CN110579880A - 一种近眼显示光学系统及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种近眼显示光学系统以及近眼显示装置，近眼显示光学系统包括：透镜组、平板玻璃、反射镜片及图像显示器件，透镜组设置于图像显示器件的出光侧，透镜组具有多个光轴共轴的透镜，且透镜组中透镜的光轴垂直于图像显示器件的出光面，透镜组中透镜的所有光学表面及反射镜片的反射面均为非球面；其中，透镜组用于对图像显示器件发出的光线进行折射；平板玻璃用于将经由透镜组折射后的光线反射至反射镜片，并将反射镜片反射回的光线折射至入瞳处。通过本申请方案的实施，采用非球面镜片可以提升系统的可量产性和可加工性，并且采用共轴式光学结构可以降低系统的装配难度，从而使得生产和加工成本均能得到有效控制。

Description

一种近眼显示光学系统及近眼显示装置

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种近眼显示光学系统及近眼显示装置。

背景技术

近眼显示是指通过光学技术，将微型图像显示器件发出的图像光引导到用户的瞳孔，在用户的近眼范围实现虚拟、放大的图像，实现向用户提供直观的图像、视频或文字信息。

如图1所示，目前，通常采用基于自由曲面的离轴折返形式的光学系统来进行近眼显示，从图像显示器件101发出的光线经过第一光学表面102折射，然后经过第二光学表面103反射到第三光学表面104上，再经过第三光学表面104反射，透过第二光学表面103入射到入瞳处105，这样人眼在入瞳处105就能观察到图像显示器件101发出的图像信息。利用这种离轴折返式的结构，利用在几个光学表面间的多次反射及偏心可以减小系统体积，并且通过自由曲面可以补偿偏心和校正像差/色差。然而，面型为自由曲面的光学镜片的生产难度较大，并且离轴式光学结构对于装配工艺的要求很严格，从而生产和加工成本不能得到有效控制。

发明内容

本申请实施例提供了一种近眼显示光学系统及近眼显示装置，至少能够解决相关技术中的近眼显示光学系统采用自由曲面光学镜片所导致的生产难度较大，以及采用离轴式光学结构对装配工艺水平要求较为严格的问题。

本申请实施例第一方面提供了一种近眼显示光学系统，包括：透镜组、平板玻璃、反射镜片以及图像显示器件，所述透镜组设置于所述图像显示器件的出光侧，所述透镜组具有多个光轴共轴的透镜，且所述透镜组中透镜的光轴垂直于所述图像显示器件的出光面，所述透镜组中透镜的所有光学表面以及所述反射镜片的反射面的面型均为非球面；其中，

所述透镜组用于对所述图像显示器件发出的光线进行折射；

所述平板玻璃用于将经由所述透镜组折射后的光线反射至所述反射镜片，以及将所述反射镜片反射回的光线折射至入瞳处；所述入瞳处对应于人眼观察位置。

本申请实施例第二方面提供了一种近眼显示装置，包括：上述本申请实施例第一方面所提供的近眼显示光学系统。

由上可见，本申请方案提供了一种近眼显示光学系统及近眼显示装置，该近眼显示光学系统包括：透镜组、平板玻璃、反射镜片以及图像显示器件，透镜组设置于图像显示器件的出光侧，透镜组具有多个光轴共轴的透镜，且透镜组中透镜的光轴垂直于图像显示器件的出光面，透镜组中透镜的所有光学表面以及反射镜片的反射面的面型均为非球面；其中，透镜组用于对图像显示器件发出的光线进行折射；平板玻璃用于将经由透镜组折射后的光线反射至反射镜片，以及将反射镜片反射回的光线折射至入瞳处。通过本申请方案的实施，采用非球面镜片可以提升系统的可量产性和可加工性，并且采用共轴式光学结构可以降低系统的装配难度，从而使得生产和加工成本均能得到有效控制。

附图说明

图1为现有技术中提供的近眼显示光学系统的光路结构示意图；

图2为本申请第一实施例提供的近眼显示光学系统的光路结构示意图；

图3为本申请第二实施例提供的近眼显示光学系统的光路结构示意图；

图4为本申请第二实施例提供的近眼显示光学系统的畸变曲线示意图；

图5为本申请第三实施例提供的近眼显示装置的结构框图。

具体实施方式

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了解决相关技术中的近眼显示光学系统采用自由曲面光学镜片所导致的生产难度较大，以及采用离轴式光学结构对装配工艺水平要求较为严格的缺陷，本申请第一实施例提供了一种近眼显示光学系统，如图2为本实施例提供的近眼显示光学系统的光路结构示意图，该近眼显示光学系统包括：透镜组201、平板玻璃202、反射镜片203以及图像显示器件204，透镜组201设置于图像显示器件204的出光侧，透镜组201具有多个光轴共轴的透镜，且透镜组201中透镜的光轴垂直于图像显示器件204的出光面，透镜组201中透镜的所有光学表面以及反射镜片203的反射面的面型均为非球面。

