一种AR头显的光学显示系统的制作方法

一种ar头显的光学显示系统
技术领域
1.本发明涉及光学显示技术领域，尤其是涉及一种ar头显的光学显示系统。


背景技术：

2.增强现实(ar)技术是一种将真实世界的信息和虚拟世界的信息集成的技术，被认为是下一代显示技术的代表。ar眼镜是基于ar技术并搭配在人类感官上的一种可穿戴显示设备，是智能时代下全新的信息显示和交互媒介，在军事国防、工业、医疗、游戏和通讯导航等领域都有广阔的应用前景。目前主流的ar显示技术主要有棱镜方案、自由曲面方案和光波导方案。棱镜方案和自由曲面方案是率先使用的ar眼镜方案，这两类方案制作工艺相对比较简单，但眼镜厚度较厚、视场角较小；光波导方案目前零部件还不成熟。
3.例如，公开日为2021-06-08，公开号为cn213399070u的中国实用新型专利提供一种ar-birdbath型头显结构，包括显示源和倾斜设置在所述显示源的下方的分光镜，在所述分光镜靠近所述显示源的一侧的前方设置有曲面镜，在所述分光镜远离所述显示源的一侧的后方设置有人眼观察端；其中，所述分光镜和所述曲面镜均为玻璃制件；并且，在所述分光镜靠近所述人眼观察端的一侧设置有防爆薄膜。利用该实用新型能够有效地解决现有的几何波导模式的ar型头显由于采用注塑元件进行制件，导致成像质量严重下降的问题。
4.但是由于上述方案中提供的结构大小的制约，导致该方案具有视场角角较小的缺点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种ar头显的光学显示系统，以尽量避免显示质量下降的情况下，增大视场角。
6.一种ar头显的光学显示系统，包括图像源；折射元件；分光元件；反射元件；所述图像源发射光线依次经过折射元件和分光元件再由反射元件反射至人眼；所述折射元件包括用于增大视场角的透镜组；所述透镜组包括沿光路行进方向顺次设置镜一、镜二、镜三；所述镜一和镜三的阿贝数选择范围均为50-85，所述镜二的阿贝数的选择范围为18-35，所述镜一和镜三的阿贝数差值范围为0-15，且所述镜一、镜二、镜三通过胶合形成整体以矫正色差。
7.进一步地，沿光路行进方向，在镜三之后顺延设置有镜四、镜五、镜六；所述镜四的阿贝数选择范围为50-80，以中和色差；所述镜五、镜六的阿贝数选择范围均为50-70，且通过将两者中一者设为为凸透镜、另一者设为凹透镜的方式进行面型搭配以提高像质的还原度。
8.进一步地，所述镜一、镜二、镜三、镜四、镜五、镜六的光焦度分别被配置为负、正、负、正、正、正、负、正，以校正像差。
9.进一步地，所述反射元件为一自由曲面反射镜。
10.进一步地，所述分光元件为覆盖偏振反射膜的平面镜。
11.进一步地，所述镜一到镜六的光轴方向距离为l1，所述平面镜和所述自由曲面反射镜的间距为l2，人眼和自由曲面反射镜的间距为l3；且l1、l2和l3符合以下公式：0.5《l1/l2《2.5；1《l1+l2/l3《5。
12.进一步地，本ar头显的等效焦距长为f1，折射元件的等效焦距长为f2,自由曲面反射镜的等效焦距长f3，且f1、f2和f3符合以下公式：1《|f2/f1|《10；5《|f3/f1|《15进一步地，所述镜五、镜六均为非球面注塑镜片进一步地，所述镜四为球面透镜玻璃。
13.进一步地，所述镜二的折射率范围1.6-2.0；所述镜一、镜三和镜四的色散系数均为60-90。
14.与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：首先通过镜一、镜二、镜三的胶合使得视场角增大，再通过镜一、镜二、镜三各自阿贝数的差异和配合矫正色差，且阿贝数在50-85范围的镜三和镜一能够可以有效降低材料对蓝光的吸收，提高镜头效率。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本ar头显的光学显示系统的结构示意图；图2为本发明的实施例1的tv畸变示意图；图3为本发明的实施例1中成像画面上不同视场条件下的光斑spot点示意图；图4为本发明的实施例1中不同视场下的mtf示意图。
17.附图标记：1、镜一；2、镜二；3、镜三；4、镜四；5、镜五；6、镜六；7、自由曲面反射镜；8、平面镜；9、图像源；10、眼睛。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
19.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
