CN111880363B - 光机和ar设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光机和AR设备，光机包括自发光显示芯片和透镜组件，透镜组件设于自发光显示芯片的出光侧，透镜组件包括至少三个透镜。上述方案解决光机的体积较大的技术问题。

Description

光机和AR设备
技术领域
本发明涉及投影成像的技术领域，特别涉及光机和AR设备。
背景技术
随着微型投影技术逐步普及的前提下，由于其体积较小，挪动方便，且对应用的场合要求较低，使得其能应用的领域越来越多，随着微型投影技术的发展，对光机的要求也越来越高，但是由于小型化的同时必须保证其性能的实现，一般光机只能做到10立方厘米，其所占体积还是较大。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种光机，旨在解决光机的体积较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种光机，所述光机包括：
自发光显示芯片；以及
透镜组件，设于所述自发光显示芯片的出光侧，所述透镜组件包括至少三个透镜。
可选地，所述透镜组件的总焦距范围为10mm-13mm。
可选地，所述透镜组件包括从像方到物方顺序包括：第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，所述第三透镜设于所述第二透镜和所述自发光显示芯片之间；
所述第一透镜为正弯月透镜；
所述第二透镜为负弯月透镜；
所述第三透镜为双凸透镜。
可选地，所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面为球面，所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面为偶次非球面；所述第三透镜包括第五表面和第六表面，所述第五表面和所述第六表面为偶次非球面。
可选地，所述透镜组件包括从像方到物方顺序包括：第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，所述第三透镜设于所述第二透镜和所述自发光显示芯片之间；
所述第一透镜为正弯月透镜；
所述第二透镜为双凹透镜；
所述第三透镜为正弯月透镜。
可选地，所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均为偶次非球面，所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面均为偶次非球面；所述第三透镜包括第五表面和第六表面，所述第五表面和所述第六表面球面。
可选地，所述自发光显示芯片为MicroLED自发光显示芯片或FL-LCOS自发光显示芯片。
可选地，所述光机的总长范围为17mm-19mm。
可选地，所述光机还包括：
匀光结构，设置于所述透镜组件和所述自发光显示芯片之间；和/或，
芯片保护玻璃，设置于所述自发光显示芯片表面。
为实现上述目的，本发明还提出一种AR设备，包括如上所述的光机。
本发明的技术方案光机包括自发光显示芯片和透镜组件，透镜组件设于所述自发光显示芯片的出光侧，所述透镜组件包括至少三个透镜。其中，自发光显示芯片可以自发光并将光线传出，透镜组件对自发光显示芯片输出的光线向外传递，以实现微型投影，由于在上述方案中，通过采用自发光显示芯片可以将光机的光源模块省略，例如DLP（DigitalLight Processing，数字光处理）显示芯片的DLP光源模块、RTIR（实时红外）或TIR（红外）模块，LCOS（Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶）显示芯片的PBS（Polarizing BeamSplitter，偏振分光棱镜）偏振分光模块，从而通过减少光机的部件数量大幅度减少光机的体积，相比于带有光源模块、偏振分光模块的光机体积减少了约60%，解决光机的体积较大的技术问题。
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为本发明光机一实施例的结构示意图；
图2为本发明光机一实施例的结构示意图；
图3为本发明光机第一实施例的调制传递函数值-空间频率示意图；
图4为本发明光机的芯片面的视场角度-横向色差示意图；
图5为本发明光机第二实施例的光学传递函数值-空间频率示意图；
图6为本发明光机第二实施例的视场角度-横向色差示意图。
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，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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。
本发明提出一种光机，旨在解决光机的体积较大的技术问题。
在示例性技术中，光机一般采用DLP（Digital Light Processing）显示芯片、LCOS（Liquid Crystal On Silicon）显示芯片实现出光，但是DLP（Digital Light Processing）显示芯片、LCOS（Liquid Crystal On Silicon）显示芯片都需要增加光源模块，其中DLP光源模块必不可少的RTIR（实时红外）或TIR（红外）模块，LCOS（Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶）显示芯片必不可少的PBS（Polarizing Beam Splitter，偏振分光棱镜）偏振分光模块。
