CN110879456A - 投影镜组、投影光学***以及增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种投影镜组、投影光学***以及增强现实设备，所述投影镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；所述第一透镜为负光焦度透镜；所述第二透镜为正光焦度透镜；所述第三透镜为正光焦度透镜；所述第四透镜为负光焦度透镜；所述第五透镜为正光焦度透镜。本发明提供一种投影镜组、投影光学***以及增强现实设备，解决了现有增强现实设备视场角较小的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种投影镜组、投影光学***以及增强现实设备。
背景技术
目前，基于全息光波导显示技术的增强现实设备主要通过棱镜，偏振分光棱镜，投影镜组以及显示芯片组成，其中，现有技术中使用的显示芯片包括数字光处理(DigitalLight Processing，DLP)显示芯片以及液晶附硅(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)显示芯片，相比与DLP显示芯片组成的增强现实设备，使用LCOS显示芯片的增强现实设备具有体积小，成本低的优点，而在现有使用LCOS显示芯片的增强现实设备中，由于720P的LCOS显示芯片的像素较低，视场角较小，因此无法实现高清晰度并且具有大视场角的成像效果。
发明内容
本发明提供一种投影镜组、投影光学***以及增强现实设备，旨在解决现有增强现实设备视场角较小的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种投影镜组，所述投影镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；
所述第一透镜为负光焦度透镜；
所述第二透镜为正光焦度透镜；
所述第三透镜为正光焦度透镜；
所述第四透镜为负光焦度透镜；
所述第五透镜为正光焦度透镜。
可选的，所述第一透镜沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第二透镜沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第三透镜沿光轴方向的入光面为凸型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第四透镜沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凹形非球面结构；
所述第五透镜沿光轴方向的入光面为凸型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构。
可选的，所述投影镜组满足如下关系：
-7<f1/f3<-1；-7<f2/f4<-1；0.5<f3/f5<5；
其中，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距，所述f5为所述第五透镜的焦距。
可选的，所述投影镜组满足如下关系：
0.2<C1/C2<2；1<C3/C4<5；0.2<C2/C5<2；
其中，所述C1为所述第一透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C2为所述第二透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C3为所述第三透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C4为所述第四透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C5为所述第五透镜沿光轴方向的透镜厚度。
可选的，所述投影镜组满足如下关系：
0.1<A1/A3<5；0.1<A2/A4<5；-2<A3/TTL<-0.01；0.1<EFFL/TTL<5；
其中，所述A1为所述第一透镜与所述第二透镜之间的间隔距离，所述A2为所述第二透镜与所述第三透镜之间的间隔距离，所述A3为所述第三透镜与所述第四透镜之间的间隔距离，所述A4为所述第四透镜与所述第五透镜之间的间隔距离，所述EFFL为所述投影镜组的焦距，所述TTL为所述投影镜组的总长。
可选的，所述投影镜组满足如下关系：
Vd1≥55；Vd2≤30；Vd3≥55；Vd4≤30；Vd5≥55；
其中，所述Vd1为所述第一透镜的色散系数，所述Vd2为所述第二透镜的色散系数，所述Vd3为所述第三透镜的色散系数，所述Vd4为所述第四透镜的色散系数，所述Vd5为所述第五透镜的色散系数。
为实现上述目的，本申请提出一种投影光学***，所述投影光学***包括如上述任一项实施方式所述的投影镜组。
可选的，所述投影光学***包括光源与反射元件，所述反射元件包括反射面，所述光源发出的光线在所述反射面发生反射后从第一透镜沿光轴方向的入光面进入所述投影镜组，并从所述第五透镜沿光轴方向的出光面射出所述投影镜组后到达像面。
可选的，所述反射元件为直角棱镜，所述直角棱镜包括第一表面、第二表面以及所述反射面，所述第一表面、所述第二表面以及所述反射面依次相互连接，所述第一表面与所述第二表面相互垂直。
