CN112969953B - 具有四个球形玻璃元件的投影透镜 - Google Patents

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Abstract

投影透镜可以包括四个透镜元件，每个透镜元件由玻璃形成并且包括球形或平面状的入射面和出射面。与使用三个透镜元件的投影透镜相比，该四元件投影透镜具有宽松的制造和配准公差。与使用一个或多个塑料元件或使用非球形表面的投影透镜不同，全玻璃投影透镜可以使用相对快速且便宜的研磨和抛光技术来制造。玻璃透镜元件中的一个或两个可以选择性地对称地形成以便于反转。一个玻璃元件可以选择性地为平凸元件。直角棱镜可以将来自视频显示器的光引导到四个玻璃元件中。消色差棱镜可以成角度地将光轴偏转大约八度，并且可以将来自四个玻璃元件的光引导到近眼波导中。

Description

具有四个球形玻璃元件的投影透镜
优先权声明
本申请主张2018年11月9日提交的序列号为62/758,277的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请的优先权由此被要求保护，并且其全部内容在此纳入作为参考。
技术领域
本公开一般地涉及适合在近眼显示器中使用的光学系统。
背景技术
近眼显示器可以产生视频图像，并将视频图像导向人眼。在许多情况下，由于公差相对严格，和/或由于制造技术相对昂贵造成的高成本，近眼显示器中的光学系统的组件难以制造和配准。
因此，需要一种具有相对宽松的公差并且可以使用相对便宜的制造技术来制造的近眼显示器光学系统。
附图说明
图1示出了根据一些实施例的适合在近眼显示器中使用的光学系统的示意图。
图2示出了根据一些实施例的适合在近眼显示器中使用的光学系统的示例的侧视图。
图3示出了图2的光学系统的俯视图，其中为清楚起见展开了直角棱镜。
贯穿多个视图，相应的参考标号指示相应的部件。附图中的元件不一定按比例绘制。附图所示的配置仅是示例，并且不应被解释为以任何方式限制本发明主题的范围。
具体实施方式
近眼显示器可以包括投影透镜。投影透镜可以包括四个透镜元件，每个透镜元件由玻璃形成并且包括球形或平面状的入射面和出射面。与使用三个透镜元件的投影透镜相比，该四元件投影透镜具有宽松的制造和配准公差。与使用一个或多个塑料元件或使用非球形表面的投影透镜不同，全玻璃投影透镜可以使用相对快速且便宜的研磨和抛光技术来制造。玻璃透镜元件中的一个或两个可以选择性地对称地形成以便于反转。一个玻璃元件可以选择性地为平凸元件。直角棱镜可以将来自视频显示器的光引导到四个玻璃元件中。消色差棱镜可以成角度地将光轴偏转大约八度，并且可以将来自四个玻璃元件的光引导到近眼波导中。
在下面的讨论中，材料的阿贝数(也称为V数)定义为无量纲量(nd-1)/(nF-nC)，其中nd是材料在587.6nm的波长(氦d线)处的折射率，nF为材料在486.1nm的波长(氢F线)处的折射率，nC为材料在656.3nm的波长(氢C线)处的折射率。通常，材料的阿贝数越高，材料的色散越低。
在下面的讨论中，各个光学元件被称为第一透镜元件、第二透镜元件，以此类推。将理解，提供编号方案仅是为了方便，并且指定编号元件出现的顺序。在一些示例中，一个或多个附加光学元件可以选择性地出现在编号元件之间。例如，平面滤光片可以出现在第一透镜元件之前，在第一透镜元件与第二透镜元件之间，在第二透镜元件与第三透镜元件之间，以此类推。
图1示出了根据一些实施例的适合在近眼显示器中使用的光学系统100的示意图。图1的配置只是一种配置；也可以使用其他合适的配置。
光学系统100可以包括控制器102。控制器102可以包括能够将表示视频图像的数据转换成电信号的电路。该电路可以包括处理器104。该电路可以包括存储器106。存储器106可以包括指令，当被处理器104执行时，这些指令使处理器104执行指令。指令可以包括处理电信号，存储和访问所存储的视频内容等。控制器102可以将视频信号引导到显示器108以在显示器108上显示。控制器102可以包括在显示器108上或显示器108中的处理器104，或者可以经由有线和/或无线连接而耦合到远离显示器108的处理器104。控制器102可以选择性地从外部源(例如，通过有线或无线连接来连接的视频游戏机、膝上型计算机或计算机)、流视频源或其他源接收与视频信号相对应的数据。在一些示例中，显示器108可以是从外部照射的硅上液晶(LCOS)或数字光处理(DLP)显示器。显示器108可以显示与电信号相对应的视频图像。投影透镜110(下面将详细讨论)可以将来自显示器108的视频图像投射到近眼波导112中。近眼波导112可以将投射的视频图像引导到接近人眼114的位置。来自波导112的光可以进入人眼114。该光可以在人眼114的视网膜上形成再现的视频图像，这些再现的视频图像对应于在显示器108上显示的视频图像和相应的电信号。
图1中的元件(人眼114除外)可被封装为近眼显示器，并且可以选择性地作为眼镜(例如护目镜)或头戴式显示器进行穿戴。
投影透镜110将在下面详细讨论。
图2示出了根据一些实施例的适合在近眼显示器中使用的光学系统110的示例的侧视图。图3示出了图2的光学系统110的俯视图，其中为清楚起见展开了直角棱镜。
显示器108可以显示视频，该视频可以包括以诸如30Hz、60Hz、90Hz、120Hz之类的视频速率或另一合适的视频速率刷新的一系列图像。在一些示例中，显示器108可以包括像素阵列，每个像素可被独立地控制。
在一些示例中，显示器108可以包括顺序的彩色照明。例如，可以激活红色发光二极管，并且可以将对应于图像的红色部分的像素同时激活为“接通”状态。然后，可以激活具有相应像素的绿色发光二极管，然后激活具有相应像素的蓝色发光二极管。红色、绿色和蓝色照明和像素激活可以根据需要进行循环，以形成包含红色、绿色和蓝色像素的贡献的视频图像。在其他示例中，每个像素可以包括红色发光元件、绿色发光元件和蓝色发光元件，这些元件中的每一个可被独立地控制以产生每个像素的期望的强度(例如，亮度)和颜色。在一些示例中，可以使用其他合适的颜色。在一些示例中，每个发光元件可以是发光二极管。在一些示例中，每个发光元件可以是激光二极管。在一些示例中，每个发光元件可以包括其后跟适合的滤光片的白光源。在一些示例中，显示器108可以是矩形、正方形、椭圆形或其他合适的形状。在一些示例中，显示器108相对较小，例如沿着一边大约3mm。也可以使用其他尺寸。
