CN108693626B - 透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头及智能眼镜 - Google Patents
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Abstract
透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头及智能眼镜，其中该光学镜头由4组5片光学镜片组成，第一透镜为双凹透镜，物面一侧曲率半径较小，通光孔径为6.0mm,第二透镜为弯月透镜，物面一侧曲率半径较大，通光孔径为9.0mm，第三透镜为双凸透镜，物面一侧曲率半径较大，通光孔径为12.5mm的胶合透镜组中的第四透镜为弯月透镜且位于物面一侧，第五透镜为双凸透镜且位于像面一侧，第四透镜物面一侧曲率较大，胶合透镜组的通光孔径为14.0mm。本发明采用透射式设计，光能利用效率大于90％；在可见光范围内针对人眼消除色差，光束经该镜头准直后,不同波长的光线发射角度偏差小于显示芯片一个像元对于人眼的张角；且具有大数值孔径设计，物方NA值为0.385。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像系统，具体的，涉及一种透射式大数值孔径消色差光学镜头，能够适用于近眼显示的智能眼镜成像系统。
背景技术
随着诸如AR增强现实和VR虚拟现实技术的发展，智能眼镜的使用率逐渐增加。近眼显示光学镜头被广泛的应用在智能眼镜中。该镜头可以将微显示器(例如LCoS、OLED、DLP、Micro LCD等)每个像元输出的发散光束准直为近平行光，经过短距离导光元件的传输，输入人眼，将微显示器的图像直接投影在视网膜上，使人眼可以清晰的看到放大的图像。
现有技术中，在智能眼镜中通常采用棱镜式成像元件，棱镜的其中的一个反射面为球面，起到对显示芯片输出光线准直的作用。由于采用棱镜成像，首先需要将显示芯片发出的光束转换为偏振光，这就损失了50％的光能，而棱镜内部还有一个分光面，通过半透半反的方式对光束进行分光传输，进一步增加了光束的损耗，光能的使用效率只有25％，这将极大的降低智能眼镜成像亮度，进而影响成像效果。另一方面，在棱镜式成像元件仅有一个球面反射面对光束进行准直，像差较大，且不能消除色差，成像质量较差，人眼在观看彩色图像时会感到色彩失真且图像边缘会出现紫边或红边现象。
此外，现有的棱镜成像系统数值孔径NA值较低，通常只有0.1，不能有效地利用物方，即微显示器所发射的光束，这也不利于亮度的提高。
因此，如何提高光能利用率，在人眼的范围内消除色差，减少人眼对色差的感知影响，并尽可能的提高透镜组的数值孔径，以入射更多的光束，成为现有技术亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，以提高光能利用率，消除色差，并增大数值孔径NA值。
本发明公开了一种透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，从物侧到像侧依次包括：
具有负屈光力的第一透镜，具有正屈光力的第二透镜，具有正屈光力的第三透镜，以及具有正屈光力的胶合透镜组，其中第一透镜为双凹透镜，且物面一侧为曲率半径较小的一面，第二透镜为弯月透镜，且物面一侧为曲率半径较大的一面，第三透镜为双凸透镜，且物面一侧为曲率半径较大的一面，胶合透镜组由第四透镜和第五透镜胶合而成，第四透镜为弯月透镜且位于物面一侧，第五透镜为双凸透镜且位于像面一侧，第四透镜的物面一侧为曲率较小的一面。
可选的，第一透镜的通光孔径d1为6.0mm，第二透镜的通光孔径d2为9.0mm，第三透镜的通光孔径d3为12.5mm，胶合透镜组的通光孔径为14.0mm。
可选的，第一透镜的焦距f1为-8.98mm，第二透镜的焦距f2为22.70mm，第三透镜的焦距f3为22.82mm，胶合透镜组的组合焦距54.102mm。
可选的，第一透镜与第二透镜在光轴处的中心距为1.38mm，第二透镜与第三透镜在光轴处的中心距为1.47mm，第三透镜与胶合透镜组在光轴处的中心距为10.70mm，同轴的中心偏差为±0.05mm。
可选的，第一透镜物面一侧的曲率半径r1为7.549mm，像面一侧的曲率半径r2为80.72mm；第二透镜物面一侧的曲率半径r3为18.743mm，像面一侧的曲率半径r4为7.446mm；第三透镜物面一侧的曲率半径r5为25.61mm，像面一侧的曲率半径r6为19.394mm；第四透镜物面一侧的曲率半径r7为121.12mm，像面一侧的曲率半径r7为13.177mm；第五透镜物面一侧的曲率半径r9为13.177mm，像面一侧的曲率半径r10为16.861mm；第四透镜的曲率半径为13.177mm的凹面与第五透镜的曲率半径为13.177mm的凸面胶合，组成胶合透镜组。
