CN113311518A - 单片式超短焦距的成像透镜、制备方法和近眼穿戴式系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单片式超短焦距的成像透镜、制备方法和近眼穿戴式系统，基于折射产生像差、低折射率，大阿贝数材料像差小、反射无像差以及平行无焦距透镜无像差的原理设置一片凹凸透镜，对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，得到凹面R1和凸面R2的比值为0.85≤R1/R2≤0.95，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值为0.7≤D/R2≤0.85，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值为1.25≤H/h≤1.35，入射光线从凹面进入凹凸透镜，在凹面产生折射，在凹凸透镜内部进行反射，反射光线在凸面折射后出射成像至目标面。本发明只需要一片凹凸透镜，结构简单，通过设置凹面和凸面、开口半径与凸面、最大厚度与最小厚度的比值，在超短焦距的情况下得到畸变小于1.5％成像质量。

Description

单片式超短焦距的成像透镜、制备方法和近眼穿戴式系统

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种单片式超短焦距的成像透镜、制备方法和近眼穿戴式系统。

背景技术

随着现代微电子技术的高速发展，光学成像镜头微型化、简单化已经成了目前光学设计领域众多专业人员追求的重要方向。比如显微镜的物镜、无人机的广角镜头、VR眼镜的成像镜头、红外空间扫描镜头、汽车导航360度成像镜头等等，为了满足其微型化简单化的需求，有必要通过尽量少数量的透镜得到超短焦焦距低畸变的成像透镜。

美国3M公布了一款与和硕联合开发的短焦光学VR一体机参考设计：VX6，该产品重仅376g，基于高通骁龙XR2芯片，内置4颗摄像头，支持3DoF和6DoF手柄和AR透视，此外其单目视场角为95°(双目FOV观感可达105°)，具备防水能力，预计在下半年开始量产。和硕对VX6的拆解视频以及3M光学论文中公开了更多关于VX6和3M折叠光学的更多细节。

3M投入AR/VR研发已经有7年时间，在2013年就开始探索折叠光学。而最新展示的VX6是与和硕共同推出一款参考设计，可为客户需求进行定制。该头显配备4颗摄像头，其中两颗集成在前盖，用于AR透视，另外两颗6DoF定位摄像头分别位于头显左右下方，它的位置设计的略向下、向外倾斜，目的是为了追踪头显下方的手柄，增加追踪范围。此外，还展示了和硕获得专利的VR散热系统。而VX6的空间音频系统则集成在头显镜腿两侧，频率范围在200Hz到14KHz之间。

光学模组部分，基于Pancake方案，厚度仅为2.429厘米，比传统光学模组轻薄得多。在VX6的光学模组中，包含了显示光源、分束镜、3MHARP透镜。2.1英寸LCD显示屏(可提升至2.5英寸)，分辨率1600x1600、1058PPI、90Hz刷新率。而分束镜则是一个50:50镜面涂层透镜，其特点是一面采用透光率50％镜面涂层，另一面是四分之一波片(1/4Lambda镜面涂层)，功能是将线偏振光转化成圆偏振光，或反向转换。

3M光学模组对比传统光学方案此外，VX6光学模组的核心技术是高灵敏度反射偏振器HARP，基于3M核心的DBEF多层膜技术(增亮膜、反射型偏光光片)，原理是通过控制每一层膜的厚度和特性，来调整有效的反射式光学。此前，这项技术广泛应用于LCD显示模组，特点是可降低功耗，提升亮度和对比度。

在VX6头显运行时，光线在光学模组中传播的方式如下：光学模组包含光线从显示屏发射后，通过分束镜透过50％光源，接着线偏振光到达HARP偏振器后反射为圆偏振光，反射到分束镜后再反射并通过HARP，以线性光的形式进入人眼。这就是折叠光学原理，折叠光学的优势在于可以提升对比度、清晰度、细腻度和FOV。

VRPancake光学模组中的反射式偏振器通常采用金属色线栅偏振片，如果改为聚合物材质的双折多层反射偏振器会有更多优势，比如：聚合物镀膜具有高偏振反射性，入射角范围在-60°到60°之间，这对于反射折射光学设计很重要。此外，在入射角范围内进入聚合物反射偏振器的图像色移更少。同时，多层聚合物偏振片的可见光谱偏振对比度足够高，并具有高消光和透射效率。

