CN114077041A - 一种近眼显示镜头 - Google Patents

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CN114077041A CN202111460382.2A CN202111460382A CN114077041A CN 114077041 A CN114077041 A CN 114077041A CN 202111460382 A CN202111460382 A CN 202111460382A CN 114077041 A CN114077041 A CN 114077041A
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孟祥月
宋立通
戴付建
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Abstract

本发明公开了一种近眼显示镜头，沿着光轴由内侧至外侧依序包括：具有正光焦度的第一透镜；具有光焦度的第二透镜，其内侧面为凸面；具有光焦度的第三透镜，其外侧面为凸面；以及具有正光焦度的第四透镜；第一透镜至第四透镜中的至少一个透镜的材质为玻璃；其中，近眼显示镜头的有效焦距f、第一透镜的有效焦距f1以及第四透镜的有效焦距f4满足：0.4<f/f1+f/f4<1.5。本发明提供的近眼显示镜头兼顾镜头的光学性能和体积重量，在保证高像质的同时压缩镜头的体积、减少镜头的重量，带给使用者更好的目视体验和舒适度，具有极大的应用前景。

Description

一种近眼显示镜头
技术领域
本发明属于光学成像领域，尤其涉及一种包括四片透镜的近眼显示镜头。
背景技术
近年来，字节跳动、Facebook等国内外终端厂商再次将目光聚焦于虚拟现实产品(Virtual Reality，VR)。近眼显示镜头作为VR产品的核心部件之一，其决定了VR产品的光学性能和使用者的佩戴体验。近眼显示镜头连接屏幕器件和人眼瞳孔，将屏幕展示的画面映入眼镜，以实现VR产品沉浸、交互的应用特点。光学性能是近眼显示镜头的关键指标之一，其直接决定了画面的清晰度，高清画面能带来更好的目视体验效果。体积重量作为近眼显示镜头的关键指标之一，其决定了使用者的佩戴体验，轻便小巧的镜头能减少使用者的不适感。
因此，需要一种兼顾光学性能和体积重量的近眼显示镜头，在保证高像质的同时压缩镜头的体积、减少镜头的重量，带给使用者更好的目视体验和舒适度。
发明内容
本发明旨在提供一种四片透镜组成的近眼显示镜头，兼顾镜头的光学性能和体积重量，在保证高像质的同时压缩镜头的体积、减少镜头的重量，带给使用者更好的目视体验和舒适度。
本发明的一个方面提供一种近眼显示镜头，该近眼显示镜头沿着光轴由内侧至外侧依序包括：具有正光焦度的第一透镜；具有光焦度的第二透镜，其内侧面为凸面；具有光焦度的第三透镜，其外侧面为凸面；以及具有正光焦度的第四透镜。第一透镜至第四透镜中的至少一个透镜的材质为玻璃。
其中，近眼显示镜头的有效焦距f、第一透镜的有效焦距f1以及第四透镜的有效焦距f4满足：0.4<f/f1+f/f4<1.5。
根据本发明的一个实施方式，第二透镜外侧至第三透镜内侧在光轴上的距离T23与第三透镜外侧至第四透镜内侧在光轴上的距离T34满足：log(T23/T34)<2。
根据本发明的一个实施方式，近眼显示镜头的数值孔径Fno、第二透镜材料的阿贝数v2以及第四透镜材料的阿贝数v4满足：-1.3<log(Fno/(v2+v4))<-1.1。
根据本发明的一个实施方式，近眼显示镜头的数值孔径Fno、第三透镜的有效焦距f3以及第四透镜的有效焦距f4满足：2.5mm<(f4-f3)/Fno。
根据本发明的一个实施方式，光阑至显示屏在光轴上的距离SL与第一透镜内侧至第四透镜外侧在光轴上的距离TD满足：1.4<SL/TD<2.2。
根据本发明的一个实施方式，第四透镜内侧的有效半口径DT41与第三透镜外侧的有效半口径DT32满足：1<DT41/DT32<1.4。
根据本发明的一个实施方式，第四透镜外侧的有效半口径DT42与第四透镜的中心厚度CT4满足：1.7<DT42/CT4<2.9。
根据本发明的一个实施方式，第三透镜的边缘厚度ET3与第三透镜的中心厚度CT3满足：0.2<ET3/CT3<1.8。
根据本发明的一个实施方式，第一透镜的中心厚度CT1、第四透镜的中心厚度CT4、第一透镜材料的阿贝数v1以及第四透镜材料的阿贝数v4满足：1.7<(v4+v1)×CT4/(CT1×(v1-v4))<3.7。
根据本发明的一个实施方式，第二透镜内侧的曲率半径R3、第三透镜外侧的曲率半径R6以及近眼显示镜头最大视场角的一半Semi-FOV满足：0.8<(R3-R6)×tan(Semi-FOV)/|(R3+R6)|<8.7。
根据本发明的一个实施方式，第四透镜的有效焦距f4与第四透镜材料的阿贝数v4满足：1.3mm<f4/v4。
本发明的另一个方面提供一种近眼显示镜头，该近眼显示镜头沿着光轴由内侧至外侧依序包括：具有正光焦度的第一透镜；具有光焦度的第二透镜，其内侧面为凸面；具有光焦度的第三透镜，其外侧面为凸面；以及具有正光焦度的第四透镜。第一透镜至第四透镜中的至少一个透镜的材质为玻璃。
其中，各个透镜之间相互独立，各透镜之间在光轴上具有空气间隔；光阑至显示屏在光轴上的距离SL与第一透镜内侧至第四透镜外侧在光轴上的距离TD满足：1.4<SL/TD<2.2。
本发明的有益效果：
本发明提供的近眼显示镜头包括多片透镜，如第一透镜至第四透镜。本发明的近眼显示镜头兼顾镜头的光学性能和体积重量，在保证高像质的同时压缩镜头的体积、减少镜头的重量，带给使用者更好的目视体验和舒适度，具有极大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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为本发明近眼显示镜头实施例1的透镜组结构示意图；
