CN213276138U - 一种镜组和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种镜组和近眼显示设备，涉及光学技术领域，包括：沿出光方向依次设置的可调焦汇聚透镜组件、第一光学元件和第二光学元件；第一光学元件用于使入射光束部分透过并部分反射，从可调焦汇聚透镜组件出射的汇聚光束经第一光学元件反射的反射光束朝向第二光学元件出射，经第二光学元件反射后透过第一光学元件在目标区域成像。当近视或远视用户通过镜组在目标区域观看画面发现图像不清晰时，可以通过调节可调焦汇聚透镜组件的焦距，实现整个镜组的焦距调节，从而满足近视或远视用户在使用镜组时的观看需求，提高用户的使用体验。

Description

一种镜组和近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种镜组和近眼显示设备。

背景技术

近眼显示光学***也称头盔显示器，是一种用于增强现实、虚拟现实、混合现实等显示在使用者头上戴着的视觉显示器，最初主要应用于军事和科研领域，随着科技进步和社会发展，然们对近眼显示技术的认识和学习越来越多，近眼显示技术逐步进入人们的生活。增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上，因此现有结合虚拟显示技术和增强显示技术，将近眼显示技术的应用领域拓展到军事、工业、娱乐、医疗、交通运输等领域。

现有近眼显示光学***的焦距是固定的，通常匹配的是标准视力范围的用户，若用户存在近视或远视的视力问题，就会使得难以清晰观看画面，导致用户体验不佳。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种镜组和近眼显示设备，以解决现有近眼显示光学***无法满足近视或远视用户使用的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：

本实用新型实施例的一方面，提供一种镜组，包括：沿出光方向依次设置的可调焦汇聚透镜组件、第一光学元件和第二光学元件；第一光学元件用于使入射光束部分透过并部分反射，从可调焦汇聚透镜组件出射的汇聚光束经第一光学元件反射的反射光束朝向第二光学元件出射，经第二光学元件反射后透过第一光学元件在目标区域成像。

可选的，可调焦汇聚透镜组件包括沿出光方向依次设置的场镜、第一汇聚透镜、胶合透镜、第二汇聚透镜和可调焦透镜。

可选的，可调焦汇聚透镜组件包括沿出光方向依次设置的场镜、第一汇聚透镜、可调焦透镜、胶合透镜和第二汇聚透镜。

可选的，场镜的焦距和胶合透镜的焦距的绝对值均大于30mm，第一汇聚透镜的焦距和第二汇聚透镜的焦距均大于10mm且小于50mm，可调焦透镜的焦距的绝对值大于50mm。

可选的，第一光学元件为平面镜，在平面镜的表面镀有半透半反层。

可选的，第一光学元件的光轴与可调焦汇聚透镜组件的光轴呈夹角。

可选的，第二光学元件为曲面镜，在曲面镜的表面镀有半透半反层。

可选的，第一光学元件的透射率大于10％且小于90％；第二光学元件的透射率大于10％且小于90％。

可选的，镜组还包括反射镜，反射镜位于可调焦汇聚透镜组件和第一光学元件之间；汇聚光束经反射镜反射后入射第一光学元件。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种近眼显示设备，包括图像源以及上述任一种的镜组；图像源位于镜组的入光侧。

本实用新型的有益效果包括：

本实用新型提供了一种镜组，包括：沿出光方向依次设置的可调焦汇聚透镜组件、第一光学元件和第二光学元件；第一光学元件用于使入射光束部分透过并部分反射，从可调焦汇聚透镜组件出射的汇聚光束经第一光学元件反射的反射光束朝向第二光学元件出射，经第二光学元件反射后透过第一光学元件在目标区域成像。在光束入射可调焦汇聚透镜组件时，可调焦汇聚透镜组件可以对入射的光束进行汇聚，为光学***提供适宜的光焦度。经可调焦汇聚透镜组件出射的汇聚光束入射第一光学元件，经过第一光学元件的部分反射特性，将汇聚光束进行反射，并以反射光束从第一光学元件出射，然后反射光束入射第二光学元件，经过第二光学元件的反射特性将反射光束反射后入射第一光学元件，然后经第一光学元件的部分透射特性，即穿透第一光学元件后在目标区域成像。当近视或远视用户通过镜组在目标区域观看画面发现图像不清晰时，可以通过调节可调焦汇聚透镜组件的焦距，实现整个镜组的焦距调节，从而满足近视或远视用户在使用镜组时的观看需求，提高用户的使用体验。