聚合物偏振片的另一个优势是，组成聚合物树脂的粘弹性质使得薄膜可以形成复杂的曲面，包括圆锥，非球面甚至自由形状的几何形状，甚至是高度曲面和下垂表面。此外，非球面形式可以显着改善Pancake模组的分辨率。原因是，3M光学方案通过将薄膜集成到透镜表面/光学基片上，可提升场景中的形状精度和平滑度。

同时，3M研发了具有球面，非球面和自由曲面(包括具有曲率拐点的“鸥翼”非球面)的反射型偏光镜片，并将这些镜片集成到折反射目镜中，具有宽视场，紧凑型，短光路和高分辨率。

在实验中，3M测试了多种不同结构的光学谐振腔，包括：平凸单透镜；粘合双合透镜；间隔式双合透镜；双表面镜面涂层透镜，接下来就一一了解一下这些方案的不同特点和优势。

1)平凸单透镜：

这是一个简单的结构，采用单一的平凸镜，可实现110°视场角、8毫米眼动范围、15毫米出瞳距离，光学模组厚度仅16毫米。此外，该透镜设计可根据显示屏尺寸进行调整。其缺点是透镜直径54毫米，小于标准IPD范围，因此用于VR中可能会截断沉浸式画面。通过限制折射光功率，采用反射光方案来提升视场角和分辨率，将超出具备同样焦距范围的反射镜的能力

总之，平凸单透镜方案的优势包括相对简单的透镜几何形状，使用平面反射偏振器和较低的制造成本。缺点包括分辨率和视场角有限，而且大瞳距和透镜直径大小无法同时兼顾。因为透镜直径大于最小瞳距时两个透镜会互相干涉，而这将影响头显与头部的贴合度，需要考虑能否采用单个显示面板或两个倾斜的面板，这两个面板可能会在太阳穴附近稍向内绕头弯曲。

2)粘合双合透镜：

对于这种透镜设计，分束镜和反射偏振镜可独立制造，在组装过程中还可以将四分之一波长延迟器集成键合线中。如此一来，曲面反射偏振器可通过缩短成像距离，同时缩小放大器在人眼侧的孔径，来实现更紧凑的外形设计。此外，如果采用圆锥形和非球面的反射偏振器，会比平凸单透镜的分辨率更高、图像畸变更小。

3)间隔式双合透镜：

这个方案指的是在分光镜和反射偏振镜之间预留一定距离，并加入两个额外的折射表面，用来平衡光学系统的图像偏差。与粘合双合透镜相比，间隔式双合透镜的重量更轻，而且支持间距调节，从而调节焦距。缺点则是，较高的菲涅尔损耗，且需要额外的抗反射涂层。

4)双表面镜面涂层透镜：

在间隔式双合透镜方案中，将一个或两个反射器作为第一表面反射镜可行，使用第一表面镜的优点在于，两个透镜中的一个或两个的双折射效果都最小。当第二镜面涂层在基板或透镜用于双折射时，三次光线传输的效果会叠加在一起。不过，使用第一镜面涂层会限制瞳距，或者对系统设计产生实际影响。因此，需要考虑制造方式和系统性能。

综上所述，可知现有的不同结构的光学谐振腔大多需要粘合透镜，结构稍显复杂，且图像畸变较大。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单片式超短焦距的成像透镜、制备方法和近眼穿戴式系统，解决了现有的不同结构的光学谐振腔大多需要粘合透镜，结构稍显复杂，且图像畸变较大的技术缺陷。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种单片式超短焦距的成像透镜，基于折射产生像差、低折射率，大阿贝数材料像差小、反射无像差以及平行无焦距透镜无像差的原理设置一片凹凸透镜，对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，得到凹面R1和凸面R2的比值为0.85≤R1/R2≤0.95，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值为0.7≤D/R2≤0.85，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值为1.25≤H/h≤1.35，入射光线从凹面进入凹凸透镜，在凹面产生折射，在凹凸透镜内部进行反射，反射的光线在凸面折射后出射成像至目标面。

