一种双焦面近眼显示光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种具有双焦面的近眼显示光学系统。

背景技术

儿童和青少年处于成长发育期和用眼高峰期，帮助他(她)们建立良好的用眼习惯，针对眼部和视觉系统进行科学的物理锻炼和训练，增强眼睛调节能力，有助于防控近视，修复弱视，提升裸眼视力健康水平，减轻对于眼镜、手术等视力矫正手段的依赖性。

双焦面增强现实近眼显示光学系统可以通过有规律的改变焦深，实现对眼睛功能的锻炼，充分调动眼睛的潜能，缓解视力疲劳，改善调节速度，增加调节幅度，有效地改善调节滞后、调节功能不足等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种双焦面近眼显示光学系统。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

一种双焦面近眼显示光学系统，包括：

第一显示光路，包括棱镜组和第一透镜组；所述棱镜组包括主棱镜、辅棱镜和补偿棱镜，所述主棱镜包括第一光学面、第二光学面和第三光学面，所述第一光学面为入射面，所述第二光学面靠近人眼设置，所述第三光学面远离人眼设置并设置有分光膜，所述辅棱镜设置在所述第二光学面侧，所述补偿棱镜设置在所述第三光学面侧；经过第一透镜组折射后的第一光线，透过所述第一光学面进入所述主棱镜，在第二光学面发生全反射，之后被第三光学面部分反射后，透过第二光学面，然后经过辅棱镜，到达人眼；第一显示光路具有第一显示焦面；

第二显示光路，和第一显示光路共用所述棱镜组；第二显示光路包括所述棱镜组和第二透镜组；经过所述第二透镜组折射后的第二光线，依次经过所述补偿棱镜、所述主棱镜和所述辅棱镜，到达人眼；第二显示光路具有第二显示焦面；

所述第一显示焦面和所述第二显示焦面的位置不同。

优选地，所述棱镜组对第二显示光路等效为一个正光焦度的透镜；焦距范围为：80mm

优选地，所述主棱镜和所述辅棱镜之间存在少于1mm的间隙，所述主棱镜和所述补偿棱镜之间胶合。

优选地，所述第一光学面和/或所述第三光学面的面型为自由曲面。

优选地，所述第一显示光路的焦距为17mm

优选地，所述第一显示光路和所述第二显示光路的出瞳距离在15～25mm之间。

优选地，其中一个焦面位置的变化范围为不大于-200mm的范围，另一个焦面位置的变化范围为不小于+200mm的范围。

优选地，其中一个焦面对应视度为-5D～-0D，另一个焦面对应视度为+0D～+5D。

优选地，所述双焦面近眼显示光学系统还包括：

第一微显示器，以向所述第一透镜组提供所述第一光线；和

第二微显示器，以向所述第二透镜组提供所述第二光线。

优选地，所述第一微显示器和/或所述第二微显示器能够沿中心视场中心光线方向移动，实现焦面位置的变化。

本发明所提供的双焦面近眼显示光学系统，通过第一显示光路和第二显示光路分别形成位置不同的焦面；人眼可以在两个焦面之间切换，从而使人眼得到锻炼，进行视力防控；或者，使其中一个显示光路离焦显示，实现离焦刺激，进行视力防控。

附图说明

图1是本发明提供的双焦面近眼显示光学系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的第一显示光路结构示意图；

图3是本发明第一实施例的第一显示光路的光路示意图；

图4是本发明第一实施例的第一显示光路的光学表面示意图；

图5是本发明第一实施例的第二显示光路结构示意图；

图6是本发明第一实施例的第二显示光路的光路示意图；

图7是本发明第一实施例的第二显示光路的光学表面示意图；

图8是本发明第二实施例的第二显示光路元件示意图；

图9是本发明第二实施例的第二显示光路的光学表面示意图；

图10是本发明第三实施例的第二显示光路元件示意图；

图11是本发明第三实施例的第二显示光路的光学表面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都是属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种双焦面近眼显示光学系统，包括第一显示光路1和第二显示光路2，第一显示光路1具有第一显示焦面，第一显示光路2具有第二显示焦面，第一显示焦面和第二显示焦面的位置可以相同，也可以不同。优选，第一显示焦面和第二显示焦面的位置不同，用于近视防控。其中：

