CN113050244B - 镜片组件及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种镜片组件及应用其的显示装置。自入光侧至出光侧所述镜片组件依次包括第一透镜、第二透镜、…、第2n‑1透镜，第2n透镜，第2n+1透镜，所述第2n透镜的材质为透明的光学胶，所述第2n‑1透镜和所述第2n透镜通过所述第2n透镜胶合，所述镜片组件的胶合次数为n，n为大于等于1的整数。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种镜片组件及应用其的显示装置。
背景技术
目前的消色差的镜片组件为将两个以上不同折射率的镜片胶合在一起，以起到消除色差的目的。其中，胶合镜片时，贴合次数为镜片的片数减一。而色差消除的效果越好，所要胶合的镜片的数量越多及胶合次数越多。
然而，由于制程限制，现有的消色差的镜片组件以三片镜片，两种材质(玻璃和塑料)最为常见、且其色差消除能力仍有待提高。
发明内容
本发明第一方面提供一种镜片组件，其自入光侧至出光侧依次包括第一透镜、第二透镜、…、第2n-1透镜、第2n透镜及第2n+1透镜，所述第2n透镜的材质为透明的光学胶，所述第2n-1透镜和所述第2n透镜通过所述第2n透镜胶合，所述镜片组件的胶合次数为n，n为大于等于1的整数。
该镜片组件中，第2n透镜的材质为透明的光学胶，相较于现有的透镜必须为玻璃或塑料的透镜组件，在相同透镜数量的情况下，减少了透镜组件的胶合次数；在相同胶合次数的情况下，本发明实施例的镜片组件可以具有更多数量的透镜，而透镜数量越多，色差消除的效果越好。例如，若现有的镜片组件同样具有2n+1个透镜，每相邻两个透镜之间胶合一次，其需要的胶合次数为2n，而本发明实施例中，通过将第2n透镜的材质设置为透明的光学胶，胶合次数由2n减少至n，简化制程。此外，本发明实施例通过选用透明的光学胶作为透镜，使得镜片组件的设计更加弹性。例如，现有的镜片组件中，透镜仅在玻璃和塑料两种材料中选择，在设计镜片组件时，其只能在不同折射率的玻璃和塑料中进行选择；而本发明实施例中，除不同折射率的玻璃和塑料可供选择之外，还可以选择不同折射率的光学胶进行设计。
本发明第二方面提供一种显示装置，其包括显示器以及上述的镜片组件，所述显示器位于所述镜片组件的入光侧。
所述显示装置包括上述的镜片组件，因此其同样具有简化制程，色差小的特点。
附图说明
图1为本发明实施例一的镜片组件的光路图。
图2为图1中镜片组件的纵向像差图。
图3为图1中镜片组件的调制传递函数曲线图。
图4为本发明实施例二的镜片组件的光路图。
图5为图4中镜片组件的纵向像差图。
图6为图4中镜片组件的调制传递函数曲线图。
图7为本发明实施例三的镜片组件的光路图。
图8为图7中镜片组件的纵向像差图。
图9为图7中镜片组件的调制传递函数曲线图。
图10为本发明实施例四的镜片组件的光路图。
图11为图10中镜片组件的纵向像差图。
图12为图10中镜片组件的调制传递函数曲线图。
图13为本发明一实施例的显示装置的结构示意图。
主要元件符号说明
镜片组件 10、20、30、40
第一透镜 12、22、32、42
第二透镜 14、24、34、44
第一表面 142、242、342、442
第二表面 144、244、344、444
第三透镜 16、26、36、46
显示装置 100
显示器 50
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
为能进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施方式，对本发明作出如下详细说明。
本发明实施例提供一种镜片组件，自入光侧至出光侧依次包括第一透镜、第二透镜、…、第2n-1透镜、第2n透镜及第2n+1透镜，所述第2n透镜的材质为透明的光学胶，所述第2n-1透镜和所述第2n透镜通过所述第2n透镜胶合，所述镜片组件的胶合次数为n，n为大于等于1的整数。
该镜片组件中，第2n透镜的材质为透明的光学胶，相较于现有的透镜必须为玻璃或塑料的透镜组件，在相同透镜数量的情况下，减少了透镜组件的胶合次数；或者说，在相同胶合次数的情况下，本发明实施例的镜片组件可以具有更多数量的透镜，而透镜数量越多，色差消除的效果越好。例如，若现有的镜片组件同样具有2n+1个透镜，每相邻两个透镜之间胶合一次，其需要的胶合次数为2n，而本发明实施例中，通过将第2n透镜的材质设置为透明的光学胶，胶合次数由2n减少至n，简化制程。
