，上述各棱鏡之間進(jìn)行膠合時，膠合面不得有氣泡灰塵與污潰。
[0042]半反半透棱鏡1、四邊形棱鏡2及三角形棱鏡3三片棱鏡采用的材料都為光學(xué)級亞克力PMMA，PMMA的密度為1.19g/cm3，K9玻璃的密度為3.18g/cm3，采用PMMA比采用K9玻璃的重量小一半左右，而從光學(xué)成像質(zhì)量上相差并不大。
[0043]在一實施例中，半反半透棱鏡1、四邊形棱鏡2及三角形棱鏡3的厚度都為7_。
[0044]半反半透棱鏡I對應(yīng)的三角形的兩個銳角分別為30° (圖中右上角的角度)、60°，在該直角棱鏡的斜面鍍有半反半透膜，四邊形棱鏡2的角度分別為Z a = 30°、Z b= 120°、Zc = 25.39°、Zd= 154.61°，