如图2至图4所示，第一显示光路1，包括棱镜组12、第一透镜组13和第一微显示器14；所述棱镜组12包括主棱镜122、辅棱镜121和补偿棱镜123，所述主棱镜122包括第一光学面1206、第二光学面1203(1205)和第三光学面1204；所述第一光学面1206是入射面，所述第二光学面1203靠近人眼设置，所述第三光学面1204远离人眼设置并设置有分光膜；所述辅棱镜121设置在所述主棱镜122的第二光学面侧，所述主棱镜122和所述辅棱镜121之间存在少于1mm的间隙，以保证主棱镜122内的全反射效果；所述补偿棱镜123设置在所述主棱镜122的第三光学面侧，所述主棱镜122和所述补偿棱镜123之间胶合。所述第一微显示器14发出的光线，经过第一透镜组13折射后，透过所述第一光学面1206进入所述主棱镜122，在第二光学面1205发生全反射，之后被第三光学面1204部分反射后，透过第二光学面1203(与1205为同一光学面)，然后经过辅棱镜121，到达人眼11(等效为光阑111)；在第一显示光路中，透过第三光学面1204进入补偿棱镜123的光线不用于对人眼成像。

如图5至图7所示，第二显示光路2包括所述棱镜组12、第二透镜组23和第二微显示器24；第二显示光路2和第一显示光路1共用所述棱镜组12；对于第二显示光路2来说，所述棱镜组12等效为一个等效透镜22；所述第二微显示器24发出的光经过所述第二透镜组23折射后，依次经过所述棱镜组12中的所述补偿棱镜123、所述主棱镜122和所述辅棱镜121折射后，到达人眼21。

如图1所示，棱镜组12设置在人眼前方，第一显示光路1中的微显示器14和第一透镜组13设置在主棱镜122的入光侧，如图1所示为棱镜组12上方；第二显示光路2中的微显示器24和第二透镜组23与等效透镜22(即棱镜组12)同轴设置，设置在视轴方向上。棱镜组12(即等效透镜22)作为第一显示光路1和第二显示光路2的合光元件，第一微显示器14和第二微显示器24的光线经过棱镜组12后，同时射入人眼。第一显示光路1和第二显示光路2分别形成位置不同的焦面。

如上所示，该双焦面近眼显示光学系统，可以作为VR设备进行应用。通过第一显示光路和第二显示光路形成不同的焦面，人眼可以在两个焦面之间切换，从而进行视力训练，进行视力防控。

在该双焦面近眼显示光学系统中，两个显示光路的焦面位置还可以改变。规定像距在整体光路结构远离人眼的一侧为正像距，在靠近人眼的一侧为负像距，其中，正像距所形成的焦面为聚焦面，所形成的像为聚焦像，负像距所形成的焦面为离焦面，所形成的像为离焦像。

具体来说，第一微显示器14能够沿中心视场中心光线方向移动，实现第一显示光路1焦面位置的变化；第二微显示器24能够沿中心视场中心光线方向移动，实现第二显示光路2焦面位置的变化。

优选地，第一显示光路和第二显示光路的焦面，分属于实现正视度和负视度，其中一个焦面位置的变化范围为不大于-200mm的范围，另一个焦面位置的变化范围为不小于+200mm的范围，可以适配近视人群，实现正离焦显示。其中一个焦面对应视度为-5D～-0D，另一个焦面对应视度为+0D～+5D。

