CN110291441B - 一种适用于扫描振镜像源的投影物镜及使用其的显示装置 - Google Patents

Abstract

一种投影物镜，适用于扫描振镜型像源，用于近眼显示器或平视显示器，包括六片透镜，结合微透镜阵列(M1)、振镜和提供光源的激光二极管，实现近眼或平视显示；投影物镜的出瞳直径可以根据微透镜阵列(M1)的参数进行调节，分别调至1mm、2mm、4mm、6mm和8mm，适合高分辨率、高亮度的近眼显示器或平视显示器的要求。

Description

一种适用于扫描振镜像源的投影物镜及使用其的显示装置

技术领域

本发明涉及一种投影物镜，特别是一种适用于扫描振镜像源的投影物镜，其可以使用于近眼显示器或者平视显示器中。

背景技术

虚拟现实与增强现实技术是近年来学术界和产业界广泛讨论的热门话题，作为其核心硬件的近眼显示器更受到全球科学家和IT产业巨头以及诸多新公司的争相研发，并且已经取得了长足的发展。随着多种技术的并行开发，近眼显示器的视场已由当初的十几度扩展到现在的一百度以上，体积和重量也在大幅减小，近眼的显示器已然越来越符合人体工学的穿戴要求，有望很快进入人们的日常生活当中。

显示分辨率是近眼显示器的另一个重要性能参数，代表了图像的显示质量，目前有些产品的分辨率可以达到1080P及以上。为了在保持视场的情况下进一步提高近眼显示器的分辨率，人们可以采取增加像素数的方法提升显示质量。但是传统的微型显示器件，诸如OLED、micro LED、LCD等受到加工工艺的限制，显示像素无法持续降低，难以在规定的尺寸范围内生产出更多数目的显示像素，如果要提高分辨率就必须增大屏幕尺寸，这无疑增大了近眼显示器整体的体积和重量。所以目前采取借助微加工工艺提高近眼显示器分辨率的做法不切实际，不符合近眼显示器朝着轻小型易穿戴方向发展的趋势。此外对于近眼显示器在某些特殊环境下的应用，比如客机座舱等，高动态范围是一个重要的指标，而目前基于OLED、micro LED的微型图像源难以达到上述场合高亮度的实际需求。

发明内容

鉴于上述需求，本发明提出了一种适用于扫描振镜像源的投影物镜，其可配合导光和折光元件用于佩戴于用户头部的可穿戴式近眼显示器中，或者也可以直接用于平视显示器，以显著提高显示图像的分辨率和亮度。

根据本发明的适用于扫描振镜像源的投影物镜，包括从靠近人眼侧至靠近图像源侧依次排列的第一透镜组和第二透镜组，记第一透镜组的焦距为f₁，第二透镜组的焦距为f₂，投影物镜的总焦距为f_w，f₁、f₂和f_w满足：

在一种具体的实施方式中，第一透镜组可以包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，光阑置于第一透镜之前，为出瞳距离考虑，光阑面与第一透镜凹离光阑面之间的距离优选的大于9mm。

在第一透镜为负透镜，其朝光阑一侧的面凹离光阑侧，曲率半径为负值，第二透镜呈大致弯月型的正透镜，第三透镜呈大致平凸透镜的外形的正透镜。

第二透镜组可以包括第四透镜和第五透镜，第四透镜和第五透镜组成正-负形式的双胶合透镜，优选的，表示第四透镜在d线的折射率Nd₈＞1.7，而Vd₄、Vd₆、Vd₈分别表示第二透镜、第三透镜、第四透镜在d线的阿贝数Vd₄、Vd₆、Vd₈均大于40。

本发明还涉及一种具有上述投影物镜的近眼显示装置或者平视显示装置，进一步包括置于投影物镜的第二透镜组后的扩束器和聚焦透镜；其中，所述扩束器用以对光束的数值孔径进行扩大，以增大投影物镜的出瞳直径；聚焦透镜用以会聚来自图像源的图像光，与投影物镜相应的，聚焦透镜的焦距f₆满足下述式(3)。

40.95mm＜f₆＜74.47mm 式(3)

