CN115437127B

CN115437127B - 光学镜头及近眼显示系统

Info

Publication number: CN115437127B
Application number: CN202211319246.6A
Authority: CN
Inventors: 于笑枝; 曾昊杰; 黄琦炜
Original assignee: Jiangxi Lianhao Photoelectric Co ltd
Current assignee: Jiangxi Lianhao Photoelectric Co ltd
Priority date: 2022-10-26
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2042-10-26
Also published as: CN115437127A

Abstract

本发明公开了一种光学镜头及近眼显示系统，所述光学镜头沿光轴从光信号传输的反方向依次设置有：光阑；具有正光焦度的第一透镜，其出光面为凸面，其入光面为凹面；具有正光焦度的第二透镜，其出光面在近光轴处为凸面，其入光面为凸面；具有负光焦度的第三透镜，其出光面为凹面，其入光面为凹面；具有正光焦度的第四透镜，其出光面为凹面，其入光面为凸面；具有负光焦度的第五透镜，其出光面在近光轴处为凸面，其入光面为凹面；其中，所述光学镜头的光圈数<1.3。本发明的光学镜头通过合理搭配五片玻塑混合镜片的形状和光焦度，使镜头具有较大的光圈、较小的尺寸、较轻的质量以及较小的光学畸变，较好地实现了镜头的微型化和高像质的均衡。

Description

光学镜头及近眼显示系统

技术领域

本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种光学镜头及近眼显示系统。

背景技术

近眼显示(Near-Eye Display，NED)是指通过光学技术，将微型图像光源发出的图像光，通过目镜系统引导到用户的瞳孔，在用户的近眼范围实现虚拟、放大的图像，实现向用户提供直观的图像、视频或文字信息，目前市面上近眼显示技术通常被广泛应用于虚拟现实(Virtual Reality，VR)系统、增强现实 (Augmented Reality，AR)系统、混合现实(Mixed Reality，MR)系统等，随着用户对虚拟图像、文字等信息的交互性和沉浸性的需求越来越高，相关近眼显示设备例如头戴显示器、AR眼镜和VR头盔等智能AR穿戴设备得到了人们更多的青睐。与此同时，AR头戴式设备急需尺寸小、轻量化的光学引擎，而且其投射光学镜头产品对成像质量、光学畸变、通光量以及体积等方面的技术水平要求也日益提升。

目前市场上流行的AR头戴式设备光学引擎的投射镜头的体积大，且难以获取大视野内的成像画面，不能满足实际需求；还有许多投射镜头的镜片数多，甚至采用全玻璃材料的镜片，使镜头的成本较高且体积较大，不利于在市场上推广应用。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种光学镜头及近眼显示系统，用于解决上述问题。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

一方面，本发明提供了一种光学镜头，用于对图像源发出的光信号进行调制；所述光学镜头沿光轴从光信号传输的反方向依次设置有：光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜各自包括一入光面及一出光面，所述入光面和所述出光面相对设置在每个透镜的表面；

所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜的出光面为凸面，所述第一透镜的入光面为凹面；

所述第二透镜具有正光焦度，所述第二透镜的出光面在近光轴处为凸面，所述第二透镜的入光面为凸面；

所述第三透镜具有负光焦度，所述第三透镜的出光面为凹面，所述第三透镜的入光面为凹面；

所述第四透镜具有正光焦度，所述第四透镜的出光面为凹面，所述第四透镜的入光面为凸面；

所述第五透镜具有负光焦度，所述第五透镜的出光面在近光轴处为凸面，所述第五透镜的入光面为凹面；

其中，所述光学镜头中包含至少一个玻璃镜片和一个塑胶镜片；

所述光学镜头的光圈数<1.3。

另一方面，本发明还提供一种近眼显示系统，包括：图像源、如上所述的光学镜头、光波导件；其中，所述图像源用于发射光信号，所述光信号包括图像信息；所述光学镜头设置于所述图像源的出光方向上，且所述第五透镜相较于所述第一透镜更靠近所述图像源设置，所述光学镜头用于对所述图像源发出的光信号进行调制；所述光波导件设置于所述光学镜头背离所述图像源的一侧，用于将经所述光学镜头调制后的光信号传输。