具体的，在本实施例中，透镜组201用于对图像显示器件204发出的光线进行折射；平板玻璃202用于将经由透镜组201折射后的光线反射至反射镜片203，以及将反射镜片203反射回的光线折射至入瞳处205；其中，入瞳处对应于人眼观察位置，人眼在该位置可以观察到图像显示器件所显示的图像的放大虚像。应当理解的是，本实施例的图2中的箭头方向即为光线传播方向，为了保证示意图的简洁性，本实施例仅以单个箭头对单个光线进行了示出，在实际应用中应当是包括无数光线的光束。

应当说明的是，非球面透镜是指从透镜的中心到边缘的曲率连续发生变化，相对于其它类型透镜具备更佳的曲率半径。另外，非球面透镜简化了为了提高光学品质所涉及的要素，提高了系统的稳定性。通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球面透镜所产生的球差。并且，非球面透镜的成型工艺相对较为简单，在实际应用中可有效提高成本率，降低系统综合成本。

还应当理解的是，本实施例中透镜组中所采用的透镜的数量可以根据具体应用场景而定，并且透镜的类型也可以根据使用需求来进行搭配组合，本实施例对此不作唯一限定。此外，本实施例的光轴是指光学镜片的中心轴线。

在实际应用中，为了保证透镜组内各透镜之间的结构合理性以及尺寸紧凑性，本实施例的透镜组中任意相邻的两个非球面透镜之间的最小空气间隔可以为1mm～10mm。

在本实施例一种可选的实施方式中，在图像显示器件与透镜组之间还设置有保护玻璃，在实际应用中，通过设置保护玻璃来对图像显示器件进行保护，起到防尘放水的作用，可以避免图像显示器件直接裸露受到损坏。此外，图像显示器件与透镜组中透镜之间所间隔的距离在本实施例中并不作限定，在实际应用中可以紧挨也可以相隔一定距离。

另外，在实际应用中，图像显示器件可以是有机电致发光器件，或透射式液晶显示器件。

在本实施例一种可选的实施方式中，平板玻璃倾斜设置，平板玻璃朝向透镜组的光学表面与透镜组中透镜的光轴所成的角度为45°。

具体的，本实施例的平板玻璃为倾斜平板玻璃，本实施例中的平板玻璃呈45°倾斜设置，也可以理解为与图像显示器件所处平面呈45°夹角，通过这种平板玻璃设置方式，可以使得光学系统的结构配置更为均衡，空间利用更为合理，在实际产品装配过程中，装配难度更低。

在本实施例一种可选的实施方式中，平板玻璃朝向透镜组的光学表面上设置有半透半反镀膜，半透半反镀膜的透过率与反射率之比为1:1。

具体的，本实施例中的平板玻璃上镀有功能膜，也即该平板玻璃为半透半反玻璃。还应当说明的是，膜片的透过率与反射率之比也即光线经过这个膜片之后，其透过的光线强度与被反射回来的光线强度的比值。此外，本实施例的平板玻璃的材质可以为树脂材料(如PMMA等)，材质的成本较为低廉，且重量轻、体积小，在产业化应用中更具实现意义。

在本实施例一种可选的实施方式中，透镜组中透镜以及反射镜片的非球面光学表面均为偶次非球面。

进一步地，本实施例的偶次非球面可以满足如下非球面方程：

Z＝cy/[1+{1(1+k)cy}]+A₄y⁴+A₆y⁶+A₈y⁸+A₁₀y¹⁰+A₁₂y¹²+A₁₄y¹⁴+A₁₆y¹⁶，

其中，Z为非球面矢高、c为非球面近轴曲率、y为镜片口径、k为圆锥系数、A₄为4次非球面系数、A₆为6次非球面系数、A₈为8次非球面系数、A₁₀为10次非球面系数、A₁₂为12次非球面系数、A₁₄为14次非球面系数、A₁₆为16次非球面系数。

应当说明的是，在实际设计过程中，非球面镜片的面型也可以采用奇次非球面，基于ZEMAX或CODEV等光学设计软件，根据上述偶次非球面方程函数或奇次非球面方程函数，在光学设计软件中添加对近眼显示光学系统中光学镜片的各种操作数约束，便可以设计出所需要的优化的光学镜片。