显示器108可以选择性地封装在盖玻片216后面，盖玻片216通常是相对薄的玻璃元件。盖玻片216旨在保护显示器108免受灰尘和污染，一般在系统中不发挥光学作用。
近眼波导112可以可操作地将光导向人眼114(图1)。在一些示例中，近眼波导112可以成形为具有矩形或正方形横截面的细长元件，该横截面沿近眼波导112的纵向长度保持恒定。也可以针对近眼波导112使用其他形状和配置。下面描述的投影透镜110可以接收来自显示器108的光并将该光引导到近眼波导112中。当近眼波导112适当地靠近人眼114定位时，近眼波导112可以将光引导到人眼114中。
具有正的总屈光力的投影透镜110可以将来自显示器108的光束中的来自所显示的视频的光引导到近眼波导112中。投影透镜110可以具有与光束的中心相对应的光轴(OA)。
投影透镜110可以包括沿光轴(OA)与显示器108相邻地定位的直角棱镜218。直角棱镜218可以成角度地将光轴(OA)偏转九十度。在一些示例中，这些角度可以偏离真实直角棱镜218的45度/45度/90度几何形状，使得角度偏转可以偏离90度。其他合适的角度偏离可以包括89度至91度之间，88度至92度之间，85度至95度之间等的范围。直角棱镜218可以由冕牌(crown)玻璃形成，该冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有大于或等于1.728的折射率，并且具有大于50的阿贝数(可测量玻璃的色散或其折射率随波长的变化)。合适的高折射率冕牌玻璃可以包括H-LAK52，其在587.6nm的波长处具有1.729的折射率，并且具有54.7的阿贝数。也可以使用其他合适的高折射率冕牌玻璃。
投影透镜110可以包括沿光轴(OA)定位并由第一玻璃形成的第一透镜元件220，该第一玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有40至55之间的阿贝数。合适的玻璃可以包括H-LAF50B(在587.6nm的波长处具有1.773的折射率，并且具有49.6的阿贝数)、KLASKN1、HLAK53B等。第一透镜元件220可以具有面向直角棱镜218的凸球形第一入射面222和背向显示器108的凸球形第一出射面224。在一些示例中，第一入射面222和第一出射面224可以具有相同的曲率半径，这可以简化第一透镜元件220的制造过程。第一入射面222、第一出射面224和第一玻璃可以将第一透镜元件220的屈光力限定为正且在总屈光力的88％至128％之间，限定为正且在总屈光力的112％至128％之间，或者限定在另一合适的范围内。
投影透镜110可以包括沿光轴(OA)定位并由第二玻璃形成的第二透镜元件226，该第二玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有38至55之间的阿贝数。合适的玻璃可以包括H-ZLAF50E(在587.6nm的波长处具有1.804的折射率，并且具有46.6的阿贝数)、D-ZLAF85L、SLAH59、TAF3D等。第二透镜元件226可以具有面向第一透镜元件220的凸球形第二入射面228和背向第一透镜元件220的凹球形第二出射面230。第二入射面228、第二出射面230和第二玻璃可以将第二透镜元件226的屈光力限定为正且在总屈光力的35％至68％之间，限定为正且在总屈光力的35％至54％之间，或者限定在另一合适的范围内。在一些示例中，第二透镜元件226的屈光力除以第一透镜元件220的屈光力的值可以在0.28至0.71之间，0.28至0.46之间或在另一合适的范围内。
投影透镜110可以包括沿光轴(OA)定位并由第三玻璃形成的第三透镜元件232，该第三玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.8的折射率，并且具有20和24之间的阿贝数。合适的玻璃可以包括H-ZF62(在587.6nm的波长处具有1.923的折射率，并且具有20.9的阿贝数)、KPSFN1M等。第三透镜元件232可以具有面向第二透镜元件226的凹球形第三入射面234和背向第二透镜元件226的凹球形第三出射面236。在一些示例中，第三入射面234和第三出射面236可以具有相同的曲率半径，这可以简化第三透镜元件232的制造过程。第三入射面234、第三出射面236和第三玻璃可以将第三透镜元件232的屈光力限定为负且在总屈光力的165％至216％之间，限定为负且在总屈光力的183％至216％之间，或者限定在另一合适的范围内。
投影透镜110可以包括沿光轴(OA)定位并由第四玻璃形成的第四透镜元件238，该第四玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.85的折射率，并且具有28和35之间的阿贝数。合适的玻璃可以包括H-ZLAF75B(在587.6nm的波长处具有1.904的折射率，并且具有31.4的阿贝数)、TAFD55、H-ZLAF76等。第四透镜元件238可以具有面向第三透镜元件232的凸球形或平面状的第四入射面240和背向第三透镜元件232且朝向近眼波导112的凸球形第四出射面。第四入射面240、第四出射面242和第四玻璃可以将第四透镜元件238的屈光力限定为正且在总屈光力的87％至125％之间，限定为正且在总屈光力的91％至125％之间，或者限定在另一合适的范围内范围内。在一些示例中，第四透镜元件238的屈光力除以第三透镜元件232的屈光力的值可以在-0.64至-0.49之间，-0.60至-0.49之间或另一合适的范围内。
在一些示例中，第一入射面222、第一出射面224、第二入射面228、第二出射面230、第三入射面234、第三出射面236、第四入射面240(对于其中第四入射面240是球形的，例如非平面的情况)和第四出射面242具有沿光轴(OA)共线的中心。具体地，这些表面中的每一个具有与光轴(OA)相交的顶点。
通常，可以选择用于第一透镜元件220、第二透镜元件226、第三透镜元件232、第四透镜元件238和直角棱镜218的玻璃材料，以针对穿过这些元件的光，在系统级减小或最小化色差(例如，一个或多个元件具有正色差，一个或多个元件具有负色差，并且净总色差等于或接近零)。