相比于现有技术，本发明提供的光学镜头及近眼显示系统，通过合理的搭配五个具有特定屈折力的玻塑混合镜片的形状和光焦度，使镜头具有较小的光学畸变和较大的通光量，提高了镜头的出光亮度；同时满足结构紧凑，总长更短，在RGB（光学三原色）不同波长下均具有较好的成像质量，从而较好的实现了镜头的微型化、轻量化和高像质的均衡，同时使得经所述光学镜头调制之后的光信号图像明亮清晰、效果更好。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例中的光学镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中的光学镜头的象散曲线图；

图3为本发明第一实施例中的光学镜头的f-tan(θ)畸变曲线图；

图4为本发明第二实施例中的光学镜头的结构示意图；

图5为本发明第二实施例中的光学镜头的象散曲线图；

图6为本发明第二实施例中的光学镜头的f-tan(θ)畸变曲线图；

图7为本发明第三实施例中的光学镜头的结构示意图；

图8为本发明第三实施例中的光学镜头的象散曲线图；

图9为本发明第三实施例中的光学镜头的f-tan(θ)畸变曲线图；

图10为本发明第四实施例中的近眼显示系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明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，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

本发明提出一种光学镜头，所述光学镜头可以用于近眼显示系统上，例如AR眼镜、AR头盔等，可以对图像源上出射的光信号进行调制。所述光学镜头沿光轴从光信号传输的反方向依次设置有：光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜各自包括一入光面及一出光面，所述入光面和所述出光面相对设置在每个透镜的表面。

所述光学镜头的光圈数<1.3。

本发明提供的光学镜头通过合理搭配五片玻塑混合镜片，使镜头具有较大的光圈、较小的尺寸、较轻的质量以及较小的光学畸变，同时较好地实现了镜头的微型化和高像质的均衡，很好地满足了近眼显示设备小型化、轻薄化、高像质的发展方向。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

1.2<TTL/f<1.5；（1）

其中，f表示所述光学镜头的焦距，TTL表示所述光学镜头的光学总长，即图像源的发射面到第一透镜的出光面在光轴上的距离。满足上述条件式（1），能够合理地控制所述光学镜头的焦距和总长，能够使所述光学镜头具有较短的光学总长，减小系统体积。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

-0.8<f1/f5<0（2）；

其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f5表示所述第五透镜的焦距。满足上述条件式（2），能够有效增大镜头的通光量，实现镜头的大光圈效果，从而使进入镜头的光线多，呈现明亮、清晰的图像。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

1<f2/f<2；（3）

-5<R4/f2<-1；（4）

其中，f表示所述光学镜头的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距，R4表示所述第二透镜的入光面的曲率半径。满足上述条件式（3）和（4），能够合理控制第二透镜的焦距和面型，有利于提高近轴视场的解像品质，同时有利于减小所述光学镜头的总长，实现所述光学镜头高成像质量和体积小型化的均衡。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

0.08<CT34/TTL<0.15；（5）

其中，CT34表示所述第三透镜和所述第四透镜在光轴上的空气间隔，TTL表示所述光学镜头的光学总长。满足上述条件式（5），能够合理地控制第三透镜和第四透镜在光轴上的距离，能够使所述光学镜头结构更加紧凑，有利于缩短所述光学镜头的光学总长，实现系统体积的小型化。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

-0.8<f4/f5<0；（6）

其中，f4表示所述第四透镜的焦距，f5表示所述第五透镜的焦距。满足上述条件式（6），通过合理控制第四透镜与第五透镜的焦距比值，使镜头在RGB不同波长下均具有较好的成像质量，提高镜头在全视场的解像能力。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

1<R5/f3<10；（7）

其中，f3表示所述第三透镜的焦距，R5表示所述第三透镜的出光面的曲率半径。满足上述条件式（7），能够合理控制所述第三透镜的焦距和面型，减小光线出射第三透镜出光面时的出射角，有利于校正像差，提高所述光学镜头的解像品质。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

-15<R7/f4<0；（8）

其中，f4表示所述第四透镜的焦距，R7表示所述第四透镜的出光面的曲率半径。满足上述条件式（8），能够使整体光路更紧凑，有利于系统的整体小型化。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

1<(R7+R8)/(R7-R8)<5；（9）

其中，R7表示所述第四透镜出光面的曲率半径，R8表示所述第四透镜入光面的曲率半径。满足上述条件式（9），能够合理控制所述第四透镜的面型，减缓光线的曲折度，有利于校正所述光学镜头的光学畸变。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

-20<f5/f<-1；（10）

1<(R9+R10)/(R9-R10)<10；（11）

其中，f表示所述光学镜头的焦距，f5表示所述第五透镜的焦距，R9表示所述第五透镜出光面的曲率半径，R10表示所述第五透镜入光面的曲率半径。满足上述条件式（10）和（11），能够合理控制第五透镜的面型，有利于矫正光学畸变和像差，提高所述光学镜头的成像品质。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

