CN111308590A - 棱镜、光学模组和光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电领域，公开了一种棱镜、光学模组和光学系统，该棱镜包括：第一光学表面，用于折射入射光线以得到第一光线；第二光学表面，与所述第一光学表面形成第一预设夹角，用于反射所述第一光线得到第二光线；第三光学表面，与所述第二光学表面形成第二预设夹角，用于反射所述第二光线得到第三光线，所述第三光线经过所述第二光学表面折射后射入眼睛；其中，所述入射光线、第一光线、第二光线和第三光线依次逐渐靠近所述眼睛。本发明实现了减小光学模组的体积，增加用户佩戴体验的作用。

Description

棱镜、光学模组和光学系统

技术领域

本发明涉及光电领域，具体地，涉及棱镜、光学模组和光学系统。

背景技术

随着高新技术的不断发展，光电产业对光学系统的要求也越来越高；光学制造技术的进步也为批量生产具有复杂、不规则面形的光学元件提供了便利。现代光学系统正在朝向小型化、紧凑化方向不断发展。以自由曲面作为光学核心元器件已成为更多高性能光学系统的选择。

目前基于增强现实技术的头戴显示器已经开始广泛的应用到各行各业中，从工业制造加工协助产线工人进行精准定位安装到医疗工作中协助外科医生进行可视化操作；从军事作战中协助单兵获取战术信息到生活中各种体验感受的应用。

用于增强现实的光学模组主要是用于人眼佩戴显示，因此必须要求光学系统具有轻量化、小型化，并且在光学指标方面要求具有大视场角、大出瞳距离。现有的用于增强现实的光学模组具有体积大且镜片厚重的问题，极大的影响了用户的佩戴体验。

发明内容

本发明的目的是提供一种棱镜、光学模组和光学系统，该棱镜、光学模组和光学系统克服了现有技术中的光学模组体积大且镜片厚重的问题，实现了减小光学模组的体积，增加用户佩戴体验的作用。

为了实现上述目的，本发明提供了一种棱镜，该棱镜包括：第一光学表面，用于折射入射光线以得到第一光线；第二光学表面，与所述第一光学表面形成第一预设夹角，用于反射所述第一光线得到第二光线；第三光学表面，与所述第二光学表面形成第二预设夹角，用于反射所述第二光线得到第三光线，所述第三光线经过所述第二光学表面折射后射入眼睛；其中，所述入射光线、第一光线、第二光线和第三光线依次逐渐靠近所述眼睛。

优选地，所述第二光学表面，用于折射入射角度小于预设角度的光线，并用于反射入射角度大于或等于预设角度的光线；其中，所述第一光线的入射角度大于或等于所述预设角度，且所述第三光线的入射角度小于所述预设角度。

优选地，在所述第三光学表面上镀有反射膜，用于反射所述第二光线得到第三光线。

优选地，所述第一光学表面的厚度、第二光学表面的厚度和/或第三光学表面的厚度处于预设厚度范围之内。

优选地，所述第一光学表面与所述第二光学表面的夹角处于第一预设夹角范围之内；所述第二光学表面与所述第三光学表面的夹角处于第二预设夹角范围之内。

优选地，所述第一光学表面、第二光学表面和/或所述第三光学表面为自由曲面。

优选地，所述第一光学表面、第二光学表面和所述第三光学表面为一体成型的结构。

本发明还提供一种光学模组，该光学模组包括上述的棱镜。

本发明还提供一种光学系统，该光学系统包括上述的棱镜。

根据上述技术方案，本发明的自由曲面较传统的球面、非球面具有更大的设计自由度，能够获取更好的成像质量，简化系统的结构。该系统较现有的光学系统相比较，具有更大的观测视场，极大的提升了用户的穿戴体验。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是说明本发明的一种实施例的棱镜的结构原理示意图；

