本发明涉及用于计算机设备的光学显示设备，具体的说，涉及一种适用于增强现实及混合现实设备的成像系统，属于光学领域。近年来，头戴式计算机设备呈现出爆炸性的发展。VR（虚拟现实）、AR（增强现实）、MR（混合现实）设备层出不穷。然而在头戴式计算机设备当中，特别是头戴式增强现实计算机和混合现实计算机，采用的要么是厚重的、视场角狭小的偏振光学元件，要么是造价高昂的光栅、光波导元件。这种现状限制了增强现实设备和混合现实设备的发展和普及。本发明的技术方案要点在于设计了一种轻薄、廉价、制造工艺简单且具有大视场角的光学装置。
1.一种光学装置，包括：由电子显示器构成的第一显示像源(001a)和第二显示像源(001b)，用于产生图像光；第一准直透镜(002a)和第二准直透镜(002b)，与所述第一显示像源(001a)和第二显示像源(001b)的距离大约是所述第一准直透镜(002a)和第二准直透镜(002b)的焦距，用于将所述第一显示像源(001a)和第二显示像源(001b)的图像光准直并耦合进第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)；第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)，包括两组平行面：第一表面(013a)、第二表面(023a)和第三表面(013b)、第四表面(023b)；对于所述第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)，其中还包括第一输入面(004a)和第二输入面(004b)，第一输入面(004a)和第二输入面(004b)与所述第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)的两组平行面的夹角大于30°小于75°；对于所述第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)，其中还包括：部分透明的第一反射面(005a)和部分透明的第二反射面(005b)，所述部分透明的第一反射面(005a)和部分透明的第二反射面(005b)上任意一点的切平面与所述第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)的两组平行面的夹角满足因内反射过滤所述图像光的部分散射光的要求；对于所述第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)，其中还包括：部分透明的与所述第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)的两组平行面夹角大于25°小于40°的第一反射平面(006a)和第二反射平面(006b)，用于将经由所述第一准直透镜(002a)和第二准直透镜(002b)耦合进第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)内的图像光因内反射传导至第一反射平面(006a)和第二反射平面(006b)并最终耦合出第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)同时使第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)外部的环境光透过；对于所述第一光学基片(003a)和第二光学基片(003b)，其边缘位置还需设置用于遮挡不必要外部光线的第一遮光边条(008a)和第二遮光边条(008b)。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中第一显示像源(001a)和第二显示像源(001b)还可以是由电子显示器的产生的图像光输入光纤传像束后最终成像于由所述光纤传像束的每根光纤的输出端面按照一定顺序、距离和角度固定于与权利要求1所述准直透镜存在一定距离的面板上而成的。
3.如权利要求1所述的光学装置，其中第一准直透镜(002a)和第二准直透镜(002b)是动态透镜。
4.如权利要求1所述的光学装置，其中第一准直透镜(002a)和第二准直透镜(002b)是菲涅尔透镜。
5.如权利要求1所述的光学装置，其中第一准直透镜(002a)和第二准直透镜(002b)是每个透镜单元与第一显示像源(001a)和第二显示像源(001b)的每个像素一一对应的微透镜阵列。
6.如权利要求5所述的光学装置，其中第一准直透镜(002a)和第二准直透镜(002b)的焦距是通过电子方法控制的。