图2为本发明近眼显示镜头实施例1的轴上色差曲线；
图3为本发明近眼显示镜头实施例1的弥散斑示意图；
图4为本发明近眼显示镜头实施例2的透镜组结构示意图；
图5为本发明近眼显示镜头实施例2的轴上色差曲线；
图6为本发明近眼显示镜头实施例2的弥散斑示意图；
图7为本发明近眼显示镜头实施例3的透镜组结构示意图；
图8为本发明近眼显示镜头实施例3的轴上色差曲线；
图9为本发明近眼显示镜头实施例3的弥散斑示意图；
图10为本发明近眼显示镜头实施例4的透镜组结构示意图；
图11为本发明近眼显示镜头实施例4的轴上色差曲线；
图12为本发明近眼显示镜头实施例4的弥散斑示意图；
图13为本发明近眼显示镜头实施例5的透镜组结构示意图；
图14为本发明近眼显示镜头实施例5的轴上色差曲线；
图15为本发明近眼显示镜头实施例5的弥散斑示意图；
图16为本发明近眼显示镜头实施例6的透镜组结构示意图；
图17为本发明近眼显示镜头实施例6的轴上色差曲线；
图18为本发明近眼显示镜头实施例6的弥散斑示意图；
图19为本发明近眼显示镜头实施例7的透镜组结构示意图；
图20为本发明近眼显示镜头实施例7的轴上色差曲线；
图21为本发明近眼显示镜头实施例7的弥散斑示意图。
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做出创造性劳动的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。
应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下文中讨论的第一透镜也可被称作第二透镜或第三透镜。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“......中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
在本发明的描述中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面。若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个透镜最靠近被摄物体的表面称为该透镜的内侧面，每个透镜最靠近成像面的表面称为该透镜的外侧面。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过于形式化的解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例对本发明的特征、原理和其他方面进行详细描述。
示例性实施方式
本发明示例性实施方式的近眼显示镜头包括四片镜片，沿光轴由内侧至外侧依序包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，其中，各个透镜之间相互独立，各透镜之间在光轴上具有空气间隔。内侧为被摄物所处的一侧，外侧为成像面所处的一侧。
在本示例性实施方式中，第一透镜具有正光焦度；第二透镜可具有正光焦度或负光焦度，其内侧面为凸面；第三透镜可具有正光焦度或负光焦度，其外侧面为凸面；第四透镜具有正光焦度。第一透镜至第四透镜中的至少一个透镜的材质为玻璃。满足上述光焦度以及面型条件时，有利于合理分配近眼显示镜头的光焦度，易于取像系统平衡和矫正各项像差。
在本示例性实施方式中，近眼显示镜头的有效焦距f、第一透镜的有效焦距f1以及第四透镜的有效焦距f4满足的条件式为：0.4<f/f1+f/f4<1.5。满足上述有效焦距条件时，能控制第一透镜、第四透镜折光能力在近眼显示镜头中的占比，有利于减小第一透镜、第四透镜的体积重量，实现近眼显示镜头小型化、轻便化，也有利于近眼显示镜头能够适配更大尺寸的屏幕器件，以获得良好的目视体验效果。更具体的，f、f1与f4满足：0.6≤f/f1+f/f4≤1.3，例如，0.61≤f/f1+f/f4≤1.27。
在本示例性实施方式中，第二透镜外侧至第三透镜内侧在光轴上的距离T23与第三透镜外侧至第四透镜内侧在光轴上的距离T34满足的条件式为：log(T23/T34)<2。满足上述条件时，限制了第二透镜、第三透镜、第四透镜相互间的空气间隔，有利于减少了光线在三枚镜片间反射而导致的鬼影风险，也有利于保证三枚镜片紧凑排布，以实现近眼显示镜头体积小型化。更具体的，T23与T34满足：0.20≤log(T23/T34)≤1.8，例如，0.20≤log(T23/T34)≤1.79。
在本示例性实施方式中，近眼显示镜头的数值孔径Fno、第二透镜材料的阿贝数v2以及第四透镜材料的阿贝数v4满足的条件式为：-1.3<log(Fno/(v2+v4))<-1.1。满足上述条件时，能在保证近眼显示镜头数值孔径的同时，矫正近眼显示镜头的轴向色差，以实现镜头较大的眼动范围和较好的色彩表现能力。更具体的，Fno、v2与v4满足：-1.28≤log(Fno/(v2+v4))≤-1.2，例如，-1.26≤log(Fno/(v2+v4))≤-1.21。
在本示例性实施方式中，近眼显示镜头的数值孔径Fno、第三透镜的有效焦距f3以及第四透镜的有效焦距f4满足的条件式为：2.5mm<(f4-f3)/Fno。满足上述条件时，限制了第三透镜、第四透镜的折光能力，有利于合理分配各透镜在近眼显示镜头中的折光能力占比。更具体的，Fno、f3与f4满足：2.8mm≤(f4-f3)/Fno≤138mm，例如，2.81mm≤(f4-f3)/Fno≤137.58mm。
在本示例性实施方式中，光阑至显示屏在光轴上的距离SL与第一透镜内侧至第四透镜外侧在光轴上的距离TD满足的条件式为：1.4<SL/TD<2.2。满足上述条件时，控制近眼显示镜头的总体积，有利于提升终端使用者的携带便利性和佩戴体验。更具体的，SL与TD满足：1.6≤SL/TD≤2，例如，1.61≤SL/TD≤1.99。
