目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置包括一平面反射镜、一柱面菲涅尔透镜、一柱面反射镜以及一孔径光阑。所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的入射侧，并且所述平面反射镜的平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角为45°夹角，所述柱面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的出射侧，并且所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述柱面反射镜的弧面反射面的中心，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。

Eyepiece imaging optical device and head-mounted imaging optical device and their manufacturing method and imaging method

The present invention provides an eyepiece imaging optical device and a head-mounted imaging optical device and its manufacturing method and imaging method. The eyepiece imaging optical device comprises a plane mirror, a cylindrical Fresnel lens, a cylindrical mirror and an aperture. The plane mirror is located at the incident side of the cylindrical Fresnel lens, and the angle formed by the plane reflection surface of the plane mirror and the central axis of the cylindrical Fresnel lens is 45 degrees. The cylindrical mirror is located at the exit side of the cylindrical Fresnel lens, and the central axis of the cylindrical Fresnel lens and the optical axis of the eyepiece imaging optical device are equal. The aperture diaphragm is maintained in the light emission direction of the cylindrical mirror through the center of the arc reflector of the cylindrical mirror, and the optical axis of the eyepiece imaging optical device passes through the center of the aperture diaphragm.

【技术实现步骤摘要】
目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法
本专利技术涉及一头戴式显示设备，特别涉及一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法。
技术介绍
近年来，VR(VirtualReality，虚拟现实)技术和AR(AugmentedReality，增强现实)技术得到了突飞猛进式的发展，其中VR技术和AR技术的相似之处在于两者通过头戴式显示装置在使用者的眼前直接显示影像，以给使用者提供比较好的视觉体验，这使得头戴式显示装置日益变得流行，其中头戴式显示装置允许使用者将其佩戴在头部，并且头戴式显示装置能够直接在使用者的眼前显示影像。头戴式显示装置由微型显示器和光学系统组成，其中微型显示器显示的影像能够在被光学系统处理后直接在使用者的眼前显示。通常情况下，按照成像方式的不同，头戴式显示装置的光学系统分为投影式光学系统和目镜式光学系统，其中投影式光学系统需要采用特殊材料的回射屏显示放大的实像，供使用者观察，然而，由于采用的具有特殊材料的回射屏的透过性比较差，这严重地限制了投影式光学系统在穿透性的头戴式显示装置中的应用。因此，现阶段目镜式光学系统仍然是头戴式显示装置中所采用的主流光学系统。目镜式光学系统的原理是，头戴式显示装置的微型显示器在目镜式光学系统的焦距以内产生放大的虚像，并经过后续透镜组的折射或者反射后形成目镜式光学系统的出瞳，可以理解的是，目镜式光学系统的出瞳即为人眼出瞳。一般情况下，人眼双目的视场范围为200°(水平方向H)×120°(竖直方向V)，因此，为了满足使用者的视觉体验，目前的目镜式光学系统在被设计时采用水平方向和竖直方向的视场角比值为4：3或16：9，设计中常用视场为40°(水平方向H)×30°(竖直方向V)，或者80°(水平方向H)×45°(竖直方向V)。然而，由于目镜式光学系统一般采用圆对称结构，这使得微型显示器的图像长宽比必须与目镜式光学系统的水平视场和竖直视场的比值保持一致，否则的话会导致图像失真，这严重地显示了微型显示器在显示端的使用。另外，随着视场要求的不断增大，现有的目镜式光学系统对于畸变等轴外像差的校正越来越面临极大的挑战，特别是在离轴才能够实现的可透视AR技术中，离轴方向的可视角越大成像越受到限制。上述的这些原因导致现有的目镜式光学系统已经无法满足高成像质量与结构小型化和轻量化的需要。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置特别适于被应用于可透视头显技术。例如，所述目镜式成像光学装置特别适于被应用于AR显示技术。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置能够对一显示器显示的影像进行处理，以使所述显示器显示的影像能够被高品质地再现于使用者的眼前。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置使所述显示器的使用率不再受限于视场，从而提高了所述头戴式成像光学设备在被设计时的灵活性。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置能够更大程度地提高所述显示器的屏幕利用率，以使所述头戴式成像光学设备能够提供更佳的成像效果。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中现对于传统的目镜式光学系统来说，本专利技术的所述目镜式成像光学装置包含的光学元减少，从而有利于所述目镜式成像光学装置的小型化，以便于所述目镜式成像光学装置被集成到追求轻质化、小型化的所述头戴式成像光学设备中。