7.如权利要求1所述的光学装置，其中第一反射平面(006a)和第二反射平面(006b)的透光率是可变化的。
8.如权利要求1所述的光学装置，其中还可以包括贴近第一表面(013a)和第三表面(013b)的表面放置的部分透光元件(007)。
9.如权利要求8所述的光学装置，其中部分透光元件(007)的透光率是可变化的。
10.如权利要求1所述的光学装置，其中显示像源、准直透镜、光学基片只有一组。技术领域
本发明涉及用于计算机设备的光学显示设备，具体的说，涉及一种适用于增强现实及混合现实设备的成像系统。
背景技术
近年来，头戴式计算机设备呈现出爆炸性的发展。VR(虚拟现实)、AR(增强现实)、MR(混合现实)设备层出不穷。然而在头戴式计算机设备当中，特别是头戴式增强现实计算机和混合现实计算机，采用的要么是厚重的、视场角狭小的偏振光学元件，要么是造价高昂的光栅、光波导元件。这种现状限制了增强现实设备和混合现实设备的发展和普及。因此，需要一种轻薄的、廉价的、制造工艺简单且具有大视场角的光学装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题的光学装置。通过使用特定结构的准直透镜及光学基片构成的光学装置可以提供较大的视场角且造价低廉易于普及。根据本发明的一个方面，优选的提供一种实施方式。包括：显示像源，准直透镜，光学基片，用于过滤发散光的部分反射面，用于最终将图像光耦合出光学基片的反射平面以及用于遮挡不必要外部光线的遮光边条。优选的，所述显示像源是OLED显示器或QLED显示器或液晶显示器。优选的，当所述准直透镜是动态透镜或者通过电子方法控制焦距的微透镜阵列时可以更好的适应观察者眼球的屈光度。优选的，所述微透镜阵列是折射微透镜阵列或者衍射微透镜阵列。优选的，所述微透镜阵列的像素单元与显示像源的像素单元一一对应。优选的，所述准直透镜还可以是菲涅尔透镜。优选的，所述光学基片的两平行面之间的距离为2mm～6mm。优选的，所述光学基片为塑料材质或玻璃材质。优选的，所述光学基片的输入面004a和004b与所述光学基片平行面的夹角大于30°小于75°。优选的，所述反射平面与所述光学基片的平行面的夹角大于25°小于40°。优选的，所述输入面与所述光学基片平行面的夹角是所述反射平面与所述光学基片平行面的夹角的2倍。优选的，所述反射平面的透光率是可变的。优选的，所述用于过滤发散光的部分反射面折射率约等于1(比如空气间隙)，且其上任意一点的切平面与所述光学基片的两平行面的夹角由上述实施例的条件决定。即由所述输入面与所述光学基片平行面的夹角、所述反射平面与所述光学基片平行面的夹角、光学基片的折射率共同决定。所述显示像源001a和001b提供的图像光分别经由准直透镜002a和002b准直后在光学基片003a和003b的输入面004a和004b陷入光学基片。在光学基片的两组平行面013a、023a、013b、023b和反射平面006a和006b分别各反射一次后从光学基片的平行面023a和023b射出并最投射到观察者的视网膜上。然而，对于通过拼接而成的图像而言，其接缝位置若没有冗余设计，观察者在眼球转动时必然会看到撕裂的图像，同时显示像源的发散光亦会导致观察者看到不必要的边缘重复影像。实际上，所述用于过滤发散光的部分反射面的作用即在于此。该部分反射面的存在能够同时保证观察者在合理的观察范围内既不会看到由显示像源发散光导致的边缘重复影像，又能利用显示像源的发散光保证观察者在合理的观察范围内不会看到撕裂的图像。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并非对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
本申请中的附图与上文给出的实施例及下文给出的详细描述一起，用于解释本发明的功能和优点。图1是本发明的实施例的立体图。图2是本发明的实施例采用折射型微透镜阵列的剖面图。图3是本发明的实施例采用衍射型微透镜阵列的剖面图。图4是本发明的实施例采用菲涅尔透镜的剖面图。图5是本发明的实施例中采用折射型微透镜阵列时，为了说明各部分结构应用原理而设置了必要的平面直角坐标系的剖面图。图6是本发明的实施例中采用折射型微透镜阵列时，在如该图所示的观察角度时光学基片003a中各部分的应用原理图。图7是本发明的实施例中采用折射型微透镜阵列时，在如该图所示的观察角度时光学基片003a中各部分的应用原理图。