可选的，第一透镜在光轴处的中心厚度CT1为2mm；第二透镜在光轴处的中心厚度CT2为3.12mm；第三透镜在光轴处的中心厚度CT3为4mm；第四透镜在光轴处的中心厚度CT4为2mm；第五透镜在光轴处的中心厚度CT5为5.33mm。
可选的，第一透镜、第四透镜的材料为重火石玻璃，第二透镜、第三透镜的材料为氟冕玻璃，第五透镜的材料为轻火石玻璃。
可选的，该光学镜头所有的镜面均为球面，对480nm～680nm可见光波段镀增透膜，单面透过率>99.5％，
该光学镜头的色差带来的不同波段光束输出角偏差小于微显示器一个像元对于人眼的张角，物方NA值为0.385。
本发明还公开了一种智能眼镜，包括微显示器，以及上述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头。
本发明还公开了一种光学成像装置，包括上述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头。
本发明具有如下的优点：
1)透射式设计，无须将光束转换为偏振光，光能利用效率大于90％；
2)在可见光范围内(480nm～680nm)针对人眼消除色差：在±10°视域范围内，使显示芯片同一像元输出的可见光范围内的光束经该镜头准直后,不同波长的光线发射角度偏差小于显示芯片一个像元对于人眼的张角，所以人眼将不会感知色差的影响。
3)大数值孔径设计，本发明的光学镜头物方NA值为0.385，可以收集物体，例如显示芯片在45.3°范围内输出的光束。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明的具体实施例的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头的截面图；
图2示出了根据本发明的具体实施例的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头的物方数值孔径示意图；
图3示出了根据本发明的具体实施例的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头的色差示意图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
1、显示芯片；2、第一透镜；3、第二透镜；4、第三透镜；5、胶合透镜组；6、第四透镜；7、第五透镜；8、人眼瞳孔。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
在本发明中，相关术语解释如下：物侧指的是透镜面向发光物面的一侧，即光线入射的一侧，像侧指的是透镜面向成像面的一侧，即光线出射的一侧；光轴指的是光束的中心线；轴向距离指的是在光轴方向上的距离；中心距，是两个透镜体相邻两面的中心之间的距离。在本发明中，物侧位于右侧，像侧位于左侧，光轴在光束的中心位置用点横线表示。
实施例1：
参见图1，示出了根据本发明的具体实施例的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头。
在图1中，该光学镜头将显示芯片1发出的光经过该光学镜头成像于人眼瞳孔8，从物侧到像侧依次包括，具有负屈光力的第一透镜2，具有正屈光力的第二透镜3，具有正屈光力的第三透镜4，以及具有正屈光力的胶合透镜组5。
其中第一透镜2为双凹透镜，且物面(即光束入射面)为曲率半径较小的一面，第二透镜3为弯月透镜，且物面为曲率半径较大的一面，第三透镜4为双凸透镜，且物面为曲率半径较大的一面，胶合透镜组5由第四透镜6和第五透镜7胶合而成，即第四透镜6和第五透镜7曲率半径相同的一面胶合在一起而成，其中第四透镜为弯月透镜且位于物面一侧，第五透镜为双凸透镜且位于像面一侧，第四透镜6的物面一侧为曲率较小的一面。
在本发明中，曲率半径较大或者较小，指的是相对于某一透镜的物面或者像面而言，彼此曲率的大小。例如，第一透镜2的物面一侧的曲率半径较小，指的是第一透镜物面一侧的曲率半径小于像面一侧的曲率半径。
进一步的，第一透镜的通光孔径d1为6.0mm，第二透镜的通光孔径d2为9.0mm，第三透镜的通光孔径d3为12.5mm，胶合透镜组的通光孔径dj为14.0mm。
