CN111766754A - 光学系统及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学系统及投影装置，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组、以及转向镜；所述第一镜组具有正光焦度；所述转向镜的入光面和/或出光面为曲面结构。本发明提供一种光学系统及投影装置，旨在解决现有技术中增强现实设备中的光学系统体积较大，重量较大的问题。

Description

光学系统及投影装置

技术领域

本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及投影装置。

背景技术

可穿戴设备是光电成像领域的新型发展方向，其中增强现实设备作为可穿戴设备中的增强现实设备正在逐渐向轻量化，小型化的方向发展。

现有的AR设备中，光学系统是AR设备中的主要工作部件，其中，光学系统由显示单元与镜组组成，显示单元发出的光线经过镜组作用后传输至人眼，为了提高AR设备的成像质量，AR设备中的镜组通常需要由多个透镜组合使用，当透镜个数较多时，会导致AR设备的体积增加，重量增加。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明提供一种光学系统及投影装置，旨在解决现有技术中增强现实设备中的光学系统体积较大，重量较大的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组、以及转向镜；

所述第一镜组具有正光焦度；

所述转向镜的入光面和/或出光面为曲面结构。

可选的，所述转向镜为棱镜结构或平板玻璃结构。

可选的，所述转向镜为棱镜结构，所述转向镜的入光面、反射面以及出光面依次沿边缘连接，所述转向镜的入光面和/或出光面为球面、非球面和自由曲面中的任意一种。

可选的，所述转向镜满足以下关系：5mm<f4<30mm；

其中，所述f4是所述转向镜的焦距。

可选的，所述转向镜满足以下关系：1.5<n4<2，40<v4<75；

其中，所述n4是所述转向镜的折射率，所述v4是所述转向镜的色散系数。

可选的，所述第一镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，

所述第一透镜的入光面为凸面结构，所述第一透镜具有正光焦度；

所述第二透镜的入光面为凹面结构，所述第二透镜具有负光焦度；

所述第三透镜的入光面为凸面结构，所述第三透镜具有正光焦度。

可选的，所述显示单元为微型发光二极管或迷你发光二极管。

可选的，所述第一镜组满足以下关系：2mm<f1<25mm，-20mm<f2<-1mm，2mm<f3<20mm；

其中，所述f1是所述第一透镜的焦距，所述f2是所述第二透镜的焦距，所述f3是所述第三透镜的焦距。

可选的，所述第一镜组满足以下关系：1.5<n1<1.8，1.6<n2<2，1.5<n3<1.8；

其中，所述n1是所述第一透镜的折射率，所述n2是所述第二透镜的折射率，所述n3是所述第三透镜的折射率。

可选的，所述第一镜组满足以下关系：25<v1<70，10<v2<40，20<v3<50；

其中，所述v1是所述第一透镜的色散系数，所述v2是所述第二透镜的色散系数，所述v3是所述第三透镜的色散系数。

为实现上述目的，本申请提出一种投影装置，所述投影装置包括壳体与如上述任一项实施方式所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组、以及转向镜；所述第一镜组具有正光焦度；所述转向镜的入光面和/或出光面为球面或非球面或自由曲面。所述显示单元发出的光线经过所述第一镜组后，在所述转向镜反射后传输至成像面，通过将所述转向镜的入光面和/或出光面设置为曲面结构，因此能够通过所述转向镜对经过所述第一镜组的光线进行调整，从而能够有效的减少所述第一镜组中的透镜数量以及降低所述第一镜组中的透镜的面型的复杂程度，从而能够降低所述光学系统的体积，降低所述光学系统的重量，解决现有技术中增强现实设备中的光学系统体积较大，重量较大的问题。

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是本发明光学系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的调制传递函数图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	33	出射面
20	第一镜组	21	第一透镜
				30	转向镜	22	第二透镜
31	入光面	23	第三透镜
				32	反射面

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。

本发明提供一种光学系统及投影装置。

请参照图1，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一镜组20、以及转向镜30；

所述第一镜组20具有正光焦度；

所述转向镜30的入光面31和/或出光面33为曲面结构，优选实施方式中，所述转向镜30的入光面31和/或出光面33为球面、非球面以及自由曲面中的一种。

具体的，光焦度为像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，用于表示光学系统对入射平行光束的屈折能力。当透镜的光焦度越大时，表示透镜对光线的汇聚能力越强，当透镜的光焦度越小时，表示透镜对光线的发散能力越强。

其中，透镜的入光面31是指光线进入透镜时的表面，透镜的出光面33是指光线从透镜射出时的表面。

其中，非球面结构相比于球面结构，能够有效的减小镜片的边缘像差，提高所述光学系统的性能，从而减少镜片的需求数量，缩短所述光学系统的总长。通过非球面结构，有效地实现多个球面透镜校正像差的效果，有利于实现所述光学系统的小型化。