可以理解，第一显示光路和第二显示光路的焦面位置还可以在其他范围内变化。例如，第一显示光路和第二显示光路的焦面位置，两者同时在不大于-200mm的范围内变化，以适配远视人群，或者，两者同时在不小于+200mm的范围内变化，以适配近视人群，上述技术方案都是可以实现的，并具有相应的应用场景。上述焦面位置变化范围仅作为示例进行说明，并不构成对本技术方案的限制。

下面以人眼作为坐标轴原点，以人眼视轴作为Z轴，以垂直于视轴的竖直方向作为Y轴，以垂直于视轴的水平方向作为X轴进行具体的示例说明。

第一实施例

如图2至图4所示，第一显示光路1，包括棱镜组12、第一透镜组13和第一微显示器14。

其中，第一微显示器14为第一显示光路1提供图像源，该显示器可以为OLED，MircoLED，LCD，Lcos等。优选的，为了减小系统体积，可以使用OLED微显示器。

在该实施例中，第一透镜组13，包括透镜131和透镜132。其中，透镜组焦距为25mm～40mm。透镜131和透镜132可以为独立的正透镜和负透镜，也可以组成正-负双胶合透镜，其中，正透镜132靠近第一微显示器14设置，负透镜131靠近棱镜组12设置。透镜131和透镜132的面型可以用球面或者非球面来描述。透镜131和透镜132的材料可以为玻璃或者树脂，优选的，可以使用树脂材料以减轻系统重量。透镜组13中的透镜表面均对光线有折射作用，优选地，透镜组13中各个光学表面需要镀增透膜以增加光能利用率，并减少可能产生的杂光。

棱镜组12，包括沿视轴方向排列的辅棱镜121、主棱镜122和辅助棱镜123。其中，主棱镜122是实现光路折转的主要部分，并为系统提供主要的光焦度。辅棱镜121主要用来调整第一显示光路中不同视场光线的光程，令各个视场的光线光程尽量接近。补偿棱镜123是为了降低第二显示光路2设计难度而增加的部分，对第一显示光路1进入其中的光线不进行人眼成像。

如图4所示，所述主棱镜122包括第一光学面1206、第二光学面1203(1205)和第三光学面1204。所述第三光学面1204设置有分光膜。优选的，分光膜的分光效率为50％，即有50％的光线会被反射继续朝向人眼传播，还有50％的光线会透射被损失掉。根据第一微显示器14和第二微显示器24的亮度，以及两个焦面最终的成像需求，也可以使用其他透反比的分光膜。

所述辅棱镜121设置在所述主棱镜122的第二光学面1203侧，辅棱镜121包括第四光学面1202和第五光学面1201。所述补偿棱镜123设置在所述主棱镜122的第三光学面1204侧，包括第六光学面1208和第七光学面1207。

其中，棱镜组12的光学表面可以用球面、非球面、自由曲面来进行设计。优选的，主棱镜122的第一光学面1206和第三光学面1204采用自由曲面进行设计，以提高系统的显示效果。辅棱镜121的第四光学面1202具有和第二光学面1203一致的面型。两者之间存在间隙，以保证第二光学面1203的全反射。补偿棱镜123的第七光学面1207和第三光学面1204面型一致，补偿棱镜123和主棱镜122胶合。第五光学面1205的面型由第一显示光路确定，第六光学面1208和第五光学面1205的面型差异，形成棱镜组12的光焦度，以与第二透镜组23配合，实现第二显示光路的成像。优选地，为了简化第二显示光路的设计难度，棱镜组12具有正光焦度；焦距范围为：80mm

棱镜组12可以采用注塑的工艺进行生产，降低棱镜重量的同时还可以降低成本。

在第一显示光路中，所述第一微显示器14发出的光经过透镜132和透镜131折射后，透过所述第一光学面1206进入所述主棱镜122。当图像信号进入主棱镜122后，在第二光学面1205发生全反射，之后被第三光学面1204部分反射后，透过第二光学面1203(与1205为同一光学面)，进入辅棱镜121。然后依次经过辅棱镜121的第四光学面1202和第五光学面1201，到达人眼11。在第一显示光路1中，进入补偿棱镜123的光线不用于对人眼成像。