投影透镜110可以包括沿光轴(OA)定位在第四透镜元件238与近眼波导112之间的消色差棱镜244。消色差棱镜244可以成角度地将光轴(OA)偏转七度至九度之间的角度，例如八度。也可以使用其他合适的角度偏转，例如六度至十度之间，三度至十三度之间的范围以及其他范围。
在一些示例中，消色差棱镜244可以由第一棱镜元件246形成，该第一棱镜元件246面向第四透镜元件238，并与面向近眼波导112的第二棱镜元件248接触。在一些示例中，第一棱镜元件246可以由燧石玻璃形成，该燧石玻璃在587.6nm的波长处具有在1.85至2.01之间的折射率，并且具有18.0至23.8之间的阿贝数。合适的玻璃可以包括H-ZF52(在587.6nm的波长处具有1.847的折射率，并且具有23.8的阿贝数)、P-SF68、H-ZF88、H-ZF72A、H-ZF62等。在一些示例中，第二棱镜元件248可以由冕牌玻璃形成，该冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有1.73的折射率，并且具有54.7的阿贝数。合适的玻璃可以包括H-LAK52(在587.6nm的波长处具有1.729的折射率，并且具有54.7的阿贝数)等。在一些示例中，可以选择用于第一棱镜元件246和第二棱镜元件248的玻璃，以减小或最小化消色差棱镜244的色差(例如，使得仅消色差棱镜244的净色差为零或相对较小的值)。
在一些示例中，投影透镜110可以在460nm至620nm(包括两端)的波长范围内操作。也可以使用其他合适的波长范围，其中包括400nm至700nm(通常被认为是典型的人类视觉的完整波长范围)等。
透镜的f/#可以量化透镜针对单个物点捕获的光锥。具体地，对于显示器108上的单个像素，f/#可以表征由投影透镜110从像素捕获的角度范围大小。在一些示例中，f/#可以与透镜捕获的光量相关。例如，相对较低的f/#意味着透镜捕获较多的光，并且由透镜形成的图像相对较亮。类似地，较高的f/#意味着透镜捕获较少的光，并且由透镜形成的图像相对较暗。在一些示例中，投影透镜110可以以2.08的f/#工作，这对应于显示器108处的0.24的数值孔径，或对应于显示器108处的约14度的半角。也可以使用其他合适的值。
透镜的视野可以量化由透镜捕获的物体的面积。具体地，视野应包括显示器108的全部(或几乎全部)，以使得透镜捕获来自显示器108边缘处的像素的光。在一些示例中，投影透镜110可以具有25度对角视野。也可以使用其他合适的值。
有效焦距是透镜的后主点与透镜的后焦点之间的距离。后主点和后焦点都是透镜中的位置。两者都是数学构造，而不是透镜的有形物理元件。在一些示例中，投影透镜110可以具有8.32mm的有效焦距。也可以使用其他合适的值。
透镜的畸变是衡量像素位置在物体与相应图像之间的映射准确度的一种度量。在完全不存在畸变的情况下，正方形物体映射到正方形图像，该正方形图像具有完美的直边。在实践中，通常很难完全消除畸变，因此透镜设计人员经常尝试尽可能地减少畸变，并将残余畸变表示为像高的百分比。在一些示例中，投影透镜110在1.86mm的像高处可以具有0.75％的畸变。也可以使用其他合适的值。
透镜的远心度(telecentricity)会影响由透镜形成的图像的亮度。对于具有从外部照射的显示器的投影透镜110(例如，衰减来自光源的光的多像素衰减器)，需要具备远心度，使得图像边缘处的像素与图像中心的像素一样亮。在一些示例中，投影透镜110可以在像场的边缘(例如，对应于显示器108的对角)处具有小于0.5度的远心度(主射线角)。与远心度有关的量是相对照度。在一些示例中，投影透镜110在1.86mm的像高处可以具有大于或等于80％的相对照度(相对于图像中心)。也可以使用其他合适的值。
通常，透镜的热性能很重要。例如，需要管理透镜材料的热膨胀和折射率的热变化，以使透镜性能在一定温度范围内适当地发挥。在一些示例中，投影透镜110可以在七十度的温度范围内进行无热操作。也可以使用其他合适的值。
在一些示例中，投影透镜110的出射光瞳可以位于透镜元件的外部。例如，出射光瞳可以位于光进入近眼波导112的近眼波导112上的区域处或附近。在一些示例中，外部孔径光阑(stop)到第四透镜元件238的出射面的顶点之间的距离可以在3.4mm至3.6mm之间。也可以使用其他合适的值。
在一些示例中，总透镜长度可以表示第一透镜元件220的入射面的顶点与第四透镜元件238的出射面的顶点之间的空气中的距离。在一些示例中，总透镜长度可以是6.59mm。也可以使用其他合适的值。
在一些示例中，物距可以表示显示器108与第一透镜元件220的第一入射面222的顶点之间的空气中的距离。在一些示例中，物距可以是6.1mm。也可以使用其他合适的值。
尽管已经将本发明描述为具有示例设计，但是可以在本公开的精神和范围内对本发明进行进一步的修改。因此，本申请旨在涵盖本发明使用其一般原理的任何变型、使用或改编。此外，本申请旨在涵盖落入本发明所属领域的已知或惯例中并且落入所附权利要求书的范围之内的那些与本公开的偏离。
为了进一步示出本文公开的设备，下面提供了非限制性的示例列表。以下每个非限制性示例可以独立存在，或者可以以任何排列组合或组合与其他任何一个或多个其他示例相结合。
在示例1中，一种光学系统可以包括：投影透镜，其具有正的总屈光力并被配置为将来自显示器的光线束中的光引导到近眼波导中，该投影透镜具有与光线束的中心相对应的光轴，该投影透镜包括：沿光轴定位的第一透镜元件，该第一透镜元件具有面向显示器的凸球形第一入射面和背向显示器的凸球形第一出射面；沿光轴定位的第二透镜元件，该第二透镜元件具有面向第一透镜元件的凸球形第二入射面和背向第一透镜元件的凹球形第二出射面；沿光轴定位的第三透镜元件，该第三透镜元件具有面向第二透镜元件的凹球形第三入射面和背向第二透镜元件的凹球形第三出射面；以及沿光轴定位的第四透镜元件，该第四透镜元件具有面向第三透镜元件的凸球形或平面状的第四入射面和背向第三透镜元件的凸球形第四出射面。