优选的，所述凹面和凸面均镀有光学膜层。

优选的，所述光学膜层包含半反半透膜、偏振膜、全息或衍射膜。

优选的，所述凹面和凸面镀有不同的光学膜层，入射光线经折射后在凹凸透镜内部产生一次或多次反射。

优选的，所述凹凸透镜的折射率为1.45≤N≤1.51，阿贝数55≤d≤69。

一种单片式超短焦距的成像透镜制备方法，具体包括以下步骤：

S1，设定焦距数值、入射光源参数、一片凹凸透镜、成像目标面相关参数、镜头畸变设定值；

S2，基于折射产生像差、低折射率，大阿贝数材料像差小、反射无像差以及平行无焦距透镜无像差的原理，对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，降低凹凸透镜的折射权重，提高凹凸透镜的反射权重；

S3，通过软件模拟和调整，获取凹凸透镜的最优参数范围，制备得到超短焦距的成像透镜。

优选的，步骤S3中凹凸透镜的最优参数范围具体指的是：

凹面R1和凸面R2的比值为0.85≤R1/R2≤0.95，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值为0.7≤D/R2≤0.85，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值为1.25≤H/h≤1.35。

优选的，所述凹凸透镜的凹面和凸面均镀有光学膜层，所述光学膜层包含半反半透膜、偏振膜、全息或衍射膜。

优选的，所述凹凸透镜的折射率为1.45≤N≤1.51，阿贝数55≤d≤69。

一种近眼穿戴式系统，包括一种单片式超短焦距的成像透镜和显示屏，单片式超短焦距的成像透镜与显示屏的中心线重合，在单片式超短焦距的成像透镜设置凹面中心截止镀膜区，凹面中心截止镀膜区的形状与所述显示屏的形状为共轭关系，所述凹面中心截止镀膜区设置有阈值K，0.1<K<0.25。

本发明的有益效果在于：只需要一片凹凸透镜，结构简单，通过设置凹面R1和凸面R2的比值，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值，可以在在很短的焦距的情况下得到畸变小于1.5％成像质量。

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获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种单片式超短焦距的成像透镜的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种单片式超短焦距的成像透镜制备方法的流程图；

图3是成像透镜一个实施例的布局和光线追迹图；

图4是成像透镜一个实施例的标准点阵像差图；

图5是成像透镜一个实施例的MTF曲线示意图；

图6是成像透镜一个实施例的网格畸变示意图；

图7是成像透镜一个优选实施例的布局和光线追迹图；

图8是成像透镜一个优选实施例的标准点阵像差图；

图9是成像透镜一个优选实施例的MTF曲线示意图；

图10是成像透镜一个优选实施例的网格畸变示意图；

图11是近眼穿戴式系统的光学结构示意图。

图中，1-单片式超短焦距的成像透镜，2-人眼瞳孔，3-凹面中心截止镀膜区；4-显示屏。

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其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

如图1所示，本发明提出了一种单片式超短焦距的成像透镜，基于折射产生像差、低折射率，大阿贝数材料像差小、反射无像差以及平行无焦距透镜无像差的原理设置一片凹凸透镜，对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，得到凹面R1和凸面R2的比值为0.85≤R1/R2≤0.95，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值为0.7≤D/R2≤0.85，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值为1.25≤H/h≤1.35，入射光线从凹面进入凹凸透镜，在凹面产生折射，在凹凸透镜内部进行反射，反射的光线在凸面折射后出射成像至目标面。

优选的，所述凹面和凸面均镀有光学膜层。所述光学膜层包含半反半透膜、偏振膜、全息或衍射膜。所述凹面和凸面镀有不同的光学膜层，入射光线经折射后在凹凸透镜内部产生一次或多次反射。所述凹凸透镜的折射率为1.45≤N≤1.51，阿贝数55≤d≤69。

凹凸透镜为一片非常凹的透镜，两个表面不同位置的厚度差别非常小的透镜。大大减低了透镜的折射权重这一特点将非常好地克服透镜压制成型或注塑成型的缩水现象，从而很容易得到高品质的零件。