基于上述本申请实施例的技术方案所提供的近眼显示光学系统，该近眼显示光学系统包括：透镜组、平板玻璃、反射镜片以及图像显示器件，透镜组设置于图像显示器件的出光侧，透镜组具有多个光轴共轴的透镜，且透镜组中透镜的光轴垂直于图像显示器件的出光面，透镜组中透镜的所有光学表面以及反射镜片的反射面的面型均为非球面；其中，透镜组用于对图像显示器件发出的光线进行折射；平板玻璃用于将经由透镜组折射后的光线反射至反射镜片，以及将反射镜片反射回的光线折射至入瞳处。通过本申请方案的实施，采用非球面镜片可以提升系统的可量产性和可加工性，并且采用共轴式光学结构可以降低系统的装配难度，从而使得生产和加工成本均能得到有效控制。

如图3所示为本申请第二实施例提供的一种近眼显示光学系统，在第一实施例所提供的近眼显示光学系统的基础之上，进一步地，本实施例提供的近眼显示光学系统中的透镜组201具体包括：依次远离图像显示器件204的出光侧的第一透镜2011、第二透镜2012以及第三透镜2013；其中，

第一透镜2011为双凸透镜，第一透镜2011的两个光学表面均向外凸出；

第二透镜2012为平凹透镜，第二透镜2012接近第一透镜2011一侧的光学表面向内凹陷，以及远离第一透镜2011一侧的光学表面为平面；

第三透镜2013为平凸透镜，第三透镜2013接近第二透镜2012一侧的光学表面为平面，以及远离第二透镜2012一侧的光学表面向外凸出。

具体的，在透镜组的装配过程中，结构公差在所难免，为了尽量降低各个透镜的结构公差所带来的串扰，本实施例优选的将透镜组内透镜的数量设置为较少的数量，另外，为了同时保证像差矫正和较好的光学成像质量，本实施例将透镜组内的透镜选定为3个，当然，在实际应用中，透镜数量和面型组合方式并不限于本实施例的上述方式。此外，本实施例透镜组中的各非球面透镜也可以采用树脂材料制成，以满足系统整体重量轻、体积小的要求。

在本实施例一种可选的实施方式中，近眼显示光学系统的整体焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，反射镜片的焦距为f4，近眼显示光学系统满足如下焦距关系：

0.05<f1/f<0.3；

-10<f2/f<-4；

13<f3/f<18；

1<f4/f<3。

具体的，在本实施例中，通过上述参数调整透镜组各透镜的焦距对光学系统整体焦距的贡献量，可以将各透镜的焦距控制在合理范围，利于光学系统的像差的校正，可以使得球差、慧差、畸变、场曲、像散、色差和其它高阶像差均得到充分的校正。

在本实施例一种可选的实施方式中，第一透镜相对图像显示器件接近和远离的两个光学表面的曲率半径分别为r1和r2，第二透镜相对第一透镜接近和远离的两个光学表面的曲率半径分别为r3和r4，第三透镜相对第二透镜接近和远离的两个光学表面的曲率半径分别为r5和r6，近眼显示光学系统满足如下曲率半径关系：

1<(r1+r2)/(r1-r2)<4；

0.2<(r3+r4)/(r3-r4)<1.2；

-0.5<(r5+r6)/(r5-r6)<-0.1。

具体的，在本实施例中，通对上述参数可以对透镜组内各透镜的曲率半径进行合理配置，进而保证透镜组的整体外形布局比较合理，适于加工生产。

在本实施例一种可选的实施方式中，入瞳处与平板玻璃的相对面之间的中心距离为L1，平板玻璃与反射镜片的相对面之间的中心距离为L2，平板玻璃与第三透镜的相对面之间的中心距离为L3，近眼显示光学系统的整体焦距为f，近眼显示光学系统满足如下中心距离关系：

1.5<L1/f<2.1；

0.5<L2/f<1.2；

0.7<L3/f<1.3。

具体的，在本实施例中，通过上述参数可以对处于光线传播线路上的第三透镜与平板玻璃之间、平板玻璃与反射镜片之间、以及平板玻璃与入瞳处之间的中心距离进行合理限定，从而可以保证系统整体结构的紧凑性，利于光学系统整体的小型化。

如图4所示为本实施例提供的上述近眼显示光学系统的畸变曲线示意图，可以看出通过上述系统配置方式，可有效降低畸变。

本申请实施例公开了一种近眼显示光学系统，采用非球面反射镜片替代不易于加工、检测、装配的自由曲面，增加了近眼显示光学系统的可加工性和可量产性；并且采用三片非球面透镜所组成的透镜组，可以显著提升了系统的FOV、MTF等关键光学指标，实现了MTF在50lp/mm处均优于0.3，畸变小于2％，TV畸变小于1％，色差小于4um，具有优秀的光学性能。

