CN113253448A - 镜头、投影光机以及近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种镜头、投影光机以及近眼显示系统，镜头用于接收显示器发出的光纤扫描信号并对光纤扫描信号进行调制，镜头包括沿光轴方向依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，第一透镜用于会聚或发散显示器所发射出的光纤扫描光信号以形成第一透射光信号，第二透镜用于会聚第一透射光信号以形成第二透射光信号，第三透镜用于发散第二透射光信号以形成第三透射光信号，第四透镜用于发散第三透射光信号以形成第四透射光信号，第五透镜用于会聚第四透射光信号以形成第五透射光信号，本申请实施例的镜头可以对显示器发出的光纤扫描信号进行调制，解决光纤扫描产生的曲面图像投影后不清楚的问题。

Description

镜头、投影光机以及近眼显示系统

技术领域

本申请涉及显示投影技术领域，特别涉及一种镜头、投影光机以及近眼显示系统。

背景技术

随着增强现实技术的不断发展，诸如智能眼镜或智能面罩等头戴式增强现实设备被用户广泛接受和应用。

增强现实设备通常可以包括投影机，投影机可以生成虚拟图像，其中，投影机可以通过光纤扫描的显示方式生成虚拟图像，由于光纤扫描的方式是通过控制扫描光纤进行有规律的振动，将光束入射到投影屏幕上，因此，扫描光纤的振动导致光纤扫描像源为曲面，曲面图像经过投影放大后容易导致成像不清楚的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种镜头、投影光机以及近眼显示系统，镜头可以应用于投影光机中，以对投影光机通过光纤扫描所发射的光信号进行调制，解决光纤扫描产生的曲面图像投影后不清楚的问题。

本申请实施例提供一种镜头，镜头用于接收显示器发出的光纤扫描信号并对所述光纤扫描信号进行调制，镜头包括沿光轴方向依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜用于会聚或发散所述显示器所发射出的光纤扫描光信号以形成第一透射光信号，所述第二透镜用于会聚所述第一透射光信号以形成第二透射光信号，所述第三透镜用于发散所述第二透射光信号以形成第三透射光信号，所述第四透镜用于发散所述第三透射光信号以形成第四透射光信号，所述第五透镜用于会聚所述第四透射光信号以形成第五透射光信号。

本申请实施例提供一种投影光机，包括显示器和镜头，所述镜头为如上申请实施例所述的镜头，所述显示器用于发射光纤扫描的光信号，所述显示器设置在所述镜头的一侧且与所述第一透镜相邻以使得所述光信号可射入所述第一透镜。

本申请实施例提供一种近眼显示系统，包括：

显示器，所述显示器通过光纤扫描发出光信号，所述光信号包括图像信息；

镜头，设置在所述显示器的一侧，用于接收所述光信号并对所述光信号进行调制，以使一个所述光信号经过所述镜头之后形成不同出射角度的平行光束；

波导元件，设置在所述镜头远离所述显示器的一侧，所述波导元件用于接收所述平行光束，并将所述平行光束转换为虚拟图像。

本申请实施例的镜头包括沿光轴方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，显示器通过光纤扫描发出的光信号依次经过五个透镜，五个透镜可对通过光纤扫描发出的光信号进行调制以解决光纤扫描产生的曲面图像投影后不清楚的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的投影光机的第一种结构意图。

图2为图1所示投影光机中镜头的调制传递函数图。

图3为图1所示投影光机中镜头的点列图。

图4为图1所示投影光机中镜头的场曲图。

图5为图1所示投影光机中镜头的畸变曲线图。

图6为本申请实施例提供的投影光机的第二种结构示意图。

图7为图6所示投影光机中镜头的调制传递函数图。

图8为图6所示投影光机中镜头的点列图。

图9为图6所示投影光机中镜头的场曲图。

图10为图6所示投影光机中镜头的畸变曲线图。

图11为本申请实施例提供的近眼显示系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种投影光机，该投影光机用于生成虚拟图像。如图1所示，图1为本申请实施例提供的投影光机的第一种结构意图。投影光机100可以投射虚拟图像。投影光机100包括显示器110和镜头120，镜头120设置在显示器110的一侧，显示器110可以通过光纤111发射光线，通过扫描光纤111的光纤悬臂1110，光纤悬臂1110在扫描时实质上形成的是以光纤悬臂1110的长度为半径的曲面像源112，由于像源成像为曲面，相关技术中，光纤扫描输出的虚拟图像经过镜头放大后投影在投影屏幕上形成的图像四周畸发生明显畸变，成像效果较差。本申请的镜头可以对光纤扫描成像进行矫正，以消除光纤扫描不清楚的问题，从而提高投影光机100所要投射的虚拟图像的成像质量。

镜头120可以包括沿光轴方向(或者说光信号的传输方向)依次排列的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40和第五透镜50，第一透镜10与显示器110相邻设置，靠近显示器110的光纤悬臂1110设置。可以理解的是，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40和第五透镜50从像源侧至成像侧依次排列。

