CN113359294A

CN113359294A - 微型光学系统

Info

Publication number: CN113359294A
Application number: CN202010152276.7A
Authority: CN
Inventors: 徐越; 罗明辉; 乔文; 陈林森
Original assignee: SVG Tech Group Co Ltd
Current assignee: SVG Tech Group Co Ltd
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2040-03-06
Also published as: CN113359294B

Abstract

本发明所涉及的微型光学系统包括照明光学系统和目镜，照明光学系统自光源至LCOS反射面依序包括：第一透镜，第二透镜，二向色镜组，复眼透镜，第三透镜，第四透镜，偏振分光棱镜；目镜自物侧至像侧依序包含：第五透镜，第六透镜，第七透镜，第八透镜，第九透镜，第十透镜。该微型光学系统体积小、满足高分辨率要求、LCOS芯片表面均匀性高、以及可提供需要的各视场角下的平行光和足够的光通量。

Description

微型光学系统

技术领域

本发明涉及一种微型光学系统，具体涉及一种AR前置微型光学系统。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)是一种将虚拟世界与现实世界相融合的新型显示技术。衍射波导显示技术是增强现实技术一种实现方法，通过小型化光学系统将图像通过波导结构投射到人眼成像，使虚拟图像可以叠加在人眼看到的外界图像上。衍射波导显示技术由于其小体积、轻质量、以及优良的佩戴性等优点越来越受到人们的关注与青睐，拥有良好的市场前景。衍射波导显示技术的关键组成部分包括前置微型光学系统以及衍射波导镜片，由于衍射波导较低的光能利用率，因此需要较强的光源。并且目前的微型投影系统的体积较大，无法满足AR前置光学系统的小体积要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以小口径的照明光学系统提供足够的光通量，以目镜提供需要的各视场角下的平行光，且体积小以及满足高分辨率要求的微型光学系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微型光学系统，包括照明光学系统和目镜，所述照明光学系统包括发出第一光线的第一光源、发出第二光线的第二光源、用以透射所述第一光线和反射所述第二光线的二向色镜组、以及依次设置的复眼透镜、中继透镜组、偏振分光棱镜组和LCOS芯片。

进一步地，所述二向色镜组具有第一二向色镜与第二二向色镜，所述第一二向色镜和所述第二二向色镜具有夹角α，所述第一片二向色镜靠近所述第一光源，所述第二片二向色镜靠近第二光源，所述第一光线和所述第二光线经过所述二向色镜组后依次经过复眼透镜、中继透镜组、偏振分光棱镜组以及LCOS芯片，所述第一光线和所述第二光线通过所述LCOS芯片反射至所述目镜。

进一步地，所述第一二向色镜反射的波段范围为440nm至480nm，第二二向色镜反射的波段范围为610nm至640nm。

进一步地，所述夹角α满足条件：6°<α<10°。

进一步地，所述复眼透镜由N个小透镜组成，每个小透镜的曲率半径为c1，其中30<N<60，2mm≤c1≤3mm。

进一步地，所述中继透镜组包括具有正折射光焦度且两表面均为球面的第三透镜、具有转折光路作用的反射镜、以及具有正折射光焦度且两表面均为球面的第四透镜。

进一步地，所述中继透镜组满足如下条件：0.7<f”/f3<0.85，0.4<f”/f4<0.5，其中，f”为中继透镜组总焦距，f3和f4依次为第三透镜和第四透镜的焦距；6.5mm<D3<7.2mm，7.0mm<D4<7.6mm，D3为第三透镜口径，D4为第四透镜口径；1.40<n3<1.60，1.50<n4<1.70，其中，n3和n4依次为第三透镜和第四透镜的折射率。

进一步地，所述偏振分光棱镜组包括两个等腰直角棱镜，两个所述等腰直角棱镜的斜边面相互平行并且贴合成正方体形状，所述正方体边长小于10mm。

进一步地，所述等腰直角棱镜的斜边涂有一层偏振分光膜。

进一步地，所述照明光学系统还包括设置在第一光源和二向色镜组之间以及第二光源和二向色镜组之间的两组准直透镜组，所述准直透镜组包括具有正折射光焦度且两表面均为球面的第一透镜和具有正折射光焦度且两表面均为球面的第二透镜。