20.基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.参考图1所示，本发明旨在尽量避免显示质量下降的情况下，提供一种增大birdbath方案的视场角的ar头显的光学显示系统，包括图像源9；折射元件；分光元件；反射元件；所述图像源9发射光线依次经过折射元件和分光元件再由反射元件反射至人眼（即图1中眼睛10）；所述折射元件包括用于增大视场角的透镜组；所述透镜组包括沿光路行进方向顺次设置镜一1、镜二2、镜三3；所述镜一1和镜三3的阿贝数选择范围均为50-85，所述镜二2的阿贝数的选择范围为18-35，所述镜一1和镜三3的阿贝数差值范围为0-15，且所述镜一1、镜二2、镜三3通过胶合形成整体以矫正色差。
24.首先通过镜一1、镜二2、镜三3的胶合使得视场角增大，再通过镜一1、镜二2、镜三3各自阿贝数的差异和配合矫正色差，且阿贝数在50-85范围的镜三3和镜一1能够可以有效降低材料对蓝光的吸收，提高镜头效率。
25.优选地：沿光路行进方向，在镜三3之后顺延设置有镜四4、镜五5、镜六6；所述镜四4的阿贝数选择范围为50-80，以中和色差；所述镜五5、镜六6得阿贝数选择范围均为50-70，且通过将两者中一者设为为凸透镜、另一者设为凹透镜的方式进行面型搭配以提高像质的还原度。
26.这样，镜五5、镜六6对整个光学系统起到的是放大作用，并且通过镜五5、镜六6的面型搭配并采用的形式，不仅能够对芯片光源进行进一步的放大。同时也要保证经过放大后的整个视场的成像画质，更多的是边缘视场的画质，提高画质的同时，保证像质的还原度（tv畸变较小）。
27.由于光学系统中透镜的光焦度会直接影响到像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差，因此不同的正负光焦度搭配也会对像差校正起到一定作用，本发明中，折射元件总的光焦度为正光焦度，因此优选地：所述镜一1、镜二2、镜三3、镜四4、镜五5、镜六6的光焦度分别被配置为负、正、负、正、正、正、负、正，以校正像差。
28.其中，所述反射元件为一自由曲面反射镜7。
29.其中，所述分光元件为覆盖偏振反射膜的平面镜8。
30.在本发明中本可以不对各个元件间距离作进一步限定，但是为了以缩小整设备体积，本发明提供了一种较优的间距设置关系：所述镜一1到镜六6的光轴方向距离为l1，所述平面镜8和所述自由曲面反射镜7的间距为l2，人眼和自由曲面反射镜7的间距为l3；且l1、l2和l3符合以下公式：0.5《l1/l2《2.5；1《l1+l2/l3《5。
31.在本发明为了在较小的设备体积下实现较好的现实效果，优选地：本ar头显的等效焦距长为f1，折射元件的等效焦距长为f2,自由曲面反射镜7的等效焦距长f3，且f1、f2和
f3符合以下公式：1《|f2/f1|《10；5《|f3/f1|《15其中，所述镜五5、镜六6均为非球面注塑镜片其中，所述镜四4为球面透镜玻璃。
32.其中，所述镜二2的折射率范围1.6-2.0；所述镜一1、镜三3和镜四4的色散系数均为60-90。
33.在本ar头显的光学显示系统的实施例1中，本ar头显的光学显示系统还满足以下条件时：视场角大于60
°
，eyebox≥16mm*10.5mm，eye relief≥22mm，解像力为30lp/mm，重量小于50g，对应用的图像质量进行检测以得到如下图片：图2为本系统应用于ar头显时的tv畸变示意图，从图中示意数据可看到，当ar正常显示时，其tv畸变最大值为1.5%（通常要求＜5%），测量tv畸变的方式有：1.实拍网格图，使用实拍照片，按照计算公式计算tv畸变，或使用软件imatest直接分析实拍照片得出tv畸变值。2.使用逆投影的方式，投影出网格图，按照计算公式计算tv畸变，本实施例中数据由软件直接计算得出。
34.图3为本系统应用于ar头显时成像画面上不同视场条件下的光斑spot点示意图，图中示意为在归一化的不同视场条件前提下，三种不同波长光线（0.45um、0.55um、0.62um）分别在某一视场条件下屏幕上的点光斑成像示意图，其中，参数rms和geo分别表示spot的均方根和几何半径，从图中可以看出，两者小于3倍的关系，整体容差能力较好，同时，它们的值非常小，系统的性能好。