其中，第一透镜10可以接收显示器110通过光纤扫描所发射的光信号，并会聚光信号以形成第一透射光信号，第二透镜20可以接收并会聚第一透射光信号以形成第二透射光信号，第三透镜30可以接收并发散第二透射光信号以形成第三透射光信号，第四透镜40可以接收并发散第三透射光信号以形成第四透射光信号，第五透镜50可以接收并会聚第四透射光信号以形成第五透射光信号。例如，第一透镜10为正光焦度透镜，对光信号有会聚作用，光信号经过第一透镜10后可形成第一透射光信号；第二透镜20为正光焦度透镜，对光信号具有会聚作用，第一透射光信号经过第二透镜20后可形成第二透射光信号；第三透镜30可以为胶合透镜且胶合透镜的组合光焦度为负值，第三透镜30对第二透射光信号有发散作用，第二透射光信号经过第三透镜30后可形成第三透射光信号；第四透镜可以为胶合透镜且胶合透镜的组合光焦度为负值，第四透镜40对第三透射光信号有发散作用，第五透镜50可以为正光焦度透镜，对第四透射光信号有会聚作用，第四透射光信号经过第五透镜50后可形成第五透射光信号。

本申请实施例的显示器110所发射的光信号可以依次经过第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40和第五透镜50，五个透镜可对显示器110通过光纤扫描发出的光信号进行调制，以减少光纤扫描产生的曲面图像投影后不清楚的问题，进而提高投影光机100所投射的虚拟图像的成像效果。

请继续参阅图1，第三透镜30可以由两个单片镜片通过胶合而成。比如第三透镜30可以包括第一子透镜31和第二子透镜32，第一子透镜31中的一个表面和第二子透镜32中的一个表面相适配，以使得第一子透镜31中的一个表面和第二子透镜32中的一个表面可以相互胶合在一起。第一子透镜31位于第二子透镜32和第二透镜20之间，第一子透镜31为正光焦度透镜，对第二透射光信号具有会聚作用。第二子透镜32位于第一子透镜31和第三透镜30之间，第二子透镜32为负光焦度透镜，对透射过第一子透镜31的光信号具有发散作用。

在一些实施例中，第一子透镜31包括相背设置的第一入射面S311和第一胶合面S312，第一入射面S311朝向第二透镜20且第一入射面S311为凸面，第一胶合面S312为凸面；第二子透镜32包括相背设置的第二胶合面S321和第一出射面S322，第二胶合面S321与第一胶合面S312胶合，第二胶合面S321为凹面且第二胶合面S321的形状与第一胶合面S312的形状相适配，第一出射面S322朝向第四透镜40，且第一出射面S322为凹面。第二透射光信号从第一入射面S311入射，依次经过第一胶合面S312和第二胶合面S321，并从第一出射面S322出射以形成第三透射光信号。可以理解的是，第一胶合面S312为从像源侧朝向成像侧凸出的表面，第二胶合面S321为从像源侧朝向成像侧凹入的表面；第一入射面S311为从成像侧朝向像源侧凸出的表面，第一出射面S322为从成像侧朝向像源侧凹入的表面。

在一些实施例中，第四透镜40可以由两个单片镜片通过胶合而成。比如第四透镜40可以包括第三子透镜41和第四子透镜42，第三子透镜41中的一个表面和第四子透镜42中的一个表面相适配，以使得第三子透镜41中的一个表面和第四子透镜42中的一个表面可以相互胶合在一起。第三子透镜41位于第四子透镜42和第三透镜30之间，第三子透镜41为负光焦度透镜，对第三透射光信号具有发散作用。第四子透镜42位于第三子透镜41和第五透镜50之间，第四子透镜42为正光焦度透镜，对透射过第三子透镜41的光信号具有会聚作用。

在一些实施例中，所述第三子透镜41包括相背设置的第二入射面S411和第三胶合面S412，第二入射面S411朝向第三透镜30且第二入射面S411为凹面，第三胶合面S412为凹面；第四子透镜42包括相背设置的第四胶合面S421和第二出射面S422，第四胶合面S421与第三胶合面S412胶合，第四胶合面S421为凸面且第四胶合面S421的形状与第三胶合面S412的形状相适配，第二出射面S422朝向第五透镜50，且第二出射面S422为凸面；第三透射光信号从第二入射面S411入射，依次经过第三胶合面S412和第四胶合面S421，并从第二出射面S422出射以形成第四透射光信号。可以理解的是，第三胶合面S412为从成像侧朝向像源侧凹入的表面，第四胶合面S421为从成像侧朝向像源侧凸出的表面；第二入射面S411为从像源侧朝向成像侧凹入的表面，第二出射面S422为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。

在一些实施例中，第一透镜10包括相背设置的第四入射面S11和第四出射面S12，第四入射面S11朝向显示器110并靠近显示器110设置，第四出射面S12朝向第二透镜20设置，第四入射面S11为凹面，第四出射面S12为凸面，显示器110发射出的光纤扫描光信号从第四入射面S11射入从第四出射面S12出射形成第一透射光信号，可以理解的是，第一透镜10为球面透镜，第四入射面S11为从像源侧朝向成像侧凹入的表面，第四出射面S12为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。