图2是说明本发明的一种实施例的棱镜的结构原理示意图；

图3是说明本发明的一种实施例的畸变曲线效果图；以及

图4是说明本发明的一种实施例的MTF值曲线图。

附图标记说明

S1 第一光学表面 S2 第二光学表面

S3 第三光学表面 4 眼睛

5 像源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

下面结合附图1-附图4详细介绍本发明的具体实施方案，其中，本发明的棱镜为

实施例一

图1为实施例一的一种棱镜的结构示意图，其主要标注了棱镜的多个表面的结构。

如图1所示，该棱镜可以包括：第一光学表面S1，用于折射入射光线以得到第一光线；第二光学表面S2，与所述第一光学表面S1形成第一预设夹角，预设夹角为60度，用于反射所述第一光线得到第二光线；第三光学表面S3，与所述第二光学表面S2形成第二预设夹角，预设夹角为38度，用于反射所述第二光线得到第三光线，所述第三光线经过所述第二光学表面S2折射后射入眼睛4；其中，所述入射光线、第一光线、第二光线和第三光线依次逐渐靠近所述眼睛4。

其中，第一光学表面S1主要是折射入射光线的作用，将像源5发出的入射光线折射至第二光学表面S2，其中，所述第二光学表面S2既可以实现折射也可以实现反射，当第一光线入射到第二光学表面S2上时，可以实现反射，直接反射出第二光线至第三光学表面S3。第三光学表面S3也为反射表面，将第三光线反射至第二光学表面S2，这时，由于第三光线的入射角度和第一光线的入射角度不同，第三光线在第二光学表面S2可以直接发生折射，并射入用户的眼睛4。在本实施例中，所述入射光线、第一光线、第二光线和第三光线依次逐渐靠近所述眼睛4的实时方式如图1所示，实际上逐渐靠近所述眼睛4的方式为入射光线经过多次折射和反射后直接射入眼睛4，且入射路线最短，不存在交叉的情况。即如图1所示的方式。

通过上述的实施方式，可以增大棱镜的视角，并能得到大出瞳距离。从而可以实现大视角的观察。

在该实施方式中，对于第二光学表面S2，可以用于折射入射角度小于预设角度的光线，并用于反射入射角度大于或等于预设角度的光线。

其中，所述第一光线的入射角度大于或等于所述预设角度，且所述第三光线的入射角度小于所述预设角度。

具体的，上述的既能实现折射又能实现反射的特性实际为第二光学表面S2的特性。其在第二光学表面S2上并不镀反射膜。完全利用棱镜材料的全反射特性，通过控制第一光线的入射角度实现全反射，通过控制第三光线的入射角度实现折射。其中，在本实施例中，所述预设角度满足：预设角度>arcsin(1/n)，n为棱镜折射率。

通过上述的实施例，可以实现光线的反射，也可以实现折射，实现了本发明的功能。

在该实施例中，由于需要第三光学表面S3只实现反射的功能，因此，在所述第三光学表面S3上镀有反射膜，用于反射所述第二光线得到第三光线。

通过上述的实施方式，可以实现光线的完全反射，确保光线的全反射，便于眼睛4直接接收到该光线，也使得图像更加清晰。

在该实施例中，为了实现第一光学表面S1的厚度、第二光学表面S2的厚度和/或第三光学表面S3的光学特性，所述第一光学表面S1的厚度、第二光学表面S2的厚度和/或第三光学表面S3的厚度处于预设厚度范围之内。

在该实施例中，为了实现第一光学表面S1的厚度、第二光学表面S2的厚度和/或第三光学表面S3的光学特性，所述第一光学表面S1与所述第二光学表面S2的夹角处于第一预设夹角范围之内；所述第二光学表面S2与所述第三光学表面S3的夹角处于第二预设夹角范围之内。

在该实施例中，为了实现装置结构的稳定，不会轻易变形，所述第一光学表面S1、第二光学表面S2和所述第三光学表面S3为一体成型的结构。

实施例二

图2为实施例二的一种棱镜的结构示意图，其主要标注了棱镜的多个表面的结构。并在实施例一的基础上做了更进一步的改进。

如图2所示，第一光学表面S1、第二光学表面S2和/或所述第三光学表面S3为自由曲面。

通过上述的设计，该实施例具有更大的设计自由度，能够获取更好的成像质量，也能简化系统的结构。

在该种实施方式中，为了实现第一光学表面S1的厚度、第二光学表面S2的厚度和/或第三光学表面S3的光学特性，所述第一光学表面S1的厚度、第二光学表面S2的厚度和/或第三光学表面S3的厚度处于预设厚度范围之内。并且为了实现第一光学表面S1的厚度、第二光学表面S2的厚度和/或第三光学表面S3的光学特性，所述第一光学表面S1与所述第二光学表面S2的夹角处于第一预设夹角范围之内；所述第二光学表面S2与所述第三光学表面S3的夹角处于第二预设夹角范围之内。

