一种棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统的制作方法

本发明涉及近眼显示，具体为一种棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统。

背景技术：

1、近眼显示光学系统是一种将微型显示器上的图像通过光学元件放大并投射至人眼瞳孔的视觉设备。作为虚拟现实和增强现实硬件的核心光电转换与传输模块，近眼显示光学系统主要由微显示器、中继透镜组、棱镜或波导等光学传导元件组成。该系统的基本功能是在靠近人眼的有限物理空间内构建虚拟图像的显示光路，通过光学放大与像差校正，实现人眼对微小尺寸发光屏幕的成像观察。

2、现有技术中的近眼显示光学系统通常采用直透式或常规的折反射光路架构进行图像光线的传输。在现有的系统布局中，微显示器发出的光线经过前端透镜组后，直接进入目镜或单片反射棱镜，随后偏转射出并到达系统出瞳。为了实现短焦距和视场角的覆盖，现有的硬件设计通常将微显示器及配套的光学元件紧密排列在光路主轴上，使微显示器沿光轴方向直接正对或侧向贴近系统出瞳所在的基准面，以确保光线以较短的直线物理路径到达人眼。

3、现有近眼显示光学系统存在由于发热源位置设定导致的空间布局缺陷。近眼显示光学模组在运行过程中的热量主要集中产生于微显示器处，在现有的常规光路设计中，受限于光线直线传输或单次折返的路径约束，微显示器在物理空间上布置于极度靠近人脸的一侧。微显示器距离人脸过近，其持续高频运转产生的热量直接向人脸表面区域辐射；并且，受限于微显示器必须贴近人脸侧的布局方式，现有的光路架构无法在维持系统光学参数的前提下，进一步折叠并压缩整个光学系统在厚度方向上的机械尺寸，导致近眼显示设备在工作状态下厚度偏大且人脸侧区域热负荷过高。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统，解决了上述背景技术中提及的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统，包括微显示器16、透镜/透镜组15、第一棱镜12、第二棱镜13以及反射镜14。

3、微显示器16具有发光面110与出射面109。微显示器16设于远离系统出瞳101的一侧。透镜/透镜组15具有第七表面108与第六表面107。第七表面108面对微显示器16的出射面109设置。透镜/透镜组15设于微显示器16与第一棱镜12之间。第一棱镜12具有第五表面106、第一表面102与第二表面103。第二棱镜13具有第二表面103与第三表面104。第二表面103为第一棱镜12与第二棱镜13之间的界面。第一棱镜12与第二棱镜13相邻布置。反射镜14具有第四表面105。反射镜14设于第二棱镜13远离第一棱镜12的一侧。

4、光线在所述棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统中的传输路径如下： 由微显示器16的发光面110发出的光线自出射面109射出； 光线依次透射穿过透镜/透镜组15的第七表面108和第六表面107； 光线经由第一棱镜12的第五表面106折射进入第一棱镜12； 光线在第一棱镜12内部传输，第一次到达第一表面102时，满足全内反射条件发生全反射； 全反射后的光线第一次到达第二表面103，经第二表面103发生反射； 反射后的光线第二次到达第一表面102，此时光线的入射角不满足全内反射条件，光线经第一表面102发生反射；反射后的光线第二次到达第二表面103，光线透射穿过第二表面103进入第二棱镜13； 进入第二棱镜13的光线透射穿过第三表面104，到达反射镜14的第四表面105； 光线经第四表面105反射，依次透射穿过第三表面104、第二表面103和第一表面102，脱离第一棱镜12，到达系统出瞳101。

5、通过第一棱镜12与第二棱镜13组合形成的光学折叠传输介质，控制光线在第一表面102与第二表面103之间完成特定时序的全内反射、反射与透射。该折叠光路结构将作为主要发热源的微显示器16的物理位置调配至远离出瞳101的一侧，增加发热源与人脸侧的空间距离。同时，折叠光路压缩了系统空间，使得所述棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统在yoz平面内的光学厚度小于13mm。

6、为提升光学成像质量，透镜/透镜组15的第六表面107、第一棱镜12的第五表面106以及反射镜14的第四表面105配置为非球面。上述非球面面型由包含表面上一点的矢高、曲率半径的倒数、表面上一点的径向距离、二次曲面常数以及高阶项系数的方程具体限定。透镜/透镜组15的第六表面107与第一棱镜12的第五表面106均具有偏心和弯曲特征。反射镜14的第四表面105配置为自由曲面以进一步校正像差。

7、在光学界面膜系配置上，第一棱镜12的第一表面102与第二表面103镀有分光膜；反射镜14的第四表面105镀有反射膜，反射膜用于提升光效；所述棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统中的其余透光表面镀有增透膜。

8、在光学材质选择上，第一棱镜12与第二棱镜13由光学树脂材料或具有高折射率的光学玻璃加工成型。采用光学树脂材料用于减轻系统重量，采用具有高折射率的光学玻璃用于实现大视场角短焦系统。透镜/透镜组15采用光学树脂非球面透镜或光学玻璃非球面透镜。

9、上述架构的各项参数配置使得微显示器16的对角尺寸兼容0.40英寸至0.80英寸范围。所述棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统的虚拟图像显示光路视场角大于40°，光学畸变小于2.5%，系统焦距满足f≤21mm。

10、本发明提供了一种棱镜折反混合的薄型近眼显示光学系统。具备以下有益效果：

11、1、本发明通过在微显示器与出瞳之间设置透镜组、第一棱镜、第二棱镜以及反射镜，构建棱镜折反混合的折叠光路结构。该结构将微显示器物理布置于远离系统出瞳的一侧，直接增大发热源与人脸之间的空间距离，有效降低近眼显示模组工作时产生的热量对人脸的散热影响。同时，光路在第一棱镜与第二棱镜的特定界面之间经历全内反射、反射与透射循环，大幅缩短光学系统的机械长度。这种空间布局实现了系统在yoz平面内光学厚度小于13毫米的超薄化设计，显著减轻近眼显示设备的配戴负荷并提升人脸侧的空间舒适度与使用体验。

12、2、本发明通过在透镜组表面、第一棱镜入光面以及反射镜表面配置非球面或自由曲面，并配合非球面矢高、曲率半径倒数、径向距离、二次曲面常数及高阶项系数的精确数学限定，建立精准的波前像差校正机制。透镜组表面的偏心与弯曲特征与棱镜内部的多重折叠路径协同作用，对大视场角下产生的离轴像差进行深度补偿。该非球面与自由曲面设计直接消除光学传输中的像面弯曲与畸变，使得所述近眼显示光学系统的视场角大于40度，同时将光学畸变控制在2.5%以内，确保虚拟图像在近眼观察条件下的几何比例还原度与图像清晰度。

13、3、本发明通过在棱镜界面分层镀制分光膜、在反射镜表面镀制高效率反射膜以及在其余透光表面镀制增透膜，实现对光学传输光通量的精准调控。分光膜精确控制光线在第一棱镜与第二棱镜界面间的全内反射与透射比，最大程度抑制杂散光干扰，提升信噪比。高效率反射膜增强终端反射镜面的光能回馈效率，结合光学树脂或高折射率玻璃材料的优化选取，在减轻系统整体质量的前提下实现高透射比。该材料与膜系的组合优化，有效拓宽系统焦距调节范围至21毫米以下，大幅优化能量传输路径，提升近眼显示系统的光学成像光能利用率与图像对比度。