在本示例性实施方式中，第四透镜内侧的有效半口径DT41与第三透镜外侧的有效半口径DT32满足的条件式为：1<DT41/DT32<1.4。满足上述条件时，控制了第三透镜和第四透镜相邻面的口径大小，有利于减少了光线在第三、第四透镜边缘处反射而导致的鬼影风险，以提升近眼显示镜头的显示清晰度。更具体的，DT41与DT32满足：1.1≤DT41/DT32≤1.3，例如，1.12≤DT41/DT32≤1.26。
在本示例性实施方式中，第四透镜外侧的有效半口径DT42与第四透镜的中心厚度CT4满足的条件式为：1.7<DT42/CT4<2.9。满足上述条件时，限制了第四透镜的口径大小，有利于减小第四透镜的体积和重量，也有利于提升第四透镜的加工成型良率。更具体的，DT42与CT4满足：1.8≤DT42/CT4≤2.8，例如，1.86≤DT42/CT4≤2.72。
在本示例性实施方式中，第三透镜的边缘厚度ET3与第三透镜的中心厚度CT3满足的条件式为：0.2<ET3/CT3<1.8。满足上述条件时，限制了第三透镜边缘厚度/中心厚度比值，有利于提升第三透镜的加工成型良率。更具体的，ET3与CT3满足：0.3≤ET3/CT3≤1.75，例如，0.35≤ET3/CT3≤1.73。
在本示例性实施方式中，第一透镜的中心厚度CT1、第四透镜的中心厚度CT4、第一透镜材料的阿贝数v1以及第四透镜材料的阿贝数v4满足的条件式为：1.7<(v4+v1)×CT4/(CT1×(v1-v4))<3.7。满足上述条件时，合理分配了RGB三色光在第一透镜、第四透镜的光程差，有利于矫正近眼显示镜头的轴向色差。更具体的，CT1、CT4、v1与v4满足：1.8≤(v4+v1)×CT4/(CT1×(v1-v4))≤3.65，例如，1.84≤(v4+v1)×CT4/(CT1×(v1-v4))≤3.60。
在本示例性实施方式中，第二透镜内侧的曲率半径R3、第三透镜外侧的曲率半径R6以及近眼显示镜头最大视场角的一半Semi-FOV满足的条件式为：0.8<(R3-R6)×tan(Semi-FOV)/|(R3+R6)|<8.7。满足上述条件时，约束了近眼显示镜头的最大视场角，有利于实现近眼显示镜头的视场角尽可能大，以获得沉浸感良好的目视体验效果。更具体的，R3、R6与Semi-FOV满足：1≤(R3-R6)×tan(Semi-FOV)/|(R3+R6)|≤8.5，例如，1.04≤(R3-R6)×tan(Semi-FOV)/|(R3+R6)|≤8.49。
在本示例性实施方式中，第四透镜的有效焦距f4与第四透镜材料的阿贝数v4满足的条件式为：1.3mm<f4/v4。满足上述条件时，控制了第四透镜焦距和阿贝数，有利于矫正近眼显示镜头的轴向色差。更具体的，f4与v4满足：1.4mm≤f4/v4≤12mm，例如，1.50mm≤f4/v4≤11.75mm。
在本示例性实施方式中，上述近眼显示镜头还可包括光阑。光阑可根据需要设置在适当位置处，例如，光阑可设置在内侧与第一透镜之间。可选地，上述近眼显示镜头还可包括用于校正色彩偏差的滤光片和/或用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。
根据本发明的上述实施方式的近眼显示镜头可采用多片镜片，例如上述的四片。通过合理分配各透镜的光焦度、面型、各透镜的中心厚度以及各透镜之间的轴上间距等，使得近眼显示镜头具有较大的成像像面，具有成像范围广和成像质量高的特点，并保证了手机的超薄性。
在示例性实施方式中，各透镜的镜面中的至少一个为非球面镜面，即，第一透镜的内侧面至第四透镜的外侧面中的至少一个镜面为非球面镜面。非球面透镜的特点是：从透镜中心到透镜周边，曲率是连续变化的，与从透镜中心到透镜周边具有恒定曲率的球面透镜不同，非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而改善成像质量。可选地，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中的每个透镜的内侧面和外侧面中的至少一个为非球面镜面。可选地，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中的每片透镜的内侧面和外侧面均为非球面镜面。
然而，本领域的技术人员应当理解，在未背离本申请要求保护的技术方案的情况下，可改变构成近眼显示镜头的透镜数量，来获得本说明书中描述的各个结果和优点。例如，虽然在实施方式中以四个透镜为例进行了描述，但是该近眼显示镜头不限于包括四个透镜，如果需要，该近眼显示镜头还可包括其它数量的透镜。
下面参照附图进一步描述适用于上述实施例的近眼显示镜头的具体实施例。
具体实施例1
图1为本发明近眼显示镜头实施例1的透镜组结构示意图，图1的左侧为近眼显示镜头的内侧，右侧为外侧，近眼显示镜头沿光轴由内侧至外侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、滤光片E5和成像面S11。
第一透镜E1具有正光焦度，其内侧面S1为凸面，外侧面S2为凹面。第二透镜E2具有负光焦度，其内侧面S3为凸面，外侧面S4为凹面。第三透镜E3具有正光焦度，其内侧面S5为凹面，外侧面S6为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其内侧面S7为凸面，外侧面S8为凹面。滤光片E5具有内侧面S9和外侧面S10。来自物体的光依序穿过表面S1至S10的各表面并最终成像在成像面S11上。
如表1所示，为实施例1的近眼显示镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度、焦距的单位均为毫米(mm)。
面号 表面类型 曲率半径 厚度/距离 焦距 折射率 色散系数 圆锥系数
STO 球面 无穷 12