此外，本发明实施例通过选用透明的光学胶作为透镜，使得镜片组件的设计更加弹性。例如，现有的镜片组件中，透镜仅在玻璃和塑料两种材料中选择，在设计镜片组件时，其只能在不同折射率的玻璃和塑料中进行选择；而本发明实施例，除不同折射率的玻璃和塑料可供选择之外，还可以选择不同折射率的光学胶进行设计。
另外，需要说明的是，本发明实施例的第2n透镜不同于传统的胶合透镜中的光学胶。传统的胶合透镜中胶合用的光学胶非常薄，通常厚度只有200μm左右，不会影响原本镜片组件的光学品质。而本发明实施例的第2n透镜选用透明的光学胶作为镜片，其具有一定的厚度(如，毫米级)，对光学品质具有绝对性的影响。
于一实施例中，第2n透镜为固化后的液态透明光学胶，其透光度高，可在常温或中温条件下固化，且折射率选择多样。于其他实施例中，第2n透镜也可以选用其他透明的光学胶，不限于此。光学胶的折射率、厚度及阿贝数可根据实际需要进行设置，以最佳地消除镜片组件的色差。
于一实施例中，所述第2n透镜具有朝向所述入光侧的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面为凹面、凸面或平面，所述第二表面为凹面、凸面或平面。第2n透镜的第一表面与紧邻其的第2n-1透镜的表面胶合，第2n透镜的第二表面与紧邻其的第2n+1透镜的表面胶合。第2n透镜可以形成为凸透镜、凹透镜等。
于一实施例中，所述第一表面的曲率半径为R1，所述第二表面的曲率半径为R2，其中，-2<R1/R2<2。也就是说，第2n透镜可以为双凸透镜、平凸透镜以及凸凹透镜。需要说明的是，本文中定义自入光侧至出光侧的方向为光轴的正方向，若曲面相较于其曲率中心处于光轴的正方向(凸表面)，则曲率半径大于0，反之，曲率半径小于0。
于一实施例中，-2<R1/R2<2，且|R1|<|R2|。即，第2n透镜的第一表面的曲率半径与第二表面的曲率半径相近但不完全相同。而且，第2n透镜是第一表面的曲率半径R1的绝对值都比第二表面的曲率半径R2的绝对值小。
于一实施例中，所述第2n+1透镜在587.6nm波长时的折射率为Nd，所述第2n透镜在587.6nm波长时的等效焦距为EFL，0.1<Nd/EFL<0.5。第2n+1透镜的折射率也可以用其他特定的波长的折射率来表征。选择587.6nm(黄色氦光；谱线标号以字母d表示)作为标准波长是它非常接近人眼最敏感的波长。另，等效焦距是指镜片组件的中心到焦点的距离。
于一实施例中，所述镜片组件的纵向像差为4.5μm～7μm。而目前现有的镜片组件的纵向像差高达29μm。可见，通过选用折射率匹配的光学胶作为透镜的材料，并相应的调整透镜的折射率、焦距等，能够有效地降低镜片组件的纵向像差，提高了成像质量。
于一实施例中，所述第一透镜朝向所述入光侧的一面为凸面，所述第2n+1透镜朝向所述出光侧的一面为凸面。例如，当n＝1时，即镜片组件由三片透镜构成，镜片组件的入光面和出光面均为凸面。
于一实施例中，所述第2n-1透镜的材质为透明的玻璃或透明的塑料；所述第2n+1透镜的材质为透明的玻璃或透明的塑料。当第2n-1透镜、第2n+1透镜的材料为塑料时，可以降低镜片组件的重量，当镜片组件应用于头戴式显示装置时，降低整个装置的重量，便于提升用户佩戴体验。透明塑料例如是聚甲基丙烯酸甲酯(或称压克力)、聚对苯二甲酸乙二酯或聚碳酸酯等。以下结合图1至图12说明本发明实施例一至实施例四的镜片组件。其中，实施例一至实施例四均以三片透镜为例，以模拟的方式确认，其消色差效果较佳(纵向色差4.5μm～7μm)，明显优于现有的镜片组件(纵向像差29微米)。
实施例一
实施例一的详细光学数据如表一所示。其中，焦距f＝12.5mm，光圈数Fno＝2.0，半视角(half field of view，HFOV)＝10°，第一透镜12、第二透镜14及第三透镜16在587.6nm波长时的等效焦距分别为-16.215、6.7、21.326。第二透镜14的第一表面142的曲率半径R1＝3.6987，第二透镜14的第二表面144的曲率半径为R2＝-17.5859，R1/R2＝-0.2103，第三透镜16的折射率与第二透镜14的等效焦距的比值Nd/EFL为0.2699。
表一
由图1可知，红光、绿光及蓝光(分别标注为LR、LG及LB)由于其在镜片组件10中各个透镜中的折射率不同，使得其对焦在同一平面上后具有纵向色差。其中，实施例一的镜片组件10中，第二透镜14为双凸透镜。