在示例2中，根据示例1所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得第一透镜元件由第一玻璃形成，该第一玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有40至55之间的阿贝数；第二透镜元件由第二玻璃形成，该第二玻璃在587.6nm的波长处的具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有38至55之间的阿贝数；第三透镜元件由第三玻璃形成，该第三玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.8的折射率，并且具有20至24之间的阿贝数；以及第四透镜元件由第四玻璃形成，该第四玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.85的折射率，并且具有28至35之间的阿贝数。
在示例3中，根据示例1至2中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的88％至128％之间；所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至68％之间；所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的165％至216％之间；以及所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的87％至125％之间。
在示例4中，根据示例1至3中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.71之间；以及所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.64至-0.49之间。
在示例5中，根据示例1至4中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的112％至128％之间；所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至54％之间；所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的183％至216％之间；以及所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的91％至125％之间。
在示例6中，根据示例1至5中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.46之间；以及所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.60至-0.49之间。
在示例7中，根据示例1至6中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述第一入射面和所述第一出射面具有相同的曲率半径。
在示例8中，根据示例1至7中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述第三入射面和所述第三出射面具有相同的曲率半径。
在示例9中，根据示例1至8中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述第四入射面是平面的。
在示例10中，根据示例1至9中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步包括：显示器，其被配置为显示视频并且将来自所显示的视频的光引导到所述投影透镜中；控制器，其被配置为将视频信号引导到所述显示器以在所述显示器上显示；以及近眼波导，其被配置为接收来自所述投影透镜的光并可操作地将所接收的光导向人眼。
在示例11中，根据示例1至10中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述投影透镜进一步包括沿所述光轴定位在所述显示器与所述第一透镜元件之间的直角棱镜，所述直角棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转九十度，所述直角棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有大于或等于1.728的折射率，并且具有大于50的阿贝数。
在示例12中，根据示例1至11中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述投影透镜进一步包括消色差棱镜，所述消色差棱镜沿所述光轴定位在所述近眼波导与所述第四透镜元件之间并被配置为成角度地将所述光轴偏转七度至九度之间的角度。
在示例13中，根据示例1至12中任一项所述的光学系统可以选择性地进一步被配置为使得所述消色差棱镜由第一棱镜元件形成，所述第一棱镜元件面向所述第四透镜元件，并与面向所述近眼波导的第二棱镜元件接触；所述第一棱镜由燧石玻璃形成，所述燧石玻璃在587.6nm的波长处具有1.85至2.01之间的折射率，并且具有18.0至23.8之间的阿贝数；以及所述第二棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有1.73的折射率，并且具有54.7的阿贝数。
在示例14中，一种光学系统可以包括：投影透镜，其具有正的总屈光力并被配置为将来自显示器的光线束中的光引导到近眼波导中，所述投影透镜具有与所述光线束的中心相对应的光轴，所述投影透镜包括：沿所述光轴与所述显示器相邻地定位的直角棱镜，所述直角棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转九十度；沿所述光轴定位的第一透镜元件，所述第一透镜元件具有面向所述直角棱镜的凸球形第一入射面和背向所述显示器的凸球形第一出射面；沿所述光轴定位的第二透镜元件，所述第二透镜具有面向所述第一透镜元件的凸球形第二入射面和背向所述第一透镜元件的凹球形第二出射面；沿所述光轴定位的第三透镜元件，所述第三透镜元件具有面向所述第二透镜元件的凹球形第三入射面和背向所述第二透镜元件的凹球形第三出射面；沿所述光轴定位的第四透镜元件，所述第四透镜元件具有面向所述第三透镜元件的凸球形或平面状的第四入射面和背向所述第三透镜元件且朝向所述近眼波导的凸球形第四出射面；以及沿所述光轴定位在所述第四透镜元件与所述近眼波导之间的消色差棱镜，所述消色差棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转七度至九度之间的角度；其中所述第一入射面、所述第一出射面、所述第二入射面、所述第二出射面、所述第三入射面、所述第三出射面和所述第四出射面具有沿所述光轴共线的中心。