本发明的光学镜头采用透射式的设计，无须采用偏振光，在光束传播的过程中无须通过半透半反膜，极大的提高了光能的利用率，并且通过上述的透镜组合，能够将物方，即显示芯片发出的光线经过准直后送入人眼。并且所有的透镜均对480nm～680nm可见光波段镀增透膜，单面透过率>99.5％，该光学系统整体透过率>96％。
进一步的，第一透镜的焦距f1为-8.98mm，第二透镜的焦距f2为22.70mm，第三透镜的焦距f3为22.82mm，胶合透镜组的组合焦距为54.102mm。
在一个可选的实施例中，第四透镜的焦距为-19.57mm，第五透镜的焦距为13.33mm。
进一步的，第一透镜与第二透镜在光轴处的中心距为1.38mm，第二透镜与第三透镜在光轴处的中心距为1.47mm，第三透镜与胶合透镜组在光轴处的中心距为10.70mm，同轴的中心偏差为±0.05mm。
通过该透镜组的进一步的设计，能够提高光束的数值孔径，使得尽可能多的光束入射到透镜组并且聚焦在人眼瞳孔中。
实施例2：
本实施例是对实施例1的进一步的限定，该光学镜头的各个透镜的具体数值进一步限定如下：
第一透镜的焦距f1为-8.98mm，透镜材料为H-ZF6环保重火石玻璃，该透镜在光轴处的中心厚度CT1为2mm，通光孔径d1为6mm，该透镜物面一侧的曲率半径r1为7.549mm，像面一侧的曲率半径r2为80.72mm，物面和像面均为球面。
第二透镜的焦距f2为22.70mm，透镜材料为H-FK61环保氟冕玻璃，该透镜在光轴处的中心厚度CT2为3.12mm，通光孔径d2为9mm，该透镜物面一侧的曲率半径r3为18.743mm，像面一侧的曲率半径r4为7.446mm，物面和像面均为球面。
第三透镜的焦距f3为22.82mm，透镜材料为H-FK61环保氟冕玻璃；该透镜在光轴处的中心厚度CT3为4mm，通光孔径d3为12.5mm，该透镜物面一侧的曲率半径r5为25.61mm，像面一侧的曲率半径r6为19.394mm，物面和像面均为球面。
胶合透镜组中的第四透镜的焦距f4为-19.57mm，透镜材料为H-ZF6环保重火石玻璃；该透镜在光轴处的中心厚度CT4为2mm，通光孔径d4为13.5mm，该透镜物面一侧的曲率半径r7为121.12mm，像面一侧的曲率半径r7为13.177mm，物面和像面均为球面。
胶合透镜组中的第五透镜的焦距f5为13.33mm，透镜材料为H-QF1环保轻火石玻璃；该透镜在光轴处的中心厚度CT5为5.33mm，通光孔径d5为14.0mm，该透镜物面一侧的曲率半径r9为13.177mm，像面一侧的曲率半径r10为16.861mm，物面和像面均为球面。
第四透镜的曲率半径为13.177mm的凹面与第五透镜的曲率半径为13.177mm的凸面胶合，组成胶合透镜组4。
参见图2，示出了根据本发明的具体实施例的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头的物方数值孔径示意图。现有技术中，近眼光学镜头数值孔径约为0.1，本发明镜头物方数值孔径为0.385，具有更强的收光能力，可以收集显示芯片在45.3度范围内输出的光束，高效的利用了显示芯片输出的光能量，提高了智能眼镜成像的亮度。
参见图3，示出了根据本发明的具体实施例的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头的色差大小示意图。现有技术中，芯片单像元直径6.7μm。如图2所示，本发明的镜头在10度视域内色差小于5.2μm，因此使显示芯片同一像元输出的可见光范围内(480nm～680nm)的光束经该镜头准直后,不同波长的光线发射角度偏差小于显示芯片一个像元对于人眼的张角，所以人眼将不会感知色差的影响，消除了实际使用中色差对显示效果的影响。
实施例3：
本实施例保护透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头的实际应用。
一种智能眼镜，包括微显示器1，以及实施例1和实施例2中公开的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，从而将显示芯片发出的光准直成像在人眼瞳孔中。
本发明虽然公开了适用于智能眼镜中，但本发明不以此为限制，可以应用于任何光学成像的场所，适用于任何光学成像装置，例如摄像机、智能头盔等等，其都可以包括实施例1和实施例2中公开的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头。
本发明具有如下的优点：