本实用新型提供了一种近眼显示设备，将上述的镜组应用于近眼显示设备中，通过在镜组的入光侧设置图像源的方式，使得在图像源显示图像后，光束经镜组后在目标区域进行成像，通过镜组中的可调焦汇聚透镜组件的调焦功能实现对近眼显示设备的焦距的调整，使得近眼显示设备能够匹配正常人眼、近视人眼、远视人眼的用户，即不同用户均能够观察到目标区域的清晰图像。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种镜组的结构示意图之一；

图3为本实用新型实施例提供的一种镜组的结构示意图之二；

图4为本实用新型实施例提供的一种镜组的畸变曲线示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种镜组的调制函数示意图。

图标：01-图像源；02-可调焦汇聚透镜组件；021-场镜；022-第一汇聚透镜；023-胶合透镜；024-第二汇聚透镜；025-可调焦透镜；03-第一光学元件；04-第二光学元件；05-目标区域；06-反射镜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本实用新型的保护范围内。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

随着增强现实(Augmented Reality，AR)和虚拟现实(Virtual Reality，VR)的快速应用，近眼显示设备也得到了快速的发展。增强现实的近眼显示设备可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，使得投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上。现有近眼显示光学***的焦距是固定的，通常匹配的是标准视力范围的用户，若用户存在近视或远视的视力问题，就会使得难以清晰观看画面，导致用户体验不佳。基于此基础，本申请提出了一种镜组和近眼显示设备，通过使得近眼显示设备中的镜组以可调焦的形式满足标准视力范围、近视眼或远视眼用户的需求，使不同范围的用户在使用时，均能观察到清晰的图像，从而改善用户的体验。

本实用新型实施例的一方面，提供一种镜组，包括：沿出光方向依次设置的可调焦汇聚透镜组件02、第一光学元件03和第二光学元件04；第一光学元件03用于使入射光束部分透过并部分反射，从可调焦汇聚透镜组件02出射的汇聚光束经第一光学元件03反射的反射光束朝向第二光学元件04出射，经第二光学元件04反射后透过第一光学元件03在目标区域05成像。

示例的，如图1所示，镜组可以包括有沿着出光方向依次设置的可调焦汇聚透镜组件02、第一光学元件03和第二光学元件04，其中，光束的路径为入射可调焦汇聚透镜组件02经汇聚后出射，接着入射至第一光学元件03后经其反射后再入射第二光学元件04，经第二光学元件04反射后穿过第一光学元件03在目标区域05成像。即，第一光学元件03具有将可调焦汇聚透镜入射的光束进行反射的同时，还具有将第二光学元件04入射的光束进行透射的作用。

在光束入射可调焦汇聚透镜组件02时，可调焦汇聚透镜组件02可以对入射的光束进行汇聚，为光学***提供适宜的光焦度。经可调焦汇聚透镜组件02出射的汇聚光束入射第一光学元件03，经过第一光学元件03的部分反射特性，将汇聚光束进行反射，并以反射光束从第一光学元件03出射，然后反射光束入射第二光学元件04，经过第二光学元件04的反射特性将反射光束反射后入射第一光学元件03，然后经第一光学元件03的部分透射特性，即穿透第一光学元件03后在目标区域05成像。当近视或远视用户通过镜组在目标区域05观看画面发现图像不清晰时，可以通过调节可调焦汇聚透镜组件02的焦距，实现整个镜组的焦距调节，从而满足近视或远视用户在使用镜组时的观看需求，提高用户的使用体验。可调焦汇聚透镜组件02的焦距的绝对值范围可以是大于5mm且小于50mm，进一步的，可以是大于7mm且小于25mm。

