CN111538162A - 光学***及增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学***及增强现实设备，所述光学***沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为球面透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜的折射率均大于1.52；所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第四透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有负光焦度。本发明提供一种显示组件及相关设备，旨在解决现有技术中增强现实设备中的光学***需要使用非球面镜片，并且镜片数量较多，从而导致增强现实设备设备的体积较大，成本较高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及成像显示技术领域，尤其涉及一种光学***及增强现实设备。
背景技术
可穿戴设备是光电成像领域的新型发展方向，其中增强现实设备作为可穿戴设备中的增强现实设备正在逐渐向轻量化，小型化的方向发展。
在使用光波导的增强现实设备中，为了实现光学***与光波导，通常会将孔径光阑设置在光学***与光波导之间，并且为了保证增强现实设备的成像质量，通常会使用至少5片镜片对光学***的光路进行调节，并且为了减小像差，至少会使用1片非球面结构的透镜降低光学***的像差，非球面透镜相比球面透镜的加工成本较高，并且由于显示单元与光学***主要集中在用户佩戴的增强现实设备中，当镜片较多时，容易造成增强现实设备的体积较大。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明提供一种显示组件及相关设备，旨在解决现有技术中增强现实设备中的光学***需要使用非球面镜片，并且镜片数量较多，从而导致增强现实设备设备的体积较大，成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种光学***，所述光学***沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为球面透镜；
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜的折射率均大于1.52；
所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第四透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有负光焦度。
可选的，所述第一透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；
所述第二透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；
所述第三透镜的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；
所述第四透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构。
可选的，所述光学***还包括反射镜，所述反射镜设于所述显示单元与所述第一透镜之间。
可选的，所述反射镜为直角棱镜。
可选的，所述光学***还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述显示单元与所述第一透镜之间。
可选的，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为玻璃材质。
可选的，所述第一透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜的色散系数相等并均大于所述第二透镜的色散系数。
可选的，所述第一透镜、所述第三透镜与所述第四透镜的折射率相等。
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光学***以及孔径光阑，所述孔径光阑设于所述光学***的第四透镜的出光侧，所述增强现实设备还包括壳体，所述光学***设于所述壳体内。
本发明提出一种光学***，所述光学***沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及孔径光阑；所述显示单元发出的光线一次经过所述第一透镜、所述第二透镜、上述第三透镜以及所述第四透镜后，从所述孔径光阑射出所述光学***，并传输至人孔径光阑。为了减少所述光学***中镜片的使用数量以及降低光学***的制造成本，所述第一透镜至所述第四透镜均使用折射率大于1.52的球面透镜，通过使用高折射率的透镜，能够在保证所述光学***的成像质量的同时，降低所述光学***中的镜片数量，具体的，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第四透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有负光焦度，通过所述第一透镜至所述第四透镜的组合作用，使所述光学***具有较高的成像质量，并且镜片数量较少，制造成本较低，从而解决了现有技术中，投影装置中的镜片数量较多导致的体积较大，制造成本高的问题。
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是本发明光学***一实施例的结构示意图；
图2是本发明光学***另一实施例的结构示意图；
图3是本发明光学***另一实施例的结构示意图；
图4是本发明光学***一实施例的调制传递函数图；
图5是本发明光学***一实施例的点列图；
图6是本发明光学***一实施例的垂轴色差图；
图7是本发明光学***一实施例的场曲与光学畸变图；
图8是本发明光学***一实施例的相对照度图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 显示单元 | 50 | 第四透镜 |
| 20 | 第一透镜 | 60 | 反射镜 |
| 30 | 第二透镜 | 70 | 保护玻璃 |
| 40 | 第三透镜 | 80 | 孔径光阑 |
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。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种光学***及增强现实设备。
