CN208689247U - 一种微型投影镜头及波导近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光学投影领域的微型投影镜头及其波导近眼显示装置，所述微型投影镜头包括：透镜组和光阑，所述透镜组依次设置有：第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述微型投影镜头还包括像反射和/或折射光学元件。所述波导近眼显示装置包括：像源装置、微型投影镜头和衍射波导。本实用新型实施例中的微型投影镜头可以应用于波导式近眼显示装置进行成像且成像效果较好，且所述微型投影镜头为一种光阑置于镜组侧端的、满足成像质量要求的由三片式透镜组成的微型投影镜头，可以在满足输出光束为平行光束、光阑位置位于波导入瞳附近等成像质量要求的同时，实现设备轻小型化。

Description

一种微型投影镜头及波导近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及光学投影领域，特别涉及一种微型投影镜头及其波导近眼显示装置。

背景技术

近年来，虚拟现实与增强现实技术等近眼显示技术得到快速发展，例如Microsoft的HoloLens(一种不受线缆限制的全息计算机设备)，Sony的Smart Eye Glass等增强现实设备(AR眼镜)。增强现实近眼显示技术是一种将光场成像在现实空间的技术，其目标是实现虚拟世界与现实世界的互动，利用光学波导的实现方案已经被采用，该方案可以在减小设备体积、尺寸、质量的同时，实现光线的定向传导。

在实现本实用新型过程中，实用新型人发现以上相关技术中至少存在如下问题：上述波导式近眼显示装置中，光学波导、光学光栅的工作原理已有大量文献可供参考，但为其提供光线输入的光学投影镜头确少有提及与分析，且传统用于成像的光学投影镜头通过采用增加透镜数量、光阑置于投影透镜组中间位置等方式保证成像质量，消除各种像差并提高分辨率，但是这样会导致投影镜头的光学总长度(TTL)增加，进而不利于镜头的小型化；另一方面，由于制作工艺、使用方式等方面的限制，波导等光学元件要求其输入光尺寸、分布有严格要求，进而要求与其配合的投影镜头的光阑位于投影镜头前端。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种小型化的微型投影镜头。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例提供一种微型投影镜头，包括：透镜组和光阑；

所述透镜组具有正光焦度，所述透镜组依次设置有：

第一透镜，具有正光焦度或负光焦度，

第二透镜，具有负光焦度，

第三透镜，具有正光焦度；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述光阑位于同一中心轴上且所述第三透镜靠近所述光阑；

可选的，所述第一透镜包括远离所述光阑的第一面和靠近所述光阑的第二面，且所述第一面为凸面；

所述第一面的有效孔径D11与第二面的有效孔径D12的比值满足0.8<D11/D12<1.1；

所述第一透镜的焦距f1与所述透镜组的总焦距f比值满足0.5<|f1/f|<1.5。

可选的，所述第二透镜为一体成型单透镜或胶合透镜组；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三面和靠近所述光阑的第四面，所述第三面为凹面；

所述第三面有效孔径D21与第四面有效孔径D22的比值满足0.9<D21/D22<1.2；

所述第二透镜的焦距f2与所述透镜组的总焦距f比值满足0.2<|f2/f|<1.2。

可选的，所述第三透镜包括靠近所述第二透镜的第五面和靠近所述光阑的第六面，所述第五面为凸面，所述第六面靠近所述光阑；

所述第五面有效孔径D31与第六面的有效孔径D32的比值满足0.9<D31/D32<1.2；

所述第三透镜的焦距f3与所述透镜组的总焦距f的比值满足0.3<|f3/f|<0.7。

可选的，所述光阑的直径为4mm；所述光阑与所述第六面的距离d等效在空气中满足0<d<7.5mm。

可选的，所述第一透镜的厚度TG1、所述第二透镜的厚度TG2和所述第三透镜的厚度TG3与所述透镜组的厚度为TT的比值满足0.7<(TG1+TG2+TG3)/TT<0.9。

可选的，所述透镜组的最大通光孔径Dmax<6.6mm,所述透镜组长度L_lens<6.5mm；

所述透镜组的总焦距f满足：8.0<f<8.5；

所述透镜组的长度L_lens与所述透镜组的有效焦距f的比值满足L_lens/f<0.80。

可选的，所述透镜组的物方数值孔径NA满足0.2<NA<0.3；

所述透镜组的各视场主光线最大远心角度CRAmax满足tan(CRAmax)<0.035。

可选的，还包括反射和/或折射光学元件，所述反射和/或折射光学元件为一个或多个，所述反射和/或折射光学元件设置在所述第三透镜与所述光阑之间。

为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例提供一种波导近眼显示装置，包括：

像源装置，所述像源靠近第一透镜的第一面，所述像源的最大长度L_img与透镜组的焦距f满足L_img/f<0.45；

上述的微型投影镜头；

衍射波导，所述衍射波导设置在光阑远离透镜组的一侧。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例提供了一种微型投影镜头及其波导近眼显示装置的结构，所述微型投影镜头为一种光阑置于镜组侧端的、满足成像质量要求的由三片式透镜组成的微型投影镜头，可以在满足输出光束为平行光束、光阑位置位于波导入瞳附近等成像质量要求的同时，实现设备轻小型化。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1的光学结构图；