进一步地，所述准直透镜组满足如下条件：D1<4.5mm，D2<7.0mm，其中，D1为第一透镜口径，D2为第二透镜口径；0.55<f'/f1<0.75，0.4<f'/f2<0.5，f'为准直透镜组总焦距，f1和f2依次为第一透镜和第二透镜的焦距；1.50<n1<1.70，1.50<n2<1.70，其中，n1和n2依次为第一透镜和第二透镜的折射率。

进一步地，所述目镜为六片式透镜组，所述目镜沿由物侧至像侧光轴方向包括依次设置的具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第五透镜、具有负折射光焦度且两表面均为非球面的第六透镜、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第七透镜、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第八透镜、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第九透镜、以及具有负折射光焦度且两表面均为非球面的第十透镜，

进一步地，所述六片式透镜组满足如下条件：2mm<d<5mm，0.5mm<l<2mm，40°≤FOV≤45°，其中，d为目镜入瞳直径，l为目镜出瞳距离，FOV为全视场角；0.51<f”'/f5<0.59，-1.12<f”'/f6<-0.95，0.39<f”'/f7<0.48，0.49<f”'/f8<0.57，0.80<f”'/f9<0.90，0.99<f”'/f10<1.11，f”'为目镜的总焦距，f5、f6、f7、f8、f9和f10依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜的焦距；60<v5<70，25<v6<35，55<v7<65，48<v8<52，60<v9<70，25<v10<35其中，v5、v6、v7、v8、v9和v10依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜的阿贝数；1.45<n5<1.55，1.70<n6<1.80，1.55<n7<1.65,1.70<n8<1.75，1.40<n9<1.50，1.70<n10<1.75，其中，n5、n6、n7、n8、n9和n10依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜的折射率。

进一步地，所述第六透镜和所述第七透镜胶合，所述第九透镜和所述第十透镜胶合。

进一步地，所述六片式透镜组满足如下条件：5.1°<arctan(SAG5/D5)<5.9°，15.6°<arctan(SAG6/D6)<16.4°，28.8°<arctan(SAG7/D7)<30.2°，13.8°<arctan(SAG8/D8)<14.4°，32.2°<arctan(SAG9/D9)<33.2°，1.9°<arctan(SAG10/D10)<2.5°，13.8<arctan(SAG11/D11)<14.5°，15.9°<arctan(SAG12/D12)<16.8°，18.9°<arctan(SAG13/D13)<19.6°，5.7°<arctan(SAG14/D14)<6.2°，其中，SAG5、SAG7、SAG8、SAG10、SAG12和SAG13依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜靠近物侧面的最大通光口径处的矢高，SAG6、SAG9、SAG11和SAG14依次为第五透镜、第七透镜、第八透镜和第十透镜靠近像侧面的最大通光口径处的矢高，D5、D7、D8、D10、D12和D13依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜一面的最大通光口径的半口径，D6、D9、D11和D14依次为第五透镜、第七透镜、第八透镜和第十透镜另一面的最大通光口径的半口径。

本发明的有益效果在于：本发明通过小口径的准直透镜组、小尺寸的复眼透镜、以及短焦距小口径的中继透镜组实现微型光学系统的照明光学系统出光后具有足够的光通量、LCOS受照面具有良好的均匀性，以使得微型光学系统的照明光学系统的体积小、可满足高分辨率要求。通过由两个双胶合透镜组组成的目镜降低目镜的色差，实现目镜高品质的成像效果，并且使目镜出射出各个视场角下的平行光，并且在AR衍射波导镜片的耦入面处充满同一光瞳，实现AR衍射波导镜片的耦入光线要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明第一实施例中微型光学系统的结构示意图；