在示例15中，根据示例14所述的光学系统可以选择性地被配置为使得所述直角棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有大于或等于1.728的折射率，并且具有大于50的阿贝数；所述第一透镜元件由第一玻璃形成，所述第一玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有40至55之间的阿贝数；所述第二透镜元件由第二玻璃形成，所述第二玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的的折射率，并且具有38至55之间的阿贝数；所述第三透镜元件由第三玻璃形成，所述第三玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.8的折射率，并且具有20至24之间的阿贝数；以及所述第四透镜元件由第四玻璃形成，所述第四玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.85的折射率，并且具有28至35之间的阿贝数。
在示例16中，根据示例14至15中任一项所述的光学系统可以选择性地被配置为使得所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的88％至128％之间；所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至68％之间；所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的165％至216％之间；所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的87％至125％之间；所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.71之间；以及所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.64至-0.49之间。
在示例17中，根据示例14至16中任一项所述的光学系统可以选择性地被配置为使得所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的112％至128％之间；所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至54％之间；所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的183％至216％之间；所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的91％至125％之间；所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.46之间；以及所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.60至-0.49之间。
在示例18中，根据示例14至17中任一项所述的光学系统可以选择性地被配置为使得所述第一入射面和所述第一出射面具有相同的曲率半径；所述第三入射面和所述第三出射面具有相同的曲率半径；以及所述第四入射面是平面的。
在示例19中，一种光学系统可以包括显示器，其被配置为显示视频；控制器，其被配置为将视频信号引导到所述显示器以在所述显示器上显示；近眼波导，其被配置为可操作地将光导向人眼；投影透镜，其具有正的总屈光力并被配置为将来自所述显示器的光线束中的来自所显示的视频的光引导到所述近眼波导中，所述投影透镜具有与所述光线束的中心相对应的光轴，所述投影透镜包括：沿所述光轴与所述显示器相邻地定位的直角棱镜，所述直角棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转九十度，所述直角棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有大于或等于1.728的折射率，并且具有大于50的阿贝数；沿所述光轴定位并由第一玻璃形成的第一透镜元件，所述第一玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有40至55之间的阿贝数，所述第一透镜元件具有面向所述直角棱镜的凸球形第一入射面和背向所述显示器的凸球形第一出射面，其中所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的88％至128％之间；沿所述光轴定位并由第二玻璃形成的第二透镜元件，所述第二玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有38至55之间的阿贝数，所述第二透镜具有面向所述第一透镜元件的凸球形第二入射面和背向所述第一透镜元件的凹球形第二出射面，其中所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至68％之间，其中所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.71之间；沿所述光轴定位并由第三玻璃形成的第三透镜元件，所述第三玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.8的折射率，并且具有20至24之间的阿贝数，所述第三透镜元件具有面向所述第二透镜元件的凹球形第三入射面和背向所述第二透镜元件的凹球形第三出射面，所述第三入射面和所述第三出射面具有相同的曲率半径，其中所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