本发明的扩束器可以选自微透镜阵列、散射毛玻璃、光纤阵列面板或者二元位相光栅之一或其组合，扩束器距图像源的距离与聚焦透镜的焦距相匹配。

图像源为扫描振镜型图像源，振镜的寸介于1mm和1.2mm之间，为所述图像源提供光源为RGB三色半导体激光光源。

基于本发明的投影物镜和其配合使用的扩束器、扫描振镜型图像源，可以在使用典型的激光二极管模组作为照明光源时，显著提高显示图像的亮度，并确保出瞳直径达到满足人眼观看的大小，投影物镜的总长可控，扩束器的位置可以根据聚焦透镜即中间像面的焦距需求进行调整，使本发明的投影物镜可以广泛的适用于近眼显示器以及平视显示器中。

附图说明

图1是示出本发明成像原理性示意图；

图2示出了根据本发明一种具体实施示例的投影物镜结构示意图；

图3示出了根据图2所示结构的投影物镜的像差曲线；

图4示出了根据本发明一种变形示例的投影物镜结构示意图；

图5示出了根据图4所示结构的投影物镜的像差曲线；

图6示出了根据本发明另一种变形示例的投影物镜结构示意图；

图7示出了根据图6所示结构的投影物镜的像差曲线；

图8示出了根据本发明另一种变形示例的投影物镜结构示意图；

图9示出了根据图8所示结构的投影物镜的像差曲线；

图10示出了根据本发明另一种实施方式的投影物镜结构示意图；

图11示出了根据图10所示结构的投影物镜的像差曲线。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式做详细说明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二等词汇仅理解为区分不同的部件，而不包含顺序的限定性作用，并且，在不同的实施例中，同样被称为第一部分的部件结构也可以是不相同的；各附图中的部件图只是示意性作用，即使图中只示出一个球面透镜，也不应该被理解为仅可以由球面单透镜构成，而也可以是一个透镜组的等效示意，或者具有其他的面型的具有同样作用的光学元件的示意。

图1示出了根据本发明的成像原理性示例，可以用作近眼显示器或者平视显示器中，以图1中从左往右的顺序描述，依次包括提供图像光的扫描振镜、聚焦透镜、用于扩束的微透镜阵列、投影物镜和人眼。扫描振镜，例如，典型的，MEMS器件，其本身不发光，而是将诸如激光光源出射的光扫描、反射和调制以形成图像，具体的说，图像信号通过一定格式的数据接口输入扫描振镜的控制电路，控制电路对该信号处理后输出对激光光源的驱动信号；LD等激光光源加载该驱动信号并输出相应强度的光束；输出光束经过调制、整形后进入扫描振镜，扫描振镜在控制电路输出的扫描驱动信号的作用下进行二维时序扫描形成图像光，图像光以准平行光的方式从扫描振镜出射。

与金属卤化物灯等相比较，半导体激光器(LD)或固态激光器(DPSSL：DiodePumped Solid State Laser)寿命长，几乎不需要更换，发光效率高，产生的热量少，容易冷却。此外，根据晶体的类型和成分，半导体激光器或固态激光器可以发射显示红、绿和蓝的每个波长区域的最佳波长的光，从而提高颜色纯度，不发射不需要显示的光，诸如，红外光、紫外光等。另外，半导体激光器或固态激光器可以即时开启和关闭，从而可以容易控制发光量，因此，作为优选的扫描振镜的激光光源。

收集扫描振镜出射的图像光的聚焦透镜的像方焦平面与投影物镜的物方焦平面共面，扫描出射的准平行光束经聚焦透镜会聚在微透镜阵列上，形成了中间像面；该中间像面相当于传统头戴式显示器(HMD)中的微型显示器的屏幕，即用户的眼睛通过投影物镜可观察到该中间像面的放大的虚像。如图1所示的，如果不使用微透镜阵列，MEMS振镜一般需要1-1.2mm的小尺寸限制，而激光出射的发散角极小，会导致出瞳直径不能达到满足人眼观看的大小，因此，在本发明中使用微透镜阵列作为扩束器，对从扫描振镜出射的光束进行了扩束，从而通过增大光束的数值孔径达到增大出瞳直径的目的。