其中，在本发明中，采用主要使用标准Zernike圆形多项式来表示本实施例中的圆形多项式表征自由曲面光学面型。

其中三个自由曲面任一面均可用下面公式来表征，

式中，Z(x，y)为光学表面的矢高量，c为曲率半径，k为圆锥系数，r为光轴方向半径高度，且r²＝x²+y²，

为Zernike多项式，A_i为Zernike多项式系数；其中，多项式可以展开为：

该系统设计的评定指标结果如下，最大视场畸变不超过5％，中心视场的MTF值在25lp/mm处大于0.35，边缘视场MTF值在25lp/mm处大于0.15。畸变曲线图3和MTF曲线图4如下所示。其中，图3中从左至右各线条的颜色分别是红色、绿色、蓝色。

在该实施例中，为了获取高质量的图像，必须严格控制棱镜系统的像差，该系统针对于点阵列法对图质进行了优化，随着设计的进行，环和臂数量也随着增加，所需的约束变量也逐步增加，主要是限制焦距、厚度、全局坐标、偏心、倾斜、角度等参数。

整个设计控制像差的思路如下：第一从结构上进行控制，对于离轴非对称的自由曲面棱镜系统，一方面需要通过高度计测量来控制厚度，另一方面要通过中心偏测量控制各表面的偏心、倾斜和边缘光束的位置。

控制偏心、倾斜参数是为了保持棱镜的一般形状，并防止表面相互偏离过度，保证自由全面棱镜的结构合理性。

使用全局坐标约束，将曲面S2对齐，因为物理上为一个曲面，由于ZEMAX序列模式的性质和能力以及光线透射的光学特性的差异，将其建模为两个曲面。

第二从全反射控制，因为S2面既是反射面又是透射面，该方案光线从人眼入射到棱镜系统来考虑，从人眼入射到棱镜S2面的光线发生折射，第二次经过S2面时发生全反射，因此入射光线在第二次经过S2面时入射角度要均大于预设角度。

根据结构控制和全反射控制条件，针对于特定视场光线，按照上面公式原理编写相应的光学设计算法来自定义约束变量即：

配合面型转换以及相关参数的变化，进行自由曲面棱镜光学系统的优化设计，最终完成的光学系统结构如下图2所示。

本发明还提供一种光学模组，该光学模组包括上述的棱镜。

本发明的光学模组与现有技术相比具有与上述相同的技术效果，在此不再赘述。

本发明还提供一种光学系统，该光学系统包括上述的棱镜。

本发明的光学系统与现有技术相比具有与上述相同的技术效果，在此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种棱镜，其特征在于，该棱镜包括：

第一光学表面，用于折射入射光线以得到第一光线；

第二光学表面，与所述第一光学表面形成第一预设夹角，用于反射所述第一光线得到第二光线；

第三光学表面，与所述第二光学表面形成第二预设夹角，用于反射所述第二光线得到第三光线，所述第三光线经过所述第二光学表面折射后射入眼睛；

其中，所述入射光线、第一光线、第二光线和第三光线依次逐渐靠近所述眼睛。

2.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述第二光学表面，用于折射入射角度小于预设角度的光线，并用于反射入射角度大于或等于预设角度的光线；

其中，所述第一光线的入射角度大于或等于所述预设角度，且所述第三光线的入射角度小于所述预设角度。

3.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，在所述第三光学表面上镀有反射膜，用于反射所述第二光线得到第三光线。

4.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述第一光学表面的厚度、第二光学表面的厚度和/或第三光学表面的厚度处于预设厚度范围之内。

5.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述第一光学表面与所述第二光学表面的夹角处于第一预设夹角范围之内；所述第二光学表面与所述第三光学表面的夹角处于第二预设夹角范围之内。

6.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述第一光学表面、第二光学表面和/或所述第三光学表面为自由曲面。

7.根据权利要求1所述的棱镜，其特征在于，所述第一光学表面、第二光学表面和所述第三光学表面为一体成型的结构。

8.一种光学模组，其特征在于，该光学模组包括权利要求1-7中任意一项所述的棱镜。

9.一种光学系统，其特征在于，该光学系统包括权利要求1-7中任意一项所述的棱镜。

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