CN111965824B - 一种光学镜组及使用其的近眼显示*** - Google Patents

一种光学镜组及使用其的近眼显示*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光学镜组，包括随机排布的第一透镜、第二透镜和至少一个正负透镜胶合的第一胶合透镜，其中，光学镜组的焦距为：5mm<f<20mm。本发明还提供一种近眼显示***，采用本发明所述的光学镜组和***，造型轻便，具有良好的显示效果，并且可以适配不同视度的使用者，应用范围广泛。

Description

一种光学镜组及使用其的近眼显示***
技术领域
本发明涉及一种光学***，特别是指一种光学镜组及使用其的近眼显示***。
背景技术
随着虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmentedreality，AR)的概念提出以来，基于VR或者AR模式的近眼显示装置的市场也取得了长足的发展。在诸多应用AR或者VR技术的硬件实现方式中，头戴式显示器(Helmet-Mounted Display，HMD)和近眼显示器(Near-to-Eye Display，NED)是最有效且在现有技术中能够给使用者带来最佳体验的实现方式。
近眼显示器是一种可以将图像直接投射到观看者眼中的头戴式显示器。NED的显示屏距离人眼很近小于明视距离，人眼无法直接分辨其上图像内容，通过NED光学***能够将图像放大致远处，重聚焦到人眼的视网膜上，使人眼看到的画面好像在几米之外，从而实现AR、VR技术的显示效果。
因为近眼显示器需要佩戴在人头部，所以其轻小型和良好的显示效果就显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可以减少体积和像差的光学镜组及使用其的近眼显示***，主要包括：
一种用于投影的光学镜组，包括随机排布的第一透镜、第二透镜和至少一个正负透镜胶合的第一胶合透镜，其中，光学镜组的焦距为：5mm<f<20mm。
进一步的，第一胶合透镜位于第一透镜和第二透镜的中间。
进一步的，所述第一透镜和第二透镜的面型为球面或非球面。
进一步的，所述光学镜组进一步包括同轴的正负透镜胶合的第二胶合透镜，其中，所述第二胶合透镜采用球面或非球面。
本发明还提供了一种包含光学镜组的近眼显示***，包括与使用者视轴不共轴的分光镜，分光镜上方由靠近人眼侧开始依次排列着反射镜、所述光学镜组、微显示器；反射镜的后表面为曲面，与微显示器形成共轭关系。
进一步的，所述分光镜朝向人眼的一侧为曲面，其上涂覆有预定透反比的反射膜。
进一步的，光学镜组光轴与微显示器之间的夹角小于20度。
进一步的，所述分光镜位于人眼前的预定位置，其光轴与人眼视轴的夹角范围为15度～45度。
进一步的，所述微显示器与光学镜组之间的距离小于10mm。
进一步的，所述分光镜的内外表面不同，对外界环境光构成视度。
本发明所述的光学镜组可以校正***像差，使用该光学镜组的近眼显示***，成像效果比较好，通过设置微显示器和光学镜组之间的距离，减小光学***的体积，反射镜和分光镜的配合使用，进一步矫正像差，提高成像质量，分光镜的视差设计可以适用不同视度的用户，加大了光学***的应用范围，易于推广和使用。
附图说明
图1为本发明第一实施例中的光学镜组的结构示意图；
图2为本发明第一实施例的变形例的结构示意图；
图3为本发明第二实施例中的光学镜组的结构示意图；
图4为本发明第二实施例的变形例的结构示意图；
图5、图6为本发明近眼显示***的结构示意图。
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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明提供一种光学镜组，包括至少一个胶合透镜，以及同轴的单透镜，所述胶合透镜和单透镜可以随机排列。下述实施例提供几种典型的实现方式，可以呈现更好的成像效果。
第一实施例
如图1所示的，由左至右，由远离光源侧依次包括第一透镜11、第一胶合透镜12以及第二透镜13，其中，所述第一透镜11的前表面101和后表面102为球面或非球面，第二透镜13的前表面106和后表面107为球面或非球面，用于校正光学镜组的像差，所述前表面标记为光学镜组中透镜远离图像源侧，即左侧的表面，后表面标记为右侧的表面，第一胶合透镜12为正负透镜胶合，左侧为负透镜，由具有相对正透镜较高的折射率和小阿贝数的材料形成，右侧为正透镜，由相对负透镜较低折射率和大阿贝数的材料形成。从而达到矫正近轴球差，减小色差的效果。第一胶合透镜12的表面由左至右依次为前表面103，胶合面104以及后表面105，第一胶合透镜12的焦距f12满足：35mm<f12<45mm，第一透镜11的焦距f11为18mm<f11<25mm，第二透镜13的焦距f13为10mm<f13<20mm。光学镜组的焦距f满足：5mm<f<20mm。表1、表2为光学镜组中透镜各光学表面的设计参数，其中，第一透镜11和第二透镜13的表面均为非球面，第一胶合透镜12的表面均为球面。
表1
Figure GDA0003544463290000041
Figure GDA0003544463290000051
表2
Figure GDA0003544463290000052
其中，非球面的方程为：
Figure GDA0003544463290000053