图2为图1中的照明光学系统在LCOS芯片表面对应的红光的照度分布图；

图3为图1中的照明光学系统在LCOS芯片表面对应的蓝光的照度分布图；

图4为图1中的照明光学系统在LCOS芯片表面对应的绿光的照度分布图；

图5为图1中目镜在波长为486nm、588nm及656nm光束的垂轴色差曲线图；

图6为图1中目镜在波长为486nm、588nm及656nm光束的场曲曲线图；

图7为图1中目镜在波长为486nm、588nm及656nm光束的畸变曲线图；

图8为图1中目镜在各个视场角下光束的MTF曲线图；

图9为本发明第二实施例中微型光学系统的结构示意图；

图10为图9中的照明光学系统在LCOS芯片表面对应的红光的照度分布图；

图11为图9中的照明光学系统在LCOS芯片表面对应的蓝光的照度分布图；

图12为图9中的照明光学系统在LCOS芯片表面对应的绿光的照度分布图；

图13为图9中目镜在波长为486nm、588nm及656nm光束的垂轴色差曲线图；

图14为图9中目镜在波长为486nm、588nm及656nm光束的场曲曲线图；

图15为图9中目镜在波长为486nm、588nm及656nm光束的畸变曲线图；

图16为图9中目镜在各个视场角下光束的MTF曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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机构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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1，本发明第一实施例所示的微型光学系统包括照明光学系统1和目镜2，所述照明光学系统1包括发出第一光线的第一光源111、发出第二光线的第二光源112、透射所述第一光线和反射所述第二光线的二向色镜组13、以及依次设置的复眼透镜14、中继透镜组(未标号)、偏振分光棱镜组(未标号)和LCOS芯片19，LCOS(Liquid Crystal onSilicon)即液晶附硅，也叫硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。所述第一光线和所述第二光线经过所述二向色镜组13后依次经过复眼透镜14、中继透镜组、偏振分光棱镜组以及LCOS芯片19，所述第一光线和所述第二光线通过所述LCOS芯片19反射至所述目镜2。

所述二向色镜组13具有第一面S5和第二面S8，所述第一面S5朝向第一光源111，所述第二面S8朝向第二光源112，所述二向色镜组13包括第一二向色镜131和第二二向色镜132，所述第一面S5为第一二向色镜131远离第二二向色镜132的一面，第二面S8为第二二向色镜132远离第一二向色镜131的一面。本实施例中，所述第一二向色镜131反射的波段范围为440nm至480nm，第二二向色镜132反射的波段范围为610nm至640nm，对应的，在本实施例中，第一光源111发出的第一光线为绿光，第二光源112发出的第二光线为红蓝光。所述第一二向色镜131和所述第二二向色镜132具有一定夹角α，其中6°<α<10°。

所述复眼透镜14由N个小透镜组成，每个小透镜的曲率半径为c1，其中30<N<60，1mm<c1<3mm。

所述中继透镜组用以使光线发生偏转，中继透镜组包括具有正折射光焦度且两表面均为球面的第三透镜15、具有转折光路作用的反射镜16、以及具有正折射光焦度且两表面均为球面的第四透镜17，所述中继透镜组满足如下条件：0.7<f”/f3<0.85，0.4<f”/f4<0.5，其中，f”为中继透镜组总焦距，f3和f4依次为第三透镜15和第四透镜17的焦距；6.5mm<D3<7.2mm，7.0mm<D4<7.6mm，D3为第三透镜15口径，D4为第四透镜17口径；1.40<n3<1.60，1.50<n4<1.70，其中，n3和n4依次为第三透镜15和第四透镜17的折射率。

所述偏振分光棱镜组包括第一等腰直角棱镜18和第二等腰直角棱镜27，在本实施例中，第一等腰直角棱镜18和第二等腰直角棱镜27的斜边面相互平行并且贴合成正方体形状，所述正方体边长小于8mm。第一等腰直角棱镜18和第二等腰直角棱镜27斜边涂有一层偏振分光膜，用以透射P偏光以及反射S偏光，其中，P偏光与S偏光为光的两种偏振形式，垂直于入射界面光线的偏振矢量在平面(入射点处界面的法线与入射光线组成的平面)内，则称为P偏光，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏光。

