CN111399321B - 一种适用于近眼显示器的小型投影光学组件和投影光学*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于近眼显示的小型化投影光学组件，包括透镜组，用来校正***中的色差等像差；棱镜，用于校正***中的离轴像差和偏转光轴角度；楔角棱镜，用于轻微的控制光轴相对于出瞳平面的角度；经过投影光学组件的图像光在出瞳平面被耦合进入预定的波导片。该投影光学组件的体积小，垂轴尺寸不超过7mm，结构紧凑、光学性能优良。

Description

一种适用于近眼显示器的小型投影光学组件和投影光学***
技术领域
本发明涉及一种光学领域的投影***，具体的，涉及一种适用于近眼显示器的小型投影光学组件和投影光学***。
背景技术
增强现实(augmented reality，AR)技术的概念已经广泛传播，该技术可以在不遮挡人眼正常观察真实世界的同时，为使用者提供额外的叠加信息，有效拓宽了人眼可见的信息容量，在教育、医疗、娱乐等领域均具有广阔的应用前景。作为实现增强现实的一种重要设备，透射式头戴近眼显示器的研发已成为时下的热点方向。目前，诸如EPSON，Google、Microsoft等公司已经投入到相关技术的研发当中并推出有相关的产品如ESPON-BT系列，Google Glass、Hololens等问世。在手机时代引爆行业大发展的Apple Inc.也已经发布了与AR相关的专利，进行了有益的市场布局。
在AR相关的技术中，基于物理光学的衍射原理，发展出以外观平板状的波导型元件为形态的一种可以实现增强透视显示的技术，由于其显示效果良好，平板状态与矫正眼镜类似，适合佩戴和造型等优点，成为关注的焦点。上述被称作波导近眼显示***主要由两部分组成：波导型元件和投影部。由于光学原理的限制，平板状的波导型元件无法提供任何光焦度，无法对图像进行光学放大，因而投影部的性能很大程度上决定了波导近眼显示***的显示图像质量好坏，目前，投影部需要较多的独立光学元件，例如透镜，以提高光学成像质量，使体积重量难以控制，无法进一步提高波导近眼显示***的紧凑度。因此，如何设计出重量轻、体积小、性能优良的投影部成为亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种体积小、重量轻、结构紧凑的适用于波导型光学元件的投影光学组件和使用其的投影光学***。
根据本发明的一种用于近眼显示器的小型投影光学组件，包括：
透镜组，用来接收来自微型显示器的图像光；
棱镜，沿光路方向上被置于所述透镜组之后，用于校正***中的离轴像差，包括至少一有效光学表面为非球面或自由曲面；
楔角棱镜，沿光路方向被置于所述棱镜的出光侧，用于控制图像光相对于光学组件的出瞳平面的角度；
经过投影光学组件的图像光在出瞳平面被耦合至一预定的波导型光学片。
进一步的，透镜组包含至少一胶合透镜，所述胶合透镜包含至少一片高折射率小阿贝数的负透镜，以及至少一片低折射率大阿贝数的正透镜。
优选的，棱镜使光轴发生折转，光轴折转的角度为45～75度。
根据本发明的实施例，使棱镜的有效光学表面构成为使图像光在其中传播时发生至少一次全反射。楔角棱镜与棱镜的两个相邻的表面具有相同的形状。
优选的，透镜组和棱镜的垂轴方向最大外径均不超过7mm，所述楔角棱镜小于所述棱镜的体积。
可选择的，楔角棱镜的有效光学表面包括至少一非球面。
根据本发明实施例的光学组件构成的投影光学***，图像源可以选自：反射式液晶显示器(LCoS)型微显示器，MEMS(Micro Electromechanical System，微机电***)激光扫描镜，有机发光半导体显示器(OLED)型、微发光二极管显示器(MicroLED)型，液晶显示器(LCD)型微显示器之一。相应的，投影光学组件的后截距小于15mm。
根据本发明的上述投影光学组件和***，由于棱镜的引入，体积得到显著的缩小，光轴角度可以被调节到合适的位置以适应整体造型和安置的需要。由于采用的单元件数量少，对于重量的减轻有进一步的帮助，整体光程短，结构紧凑，有效解决了近眼显示装置中用于波导型光学元件的投影***小体积和高光学性能的矛盾，使整体装置的体积和重量更加适宜头部佩戴的需要。