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。
变形例
本领域技术人员可以理解的，第一胶合透镜和第一透镜、第二透镜的顺序可以根据需要随机调整，不会影响本发明的目的。图2示出了一种变形例，从远离光源侧依次排列着第一透镜21、第二透镜23以及第一胶合透镜22，为提高成像效果，第一透镜21的焦距f21：18mm<f21<25mm，第一胶合透镜22的焦距为：8mm<f22<18mm，第二透镜23的焦距f23为：30mm<f23<40mm。所述光学镜组的焦距f：5mm<f1<20mm。表3为变形例中光学镜组的一组设计参数，各单透镜和胶合镜组的面型可以为球面或非球面，在这组示例中，第一透镜和第二透镜的表面均为非球面，第一胶合透镜的表面均为球面。
表3
Figure GDA0003544463290000061
表4
Figure GDA0003544463290000062
其中，非球面的方程为：
Figure GDA0003544463290000071
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。
第二实施例
与第一实施例不同的是，图3所示的光学镜组除了第一透镜31、第一胶合透镜32以及第二透镜33外，还进一步包括第二胶合透镜34，第一胶合透镜32和第二胶合透镜34均由正透镜和负透镜胶合，正透镜位于左侧，负透镜位于右侧，正透镜均选用相对负透镜较低折射率和大阿贝数的材料，负透镜均选用相对正透镜较高折射率和小阿贝数的材料。通过第二胶合透镜34，使得光学镜组对色差的校正能力进一步提高。第二胶合透镜的位置可以随机在光学镜组光轴的任意位置，当位于最靠近光源侧时，对色差的校正能力最优。第一透镜31、第一胶合透镜32、第二透镜33以及第二胶合透镜34的面型可以为球面或非球面。其中，第一透镜31的焦距为30mm<f31<40mm，第一胶合透镜的焦距f32：200mm<f32<300mm，第二透镜的焦距f33为：25mm<f33<35mm，第二胶合透镜的焦距f34为：18mm<f34<25mm，光学镜组的焦距f：5mm<f<20mm。本发明给出了第二实施例的一组设计参数，如表5所示，在这组设计中，光学镜组所有的表面均选用球面
表5
Figure GDA0003544463290000072
Figure GDA0003544463290000081
变形例
可以理解的，单透镜和胶合透镜可随机排列的的光学镜组不限于第二实施例中的排列方式，如图4所示，从远离光源侧依次排列着第一透镜41、第二透镜43、第一胶合透镜42以及第二胶合透镜44，光学镜组焦距f：5mm<f<20mm，为更好的显示效果，本实施例中第一透镜41焦距f41：20mm<f41<40mm，第二透镜43的焦距f43为：60mm<f43<80mm，第一胶合透镜42的焦距f42为：30mm<f42<50mm，第二胶合透镜44的焦距f44为10mm<f44<20mm。光学镜组中各单透镜、胶合镜组的设计参数如表6所示，各单透镜、胶合镜组的面型可以为球面或非球面，在这组示例中选择全部为球面的设计。
表6
表面标记 类型 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数 Y偏心 Z偏心 Alpha倾斜
401 球面 40.00 2.7 1.9241 25.70 48.14 53.04 1.12
402 球面 -70.47 1.6
403 球面 22.85 1.0 1.5807 68.60
404 球面 11.39 5.8 1.9460 17.94
405 球面 -46.81 0.3
406 球面 -15.77 5.0 1.9108 35.25
407 球面 -24.86 4.8
408 球面 11.17 7.2 1.8989 35.94
409 球面 -18.70 2.1 1.9348 32.16
410 球面 179.54 4.4
本领域技术人员可以理解的，光学镜组的实现方式不限于上述实施例中的方式，增加胶合透镜或者单透镜均可实现光学镜组的发明目的。但是，随着胶合透镜和单透镜的增加，光学镜组的成像质量在提高的同时，其重量也在增加，本发明方案中提供的实现方式为平衡了成像质量和重量的设计方式。
本发明还提供了一种包含上述光学镜组的近眼显示***，如图5、图6所示的，包括提供图像源显示的微显示器5、光学镜组3(4)、反射型分光镜1，反射镜2。分光镜1用于校正近眼显示***中的离轴像差和偏转光轴角度，其前表面501为曲面，朝向人眼，表面涂覆有预定透反比的反射膜，后表面502为曲面，所述预定透反比可根据需要设定，从而使到达人眼的图像光强度适中，优选的，图像光透过率在30％～50％；所述曲面可以为自由曲面、柱面、非球面、球面等；分光镜1固定于人眼前的预定位置，其光轴与人眼视轴不共轴，光轴与视轴的夹角范围为15度～45度，优选的，所述夹角为25度，以便将更多的图像光反射进人眼。进一步的，分光镜1的前后表面不同，构成视差，从而适用不同视度的使用者。
反射镜2的前表面503为曲面或平面，后表面504为曲面，朝向光学镜组，后表面504上涂敷有全反射膜，所述曲面可以为自由曲面、柱面、非球面、球面等。
光学镜组的光轴与微显示器光轴形成一定的夹角，优选的，所述夹角小于20度，并且，光学镜组在y轴方向上的长度等于或大于微显示器，以便接受全部微显示器发射的图像光，进一步的，微显示器与光学镜组之间的距离尽可能的小，从而减少近眼显示***的体积，优选的，所述距离小于10mm。采用本发明所述的光学镜组可以校正近眼显示***的像差，提高显示效果。