S1 球面 23.9135 6.6987 32.49 1.82 46.6 0.0000
S2 球面 199.8365 0.1000 0.0000
S3 非球面 22.2273 3.2120 -82.00 1.64 22.5 0.4070
S4 非球面 14.8054 5.6762 -0.0145
S5 非球面 -82.5850 3.0347 66.02 1.54 56.1 10.4788
S6 非球面 -25.4615 1.9699 -17.4397
S7 球面 21.1807 9.2403 131.06 1.95 17.9 0.0000
S8 球面 20.0000 5.3840 0.0000
S9 球面 无穷 0.7000 1.51 64.2
S10 球面 无穷 0.0600
DIS 球面 无穷
表1
如表2所示，在实施例1中，近眼显示镜头的总有效焦距f＝23.48mm，从第一透镜E1的内侧面S1至成像面S11在光轴上的距离TTL＝36.08mm，近眼显示镜头的最大视场角的一半Semi-FOV＝29.9°。
Figure BDA0003388271930000071
Figure BDA0003388271930000081
表2
实施例1中的近眼显示镜头满足：
f/f1+f/f4＝0.90，其中，f为近眼显示镜头的有效焦距，f1为第一透镜的有效焦距,f4为第四透镜的有效焦距；
log(T23/T34)＝0.46，其中，T23为第二透镜外侧至第三透镜内侧在光轴上的距离，T34为第三透镜外侧至第四透镜内侧在光轴上的距离；
log(Fno/(v2+v4))＝-1.24，其中，Fno为近眼显示镜头的数值孔径，v2为第二透镜材料的阿贝数,v4为第四透镜材料的阿贝数；
(f4-f3)/Fno＝27.70mm，其中，Fno为近眼显示镜头的数值孔径，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距；
SL/TD＝1.61，其中，SL为光阑至显示屏在光轴上的距离，TD为第一透镜内侧至第四透镜外侧在光轴上的距离；
DT41/DT32＝1.26，其中，DT41为第四透镜内侧的有效半口径，DT32为第三透镜外侧的有效半口径；
DT42/CT4＝1.86，其中，DT42为第四透镜外侧的有效半口径，CT4为第四透镜的中心厚度；
ET3/CT3＝0.83，其中，ET3为第三透镜的边缘厚度，CT3为第三透镜的中心厚度；
(v4+v1)×CT4/(CT1×(v1-v4))＝3.10，其中，CT1为第一透镜的中心厚度，CT4为第四透镜的中心厚度,v1为第一透镜材料的阿贝数，v4为第四透镜材料的阿贝数；
(R3-R6)×tan(Semi-FOV)/|(R3+R6)|＝8.49，其中，R3为第二透镜内侧的曲率半径，R6为第三透镜外侧的曲率半径，Semi-FOV为近眼显示镜头最大视场角的一半；
f4/v4＝7.32mm，其中，f4为第四透镜的有效焦距，v4为第四透镜材料的阿贝数。
在实施例1中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
Figure BDA0003388271930000082
其中，x为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为表1中曲率半径R的倒数)；k为圆锥系数；Ai为非球面第i-th阶的修正系数。
在实施例1中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，表3示出了可用于实施例1中各非球面镜面S3-S6的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
面号 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 2.5374E-04 -8.2298E-06 1.1365E-07 -9.3271E-10 4.5736E-12 -1.2144E-14 1.3288E-17
S4 3.2685E-04 -9.5178E-06 1.0631E-07 -5.6332E-10 3.0319E-14 1.2434E-14 -3.6108E-17
S5 -1.9771E-04 6.6054E-06 -8.9174E-08 6.5561E-10 -2.7157E-12 6.1517E-15 -6.1275E-18
S6 -2.6954E-04 3.8452E-06 4.6209E-09 -5.8527E-10 6.4335E-12 -2.8379E-14 4.4974E-17
表3
图2示出了实施例1的近眼显示镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图3示出了实施例1的近眼显示镜头的弥散斑示意图。根据图2和图3所示可知，实施例1所给出的近眼显示镜头能够实现良好的成像品质。
具体实施例2
图4为本发明近眼显示镜头实施例2的透镜组结构示意图，图4的左侧为近眼显示镜头的内侧，右侧为外侧，近眼显示镜头沿光轴由内侧至外侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、滤光片E5和成像面S11。
第一透镜E1具有正光焦度，其内侧面S1为凸面，外侧面S2为凹面。第二透镜E2具有负光焦度，其内侧面S3为凸面，外侧面S4为凹面。第三透镜E3具有正光焦度，其内侧面S5为凹面，外侧面S6为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其内侧面S7为凸面，外侧面S8为凹面。滤光片E5具有内侧面S9和外侧面S10。来自物体的光依序穿过表面S1至S10的各表面并最终成像在成像面S11上。
如表4所示，为实施例2的近眼显示镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度、焦距的单位均为毫米(mm)。