1)透射式设计，无须将光束转换为偏振光，光能利用效率大于90％；
2)在可见光范围内(480nm～680nm)针对人眼消除色差：在±10°视域范围内，使显示芯片同一像元输出的可见光范围内的光束经该镜头准直后,不同波长的光线发射角度偏差小于微显示器一个像元对于人眼的张角，因此人眼将不会感知色差的影响。
3)大数值孔径设计，本发明的光学镜头物方NA值为0.385，可以收集物体，例如显示芯片在45.3°范围内输出的光束。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
由从物侧到像侧依次排列的具有负屈光力的第一透镜，具有正屈光力的第二透镜，具有正屈光力的第三透镜，以及具有正屈光力的胶合透镜组组成，
其中第一透镜为双凹透镜，且物面一侧为曲率半径较小的一面，
第二透镜为弯月透镜，且物面一侧为曲率半径较大的一面，
第三透镜为双凸透镜，且物面一侧为曲率半径较大的一面，
胶合透镜组由第四透镜和第五透镜胶合而成，第四透镜为弯月透镜且位于物面一侧，第五透镜为双凸透镜且位于像面一侧，第四透镜的物面一侧为曲率较小的一面。
2.根据权利要求1所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
第一透镜的通光孔径d1为6.0mm，第二透镜的通光孔径d2为9.0mm，第三透镜的通光孔径d3为12.5mm，胶合透镜组的通光孔径为14.0mm。
3.根据权利要求1或2所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
第一透镜的焦距f1为-8.98mm，第二透镜的焦距f2为22.70mm，第三透镜的焦距f3为22.82mm，胶合透镜组的组合焦距54.102mm。
4.根据权利要求3所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
第一透镜与第二透镜在光轴处的中心距为1.38mm，第二透镜与第三透镜在光轴处的中心距为1.47mm，第三透镜与胶合透镜组在光轴处的中心距为10.70mm，同轴的中心偏差为±0.05mm。
5.根据权利要求4所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
第一透镜物面一侧的曲率半径r1为7.549mm，像面一侧的曲率半径r2为80.72mm；
第二透镜物面一侧的曲率半径r3为18.743mm，像面一侧的曲率半径r4为7.446mm；
第三透镜物面一侧的曲率半径r5为25.61mm，像面一侧的曲率半径r6为19.394mm；
第四透镜物面一侧的曲率半径r7为121.12mm，像面一侧的曲率半径r7为13.177mm；
第五透镜物面一侧的曲率半径r9为13.177mm，像面一侧的曲率半径r10为16.861mm；
第四透镜的曲率半径为13.177mm的凹面与第五透镜的曲率半径为13.177mm的凸面胶合，组成胶合透镜组。
6.根据权利要求4所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
第一透镜在光轴处的中心厚度CT1为2mm；
第二透镜在光轴处的中心厚度CT2为3.12mm；
第三透镜在光轴处的中心厚度CT3为4mm；
第四透镜在光轴处的中心厚度CT4为2mm；
第五透镜在光轴处的中心厚度CT5为5.33mm。
7.根据权利要求5或6所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
第一透镜、第四透镜的材料为重火石玻璃，第二透镜、第三透镜的材料为氟冕玻璃，第五透镜的材料为轻火石玻璃。
8.根据权利要求5或6所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头，其特征在于，
该光学镜头所有的镜面均为球面，对480nm～680nm可见光波段镀增透膜，单面透过率>99.5％，
该光学镜头的色差带来的不同波段光束输出角偏差小于显示芯片一个像元对于人眼的张角，物方NA值为0.385。
9.一种智能眼镜，其特征在于，
包括微显示器，以及如权利要求1-8中任意一项所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头。
10.一种光学成像装置，其特征在于，
包括如权利要求1-8中任意一项所述的透射式大数值孔径消色差近眼显示光学镜头。
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