图8是本发明的实施例中采用折射型微透镜阵列时，在如该图所示的观察角度时光学基片003a中各部分的应用原理图。图9是本发明的实施例所述显示像源复用图像数据的原理图。图10是本发明权利要求2中所述显示像源的原理图。图11是本发明所述光学装置嵌入平光镜中的效果图。图12是如权利要求10所述单组应用本发明所述光学装置嵌入平光镜中的效果图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。图1示出了实施例的一种安置方式，即显示像源的图像光分别从镜片的上下两侧入射到光学基片003a和003b中。此时的纵向FOV取决于光学基片的两个平行面之间的距离，即光学基片的主体厚度。而横向的FOV则由显示像源的尺寸决定。并且，在该光学装置内嵌于平光镜中时，除该光学装置以外的镜片部分形状不受限制。而在外界环境光线较强时，部分透光的遮光元件007则能够保证图像的显示效果，当遮光元件007的透光率可变时，图像与外部环境的结合能够更为真实。图2、图3、图4三个剖面图示出了采用不同准直透镜的实施方式中各个部分的实际位置。由各剖面图中显而易见的轴对称结构可知，在下文讨论实施例的原理时仅需说明其中一侧的原理即可。结合上述发明内容，以采用折射型微透镜阵列的实施方式作为参考示范性实施例。为了讨论该实施例中各个部分的设计原理，在剖面图所属平面建立如图5所示的平面直角坐标系。平面直角坐标系的原点O位于所述反射平面006a靠近所述光学基片平行面013a一侧的边缘。通过讨论各个部分与所述剖面图所属平面的交线即可理解本发明的要点。如图5所示，部分反射面005a与所述剖面图所属平面的交线所构成的曲线段005af上任意一点A的切线与它的径向夹角α满足常微分方程tanα＝|(y-xy′)/(x+yy′)|。其中α由所采用的光学基片的折射率决定(比如采用折射率为1.49的PMMA材料，则α＝90°-arcsin(1/1.49)≈47.8°)。此时，如图6所示，从像源001a发射出的大部分图像光在经由光学基片平行面013a、023a和反射平面006a反射后射出光学基片平行面023a。当OA与所述光学基片平行面的夹角小于或等于线段OM与所示光学基片平行面的夹角时，即以该图所示的观察角度观察时，由于部分反射面005a的存在，像源001a远离所述光学基片平行面013a一侧的部分图像光被反射。并且由于光学基片边缘遮光边条008a的存在，在合理的观察范围内观察者不会在反射平面006a靠近所述光学基片平行面013a的一侧看到不必要的外部光线。在曲线段005af满足上述条件的情况下，部分反射面005a上任意一点的切平面与所述光学基片的平行面的夹角即可满足因内反射过滤所述图像光的部分散射光的要求。在对于图7所示的观察角度，由于此时像源的一部分图像光在部分反射面005a的入射角远小于全内反射的临界角，因此其大部分能量能够透过部分反射面005a传播。而当观察者垂直于平行面023a观察时，如图8所示，所观察到的由像源发出的图像光离像源001a远离所述光学基片平行面013a的一侧的边缘存在一定的距离，并且由于此时这部分图像光在部分反射面005a的入射角同样远小于全内反射的临界角，因此依旧可以透过部分反射面005a传播。如图9所示，由于在该实施例中存在两个显示像源，为了满足观察者正常观察时图像不会撕裂的要求，应当在上述条件下使显示像源对远离所述光学基片平行面013a和013b一侧的部分图像数据进行复用。应当理解，实际应用中，在满足上述设计条件下，反射平面并非必须与光学基片的平行面相交。而是可以根据实际效果，如体积，可视角度等因素综合考虑。对于所述的实施例，在显示分辨率要求不高的情况下，采用光纤传像束和单一的微型显示器，并最终在光纤传像束的输出端构成显示像源同样是可行的，此时两组光纤传像束的输入端需要整合在一起。若采用单一的微型OLED显示器，可直接将输入端面紧贴OLED显示器表面以缩小光学系统的体积。在这种应用方式下，采用长宽比较小的显示器并通过软件方式实现对部分图像数据进行复用即可使最终的显示像源获得较大的长宽比。而在输出端，为了获得较大尺寸的显示像源，则需要对光纤传像束的每根光纤的输出端面分别进行胶接或者焊接处理，如图10所示。如权利要求10所述，本发明在实际应用中可以有多种灵活的组合。既能够适用于大视野的应用要求，如图11所示。还可以根据应用环境简化设计，如仅在观察者的视野两侧显示图像，如图12所示。由于此时反射平面位于视野两侧，为了获得理想的显示效果，所述输入面与所述光学基片平行面的夹角并非必须是所述反射平面与所述光学基片平行面的夹角的2倍。