CN115855447B - 一种检测大视场不同屈光度光波导ar眼镜的投影镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，包括沿着光轴由物侧至像侧依次排列的测试目标靶、待测光波导AR眼镜片、镜头组件、相机接收面，待测光波导AR眼镜片距离测试目标靶1.54±0.05米，照亮测试目标靶，到达光波导AR眼镜片的视场角为±43.5°，镜头组件入瞳距离待测光波导AR眼镜片10±1毫米，入瞳尺寸3mm，镜头组件从入瞳沿着光轴依次设有：成像镜头组、中继系统、滤光组件，成像镜头组与中继系统之间空气间隔为65毫米～69.5毫米。本发明提供了一种检测光波导AR眼镜片设计缺陷及加工质量的光路结构以及光学设计方法，解决了现有技术中大视场下、不同屈光度光波导AR眼镜片质量检测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及不同屈光度光波导AR眼镜技术领域，特别是涉及一种检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头。
背景技术
AR技术近年来广受关注，其原理是将显示器上的像素内容，通过一系列光学元件形成远处的虚像，并投射到人眼中，AR技术中最重要的环节就是如何将虚拟的信息投射到人眼，现有技术中最常用的光学显示技术方案是光波导技术，利用全反射的原理，将显示屏中的图像传输到人们的视野中，光波导的运用使得AR眼镜变得更加轻薄，不需要很多的棱镜系统及反射转像系统，但近视或远视人群同时佩戴近视眼镜或远视眼镜和AR眼镜会大大降低体验感受，同时结构上也难以实现，带有屈光度的光波导AR眼镜就可以解决这样的问题，同时为了让用户达到更舒适，更刺激的体验，光波导AR眼镜的发展趋势是体积越来越轻便，视场越来越大，当视场增大，带有屈光度的光波导片的成像质量就会受到很大的影响，如何检测大视场情况下不同屈光度AR光学显示波导片的成像质量就成为现有技术中需要解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够检测光波导AR眼镜片设计缺陷及加工质量的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头。
技术方案：为实现上述目的，本发明所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，包括：沿着光轴由物侧至像侧依次排列的测试目标靶、待测光波导AR眼镜片、镜头组件、相机接收面，待测光波导AR眼镜片距离测试目标靶为1.54±0.05米，照亮测试目标靶，到达光波导AR眼镜片的视场角为±43.5°，镜头组件入瞳距离待测光波导AR眼镜片为10±1毫米，入瞳尺寸为3mm，镜头组件从入瞳沿着光轴依次设有：成像镜头组、中继系统、滤光组件，成像镜头组与中继系统之间空气间隔为65毫米～69.5毫米。
成像镜头组依次设有：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，第一透镜为负焦距的凹凸透镜，与第二透镜空气间隔厚度0.8毫米，第二透镜为正焦距的双凸透镜，与第三透镜空气间隔厚度0.5毫米，第三透镜、第四透镜为双胶合透镜，成像镜头组焦距f14’与整个镜头组件的焦距f’满足：-1<f14’/f’<-0.5。
沿着光轴由物侧至像侧，第一透镜前表面和后表面曲率半径分别为-28.4毫米、-19.2毫米，第二透镜前表面和后表面曲率半径分别为-315毫米、-32.7毫米，第三透镜、第四透镜前表面、中间表面、后表面曲率半径分别为92.5毫米、-23.5毫米、-106毫米，负值代表镜片球面方向朝像侧，正值代表球面方向朝物侧。第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的折射率依次为1.74、1.75、1.6、1.78，阿贝数依次为49.3、51、65、25.8。