的165％至216％之间；沿所述光轴定位并由第四玻璃形成的第四透镜元件，所述第四玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.85的折射率，并且具有28至35之间的阿贝数，所述第四透镜元件具有面向所述第三透镜元件的凸球形或平面状的第四入射面和背向所述第三透镜元件且朝向所述近眼波导的凸球形第四出射面，其中所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的87％至125％之间，其中所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.64至-0.49之间；以及沿所述光轴定位在所述第四透镜元件与所述近眼波导之间的消色差棱镜，所述消色差棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转七度至九度之间的角度；其中所述第一入射面、所述第一出射面、所述第二入射面、所述第二出射面、所述第三入射面、所述第三出射面和所述第四出射面具有沿所述光轴共线的中心。
在示例20中，根据示例19所述的光学系统可以选择性地被配置为使得所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的112％至128％之间；所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至54％之间；所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力确定为负且在所述总屈光力的183％至216％之间；所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的91％至125％之间；所述第一透镜元件的所述屈光力除以所述第二透镜元件的所述屈光力的值在-0.60至-0.49之间；以及所述第三透镜元件的所述屈光力除以所述第四透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.46之间。

Claims (18)

1.一种光学系统，包括：
投影透镜，其具有正的总屈光力并被配置为将来自显示器的光线束中的光引导到近眼波导中，所述投影透镜具有与所述光线束的中心相对应的光轴，所述投影透镜包括透镜组件，所述透镜组件由第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件和第四透镜元件组成，
所述第一透镜元件沿所述光轴定位，所述第一透镜元件具有面向所述显示器的凸球形第一入射面和背向所述显示器的凸球形第一出射面，所述第一透镜元件具有正的屈光力；
所述第二透镜元件沿所述光轴定位，所述第二透镜元件具有面向所述第一透镜元件的凸球形第二入射面和背向所述第一透镜元件的凹球形第二出射面，所述第二透镜元件具有正的屈光力；
所述第三透镜元件沿所述光轴定位，所述第三透镜元件具有面向所述第二透镜元件的凹球形第三入射面和背向所述第二透镜元件的凹球形第三出射面，所述第三透镜元件具有负的屈光力；以及
所述第四透镜元件沿所述光轴定位，所述第四透镜元件具有面向所述第三透镜元件的凸球形或平面状的第四入射面和背向所述第三透镜元件的凸球形第四出射面，所述第四透镜元件具有正的屈光力,
其中：
所述第一透镜元件由第一玻璃形成，所述第一玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有40至55之间的阿贝数；
所述第二透镜元件由第二玻璃形成，所述第二玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有38至55之间的阿贝数；
所述第三透镜元件由第三玻璃形成，所述第三玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.8的折射率，并且具有20至24之间的阿贝数；以及
所述第四透镜元件由第四玻璃形成，所述第四玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.85的折射率，并且具有28至35之间的阿贝数。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中：
所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的88％至128％之间；
所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至68％之间；
所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的165％至216％之间；以及
所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的87％至125％之间。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中：
所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.71之间；以及
所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.64至-0.49之间。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的光学系统，其中：
所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的112％至128％之间；
所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至54％之间；
所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的183％至216％之间；以及
所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的91％至125％之间。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中：