在一些实施例中，第二透镜20包括相背设置的第五入射面S21和第五出射面S22，第五入射面S21朝向第一透镜10设置，所述第五出射面S22朝向第三透镜30设置，第五入射面S21为平面或凸面，如图1所示，第五入射面S21为凸面，第一透射光信号从第五入射面S21射入从第五出射面S22出射形成第二透射光信号。可以理解的是，第二透镜20为球面透镜，第五入射面S21为从成像侧朝向像源侧凸出的表面，第五出射面S22为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。

在一些实施例中，第五透镜50包括相背设置的第六入射面S51和第六出射面S52，第六入射面S51朝向第四透镜40设置，第六入射面S51为凹面，第六出射面S52为凸面，第四透射信号从第六入射面S51射入从第六出射面S52出射形成所述第五透射光信号。可以理解的是，第五透镜50为球面透镜，第六入射面S51为从像源侧朝向成像侧凹入的表面，第六出射面S52为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。

在一些实施例中，镜头120满足：14.2≤f1/f≤19.3；0.95＜f2/f＜1.2；-2.57≤f3/f≤-2.29；-1.31＜f4/f＜-1.07；且1.19＜f5/f＜1.38；其中f为镜头120的总焦距，f1为第一透镜10的焦距，f2为第二透镜20的焦距，f3为第三透镜30的焦距，f4为第四透镜40的焦距，f5为第五透镜50的焦距。在一些实施例中，第三透镜30可以为第一子透镜31和第二子透镜32贴合而成的双胶合透镜30，f3为双胶合透镜30的焦距，第四透镜40可以为第三子透镜41和第四子透镜42贴合而成的双胶合透镜40，f4为双胶合透镜40的焦距。

在一些实施例中，镜头120还满足：1.97<n1<2.10；1.74<n2<1.82；1.79<n31<1.82；1.75<n32<1.85；1.80<n41<1.87；1.74<n42<1.82；1.75<n5<1.85；其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n31为第一子透镜的折射率，n32为第二子透镜的折射率，n41为第三子透镜的折射率，n42为第四子透镜的折射率，n5为第五透镜的折射率。

在一些实施例中，镜头120还满足：27.6<v1<29.1；48.5<v2<50.1；45.7<v31<47.8；20.1<v32<22.9；21.7<v41<24.2；48.7<v42<50.6；20.5<v5<23.2；其中，v1为第一透镜的阿贝数，v2为第二透镜的阿贝数，v31为第一子透镜的阿贝数，v32为第二子透镜的阿贝数，v41为第三子透镜的阿贝数，v42为第四子透镜的阿贝数，v5为第五透镜的阿贝数。

如图1所示的投影光机100还满足，TTL＜14mm，其中TTL(Total Track Length)为投影光机的光学总长度，有利于实现投影机镜头120的小型化，例如投影光机的光学总长度可以为8.5mm，本申请实施例通过合理设置各个透镜之间的厚度可以有效控制投影光机100的整体尺寸。

为进一步地说明图1所示的投影光机100的成像效果，示例性的，本申请实施例的镜头的参数如下表1所示：

其中，对角线方向视场角为FOV为18°，水平垂直视场比为1：1，镜头的光学总长为8.5mm，镜头焦距为3.41mm，最大光学口径4.1mm，入瞳直径为2.5mm，使用的光纤扫描成像的弯曲像面的曲率半径2.4mm，像面大小为1mm。

其中，正透镜第五透镜50的焦距为4.5mm，第四透镜40的焦距为-3.8mm，第三透镜30的焦距为-8.02mm，第二透镜20的焦距为3.65mm，第一透镜10的焦距为55.87mm。

本申请实施例提供的投影光机100，采用了“腰-肚”形的光路走势及第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜的布局，能够实现对光纤扫描输出的曲面图像的校正，避免了将曲面图像放大投影后的图像出现场曲过大的情形，保证了光纤扫描提供给用户的视觉效果。基于光纤扫描的曲面图像进行极小化镜头组设计，如表1实施例中可实现8.5mm的光学总长，4.1mm的最大镜片口径，可方便地放置于近眼显示的设备中。镜头的镜片都采用的球面面型，可以为常见的玻璃材料，在保证投影光机性能的同时，将镜头的加工公差也进行了有效降低，以实现更低的成本和良好的可加工性。

为了说明表1实施例投影光机的效果，请参照图2至图5，图2为图1所示投影光机中镜头的调制传递函数图。图3为图1所示投影光机中镜头的点列图。图4为图1所示投影光机中镜头的场曲图。图5为图1所示投影光机中镜头的畸变曲线图。

图2、图3、图4和图5均示出了具有如表1所示参数的镜头120的相关参数图。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，可以用于评价镜头的成像质量，可以体现为成像对原物体细节的还原能力；点列图为由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，可以用于评价镜头的成像质量。场曲图可以表现镜头所成像面的弯曲度及翘曲度；畸变图可以表示镜头成像画面的变形程度。

从图2所示的调制传递函数图中可以看出，各个视场的MTF曲线变化趋势几乎一致，且MTF曲线从高频到低频都没有出现零点，对比度在截止频率处大于0.4，信息被很好地保存下来,能够用适当的滤波函数复原成清晰图像，说明本申请实施例的镜头120具有良好的分辨率及解像能力。