中继系统依次设有：第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜，第五透镜为正焦距双凸透镜，与第六透镜空气间隔的厚度24毫米，第六透镜、第七透镜为双胶合透镜，沿着光轴由物侧至像侧，第七透镜的后表面构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑，与第八透镜空气间隔的厚度4毫米，第八透镜、第九透镜为双胶合透镜，构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑，与第十透镜空气间隔的厚度1毫米+2.5毫米，第十透镜构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑。
沿着光轴由物侧至像侧，第五透镜前表面和后表面曲率半径分别为75毫米、-93毫米，第六透镜、第七透镜前表面、中间表面、后表面曲率半径分别为18毫米、-95毫米、12.2毫米，第八透镜、第九透镜前表面和后表面曲率半径分别为-7毫米、-5毫米、-12毫米，第十透镜前表面和后表面曲率半径分别为-48毫米、-16毫米，负值代表镜片球面方向朝像侧，正值代表球面方向朝物侧。
第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜折射率依次为1.62、1.76、1.76、1.6、1.81、1.78，阿贝数依次为63.4、52、26、55.5、25.5、25.7。
滤光组件依次设有：第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜(33.4)，均为平面，曲率半径无穷大，第十一透镜与第十透镜空气间隔厚度21毫米，与第十二透镜空气间隔的厚度8.6毫米，第十二透镜和第十三透镜之间空气间隔的厚度2.7毫米，第十三透镜与第十四透镜空气间隔的厚度9.7毫米，第十四透镜与相机接收面空气间隔的厚度0毫米。
第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜折射率依次为1.517、1.52、1.52、1.52，阿贝数依次为64.19、64.2、64.2、64.2。
第十一透镜至第十四透镜为用于从白光中滤出红、绿、蓝三种颜色光的滤光片。
有益效果：本发明具有如下优点：1、本发明通过调整成像镜头组与中继系统之间的空气间隔，补偿不同屈光度带来的不同场曲的问题，提供了一种检测光波导AR眼镜片设计缺陷及加工质量的光路结构以及光学设计方法，解决了大视场下、不同屈光度光波导AR眼镜片质量检测的问题；
2、在检测过程中，镜头组件把测试目标靶经过光波导AR眼镜片后成的像再次成像至相机接收面，根据相机接收面接收到的图像质量来判断待测光波导AR眼镜片的质量是否满足要求；
3、本发明利用成像镜头组、中继系统以及改变之间的空气间隔对不同屈光度的光波导AR眼镜片成像像质进行优化，并能够拉长中继系统的后焦，便于后续安装滤光组件。
4、本发明采用滤光组件，从白光中滤出红、绿、蓝三种颜色的光，能够单独对红、绿、蓝三色光的成像质量进行判断。
附图说明
图1为本发明投影镜头光路图；
图2为本发明投影镜头结构图；
图3为模拟光波导AR眼镜片投影成像光路图；
图4为-0.65D光波导片成像场曲图；
图5为-2D光波导片成像场曲图；
图6为-4D光波导片成像场曲图；
图7为待测光波导AR眼镜片2屈光度为+0.65D时投影镜头光路图；
图8为待测光波导AR眼镜片2屈光度为0D时投影镜头光路图；
图9为待测光波导AR眼镜片2屈光度为-1D时投影镜头光路图；
图10为待测光波导AR眼镜片2屈光度为-2D时投影镜头光路图；
图11为待测光波导AR眼镜片2屈光度为-3D时投影镜头光路图；
图12为待测光波导AR眼镜片2屈光度为-4D时投影镜头光路图；
图13为具体实施例光学系统MTF；
图14为具体实施例光学系统垂轴色差；
图15为具体实施例光学系统波像差；
图16为具体实施例光学系统校正后的场曲图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明。
如图1和图2所示，一种检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，包括：沿着光轴由物侧至像侧依次排列的测试目标靶1、待测光波导AR眼镜片2、镜头组件3、相机接收面4，待测光波导AR眼镜片2距离测试目标靶11.54米，照亮测试目标靶1，到达光波导AR眼镜片2的视场角为±43.5°，镜头组件3的入瞳位于最前方，便于和待测光波导AR眼镜片2的出瞳进行对接，入瞳距离待测光波导AR眼镜片2为10mm，便于模拟人眼真实戴眼镜的情况，入瞳尺寸3mm，真实模拟人眼，镜头组件3把测试目标靶1经过光波导AR眼镜片2后成的像再次成像至相机接收面4，再通过软件去分析接收相面的成像质量，判断光波导AR眼镜质量的好坏。