如图1中虚线所示，光束的数值孔径为sinθ₁；使用如上文提到的扩束器后数值孔径可扩展为sinθ₂，如实线所示。根据出瞳直径EPD＝2f_p tanθ(f_p为投影物镜的焦距)，系统的出瞳直径将明显地增大，出瞳直径增大的倍数可以通过调节扩束器的结构参数，诸如微透镜阵列的结构，实现可调。对于本发明下述会提及的投影物镜，其出瞳直径可由未包括扩束器时的1mm增大到包括扩束器后的8mm。

而且不限于微透镜阵列这样的方式，散射毛玻璃、光纤阵列面板或者二元位相光栅等器件同样可以替代或者和微透镜阵列组合适用于本发明中用作扩束器，作为增大激光束的数值孔径，以达到增大出瞳直径的目的，从而人眼处的观察点可以具有一定的自由度。

根据图2所示，作为本发明的一种具体的结构示例，以人眼观察侧到提供图像光的图像源振镜侧计(从左至右)，依次排列着光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、微透镜阵列M1、第六透镜L6和振镜，其中，第一透镜L1为负透镜，第二透镜L2和第三透镜L3为正透镜，前三个透镜用于校正与视场相关的像差，包括畸变和场曲，构成本发明投影物镜的第一透镜组；第四透镜L4和第五透镜L5为正-负形式的双胶合透镜，用以校正系统的色差，构成本发明的第二透镜组；根据图1的本发明所示的图像形成的原理性示意图中，本发明的投影物镜包括了上述第一透镜组和第二透镜组，并且，为了取得良好的成像效果，这样的透镜组满足下列不等式：

其中，f₁为第一透镜组的焦距，f₂为第二透镜组的焦距，f_w为投影物镜的总焦距。

微透镜阵列M1作为典型的扩束器，用于对光束进行扩束，属于无光焦度的元件，在第一实施例中以平板玻璃代替其厚度，而第六透镜L6用作汇聚由振镜反射出的平行光的聚焦透镜，可选择的，第六透镜L6可以与振镜通过结构固定形成为一体。作为一种优选的方式，第六透境L6的焦距f₆满足：

40.95mm＜f₆＜74.47mm 式(3)

根据本发明的投影物镜，一种示例性的各透镜L1-L6的结构参数可以如表1所示，相应地，图3示出了根据表1所示结构参数的本发明的投影物镜的相应像差(像散和畸变)曲线。

表1

本领域技术人员可以理解的，在满足本发明结构设计要求的情况下，不限于上述结构参数的具体数值，本发明的投影物镜还可以通过具有其他的结构参数的各透镜实现，作为上述示例的变形例，可以实现基本一致的投影图像质量和视觉显示效果，如表2-4所示，可以获得不同的出瞳直径、有效焦距和视场角，以满足不同应用场景下的需要。

表2

表3

表4

相应的，图4和图5、图6和图7、图8和图9分别示出了具有如表2-4所示参数的各本发明投影物镜结构示意图和对应的像差曲线。在上述图2、4、6、8所示出的各本发明投影物镜中，第一透镜组中的第三透镜L3具有大致平凸透镜的外形，即其朝向第二透镜L2侧的表面的曲率半径远大于其朝向第四透镜L4侧的表面的曲率半径，并且第二透镜L2具有大致弯月型的外形。包括微透镜阵列厚度的空间总长(即第一透镜最靠近人眼侧的面至微透镜阵列最靠近聚焦透镜的面)仅约为40毫米，而微透镜阵列与扫描振镜的距离为可调，可调范围可以根据第六透镜L6的焦距确定，例如，当L6的焦距大约10毫米时，上述距离同样约10毫米左右，此时适用于近眼显示器的投影用；而当聚焦透镜L6的焦距扩大至例如50毫米时，上述距离与50毫米匹配也将达到约50mm，此时可以适用于平时显示器。

