CN114706189A - 一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组 - Google Patents

一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组，包括沿光线反向传输方向依次设置的孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和显示像源，其中：第一透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凸面，出射面为凸面；第二透镜，为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；第三透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；并对各透镜的焦距进行合理设置。该装置有利于减少透镜数量，并通过校正像差，更好的保证光学系统的成像质量，缩短整个光学系统的总长，成本低、重量轻、体积小、分辨率高。

Description

一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组
技术领域
本发明属于成像技术领域，具体涉及一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组。
背景技术
近年来，随着科技的不断进步，增强现实显示装置也迅速发展起来；因为该装置属于头戴系统，因此它必须要求结构紧凑，体积小、重量轻，从而有利于佩戴的舒适性。目前在使用的光波导的增强现实装置中，为了使像源投射的图像可以按照光波导的指标要求清晰的耦合进入到光波导中，需要使用光学模组实现该功能。
目前现有的光学模组至少采用四片式的光学架构，具有体积相对较大的缺点，且大多数采用的是玻璃非球面进行像差矫正，玻璃非球面透镜具有价格贵、重量大的缺点，因此在头戴装置上使用，很大程度上造成佩戴舒适性差以及价格高昂的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组，有利于像差校正，更好的保证光学系统的成像质量，缩短整个光学系统的总长，成本低、重量轻、体积小、分辨率高。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组，包括沿光线反向传输方向依次设置的孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和显示像源，其中：
第一透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凸面，出射面为凸面；
第二透镜，为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；
第三透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；
并满足如下条件：
6mm<f1<13mm，-6mm<f2<-2mm，2mm<f3<6mm，TTL≤9mm
其中，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，TTL为光学系统总长。
优选地，第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为1.54、 1.64、1.61，阿贝数依次对应为55.7、22.4、26.6。
优选地，第一透镜和第二透镜的间距为0.52mm，第二透镜和第三透镜的间距为2.72mm。
优选地，第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为1.53、 1.59、1.53，阿贝数依次对应为56、29.9、56。
优选地，第一透镜和第二透镜的间距为1.26mm，第二透镜和第三透镜的间距为2.802mm。
优选地，显示像源为micro led、OLED、LCD、LCOS其中一种。
优选地，用于近眼增强现实显示的投影光学模组还满足如下条件：
D<4.5mm，6mm<f<7.2mm
其中，D为透镜口径，f为镜头的有效焦距。
优选地，各透镜的非球面面型满足如下公式：
Figure RE-GDA0003676103820000021
其中，z为矢高，Y为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第i次的非球面系数。
优选地，用于近眼增强现实显示的投影光学模组还包括保护玻璃，保护玻璃位于第三透镜和显示像源之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：该投影光学模组仅采用三片塑料非球面透镜，非球面的设计有利于像差校正，在减少透镜数量的前提下，更好的保证光学系统的成像质量，缩短整个光学系统的总长，并通过光焦度的合理分配，减小各透镜的公差敏感性，且成本低、重量轻、体积小(光学系统总长小于等于9mm)，并具有高分辨率，有效实现光波导类型的增强现实AR装置的轻便化。
附图说明
图1为本发明实施例一的投影光学模组的结构示意图；
图2为本发明实施例一的投影光学模组的光路图；
图3为本发明实施例一的MTF图；
图4为本发明实施例一的弥散斑图；
图5为本发明实施例二的投影光学模组的结构示意图；
图6为本发明实施例二的投影光学模组的光路图；
图7为本发明实施例二的MTF图；
图8为本发明实施例二的弥散斑图。
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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是在于限制本申请。
一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组，包括沿光线反向传输方向依次设置的孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和显示像源，其中：
第一透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凸面，出射面为凸面；
第二透镜，为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；
第三透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；
并满足如下条件：
6mm<f1<13mm，-6mm<f2<-2mm，2mm<f3<6mm，TTL≤9mm
其中，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，TTL为光学系统总长。
其中，该投影光学模组可应用于近眼增强现实显示装置，将显示像源上投射的图像清晰的耦合进入到光波导中。孔径光阑用于调节光通量以适应不同环境，光焦度(屈光力)用于表示光学系统对入射光束的屈折能力，等于透镜焦距的倒数。正光焦度意味着光线是汇聚的，反之则是发散的，光焦度为0意味着光线是互相平行的，透镜则不会改变入射光线的会聚情况。采用非球面相比于球面，有利于进行像差矫正，提高光学系统的性能，在减少镜片的需求数量情况下，更好的保证光学系统的成像质量，缩短光学系统的总长，实现光学系统的小型化。透镜的入光面是指光线进入透镜时的表面，透镜的出射面是指光线从透镜射出时的表面。
该投影光学模组仅采用三片塑料非球面透镜并通过合理设置各透镜焦距，有利于像差校正，在减少透镜数量的前提下，更好的保证光学系统的成像质量，缩短整个光学系统的总长，并通过光焦度的合理分配，减小各透镜的公差敏感性，且成本低、重量轻、体积小(光学系统总长小于等于9mm)，并具有高分辨率，有效实现光波导类型的增强现实AR装置的轻便化。
在一实施例中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为 1.54、1.64、1.61，阿贝数依次对应为55.7、22.4、26.6。第一透镜和第二透镜的间距为0.52mm，第二透镜和第三透镜的间距为2.72mm。
在另一实施例中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为1.53、1.59、1.53，阿贝数依次对应为56、29.9、56。第一透镜和第二透镜的间距为1.26mm，第二透镜和第三透镜的间距为2.802mm。
