CN110879473A - 投影镜头组件和头戴显示设备 - Google Patents

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CN110879473A CN201911210066.2A CN201911210066A CN110879473A CN 110879473 A CN110879473 A CN 110879473A CN 201911210066 A CN201911210066 A CN 201911210066A CN 110879473 A CN110879473 A CN 110879473A
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Abstract

本发明公开了一种投影镜头组件和头戴显示设备，所述投影镜头组件包括：投影芯片、偏振反射结构、反射透镜和四分之一波片，所述投影芯片发射投影光线；所述偏振反射结构设置于所述投影光线的出射方向上，所述投影光线透射于所述偏振反射结构；所述反射透镜接收透射于所述偏振反射结构的所述投影光线；所述四分之一波片设置于所述偏振反射结构和所述反射透镜之间的光路中，所述投影光线经所述反射透镜反射，透过所述四分之一波片，经由所述偏振反射结构反射出。本发明能够有效降低体积，便于人们穿戴。

Description

投影镜头组件和头戴显示设备
技术领域
本发明涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影镜头组件和头戴显示设备。
背景技术
目前，市面上已经出现很多大视场角的AR(Augmented Reality，增强现实)眼镜，而目前AR眼镜均在向着小体积、大视场、轻便化的方向发展，但是目前市面上的这些眼镜体积较大，不利于人们穿戴。
上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
基于此，针对这目前眼镜体积较大，不利于人们穿戴的问题，有必要提供一种投影镜头组件和头戴显示设备，能够有效降低体积，便于人们穿戴。
为实现上述目的，本发明提供一种投影镜头组件，包括：
投影芯片，所述投影芯片发射投影光线；
偏振反射结构，所述偏振反射结构设置于所述投影光线的出射方向上，所述投影光线透射于所述偏振反射结构；
反射透镜，所述反射透镜接收透射于所述偏振反射结构的所述投影光线；以及
四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述偏振反射结构和所述反射透镜之间的光路中，所述投影光线经所述反射透镜反射，透过所述四分之一波片，经由所述偏振反射结构反射出。
可选地，所述偏振反射结构包括偏振分光膜，所述偏振分光膜的入光面和所述投影光线光轴方向夹角在31°～59°之间。
可选地，所述偏振反射结构包括一个三棱镜，所述偏振分光膜设置于所述三棱镜斜面的表面。
可选地，所述偏振反射结构包括两胶合设置的三棱镜，所述偏振分光膜设置于两所述三棱镜的胶合位置处。
可选地，所述投影镜头组件包括沿所述投影光线的出射方向依次设置第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜设置于所述偏振反射结构和所述反射透镜之间的光路中，所述第一成像透镜的屈光度为正值，所述第二成像透镜的屈光度为负值。
可选地，所述第一成像透镜包括朝向所述偏振反射结构的第一入光面和背离所述偏振反射结构的第一出光面，所述第一入光面和所述第一出光面均为非球面，所述第二成像透镜包括朝向所述偏振反射结构的第二入光面和背离所述偏振反射结构的第二出光面，所述第二入光面和所述第二出光面均为非球面。
可选地，所述投影镜头组件包括第三成像透镜，所述第三成像透镜接收经所述偏振反射结构反射的投影光线，所述第三成像透镜的屈光度为负值，所述第三成像透镜包括朝向所述偏振反射结构的凸面入光面，以及背向所述偏振反射结构的凹面出光面。
可选地，所述反射透镜的焦距为f0，则-11mm＜f0＜-9mm，所述第一成像透镜焦距为f1，则5mm＜f1＜7mm，所述第二成像透镜的焦距为f2，则-30mm＜f2＜-17mm，第三成像透镜的焦距为f3，则f3＜0。
可选地，定义投影镜头组件的像高为H，投影镜头组件的光圈值为F则
Figure BDA0002291997850000021