从图3所示的点列图中可以看出，本申请实施例提供的镜头有效消除了球差、彗差的像差。从图4所示的场曲图中可以看出，两条曲线之间的间距比较小，说明本申请实施例的镜头120所成像面的弯曲度及翘曲度都比较小，场曲得到了良好的矫正。从图4所示的畸变图中可以看出，本申请实施例的镜头120的光学畸变量被控制在-0.05％至0.05％的范围内，说明本申请实施例的镜头120的成像画面的变形程度比较小。

本申请实施例提供的镜头，在有效消除了球差、彗差等像差的同时，还能够实现对光纤扫描输出的曲面图像的校正，避免了将扫描图像放大投影后的图像出现场曲过大的情形，保证了光纤扫描提供给用户的视觉效果。

请继续参阅图1，本申请实施例的投影光机100还可以包括光阑130，光阑130的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头，因此通过设置光阑130，有利于控制到达透过镜头120的有效光信号的光通量。光阑130沿光轴设置，设置在第五透镜50背离第四透镜40的一侧，第五透镜50设置于光阑130和第四透镜40之间，而且，光阑130与第五透镜50之间的距离大于0.5mm且小于2mm，比如光阑130与第五透镜50之间的距离可以为0.6mm、1.0mm、1.5mm或其他数值的距离。其中，光阑130与第五透镜50之间的距离指的光阑130至第五透镜50的第六出射面S52的顶点的距离。第五透镜50进行光束调制后经由光阑130限制，以预设光束口径的平行光的形式出射。其中，预设光束口径大小与光阑130的结构相关，显示器110上不同位置对应投影光机100出射的不同视场；即不同发光源发出的光以各自对应的视场角度的平行光经由光阑130出射。

光阑130包括遮挡区域和透光区域，所述遮挡区域围设在所述透光区域的周缘，透光区域可以方便光阑130对透过镜头120的有效光信号的调节。所述透光区域为圆形结构，所述透光区域满足：2mm≤D≤3mm，D为透光区域的孔径。比如，透光区域可以为可透光的圆孔，该圆孔的孔径可以为2mm、2.5mm、3mm或其他数值。当然，所述透光区域也可以为其他结构，诸如所述透光区域可以为矩形结构、梯形结构等。光阑130的结构表面可以处理为消光表面，可以防止光线在光阑130的结构表面发生反射、折射而使得其他光线混入透过镜头120的透射光信号中。

如图6所示，图6为本申请实施例提供的投影光机的第二种结构示意图。本申请实施例的投影光机200包括显示器210和镜头220，其中显示器210可以参照上述实施例中显示器110的相关描述，在此不再赘述。

镜头120可以包括沿光轴方向(或者说光信号的传输方向)依次排列的第一透镜10’、第二透镜20’、第三透镜30’、第四透镜40’和第五透镜50’，第一透镜10’与显示器110相邻设置，靠近显示器110的光纤悬臂1110设置。可以理解的是，第一透镜10’、第二透镜20’、第三透镜30’、第四透镜40’和第五透镜50’从像源侧至成像侧依次排列。

其中，第一透镜10’可以接收显示器110通过光纤扫描所发射的光信号，并发散光信号以形成第一透射光信号，第二透镜20’可以接收并会聚第一透射光信号以形成第二透射光信号，第三透镜30’可以接收并发散第二透射光信号以形成第三透射光信号，第四透镜40’可以接收并发散第三透射光信号以形成第四透射光信号，第五透镜50’可以接收并会聚第四透射光信号以形成第五透射光信号。例如，第一透镜10’为负光焦度透镜，对光信号有发散作用，光信号经过第一透镜10’后可形成第一透射光信号；第二透镜20’为正光焦度透镜，对光信号具有会聚作用，第一透射光信号经过第二透镜20’后可形成第二透射光信号；第三透镜30’可以为胶合透镜且胶合透镜的组合光焦度为负值，第三透镜30’对第二透射光信号有发散作用，第二透射光信号经过第三透镜30’后可形成第三透射光信号；第四透镜为负光焦度透镜，第四透镜40’对第三透射光信号有发散作用，第五透镜50’可以为正光焦度透镜，对第四透射光信号有会聚作用，第四透射光信号经过第五透镜50’后可形成第五透射光信号。

本申请实施例的显示器210所发射的光信号可以依次经过第一透镜10’、第二透镜20’、第三透镜30’、第四透镜40’和第五透镜50’，五个透镜可对显示器210通过光纤扫描发出的光信号进行调制，以减少光纤扫描产生的曲面图像投影后不清楚的问题，进而提高投影光机200所投射的虚拟图像的成像效果。

请继续参阅图1，第三透镜30’可以由两个单片镜片通过胶合而成。比如第三透镜30’可以包括第一子透镜31’和第二子透镜32’，第一子透镜31’中的一个表面和第二子透镜32’中的一个表面相适配，以使得第一子透镜31’中的一个表面和第二子透镜32’中的一个表面可以相互胶合在一起。第一子透镜31’位于第二子透镜32’和第二透镜20’之间，第一子透镜31’为正光焦度透镜，对第二透射光信号具有会聚作用。第二子透镜32’位于第一子透镜31’和第三透镜30之间，第二子透镜32’为负光焦度透镜，对透射过第一子透镜31’的光信号具有发散作用。