可选的，可调焦汇聚透镜组件02包括沿出光方向依次设置的场镜021、第一汇聚透镜022、胶合透镜023、第二汇聚透镜024和可调焦透镜025。

示例的，如图1所示，可调焦汇聚透镜组件02可以包括有沿出光方向依次设置的场镜021、第一汇聚透镜022、胶合透镜023、第二汇聚透镜024和可调焦透镜025，其中，场镜021设置于图像源01和第一汇聚透镜022之间的位置，可以提高镜组的视场角，同时，还可以矫正轴外像差，提高成像效果。场镜021的面型可以是球面、非球面、自由曲面。第一汇聚透镜022和第二汇聚透镜024可以为光学***提供适宜的光焦度，其可以是正透镜，第一汇聚透镜022和第二汇聚透镜024的面型可以分别是球面、非球面、自由曲面。胶合透镜023可以消除光学***中的色差，提高镜组的成像质量，胶合透镜023可以是消色差双胶合透镜023等等，胶合透镜023的面型可以是球面、非球面、自由曲面。消色差双胶合透镜023是一种把低色散的冕牌玻璃正透镜和高色散的火石玻璃负透镜粘接而成的消色差透镜。设计时，在蓝色(486.1nm)，绿色(546.1nm)和红色(656.3nm)三个波长，对色散的不同值和透镜形状进行了优化，实现了最小色差。

可调焦透镜025是一种能够调节焦距的透镜，其可以根据工作原理以及透镜结构的不同，分为四大类：第一类，通过液泵装置注入或抽吸透镜内的液体，从而改变弹性薄膜曲率半径达到变焦的目的；第二类，基于电湿效应的双液体透镜，通过调节外加电压改变透镜腔体内两种液体间界面的面形，从而改变透镜的焦距；第三类，基于聚合物分散液晶的透镜，利用聚合物分散液晶材料的电控折变性质来实现变焦；第四类，利用热梯度改变透镜焦距的晶体调焦技术实现。可调焦透镜025可以根据镜组的实际设置需求合理选择，本申请对其不做限定。

在本申请中，还可以包括去除场镜021，由第一汇聚透镜022、胶合透镜023、第二汇聚透镜024和可调焦透镜025；或，第一汇聚透镜022、可调焦透镜025、胶合透镜023和第二汇聚透镜024的实施例，也可以包括去除胶合透镜023，由场镜021、第一汇聚透镜022、第二汇聚透镜024和可调焦透镜025；或，场镜021、第一汇聚透镜022、可调焦透镜025和第二汇聚透镜024的实施例。场镜021、第一汇聚透镜022、可调焦透镜025、胶合透镜023和第二汇聚透镜024，可以是玻璃材质也可以是树脂材质。

对应后续焦距实施例中场镜021、第一汇聚透镜022、胶合透镜023、第二汇聚透镜024和可调焦透镜025之间的间隔距离可以是：场镜021和第一汇聚透镜022的间距为大于3mm且小于15mm；第一汇聚透镜022和胶合透镜023的间距为大于0.05mm且小于5mm；胶合透镜023和第二汇聚透镜024的间距为大于2mm且小于8mm；第二汇聚透镜024和可调焦透镜025的间距为大于1mm且小于6mm。

可选的，如图2所示，可调焦汇聚透镜组件02包括沿出光方向依次设置的场镜021、第一汇聚透镜022、可调焦透镜025、胶合透镜023和第二汇聚透镜024。

示例的，还可以将可调焦透镜025的位置设置在第一汇聚透镜022和胶合透镜023之间。由于可调焦透镜025设置位置与图像源01的距离更近，故可以有效的减小可调焦透镜025的通光孔径，有利于光学***的小型化。场镜021、第一汇聚透镜022、可调焦透镜025、胶合透镜023和第二汇聚透镜024的设置可以参照前述实施例中的要求，此处不再赘述。