可选的，所述投影光学***还包括分光棱镜，所述分光棱镜设于所述投影镜组与像面之间。
为实现上述目的，本申请提出一种增强现实设备，所述增强现实设备包括如上述任一项实施方式所述的投影光学***。
本申请提出的技术方案中，所述投影镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；所述第一透镜为负光焦度透镜；所述第二透镜为正光焦度透镜；所述第三透镜为正光焦度透镜；所述第四透镜为负光焦度透镜；所述第五透镜为正光焦度透镜。增强现实设备中的光源发出的光线在依次经过所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜之后到达像面，通过所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜的组合作用，增大了所述增强现实设备的视场角，解决了现有增强现实设备视场角较小的问题。
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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明投影光学***的结构示意图；
图2是本发明第一实施例的调制传递函数图；
图3是本发明第一实施例的轴向球差图；
图4是本发明第一实施例的垂轴色差图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 光源 | 71 | 反射面 |
| 20 | 第一透镜 | 72 | 第一表面 |
| 30 | 第二透镜 | 73 | 第二表面 |
| 40 | 第三透镜 | 80 | 分光棱镜 |
| 50 | 第四透镜 | 90 | 保护玻璃 |
| 60 | 第五透镜 | 100 | 像面 |
| 70 | 反射元件 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种投影镜组、投影光学***以及增强现实设备。
请参照图1，所述投影镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜20、第二透镜30、第三透镜40、第四透镜50以及第五透镜60，
所述第一透镜20为负光焦度透镜；
所述第二透镜30为正光焦度透镜；
所述第三透镜40为正光焦度透镜；
所述第四透镜50为负光焦度透镜；
所述第五透镜60为正光焦度透镜。
其中，光焦度用于表示光学***偏折光线的能力，其中，当透镜为正光焦度透镜时，透镜具有汇聚光线的能力，当透镜为负光焦度透镜时，透镜具有发散光线的能力。
优选实施方式中，所述第一透镜20沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第二透镜30沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第三透镜40沿光轴方向的入光面为凸型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第四透镜50沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凹形非球面结构；
所述第五透镜60沿光轴方向的入光面为凸型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构。
其中，当透镜表面为非球面结构时，能够有效的减小镜片的边缘像差，提高所述投影镜头的性能。通过非球面结构，有效地实现多个球面透镜校正像差的效果，有利于实现所述投影镜头的小型化。
在可选的实施方式中，所述投影镜组满足如下关系：
-7<f1/f3<-1；-7<f2/f4<-1；0.5<f3/f5<5；
其中，所述f1为所述第一透镜20的焦距，所述f2为所述第二透镜30的焦距，所述f3为所述第三透镜40的焦距，所述f4为所述第四透镜50的焦距，所述f5为所述第五透镜60的焦距。
在可选的实施方式中，所述投影镜组满足如下关系：
0.2<C1/C2<2；1<C3/C4<5；0.2<C2/C5<2；
其中，所述C1为所述第一透镜20沿光轴方向的透镜厚度，所述C2为所述第二透镜30沿光轴方向的透镜厚度，所述C3为所述第三透镜40沿光轴方向的透镜厚度，所述C4为所述第四透镜50沿光轴方向的透镜厚度，所述C5为所述第五透镜60沿光轴方向的透镜厚度。
在可选的实施方式中，所述投影镜组满足如下关系：
0.1<A1/A3<5；0.1<A2/A4<5；-2<A3/TTL<-0.01；0.1<EFFL/TTL<5；
其中，所述A1为所述第一透镜20与所述第二透镜30之间的间隔距离，所述A2为所述第二透镜30与所述第三透镜40之间的间隔距离，所述A3为所述第三透镜40与所述第四透镜50之间的间隔距离，所述A4为所述第四透镜50与所述第五透镜60之间的间隔距离，所述EFFL为所述投影镜组的焦距，所述TTL为所述投影镜组的总长。
在可选的实施方式中，所述投影镜组满足如下关系：
Vd1≥55；Vd2≤30；Vd3≥55；Vd4≤30；Vd5≥55；
其中，所述Vd1为所述第一透镜20的色散系数，所述Vd2为所述第二透镜30的色散系数，所述Vd3为所述第三透镜40的色散系数，所述Vd4为所述第四透镜50的色散系数，所述Vd5为所述第五透镜60的色散系数。