本实施例的照明光学系统1还包括设置在第一光源111和二向色镜组13之间的第一准直透镜组(未标号)以及第二光源112和二向色镜组13之间的第二准直透镜组(未标号)，所述第一准直透镜组包括具有正折射光焦度且两表面均为球面的第一透镜121和具有正折射光焦度且一表面为球面以及另一表面为非球面的第二透镜122，其中，第二透镜122靠近第一透镜121的一面为非球面。所述第二准直透镜组包括具有正折射光焦度且两表面均为球面的第一透镜123和具有正折射光焦度且一表面为球面以及另一表面为非球面的第二透镜124，其中，第二透镜124靠近第一透镜123的一面为非球面。第一光源111与第一透镜121前表面沿中心轴向方向距离范围为0.2mm-0.3mm，第二光源112与第一透镜123前表面沿中心轴向方向距离范围为0.2mm-0.3mm。第二准直透镜组中的第二透镜124在靠近二向色镜组13的表面距离第二二向色镜132表面S8沿中心轴向方向的距离范围为7mm-8mm。第一准直透镜组和第二准直透镜组完全相同，以下均以第一准直透镜组为例进行说明，所述第一准直透镜组满足如下条件：D1<4.5mm，D2<7.0mm，其中，D1为第一透镜121口径，D2为第二透镜122口径；0.55<f'/f1<0.75，0.4<f'/f2<0.5，f'为第一准直透镜组总焦距，f1和f2依次为第一透镜121和第二透镜122的焦距；1.50<n1<1.70，1.50<n2<1.70，其中，n1和n2依次为第一透镜121和第二透镜122的折射率。

所述目镜2为六片式透镜组，目镜2的总长度<29mm，所述目镜2包括依次设置的具有正折射光焦度且两表面均为球面的第五透镜21、具有负折射光焦度且两表面均为非球面的第六透镜22、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第七透镜23、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第八透镜24、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第九透镜25、以及具有负折射光焦度且两表面均为非球面的第十透镜26。所述第六透镜22和所述第七透镜23胶合，所述第九透镜25和所述第十透镜26胶合。

所述目镜2满足如下条件：2mm<d<5mm，0.5mm<l<2mm，40°≤FOV≤45°，其中，d为目镜2入瞳直径，l为目镜2出瞳距离，FOV为全视场角；0.51<f”'/f5<0.59，-1.12<f”'/f6<-0.95，0.39<f”'/f7<0.48，0.49<f”'/f8<0.57，0.80<f”'/f9<0.90，0.99<f”'/f10<1.11，f”'为目镜2的总焦距，f5、f6、f7、f8、f9和f10依次为第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24、第九透镜25和第十透镜26的焦距；60<v5<70，25<v6<35，55<v7<65，48<v8<52，60<v9<70，25<v10<35其中，v5、v6、v7、v8、v9和v10依次为第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24、第九透镜25和第十透镜26的阿贝数；1.45<n5<1.55，1.70<n6<1.80，1.55<n7<1.65,1.70<n8<1.75，1.40<n9<1.50，1.70<n10<1.75，其中，n5、n6、n7、n8、n9和n10依次为第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24和第九透镜25的折射率。

所述目镜2还满足如下条件：5.1°<arctan(SAG5/D5)<5.9°，15.6°<arctan(SAG6/D6)<16.4°，28.8°<arctan(SAG7/D7)<30.2°，13.8°<arctan(SAG8/D8)<14.4°，32.2°<arctan(SAG9/D9)<33.2°，1.9°<arctan(SAG10/D10)<2.5°，13.8<arctan(SAG11/D11)<14.5°，15.9°<arctan(SAG12/D12)<16.8°，18.9°<arctan(SAG13/D13)<19.6°，5.7°<arctan(SAG14/D14)<6.2°，其中，SAG5、SAG7、SAG8、SAG10、SAG12和SAG13依次为第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24、第九透镜25和第十透镜26靠近物侧面的最大通光口径处的矢高，SAG6、SAG9、SAG11和SAG14依次为第五透镜21、第七透镜23、第八透镜24和第十透镜26靠近像侧面面的最大通光口径处的矢高，D5、D7、D8、D10、D12和D13依次为第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24、第九透镜25和第十透镜26靠近物侧面的最大通光口径的半口径，D6、D9、D11和D14依次为第五透镜21、第七透镜23、第八透镜24和第十透镜26靠近像侧面的最大通光口径的半口径。