其中，所述光学系统中的任一表面为偶次非球面结构，其中，所述偶次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；ai表示第i次的非球面系数。

于另一实施例中，所述光学系统中的任一表面为奇次非球面结构，其中，所述奇次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；βi表示第i次的非球面系数。

在可选的实施方式中，所述转向镜30为棱镜结构或平板玻璃结构，具体的，当所述转向镜30为平板玻璃结构时，为了保证光线能够在所述转向镜30的入光面31进行调整，所述转向镜30的入光面31为曲面结构，所述转向镜30远离所述显示单元10的一侧表面为反射面32，在一具体实施方式中，所述转向镜30的入光面31为球面或非球面或自由曲面结构，并且贴附或镀制有减反射膜，所述转向镜30的反射面32贴附或镀制有反射膜，所述反射膜包括但不限于全反射膜或部分反射膜。

可以理解的是，于另一实施方式中，所述转向镜30为棱镜结构，具体的，所述转向镜30为三角棱镜，所述转向镜30的两个直角面分别为入光面31与出光面33，所述转向镜30的斜面为反射面32，优选实施方式中，所述转向镜30为三角直角棱镜，所述显示单元10发出的光线从入光面31进入所述转向镜30，并在所述反射面32反射后，从所述出光面33射出所述转向镜30后传输至所述成像面。

优选实施方式中，所述转向镜30为棱镜结构，所述转向镜30的入光面31、反射面32以及出光面33依次沿边缘连接，为了方便所述转向镜30对经过第一透镜21的光线进行调整，设置所述转向镜30的入光面31与出光面33为球面结构或非球面结构，从而保证光线在经过所述转向镜30时，能够在所述转向镜30的入光面31与出光面33的作用下，改变光线的传输路径及传输方向，并降低所述光学系统的像差。

在可选的实施方式中，所述转向镜30满足以下关系：5mm<f4<30mm；

其中，所述f4是所述转向镜30的焦距。

在可选的实施方式中，所述转向镜30满足以下关系：1.5<n4<2，40<v4<75；

其中，所述n4是所述转向镜30的折射率，所述v4是所述转向镜30的色散系数。具体的，折射率用于表示在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，折射率越高，表示入射光发生折射的能力越强。并且通常情况下，色散系数与镜片的折射率成反比，当透镜的折射率越大时，透镜的色散系数越小，色散越明显，色散系数用于衡量透镜的成像品质，色散系数通常用阿贝数进行表示，具体的，色散系数越大时，代表色散越不明显，透镜的成像质量越好，色散系数越小时代表色散越明显，透镜的成像质量越差。

在可选的实施方式中，所述第一镜组20沿光线传输方向依次包括第一透镜21、第二透镜22以及第三透镜，

所述第一透镜21的入光面31为凸面结构，所述第一透镜21具有正光焦度；

所述第二透镜22的入光面31为凹面结构，所述第二透镜22具有负光焦度；

所述第三透镜的入光面31为凸面结构，所述第三透镜具有正光焦度。

在可选的实施方式中，所述第一镜组20满足以下关系：2mm<f1<25mm，-20mm<f2<-1mm，2mm<f3<20mm；

其中，所述f1是所述第一透镜21的焦距，所述f2是所述第二透镜22的焦距，所述f3是所述第三透镜的焦距。

在可选的实施方式中，所述第一镜组20满足以下关系：1.5<n1<1.8，1.6<n2<2，1.5<n3<1.8；

其中，所述n1是所述第一透镜21的折射率，所述n2是所述第二透镜22的折射率，所述n3是所述第三透镜的折射率。

在可选的实施方式中，所述第一镜组20满足以下关系：25<v1<70，10<v2<40，20<v3<50；

其中，所述v1是所述第一透镜21的色散系数，所述v2是所述第二透镜22的色散系数，所述v3是所述第三透镜的色散系数。

在可选的实施方式中，所述第一镜组20中的不同光学透镜与所述转向镜30均可以为光学玻璃材质或光学塑料材质，具体的，光学玻璃材料的折射率普遍大于光学塑料材料的折射率，所述显示单元10在工作过程中会产生热量，光学玻璃相对于光学塑料，具有较好的热稳定性，当所述光学系统中的透镜为光学塑料时，所述光学塑料会受到所述显示单元10产生的热量影响，从而导致所述光学系统出现跑焦问题，当所述光学系统中的透镜为光学玻璃时，由于所述光学玻璃具有较好的热稳定性，因此不容易受到所述显示单元10的发热影响，因此能够提高所述光学系统的工作稳定性。光学塑料相比于光学玻璃，光学塑料具有可塑性强，重量轻，加工成本低的优点，常用的光学塑料的折射率通常大于或等于1.42并且小于或等于1.69。