本发明还提出一种投影光学***，所述投影光学***包括如上述任一实施方式所述的投影镜组，该投影镜组的具体结构参照上述实施例，由于该投影镜组采用了上述所有实施例的全部技术方案。
在可选的实施方式中，所述投影光学***包括光源10与反射元件70，所述反射元件70包括反射面71，所述光源10发出的光线在所述反射面71发生反射后从第一透镜20沿光轴方向的入光面进入所述投影镜组，并从所述第五透镜60沿光轴方向的出光面射出所述投影镜组后到达像面100。具体的，所述光源10发出的光线经过所述反射元件70的所述反射面71反射后，沿光轴方向从所述第一透镜20的入光面进入所述投影镜组，光线依次经过所述第一透镜20、所述第二透镜30、所述第三透镜40、所述第四透镜50以及所述第五透镜60之后，射向所述像面100。所述光源10发出的光线在经过所述第一透镜20至所述第五透镜60后，能够改变光线的分布，从而增大了所述增强现实设备的视场角，解决了现有增强现实设备视场角较小的问题。
其中，所述光源10为显示芯片，具体的，所述显示芯片为液晶附硅(LiquidCrystal on Silicon，LCOS)芯片，可以理解的是，所述显示芯片不限于此，所述显示芯片还可以为数字微镜晶片(Digital Micro-mirror Device，DMD)显示芯片或激光束扫描(LaserBeam Scanning，LBS)芯片或有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)芯片或迷你发光二极管(mini Light Emitting Diode，Mini LED)芯片或微型发光二极管(Micro Light Emitting Diode，Micro LED)芯片。
优选实施方式中，所述反射元件70为直角棱镜，其中，所述反射元件70包括第一表面72、第二表面73以及所述反射面71，所述第一表面72与所述第二表面73相互垂直，所述第一表面72、所述第二表面73与所述反射面71依次相互连接，具体的，所述光源10发出的光线从所述第一表面72进入所述直角棱镜后，在所述反射面71发生反射，并从所述第二表面73射出所述直角棱镜，射出所述直角棱镜的光线依次经过所述第一透镜20至所述第五透镜60后，射向所述像面100。
在可选的实施方式中，所述投影光学***还包括分光棱镜80，所述分光棱镜80设于所述投影镜组与像面100之间，优选的，所述分光棱镜80为偏振分光棱镜，具体的，所述光源10发出的光线在经过所述投影镜组后，进入所述偏振分光棱镜，光线在所述偏振分光棱镜的分光面分为两束光线，其中一束光线沿光轴方向射出所述偏振分光棱镜后射向所述像面100，另一束光线在所述分光面发生反射后，进入照明***或其他光学***中。
在可选的实施方式中，所述投影光学***还包括保护玻璃90，其中，所述保护玻璃90设于所述分光棱镜80与所述像面100之间，所述保护玻璃用于保护所述像面100受到外界环境或其他元件的冲击影响。
第一实施例
在第一实施例中，光学***设计数据如下表1所示：
表1
其中，所述第一透镜20至所述第五透镜60的入光面与出光面均为非球面结构，其中A4，A6，A8，A10，A12为非球面透镜的非球面高次项系数，具体如表2所示。
表2
所述第一实施例中，各参数如下所述：
所述第一透镜20的焦距f1为-25.60mm；
所述第二透镜30的焦距f2为12.16mm；
所述第三透镜40的焦距f3为6.88mm；
所述第四透镜50的焦距f4为-3.17mm；
所述第五透镜60的焦距f5为5.02mm；
f1/f3＝-3.72；f2/f4＝-3.84；f3/f5＝1.37；
所述第一透镜20的透镜厚度C1为1.0mm；
所述第二透镜30的透镜厚度C2为1.2mm；
所述第三透镜40的透镜厚度C3为2.8mm；
所述第四透镜50的透镜厚度C4为1.1mm；
所述第五透镜60的透镜厚度C5为2.8mm；
C1/C2＝0.83；C3/C4＝2.55；C2/C5＝0.43；
所述投影光学***的焦距EFFL为6.61mm；
所述投影光学***的总长TTL为22.00mm；
所述第一透镜20与所述第二透镜30的间隔A1为-0.2mm；
所述第二透镜30与所述第三透镜40的间隔A2为-0.1mm；
所述第三透镜40与所述第四透镜50的间隔A3为-0.5mm；
所述第四透镜50与所述第五透镜60的间隔A4为-0.3mm；
A1/A3＝0.4；A2/A4＝0.33；A3/TTL＝-0.023；EFFL/TTL＝0.3；
所述第一透镜20的色散系数Vd1为56；
所述第二透镜30的色散系数Vd2为24；
所述第三透镜40的色散系数Vd3为56；
所述第四透镜50的色散系数Vd4为22；
所述第五透镜60的色散系数Vd5为56；
请参照图2，图2为第一实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。
请参照图3，图3为第一实施例的轴向球差图，具体的，轴上点发出的同心光束经光学***后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差。
请参照图4，图4为第一实施例的垂轴色差图，其中，垂轴色差又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射***存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值；在所述第一实施例中，所述光学***的最大色散为所述光学***的视场最大位置，所述光学***的最大色差值小于3μm，可满足用户的需求。