不同于前述实施例和变形例中的第三透镜L3外形，本发明中的投影物镜也可以包含非大致平凸透镜外形的第三透镜，如图10所示，本发明的另一种变形示例中，投影物镜的各透镜可以呈现不同于前述各示例的面型参数，如表5所示出，并且对于第三透镜L3，其两表面曲率半径的绝对值没有显著的差异，出瞳直径达到8mm。图11示出了根据本发明图10所示的投影物镜结构的像差曲线。

表5

结合从上述本发明的各示例性结构的数据，如表6所示的，各投影物镜和聚焦透镜均满足(1)～(3)关系式的要求。并且优选的，在第一透镜朝光阑一侧的面凹离光阑侧，使曲率半径为负值，以更便于校正与视场相关的像差。

表6

根据本发明的各投影物镜，在扩束器的帮助下，具有可达8mm的出瞳直径，以及40度的视场角，出瞳距离可以实现在9-13mm范围内，基于上述出瞳距离的考虑，光阑面与第一透镜凹离光阑面之间的距离应大于9mm。当基于典型的半导体激光二极管模组作为振镜扫描的照明光源时，显示图像的亮度可以高达20000cd/m2，远超过目前其他方式的像源元件能够提供的光亮度和动态范围。

虽然上述示例和各变形例中均示出了本发明的投影物镜的第一透镜组和第二透镜组均由具有球面面型的透镜构成，但不限于此的，本领域技术人员可以理解，在满足本发明投影物镜性能参数约定的前提下，非球面的面型同样可以实现并不显著增加生产制造成本。

前面的对本技术的详细描述只是为了说明和描述。它不是为了详尽的解释或将本技术限制在所公开的准确的形式。鉴于上述教导，许多修改和变型都是可能的。所描述的实施例只是为了最好地说明本技术的原理以及其实际应用，从而使精通本技术的其他人在各种实施例中最佳地利用本技术，适合于特定用途的各种修改也是可以的。本技术的范围由所附的权利要求进行定义。

Claims (7)

1.一种可满足以扫描振镜作为图像源的显示装置，包括投影物镜，以及置于该投影物镜后的扩束器和聚焦透镜；所述扩束器用以对光束的数值孔径进行扩大，以增大投影物镜的出瞳直径；聚焦透镜的像方焦平面与投影物镜的物方焦平面共面，扫描出射的准平行光束经聚焦透镜会聚在扩束器上，形成中间像面；所述投影物镜由从靠近人眼侧至靠近图像源侧依次排列的第一透镜组和第二透镜组组成，在第一透镜组的焦距为f₁、第二透镜组的焦距为f₂、投影物镜的总焦距为f_w、聚焦透镜的焦距为f₆时，上述各焦距满足：

40.95mm＜f₆＜74.47mm 式(3)；

所述第一透镜组由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，用以校正像差；所述第一透镜为负透镜，所述第二透镜呈大致弯月型的正透镜，所述第三透镜呈大致平凸透镜的外形的正透镜；

所述第二透镜组由第四透镜和第五透镜组成，用以校正色差；所述第四透镜和第五透镜组成正-负形式的双胶合透镜；

出瞳距离在9-13mm范围内。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：

光阑置于第二透镜之前，所述投影物镜的第一透镜朝光阑一侧的面凹离光阑侧，曲率半径为负值。

3.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于：

光阑面与第一透镜凹离光阑面之间的距离大于9mm。

4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于：

Nd₈>1.7，Nd₈表示第四透镜在d线的折射率，

Vd₄、Vd₆、Vd₈均大于40，Vd₄、Vd₆、Vd₈分别表示第二透镜、第三透镜、第四透镜在d线的阿贝数。

5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于所述扩束器选自微透镜阵列、散射毛玻璃、光纤阵列面板或者二元位相光栅之一或其组合，所述扩束器距所述图像源的距离与所述聚焦透镜的焦距相匹配。

6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，所述投影物镜适用的扫描振镜的尺寸介于1mm和1.2mm之间，为所述扫描振镜图像源提供光源的为RGB三色半导体激光光源。

7.如权利要求6所述的显示装置，其实现为佩戴于用户头部的可穿戴式近眼显示器中，或者用于平视显示器中。

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