所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.46之间；以及
所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.60至-0.49之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学系统，其中所述第一入射面和所述第一出射面具有相同的曲率半径。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，其中所述第三入射面和所述第三出射面具有相同的曲率半径。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统，其中所述第四入射面是平面的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学系统，进一步包括：
显示器，其被配置为显示视频并且将来自所显示的视频的光引导到所述投影透镜中；
控制器，其被配置为将视频信号引导到所述显示器以在所述显示器上显示；以及
近眼波导，其被配置为接收来自所述投影透镜的光并可操作地将所接收的光导向人眼。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述投影透镜进一步包括沿所述光轴定位在所述显示器与所述第一透镜元件之间的直角棱镜，所述直角棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转九十度，所述直角棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有大于或等于1.728的折射率，并且具有大于50的阿贝数。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的光学系统，其中所述投影透镜进一步包括消色差棱镜，所述消色差棱镜沿所述光轴定位在所述近眼波导与所述第四透镜元件之间并被配置为成角度地将所述光轴偏转七度至九度之间的角度。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中：
所述消色差棱镜由第一棱镜元件形成，所述第一棱镜元件面向所述第四透镜元件，并与面向所述近眼波导的第二棱镜元件接触；
所述第一棱镜由燧石玻璃形成，所述燧石玻璃在587.6nm的波长处具有1.85至2.01之间的折射率，并且具有18.0至23.8之间的阿贝数；以及
所述第二棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有1.73的折射率，并且具有54.7的阿贝数。
13.一种光学系统，包括：
投影透镜，其具有正的总屈光力并被配置为将来自显示器的光线束中的光引导到近眼波导中，所述投影透镜具有与所述光线束的中心相对应的光轴，所述投影透镜包括：
沿所述光轴与所述显示器相邻地定位的直角棱镜，所述直角棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转九十度；
透镜组件，所述透镜组件由第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件和第四透镜元件组成，
所述第一透镜元件沿所述光轴定位，所述第一透镜元件具有面向所述直角棱镜的凸球形第一入射面和背向所述显示器的凸球形第一出射面，所述第一透镜元件具有正的屈光力，
所述第二透镜元件沿所述光轴定位，所述第二透镜具有面向所述第一透镜元件的凸球形第二入射面和背向所述第一透镜元件的凹球形第二出射面，所述第二透镜元件具有正的屈光力，
所述第三透镜元件沿所述光轴定位，所述第三透镜元件具有面向所述第二透镜元件的凹球形第三入射面和背向所述第二透镜元件的凹球形第三出射面，所述第三透镜元件具有负的屈光力，
所述第四透镜元件沿所述光轴定位的，所述第四透镜元件具有面向所述第三透镜元件的凸球形或平面状的第四入射面和背向所述第三透镜元件且朝向所述近眼波导的凸球形第四出射面，所述第四透镜元件具有正的屈光力；以及
沿所述光轴定位在所述第四透镜元件与所述近眼波导之间的消色差棱镜，所述消色差棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转七度至九度之间的角度；
其中所述第一入射面、所述第一出射面、所述第二入射面、所述第二出射面、所述第三入射面、所述第三出射面和所述第四出射面具有沿所述光轴共线的中心，
其中：
所述直角棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有大于或等于1.728的折射率，并且具有大于50的阿贝数；
所述第一透镜元件由第一玻璃形成，所述第一玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有40至55之间的阿贝数；
所述第二透镜元件由第二玻璃形成，所述第二玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有38至55之间的阿贝数；
所述第三透镜元件由第三玻璃形成，所述第三玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.8的折射率，并且具有20至24之间的阿贝数；以及
所述第四透镜元件由第四玻璃形成，所述第四玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.85的折射率，并且具有28至35之间的阿贝数。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中：
所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的88％至128％之间；
所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至68％之间；
所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的165％至216％之间；