此外，为了实现上述目的，本发明提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括外壳和如上文所述的投影镜头组件，所述投影镜头组件设置于所述外壳内部。
本发明提出的技术方案中，投影芯片发射出投影光线，投影光线透过偏振反射结构，在经过反射透镜的反射后，投影光线射向四分之一波片，经过四分之一波片的投影光线的偏振状态发生偏转，由此投影光线再次射向偏振反射结构时，投影光线无法透射偏振反射结构，经过偏振反射结构发生反射，进行投影显示，通过上述可知投影光线在经过偏振反射结构和反射透镜之间传递，并经过偏振反射结构反射出投影光线，减少投影光线单一方向传播时需要的空间距离，缩短投影镜头组件的整体体积，节省空间，便于人们穿戴。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明投影镜头组件一实施例的结构示意图；
图2为图1中偏振反射结构示意图；
图3为图1中第一成像透镜的结构示意图；
图4为图1中第二成像透镜的结构示意图；
图5为图1中第三成像透镜的结构示意图；
图6为图1中反射透镜的结构示意图；
图7为本发明其中第一实施例的调制传递函数图；
图8为图7中对应实施例的横向色差图；
图9为本发明中第二实施例的调制传递函数图；
图10为图9中对应实施例的横向色差图；
图11为图1中部分光学曲面示意图；
图12为图1中另一部分光学曲面示意图；
图13为图7中第一实施例部分光学曲面参数；
图14为图7中第一实施例计算光学曲面形状的参数；
图15为图9中第二实施例部分光学曲面参数；
图16为图9中第二实施例计算光学曲面形状的参数。
附图标号说明：
Figure BDA0002291997850000031
Figure BDA0002291997850000041
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1所示，本发明提出的一种投影镜头组件，包括：投影芯片10、偏振反射结构20、反射透镜30和四分之一波片40。
投影芯片10发射投影光线；通常投影组件还包括光源(图未示)，所述光源发射光线射向所述偏振反射结构20，经过所述偏振反射结构20射向投影芯片10。通常投影芯片10内部能够根据投影画面的需要，调整出射投影光线。
另外，在投影芯片10的投影光线的出射方向上设置有透明的玻璃板50，玻璃板50用于密封投影芯片10，且保护投影芯片10，避免其受损破坏，其中显示芯片可包括DLP(Digital Light Processing，数字光处理)芯片、LCOS(Liquid Crystal on Silicon，反射式液晶显示)芯片、LBS(Laser Bean Scanning，激光扫描)芯片、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机电激光显示)芯片、Mini(迷你)LED芯片、Micro(微小)LED芯片中的至少一种。
偏振反射结构20设置于投影光线的出射方向上，投影光线透射于偏振反射结构20；具体地，偏振反射结构20包括偏振分光片或者偏振分光膜，偏振反射结构20包括偏振透过方向，以此能够保证与其偏振透过方向相同的光线通过。
反射透镜30接收透射于偏振反射结构20的投影光线；具体地，反射透镜30包括面向偏振反射结构20的凹陷面31，以及背离所述偏振反射结构20的反射面32，投影光线在经过反射面32的发射后，光线按照入射路径返回，射向四分之一波片，其中反射面32包括一层镀制的反射膜，或者反射面32包括贴合设置的独自的反射光学元件。
四分之一波片40设置于偏振反射结构20和反射透镜30之间的光路中，投影光线经反射透镜30反射，透过四分之一波片40，经由偏振反射结构20反射出。
具体地，四分之一波片40用于改变光线的偏振方向，通常来说，四分之一波片40用于将圆偏振光或者椭圆偏振光转变为线偏振光，或者，用于将线偏振光转变为圆偏振光或者椭圆偏振光，投影光线经投影芯片出射后，两次透射四分之一波片40，投影光线经过两次偏振态的改变，其偏振方向发生偏转，由此在投影光线经过反射透镜30的反射后，经过所述四分之一波片40时，与偏振反射结构20的透射方向不同，由此发生反射。
或者说，投影光线中包括有P偏振光和S偏振光，P偏振光透射偏振反射结构20，S偏振光经偏振反射结构20反射。