在可选的实施方式中，所述显示单元为微型发光二极管(Micro Light-EmittingDiode，Micro LED)或迷你发光二极管(Mini Light-Emitting Diode，Mini LED)，可以理解的是，所述光源本体不限于此，于其他实施例中，所述显示单元还可以为发光二极管(LightEmitting Diode，LED)或有机发光二极管(Organic Light Emitting Display，OLED)或液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)或不同波长的激光光源或其他能够发出光束的显示装置。

优选实施方式中，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及转向镜，所述显示单元发出的光线依次经过所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜后，在所述转向镜发生反射，并反射至成像面，所述显示单元为微型发光二极管。具体的，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜同时满足以下关系：

(1)2mm<f1<25mm，-20mm<f2<-1mm，2mm<f3<20mm；

(2)1.5<n1<1.8，1.6<n2<2，1.5<n3<1.8；

(3)25<v1<70，10<v2<40，20<v3<50；

其中，所述f1是所述第一透镜的焦距，所述f2是所述第二透镜的焦距，所述f3是所述第三透镜的焦距；所述n1是所述第一透镜的折射率，所述n2是所述第二透镜的折射率，所述n3是所述第三透镜的折射率；所述v1是所述第一透镜的色散系数，所述v2是所述第二透镜的色散系数，所述v3是所述第三透镜的色散系数。

所述转向镜为棱镜结构，并且所述转向镜的入光面与出光面均为曲面结构。所述转向镜还满足以下关系：

(1)5mm<f4<30mm；

(2)1.5<n4<2；

(3)40<v4<75；

其中，所述f4是所述转向镜的焦距，所述n4是所述转向镜的折射率，所述v4是所述转向镜的色散系数。

具体的，在第一实施例中，光学系统设计数据如下表1所示：

表1

所述第一实施例中，各参数如下所述：

所述第一透镜的折射率为1.64，色散系数为60.2；

所述第二透镜的折射率为1.64，色散系数为22.4；

所述第三透镜的折射率为1.57，色散系数为34.8；

所述转向镜的折射率为1.53，色散系数为70.4；

所述第一透镜的焦距为6.017mm；

所述第二透镜的焦距为-3.503mm；

所述第三透镜的焦距为4.337mm；

所述转向镜的焦距为14.910mm。

在一具体实施例中，所述光学系统的总长TTL<7mm，所述光学系统的有效口径<4mm，所述光学系统的体积<0.2cc。相对于类似架构的增强现实模组在体积和重量上有大幅度的缩减。

请参照图2，图2为第一实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。在第一实施例中，所述光学系统在各个视场的MTF值均在0.4以上。

本发明还提出一种投影装置，所述投影装置包括如上述任一实施方式所述的投影光学系统，该投影光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该投影光学系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。优选的，所述投影装置应用于增强现实设备，用于所述增强现实设备中为人眼成像。

以上所述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 (11)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一镜组以及转向镜；

所述第一镜组具有正光焦度；

所述转向镜的入光面和/或出光面为曲面结构。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述转向镜为棱镜结构或平板玻璃结构。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述转向镜为棱镜结构，所述转向镜的入光面、反射面以及出光面依次沿边缘连接，所述转向镜的入光面和/或出光面为球面、非球面和自由曲面中的任意一种。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述转向镜满足以下关系：5mm<f4<30mm；

其中，所述f4是所述转向镜的焦距。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述转向镜满足以下关系：1.5<n4<2，40<v4<75；

其中，所述n4是所述转向镜的折射率，所述v4是所述转向镜的色散系数。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一镜组沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜；

所述第一透镜的入光面为凸面结构，所述第一透镜具有正光焦度；

所述第二透镜的入光面为凹面结构，所述第二透镜具有负光焦度；

所述第三透镜的入光面为凸面结构，所述第三透镜具有正光焦度。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述显示单元为微型发光二极管或迷你发光二极管。

8.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一镜组满足以下关系：2mm<f1<25mm，-20mm<f2<-1mm，2mm<f3<20mm；

其中，所述f1是所述第一透镜的焦距，所述f2是所述第二透镜的焦距，所述f3是所述第三透镜的焦距。

9.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一镜组满足以下关系：1.5<n1<1.8，1.6<n2<2，1.5<n3<1.8；

其中，所述n1是所述第一透镜的折射率，所述n2是所述第二透镜的折射率，所述n3是所述第三透镜的折射率。

10.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一镜组满足以下关系：25<v1<70，10<v2<40，20<v3<50；

其中，所述v1是所述第一透镜的色散系数，所述v2是所述第二透镜的色散系数，所述v3是所述第三透镜的色散系数。

11.一种投影装置，其特征在于，所述投影装置包括壳体与如权利要求1-10任一项所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。

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