在一些实施例中，第一子透镜31’包括相背设置的第一入射面S311’和第一胶合面S312’，第一入射面S311’朝向第二透镜20’且第一入射面S311’为凸面，第一胶合面S312’为凸面；第二子透镜32’包括相背设置的第二胶合面S321’和第一出射面S322’，第二胶合面S321’与第一胶合面S312’胶合，第二胶合面S321’为凹面且第二胶合面S321’的形状与第一胶合面S312’的形状相适配，第一出射面S322’朝向第四透镜40’，且第一出射面S322’为凹面。第二透射光信号从第一入射面S311’入射，依次经过第一胶合面S312’和第二胶合面S321’，并从第一出射面S322’出射以形成第三透射光信号。可以理解的是，第一胶合面S312’为从像源侧朝向成像侧凸出的表面，第二胶合面S321’为从像源侧朝向成像侧凹入的表面；第一入射面S311’为从成像侧朝向像源侧凸出的表面，第一出射面S322’为从成像侧朝向像源侧凹入的表面。

在一些实施例中，第四透镜40’包括相背设置的第二入射面S41’和第二出射面S42’，第二入射面S41’朝向第三透镜30，且第二入射面S41’为凹面，第二出射面S42’朝向第五透镜50’，且第二出射面S422为凸面；第三透射光信号从第二入射面S41’入射，从第二出射面S42’出射以形成第四透射光信号。可以理解的是，第二入射面S41’为从像源侧朝向成像侧凹入的表面，第二出射面S41’为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。将图1实施例的第四透镜40(双胶合透镜)改进为单一透镜，使镜头具有良好的可加工性。

在一些实施例中，第一透镜10’包括相背设置的第四入射面S11’和第四出射面S12’，第四入射面S11’朝向显示器210并靠近显示器210设置，第四出射面朝S12’朝向第二透镜20’设置，第四入射面S11’为凹面，第四出射面S12为凸面，显示器110发射出的光纤扫描光信号从第四入射面S11射入从第四出射面S12’出射形成第一透射光信号，可以理解的是，第一透镜10’为球面透镜，第四入射面S11’为从像源侧朝向成像侧凹入的表面，第四出射面S12’为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。

在一些实施例中，第二透镜20’包括相背设置的第五入射面S21’和第五出射面S22’，第五入射面S21’朝向第一透镜10’设置，所述第五出射面S22’朝向第三透镜30’设置，第五入射面S21’为平面或凸面，如图6所示，第五入射面’S21为平面，增大了第二透镜20’的厚度。第一透射光信号从第五入射面S21’射入从第五出射面S22’出射形成第二透射光信号。可以理解的是，第二透镜20为球面透镜，第五入射面S21为平面，第五出射面S22为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。

在一些实施例中，第五透镜50’包括相背设置的第六入射面S51’和第六出射面S52’，第六入射面S51’朝向第四透镜40’设置，第六入射面S51’为凹面，第六出射面S52’为凸面，第四透射信号从第六入射面S51’射入从第六出射面S52’出射形成所述第五透射光信号。可以理解的是，第五透镜50’为球面透镜，第六入射面S51’为从像源侧朝向成像侧凹入的表面，第六出射面S52’为从像源侧朝向成像侧凸出的表面。

在一些实施例中，镜头220满足：-3.56<f1/f<-2.75；1.27<f2/f<1.35；4.19<f3/f<-4.02；3.1<f4/f<-2.68；1.1<f5/f<1.28；其中，f为镜头的总焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距。

在一些实施例中，镜头220满足：1.97<n1<2.10；1.43<n2<1.47；1.79<n31<1.82；1.92<n32<1.97；1.90<n4<1.95；1.99<n5<2.05；其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n31为第一子透镜的折射率，n32为第二子透镜的折射率，n4为第四透镜的折射率，n5为第五透镜的折射率.

在一些实施例中，镜头220还满足：满足：27.6<v1<29.1；30.8.5<v2<33.1；45.7<v31<47.8；20.1<v32<22.9；16.3<v4<18.6；23.4<v5<27.2；20.5<v5<23.2；其中，v1为第一透镜的阿贝数，v2为第二透镜的阿贝数，v31为第一子透镜的阿贝数，v32为第二子透镜的阿贝数，v4为第四透镜的阿贝数，v5为第五透镜的阿贝数。

如图1所示的投影光机200还满足，TTL＜14mm，其中TTL(Total Track Length)为投影光机的光学总长度，有利于实现投影机镜头220的小型化，例如投影光机的光学总长度可以为12.15mm，本申请实施例通过合理设置各个透镜之间的厚度可以有效控制投影光机100的整体尺寸。

为进一步地说明图1所示的投影光机100的成像效果，示例性的，本申请实施例的镜头的参数如下表2所示：

其中，对角线方向视场角为FOV为18°，水平垂直视场比为1：1，镜头的光学总长为12.15mm，镜头焦距为3.47mm，最大光学口径4.95mm，入瞳直径为2.5mm，该实施例中，使用的光纤扫描方案为弯曲像面曲率半径2.4mm的，像面大小为1mm。