1<CT5/CT4<2.5；（12）

其中，CT4表示所述第四透镜在光轴上的中心厚度，CT5表示所述第五透镜在光轴上的中心厚度。满足上述条件式（12），能够合理分配所述第四透镜和所述第五透镜的中心厚度，有利于减小所述光学镜头的敏感度，提高生产良率，同时使所述光学镜头的结构紧凑，实现所述光学镜头的小型化。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

0.5<R1/f1<0.8；（13）

-5<(R1+R2)/( R1-R2)<-1；（14）

其中，f1表示所述第一透镜的焦距，R1表示所述第一透镜的出光面的曲率半径，R2表示所述第一透镜的入光面的曲率半径。满足上述条件式（13）和（14），能够合理控制第一透镜的面型和焦距，有利于增大所述光学镜头的通光量，提高成像质量。

作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：

0.7<f1/f2<1.2；（15）

-3<f2/f3<-1；（16）

其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距。满足上述条件式（15）和（16），能够合理分配第一透镜至第三透镜的焦距，有利于实现所述光学镜头长焦距和高像素的均衡，同时有利于缩短所述光学镜头的总长。

作为一种实施方式，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜可以分别是球面镜片或者非球面镜片。可选的，第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均采用塑胶非球面镜片，第一透镜采用玻璃球面镜片。采用非球面镜片，可以有效减少镜片的数量，修正像差，提供更好的光学性能。

此外，作为一种实施方式，当光学镜头中的透镜为非球面透镜时，光学镜头的各个非球面面型可以均满足下列方程：

，

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数conic，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下每个实施例中，光学镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径有所不同，具体不同可参见各实施例中的参数表。

第一实施例

请参阅图1，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100的结构示意图，光学镜头100用于对图像源410发出的光信号进行调制，且光学镜头100设置于所述图像源410的出光方向上，也即图像源410的发射面为光信号的入光侧S11。光学镜头100沿光轴从光信号传输的反方向（即从光信号的出光侧到入光侧S11）依次设置有：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5；第一透镜L1为玻璃球面镜片，第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5均为塑胶非球面镜片。

其中，第一透镜L1具有正光焦度，第一透镜的出光面S1为凸面，第一透镜的入光面S2为凹面。

第二透镜L2具有正光焦度，第二透镜的出光面S3在近光轴处为凸面，第二透镜的入光面S4为凸面。

第三透镜L3具有负光焦度，第三透镜的出光面S5为凹面，第三透镜的入光面S6为凹面。

第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的出光面S7为凹面，第四透镜的入光面S8为凸面。

第五透镜L5具有负光焦度，第五透镜的出光面S9在近光轴处为凸面，第五透镜的入光面S10为凹面。

请参照表1，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100中各个镜片的相关参数。

表1

请参照表2，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100的各非球面的面型系数。

表2

请参照图2和图3所示分别为第一实施例中光学镜头100的象散曲线图、光学畸变曲线图。

图2的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。其中，图2中横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示视场角（单位：度）。从图2中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.05毫米以内，说明光学镜头100的象散矫正良好。

图3的畸变曲线表示成像面上不同像高处的畸变。其中，图3中横轴表示f-tan(θ)畸变百分比，纵轴表示视场角（单位：度）。从图3中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在±0.5%以内，说明光学镜头100的畸变得到良好的矫正。

第二实施例

如图4所示，为本发明第二实施例提供的光学镜头200的结构示意图，本实施例中的光学镜头200的结构与第一实施例中的光学镜头100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、非球面系数、厚度、材质有所差异。

请参照表3，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头200中各个镜片的相关参数。

表3

请参照表4，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头200的各非球面的面型系数。

表4

请参照图5及图6所示分别为第二实施例中光学镜头200的象散曲线图、光学畸变曲线图。

图5的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图5中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.03毫米以内，说明光学镜头200的象散矫正良好。

图6畸变曲线表示成像面上不同像高处的畸变。从图6中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在0.5%以内，说明光学镜头200的畸变得到良好的矫正。

第三实施例

如图7所示，为本发明第三实施例提供的光学镜头300的结构示意图，本实施例中的光学镜头300的结构与第一实施例中的光学镜头100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、非球面系数、厚度、材质有所差异。