镜头组件3从入瞳沿着光轴依次设有：成像镜头组31、中继系统32、滤光组件33，为了将测试目标靶1经过不同屈光度待测光波导AR眼镜片2后引入的不同的场曲弯曲像的误差，校正成平场的图像，把成像镜头组31与中继系统32之间空气间隔5设为变量，利用空气间隔5的改变来补偿由于测光波导AR眼镜片2的屈光度的改变带来的场曲的改变。
为了适应不同的人群佩戴AR眼镜，待测光波导AR眼镜片2会被制造成带有多种不同的屈光度结构，待测光波导AR眼镜片2是由一个平面和一个面球面构成，厚度0.5-1mm。把待测光波导AR眼镜片2、镜头组件3组成一个光学系统，优化测试目标靶1经过光学系统后的成像质量，使整个系统成完美像。
表1给出具体实施的镜头组件3系统布局参数：成像镜头组31依次设有：第一透镜31.1、第二透镜31.2、第三透镜31.3、第四透镜31.4，第一透镜31.1为负焦距的凹凸透镜，厚度15.8毫米，表面序号为S01、S02，与第二透镜31.2空气间隔厚度0.8毫米，第二透镜31.2为正焦距的双凸透镜，厚度6毫米，表面序号为S03、S04，与第三透镜31.3空气间隔厚度0.5毫米，第三透镜31.3、第四透镜31.4为双胶合透镜，厚度依次为9.3毫米、12.3毫米，表面序号为S05、S06、S07，第四透镜31.4与中继系统32之间的空气间隔5厚度65毫米，成像镜头组焦距f14’与整个镜头组件的焦距f’满足：-1<f14’/f’<-0.5。
S01面曲率半径-28.4毫米，S02面曲率半径-19.2毫米，S03面曲率半径-315毫米，S04面曲率半径-32.7毫米，S05面曲率半径92.5毫米，S06面曲率半径-23.5毫米，S07面曲率半径-106毫米，负值代表镜片球面方向朝像侧，正值代表球面方向朝物侧。第一透镜31.1、第二透镜31.2、第三透镜31.3、第四透镜31.4的折射率依次为1.74、1.75、1.6、1.78，阿贝数依次为49.3、51、65、25.8。
中继系统32依次设有：第五透镜32.1、第六透镜32.2、第七透镜32.3、第八透镜32.4、第九透镜32.5、第十透镜32.6，第五透镜32.1为正焦距双凸透镜，厚度6毫米，表面序号为S08、S09，与第六透镜32.2空气间隔的厚度24毫米，第六透镜32.2、第七透镜32.3为双胶合透镜，厚度依次为12毫米、5毫米，表面序号为S10、S11、S12，面S12朝向入瞳共轭虚拟光阑，与第八透镜32.4空气间隔的厚度4毫米，第八透镜32.4、第九透镜32.5为双胶合透镜，构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑，厚度依次为4.2毫米、2.5毫米，表面序号为S13、S14、S15，与第十透镜32.6空气间隔的厚度1毫米+2.5毫米，第十透镜32.6构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑，厚度3.7毫米，表面序号为S16、S17。
S08面曲率半径75毫米，S09面曲率半径-93毫米，S10面曲率半径18毫米，S11面曲率半径-95毫米，S12面曲率半径12.2毫米，S13面曲率半径-7毫米，S14面曲率半径-5毫米，S15面曲率半径-12毫米，S16面曲率半径-48毫米，S17面曲率半径-16毫米，负值代表镜片球面方向朝像侧，正值代表球面方向朝物侧。第五透镜32.1、第六透镜32.2、第七透镜32.3、第八透镜32.4、第九透镜32.5、第十透镜32.6折射率依次为1.62、1.76、1.76、1.6、1.81、1.78，阿贝数依次为63.4、52、26、55.5、25.5、25.7。
中继系统32使用了双高斯的结构，可以使系统的后焦拉长，便于后续安装滤光组件33等部件。