所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的87％至125％之间；
所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.71之间；以及
所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.64至-0.49之间。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的光学系统，其中：
所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的112％至128％之间；
所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至54％之间；
所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的183％至216％之间；
所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的91％至125％之间；
所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.46之间；以及
所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.60至-0.49之间。
16.根据权利要求15所述的光学系统，其中：
所述第一入射面和所述第一出射面具有相同的曲率半径；
所述第三入射面和所述第三出射面具有相同的曲率半径；以及
所述第四入射面是平面的。
17.一种光学系统，包括：
显示器，其被配置为显示视频；
控制器，其被配置为将视频信号引导到所述显示器以在所述显示器上显示；
近眼波导，其被配置为可操作地将光导向人眼；
投影透镜，其具有正的总屈光力并被配置为将来自所述显示器的光线束中的来自所显示的视频的光引导到所述近眼波导中，所述投影透镜具有与所述光线束的中心相对应的光轴，所述投影透镜包括：
沿所述光轴与所述显示器相邻地定位的直角棱镜，所述直角棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转九十度，所述直角棱镜由冕牌玻璃形成，所述冕牌玻璃在587.6nm的波长处具有大于或等于1.728的折射率，并且具有大于50的阿贝数；
透镜组件，所述透镜组件由下列透镜元件组成：
沿所述光轴定位并由第一玻璃形成的第一透镜元件，所述第一玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有40至55之间的阿贝数，所述第一透镜元件具有面向所述直角棱镜的凸球形第一入射面和背向所述显示器的凸球形第一出射面，其中所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的88％至128％之间，
沿所述光轴定位并由第二玻璃形成的第二透镜元件，所述第二玻璃在587.6nm的波长处具有1.72至1.85之间的折射率，并且具有38至55之间的阿贝数，所述第二透镜具有面向所述第一透镜元件的凸球形第二入射面和背向所述第一透镜元件的凹球形第二出射面，其中所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至68％之间，其中所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.71之间，
沿所述光轴定位并由第三玻璃形成的第三透镜元件，所述第三玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.8的折射率，并且具有20至24之间的阿贝数，所述第三透镜元件具有面向所述第二透镜元件的凹球形第三入射面和背向所述第二透镜元件的凹球形第三出射面，所述第三入射面和所述第三出射面具有相同的曲率半径，其中所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力限定为负且在所述总屈光力的165％至216％之间，
沿所述光轴定位并由第四玻璃形成的第四透镜元件，所述第四玻璃在587.6nm的波长处具有大于1.85的折射率，并且具有28至35之间的阿贝数，所述第四透镜元件具有面向所述第三透镜元件的凸球形或平面状的第四入射面和背向所述第三透镜元件且朝向所述近眼波导的凸球形第四出射面，其中所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的87％至125％之间其中所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.64至-0.49之间；以及
沿所述光轴定位在所述第四透镜元件与所述近眼波导之间的消色差棱镜，所述消色差棱镜被配置为成角度地将所述光轴偏转七度至九度之间的角度；
其中所述第一入射面、所述第一出射面、所述第二入射面、所述第二出射面、所述第三入射面、所述第三出射面和所述第四出射面具有沿所述光轴共线的中心。
18.根据权利要求17所述的光学系统，其中：
所述第一入射面、所述第一出射面和所述第一玻璃将所述第一透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的112％至128％之间；
所述第二入射面、所述第二出射面和所述第二玻璃将所述第二透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的35％至54％之间；
所述第三入射面、所述第三出射面和所述第三玻璃将所述第三透镜元件的屈光力确定为负且在所述总屈光力的183％至216％之间；
所述第四入射面、所述第四出射面和所述第四玻璃将所述第四透镜元件的屈光力限定为正且在所述总屈光力的91％至125％之间；
所述第二透镜元件的所述屈光力除以所述第一透镜元件的所述屈光力的值在0.28至0.46之间；以及
所述第四透镜元件的所述屈光力除以所述第三透镜元件的所述屈光力的值在-0.60至-0.49之间。
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