本发明提出的技术方案中，投影芯片10发射出投影光线，投影光线透过偏振反射结构20，在经过反射透镜30的反射后，投影光线射向四分之一波片40，经过四分之一波片40的投影光线的偏振状态发生偏转，由此投影光线再次射向偏振反射结构20时，投影光线无法透射偏振反射结构20，经过偏振反射结构20发生反射，进行投影显示，通过上述可知投影光线在经过偏振反射结构20和反射透镜30之间传递，并经过偏振反射结构20反射出投影光线，减少投影光线单一方向传播时需要的空间距离，缩短投影镜头组件的整体体积，节省空间，便于人们穿戴。
请参阅图2所示，在其中一个实施例中，偏振反射结构20包括偏振分光膜21，偏振分光膜21的入光面和投影光线光轴方向夹角在31°～59°之间。
由此，投影光线经过反射透镜30反射后，投影光线经过四分之一波片40，P偏振光转化为S偏振光，S偏振光经过偏振分光膜21反射，出射偏振反射结构20，用于投影显示。偏振分光膜21的入光面和投影光线光轴方向夹角在31°～59°之间，均能够保证投影光线射入人眼。例如，投影光线的入射方向偏上，偏振分光膜21的入光面和投影光线光轴方向夹角在31°，保证投影光线偏上的入射角度的光线射入人眼。例如偏振分光膜21的入光面和投影光线光轴方向夹角在45°，偏振分光膜21的入光面和投影光线光轴方向呈45°夹角能够有效保证反射效果。再例如，投影光线的入射方向偏下，例如偏振分光膜21的入光面和投影光线光轴方向夹角在59°，保证投影光线偏下的入射角度的光线射入人眼。所述偏上、偏下只是描述投影光线的入射角度范围，保护范围不限于上下。
另外，偏振分光膜为Macneille(麦克尼尔)型偏振分光膜、Wire-Grid film(线栅薄膜)或者Multilayer Birefringent(多层双折射)型偏振分光膜。
在其中一个实施例中，偏振反射结构20包括一个三棱镜22，偏振分光膜21设置于三棱镜22斜面的表面。
通常来说三棱镜22包括有两个相互垂直的表面，以及连接于两个垂直表面远端的斜面，三棱镜22用于支撑偏振分光膜21，偏振分光膜21镀制或者贴合于三棱镜22的斜面上。
在其中一个实施例中，偏振反射结构20包括两胶合设置的三棱镜22，偏振分光膜21设置于两三棱镜22的胶合位置处。
具体地，三棱镜22包括有两个相互垂直的表面，以及连接于两个垂直表面远端的斜面，两三棱镜22的胶合位置处是指两个三棱镜22的斜面对接胶合位置，通过两个三棱镜22的胶合固定能够有效固定偏振分光膜21。
在其中一个实施例中，投影镜头组件包括沿投影光线的出射方向依次设置第一成像透镜60和第二成像透镜70，第一成像透镜60和第二成像透镜70设置于偏振反射结构20和反射透镜30之间的光路中，第一成像透镜60的屈光度为正值，第二成像透镜70的屈光度为负值。通过，第一成像透镜60的屈光度为正值，第二成像透镜70的屈光度为负值能够保证投影镜头组件有效投影显示，同时第一成像透镜60和第二成像透镜70的设置能够有效消除色差。
参阅图3所示，第一成像透镜60包括朝向偏振反射结构20的第一入光面61和背离偏振反射结构20的第一出光面62，第一入光面61和第一出光面62均为非球面。其中非球面的形状可以依据公式：
Figure BDA0002291997850000071
计算表示，其中z代表非球面透镜在离轴镜中心轴的相对高度时的矢量，c表示近轴曲率半径倒数，r表示非球面透镜在离轴镜中心轴的相对高度，k表示非球面透镜的圆锥常数，而α1～α8表示四阶以上的偶数阶的非球面修正系数。
参阅图4所示，第二成像透镜70包括朝向偏振反射结构20的第二入光面71和背离偏振反射结构20的第二出光面72，第二入光面71和第二出光面72均为非球面。
参阅图5所示，投影镜头组件包括第三成像透镜80，第三成像透镜80接收经偏振反射结构20反射的投影光线，第三成像透镜80的屈光度为负值，第三成像透镜80包括朝向偏振反射结构20的凸面入光面81，以及背向偏振反射结构20的凹面出光面82。
进一步地，定义投影镜头组件的像高为H，投影镜头组件的光圈值为F，则
Figure BDA0002291997850000081
投影镜头组件像高H和投影镜头组件的光圈值F的比值在2.464和2.524之间，能够有效保证投影镜头组件的整体体积在需要的范围内。
所述投影镜头组件的主光线入射成像平面的角度(chief rays angle，CRA)小于等于1.9°，以此保证投影镜头组件的出光平行度，提高照明的效率。