请参照图1所述光学***沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一透镜20、第二透镜30、第三透镜40以及第四透镜50；
所述第一透镜20、所述第二透镜30、所述第三透镜40以及所述第四透镜50均为球面透镜；
所述第一透镜20、所述第二透镜30、所述第三透镜40以及所述第四透镜50的折射率均大于1.52；
所述第一透镜20、所述第二透镜30以及所述第四透镜50具有正光焦度，所述第三透镜40具有负光焦度。
本发明提出一种光学***，所述光学***沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一透镜20、第二透镜30、第三透镜40、第四透镜50以及孔径光阑80；所述显示单元10发出的光线一次经过所述第一透镜20、所述第二透镜30、上述第三透镜40以及所述第四透镜50后，从所述孔径光阑80射出所述光学***，并传输至人孔径光阑80。为了减少所述光学***中镜片的使用数量以及降低光学***的制造成本，所述第一透镜20至所述第四透镜50均使用折射率大于1.52的球面透镜，通过使用高折射率的透镜，能够在保证所述光学***的成像质量的同时，降低所述光学***中的镜片数量，具体的，所述第一透镜20、所述第二透镜30以及所述第四透镜50具有正光焦度，所述第三透镜40具有负光焦度，通过所述第一透镜20至所述第四透镜50的组合作用，使所述光学***具有较高的成像质量，并且镜片数量较少，制造成本较低，从而解决了现有技术中，投影装置中的镜片数量较多导致的体积较大，制造成本高的问题。
在可选的实施方式中，
所述第一透镜20的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；
所述第二透镜30的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；
所述第三透镜40的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；
所述第四透镜50的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构。
在可选的实施方式中，
所述光学***还包括反射镜60，所述反射镜60设于所述显示单元10与所述第一透镜20之间。具体的，为了减小所述光学***的总长，可以在所述光学***中设置所述反射镜60，从而使光学***中的光线发生偏折，在一具体实施方式中，所述反射镜60设于所述显示单元10与所述第一透镜20之间，所述显示单元10发出的光线经过所述反射镜60反射后传输至所述第一透镜20，优选实施方式中，为了减小所述光学***的体积，所述显示单元10的出射光线与所述反射镜60所在的平面呈45度夹角，从而使所述显示单元10发出的光线与经过所述反射镜60反射的光线相垂直，从而方便对所述反射镜60及所述显示单元10进行定位。
可以理解的是，所述反射镜60的设置角度不限于此，于其他实施例中，所述显示单元10发出的光线与所述反射镜60的夹角还可以为锐角或钝角，并且能够通过所述反射镜60将光线反射后传输至所述第一透镜20的入光面。
优选实施方式中，所述反射镜60为直角棱镜；在一具体实施方式中，所述反射镜60为等腰直角三角棱镜，所述等腰直角三角棱镜包括相互垂直的直角面与斜面，并且斜面与直角面的夹角为45度，所述斜面设有反射膜具体的，光线从所述等腰直角三角棱镜的直角面进入所述反射镜60，在所述等腰直角三角棱镜的斜面上被所述反射膜反射，并从所述等腰直角三角棱镜的另一直角面射出所述反射镜60，通过所述反射镜60，使所述光线的传输方向旋转90度，从而有效的减小所述光学***的总长，降低所述光学***的体积，并且在对所述直角棱镜进行组装时，可以通过所述第直角棱镜的两个所述直角面进行定位，从而方便所述直角棱镜的组装。
在另一具体实施方式中，所述反射镜60由两个相等的所述等腰直角三角棱镜组成，所述等腰直角三角棱镜包括相互垂直的直角面与斜面，并且斜面与直角面的夹角为45度，并且两个所述等腰直角三角棱镜沿斜面胶合，一个所述等腰直角三角棱镜的所述斜面上镀有反射膜，具体的，光线从一个所述等腰直角三角棱镜的直角面进入所述反射镜60，在所述等腰直角三角棱镜的斜面上被所述反射膜反射，并从另一个所述等腰直角三角棱镜的直角面射出所述反射镜60，通过所述反射镜60，使所述光线的传输方向旋转90度，从而有效的减小所述光学***的总长，降低所述光学***的体积。
在可选的实施方式中，所述光学***还包括保护玻璃70，所述保护玻璃70设于所述显示单元10与所述第一透镜20之间。具体的，由于所述光学***的体积较小，所述光学***中各个透镜之间的间距较小，在所述光学***对应的装置发生振动时，所述光学***中的各个透镜会发生轻微的位置偏移，为了避免所述光学***中的其他透镜对所述显示单元10造成磕碰，保护所述显示单元10避免受到外界环境或其他元件的冲击影响，在所述显示单元10与所述第一透镜20之间设置所述保护玻璃70，所述保护玻璃70用于保护所述显示单元10避免受到外界环境的冲击影响。
在可选的实施方式中，所述第一透镜20、所述第三透镜40与所述第四透镜50的折射率相等。其中，所述折射率是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。通过设置所述第一透镜20、所述第三透镜40以及所述第四透镜50的折射率相等，能够方便用户只通过对透镜的面型进行调整，改变所述光学***的光焦度，从而方便用户根据实际要求对所述光学***进行设计。
优选实施方式中，所述第一透镜20、所述第二透镜30、所述第三透镜40以及所述第四透镜50均为玻璃材质。具体的，光学玻璃相对于光学塑料，具有较好的热稳定性，由于所述光学***中的多个透镜与所述显示单元10的距离较近，所述显示单元10在工作过程中会散发热量，当所述光学***中的透镜为光学塑料时，所述光学塑料会收到所述显示单元10产生的热量影响，从而导致所述光学***出现跑焦问题，当所述光学***中的透镜为光学玻璃时，由于所述光学玻璃具有较好的热稳定性，因此不容易受到所述显示单元10的发热影响，因此能够提高所述光学***的工作稳定性。