第五透镜21的两个表面均为球面，第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24、第九透镜25以及第十透镜26的两个表面均为非球面，非球面表面满足以下表达式：

其中，z是表面矢高，r为表面顶点到表面上任意一点的垂直距离，c为表面顶点的曲率，k为表面圆锥系数，α1-α8分别为第一至第八项非球面系数。

该微型光学系统的工作原理如下：

从第一光源111发出的第一光线经过第一准直透镜组校准后透过二向色镜组13后进入复眼透镜14，从第二光源112发出的第二光线经过第二准直透镜组校准后由二向色镜组13反射后进入复眼透镜14，第一光线和第二光线再经过中继透镜组，在中继透镜组中第一光线和第二光线的光路发生90°偏转，光路偏转后光线进入偏振分光棱镜，在两个等腰直角棱镜贴合处P偏光透射，S偏光反射后射入LCOS芯片19并由LCOS芯片19反射后进入目镜2，目镜2将第一光线和第二光线转换成各视场角下的平行光。

下面以一实际应用方案对照明微型光学系统进行举例说明及分析。

本应用方案中，照明光学系统1中的第一透镜121、第二透镜122、第一二向色镜131、第二二向色镜132、复眼透镜14、第三透镜15、反射镜16、第四透镜17、以及第一等腰直角棱镜18的包括各透镜的曲率半径、厚度、折射率、色散系数等数据采用表一。其中，请参见图1，镜片的表面代号是从第一光源111至LCOS芯片19依序编排，S1和S2为第一透镜121的两个表面，S3和S4为第二透镜122的两个表面，S5和S6第一二向色镜131的两个表面，S7和S8第二二向色镜132的两个表面，S9和S10为复眼透镜14的两表面，S11和S12为第三透镜15的两个表面，S13是反射镜16的反射面，S14和S15为第四透镜17的两个表面，S16为第一等腰直角棱镜18靠近第四透镜17的一面，S17为第一等腰直角棱镜18的斜边面，S18为第一等腰直角棱镜18靠近LCOS芯片19的一面。表一中，沿光线路程为正方向，厚度表示该表面与下一表面沿光线路程的距离。

表一

本实施例的LCOS芯片19尺寸为6.604mm，有效区域面积为5.832mm*3.240mm，有效区域分辨率为1280*720，像元尺寸为4.5um。请参见图2至4，照明光学系统1在LCOS芯片19表面对应的红、蓝、绿光的照度分布图，通过观察图2至图4可分析得到，使用ANSI九点法计算LCOS芯片19表面均匀性都高于95％，解决了小口径照明光学系统LCOS芯片19表面的均匀性问题。

目镜2中的第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24、第九透镜25、第十透镜26以及第一等腰直角棱镜18和第二等腰直角棱镜27的包括各透镜的曲率半径、厚度、折射率、以及色散系数等数据采用表二。请参见图1，其中，镜片的表面代号是从第五透镜21侧至LCOS芯片19依序编排，S19和S20为第五透镜21的两个表面，S21为第六透镜22的一表面，S22为第六透镜22与第七透镜23的胶合面，S23为第七透镜23的一表面，S24和S25为第八透镜24的两个表面，S26为第九透镜25的一表面，S27为第九透镜25与第十透镜26的胶合面，S28为第十透镜26的一表面，S29为第二等腰直角棱镜靠近第十透镜26的一面，S18为为第一等腰直角棱镜18靠近LCOS芯片19的一面。表二中，厚度表示该表面与相邻一表面的距离。

表二

第六透镜22的面S21、胶合面S22，第七透镜23的面S23，第八透镜24的两个表面S24和S25，第九透镜25的面S26、胶合面S27，第十透镜26的面S28，其非球面数学式中的各项系数依据表三。