在其中一实施中，反射透镜30的焦距为f0，则-11mm＜f0＜-9mm，所述第一成像透镜60焦距为f1，则5mm＜f1＜7mm，所述第二成像透镜70的焦距为f2，则-30mm＜f2＜-17mm，第三成像透镜80的焦距为f3，则f3＜0。
举例说明，投影镜头组件的镜头总长为13.092mm、视场为41°、投影镜头组件的像高H为6.058mm、第三成像透镜80的焦距为-553.507mm、第一成像透镜60的焦距为5.647mm、第二成像透镜70的焦距为-18.412mm，反射透镜30的焦距为-10.774mm。参阅图7所示，本实施例的投影镜头组件波长选择范围为470nm到650nm，分别显示子午方向(Tangential，图中简写T)和弧矢方向(Sagittal，图中简写S)，半视场FOV分别为0°、5°、10°、15°、20°、20.5°，空间频率结余0lp/mm到121lp/mm的调制传递函数数值于0.55至1.0之间。中心视场调制传递函数数值介于0.75至1.0之间。由此说明投影图像的分辨率较高，该投影镜头组件具有出色的光学性能。参阅图8所示，系统的横向色差较小，在两个像素范围内。其中该投影镜头组件的焦距为8.6mm，光圈值为2.459。其中，参阅图11和图12所示，图11和图12标识出投影镜头组件部分光学曲面，参阅图13和图14所示，图13和图14的表格中记录下上述实施例的各个光学曲面的参数。
再例如，投影镜头组件的镜头总长为12.803mm、视场为46°、投影镜头组件的像高H为6.058mm、第三成像透镜80的焦距为-1.991E+07mm、第一成像透镜60的焦距为6.087mm、第二成像透镜70的焦距为-29.127mm、反射透镜30的焦距为-10.618mm，满足以上条件，本实施例可以实现投影镜头组件小型化，且具有广视角和远心光学设计的特性。参阅图9所示，调制传递函数图，此为对称系统，且图中仅显示正的调制传递函。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。本实施例的镜头组波长选择范围为470nm到650nm，分别显示子午方向(Tangential，图中简写T)和弧矢方向(Sagittal，图中简写S)，半视场FOV分别为0°、5°、10°、15°、20°、23°，空间频率结余0lp/mm到121lp/mm的调制传递函数数值于0.41至1.0之间。中心视场调制传递函数数值介于0.54至1.0之间。由此说明投影图像的分辨率较高，该镜头组有较优的光学性能。参阅图10所示，横向色差图，系统的横向色差较小，在两个像素范围内。其中该投影镜头组件的焦距为12.775mm，光圈值为2.400。参阅图15和图16所示，图15和图16的表格中记录下上述实施例的各个光学曲面的参数。
一种头戴显示设备，头戴显示设备包括外壳和投影镜头组件，投影镜头组件设置于外壳内部。投影镜头组件包括投影芯片10、偏振反射结构20、反射透镜30和四分之一波片40。
投影芯片10发射投影光线；通常投影组件还包括光源(图未示)，所述光源发射光线射向所述偏振反射结构20，经过所述偏振反射结构20射向投影芯片10。通常投影芯片10内部能够根据投影画面的需要，调整出射投影光线。
另外，在投影芯片10的投影光线的出射方向上设置有透明的玻璃板50，玻璃板50用于密封投影芯片10，且保护投影芯片10，避免其受损破坏，其中显示芯片可包括DLP(Digital Light Processing，数字光处理)芯片、LCOS(Liquid Crystal on Silicon，反射式液晶显示)芯片、LBS(Laser Bean Scanning，激光扫描)芯片、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机电激光显示)芯片、Mini(迷你)LED芯片、Micro(微小)LED芯片中的至少一种。
偏振反射结构20设置于投影光线的出射方向上，投影光线透射于偏振反射结构20；具体地，偏振反射结构20包括偏振分光片或者偏振分光膜，偏振反射结构20包括偏振透过方向，以此能够保证与其偏振透过方向相同的光线通过。
参阅图6所示，反射透镜30接收透射于偏振反射结构20的投影光线；具体地，反射透镜30包括面向偏振反射结构20的凹陷面31，以及背离所述偏振反射结构20的反射面32，投影光线在经过反射面32的发射后，光线按照入射路径返回，射向四分之一波片，其中反射面32包括一层镀制的反射膜，或者反射面32包括贴合设置的独自的反射光学元件。