对应后续焦距实施例中场镜021、第一汇聚透镜022、可调焦透镜025、胶合透镜023和第二汇聚透镜024之间的间隔距离可以是：场镜021和第一汇聚透镜022的间距为大于1mm且小于5mm；第一汇聚透镜022和可调焦透镜025的间距为大于2mm且小于6mm；可调焦透镜025和胶合透镜023的间距为大于1mm且小于5mm；胶合透镜023和第一汇聚透镜022的间距为大于0.05mm且小于5mm。

可选的，场镜021的焦距和胶合透镜023的焦距的绝对值均大于30mm，第一汇聚透镜022的焦距和第二汇聚透镜024的焦距均大于10mm且小于50mm，可调焦透镜025的焦距的绝对值大于50mm。

示例的，场镜021的焦距a可以是满足|a|>30mm，例如35mm、40mm、50mm等等。胶合透镜023的焦距b也可以是满足|b|>30mm，例如35mm、40mm、50mm等等。第一汇聚透镜022的焦距c可以是满足10mm<c<50mm，例如15mm、20mm、25mm等等。可调焦透镜025的焦距d可以是|d|>50mm，示意的还可以是|d|>100mm等等。

可选的，第一光学元件03为平面镜，在平面镜的表面镀有半透半反层。

示例的，第一光学元件03可以是平面镜，其材质可以是玻璃，也可以是树脂。在平面镜的表面镀有半透半反层，即实现第一光学元件03的部分透射和部分反射的作用。半透半反层可以是透射率大于10％且小于90％，例如透射率为20％，对应的反射率为80％；透射率为70％，对应的反射率为30％等等多种实现形式。

可选的，第一光学元件03的光轴与可调焦汇聚透镜组件02的光轴呈夹角。示意的，夹角可以是锐角，锐角的范围可以是在30°到60°之间，进一步的可以是40°到50°之间。

可选的，第二光学元件04为曲面镜，第二光学元件04由反射提供的焦距e的绝对值范围可以是10mm<|e|<80mm，进一步的可以为20mm<|e|<50mm。在曲面镜的表面镀有半透半反层，实现第二光学元件04的部分反射和部分透射。第二光学元件04由透射提供的焦距f的绝对值范围为|f|>1000mm，进一步的可以为|f|＞5000mm。第二光学元件04的材质可以是玻璃，也可以是树脂，膜系的特征也可以是部分反射和部分透射，透射率可以大于10％且小于90％。对应的，反射率可以大于90％且小于10％。第二光学元件04的面型可以是球面、非球面、自由曲面。如图1所示，将第二光学元件04设置为部分透射和部分反射的特性，可以使得目标区域05能够获取到外部真实场景的像，即外部真实场景反射的光束穿过第二光学元件04，然后再穿过第一光学元件03后，在目标区域05成像，实现将图像源01的像叠加至真实场景的目的。提高使用的体验。

可选的，第一光学元件03的透射率大于10％且小于90％；第二光学元件04的透射率大于10％且小于90％。

如图4所示，示出了采用前述实施例中的镜组的畸变示意图，图4中的纵坐标为半视场角值，最大值为30度；图4中的横坐标为畸变值，单位为百分比；由图4所示，在半视场值在30度时，畸变值接近-2％，而本领域技术人员熟知在近眼显示***中，最大的畸变值的绝对值在2％以内表示该近眼显示设备显示效果较好。