表三

对上述目镜2的在波长486nm、588nm及656nm光束进行各项分析，通过图5分析得到目镜的在波长486nm、588nm及656nm光束的垂轴色差色差小于4um，其中，a、b、c分别为波长486nm、588nm及656nm光束的垂轴色差。通过图6分析得到目镜在波长486nm、588nm及656nm的光束的正切场曲值与弧矢场曲值均控制在良好的范围内，e、g、i分别为486nm、588nm及656nm的光束的正切场曲值，d、f、h分别为486nm、588nm及656nm的光束的弧矢场曲值，其中，对应视场角的弧矢像点与高斯像面的距离成为弧矢场曲。通过图7分析得到目镜在波长为486nm、588nm及656nm的光束的畸变率均控制在(-5％，0％)范围内。

由于该目镜的出瞳距离小于1mm，后焦距较长，出瞳直径要求较短，透镜组口径较小，所以，其与一般目镜的设计要求不同。通过图8可分析到：本实际应用中的目镜的调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)曲线图显示各个视场角下光束的MTF在110线对/mm处均在0.1以上，其中，j为0度视场角下光束的MTF曲线、k为7.2度视场角下光束的MTF曲线、l为15.75度视场角下光束的MTF曲线、m为11.03度视场角下光束的MTF曲线、n为22.5度视场角下光束的MTF曲线。目镜满足4.5um像元尺寸LCOS芯片对应目镜成像质量要求，保证人眼在通过衍射波导镜片观看图像的清晰性。

本发明第二实施例所示的微型光学系统与第一实施例所示的微型光学系统基本相同，本实施例中符号含义与第一实施例中的符号含义也相同，在此不再赘述，不同点如下：

请参见图9，本发明的第二实施例中，第一准直透镜组中的第一透镜121的一表面为球面以及另一表面为非球面，其中，靠近第一光源111的一面为非球面，第二透镜122的两表面均为球面。同样的，第二准直透镜组的第一透镜123的一表面为球面以及另一表面为非球面，其中，靠近第二光源112的一面为非球面，第二透镜124的两表面均为球面。

本实施例的LCOS芯片19对角线尺寸为7.62mm，有效区域分辨率为1920*1080。

本实施例中，照明光学系统1中的第一透镜121、第二透镜122、第一二向色镜131、第二二向色镜132、复眼透镜14、第三透镜15、反射镜16、第四透镜17、以及第一等腰直角棱镜18的包括各透镜的曲率半径、厚度、折射率、色散系数等数据采用表四。

表四

本实施例中的第一透镜121面S2，以及第二透镜122面S4的非球面数学式中的各项系数如表五所示。

表五

表面	圆锥系数	A4	A6	A8	A10
						S2	-0.5440	-8.832E-03	7.602E-04	-3.461E-04	1.766E-05
S4	-0.6071	1.67E-04	-2.344E-06	3.624E-06	9.046E-07

本实施例的目镜2中的第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23、第八透镜24、第九透镜25、第十透镜26以及第一等腰直角棱镜18和第二等腰直角棱镜27的包括各透镜的曲率半径、厚度、折射率、以及色散系数等数据采用表六。

表六

本实施例中目镜的第六透镜22的面S21、胶合面S22，第七透镜23的面S23，第八透镜24的两个表面S24和S25，第九透镜25的面S26、胶合面S27，第十透镜26的面S28，其非球面数学式中的各项系数依据表七。

表七

请参见图10至12，照明光学系统1在LCOS芯片19表面对应的红、蓝、绿光的照度分布图，通过观察图2至图4可分析得到，使用ANSI九点法计算LCOS芯片19表面均匀性都高于90％，解决了小口径照明光学系统LCOS芯片19表面的均匀性问题。

对上述目镜2的在波长486nm、588nm及656nm光束进行各项分析，通过图13分析得到目镜的在波长486nm、588nm及656nm光束的垂轴色差色差小于3um，小于两个像元尺寸，其中，o、p、q分别为波长486nm、588nm及656nm光束的垂轴色差。通过图14分析得到目镜在波长486nm、588nm及656nm的光束的正切场曲值与弧矢场曲值均控制在良好的范围内，目镜全视场场曲小于0.006um，其中，s、u、w分别为486nm、588nm及656nm的光束的子午场曲值，r、t、v分别为486nm、588nm及656nm的光束的弧矢场曲值。通过图15分析得到目镜在波长为486nm、588nm及656nm的光束的畸变率均控制在(-5％，0％)范围内。