Figure BDA0003388271930000091
Figure BDA0003388271930000101
表4
如表5所示，在实施例2中，近眼显示镜头的总有效焦距f＝22.76mm，从第一透镜E1的内侧面S1至成像面S11在光轴上的距离TTL＝36.08mm，近眼显示镜头的最大视场角的一半Semi-FOV＝30.0°。各个关系式的参数如同第一实施例所阐释，各个关系式的数值如下表中所列。
Figure BDA0003388271930000102
表5
在实施例2中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，表6示出了可用于实施例2中各非球面镜面S3-S6的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
面号 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 -3.7669E-05 -2.1981E-07 -1.2497E-09 3.0839E-11 -1.7200E-13 5.5205E-16 -8.7671E-19
S4 1.5075E-04 -2.0445E-06 6.6756E-09 6.0743E-11 -1.0258E-12 5.7082E-15 -1.0856E-17
S5 -1.3213E-04 5.7509E-06 -1.2299E-07 1.4420E-09 -9.4785E-12 3.2823E-14 -4.6904E-17
S6 -1.9160E-04 4.1052E-06 -5.3914E-08 3.9923E-10 -1.1008E-12 4.5038E-17 1.9205E-18
表6
图5示出了实施例2的近眼显示镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图6示出了实施例2的近眼显示镜头的弥散斑示意图。根据图5和图6所示可知，实施例2所给出的近眼显示镜头能够实现良好的成像品质。
具体实施例3
图7为本发明近眼显示镜头实施例3的透镜组结构示意图，图7的左侧为近眼显示镜头的内侧，右侧为外侧，近眼显示镜头沿光轴由内侧至外侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、滤光片E5和成像面S11。
第一透镜E1具有正光焦度，其内侧面S1为凸面，外侧面S2为凹面。第二透镜E2具有负光焦度，其内侧面S3为凸面，外侧面S4为凹面。第三透镜E3具有正光焦度，其内侧面S5为凸面，外侧面S6为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其内侧面S7为凸面，外侧面S8为凹面。滤光片E5具有内侧面S9和外侧面S10。来自物体的光依序穿过表面S1至S10的各表面并最终成像在成像面S11上。
如表7所示，为实施例3的近眼显示镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度、焦距的单位均为毫米(mm)。
面号 表面类型 曲率半径 厚度/距离 焦距 折射率 色散系数 圆锥系数
STO 球面 无穷 12
S1 球面 24.8702 4.7936 49.14 1.82 46.6 0.0000
S2 球面 59.0883 0.1000 0.0000
S3 非球面 10.7976 2.5310 -69.86 1.64 22.5 -4.9053
S4 非球面 7.9211 6.4580 -3.8899
S5 非球面 35.0827 4.9794 30.47 1.54 56.1 -27.5627
S6 非球面 -30.1813 0.5136 2.3974
S7 球面 19.4806 6.6644 170.34 1.95 17.9 0.0000
S8 球面 18.3927 9.2146 0.0000
S9 球面 无穷 0.7000 1.51 64.2
S10 球面 无穷 0.0501
DIS 球面 无穷
表7
如表8所示，在实施例3中，近眼显示镜头的总有效焦距f＝23.24mm，从第一透镜E1的内侧面S1至成像面S11在光轴上的距离TTL＝36.00mm，近眼显示镜头的最大视场角的一半Semi-FOV＝29.3°。各个关系式的参数如同第一实施例所阐释，各个关系式的数值如下表中所列。
Figure BDA0003388271930000111
表8
在实施例3中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，表9示出了可用于实施例3中各非球面镜面S3-S6的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
Figure BDA0003388271930000112
Figure BDA0003388271930000121
表9
图8示出了实施例3的近眼显示镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图9示出了实施例3的近眼显示镜头的弥散斑示意图。根据图8和图9所示可知，实施例3所给出的近眼显示镜头能够实现良好的成像品质。
具体实施例4
图10为本发明近眼显示镜头实施例4的透镜组结构示意图，图10的左侧为近眼显示镜头的内侧，右侧为外侧，近眼显示镜头沿光轴由内侧至外侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、滤光片E5和成像面S11。