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的目镜式光学系统来说，本专利技术的所述目镜式成像光学装置包含的光学元件少，从而使得所述目镜式成像光学装置的光能耗损低，进而可以有效地提高所述头戴式成像光学设备的光能利用率。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的目镜式光学系统来说，本专利技术的所述目镜式成像光学装置包含的光学元减少，从而有利于降低所述目镜式成像装置的制造成本。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置提供一柱面菲涅尔透镜，并且所述目镜式成像光学装置巧妙地利用了所述柱面菲涅尔透镜的折射和衍射两种光学性质，突破了现有的目镜式光学系统的局限性，增加了所述目镜式成像光学装置的光学设计自由度。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的目镜式光学系统的透镜组来说，本专利技术的所述柱面菲涅尔透镜的尺寸较小、厚度较薄，从而能够使所述目镜式成像光学装置的结构紧凑、体积小巧，有利于实现所述头戴式成像光学设备的小型化和轻质化。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述目镜式成像光学装置提供一柱面反射镜，以用于反射穿过所述柱面菲涅尔透镜的光线，其中所述柱面反射镜的使用不会引起色差，从而所述柱面反射镜的使用不会造成所述头戴式成像光学设备的影像失真，进而保证成像效果。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本专利技术的所述柱面反射镜的加工难度被降低，以有利于降低所述目镜式成像光学装置的制造成本。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本专利技术的所述柱面反射镜有利于实现高精度镀膜工艺，和提高所述头戴式成像光学设备的设计灵活度。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本专利技术的所述柱面反射镜可以被同时跨双目加工，以提高所述头戴式成像光学设备在被设计时的灵活性。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中相对于传统的光学成像系统的自由曲面反射镜来说，本专利技术的所述柱面反射镜有利于校正像差，以提高所述头戴式成像光学设备的成像品质。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面菲涅尔透镜能够对所述显示器产生的图像在水平方向进行放大。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面反射镜在改变光线的方向时对图像在竖直方向进行放大。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面反射镜在改变光线的方式时，能够对光线进行汇聚并对图像在竖直方向进行放大。本专利技术的一个目的在于提供一目镜式成像光学装置和头戴式成像光学设备及其制造方法和成像方法，其中所述柱面菲涅尔透镜和所述柱面反射镜能够对所述显示器产生的图像分别在水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一目镜式成像光学装置，其特征在于，包括：一孔径光阑；一平面反射镜，其中所述平面反射镜具有一平面反射面；一柱面反射镜，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射面；以及一柱面菲涅尔透镜，其中所述柱面菲涅尔透镜具有一入射侧和对应于所述入射侧的一出射侧，其中所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述入射侧，并且所述平面反射镜的所述平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角是45°夹角，其中所述柱面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述出射侧，并且所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角参数为β，所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角参数为γ，其中参数β和参数γ的取值范围均是35°～55°，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。

【技术特征摘要】
1.一目镜式成像光学装置，其特征在于，包括：一孔径光阑；一平面反射镜，其中所述平面反射镜具有一平面反射面；一柱面反射镜，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射面；以及一柱面菲涅尔透镜，其中所述柱面菲涅尔透镜具有一入射侧和对应于所述入射侧的一出射侧，其中所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述入射侧，并且所述平面反射镜的所述平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角是45°夹角，其中所述柱面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述出射侧，并且所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角参数为β，所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述目镜式成像光学装置的光轴形成的夹角参数为γ，其中参数β和参数γ的取值范围均是35°～55°，其中所述孔径光阑被保持在所述柱面反射镜的光线出射方向，并且所述目镜式成像光学装置的光轴穿过所述孔径光阑的中心。2.根据权利要求1所述的目镜式成像光学装置，其中所述柱面菲涅尔透镜包括一基部和形成于所述基部的一工作部，其中所述工作部形成所述入射侧，并且所述工作部朝向所述平面反射镜的所述平面反射面，其中所述基部形成所述出射侧，并且所述基部朝向所述柱面反射镜的所述弧面反射面。3.根据权利要求2所述的目镜式成像光学装置，其中所述工作部形成一组第一光学槽和一组第二光学槽，其中所述第一光学槽和所述第二光学槽相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴。4.根据权利要求3所述的目镜式成像光学装置，其中每个所述第一光学槽和每个所述第二光学槽分别沿着所述柱面菲涅尔透镜的宽度方向延伸。5.根据权利要求3所述的目镜式成像光学装置，其中所述工作部包括一组第一凸起、一组第二凸起以及一中心凸起，每个所述第一凸起、每个所述第二凸起和所述中心凸起分别形成于所述基部的同一侧，并且所述中心凸起形成于所述基部的中部，每个所述第一凸起和每个所述第二凸起分别形成于所述基部的两侧，并且所述第一凸起和所述第二凸起相互对称，并且对称轴是所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，其中在相邻所述第一凸起之间和在所述第一凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第一光学槽，和在相邻所述第二凸起之间和在所述第二凸起与所述中心凸起之间形成每个所述第二光学槽。