优选实施方式中，所述第一透镜20、所述第三透镜40以及所述第四透镜50的色散系数相等并均大于所述第二透镜30的色散系数。其中，所述色散系数是衡量镜片成像品质的重要指标，通常用阿贝数表示，色散系数越大，色散越不明显，表示透镜的成像品质越好；色散系数越小，色散越明显，镜片的成像品质就差。通常情况下，色散系数与镜片的折射率成反比关系，即折射率越大，色散系数越小，色散越明显。当所述第二透镜30的折射率大于所述第一透镜20、所述第三透镜40以及所述第四透镜50的折射率时，那么所述第二透镜30的色散系数小于所述第一透镜20、所述第三透镜40以及所述第四透镜50的色散系数。
在可选的实施方式中，所述光源本体为微型发光二极管(Micro Light-EmittingDiode，Micro LED)，可以理解的是，所述光源本体不限于此，于其他实施例中，所述光源本体还可以为发光二极管(Light Emitting Diode，LED)或有机发光二极管(Organic LightEmitting Display，OLED)或或迷你发光二极管(Mini Light-Emitting Diode，Micro LED)或液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)或不同波长的激光光源或其他能够发出光束的光源体。
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
所述第一实施例中，各参数如下所述：
所述第一透镜20的折射率为1.89，色散系数为34.2；
所述第二透镜30的折射率为1.92，色散系数为18.1；
所述第三透镜40的折射率为1.89，色散系数为34.2；
所述第四透镜50的折射率为1.89，色散系数为34.2；
所述光学***的光阑直径为4mm；
所述光学***的光圈数为1.7
所述光学***的焦距f为8.3mm；
所述光学***的总长为12.5mm；
所述光学***的体积小于1立方厘米。
请参照图4，图4为第一实施例的所述投影光学***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。所述第一实施例在各视场的MTF值均大于0.47。
请参照图5，图5为第一实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学***后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学***的成像质量。在所述第一实施例中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值为小于3.1μm，当显示单元10的像素大小为4μm时，所述第一实施例的最大弥散斑小于1个像素大小，因此弥散斑能够得到较好的控制。
请参照图6，图6为第一实施例的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，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1.2μm。
请参照图7，图7为第一实施例的场曲与光学畸变图，其中，场曲用于表示不同视场点的光束像点离开像面的位置变化，光学畸变是指某一视场主波长时的主光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离；在所述第一实施例中，在切线面以及弧矢面的场曲均小于±0.05mm，最大畸变为最大视场处，最大畸变＜2％。
请参照图8，图8为第一实施例的相对照度图，其中，相对照度是指像平面不同坐标点的照度和中心点照度之比，所述第一实施例的相对照度大于0.78。
为实现上述目的，本发明还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光学***以及孔径光阑80，所述孔径光阑80设于所述第四透镜50的出光侧，所述增强现实设备还包括壳体，所述光学***设于所述壳体内。由于该光学***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 (9)
1.一种光学***，其特征在于，所述光学***沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为球面透镜；
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜的折射率均大于1.52；
所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第四透镜具有正光焦度，所述第三透镜具有负光焦度。
2.如权利要求1所述的光学***，其特征在于，
所述第一透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；
所述第二透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；
所述第三透镜的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；
所述第四透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构。
3.如权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述光学***还包括反射镜，所述反射镜设于所述显示单元与所述第一透镜之间。
4.如权利要求3所述的光学***，其特征在于，所述反射镜为直角棱镜。
5.如权利要求1-4任一项所述的光学***，其特征在于，所述光学***还包括保护玻璃，所述保护玻璃设于所述显示单元与所述第一透镜之间。
6.如权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜、所述第三透镜与所述第四透镜的折射率相等。
7.如权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为玻璃材质。
8.如权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第一透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜的色散系数相等并均大于所述第二透镜的色散系数。
9.一种增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备包括如权利要求1-8任一项所述的光学***以及孔径光阑，所述孔径光阑设于所述光学***的第四透镜的出光侧，所述增强现实设备还包括壳体，所述光学***设于所述壳体内。
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