第一透镜E1具有正光焦度，其内侧面S1为凸面，外侧面S2为凹面。第二透镜E2具有正光焦度，其内侧面S3为凸面，外侧面S4为凹面。第三透镜E3具有负光焦度，其内侧面S5为凹面，外侧面S6为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其内侧面S7为凸面，外侧面S8为凸面。滤光片E5具有内侧面S9和外侧面S10。来自物体的光依序穿过表面S1至S10的各表面并最终成像在成像面S11上。
如表10所示，为实施例4的近眼显示镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度、焦距的单位均为毫米(mm)。
面号 表面类型 曲率半径 厚度/距离 焦距 折射率 色散系数 圆锥系数
STO 球面 无穷 12
S1 球面 32.6738 4.3138 50.82 1.82 46.6 0.0000
S2 球面 141.1133 0.1000 0.0000
S3 非球面 14.2095 3.7180 292.41 1.64 22.5 -1.9662
S4 非球面 13.7678 5.6123 -8.7717
S5 非球面 -9.8486 3.1842 -280.02 1.54 56.1 -9.8389
S6 非球面 -11.7286 0.5391 -5.0542
S7 球面 29.1436 6.9171 26.87 1.95 17.9 0.0000
S8 球面 -205.4713 10.8649 0.0000
S9 球面 无穷 0.7000 1.51 64.2
S10 球面 无穷 0.0879
DIS 球面 无穷
表10
如表11所示，在实施例4中，近眼显示镜头的总有效焦距f＝22.31mm，从第一透镜E1的内侧面S1至成像面S11在光轴上的距离TTL＝36.04mm，近眼显示镜头的最大视场角的一半Semi-FOV＝30.0°。各个关系式的参数如同第一实施例所阐释，各个关系式的数值如下表中所列。
Figure BDA0003388271930000131
表11
在实施例4中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，表12示出了可用于实施例4中各非球面镜面S3-S6的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
面号 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 -1.3994E-05 1.0161E-06 8.3266E-10 -3.3382E-10 3.4646E-12 -1.3660E-14 1.9391E-17
S4 2.1916E-04 -4.9087E-06 1.1563E-07 -1.7119E-09 1.2753E-11 -4.5842E-14 6.3887E-17
S5 -8.3296E-04 1.4914E-05 3.1938E-08 -2.4181E-09 2.2354E-11 -8.7595E-14 1.2910E-16
S6 -1.1496E-04 -2.1825E-06 1.8099E-07 -2.2565E-09 1.3182E-11 -4.0730E-14 5.4909E-17
表12
图11示出了实施例4的近眼显示镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图12示出了实施例4的近眼显示镜头的弥散斑示意图。根据图11和图12所示可知，实施例4所给出的近眼显示镜头能够实现良好的成像品质。
具体实施例5
图13为本发明近眼显示镜头实施例5的透镜组结构示意图，图13的左侧为近眼显示镜头的内侧，右侧为外侧，近眼显示镜头沿光轴由内侧至外侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、滤光片E5和成像面S11。
第一透镜E1具有正光焦度，其内侧面S1为凸面，外侧面S2为凹面。第二透镜E2具有负光焦度，其内侧面S3为凸面，外侧面S4为凹面。第三透镜E3具有正光焦度，其内侧面S5为凸面，外侧面S6为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其内侧面S7为凸面，外侧面S8为凹面。滤光片E5具有内侧面S9和外侧面S10。来自物体的光依序穿过表面S1至S10的各表面并最终成像在成像面S11上。
如表13所示，为实施例5的近眼显示镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度、焦距的单位均为毫米(mm)。
面号 表面类型 曲率半径 厚度/距离 焦距 折射率 色散系数 圆锥系数
STO 球面 无穷 12
S1 球面 25.2031 5.7776 37.93 1.82 46.6 0.0000
S2 球面 117.8872 0.1000 0.0000
S3 非球面 8.9178 2.0000 -51.82 1.65 21.7 -4.5567
S4 非球面 6.4426 5.6585 -3.2394
S5 非球面 31.4882 5.8188 29.67 1.54 56.1 -31.5480
S6 非球面 -31.3671 3.5580 3.8446
S7 球面 19.0118 5.5733 210.28 1.95 17.9 0.0000
S8 球面 17.9619 6.8302 0.0000
S9 球面 无穷 0.7000 1.51 64.2
S10 球面 无穷 0.0433
DIS 球面 无穷
表13
如表14所示，在实施例5中，近眼显示镜头的总有效焦距f＝23.08mm，从第一透镜E1的内侧面S1至成像面S11在光轴上的距离TTL＝36.06mm，近眼显示镜头的最大视场角的一半Semi-FOV＝30.0°。各个关系式的参数如同第一实施例所阐释，各个关系式的数值如下表中所列。
Figure BDA0003388271930000141
表14