在一实施例中，如图1所示，光机包括自发光显示芯片10和透镜组件20，透镜组件20设于自发光显示芯片10的出光侧，透镜组件20包括至少三个透镜。
其中，自发光显示芯片10可以自发光并将光线传出，透镜组件20对自发光显示芯片10输出的光线向外传递，以实现微型投影，由于在上述方案中，通过采用自发光显示芯片10可以将光机的光源模块省略，例如DLP（Digital Light Processing，数字光处理）显示芯片的DLP光源模块、RTIR（实时红外）或TIR（红外）模块，LCOS（Liquid Crystal On Silicon，硅基液晶）显示芯片的PBS（Polarizing Beam Splitter，偏振分光棱镜）偏振分光模块，从而通过减少光机的部件数量大幅度减少光机的体积，相比于带有光源模块、偏振分光模块的光机体积减少了约60%，解决光机的体积较大的技术问题。
可选地，自发光显示芯片10为MicroLED自发光显示芯片10或FL-LCOS（Front LitLiquid Crystal On Silicon）自发光显示芯片10。
可选地，光机的焦距为组合有第一透镜201、第二透镜202以及第三透镜203的组合镜头的总焦距。第一焦距与第三焦距之和大于总焦距。第二透镜202为负焦距，通过上述组合可以充分保证光机的放大、缩小投影的需求，也方便实际设计中的各种组合透镜形成满足设计需求的光机，扩大小型化后的光机的适用范围。
在一实施例中，如图1所示，透镜组件20包括从像方到物方顺序包括：第一透镜201、第二透镜202、以及第三透镜203，第三透镜203设于第二透镜202和自发光显示芯片之间，第一透镜201为正弯月透镜。第二透镜202为负弯月透镜。第三透镜203为双凸透镜。
通过上述组合可以充分保证光机的放大、缩小投影的需求，也方便实际设计中的各种组合透镜形成满足设计需求的光机，扩大小型化后的光机的适用范围。
基于上述特征，以下以第一实施例说明本方案的有益效果，以FOV（市场角）=28°，CRA（主光线角度）＜2°进行小型化光机设计，其中，设计得到的光机的参数方案为：镜头总长为18mm，总焦距10.673mm，像高5.512mm，FOV=28°，CRA＜2°。其中，第一透镜201的焦距10.855mm，第二透镜202的焦距-6.700mm，第三透镜203的焦距6.523mm。此时，更为详细化的透镜参数如下：
表1
此时的光机体积可做到4立方厘米。其实现的空间频率-光学传递函数示意图如图3，波长选择范围为470nm到650nm，并分别显示半视场为0°、3°、6°、9°、12°、14°时，子午方向（Tangential，T）和弧矢方向（Sagittal，S）的调制传递函数值，图3中标为衍射极限的线条为半视场为衍射极限时子午方向以及弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线，图3中标为子午a0的线条为半视场为0°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为子午a3的线条为半视场为3°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为子午a6的线条为半视场为6°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为子午a9的线条为半视场为9°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为子午a12的线条为半视场为12°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为子午a14的线条为半视场为14°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线，图3中标为弧矢a0的线条为半视场为0°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为弧矢a3的线条为半视场为3°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为弧矢a6的线条为半视场为6°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为弧矢a9的线条为半视场为9°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为弧矢a12的线条为半视场为12°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图3中标为弧矢a14的线条为半视场为14°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线，具体的，空间频率0lp/mm到83 lp/mm（空间每毫米线对数）的调制传递函数数值（MTF）介于0.6至1.0之间，中心视场（中心视场指的是0°的视场）调制传递函数数值介于0.83至1.0之间,说明最终投影图像的分辨率较高，该镜头组有较优的光学性能。其中，MTF=（Imax － Imin）/（Imax + Imin），LP/mm越大，MTF数值越小。将上述数据用于仿真，测得的视场角度-横向色差示意图如图4所示，图4中的a以及d为艾里斑的视场角度-横向色差曲线，b为0.5876um波长的视场角度-横向色差曲线，c为0.4861um波长时的视场角度-横向色差曲线。d为中心0线，为波长为0.5876um的视场角度-横向色差曲线。