微显示器发出的图像光，经过光学镜组进行放大后，到达反射镜2，反射镜2将图像光再次反射到分光镜1，经由分光镜1反射后到达人眼，外部环境光通过分光镜1后和图像光的光线叠加，形成增强现实的显示效果。
所述微显示器可以选用LCD、OLED、Lcos或者MEMS扫描镜，其中，Lcos显示器可以增加入眼的图像光的亮度。
反射镜2和分光镜1配合，可以矫正像差，达到较好的显示效果，反射镜2与图像源所在的位置形成近似无限共轭关系，且为了避免视线的遮挡，反射镜2、光学镜组3(4)以及微显示器5要在人眼的视线范围之外。
表7给出了近眼显示***中各光学表面的参数，其中，表面6是出瞳所在平面，表面501、502分别是分光镜1的前后表面，表面503、504分别是反射镜2的前后表面，表面505、506是光学镜组中第一透镜的前后表面，表面507、508、509是第一胶合透镜的前表面、胶合面和后表面，表面510、511是第二透镜的前后表面，表面512、513、514是第二胶合透镜的前表面、胶合面和后表面，表面515、516分别是微显示器的前表面和后表面。在本实施例中，分光镜1的前表面501和反射镜2的后表面502选用自由曲面，其他表面选用球面的设计。
表7
Figure GDA0003544463290000111
上述表面中，面型为球面的表面满足方程：
Figure GDA0003544463290000112
其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离。
面型为XY多项式的自由曲面的表面满足方程：
Figure GDA0003544463290000113
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8。
表8
Figure GDA0003544463290000121
Figure GDA0003544463290000131
本发明还提供了以图6为示例的近眼显示***设计参数，如表9所示。其中，表面6为人眼出瞳所在平面，表面601为分光镜1的前表面，表面604为反射镜2的后表面，表面605、606为光学镜组中第一透镜的前后表面，表面607、608、609为光学镜组中第一胶合透镜的前表面、胶合面和后表面，表面610、611为第二透镜的前后表面，表面612为微显示器的前表面。
表9
Figure GDA0003544463290000141
其中，构成为球面的表面满足方程：
Figure GDA0003544463290000142
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 GDA0003544463290000143
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。
构成为XY多项式的自由曲面的表面满足的方程为：
Figure GDA0003544463290000144
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10、表11。
表10
Figure GDA0003544463290000151
Figure GDA0003544463290000161
表11
Figure GDA0003544463290000162
本领域技术人员可以理解的，近眼显示***的实现方式不限于上述实施例，只要能实现对图像的放大效果，均可用于实现本发明的目的。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种近眼显示***，包括与使用者视轴不共轴的分光镜，分光镜上方由靠近人眼侧开始依次排列着反射镜、光学镜组、微显示器；所述反射镜的后表面为曲面且镀有全反射膜，与所述微显示器形成共轭关系，所述光学镜组光轴与所述微显示器之间的夹角小于20度，其特征在于，
所述光学镜组仅包括第一透镜、第二透镜和一个正-负胶合透镜，其中，所述第一透镜最靠近人眼侧，所述正-负胶合透镜最靠近像源侧，且所述正-负胶合透镜中的负透镜靠近像源侧；
所述光学镜组的焦距为：5mm<f<20mm。
2.根据权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的面型为球面或非球面，所述正-负胶合透镜的面型为球面。
3.根据权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜是正透镜。
4.根据权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述分光镜朝向人眼的一侧为曲面，其上涂覆有预定透反比的反射膜。
5.根据权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述分光镜位于人眼前的预定位置，其光轴与人眼视轴的夹角范围为15度～45度。
6.根据权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述微显示器与光学镜组之间的距离小于10mm。
7.根据权利要求1所述的近眼显示***，其特征在于，所述分光镜的内外表面不同，对外界环境光构成视度。
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