附图说明
图1是本发明第一实施例中的投影光学***示意图；
图1A为图1所示***的光学性能示意图；
图2是本发明第一实施例中的投影光学***的照明光路与投影光路分示图；
图3是常见的投影光学***的LCoS芯片照明光路示意图；
图4是本发明第一实施例中的投影光学***的照明光路示意图；
图5是图4所示照明光路中的微透镜阵列示意图；
图6是本发明第二实施例中的投影光学***示意图；
图6A为图6所示***的光学性能示意图；
图7是本发明第三实施例中的投影光学***示意图；
图8是本发明的投影光学***构成为近眼显示装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动的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。
第一实施例
根据本发明的第一实施例的投影光学组件，光路如图1所示。示意性的图像源15以LCoS型微显示器实现，由图像源15对投影光学组件提供图像光，图像光经过透镜组14，离轴折反射式的棱镜13，楔角棱镜12后，到达出瞳平面11。根据本发明投影光学组件的用途，经过投影光学组件的图像光在出瞳平面11被耦合至一预定的波导型光学片。
在第一实施例中，如图1所示，透镜组14被构成为胶合透镜形式，包含靠近图像源一侧的负透镜，以及胶合至负透镜的正透镜，优选的，使负透镜由具有相对高的折射率和小阿贝数的材料形成，而正透镜由相对低折射率和大阿贝数的材料形成。负透镜的前表面110靠近图像源一侧，后表面109和正透镜的前表面109被胶合，图像光从正透镜的后表面108透射出透镜组14。
棱镜13被构成为离轴折反射式，包含三个光学面107,104/106,105，其中，表面104/106为复用面，即图像光经过棱镜13最靠近透镜组14的表面107而透射进入棱镜13后第一次经过时记为表面104，在表面104上，图像光发生全内反射，因此光能量不发生损失，从而表面104/106无需通过镀膜的处理来完成反射功能；当图像光在棱镜13中传播后第二次经过时记为表面106，发生透射。而表面105也形成为反射面，并优选的，镀全反射膜实现高效率的反射。
透镜组14与图像光发光表面为同轴方式设置，而离轴折反射式的棱镜13实现主要的光轴折转，由于光轴折转带来的离轴像差，可以通过使用非球面、自由曲面进行校正。优选的，棱镜13的三个表面(107,104/106,105)可以用非球面或自由曲面进行描述。
进一步的，本发明第一实施例中还包括楔角棱镜12，被靠近于棱镜13设置，实现轻微的光轴折转，为了更好的控制平衡像差，楔角棱镜12的表面可以使用非球面/自由曲面进行描述。楔角棱镜的表面103与棱镜13的表面104/106相邻，具有相同的形状，为了不阻碍表面全内反射的发生，表面103与表面104/106需要保持一定的空气间隔，优选的，该间隔为0.1～0.5mm。
根据图1所示的本发明第一实施例的投影光学组件，图1A(a)示出了它的光学调制传递函数(MTF)，图1A(b)展示了相应的畸变，体现该组件具备优异的光学性能。在第一实施例的投影光学组件中，由于棱镜的作用，光轴发生至少一次折转，虽然可设置的偏转角度在-90°～90°之间，但优选的，第一实施例中将光轴折转的角度控制在45°～80°之间。
为了小型化的要求，在第一实施例中，透镜组和棱镜的垂轴方向最大外径均被限制为不超过7mm；而楔角棱镜像“囊括一般被罩在”棱镜的表面104/106下，楔角棱镜体积也显著的小于所述棱镜的体积。
表1-1给出了示例性的具体各光学表面参数，其中表面101为出瞳11所在平面，表面103，104/106具有相同的表面形状，虽然表4-1中表面107和105被形成为自由曲面的面型，表面108-110被示出为球面的表面形态，但可以理解的，非球面亦可以作为上述表面的形态。配合LCoS型微显示器通常所需的分光棱镜前后表面被记做表面111，112，为平面。
表1-1
Figure BDA0002481634680000061
其中，构成为球面的表面满足方程：