此时的光机的镜头色差较小，且控制在一个像素内。
可选地，第一透镜201包括第一表面2和第二表面3，第一表面2和第二表面3为球面，第二透镜202包括第三表面4和第四表面5，第三表面4和第四表面5为偶次非球面；第三透镜203包括第五表面6和第六表面，第五表面6和第六表面7为偶次非球面。
通过将第三表面4、第四表面5、第五表面6和第六表面7可以进一步减小光机的体积。另外，第一表面2、第二表面3设置为球面也可以节约开模成本。
可选地，第一透镜201可以是塑料材质或玻璃材质的镜片，第二透镜202可以是塑料材质或玻璃材质的镜片，第三透镜203可以是塑料材质或玻璃材质的镜片。在实际设计时，采用塑料镜片的透镜设计为球面时可以最大程度山节约开模成本。
可选地，在第一实施例中，第一透镜201和第二透镜202的距离为2.044mm，第二透镜202与第三透镜203之间的距离为2.681 mm，第三透镜203和芯片保护玻璃之间的距离为3.000 mm。在采用上述参数限定光机时，其光学性能较好，且具有较小的体积。
可选地，透镜组件20的总焦距范围为10mm-13mm。
总焦距范围在10mm-13mm内，能充分覆盖现行投影光机的一般设计需求，能在减小体积的基础上还能充分保证光机投影至投影面30的投影效果。可选地，投影面30可以为幕布或者光波导结构。
可选地，光机的总长范围为17mm-19mm。
此时，光机的总长范围处于17mm-19mm之内时，其具有最优的体积比，在光机的总长小于17mm时，光机的口径会随着光机总长减小而大幅度增加，从而导致体积的再次增加。在光机的总长大于19mm时，光机的体积会随着光机总长增加而大幅度增加。
在一实施例，如图2所示，透镜组件20包括从像方到物方顺序包括：第一透镜201、第二透镜202、以及第三透镜203，第三透镜203设于第二透镜202和自发光显示芯片之间；第一透镜201为正弯月透镜；第二透镜202为双凹透镜；第三透镜203为正弯月透镜。
通过上述组合可以充分保证光机的放大、缩小投影的需求，也方便实际设计中的各种组合透镜形成满足设计需求的光机，扩大小型化后的光机的适用范围。
基于上述特征，以下以第二实施例说明本方案的有益效果，以FOV（市场角）=28°，CRA（主光线角度）=3.3°进行小型化光机设计，其中，设计得到的光机的参数方案为：镜头总长为17.5mm，总焦距12.025mm，像高5.512mm，FOV=28°，CRA =3.3°。其中，第一透镜201的焦距8.613mm，第二透镜202的焦距-7.285mm，第三透镜203的焦距10.669mm。此时，更为详细化的透镜参数如下表所示：
表2
此时的光机体积可做到4立方厘米。其实现的空间频率-光学传递函数示意图效果如图5，波长选择范围为470nm到650nm，并分别显示半视场为0°、3°、6°、9°、12°、14°时，子午方向（Tangential，T）和弧矢方向（Sagittal，S）的调制传递函数值-空间频率曲线，图5中标为衍射极限b的线条为半视场为衍射极限时子午方向以及弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线，图5中标为子午b0的线条为半视场为0°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为子午b3的线条为半视场为3°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为子午b6的线条为半视场为6°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为子午b9的线条为半视场为9°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为子午b12的线条为半视场为12°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为子午b14的线条为半视场为14°时子午方向的调制传递函数值-空间频率曲线，图5中标为弧矢b0的线条为半视场为0°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为弧矢b3的线条为半视场为3°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为弧矢b6的线条为半视场为6°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为1弧矢b9的线条为半视场为9°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为弧矢b12的线条为半视场为12°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线、图5中标为弧矢b14的线条为半视场为14°时弧矢方向的调制传递函数值-空间频率曲线，具体的，空间频率0lp/mm到83 lp/mm的调制传递函数数值（MTF）介于0.41至1.0之间，中心视场（中心视场指的是0°的视场）调制传递函数数值介于0.83至1.0之间,说明最终投影图像的分辨率较高，该镜头组有较优的光学性能。其中，MTF=（Imax － Imin）/（Imax + Imin），LP/mm越大，MTF数值越小。将上述数据用于仿真，测得的视场角度-横向色差示意图如图6所示，图6中的a11以及d11为艾里斑的视场角度-横向色差曲线，b11为0.5876um波长的视场角度-横向色差曲线，c11为0.4861um波长时的视场角度-横向色差曲线。d11为中心0线，为波长为0.5876um的视场角度-横向色差曲线。此时的光机的镜头色差较小，且控制在一个像素内。