其中，第五透镜50’的焦距为4.16mm，第四透镜40’的焦距为-9.92mm，第三透镜30’的焦距为-14.22mm，第二透镜20’的焦距为4.51mm，第一透镜10’的焦距为-10.41mm。

本申请实施例提供的投影光机200，采用了“腰-肚”形的光路走势及第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜的布局，能够实现对光纤扫描输出的曲面图像的校正，避免了将曲面图像放大投影后的图像出现场曲过大的情形，保证了光纤扫描提供给用户的视觉效果。基于光纤扫描的曲面图像进行极小化镜头组设计，如表2实施例中可实现12.15mm的光学总长，4.95mm的最大镜片口径，可方便地放置于近眼显示的设备中。镜头的镜片都采用的球面面型，可以为常见的玻璃材料，在保证投影光机性能的同时，将镜头的加工公差也进行了有效降低，以实现更低的成本和良好的可加工性。

请参照图7至图10，图7为图6所示投影光机中镜头的调制传递函数图，图8为图6所示投影光机中镜头的点列图。图9为图6所示投影光机中镜头的场曲图。图10为图6所示投影光机中镜头的畸变曲线图。图7、图8、图9和图10均示出了具有如表2所示参数的镜头220的相关参数图。从图7至图10可以看出，本申请实施例的畸变及场曲都限制在远小于不会被人眼察觉范围之内。

图7、图8、图9和图10均示出了具有如表2所示参数的镜头220的相关参数图。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，可以用于评价镜头的成像质量，可以体现为成像对原物体细节的还原能力；点列图为由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，可以用于评价镜头的成像质量。场曲图可以表现镜头所成像面的弯曲度及翘曲度；畸变图可以表示镜头成像画面的变形程度。

从图7所示的调制传递函数图中可以看出，各个视场的MTF曲线变化趋势几乎一致，且MTF曲线从高频到低频都没有出现零点，对比度在截止频率处大于0.3，信息被很好地保存下来,能够用适当的滤波函数复原成清晰图像，说明本申请实施例的镜头220具有良好的分辨率及解像能力。

从图8所示的点列图中可以看出，本申请实施例提供的镜头有效消除了球差、彗差的像差。从图9所示的场曲图中可以看出，两条曲线之间的间距比较小，说明本申请实施例的镜头220所成像面的弯曲度及翘曲度都比较小，场曲得到了良好的矫正。从图10所示的畸变图中可以看出，本申请实施例的镜头220的光学畸变量被控制在-0.05％至0.05％的范围内，说明本申请实施例的镜头220的成像画面的变形程度比较小。

本申请实施例提供的镜头，在有效消除了球差、彗差等像差的同时，还能够实现对光纤扫描输出的曲面图像的校正，避免了将扫描图像放大投影后的图像出现场曲过大的情形，保证了光纤扫描提供给用户的视觉效果。

本申请实施例的投影光机200还可以包括光阑230，光阑230的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头，因此通过设置光阑230，有利于控制到达透过镜头220的有效光信号的光通量。光阑230沿光轴设置，设置在第五透镜50’背离第四透镜40’的一侧，第五透镜50’设置于光阑230和第四透镜40’之间，而且，光阑230与第五透镜50’之间的距离大于0.5mm且小于2mm，比如光阑230与第五透镜50’之间的距离可以为0.6mm、1.0mm、1.5mm或其他数值的距离。其中，光阑230与第五透镜50’之间的距离指的光阑230至第五透镜50’的第六出射面S52’的顶点的距离。第五透镜50’进行光束调制后经由光阑230限制，以预设光束口径的平行光的形式出射，其中，预设光束口径大小与光阑230的结构相关，显示器210上不同位置对应投影光机200出射的不同视场；即不同发光源发出的光以各自对应的视场角度的平行光经由光阑230出射。

光阑230包括遮挡区域和透光区域，所述遮挡区域围设在所述透光区域的周缘，透光区域可以方便光阑230对透过镜头220的有效光信号的调节。所述透光区域为圆形结构，所述透光区域满足：2mm≤D≤3mm，D为透光区域的孔径。比如，透光区域可以为可透光的圆孔，该圆孔的孔径可以为2mm、2.5mm、3mm或其他数值。当然，所述透光区域也可以为其他结构，诸如所述透光区域可以为矩形结构、梯形结构等。光阑230的结构表面可以处理为消光表面，可以防止光线在光阑230的结构表面发生反射、折射而使得其他光线混入透过镜头220的透射光信号中。

本申请实施例还另外提供一种近眼显示系统，诸如图11所示，图11为本申请实施例提供的近眼显示系统的结构示意图。近眼显示系统20可以包括如上所述的投影光机100(也可以是投影光机200)，以及波导元件600，波导元件600设置在镜头120背离显示器110的一侧。结合图1所示，显示器110具有像素点，每一像素点均通过光纤发射不同发射角度的光信号，光信号可以包括图像信息，镜头可以接收不同发射角度的有效光信号并对有效光信号进行调制，以使得一个像素点所产生的有信号经过镜头120之后形成不同出射角度的平行光束。