滤光组件33依次设有：第十一透镜33.1、第十二透镜33.2、第十三透镜33.3、第十四透镜33.4，均为平面，表面序号依次为：S18、S19、S20、S21、S22、S23、S24、S25，曲率半径无穷大，第十一透镜33.1厚度5.6毫米，与第十透镜32.6空气间隔厚度21毫米，与第十二透镜33.2空气间隔的厚度8.6毫米，第十二透镜33.2和第十三透镜33.3厚度1毫米，之间空气间隔的厚度2.7毫米，第十三透镜33.3与第十四透镜33.4空气间隔的厚度9.7毫米，第十四透镜33.4厚度0.8毫米，第十四透镜33.4与相机接收面空气间隔的厚度0毫米。第十一透镜33.1、第十二透镜33.2、第十三透镜33.3、第十四透镜33.4折射率依次为1.517、1.52、1.52、1.52，阿贝数依次为64.19、64.2、64.2、64.2。第十一透镜33.1至第十四透镜33.4为能从白光中滤出红、绿、蓝三种颜色光的滤光片，使投影镜头单独对红、绿、蓝三色光的成像质量进行判断。
工作过程：如图1，测试目标靶1经过均匀照明发出光线，经过待测光波导AR眼镜片2、镜头组件3最终成像在相机接收面4上。
如图3所示，为测试目标靶1发出的光线经过待测光波导AR眼镜片2之后的成像光路，光线经过不同屈光度待测光波导AR眼镜片2后产生的场曲如图4至图6所示的，屈光度为-0.65D的待测光波导片AR眼镜片2将会产生1000毫米的场曲，屈光度为-2D的待测光波导片AR眼镜片2将会产生250毫米的场曲，屈光度为-4D的待测光波导片AR眼镜片2将会产生150毫米的场曲。不同屈光度的待测光波导片AR眼镜片2会产生不同的场曲，可以通过改变空气间隔5的尺寸以达到校正不同场曲的目的。
如图7所示，待测光波导AR眼镜片2屈光度为+0.65D时，空气间隔5的厚度为65毫米；如图8所示，待测光波导AR眼镜片2屈光度为0D时，空气间隔5的厚度为65.5毫米；如图9所示，待测光波导AR眼镜片2屈光度为-1D时，空气间隔5的厚度为66.5毫米；如图10所示，待测光波导AR眼镜片2屈光度为-2D时，空气间隔5的厚度为67.5毫米；如图11所示，待测光波导AR眼镜片2屈光度为-3D时，空气间隔5的厚度为68.5毫米；如图12所示，待测光波导AR眼镜片2屈光度为-4D时，空气间隔5的厚度为69.5毫米。
如图13所示，为具体实施例光学系统MTF，经过校正后的测试系统的MTF性能良好，如图14所示，为具体实施例光学系统垂轴色差，校正后的测试系统垂轴色差在衍射极限范围之内，如图15所示，为具体实施例光学系统波像差，如图16所示，为具体实施例光学系统校正后的场曲图，经过校正后测试系统的场曲值小于0.5毫米。
综上所述，校正不同屈光度的待测光波导AR眼镜片2引入的场曲，在镜头组件3中引入空气间隔5，在测试不同屈光度的待测光波导AR眼镜片2时，通过改变空气间隔5的尺寸来校正不同场曲，最终整个测试光学系统性能良好，在测试时根据相机接收面4接收到的图像质量的变化来判断待测光波导AR眼镜片2的质量是否满足要求。
Claims (10)
1.一种检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：包括：沿着光轴由物侧至像侧依次排列的测试目标靶(1)、待测光波导AR眼镜片(2)、镜头组件(3)、相机接收面(4)，待测光波导AR眼镜片(2)距离测试目标靶(1)为1.54±0.05米，照亮测试目标靶(1)，到达光波导AR眼镜片(2)的视场角为±43.5°，镜头组件(3)入瞳距离待测光波导AR眼镜片(2)为10±1毫米，入瞳尺寸为3毫米，入瞳与光波导AR眼镜片(2)的出瞳；镜头组件(3)从入瞳沿着光轴依次设有：成像镜头组(31)、中继系统(32)、滤光组件(33)；成像镜头组(31)由第一透镜(31.1)、第二透镜(31.2)、第三透镜(31.3)、第四透镜(31.4)透镜组成，中继系统(32)由第五透镜(32.1)、第六透镜(32.2)、第七透镜(32.3)、第八透镜(32.4)、第九透镜(32.5)、第十透镜(32.6)组成；光波导AR眼镜片(2)和成像镜头组(31)对测试目标靶(1)进行第一次成像，中继系统(32)将第一次成像再次成像至相机接收面(4)，同时成像镜头组(31)与中继系统(32)之间空气间隔(5)为65毫米～69.5毫米，该投影镜头对+0.65D～-4D范围内的不同屈光度的光波导AR眼镜进行检测。
2.根据权利要求1所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：第一透镜(31.1)为负焦距的凹凸透镜，与第二透镜(31.2)空气间隔厚度0.8毫米，第二透镜(31.2)为正焦距的双凸透镜，与第三透镜(31.3)空气间隔厚度0.5毫米，第三透镜(31.3)、第四透镜(31.4)为双胶合透镜，成像镜头组(31)焦距f14’与整个镜头组件(3)的焦距f’满足：-1<f14’/f’<-0.5。