在本实施例中，所述投影光学***使用的显示芯片为分辨率为1080P的LCOS显示芯片，保证投影光学***的成像像素点尺寸只有3μm，从而提高了所述投影光学***的成像分辨率，并且在所述投影镜组的组合作用下，使所述投影光学视场的最大视场角达到55°，从而有效地实现了大角度成像，解决了现有技术中增强现实设备无法实现高清晰度并且具有大视场角的成像效果的问题。
本发明还提出一种投影设备，所述投影设备包括如上述任一实施方式所述的投影光学***，该投影光学***的具体结构参照上述实施例，由于该投影光学***采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种投影镜组，其特征在于，所述投影镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；
所述第一透镜为负光焦度透镜；
所述第二透镜为正光焦度透镜；
所述第三透镜为正光焦度透镜；
所述第四透镜为负光焦度透镜；
所述第五透镜为正光焦度透镜。
2.如权利要求1所述的投影镜组，其特征在于，所述第一透镜沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第二透镜沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第三透镜沿光轴方向的入光面为凸型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构；
所述第四透镜沿光轴方向的入光面为凹型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凹形非球面结构；
所述第五透镜沿光轴方向的入光面为凸型非球面结构，沿光轴方向的出光面为凸形非球面结构。
3.如权利要求1所述的投影镜组，其特征在于，所述投影镜组满足如下关系：
-7<f1/f3<-1；-7<f2/f4<-1；0.5<f3/f5<5；
其中，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距，所述f5为所述第五透镜的焦距。
4.如权利要求1所述的投影镜组，其特征在于，所述投影镜组满足如下关系：
0.2<C1/C2<2；1<C3/C4<5；0.2<C2/C5<2；
其中，所述C1为所述第一透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C2为所述第二透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C3为所述第三透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C4为所述第四透镜沿光轴方向的透镜厚度，所述C5为所述第五透镜沿光轴方向的透镜厚度。
5.如权利要求1所述的投影镜组，其特征在于，所述投影镜组满足如下关系：
0.1<A1/A3<5；0.1<A2/A4<5；-2<A3/TTL<-0.01；0.1<EFFL/TTL<5；
其中，所述A1为所述第一透镜与所述第二透镜之间的间隔距离，所述A2为所述第二透镜与所述第三透镜之间的间隔距离，所述A3为所述第三透镜与所述第四透镜之间的间隔距离，所述A4为所述第四透镜与所述第五透镜之间的间隔距离，所述EFFL为所述投影镜组的焦距，所述TTL为所述投影镜组的总长。
6.如权利要求1所述的投影镜组，其特征在于，所述投影镜组满足如下关系：
Vd1≥55；Vd2≤30；Vd3≥55；Vd4≤30；Vd5≥55；
其中，所述Vd1为所述第一透镜的色散系数，所述Vd2为所述第二透镜的色散系数，所述Vd3为所述第三透镜的色散系数，所述Vd4为所述第四透镜的色散系数，所述Vd5为所述第五透镜的色散系数。
7.一种投影光学***，其特征在于，所述投影光学***包括如权利要求1-6任一项所述的投影镜组。
8.如权利要求7所述的投影光学***，其特征在于，所述投影光学***包括光源与反射元件，所述反射元件包括反射面，所述光源发出的光线在所述反射面发生反射后从第一透镜沿光轴方向的入光面进入所述投影镜组，并从所述第五透镜沿光轴方向的出光面射出所述投影镜组后到达像面。
9.如权利要求7所述的投影光学***，其特征在于，所述反射元件为直角棱镜，所述直角棱镜包括第一表面、第二表面以及所述反射面，所述第一表面、所述第二表面以及所述反射面依次相互连接，所述第一表面与所述第二表面相互垂直。
10.如权利要求7所述的投影光学***，其特征在于，所述投影光学***还包括分光棱镜，所述分光棱镜设于所述投影镜组与像面之间。
11.一种增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备包括如权利要求7-10任一项所述的投影光学***。
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2019
- 2019-11-26 CN CN201911188701.1A patent/CN110879456B/zh active Active
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