如图2所示，本发明还提出了一种单片式超短焦距的成像透镜制备方法，具体包括以下步骤：

S1，设定焦距数值、入射光源参数、一片凹凸透镜、成像目标面相关参数、镜头畸变设定值；

S2，基于折射产生像差、低折射率，大阿贝数材料像差小、反射无像差以及平行无焦距透镜无像差的原理，对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，降低凹凸透镜的折射权重，提高凹凸透镜的反射权重；降低凹凸透镜的折射权重，提高凹凸透镜的反射权重具体指的是凹凸透镜只在入射和出射时产生折射，折射次数减少，光线在凹凸透镜内反射一次或多次。

对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，具体包括以下步骤：设凹面的表达式为

其中，c₁是凹面在中心处的曲率，k₁为非球面系数，a_i1为对凹面的面形进行修正的多项式系数。设凸面的表达式为

其中，c₂是凸面在中心处的曲率，k₂为非球面系数，a_i2为对凸面的面形进行修正的多项式系数。

S3，通过软件模拟和调整，获取凹凸透镜的最优参数范围，制备得到超短焦距的成像透镜。

对凹面和凸面的表达式输入不同参数取值，得到对应的凹面数据和凸面数据，获得凹面R1除以凸面R2比值，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值，最终得到表格形式的原始数据。

根据原始数据对应凹凸透镜的成像质量、畸变值、焦距的相关要求，从原始数据中剔除不符要求的数据，得到优化数据。

从优化数据中抽样获取200组数据，按9:1的比例分为训练数据和验证数据，根据训练数据建立凹凸透镜的智能模型，输出凹凸透镜的调整方案，验证数据输入智能模型，对智能模型进行验证。

在制备超短焦距的成像透镜的过程中，用户输入成像质量、畸变值、焦距的相关参数取值，即可获得若干成像透镜的各项参数方案，用户可选择其中一个方案。

在其他实施例中，还可通过软件控制非球面透镜的制作设备，将用户选定的方案传输给制作设备。

优选的，步骤S3中凹凸透镜的最优参数范围具体指的是：

凹面R1和凸面R2的比值为0.85≤R1/R2≤0.95，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值为0.7≤D/R2≤0.85，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值为1.25≤H/h≤1.35。

优选的，所述凹凸透镜的凹面和凸面均镀有光学膜层，所述光学膜层包含半反半透膜、偏振膜、全息或衍射膜。

优选的，所述凹凸透镜的折射率为1.45≤N≤1.51，阿贝数55≤d≤69。

实施例

如图3-图6所示，设计一个焦距14mm，入瞳直径8mm，像面高度20mm，透镜直径28mm的镜头，从以上四个特征参数图可以看出，该透镜有着很高的成像质量。材料为：N＝1.474，d＝65.386，凹面R1＝16，凸面R2＝17.5。R1/R2＝0.914，透镜开口半径为14mm，D/R2＝0.8，透镜的最大厚度为：H＝5.6mm，最小厚度为h＝4.28mm，H/h＝1.308。

如图7-图10所示，对于一些特殊用途，如相机镜头、红外位置检测镜头等，有可能在降低少量的成像质量的前提下，要求镜头有很小的畸变值，对以上实例做进一步优化，使镜头的畸变值小于2％。从以上四个特征参数图可以看出，通过对透镜的两个表面进行非球面优化，在适当牺牲了少许外视场的RMS半径值后，镜头的畸变从13.15％大幅降低到了1.45％。

当单片式超短焦距的成像透镜用于近眼穿戴式显示系统(如：VR、AR)时，上述设计中的光线追迹是反向的，光源为显示屏，这时人眼接收光线时会或多或少地接收到未经反射的直接折射光线，这会给使用者观影时感受到亮斑。

为了克服本设计在用于近眼穿戴式显示系统(如：VR、AR)时的这一缺点，本设计将同时在透镜的凹面的中心区域增加一层镀膜用于截止大多数直接折射光线，用于消除使用者观影时感受到的亮斑。

具体实施如下：

如图11所示，一种近眼穿戴式系统，包括一种单片式超短焦距的成像透镜1和显示屏4，单片式超短焦距的成像透镜1与显示屏4的中心线重合，在单片式超短焦距1的成像透镜设置凹面中心截止镀膜区3，凹面中心截止镀膜区3的形状与所述显示屏4的形状为共轭关系，所述凹面中心截止镀膜区3设置有阈值K，0.1<K<0.25。