可选地，第一透镜201包括第一表面2和第二表面3，第一表面2和第二表面3为偶次非球面，第二透镜202包括第三表面4和第四表面5，第三表面4和第四表面5为偶次非球面；第三透镜203包括第五表面6和第六表面，第五表面6和第六表面7为球面。
通过将第三表面4、第四表面5、第五表面6和第六表面7可以进一步减小光机的体积。另外，第一表面2、第二表面3设置为球面也可以节约开模成本。
在第二实施例中，第一透镜201和第二透镜202的距离为1.500mm，第二透镜202与第三透镜203之间的距离为2.914 mm，第三透镜203和芯片保护玻璃之间的距离为2.062mm。在采用上述参数限定光机时，其光学性能较好，且具有较小的体积。
可选地，第一透镜201包括第一表面2和第二表面3，第一表面2和第二表面3为偶次非球面，第二透镜202包括第三表面4和第四表面5，第三表面4和第四表面5为偶次非球面；第三透镜203包括第五表面6和第六表面7，第五表面6和第六表面7为球面。
通过将第一表面2、第二表面3、第三表面4、第四表面5可以进一步减小光机的体积。另外，第五表面6和第六表面7设置为球面也可以节约开模成本。
在一实施例中，偶次非球面根据下述公式确定沿光轴方向在高度为Y的位置Z；
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，αi表示第i次的非球面系数。
参考图3和图6，其中分别举例了两个实施例的前五次的非球面系数。
可选地，参照图1和图2，光机还包括匀光结构40和芯片保护玻璃，其中，匀光结构40，设置于第一透镜201和自发光显示芯片10之间。
芯片保护玻璃设置于自发光显示芯片10表面。其中，匀光结构40均匀芯片的出光，芯片保护玻璃可以在保护芯片的同时，不影响其出光。
可选地，参照图1和图2，光机还包括匀光结构40，其中，匀光结构40，设置于透镜组件20和自发光显示芯片10之间。其中，匀光结构40均匀芯片的出光。
可选地，参照图1和图2，光机还包括芯片保护玻璃，芯片保护玻璃设置于自发光显示芯片10表面。芯片保护玻璃可以在保护芯片的同时，不影响其出光。
可选地，透镜组件20的总焦距范围为10mm-13mm。
总焦距范围在10mm-13mm内，能充分覆盖现行投影光机的一般设计需求，能在减小体积的基础上还能充分保证光机投影至投影面30的投影效果。
可选地，光机的总长范围为17mm-19mm。
此时，光机的总长范围处于17mm-19mm之内时，其具有最优的体积比，在光机的总长小于17mm时，光机的口径会随着光机总长减小而大幅度增加，从而导致体积的再次增加。在光机的总长大于19mm时，光机的体积会随着光机总长增加而大幅度增加。
为实现上述目的，本发明还提出一种AR设备，包括投影面30以及如上的光机。
值得注意的是，因为本发明AR设备包含了上述光机的全部实施例，因此本发明AR设备具有上述光机的所有有益效果，此处不再赘述。
以上仅为本发明的可选实施例，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 (6)

1.一种光机，其特征在于，所述光机包括：
自发光显示芯片；以及
透镜组件，设于所述自发光显示芯片的出光侧，所述透镜组件由三个透镜组成；
所述透镜组件从像方到物方顺序依次包括：第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，所述第三透镜设于所述第二透镜和所述自发光显示芯片之间；
所述第一透镜为正弯月透镜；
所述第二透镜为双凹透镜；
所述第三透镜为正弯月透镜；
光机的总长范围为17mm-19mm；其中，
所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离为1.500mm；
所述第二透镜和所述第三透镜之间的距离为2.914mm。
2.如权利要求1所述的光机，其特征在于，所述第一透镜包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面均为偶次非球面，所述第二透镜包括第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面均为偶次非球面；所述第三透镜包括第五表面和第六表面，所述第五表面和所述第六表面为球面。
3.如权利要求1所述的光机，其特征在于，所述自发光显示芯片为MicroLED自发光显示芯片或FL-LCOS自发光显示芯片。
4.如权利要求1所述的光机，其特征在于，所述透镜组件的总焦距范围为10mm-13mm。
5.如权利要求1至4任一项所述的光机，其特征在于，所述光机还包括：
匀光结构，设置于所述透镜组件和所述自发光显示芯片之间；和/或，
芯片保护玻璃，设置于所述自发光显示芯片表面。
6.一种AR设备，其特征在于，包括投影面以及如权利要求1-5任一项所述的光机。
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