3.根据权利要求2所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：沿着光轴由物侧至像侧，第一透镜(31.1)前表面和后表面曲率半径分别为-28.4毫米、-19.2毫米，第二透镜(31.2)前表面和后表面曲率半径分别为-315毫米、-32.7毫米，第三透镜(31.3)、第四透镜(31.4)前表面、中间表面、后表面曲率半径分别为92.5毫米、-23.5毫米、-106毫米，负值代表镜片球面方向朝像侧，正值代表球面方向朝物侧。
4.根据权利要求2所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：第一透镜(31.1)、第二透镜(31.2)、第三透镜(31.3)、第四透镜(31.4)的折射率依次为1.74、1.75、1.6、1.78，阿贝数依次为49.3、51、65、25.8。
5.根据权利要求1所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：第五透镜(32.1)为正焦距双凸透镜，与第六透镜(32.2)空气间隔的厚度24毫米，第六透镜(32.2)、第七透镜(32.3)为双胶合透镜，沿着光轴由物侧至像侧，第七透镜(32.3)的后表面构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑，与第八透镜(32.4)空气间隔的厚度4毫米，第八透镜(32.4)、第九透镜(32.5)为双胶合透镜，构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑，与第十透镜(32.6)空气间隔的厚度1毫米+2.5毫米，第十透镜(32.6)构成凹面朝向入瞳共轭虚拟光阑。
6.根据权利要求5所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：沿着光轴由物侧至像侧，第五透镜(32.1)前表面和后表面曲率半径分别为75毫米、-93毫米，第六透镜(32.2)、第七透镜(32.3)前表面、中间表面、后表面曲率半径分别为18毫米、-95毫米、12.2毫米，第八透镜(32.4)、第九透镜(32.5)前表面和后表面曲率半径分别为-7毫米、-5毫米、-12毫米，第十透镜(32.6)前表面和后表面曲率半径分别为-48毫米、-16毫米，负值代表镜片球面方向朝像侧，正值代表球面方向朝物侧。
7.根据权利要求5所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：第五透镜(32.1)、第六透镜(32.2)、第七透镜(32.3)、第八透镜(32.4)、第九透镜(32.5)、第十透镜(32.6)折射率依次为1.62、1.76、1.76、1.6、1.81、1.78，阿贝数依次为63.4、52、26、55.5、25.5、25.7。
8.根据权利要求1所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：滤光组件(33)依次设有：第十一透镜(33.1)、第十二透镜(33.2)、第十三透镜(33.3)、第十四透镜(33.4)，均为平面，曲率半径无穷大，第十一透镜(33.1)与第十透镜(32.6)空气间隔厚度21毫米，与第十二透镜(33.2)空气间隔的厚度8.6毫米，第十二透镜(33.2)和第十三透镜(33.3)之间空气间隔的厚度2.7毫米，第十三透镜(33.3)与第十四透镜(33.4)空气间隔的厚度9.7毫米，第十四透镜(33.4)与相机接收面空气间隔的厚度0毫米。
9.根据权利要求8所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：第十一透镜(33.1)、第十二透镜(33.2)、第十三透镜(33.3)、第十四透镜(33.4)折射率依次为1.517、1.52、1.52、1.52，阿贝数依次为64.19、64.2、64.2、64.2。
10.根据权利要求8所述的检测大视场不同屈光度光波导AR眼镜的投影镜头，其特征在于：第十一透镜(33.1)至第十四透镜(33.4)为用于从白光中滤出红、绿、蓝三种颜色光的滤光片。
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