图2中，横坐标为长度，单位毫米；纵坐标为归一化光瞳坐标，光瞳半径为3.1250mm。由图2可知，纵向像差约为6.2μm。图3为图1中镜片组件10的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线图，其显示的是镜片组件10关于对比度的还原情况。纵轴表示对比度的优劣。纵轴为光学传递函数的模(MODULUS OF THE OTF)，其光学传递函数的模为归一化值，无量纲。横轴表示每毫米周期的空间频率(SPATIAL FREQUENCY INCYCLES PER MILLIMETER)，单位是lp/mm(线对/毫米)。实线表示拍摄从中心呈放射状纹样的成像性能，用字母“T”表示；虚线表示拍摄线条呈同心圆向外扩展状纹样的成像性能，用字母“S”表示。虚、实两条曲线越接近，说明镜片组件10越能够在如实表现被摄物的同时，更易拍出美丽虚化。图中10线对/毫米的曲线越接近1(最大值)，镜头的成像对比度就越好。30线对/毫米的曲线越接近1，镜头分辨力就越高。“线对/毫米”这一单位的意思是，以1毫米宽度为单位，其中有多少对白黑相间的条纹。比方说，10线对/毫米的意思可以理解为在1毫米宽度的范围内排列有10对白黑相间的条纹。MTF值的测试需要拍摄印有达到上述密度条纹的图表。然后测量拍摄结果进行分析得出数值。由图3可以看出，镜片组件10可得到良好的成像效果。
实施例二
实施例二的详细光学数据如表二所示。其中，焦距f＝12.5mm，光圈数Fno＝2.0，半视角(half field of view，HFOV)＝10°。即，焦距f、光圈数Fno、半视角HFOV这三个参数与实施例一相同。
第一透镜22、第二透镜24及第三透镜26在587.6nm波长时的等效焦距分别为-19.058、4.693、-22.613。第二透镜24的第一表面242的曲率半径R1＝3.6651，第二透镜24的第二表面244的曲率半径为R2＝-3.6651，R1/R2＝-1，第三透镜26的折射率与第二透镜24的等效焦距的比值Nd/EFL为0.3725。
表二
由图4可知，红光、绿光及蓝光(分别标注为LR、LG及LB)由于其在镜片组件20中各个透镜中的折射率不同，使得其对焦在同一平面上后具有纵向色差。其中，实施例二的镜片组件20中，第二透镜24为双凸透镜，且第一表面242和第二表面244的弯曲程度相当，R1/R2＝-1。图5中，纵向像差图的横轴及纵轴代表的含义同图2，横坐标为长度，单位毫米；纵坐标为归一化光瞳坐标，光瞳半径为3.1250mm(与实施例一相同)。由图5可知，纵向像差约为6.6μm。图6为图4中镜片组件20的调制传递函数曲线图，其横轴及纵轴代表的含义同图3。由图6可以看出，红光的虚线及实线、绿光的虚线及实线以及蓝光的虚线及实线均很接近，因此，第二实施例的镜片组件20能够在如实表现被摄物的同时，更易拍出美丽虚化，得到良好的成像效果。
实施例三
实施例三的详细光学数据如表三所示。其中，焦距f＝12.5mm，光圈数Fno＝1.98，半视角(half field of view，HFOV)＝10°。第一透镜32、第二透镜34及第三透镜36在587.6nm波长时的等效焦距分别为-17.485、7.260、15.727。第二透镜34的第一表面342的曲率半径R1＝3.4414，第二透镜34的第二表面344的曲率半径为R2＝1.00E+18，R1/R2＝3.44E-18，第三透镜36的折射率与第二透镜34的等效焦距的比值Nd/EFL为0.3133。
表三
由图7可知，红光、绿光及蓝光(分别标注为LR、LG及LB)由于其在镜片组件30中各个透镜中的折射率不同，使得其对焦在同一平面上后具有纵向色差。其中，实施例三的镜片组件30中，第二透镜34的第一表面342为凸面，第二表面344为平面。
图8中，纵向像差图的横轴及纵轴代表的含义同图2，横坐标为长度，单位毫米；纵坐标为归一化光瞳坐标，光瞳半径为3.1250mm(与实施例一相同)。由图8可知，纵向像差约为4.7μm。图9中为图7中镜片组件30的调制传递函数曲线图，其横轴及纵轴代表的含义同图3。由图9可以看出，30线对/毫米时，红光的虚线及实线、绿光的虚线及实线以及蓝光的虚线及实线均很接近，且其光学传递函数的模仍能保持在0.2左右。实施例三的镜片组件30也可得到良好的成像效果。
实施例四