可以理解的是，镜头120可以设置在显示器110和波导元件600之间，镜头120位于显示器110的出射光的一侧，镜头120可以对显示器110发出的有效光信号进行调制，使全部进入镜头120的有效光信号调制为特定的光信号状态输出，其中进入镜头120的光信号为显示器110发光面上不同位置像素点组成的阵列发出的带有一定发散角度的光束，经过镜头120后输出的光信号为在镜头120外部出瞳位置相重叠，且不同像素点对应不同出射角度的平行光束，全部像素点对应的不同出射角度的集合为显示器110与镜头120组成近眼显示系统的视场。波导元件600可以将经过镜头120出射的光信号发生耦入、内部全反射传播、耦出等作用后转换为虚拟图像并传递至人眼，使得人眼可观看到虚拟图像。需要说明的是，图11的投影光机100和波导元件600之间的位置关系仅为示例性地，图11的投影光机100和波导元件600之间的并不限于平行设置，比如也可以倾斜一定的角度设置，比如45度、60度或其他角度值。

以上对本申请实施例提供的镜头、投影光机以及近眼显示系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请。同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (20)

1.一种镜头，其特征在于，所述镜头用于接收显示器发出的光纤扫描信号并对所述光纤扫描信号进行调制，所述镜头包括沿光轴方向依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜用于会聚或发散所述显示器所发射出的光纤扫描光信号以形成第一透射光信号，所述第二透镜用于会聚所述第一透射光信号以形成第二透射光信号，所述第三透镜用于发散所述第二透射光信号以形成第三透射光信号，所述第四透镜用于发散所述第三透射光信号以形成第四透射光信号，所述第五透镜用于会聚所述第四透射光信号以形成第五透射光信号。

2.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜为正光焦度透镜或负光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为负光焦度透镜，所述第四透镜为负光焦度透镜，所述第五透镜为正光焦度透镜。

3.根据权利要求2所述的镜头，其特征在于，所述第三透镜包括相互胶合的第一子透镜和第二子透镜，所述第一子透镜位于所述第二子透镜和所述第二透镜之间且所述第一子透镜为正光焦度透镜，所述第二子透镜位于所述第四透镜和所述第一子透镜之间且所述第二子透镜为负光焦度透镜。

4.根据权利要求3所述的镜头，其特征在于，所述第一子透镜包括相背设置的第一入射面和第一胶合面，所述第一入射面朝向所述第二透镜且所述第一入射面为凸面，所述第一胶合面为凸面；

所述第二子透镜包括相背设置的第二胶合面和第一出射面，所述第二胶合面与所述第一胶合面胶合，所述第二胶合面为凹面且所述第二胶合面的形状与所述第一胶合面的形状相适配，所述第一出射面朝向所述第四透镜，且所述第一出射面为凸面；

所述第二透射光信号从所述第一入射面入射，依次经过所述第一胶合面和第二胶合面，并从所述第一出射面出射以形成所述第三透射光信号。

5.根据权利要求2所述的镜头，其特征在于，所述第四透镜包括相背设置的第二入射面和第二出射面，所述第二入射面朝向所述第三透镜，所述第二出射面朝向所述第五透镜，所述第三透射光信号从所述第二入射面入射从所述第二出射面出射以形成所述第四透射光信号。

6.根据权利要求2所述的镜头，其特征在于，所述第四透镜包括相互胶合的第三子透镜和第四子透镜，所述第三子透镜位于所述第三透镜和所述第四子透镜之间且所述第三子透镜为负光焦度透镜，所述第四子透镜位于所述第五透镜和所述第三子透镜之间且所述第四子透镜为正光焦度透镜。

7.根据权利要求6所述的镜头，其特征在于，所述第三子透镜包括相背设置的第二入射面和第三胶合面，所述第二入射面朝向所述第三透镜且所述第二入射面为凹面，所述第三胶合面为凹面；

所述第四子透镜包括相背设置的第四胶合面和第二出射面，所述第四胶合面与所述第三胶合面胶合，所述第四胶合面为凸面且所述第四胶合面的形状与所述第三胶合面的形状相适配，所述第二出射面朝向所述第五透镜，且所述第二出射面为凸面；

所述第三透射光信号从所述第二入射面入射，依次经过所述第三胶合面和第四胶合面，并从所述第二出射面出射以形成所述第四透射光信号。

8.根据权利要求1-7任一项所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜包括相背设置的第四入射面和第四出射面，所述第四入射面朝向所述显示器设置，所述第四出射面朝向所述第二透镜设置，所述第四入射面为凹面，所述第四出射面为凸面，所述显示器发射出的光纤扫描光信号从所述第四入射面射入从所述第四出射面出射形成所述第一透射光信号。

9.根据权利要求1-7任一项所述的镜头，其特征在于，所述第二透镜包括相背设置的第五入射面和第五出射面，所述第五入射面朝向所述第一透镜设置，所述第五出射面朝向所述第三透镜设置，所述第五入射面为平面或凸面，所述第五出射面为凸面，所述第一透射光信号从所述第五入射面射入从所述第五出射面出射形成所述第二透射光信号。

10.根据权利要求1-7任一项所述的镜头，其特征在于，所述第五透镜包括相背设置的第六入射面和第六出射面，所述第六入射面朝向所述第四透镜设置，所述第六入射面为凹面，所述第六出射面为凸面，所述第四透射光信号从所述第六入射面射入从所述第六出射面出射形成所述第五透射光信号。