具体的，显示屏(发光区)的边界与人眼瞳孔2所形成的锥形区域与透镜凹面相交的区域就是凹面中心截止镀膜区3。

由于显示屏的光线发射角度大，人眼接受的能清晰成像的光线都来自于经R1、R2面反射后的光线，显示屏在锥形区域内未通过反射的直接折射光线能量占比很少，同时这些未通过反射的直接折射光线相对于人眼是离焦光线。

综合上述因素，在凹面中心截止镀膜区设置一个阀值K，其中0.1<K<0.25，这表示在凹面中心截止镀膜区，将有10％-25％的光线能的未通过反射的直接折射入射进入人眼，90％-75％的光线将经反射后成像进入人眼，以确保不对观影产生影响。

其次，因为显示屏的形状不同，凹面中心截止镀膜区的形状将对应的设置为与显示屏共轭的形状。

本发明的有益效果在于：只需要一片凹凸透镜，结构简单，通过设置凹面R1和凸面R2的比值，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值，可以在在很短的焦距的情况下得到畸变小于1.5％成像质量。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种单片式超短焦距的成像透镜，其特征在于，基于折射产生像差、低折射率，大阿贝数材料像差小、反射无像差以及平行无焦距透镜无像差的原理设置一片凹凸透镜，对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，得到凹面R1和凸面R2的比值为0.85≤R1/R2≤0.95，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值为0.7≤D/R2≤0.85，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值为1.25≤H/h≤1.35，入射光线从凹面进入凹凸透镜，在凹面产生折射，在凹凸透镜内部进行反射，反射的光线在凸面折射后出射成像至目标面。

2.根据权利要求1所述的一种单片式超短焦距的成像透镜，其特征在于，所述凹面和凸面均镀有功能性光学膜层。

3.根据权利要求2所述的一种单片式超短焦距的成像透镜，其特征在于，所述光学膜层包含半反半透膜、偏振膜、全息或衍射膜。

4.根据权利要求2或3所述的一种单片式超短焦距的成像透镜，其特征在于，所述凹面和凸面镀有不同的光学膜层，入射光线经折射后在凹凸透镜内部产生一次或多次反射。

5.根据权利要求1所述的一种单片式超短焦距的成像透镜，其特征在于，所述凹凸透镜的折射率为1.45≤N≤1.51，阿贝数55≤d≤69。

6.一种单片式超短焦距的成像透镜制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1，设定焦距数值、入射光源参数、一片凹凸透镜、成像目标面相关参数、镜头畸变设定值；

S2，基于折射产生像差、低折射率，大阿贝数材料像差小、反射无像差以及平行无焦距透镜无像差的原理，对凹凸透镜的两个曲面进行非球面设计和优化，降低凹凸透镜的折射权重，提高凹凸透镜的反射权重；

S3，通过软件模拟和调整，获取凹凸透镜的最优参数范围，制备得到超短焦距的成像透镜。

7.根据权利要求6所述的一种单片式超短焦距的成像透镜制备方法，其特征在于，步骤S3中凹凸透镜的最优参数范围具体指的是：

凹面R1和凸面R2的比值为0.85≤R1/R2≤0.95，凹凸透镜开口半径D与凸面R2的比值为0.7≤D/R2≤0.85，凹凸透镜的最大厚度H与最小厚度h的比值为1.25≤H/h≤1.35。

8.根据权利要求7所述的一种单片式超短焦距的成像透镜制备方法，其特征在于，所述凹凸透镜的凹面和凸面均镀有光学膜层，所述光学膜层包含半反半透膜、偏振膜、全息或衍射膜。

9.根据权利要求7所述的一种单片式超短焦距的成像透镜制备方法，其特征在于，所述凹凸透镜的折射率为1.45≤N≤1.51，阿贝数55≤d≤69。

10.一种近眼穿戴式系统，其特征在于，包括权利要求1所述的一种单片式超短焦距的成像透镜和显示屏，单片式超短焦距的成像透镜与显示屏的中心线重合，在单片式超短焦距的成像透镜设置凹面中心截止镀膜区，凹面中心截止镀膜区的形状与所述显示屏的形状为共轭关系，所述凹面中心截止镀膜区设置有阈值K，0.1<K<0.25。

Images