实施例四的详细光学数据如表四所示。其中，焦距f＝12.5mm，光圈数Fno＝1.985，半视角HFOV＝10°。第一透镜42、第二透镜44及第三透镜46在587.6nm波长时的等效焦距分别为-18.2000、7.845、15.715。第二透镜44的第一表面442的曲率半径R1＝3.4597，第二透镜44的第二表面444的曲率半径为R2＝3.81E+01，R1/R2＝9.07E-02，第三透镜46的折射率与第二透镜44的等效焦距的比值Nd/EFL为0.2900。
由图10可知，红光、绿光及蓝光(分别标注为LR、LG及LB)由于其在镜片组件40中各个透镜中的折射率不同，使得其对焦在同一平面上后具有纵向色差。其中，实施例四的镜片组件40中，第二透镜44的第二表面444为凹面。
表四
图11中，纵向像差图的横轴及纵轴代表的含义同图2，横坐标为长度，单位毫米；纵坐标为归一化光瞳坐标，光瞳半径为3.1250mm(与实施例一相同)。由图11可知，纵向像差约为4.6μm。
图12中为图10中镜片组件40的调制传递函数曲线图，其横轴及纵轴代表的含义同图3。由图12可以看出，30线对/毫米时，红光的虚线及实线、绿光的虚线及实线以及蓝光的虚线及实线均很接近，且其光学传递函数的模仍能保持在0.2以上。实施例四的镜片组件40也可得到良好的成像效果。
如图13所示，本发明实施例还提供一种显示装置100。该显示装置100包括显示器50以及上述镜片组件10(20、30、40)，所述显示器50位于所述镜片组件10(20、30、40)的入光侧。所述显示器50为液晶显示器、硅基液晶显示器、有机发光二极管显示器或无机发光二极管显示器等。
由于镜片组件中的部分透镜采用透明的光学胶，相较于现有的透镜必须为玻璃或塑料的透镜组件，在相同透镜数量的情况下，减少了透镜组件的胶合次数，简化制程；在相同胶合次数的情况下，可以具有更多数量的透镜，而透镜数量越多，色差消除的效果越好。因此，具有该镜片组件的显示装置100，同样具有简化制程，色差小，图像成像质量佳的特点。
于一实施例中，所述显示装置100为头戴式显示装置，并具有增强现实(AugmentedReality，AR)模式或虚拟现实(Virtual Reality，VR)模式。头戴式显示装置包括头戴主体(图未示)，所述显示器50及镜片组件设置于头戴主体内。头戴主体例如包括适于佩戴在用户头部的框架、用于调节框架束缚程度的松紧调节装置，以及用于对显示器50进行控制的控制系统等。
当使用者佩戴所述头戴式显示装置100时，所述镜片组件相较于所述显示器50更靠近使用者的眼睛。例如，当头戴式显示装置处于VR模式时，显示器50产生的图像光束经过镜片组件后传播至使用者的眼睛，从而使使用者看到显示器50产生的虚拟图像，实现VR模式。而当头戴式显示装置100处于AR模式时，显示器50产生的图像光束可以与环境光合光后进入人眼，使用者佩戴时，能够观看到叠加显示器50生成的虚拟图像后的环境图像。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种镜片组件，其特征在于，自入光侧至出光侧依次包括第一透镜、第二透镜及第三透镜，所述第二透镜的材质为透明的光学胶，所述第一透镜和所述第三透镜通过所述第二透镜胶合，所述镜片组件的胶合次数为1；
所述第二透镜具有朝向所述入光侧的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面为凹面或凸面，所述第二表面为凹面、凸面或平面，所述第一表面的曲率半径为R1，所述第二表面的曲率半径为R2，其中，-2<R1/R2<2；
所述第三透镜在587.6nm波长时的折射率为Nd，所述第二透镜在587.6nm波长时的等效焦距为EFL，0.1<Nd/EFL<0.5。
2.如权利要求1所述的镜片组件，其特征在于，|R1|<|R2|。
3.如权利要求1所述的镜片组件，其特征在于，所述镜片组件的纵向像差为4.5μm～7μm。
4.如权利要求1所述的镜片组件，其特征在于，所述第一透镜朝向所述入光侧的一面为凸面，所述第三透镜朝向所述出光侧的一面为凸面。
5.如权利要求1所述的镜片组件，其特征在于，所述第一透镜的材质为透明的玻璃或透明的塑料；所述第三透镜的材质为透明的玻璃或透明的塑料。
6.一种显示装置，包括显示器以及如权利要求1至5中任意一项所述的镜片组件，所述显示器位于所述镜片组件的入光侧。
7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置为头戴式显示装置，当使用者佩戴所述头戴式显示装置时，所述镜片组件相较于所述显示器更靠近使用者的眼睛。
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