11.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜用于会聚显示器所发射出的光纤扫描光信号以形成第一透射光信号，所述镜头，满足：14.2≤f1/f≤19.3；0.95＜f2/f＜1.2；-2.57≤f3/f≤-2.29；-1.31＜f4/f＜-1.07；且1.19＜f5/f＜1.38；

其中，f为镜头的总焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距。

12.根据权利要求11所述的镜头，其特征在于，所述第三透镜包括相互胶合的第一子透镜和第二子透镜，所述第四透镜包括相互胶合的第三子透镜和第四子透镜，所述镜头，满足：1.97<n1<2.10；1.74<n2<1.82；1.79<n31<1.82；1.75<n32<1.85；1.80<n41<1.87；1.74<n42<1.82；1.75<n5<1.85；

其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n31为第一子透镜的折射率，n32为第二子透镜的折射率，n41为第三子透镜的折射率，n42为第四子透镜的折射率，n5为第五透镜的折射率。

13.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜用于会聚显示器所发射出的光纤扫描光信号以形成第一透射光信号，所述第三透镜包括相互胶合的第一子透镜和第二子透镜，所述第四透镜包括相互胶合的第三子透镜和第四子透镜，所述镜头，满足：27.6<v1<29.1；48.5<v2<50.1；45.7<v31<47.8；20.1<v32<22.9；21.7<v41<24.2；48.7<v42<50.6；20.5<v5<23.2；

其中，v1为第一透镜的阿贝数，v2为第二透镜的阿贝数，v31为第一子透镜的阿贝数，v32为第二子透镜的阿贝数，v41为第三子透镜的阿贝数，v42为第四子透镜的阿贝数，v5为第五透镜的阿贝数。

14.根据权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜用于发散显示器所发射出的光纤扫描光信号以形成第一透射光信号，所述镜头，满足-3.56<f1/f-<2.75；1.27<f2/f<1.35；4.19<f3/f<-4.02；3.1<f4/f<-2.68；1.1<f5/f<1.28；

其中，f为镜头的总焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距。

15.根据权利要求14所述的镜头，其特征在于，所述第三透镜包括相互胶合的第一子透镜和第二子透镜，所述镜头，满足：1.97<n1<2.10；1.43<n2<1.47；1.79<n31<1.82；1.92<n32<1.97；1.90<n4<1.95；1.99<n5<2.05；

其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n31为第一子透镜的折射率，n32为第二子透镜的折射率，n4为第四透镜的折射率，n5为第五透镜的折射率。

16.根据权利要求14所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜用于发散显示器所发射出的光纤扫描光信号以形成第一透射光信号，所述第三透镜包括相互胶合的第一子透镜和第二子透镜，所述镜头，满足：27.6<v1<29.1；30.8.5<v2<33.1；45.7<v31<47.8；20.1<v32<22.9；16.3<v4<18.6；23.4<v5<27.2；20.5<v5<23.2；

其中，v1为第一透镜的阿贝数，v2为第二透镜的阿贝数，v31为第一子透镜的阿贝数，v32为第二子透镜的阿贝数，v4为第四透镜的阿贝数，v5为第五透镜的阿贝数。

17.一种投影光机，其特征在于，包括显示器和镜头，所述镜头为权利要求1至16任一项所述的镜头，所述显示器用于发射光纤扫描的光信号，所述显示器设置在所述镜头的一侧且与所述第一透镜相邻以使得所述光信号可射入所述第一透镜。

18.根据权利要求17所述的投影光机，其特征在于，所述投影光机包括光阑，所述光阑沿所述光轴设置，所述第五透镜设置于所述光阑和所述第四透镜之间，所述光阑孔径为2mm-3mm，所述光阑至所述第五透镜的距离为0.5mm-2mm，所述光阑用于对所述第五透射光信号进行调制以使得透过所述光阑的透射光信号以预设口径平行出射。

19.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：

显示器，所述显示器通过光纤扫描发出光信号，所述光信号包括图像信息；

镜头，设置在所述显示器的一侧，用于接收所述光信号并对所述光信号进行调制，以使一个所述光信号经过所述镜头之后形成不同出射角度的平行光束；

波导元件，设置在所述镜头远离所述显示器的一侧，所述波导元件用于接收所述平行光束，并将所述平行光束转换为虚拟图像。

20.根据权利要求19所述的近眼显示系统，其特征在于，所述镜头包括沿光轴方向依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜与所述显示器的光纤相邻设置以使得通过光纤的光信号可射入所述第一透镜，所述第一透镜用于会聚或发散所述光信号以形成多个不同出射角度的第一透射光信号，所述第二透镜用于会聚所述多个第一透射光信号以形成多个不同出射角度的第二透射光信号，所述第三透镜用于发散所述多个第二透射光信号以形成多个不同出射角度的第三透射光信号，所述第四透镜用于发散所述第三透射光信号以形成多个不同出射角度的第四透射光信号，所述第五透镜用于会聚所述第四透射光信号以形成多个不同出射角度的第五透射光信号。

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