四分之一波片40设置于偏振反射结构20和反射透镜30之间的光路中，投影光线经反射透镜30反射，透过四分之一波片40，经由偏振反射结构20反射出。
具体地，四分之一波片40用于改变光线的偏振方向，通常来说，四分之一波片40用于将圆偏振光或者椭圆偏振光转变为线偏振光，或者，用于将线偏振光转变为圆偏振光或者椭圆偏振光，投影光线经投影芯片出射后，两次透射四分之一波片40，投影光线经过两次偏振态的改变，其偏振方向发生偏转，由此在投影光线经过反射透镜30的反射后，经过所述四分之一波片40时，与偏振反射结构20的透射方向不同，由此发生反射。
本发明提出的技术方案中，投影芯片发射出投影光线，投影光线透过偏振反射结构，在经过反射透镜的反射后，投影光线射向四分之一波片，经过四分之一波片的投影光线的偏振状态发生偏转，由此投影光线再次射向偏振反射结构时，投影光线无法透射偏振反射结构，经过偏振反射结构发生反射，进行投影显示，通过上述可知投影光线在经过偏振反射结构和反射透镜之间传递，并经过偏振反射结构反射出投影光线，减少投影光线单一方向传播时需要的空间距离，缩短投影镜头组件的整体体积，节省空间，便于人们穿戴。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影镜头组件，其特征在于，包括：
投影芯片，所述投影芯片发射投影光线；
偏振反射结构，所述偏振反射结构设置于所述投影光线的出射方向上，所述投影光线透射于所述偏振反射结构；
反射透镜，所述反射透镜接收透射于所述偏振反射结构的所述投影光线；以及
四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述偏振反射结构和所述反射透镜之间的光路中，所述投影光线经所述反射透镜反射，透过所述四分之一波片，经由所述偏振反射结构反射出。
2.如权利要求1所述的投影镜头组件，其特征在于，所述偏振反射结构包括偏振分光膜，所述偏振分光膜的入光面和所述投影光线光轴方向夹角在31°～59°之间。
3.如权利要求2所述的投影镜头组件，其特征在于，所述偏振反射结构包括一个三棱镜，所述偏振分光膜设置于所述三棱镜斜面的表面。
4.如权利要求2所述的投影镜头组件，其特征在于，所述偏振反射结构包括两胶合设置的三棱镜，所述偏振分光膜设置于两所述三棱镜的胶合位置处。
5.如权利要求1至4任一项所述的投影镜头组件，其特征在于，所述投影镜头组件包括沿所述投影光线的出射方向依次设置第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜设置于所述偏振反射结构和所述反射透镜之间的光路中，所述第一成像透镜的屈光度为正值，所述第二成像透镜的屈光度为负值。
6.如权利要求5所述的投影镜头组件，其特征在于，所述第一成像透镜包括朝向所述偏振反射结构的第一入光面和背离所述偏振反射结构的第一出光面，所述第一入光面和所述第一出光面均为非球面，所述第二成像透镜包括朝向所述偏振反射结构的第二入光面和背离所述偏振反射结构的第二出光面，所述第二入光面和所述第二出光面均为非球面。
7.如权利要求6所述的投影镜头组件，其特征在于，所述投影镜头组件包括第三成像透镜，所述第三成像透镜接收经所述偏振反射结构反射的投影光线，所述第三成像透镜的屈光度为负值，所述第三成像透镜包括朝向所述偏振反射结构的凸面入光面，以及背向所述偏振反射结构的凹面出光面。
8.如权利要求7所述的投影镜头组件，其特征在于，所述反射透镜的焦距为f0，则-11mm＜f0＜-9mm，所述第一成像透镜焦距为f1，则5mm＜f1＜7mm，所述第二成像透镜的焦距为f2，则-30mm＜f2＜-17mm，第三成像透镜的焦距为f3，则f3＜0。
9.如权利要求5所述的投影镜头组件，其特征在于，定义投影镜头组件的像高为H，投影镜头组件的光圈值为F则
Figure FDA0002291997840000021
10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括外壳和如权利要求1至9任一项所述的投影镜头组件，所述投影镜头组件设置于所述外壳内部。
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