如图5所示，示出了采用前述实施例中的镜组的调制传递函数示意图，图5中的纵坐标为空间频率,单位为周期/mm，即lp/mm；横坐标为对应半视场角在相应的空间频率处的OTF模值(也就是MTF值)，OTF全称为Optical Transfer Function，中文翻译为光学传递函数。它的模值叫做MTF，全称为Modulation Transfer Function，中文翻译为调制传递函数。它的范围是0—1之间，数值越接近1，表示分辨率越高。一般在近眼显示***中，MTF的数值大于0.3即可满足要求。本实施例中的最大空间频率为45lp/mm,由图可知半视场0度，5度，15度，25度，30度在45lp/mm处的MTF数值都大于0.4，满足近眼显示***的分辨率要求。

可选的，镜组还包括反射镜06，反射镜06位于可调焦汇聚透镜组件02和第一光学元件03之间；汇聚光束经反射镜06反射后入射第一光学元件03。

示例的，如图3所示，还可以在可调焦汇聚透镜组件02和第一光学元件03之间，也即在可调焦透镜025或第二汇聚透镜024和第一光学元件03之间的位置设置有反射镜06，从而能够对光路进行折叠，以便于镜组的小型化。反射镜06与可调焦汇聚透镜组件02光轴的夹角，可以取锐角，范围在30°到60°之间，进一步的可以在40°到50°之间。

本实用新型实施例的另一方面，提供一种近眼显示设备，包括图像源01以及上述任一种的镜组；图像源01位于镜组的入光侧。

示例的，将上述的镜组应用于近眼显示设备中，通过在镜组的入光侧设置图像源01的方式，使得在图像源01显示图像后，光束经镜组后在目标区域05进行成像，通过镜组中的可调焦汇聚透镜组件02的调焦功能实现对近眼显示设备的焦距的调整，使得近眼显示设备能够匹配正常人眼、近视人眼、远视人眼的用户，即不同用户均能够观察到目标区域05的清晰图像。图像源01发出的光束可以是线偏振态的也可以是无偏振态的。图像源01可以是有机发光二极管(OLED)或硅基液晶(LCOS)或液晶显示器(LCD)或微型发光二极管(MicroLED)或小型发光二极管(Mini LED)。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镜组，其特征在于，包括：沿出光方向依次设置的可调焦汇聚透镜组件、第一光学元件和第二光学元件；所述第一光学元件用于使入射光束部分透过并部分反射，从所述可调焦汇聚透镜组件出射的汇聚光束经所述第一光学元件反射的反射光束朝向所述第二光学元件出射，经所述第二光学元件反射后透过所述第一光学元件在目标区域成像。

2.如权利要求1所述的镜组，其特征在于，所述可调焦汇聚透镜组件包括沿出光方向依次设置的场镜、第一汇聚透镜、胶合透镜、第二汇聚透镜和可调焦透镜。

3.如权利要求1所述的镜组，其特征在于，所述可调焦汇聚透镜组件包括沿出光方向依次设置的场镜、第一汇聚透镜、可调焦透镜、胶合透镜和第二汇聚透镜。

4.如权利要求2或3所述的镜组，其特征在于，所述场镜的焦距和所述胶合透镜的焦距的绝对值均大于30mm，所述第一汇聚透镜的焦距和所述第二汇聚透镜的焦距均大于10mm且小于50mm，所述可调焦透镜的焦距的绝对值大于50mm。

5.如权利要求1所述的镜组，其特征在于，所述第一光学元件为平面镜，在所述平面镜的表面镀有半透半反层。

6.如权利要求1所述的镜组，其特征在于，所述第一光学元件的光轴与可调焦汇聚透镜组件的光轴呈夹角。

7.如权利要求1所述的镜组，其特征在于，所述第二光学元件为曲面镜，在所述曲面镜的表面镀有半透半反层。

8.如权利要求1所述的镜组，其特征在于，所述第一光学元件的透射率大于10％且小于90％；所述第二光学元件的透射率大于10％且小于90％。

9.如权利要求1所述的镜组，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜位于所述可调焦汇聚透镜组件和所述第一光学元件之间；所述汇聚光束经所述反射镜反射后入射所述第一光学元件。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括图像源以及如权利要求1至9任一项所述的镜组；所述图像源位于所述镜组的入光侧。

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