35.图4为本系统应用于ar头显时不同视场下的mtf示意图，其所示为三种波长光线（0.45um、0.55um、0.62um）的成像质量，其中横坐标代表的线对数，纵坐标代表的是解像能力（在本案例中的解像力为30lp/mm），其中纵坐标的值越高，代表解像能力越强，像质还原度越高，从图4中可以看出，其mtf（modulation transfer function）均大于0.5，成像质量非常清晰。（一般在ar显示中，mtf大于0.3，则认为非常清晰）。
36.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种ar头显的光学显示系统，包括图像源（9）；折射元件；分光元件；反射元件；所述图像源（9）发射光线依次经过折射元件和分光元件再由反射元件反射至人眼；其特征在于：所述折射元件包括用于增大视场角的透镜组；所述透镜组包括沿光路行进方向顺次设置的镜一（1）、镜二（2）、镜三（3）；所述镜一（1）和镜三（3）的阿贝数选择范围均为50-85，所述镜二（2）的阿贝数的选择范围为18-35，所述镜一（1）和镜三（3）的阿贝数差值范围为0-15，且所述镜一（1）、镜二（2）、镜三（3）通过胶合形成整体以矫正色差。2.根据权利要求1所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：沿光路行进方向，在镜三（3）之后顺延设置有镜四（4）、镜五（5）、镜六（6）；所述镜四（4）的阿贝数选择范围为50-80，以中和色差；所述镜五（5）、镜六（6）的阿贝数选择范围均为50-70，且通过将两者中一者设为为凸透镜、另一者设为凹透镜的方式进行面型搭配以提高像质的还原度。3.根据权利要求2所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：所述镜一（1）、镜二（2）、镜三（3）、镜四（4）、镜五（5）、镜六（6）的光焦度分别被配置为负、正、负、正、正、正、负、正，以校正像差。4.根据权利要求3所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：所述反射元件为一自由曲面反射镜（7）。5.根据权利要求4所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：所述分光元件为覆盖偏振反射膜的平面镜（8）。6.根据权利要求5所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：所述镜一（1）到镜六（6）的光轴方向距离为l1，所述平面镜（8）和所述自由曲面反射镜（7）的间距为l2，人眼和自由曲面反射镜（7）的间距为l3；且l1、l2和l3符合以下公式：0.5<l1/l2<2.5；1<l1+l2/l3<5。7.根据权利要求6所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：本ar头显的等效焦距长为f1，折射元件的等效焦距长为f2,自由曲面反射镜（7）的等效焦距长f3，且f1、f2和f3符合以下公式：1<|f2/f1|<10；5<|f3/f1|<15。8.根据权利要求7所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：所述镜五（5）、镜六（6）均为非球面注塑镜片。9.根据权利要求8所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：所述镜四（4）为球面透镜玻璃。10.根据权利要求9所述的一种ar头显的光学显示系统，其特征在于：所述镜二（2）的折射率范围1.6-2.0；所述镜一（1）、镜三（3）和镜四（4）的色散系数均为60-90。

技术总结
本发明涉及光学显示技术领域，具体公开了一种AR头显的光学显示系统，包括图像源；折射元件；分光元件；反射元件；图像源发射光线依次经过折射元件和分光元件再由反射元件反射至人眼；折射元件包括用于增大视场角的透镜组；透镜组包括沿光路行进方向顺次设置镜一、镜二、镜三；镜一和镜三的阿贝数选择范围均为50-85，镜二的阿贝数的选择范围为18-35，镜一和镜三的阿贝数差值范围为0-15，且镜一、镜二、镜三通过胶合形成整体以矫正色差。首先通过镜一、镜二、镜三的胶合使得视场角增大，再通过镜一、镜二、镜三各自阿贝数的差异和配合矫正色差。镜三各自阿贝数的差异和配合矫正色差。镜三各自阿贝数的差异和配合矫正色差。


技术研发人员：李文艳 徐航宇 郭跃武
受保护的技术使用者：沂普光电（天津）有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/8/28