通过图16可分析到：本实际应用中的目镜的调制传递函数MTF(ModulationTransfer Function)曲线图显示各个视场角下光束的MTF在116lp/mm处均在0.1以上，其中，x1为0度视场角下光束的MTF曲线、x2为6.86度视场角下光束的MTF曲线、x3为9.80度视场角下光束的MTF曲线、x4为14.00度视场角下光束的MTF曲线、x5为20.00度视场角下光束的MTF曲线。目镜满足4.5um像元尺寸LCOS芯片对应目镜成像质量要求，保证人眼在通过衍射波导镜片观看图像的清晰性。

综上，由于该微型光学系统由照明光学系统1与目镜2两部分组成，照明光学系统1可为微型LCOS照明光学系统1，目镜2可以是一具40度至45度全视场角高分辨率目镜2，目镜2是一定焦光学系统。微型光学系统可应用于衍射波导增强现实显示系统，可匹配视场角为40度至45度的衍射波导镜片，为衍射波导镜片提供足够的光通量以及各个视场角下的平行光。衍射波导镜片耦入部分光瞳直径与目镜2入瞳直径相同，衍射波导镜片耦入部分光瞳位置与目镜2入瞳位置相同，目镜2像面位置与像面尺寸与LCOS芯片19接收面位置尺寸相同。目镜2结构具有对称式结构，故降低了镜头的畸变，所述第六透镜22和所述第七透镜23胶合，所述第九透镜25和所述第十透镜26胶合，利用透镜的胶合降低了目镜2的彗差、像散、以及场曲。

简而言之，本发明通过小口径的准直透镜组、小尺寸的复眼透镜、以及短焦距小口径的中继透镜组实现微型光学系统的照明光学系统出光后具有足够的光通量、LCOS受照面具有良好的均匀性，以使得微型光学系统的照明光学系统的体积小、可满足高分辨率要求。通过由两个双胶合透镜组组成的目镜降低目镜的色差，实现目镜高品质的成像效果，并且使目镜出射出各个视场角下的平行光，并且在AR衍射波导镜片的耦入面处充满同一光瞳，实现AR衍射波导镜片的耦入光线要求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种微型光学系统，其特征在于，所述微型光学系统包括照明光学系统和目镜，所述照明光学系统包括发出第一光线的第一光源、发出第二光线的第二光源、用以透射所述第一光线和反射所述第二光线的二向色镜组、以及依次设置的复眼透镜、中继透镜组、偏振分光棱镜组和LCOS芯片。

2.如权利要求1所述的微型光学系统，其特征在于，所述二向色镜组具有第一二向色镜与第二二向色镜，所述第一二向色镜和所述第二二向色镜具有夹角α，所述第一片二向色镜靠近所述第一光源，所述第二片二向色镜靠近第二光源，所述第一光线和所述第二光线经过所述二向色镜组后依次经过复眼透镜、中继透镜组、偏振分光棱镜组以及LCOS芯片，所述第一光线和所述第二光线通过所述LCOS芯片反射至所述目镜。

3.如权利要求2所述的微型光学系统，其特征在于，所述第一二向色镜反射的波段范围为440nm至480nm，第二二向色镜反射的波段范围为610nm至640nm。

4.如权利要求2所述的微型光学系统，其特征在于，所述夹角α满足条件：6°<α<10°。

5.如权利要求1所述的微型光学系统，其特征在于，所述复眼透镜由N个小透镜组成，每个小透镜的曲率半径为c1，其中30<N<60，2mm≤c1≤3mm。

6.如权利要求1所述的微型光学系统，其特征在于，所述中继透镜组包括具有正折射光焦度且两表面均为球面的第三透镜、具有转折光路作用的反射镜、以及具有正折射光焦度且两表面均为球面的第四透镜。

7.如权利要求6所述的微型光学系统，其特征在于，所述中继透镜组满足如下条件：0.7<f”/f3<0.85，0.4<f”/f4<0.5，其中，f”为中继透镜组总焦距，f3和f4依次为第三透镜和第四透镜的焦距；6.5mm<D3<7.2mm，7.0mm<D4<7.6mm，D3为第三透镜口径，D4为第四透镜口径；1.40<n3<1.60，1.50<n4<1.70，其中，n3和n4依次为第三透镜和第四透镜的折射率。