Figure BDA0002481634680000062
其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离。
构成为非球面的表面满足方程：
Figure BDA0002481634680000063
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，Ai为高阶项系数，参见表1-2；
构成为XY多项式的自由曲面表面满足的方程为：
Figure BDA0002481634680000071
，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，参见表1-3。
表1-2
Figure BDA0002481634680000072
表1-3
Figure BDA0002481634680000073
在本发明的第一实施例中，如图1所示的，图像源15以LCoS型微显示器实现，根据LCoS的图像光生成原理，需增加相应的照明光路，用来为LCoS型微显示器的显示芯片113(Display panel)提供准直、均匀的照明光。由于照明光路的设置必要，相应的，该投影光学组件的后截距(BFL)应具有：6mm<BFL<15mm，以容纳照明光路所用。
如图2所示，展示了当使用LCoS型微显示器时，照明光束耦合进入投影光路的方式。其中，Path2代表在实施例中已详细描述的投影光学组件光路，Path1代表对LCoS显示芯片的照明光路，照明光束首先通过分光棱镜BS1的分光面M1，反射至LCoS型微显示器的显示芯片上，然后光束被调制，反射出来的光束携带了图像的信息形成为图像光，再次透射通过分光面M1进入投影光学组件。
在进入分光面之前，一些满足照明要求的示例性方式可以如图3所示，其中图3(a)中实现为简单的LED灯板，结构紧凑，体积小，但是可提供的光功率有限；图3(b)所示的由LED、整形透镜组成的照明光路，体积略大于LED灯板，可有效提高光功率；进一步的，如图3(c)所示，由LED、导光棒、整形透镜组成的照明光路体积更大，可有效提高光功率，可以提供准直度更好、更均匀的照明光束。但图3所示方式均对控制体积造成了不利影响。
为了保持小体积的需要，根据本发明的第一实施例的具体照明光路优选的形式为图4所示，包括至少一片微透镜阵列。具体的，由LED光源发出的光经整形透镜Lens1，调整光束的发散角，进一步经过微透镜阵列LA1和微透镜阵列LA2，微透镜阵列LA1、LA2对经过整形透镜的光束进行匀光。优选的，可以使用非球面、自由曲面整形透镜或折反射镜形成整形透镜Lens1，以树脂材料和注塑工艺进行生产，并且可以选择玻璃或者树脂材质来设计微透镜阵列，微透镜阵列中的各小透镜可以使用球面、非球面、自由曲面来描述形状，尽管没有示出，但微透镜阵列可以为一侧平面，另一侧为小透镜阵列；或者两侧均为小透镜阵列；具有相同或不同的排布方式。为简化所示，图5示出了本发明第一实施例中所使用的微透镜阵列LA1、LA2，具有相同的设计参数。
表1-4给出了Lens1、LA1和LA2的示例性设计参数，其中整形透镜Lens1的表面(表面标记9,10)形成为非球面的面型，而微透镜阵列LA1、LA2的各小透镜形成为球面的面型。
表1-4
表面标记 类型 曲率半径 厚度 属性 微透镜口径 微透镜间距
1 球面 无限 无限
2 球面 0.60 1 透镜阵列1 0.2×0.2 0.2
3 球面 无限 0
4 球面 无限 1
5 球面 无限 0
6 球面 无限 1 透镜阵列2 0.2×0.2 0.2
7 球面 -0.60 0
8 球面 无限 0.5
9 非球面 2.86 4.17 整形透镜
10 非球面 -10.02 0
第二实施例
根据本发明的第二实施例，与本发明第一实施例使用类似的投影光学组件，但以OLED型微显示器作为图像源25，如图6所示。
根据本发明第二实施例的投影光学组件，相比较使用LCoS型微显示器作为图像源，OLED型微显示器为自发光器件，无需额外的照明光路进行照明，简化了图像光形成的复杂度，并因为无需额外的照明***，整个投影光学***可进一步减轻重量。