其中，当图像信号第一次到达第二光学面1205时，包含图像信号的光线发生全内反射，表面1203与表面1205实际上为同一个表面，但是当光线第二次经过该表面时，由于光线已经不满足全内反射条件，此时光线会透过表面1203到达表面1202。为了保证表面1205的全内反射条件，表面1202与表面1205之间需要保持一个小的空气间隔。

如图5至图7所示，第二显示光路2包括等效透镜22、第二透镜组23和第二微显示器24；第二显示光路2和第一显示光路1共用所述棱镜组12，所述棱镜组12等效为等效透镜22。

微显示器24，为第二显示光路2提供图像源，具有与微显示器14相同的功能。其中，该显示器可以为OLED，Mirco LED，LCD，Lco s等。优选的，为了减小系统体积，可以使用OLED微显示器。

在该实施例中，第二透镜组23，包括依次排列的透镜231、232、233、234、235，其中，靠近人眼侧的透镜231为凸向人眼的双凸透镜或平凸透镜；透镜232和透镜233组成正-负双胶合透镜，透镜232为正透镜，透镜233为负透镜，透镜232面向人眼一侧为凸面，透镜233面向第二显示器一侧为凹面；透镜234为双凸透镜；透镜235为双凹透镜或凹向人眼侧的平凹透镜。其中，透镜组231-235的焦距约为25mm～40mm。透镜231-235的表面均可以用球面或者非球面来描述。同样，透镜231-235的材料可以为玻璃或者树脂，优选的，可以使用树脂材料以减轻系统重量。

等效透镜22，由棱镜组12等效而成，具有与棱镜组12相同的光学特性。主棱镜122和辅棱镜121作为两个显示光路共用的元件，辅助棱镜123仅用于第二显示光路成像。

在第二显示光路2中，所述第二微显示器24发出的光经过依次经过透镜235、234、233、232、231折射后，到达等效透镜22，其中，透镜组23中的透镜表面均对光线有折射作用，透镜组23中各个光学表面需要镀增透膜以增加光能利用率，并减少可能产生的杂光。

到达等效透镜22的光线，依次经过第六光学面1208、第七光学面1207、第三光学面1204、第二光学面1203、第四光学面1202和第五光学面1201折射后，到达人眼21。其中，当图像信号到达表面1204时，表面1204镀分光膜，优选的分光效率为50％，即有50％的光线会折射后继续朝向人眼传播，还有50％的光线会被反射并损失掉。

第一微显示器14和第二微显示器24可以沿各自中心视场中心光线方向移动，因此第一显示光路1与第二显示光路2的焦面位置均可以通过移动微显示器进行调整。

表1至表5分别为该实施例中，各光学表面的参数示例。如表1所示，在第一显示光路中，透镜132的前表面1303和后表面1304均为非球面，透镜131为球面镜片，透镜131和透镜132的材料为光学树脂。透镜132为具有较大阿贝数的正透镜，透镜131为具有较小阿贝数的负透镜，两个透镜组合达到校正系统色差的目的。为了减轻重量，棱镜组12中各个棱镜均采用树脂材料设计，优选地，第一光学面1206和第三光学面1204的面型为自由曲面，可以有效矫正系统由于离轴造成的像差。补偿棱镜123对于第一显示光路无效，但是有效缓解了第二显示光路的设计难度；棱镜123与棱镜122之间通过胶水粘合的方式固定到一起。曲面1203与1202具有相似的面型，为了保证光线在第一次到达1205时的全内反射条件，1203与1202之间保留一个0.5mm的空气层。

如表4所示，在该实施例中，第二显示光路中，透镜231的前表面和后表面均为非球面，透镜231材料为光学玻璃；非球面透镜的使用有效矫正系统的像差。其余透镜232-235均为球面玻璃透镜。其中透镜232为具有较大阿贝数的正透镜，透镜233为具有较小阿贝数的负透镜，两个透镜胶合达到校正系统色差的目的。