在实施例5中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，表15示出了可用于实施例5中各非球面镜面S3-S6的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
面号 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 4.2639E-05 -1.1734E-06 7.7306E-09 -4.4183E-11 2.9389E-13 -1.1672E-15 1.8165E-18
S4 1.3594E-04 -1.9694E-06 1.6088E-08 -1.0055E-10 4.4782E-13 -1.1483E-15 9.1348E-19
S5 -4.8592E-05 1.0687E-06 -1.4242E-08 2.5268E-10 -2.4170E-12 1.1311E-14 -2.2163E-17
S6 -2.3009E-05 -3.4386E-08 1.7582E-08 -3.0635E-10 3.1159E-12 -1.5489E-14 2.8810E-17
表15
图14示出了实施例5的近眼显示镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图15示出了实施例5的近眼显示镜头的弥散斑示意图。根据图14和图15所示可知，实施例5所给出的近眼显示镜头能够实现良好的成像品质。
具体实施例6
图16为本发明近眼显示镜头实施例6的透镜组结构示意图，图16的左侧为近眼显示镜头的内侧，右侧为外侧，近眼显示镜头沿光轴由内侧至外侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、滤光片E5和成像面S11。
第一透镜E1具有正光焦度，其内侧面S1为凸面，外侧面S2为凹面。第二透镜E2具有负光焦度，其内侧面S3为凸面，外侧面S4为凹面。第三透镜E3具有正光焦度，其内侧面S5为凸面，外侧面S6为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其内侧面S7为凸面，外侧面S8为凹面。滤光片E5具有内侧面S9和外侧面S10。来自物体的光依序穿过表面S1至S10的各表面并最终成像在成像面S11上。
如表16所示，为实施例6的近眼显示镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度、焦距的单位均为毫米(mm)。
面号 表面类型 曲率半径 厚度/距离 焦距 折射率 色散系数 圆锥系数
STO 球面 无穷 12
S1 球面 28.8112 4.7986 45.40 1.82 46.5 0.0000
S2 球面 116.9148 0.1000 0.0000
S3 非球面 12.0917 2.8792 -54.40 1.66 20.4 -4.9097
S4 非球面 8.2141 6.1235 -3.9975
S5 非球面 30.8944 5.1567 30.09 1.54 56.1 -62.8294
S6 非球面 -33.2122 0.1000 3.5717
S7 球面 18.4649 4.9842 119.03 1.95 17.9 0.0000
S8 球面 19.0922 11.1828 0.0000
S9 球面 无穷 0.7000 1.51 64.2
S10 球面 无穷 0.0454
DIS 球面 无穷
表16
如表17所示，在实施例6中，近眼显示镜头的总有效焦距f＝23.62mm，从第一透镜E1的内侧面S1至成像面S11在光轴上的距离TTL＝36.14mm，近眼显示镜头的最大视场角的一半Semi-FOV＝30.0°。各个关系式的参数如同第一实施例所阐释，各个关系式的数值如下表中所列。
Figure BDA0003388271930000151
Figure BDA0003388271930000161
表17
在实施例6中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，表18示出了可用于实施例6中各非球面镜面S3-S6的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
面号 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 -3.3374E-05 3.5930E-07 -6.0801E-09 4.1636E-11 -1.2830E-13 1.8644E-16 -1.0412E-19
S4 1.0470E-04 -1.9831E-06 1.9796E-08 -1.4208E-10 5.7721E-13 -1.1961E-15 1.0040E-18
S5 5.5565E-05 -1.4992E-06 2.5684E-08 -2.8241E-10 2.0738E-12 -8.7497E-15 1.4519E-17
S6 -5.4182E-05 1.7249E-06 -2.6684E-08 2.7897E-10 -1.4897E-12 3.8739E-15 -3.9514E-18
表18
图17示出了实施例6的近眼显示镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图18示出了实施例6的近眼显示镜头的弥散斑示意图。根据图17和图18所示可知，实施例6所给出的近眼显示镜头能够实现良好的成像品质。
具体实施例7
图19为本发明近眼显示镜头实施例7的透镜组结构示意图，图19的左侧为近眼显示镜头的内侧，右侧为外侧，近眼显示镜头沿光轴由内侧至外侧依序包括：光阑STO、第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、滤光片E5和成像面S11。