图6A(a)展示了该投影光学组件的光学调制传递函数(MTF)，图6A(b)展示了相应的畸变。同第一实施例相比，该***具有类似的光学性能，且同样透镜组和棱镜的垂轴方向最大外径均被限制为不超过7mm。
表2-1给出了各个光学表面的参数，其中表面201为本发明第二实施例的投影光学组件的出瞳21所在平面，表面203和棱镜23的复用表面204/206具有相同的表面形状，虽然表2-1中表面207和205被形成为自由曲面的面型，表面208-210被示出为球面的表面形态，但可以理解的，非球面亦可以作为上述表面的形态。
表2-1
Figure BDA0002481634680000101
其中，构成为球面的表面满足方程为：
Figure BDA0002481634680000102
其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离。
构成为非球面的表面满足方程为：
Figure BDA0002481634680000111
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，Ai为高阶项系数，如表2-2所示。
构成为XY多项式的自由曲面的表面满足的方程为：
Figure BDA0002481634680000112
，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，如表2-3所示。
表2-2
Figure BDA0002481634680000113
表2-3
Figure BDA0002481634680000114
Figure BDA0002481634680000121
虽然本发明的第二实施例以OLED型微显示器作为图像源示出，但本领域技术人员可以理解的，其他自发光或者在图像光出光面前亦不需要***额外照明的微显示器类型，如MicroLED型微显示器，背光式的LCD型微显示器均可用作第二实施例中的图像源，能适应第二实施例示出的投影光学组件。由于不必考虑额外照明光路的位置，在使用上述类型的微显示器时，该投影光学组件的后截距(BFL)可以满足2mm<BFL<15mm。
第三实施例
根据本发明的第三实施例，该实施例与第一实施例的区别为，该实施例使用MEMS(Micro Electromechanical System，微机电***)激光扫描镜作为图像源。
与使用OLED型微显示器作为图像源相比，MEMS激光扫描镜的功率高，可以有效提高图像光的显示亮度；与使用LCoS型微显示器作为图像源相比，使用MEMS激光扫描镜作为图像源可以省去包括了整形透镜的照明光路，进一步有效的减小投影光学***的重量，激光的光效亦高于LED。
图7(a)展示了本发明第三实施例的投影光学组件和使用其的投影光学***光路，其中投影光学组件与第一、第二实施例类似，不再重复表述。
图7(b)为放大的MEMS激光扫描镜的工作原理图，根据本发明第三实施例的方案，首先由激光器Laser发出细准直激光束，其中，若为单色应用，则仅需一个激光器；若为复色应用，则需要至少红绿蓝三个激光器，三色激光需通过棱镜进行合并，并通过色轮调制。
对于MEMS激光扫描镜的图像源，由激光器Laser发出的激光束进入MEMS扫描镜，MEMS扫描镜为一块可以进行二维旋转运动的平面反射镜，即可以绕x轴或者z轴进行旋转，将由激光器发出的激光反射至投影***的图像源位置表面311；例如当MEMS位于P1位置时，反射后的激光束将抵达表面311上的A点，然后MEMS绕x轴进行旋转，当MEMS位于P2位置时，反射后的激光束将抵达表面311上的B点。通过绕x轴和z轴两个方向的旋转，MEMS扫描镜可以在表面311上扫描出一幅完整的图像。为了令光线进入投影光学***，表面311应具有反射/散射属性，并大致形成为一平面。