请参阅图5，图5为本申请第三实施例提供的一种近眼显示装置。该近眼显示装置包括前述第一实施例或第二实施例中的近眼显示光学系统50。

通过本实施例提供的近眼显示装置，图像显示器件中发出的光经过光学镜片后传输至入瞳处，人眼在入瞳处看到的是图像显示器件所显示的图像的放大虚像。应当理解的是，本实施例的近眼显示装置不仅限于只设置有一个上述近眼显示光学系统，在实际应用中，也可以设置有多个，例如可以在近眼显示装置中设置有两个相同且对称分布的上述近眼显示光学系统，在此不作唯一限定。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本申请所提供的近眼显示光学系统及近眼显示装置的描述，对于本领域的技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种近眼显示光学系统，其特征在于，包括：透镜组、平板玻璃、反射镜片以及图像显示器件，所述透镜组设置于所述图像显示器件的出光侧，所述透镜组具有多个光轴共轴的透镜，且所述透镜组中透镜的光轴垂直于所述图像显示器件的出光面，所述透镜组中透镜的所有光学表面以及所述反射镜片的反射面的面型均为非球面；其中，

所述透镜组用于对所述图像显示器件发出的光线进行折射；

所述平板玻璃用于将经由所述透镜组折射后的光线反射至所述反射镜片，以及将所述反射镜片反射回的光线折射至入瞳处；所述入瞳处对应于人眼观察位置。

2.根据权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述透镜组包括依次远离所述图像显示器件的出光侧的第一透镜、第二透镜以及第三透镜；

所述第一透镜为双凸透镜，所述第一透镜的两个光学表面均向外凸出；

所述第二透镜为平凹透镜，所述第二透镜接近所述第一透镜一侧的光学表面向内凹陷，以及远离所述第一透镜一侧的光学表面为平面；

所述第三透镜为平凸透镜，所述第三透镜接近所述第二透镜一侧的光学表面为平面，以及远离所述第二透镜一侧的光学表面向外凸出。

3.根据权利要求2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示光学系统的整体焦距为f，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，所述反射镜片的焦距为f4，所述近眼显示光学系统满足如下焦距关系：

0.05<f1/f<0.3；

-10<f2/f<-4；

13<f3/f<18；

1<f4/f>3。

4.根据权利要求2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述第一透镜相对所述图像显示器件接近和远离的两个光学表面的曲率半径分别为r1和r2，所述第二透镜相对所述第一透镜接近和远离的两个光学表面的曲率半径分别为r3和r4，所述第三透镜相对所述第二透镜接近和远离的两个光学表面的曲率半径分别为r5和r6，所述近眼显示光学系统满足如下曲率半径关系：

1<(r1+r2)/(r1-r2)<4；

0.2<(r3+r4)/(r3-r4)<1.2；

-0.5<(r5+r6)/(r5-r6)<-0.1。

5.根据权利要求2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述入瞳处与所述平板玻璃的相对面之间的中心距离为L1，所述平板玻璃与所述反射镜片的相对面之间的中心距离为L2，所述平板玻璃与所述第三透镜的相对面之间的中心距离为L3，所述近眼显示光学系统的整体焦距为f，所述近眼显示光学系统满足如下中心距离关系：

1.5<L1/f<2.1；

0.5<L2/f<1.2；

0.7<L3/f<1.3。

6.根据权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述平板玻璃倾斜设置，所述平板玻璃朝向所述透镜组的光学表面与所述透镜组中透镜的光轴所成的角度为45°。

7.根据权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述平板玻璃朝向所述透镜组的光学表面上设置有半透半反镀膜，所述半透半反镀膜的透过率与反射率之比为1:1。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述透镜组中透镜以及所述反射镜片的非球面光学表面均为偶次非球面。

9.根据权利要求8所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述偶次非球面满足如下非球面方程：

Z＝cy/[1+{1(1+k)cy}]+A₄y⁴+A₆y⁶+A₈y⁸+A₁₀y¹⁰+A₁₂y¹²+A₁₄y¹⁴+A₁₆y¹⁶，

其中，Z为非球面矢高、c为非球面近轴曲率、y为镜片口径、k为圆锥系数、A₄为4次非球面系数、A₆为6次非球面系数、A₈为8次非球面系数、A₁₀为10次非球面系数、A₁₂为12次非球面系数、A₁₄为14次非球面系数、A₁₆为16次非球面系数。

10.一种近眼显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的近眼显示光学系统。