表1第一实施例第一显示光路的光学系统参数

表2第一实施例第一显示光路自由曲面系数

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表3第一实施例第一显示光路非球面系数

表4第一实施例第二显示光路参数

表5第一实施例第二显示光路非球面系数

上述光学表面中，面型为球面的表面满足方程：

构成为非球面的表面满足方程：

面型为XY多项式的自由曲面的表面满足方程：

其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离，k为二次曲面常数，Cj为多项式系数。

在该实施例中，所述第一显示光路的焦距为17mm

两个显示光路的视场角，可以相同，也可以不同。可以根据具体的显示场景进行设计。

第二实施例

如图8和图9所示，在第二实施例所提供的双焦面近眼显示光学系统中，第一显示光路的设置与第一实施例基本相同；区别在于，第二显示光路中的第二透镜组存在差异。

在该实施例中，第二显示光路包括第二微显示器341，第二透镜组331-336，等效透镜组321。其中，第二微显示器341和等效透镜组321与第一实施例相同。第二透镜组331-336包括6片透镜，与第一实施例中的第二透镜组23相比，第二透镜组331-336中包括5片形状相似的透镜，并在靠近棱镜组321的透镜331和正-负双胶合透镜之间，增加了弯月负透镜333，弯月负透镜333面向人眼一侧是凸面；并且，第二透镜组中，各光学表面3301-3311的面型均为球面。具体参数参见表6。

表6第二实施例第二显示光路参数

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在第二显示光路中，由微显示器341发出的光线，首先经过第二透镜组331-336，然后光线到达等效透镜组321，最终光线由等效透镜组的表面3201出射，到达出瞳3101并进入人眼。其中，出瞳3101与出瞳1101具有相同的位置和尺寸。

第三实施例

如图10和图11所示，在第三实施例所提供的双焦面近眼显示光学系统中，第一显示光路的设置与第一实施例基本相同；区别在于，第二显示光路中的第二透镜组存在差异。

在该实施例中，第二显示光路包括第二微显示器441，第二透镜组431-436，等效透镜组421。其中，第二微显示器441和等效透镜组421与第一实施例相同。第二透镜组431-436包括6片透镜。与第一实施例中的第二透镜组23相比，第二透镜组431-436包括5片形状相似的透镜，其中，透镜432和透镜433未胶合，并在负透镜433和双凸透镜435之间增加了弯月负透镜434，透镜433和透镜434胶合，弯月负透镜434面向人眼一侧是凸面；并且，第二透镜组中，各光学表面4301-4311的面型均为球面。具体参数参见表7。

表7第三实施例第二显示光路参数

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在第二显示光路中，由微显示器441发出的光线，首先经过透镜组，其中透镜表面4301-4311均为球面，然后光线到达等效透镜组421，最终光线由等效透镜组的表面4201出射，到达出瞳4101并进入人眼。其中，出瞳4101与出瞳1101具有相同的位置和尺寸。

综上所述，本发明所提供的双焦面近眼显示光学系统，通过两个显示光路分别形成不同位置的显示焦面；人眼可以在两个焦面之间切换，从而使人眼得到锻炼，从而进行视力防控。此外，还可以通过有规律的改变两个显示光路的焦面位置，实现对眼睛功能的锻炼，充分调动眼睛的潜能，缓解视力疲劳，改善调节速度，增加调节幅度，有效地改善调节滞后、调节功能不足等。

通过将上述双焦面近眼显示光学系统制作成VR设备，通过使两个显示光路在不同的位置形成焦面，实现不同的显示模式。长时间的佩戴，慢慢调整图像与透镜之间的距离，使得佩戴者能够慢慢适应变焦的过程，从而起到对视力的矫正，另外，通过观看VR视频，会有足够的乐趣，有助于视力的矫正。