6.根据权利要求5所述的目镜式成像光学装置，其中所述中心凸起具有相互对称的一第一凸弧面和一第二凸弧面，其中每个所述第一凸起分别具有一第三凸弧面和一第一平面，一个所述第一凸起的所述第一平面对应于所述中心凸起的所述第一凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和所述中心凸起的所述第一凸弧面之间形成一个所述第一光学槽，任意一个所述第一凸起的所述第一平面对应于相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第一凸起的所述第一平面和相邻所述第一凸起的所述第三凸弧面之间形成另外的所述第一光学槽，其中每个所述第二凸起分别具有一第四凸弧面和一第二平面，一个所述第二凸起的所述第二平面对应于所述中心凸起的所述第二凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和所述中心凸起的所述第二凸弧面之间形成一个所述第二光学槽，任意一个所述第二凸起的所述第二平面对应于相邻所述第二凸起的所述第三凸弧面，从而在所述第二凸起的所述第二平面和相邻所述第二凸起的所述第四凸弧面之间形成另外的所述第二光学槽。7.根据权利要求6所述的目镜式成像光学装置，其中每个所述第一凸起的所述第一平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的中心轴，每个所述第二凸起的所述第二平面平行于所述柱面菲涅尔透镜的所述中心轴。8.根据权利要求6所述的目镜式成像光学装置，其中任意一个所述第一凸起的所述第三凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第一凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第一凸起的所述第一平面与所述基部的连接位置是同一个位置，任意一个所述第二凸起的所述第四凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置，和所述中部凸起的所述第二凸弧面与所述基部的连接位置和相邻所述第二凸起的所述第二平面与所述基部的连接位置是同一个位置。9.根据权利要求5所述的目镜式成像光学装置，其中每个所述第一凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大，每个所述第二凸起的尺寸自所述中部凸起向外侧依次增大。10.根据权利要求1至9中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述平面反射镜的所述平面反射侧和所述柱面反射镜的所述弧面反射侧朝向所述目镜式成像光学装置的同一侧。11.根据权利要求1至10中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述平面反射镜具有一平面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述平面反射侧而形成所述平面反射镜的所述平面反射面。12.根据权利要求1至10中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射侧和一反射膜，所述反射膜被镀在所述弧面反射侧而形成所述柱面反射镜的所述弧面反射面。13.根据权利要求1至12中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述柱面反射镜为高次柱面反射镜，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的面形矢高满足公式：，其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述弧面反射面的弯曲量，所述柱面反射镜的母线平行于ox轴，参数ry为所述柱面反射镜13的所述弧面反射面131的基准面曲率半径，参数c是参数ry的倒数，即，c＝1/ry，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。14.根据权利要求6至8中任一所述的目镜式成像光学装置，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面均是柱面，其面形矢高满足公式：，其中参数o是直角坐标系原点，参数x、y和z为直角坐标系的三个坐标量，并且参数z为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的弯曲量，其中所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的母线平行于oy轴，参数rx为所述中部凸起的所述第一凸弧面和所述第二凸弧面、每个所述第一凸起的所述第三凸弧面以及每个所述第二凸起的所述第四凸弧面的基准面曲率半径，参数c是参数rx的倒数，即，c＝1/rx，参数k为二次曲面系数，参数a1、参数a2、参数a3、参数a4、参数an为高阶系数，其中参数n为自然数。15.根据权利要求1至14中任一所述的目镜式成像光学装置，其中参数β和参数γ均是45°。16.一头戴式成像光学设备，其特征在于，包括：一佩戴装置，其中所述佩戴装置具有一佩戴空间；至少一显示器，其中每个所述显示器分别具有一显示屏幕；以及至少一目镜式成像光学装置，其中每个所述显示器和每个所述目镜式成像光学装置分别被设置于所述佩戴装置，其中每个所述目镜式成像光学装置分别包括：一孔径光阑；一平面反射镜，其中所述平面反射镜具有一平面反射面；一柱面反射镜，其中所述柱面反射镜具有一弧面反射面；以及一柱面菲涅尔透镜，其中所述柱面菲涅尔透镜具有一入射侧和对应于所述入射侧的一出射侧，其中所述平面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述入射侧，并且所述平面反射镜的所述平面反射面与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角是45°夹角，其中所述柱面反射镜位于所述柱面菲涅尔透镜的所述出射侧，并且所述柱面菲涅尔透镜的中心轴和所述目镜式成像光学装置的光轴均穿过所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心，其中所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向与所述柱面菲涅尔透镜的中心轴形成的夹角参数为β，所述柱面反射镜的所述弧面反射面的中心的法线方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫荣杰，方瑞芳，
申请(专利权)人：塔普翊海上海智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31