根据本发明各实施例所示的投影光学组件和使用了它们的投影光学***，将来自靠近使用者眼附近(例如在眼睛的侧面，大致眼镜腿的位置)的微显示器上显示的图像，放大投射至出瞳位置，进而耦合进入基于物理光学原理设置的波导型光学元件中，进波导光学元件的传输与一维或二维的扩展作用，被传播到使用者眼前，从而使用者能够看到被放大的、微显示器上显示的图像，如果以双眼各自实现本发明的投影光学***，则使用者可以看到放大了的3D显示图像，如图8所示。由于本发明投影光学组件的小型化，可以实现在支撑和保护结构(未图示)的帮助下，被收纳于侧边的大致眼镜腿位置中，平板状的波导型光学元件为镜片实现在眼前，整体构成为类似于眼镜的形态，作为完整的近眼显示装置。微显示器上显示的图像可以由中央处理器，通过有线，例如已经实现为通用的USB-type C有线接口，或者无线网络的方式，例如具备大带宽低延迟传输特性的5G网络，传送获得。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于由本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于近眼显示器的小型投影光学组件，其特征在于，所述投影光学组件包括：
透镜组(14)，用来接收来自微型显示器的图像光；
棱镜(13)，被构成为离轴折反射式，沿光路方向上被置于所述透镜组之后，用于实现光轴折转并校正***中的离轴像差，包括至少一有效光学表面为非球面或自由曲面，并且，所述棱镜的其中一个光学表面设置有全反射膜；
楔角棱镜(12)，沿光路方向被置于所述棱镜的出光侧，用于控制图像光相对于投影光学组件的出瞳平面(11)的角度；所述楔角棱镜的有效光学表面包括至少一非球面或自由曲面；
经过投影光学组件的图像光在出瞳平面(11)被耦合至一预定的波导型光学片；
所述透镜组和棱镜的垂轴方向最大外径均不超过7mm；楔角棱镜以囊括形式被罩在棱镜下，楔角棱镜在垂轴方向不超出棱镜的最大外径；所述楔角棱镜的体积小于所述棱镜的体积；
所述投影光学组件的后截距小于15mm。
2.根据权利要求1所述的投影光学组件，其中，所述透镜组包含至少一胶合透镜，所述胶合透镜包含至少一片高折射率小阿贝数的负透镜，以及至少一片低折射率大阿贝数的正透镜。
3.根据权利要求1所述的投影光学组件，其中，棱镜(13)使光轴发生折转，光轴折转的角度为45～75度。
4.根据权利要求3所述的投影光学组件，其中，所述棱镜(13)的有效光学表面构成为使图像光在其中传播时发生至少一次全反射。
5.根据权利要求1所述的投影光学组件，其中，所述楔角棱镜(13)与棱镜(12)的两个相邻的表面具有相同的形状，所述楔角棱镜(13)与棱镜(12)的两个相邻的表面之间具有间距。
6.根据权利要求5所述的投影光学组件，其中，所述楔角棱镜(13)与所述棱镜(12)相邻的面为非球面。
7.一种包括权利要求1-6任一投影光学组件的投影光学***，其特征在于，进一步包括反射式液晶显示器(LCoS)型图像源。
8.如权利要求7所述的投影光学***，其特征在于所述图像源(45)包括：
反射式液晶开关层；
被置于上述开关层反射出光面前预定距离的偏振分光器；
用来提供初始光束的LED光源，以及被置于LED光源和偏振分光器之间的至少一整形透镜(Lens1)，所述整形透镜用以调整初始光束的发散角后将光线投射至微透镜阵列(LA1、LA2)，用来进一步使光束均匀。
9.如权利要求8所述的投影光学***，其特征在于所述偏振分光器为偏振分光立方棱镜或具备支撑结构的分光膜。
10.如权利要求9所述的投影光学***，其特征在于所述整形透镜具有非球面的前、后表面，用以将照明光束耦合进入光路。
11.一种包括权利要求1-6任一投影光学组件的投影光学***，其特征在于，进一步包括MEMS(Micro Electromechanical System，微机电***)激光扫描镜作为图像源，所述MEMS扫描镜通过照射至其上的激光束在预定位置的反射/散射表面(311)上扫描出完整的一幅平面图像，所述预定位置为所述投影光学组件的图像源面位置。
12.一种包括权利要求1-6任一投影光学组件的投影光学***，其特征在于，所述投影光学***进一步包括图像源，所述图像源的类型选自有机发光半导体显示器(OLED)型、微发光二极管显示器(MicroLED)型，液晶显示器(LCD)型微显示器之一。
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