[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

近年来，VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术和AR(Augmented Reality，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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。