第一透镜E1具有正光焦度，其内侧面S1为凸面，外侧面S2为凹面。第二透镜E2具有负光焦度，其内侧面S3为凸面，外侧面S4为凹面。第三透镜E3具有正光焦度，其内侧面S5为凸面，外侧面S6为凸面。第四透镜E4具有正光焦度，其内侧面S7为凸面，外侧面S8为凹面。滤光片E5具有内侧面S9和外侧面S10。来自物体的光依序穿过表面S1至S10的各表面并最终成像在成像面S11上。
如表19所示，为实施例7的近眼显示镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度、焦距的单位均为毫米(mm)。
Figure BDA0003388271930000162
Figure BDA0003388271930000171
表19
如表20所示，在实施例7中，近眼显示镜头的总有效焦距f＝22.92mm，从第一透镜E1的内侧面S1至成像面S11在光轴上的距离TTL＝36.05mm，近眼显示镜头的最大视场角的一半Semi-FOV＝30.0°。各个关系式的参数如同第一实施例所阐释，各个关系式的数值如下表中所列。
Figure BDA0003388271930000172
表20
在实施例7中，第二透镜E2和第三透镜E3中的任意一个透镜的内侧面和外侧面均为非球面，表21示出了可用于实施例7中各非球面镜面S3-S6的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
面号 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 1.2301E-04 -3.2267E-06 2.6788E-08 -1.1199E-10 2.5365E-13 -2.9414E-16 1.3655E-19
S4 1.9032E-04 -2.9774E-06 1.6053E-08 3.5412E-11 -8.2330E-13 3.3095E-15 -4.2924E-18
S5 -1.0634E-04 1.9750E-07 5.3891E-08 -8.1457E-10 5.6422E-12 -1.9629E-14 2.6953E-17
S6 -3.1026E-05 -2.2387E-07 1.6825E-08 -9.8108E-11 3.3385E-13 -9.0908E-16 1.1018E-18
表21
图20示出了实施例7的近眼显示镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图21示出了实施例7的近眼显示镜头的弥散斑示意图。根据图20和图21所示可知，实施例7所给出的近眼显示镜头能够实现良好的成像品质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示镜头，其特征在于，沿着光轴由内侧至外侧依序包括：
具有正光焦度的第一透镜；
具有光焦度的第二透镜，其内侧面为凸面；
具有光焦度的第三透镜，其外侧面为凸面；
具有正光焦度的第四透镜；
第一透镜至第四透镜中的至少一个透镜的材质为玻璃；
其中，所述近眼显示镜头的有效焦距f、所述第一透镜的有效焦距f1以及所述第四透镜的有效焦距f4满足：0.4<f/f1+f/f4<1.5。
2.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：第二透镜外侧至第三透镜内侧在光轴上的距离T23与第三透镜外侧至第四透镜内侧在光轴上的距离T34满足：log(T23/T34)<2。
3.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：近眼显示镜头的数值孔径Fno、第二透镜材料的阿贝数v2以及第四透镜材料的阿贝数v4满足：-1.3<log(Fno/(v2+v4))<-1.1。
4.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：近眼显示镜头的数值孔径Fno、第三透镜的有效焦距f3以及第四透镜的有效焦距f4满足：2.5mm<(f4-f3)/Fno。
5.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：光阑至显示屏在光轴上的距离SL与第一透镜内侧至第四透镜外侧在光轴上的距离TD满足：1.4<SL/TD<2.2。
6.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：第四透镜内侧的有效半口径DT41与第三透镜外侧的有效半口径DT32满足：1<DT41/DT32<1.4。
7.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：第四透镜外侧的有效半口径DT42与第四透镜的中心厚度CT4满足：1.7<DT42/CT4<2.9。
8.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：第三透镜的边缘厚度ET3与第三透镜的中心厚度CT3满足：0.2<ET3/CT3<1.8。
9.根据权利要求1所述的近眼显示镜头，其特征在于：第一透镜的中心厚度CT1、第四透镜的中心厚度CT4、第一透镜材料的阿贝数v1以及第四透镜材料的阿贝数v4满足：1.7<(v4+v1)×CT4/(CT1×(v1-v4))<3.7。
10.一种近眼显示镜头，其特征在于，沿着光轴由内侧至外侧依序包括：
具有正光焦度的第一透镜；
具有光焦度的第二透镜，其内侧面为凸面；
具有光焦度的第三透镜，其外侧面为凸面；
具有正光焦度的第四透镜；
第一透镜至第四透镜的至少一个透镜的材质为玻璃；
其中，光阑至显示屏在光轴上的距离SL与第一透镜内侧至第四透镜外侧在光轴上的距离TD满足：1.4<SL/TD<2.2。
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