具体地，折射率用于表示在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，色散系数用于衡量透镜的成像品质，并且通常情况下，色散系数(阿贝数)与透镜的折射率成反比，折射率越高，表示入射光发生折射的能力越强。当透镜的折射率越大时，色散系数越小，色散越明显，成像质量越差，反之，则成像质量越好。通过合理设置各透镜的折射率和阿贝数进行像差校正，保证成像高解析度。
在一实施例中，显示像源为micro led、OLED、LCD、LCOS其中一种。或还可采用现有技术中的其他显示像源。
在一实施例中，用于近眼增强现实显示的投影光学模组还满足如下条件：
D<4.5mm，6mm<f<7.2mm
其中，D为透镜口径，f为镜头的有效焦距。有助于保证成像质量的情况下，减小体积。
在一实施例中，该光学系统的任一透镜表面均为偶次非球面面型，各透镜的非球面面型满足如下公式：
Figure RE-GDA0003676103820000051
其中，z为矢高，Y为透镜的中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第i次的非球面系数。
在一实施例中，用于近眼增强现实显示的投影光学模组还包括保护玻璃，保护玻璃位于第三透镜和显示像源之间。
以下通过具体实施例进行详细说明。
实施例1：
如图1-4所示，本实施例中投影光学模组包括沿光线反向传输方向依次设置的孔径光阑STOP、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、保护玻璃L4和显示像源IMA，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3 均为塑胶非球面透镜。
各结构光学参数如表1所示：
表1
Figure RE-GDA0003676103820000061
其中，Nd为折射率，Vd为阿贝数，面号S1、S3、S5依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的出射面，面号S2、S4、S6依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的入光面，S7为保护玻璃。
各结构光学参数如表2所示：
表2
面号 k a<sub>4</sub> a<sub>6</sub> a<sub>8</sub>
S1 -1.1 2.11E-003 1.52E-004 -3.752E-005
S2 -16.56 3.05E-003 -2.504E-004 -6.5E-006
S3 -80 7.1E-003 1.56E-003 -1.908E-004
S4 -3.507 0.0525 -2.522E-003 2.088E-003
S5 -1.617 1.831E-004 6.78E-005 1.952E-005
S6 1.412 -1.517E-003 -4.952E-003 7.35E-005
根据上述数据，本实施例中f1＝11.32mm，f2＝-2.66mm，f3＝3.52mm，TTL＝8mm，f＝6.22mm。图3为调制传递函数(Modulation Transfer Function， MTF)图，图中显示光学模组在各个视场的MTF值均在0.6以上，具有良好的分辨率。图4为光学模组的弥散斑图，各个视场的弥散斑均已接近高斯极限，成像质量好。
实施例2：
如图5-8所示，本实施例中投影光学模组包括沿光线反向传输方向依次设置的孔径光阑STOP、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、保护玻璃L4和显示像源IMA，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3 均为塑胶非球面透镜。
各结构光学参数如表3所示：
表3
Figure RE-GDA0003676103820000071
其中，Nd为折射率，Vd为阿贝数，面号S1、S3、S5依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的出射面，面号S2、S4、S6依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的入光面，S7为保护玻璃。
各结构光学参数如表4所示：
表4
Figure RE-GDA0003676103820000081
根据上述数据，本实施例中f1＝6.37mm，f2＝-2.11mm，f3＝2.82mm， TTL＝9mm，f＝6.132mm。图7为调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)图，图中显示光学模组在各个视场的MTF值均在0.25以上，具有良好的分辨率。图8为光学模组的弥散斑图，各个视场的弥散斑均已接近高斯极限，成像质量好。
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申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述用于近眼增强现实显示的投影光学模组包括沿光线反向传输方向依次设置的孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和显示像源，其中：
所述第一透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凸面，出射面为凸面；
所述第二透镜，为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；
所述第三透镜，为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，且入光面为凹面，出射面为凸面；
并满足如下条件：
6mm<f1<13mm，-6mm<f2<-2mm，2mm<f3<6mm，TTL≤9mm
其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，TTL为光学系统总长。
2.如权利要求1所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为1.54、1.64、1.61，阿贝数依次对应为55.7、22.4、26.6。
3.如权利要求2所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的间距为0.52mm，所述第二透镜和第三透镜的间距为2.72mm。
4.如权利要求1所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为1.53、1.59、1.53，阿贝数依次对应为56、29.9、56。
5.如权利要求4所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的间距为1.26mm，所述第二透镜和第三透镜的间距为2.802mm。
6.如权利要求1所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述显示像源为micro led、OLED、LCD、LCOS其中一种。
7.如权利要求1所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述用于近眼增强现实显示的投影光学模组还满足如下条件：
D<4.5mm，6mm<f<7.2mm
其中，D为透镜口径，f为所述镜头的有效焦距。
8.如权利要求1所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：各所述透镜的非球面面型满足如下公式：
Figure RE-FDA0003676103810000021
其中，z为矢高，Y为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第i次的非球面系数。
9.如权利要求1所述的用于近眼增强现实显示的投影光学模组，其特征在于：所述用于近眼增强现实显示的投影光学模组还包括保护玻璃，所述保护玻璃位于所述第三透镜和显示像源之间。
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