8.如权利要求1所述的微型光学系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜组包括两个等腰直角棱镜，两个所述等腰直角棱镜的斜边面相互平行并且贴合成正方体形状，所述正方体边长小于10mm。

9.如权利要求8所述的微型光学系统，其特征在于，所述等腰直角棱镜的斜边涂有一层偏振分光膜。

10.如权利要求1所述的微型光学系统，其特征在于，所述照明光学系统还包括设置在第一光源和二向色镜组之间以及第二光源和二向色镜组之间的两组准直透镜组，所述准直透镜组包括具有正折射光焦度且两表面均为球面的第一透镜和具有正折射光焦度且两表面均为球面的第二透镜。

11.如权利要求10所述的微型光学系统，其特征在于，所述准直透镜组满足如下条件：D1<4.5mm，D2<7.0mm，其中，D1为第一透镜口径，D2为第二透镜口径；0.55<f'/f1<0.75，0.4<f'/f2<0.5，f'为准直透镜组总焦距，f1和f2依次为第一透镜和第二透镜的焦距；1.50<n1<1.70，1.50<n2<1.70，其中，n1和n2依次为第一透镜和第二透镜的折射率。

12.如权利要求1所述的微型光学系统，其特征在于，所述目镜为六片式透镜组，所述目镜沿由物侧至像侧光轴方向包括依次设置的具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第五透镜、具有负折射光焦度且两表面均为非球面的第六透镜、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第七透镜、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第八透镜、具有正折射光焦度且两表面均为非球面的第九透镜、以及具有负折射光焦度且两表面均为非球面的第十透镜。

13.如权利要求12所述的微型光学系统，其特征在于，所述六片式透镜组满足如下条件：2mm<d<5mm，0.5mm<l<2mm，40°≤FOV≤45°，其中，d为目镜入瞳直径，l为目镜出瞳距离，FOV为全视场角；0.51<f”'/f5<0.59，-1.12<f”'/f6<-0.95，0.39<f”'/f7<0.48，0.49<f”'/f8<0.57，0.80<f”'/f9<0.90，0.99<f”'/f10<1.11，f”'为目镜的总焦距，f5、f6、f7、f8、f9和f10依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜的焦距；60<v5<70，25<v6<35，55<v7<65，48<v8<52，60<v9<70，25<v10<35其中，v5、v6、v7、v8、v9和v10依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜的阿贝数；1.45<n5<1.55，1.70<n6<1.80，1.55<n7<1.65,1.70<n8<1.75，1.40<n9<1.50，1.70<n10<1.75，其中，n5、n6、n7、n8、n9和n10依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜的折射率。

14.如权利要求12所述的微型光学系统，其特征在于，所述第六透镜和所述第七透镜胶合，所述第九透镜和所述第十透镜胶合。

15.如权利要求12所述的微型光学系统，其特征在于，所述六片式透镜组满足如下条件：5.1°<arctan(SAG5/D5)<5.9°，15.6°<arctan(SAG6/D6)<16.4°，28.8°<arctan(SAG7/D7)<30.2°，13.8°<arctan(SAG8/D8)<14.4°，32.2°<arctan(SAG9/D9)<33.2°，1.9°<arctan(SAG10/D10)<2.5°，13.8<arctan(SAG11/D11)<14.5°，15.9°<arctan(SAG12/D12)<16.8°，18.9°<arctan(SAG13/D13)<19.6°，5.7°<arctan(SAG14/D14)<6.2°，其中，SAG5、SAG7、SAG8、SAG10、SAG12和SAG13依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜靠近物侧面的最大通光口径处的矢高，SAG6、SAG9、SAG11和SAG14依次为第五透镜、第七透镜、第八透镜和第十透镜靠近像侧面的最大通光口径处的矢高，D5、D7、D8、D10、D12和D13依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜一面的最大通光口径的半口径，D6、D9、D11和D14依次为第五透镜、第七透镜、第八透镜和第十透镜另一面的最大通光口径的半口径。