[发明专利]可穿戴式投影显示光学系统

说明书

技术领域

本发明是关于光学投影显示技术，特别是关于一种可穿戴式投影显示光学系统。

背景技术

可穿戴式设备重量轻、好的携带舒适度和高性能的光学系统是当前光学设计必不 可少的要求。可穿戴式投影设备最早出现在军事领域，可以实时显示战术信息，辅助 目标瞄准识别，还可用于夜视系统。随着设计理念、制造水平和微显示技术的不断进 步，可穿戴式投影设备越来越小型化，并逐渐进入人们的日常生活，现已广泛应用于 娱乐、模拟仿真训练、外科手术等虚拟现实技术的各个领域。可穿戴式投影显示设备 的光学系统是一个图像放大系统，微显示器所产生的影像藉由光学系统放大，在人眼 前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情境之中，也可以 与现实相结合，形成一种拓展现实场景。目前关于可穿戴式投影光学系统的文献中， 对光学系统设计的分析基本上采用的是传统透镜式或自由曲面/折衍混合结构，传统 透镜式结构多为旋转对称的目镜结构，虽然光学性能可以接近衍射极限并较好地校正 畸变，但是多组透镜的结构复杂，装调和加工要求精度高，体积重量也很大，长时间 佩戴会引起颈部疲劳，自由曲面/折衍混合结构设计较困难，花费时间较长，而且元 件的制作商比较少，价格昂贵，而且主要集中在国外。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种可穿戴式投影显示光学系统，以提高成像 质量，并减小体积、节省成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可穿戴式投影显示光学系统，由物测至人 眼侧，所述的可穿戴式投影显示光学系统包括：Lcos、PBS棱镜、反射镜、透镜组、 全反射棱镜组及半反半透棱镜；

一面光源照射所述Lcos后产生的图像依次经过所述PBS棱镜的反射、所述反射 镜的反射、所述透镜组的透射、所述全反射棱镜组的全反射及所述半反半透棱镜的反 射进入人眼；

位于所述半反半透棱镜上方的外界景象透过所述全反射棱镜组及半反半透棱镜 进入所述人眼。

在一实施例中，所述全反射棱镜组包括：一四边形棱镜及一三角形棱镜，所述的 四边形棱镜与三角形棱镜通过光敏胶胶合，所述图像的光路在所述全反射棱镜组中经 过两次全反射。

在一实施例中，所述人眼的水平视场角为±10°，垂直视场角为±8.7°，所述水平 视场角与所述垂直视场角的正切比值应为16：9。

在一实施例中，所述人眼到所述半反半透棱镜的距离为13mm；所述Lcos的像 素为640×360，有效尺寸为8.448×4.752mm，对角线尺寸约为9.8mm；所述全反射 棱镜组及半反半透棱镜的厚度为7mm。

在一实施例中，所述半反半透棱镜为直角棱镜，所述直角棱镜的斜面与所述四边 形棱镜的斜面胶合在一起，并且胶合后胶合件偏心小于等于10′；所述直角棱镜对 应的三角形的两个锐角分别为30°、60°，并且所述直角棱镜的斜面镀有半反半透 膜；所述半反半透棱镜及四边形棱镜的第一平行差为5′，第二平行差为10′。

在一实施例中，透镜组包括两片胶合在一起的第一透镜及第二透镜，所述第一透 镜为负透镜，第二透镜为正透镜。

在一实施例中，所述面光源产生的平行光经所述PBS棱镜后透过P光进入所述 Lcos，经过所述Lcos调制之后出射S光的图像，再次进入所述PBS棱镜后反射。

在一实施例中，所述人眼到所述Lcos的像面的光路总长度小于80mm。

在一实施例中，所述第一透镜及第二透镜的光圈为5，局部光圈为0.5，厚度公 差为±0.1mm，偏心为±0.1mm，倾斜为±5′。

本发明实施例的有益效果在于，本发明的可穿戴式投影显示光学系统结构简单紧 凑，透镜组透镜少、棱镜厚度小而且体积小、重量轻、光学成像质量高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 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，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前 提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的可穿戴式投影显示光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的图像产生的光路示意图；

图3A为本发明实施例中垂直视场角为0°的垂轴像差特性曲线；