请参照表5，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头中各个镜片的相关参数。

表5

请参照表6，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头300的各非球面的面型系数。

表6

请参照图8及图9，所示分别为第三实施例中光学镜头300的结构图、象散曲线图、光学畸变曲线图。

图8的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图8中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.05毫米以内，说明光学镜头300的象散矫正良好。

图9畸变曲线表示成像面上不同像高处的畸变。从图9中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在±0.2%以内，说明光学镜头300的畸变得到良好的矫正。

请参照表7，所示是上述三个实施例提供的光学镜头分别对应的光学特性。其中，光学特性主要包括光学镜头的焦距f、光圈数F#、光学总长TTL及视场角FOV，以及与前述每个条件式对应的相关数值。

表7

综上，本发明提供的光学镜头具有以下的优点：

（1）采用五片具有特定屈折力的玻塑混合的镜片结构，有效地缩短镜头总长和减小镜头体积，可搭配0.13英寸显示屏，实现系统体积的小型化和质量的轻量化。

（2）通过各透镜的特定表面形状及光焦度的合理搭配，使光学镜头具有较大的通光量，且有效修正光学畸变（<±0.5%），从而能够满足大视场角且在RGB不同波长下均具高清晰成像需要。

第四实施例

请参阅图10，所示为本发明实施例提供的一种近眼显示系统400，包括图像源410、本申请前述任一实施例中的光学镜头（如光学镜头100）以及光波导件430。

所述图像源410用于发射光信号，所述光信号包括图像信息。具体地，所述图像源410可以为Micro LED、OLED、LCD、LCOS、M-OLED等显示屏中的一种，更为具体地，在本实施例中图像源410可以采用0.13 英寸的Micro LED 显示屏，能够为所述光学镜头100提供高清晰的图像画面信息。

所述光学镜头100设置于所述图像源410的出光方向上，且光学镜头100中的第五透镜相较于第一透镜更靠近所述图像源410设置，所述光学镜头100用于对所述图像源发出的光信号进行调制。

所述光波导件430设置于所述光学镜头100背离所述图像源410的一侧，用于将经所述光学镜头100调制后的光信号传输。所述光波导件430可以为几何光波导、衍射光波导等中的一种，不限于此。

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本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

1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头沿光轴从光信号传输的反方向依次设置有：光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜各自包括一入光面及一出光面，所述入光面和所述出光面相对设置在每个透镜的表面；

所述光学镜头的光圈数<1.3；

所述光学镜头满足以下条件式：

1<R5/f3<10；

其中，f3表示所述第三透镜的焦距，R5表示所述第三透镜的出光面的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

1.2<TTL/f<1.5；

其中，f表示所述光学镜头的焦距，TTL表示所述光学镜头的光学总长。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-0.8<f1/f5<0；

其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f5表示所述第五透镜的焦距。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

1<f2/f<2；

-5<R4/f2<-1；

其中，f表示所述光学镜头的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距，R4表示所述第二透镜的入光面的曲率半径。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.08<CT34/TTL<0.15；

其中，CT34表示所述第三透镜和所述第四透镜在光轴上的空气间隔，TTL表示所述光学镜头的光学总长。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-0.8<f4/f5<0；

其中，f4表示所述第四透镜的焦距，f5表示所述第五透镜的焦距。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-15<R7/f4<0；

其中，f4表示所述第四透镜的焦距，R7表示所述第四透镜的出光面的曲率半径。

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

1<(R7+R8)/(R7-R8)<5；

其中，R7表示所述第四透镜出光面的曲率半径，R8表示所述第四透镜入光面的曲率半径。

9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-20<f5/f<-1；

1<(R9+R10)/(R9-R10)<10；

其中，f表示所述光学镜头的焦距，f5表示所述第五透镜的焦距，R9表示所述第五透镜出光面的曲率半径，R10表示所述第五透镜入光面的曲率半径。

10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

1<CT5/CT4<2.5；

其中，CT4表示所述第四透镜在光轴上的中心厚度，CT5表示所述第五透镜在光轴上的中心厚度。

11.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：

图像源，所述图像源用于发射光信号，所述光信号包括图像信息；

如权利要求1-10任一项所述的光学镜头，所述光学镜头设置于所述图像源的出光方向上，且所述第五透镜相较于所述第一透镜更靠近所述图像源设置，所述光学镜头用于对所述图像源发出的光信号进行调制；以及

光波导件，所述光波导件设置于所述光学镜头背离所述图像源的一侧，用于将经所述光学镜头调制后的光信号传输。