图2为本实用新型第二实施例中微型投影镜头1的光学结构图；

图3为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场传递函数MTF值；

图4为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场全波段的场曲与畸变图；

图5为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场全波段的的垂轴色差图；

图6为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场的点列图；

图7为本使用新型第三实施例中的一种波导近眼显示装置2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

为了便于连接结构限定，本实用新型以光路行进/光轴方向为参考进行部件的位置限定，例如，光通过透镜组10的方向为“前”方向，光路从光阑20射出的方向为“水平”方向。

实施例一和实施例二

请参见图1和图2，本实用新型的实施例提供了一种微型投影镜头1，包括：透镜组10和光阑20，所述透镜组10依次设置有：第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13；所述微型投影镜头1还包括反射和/或折射光学元件30。光通过透镜组10时，分别经过第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13，然后再通过光阑20成像。

上述透镜组10具有正光焦度，所述透镜组依次设置有：第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13，所述第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13的入光面和/或出光面的面型可为球面或非球面，材料可为玻璃或塑料。本实用新型实施例所提供的微型投影镜头1采用三片式透镜组结构，保证投影质量的同时减小体积且输出光束为平行光束，满足波导近眼显示装置对微型投影镜头1的要求。

在本实用新型的第一实施例和第二实施例中，所述透镜组10具有正光焦度，所述透镜组10的总焦距f满足：8.0<f<8.5。所述透镜组10的最大通光孔径Dmax<6.6mm,所述透镜组10长度L_lens<6.5mm。透镜组10的长度L_lens与透镜组10的有效焦距f的比值满足L_lens/f<0.80。所述透镜组10的物方数值孔径NA满足0.2<NA<0.3。所述透镜组10的各视场主光线最大远心角度CRAmax满足tan(CRAmax)<0.035。所述第一透镜11的厚度TG1、所述第二透镜12的厚度TG2和所述第三透镜13的厚度TG3与所述透镜组10的厚度TT的比值满足0.7<(TG1+TG2+TG3)/TT<0.9。通过控制各透镜厚度与透镜组10总厚度的比值，比值大于0.7可充分利用长度空间进行微型投影镜头1像质的改善，同时比值小于0.9则留有一定的用于调节的长度空间，最终贡献于微型投影镜头1长度方向尺寸的控制。

在其他一些实施例中，所述透镜组10可根据实际需要进行等比例的放大或者缩小，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。

上述第一透镜11具有正光焦度或负光焦度，用于缩小透镜组10有效孔径。所述第一透镜11设置在所述和所述第二透镜12之间，所述第一透镜11包括靠近所述的第一面S1和靠近所述光阑20的第二面S2，且所述第一面S1为凸面。

在本实用新型的第一实施例和第二实施例中，所述第一面S1的有效孔径D11与第二面S2的有效孔径D12的比值满足0.8<D11/D12<1.1。通过控制第一透镜11第一面S1和第二面S2各自的有效孔径的比值，从而控制光线于第一透镜11中的传播方向，贡献于透镜组10的最大通光孔径的控制，即有效控制微型投影镜头1的口径大小。所述第一透镜11的焦距f1与所述透镜组10的总焦距f比值满足0.5<|f1/f|<1.5。

在其他一些实施例中，所述第一透镜11可根据实际需要进行等比例的放大或者缩小，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。

上述第二透镜12具有负光焦度，用于平衡各孔径、视场的像差。所述第二透镜12设置在所述第一透镜11和所述第三透镜13之间，所述第二透镜12为一体成型单透镜或胶合透镜组。所述第二透镜12包括靠近所述的第三面S3和靠近所述光阑20的第四面S4，所述第三面S3为凹面。

在本实用新型的第一实施例和第二实施例中，所述第三面S3有效孔径D21与第四面S4有效孔径D22的比值满足0.9<D21/D22<1.2。通过控制第二透镜12第三面S3和第四面S4各自的有效孔径的比值，从而控制光线于第二透镜12中的传播方向，贡献于透镜组10的最大通光孔径的控制，即有效控制微型投影镜头1的口径大小。所述第二透镜12的焦距f2与所述透镜组10的总焦距f比值满足0.2<|f2/f|<1.2。

在其他一些实施例中，所述第二透镜12可根据实际需要进行等比例的放大或者缩小，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。

上述第三透镜13具有正光焦度，用于准直光路，平衡各孔径、视场的像差。所述第三透镜13设置在所述第二透镜12的前面。所述第三透镜13包括靠近所述的第五面S5和靠近所述光阑20的第六面S6，所述第五面S5为凸面，所述第六面S6靠近所述光阑20。

在本实用新型的第一实施例和第二实施例中，所述第五面S5有效孔径D31与第六面S6的有效孔径D32的比值满足0.9<D31/D32<1.2。通过控制第三透镜13第五面S5和第六面S6各自的有效孔径的比值，从而控制光线于第三透镜13中的传播方向，贡献于透镜组10的最大通光孔径的控制，即有效控制投影镜头1的口径大小。所述第三透镜13的焦距f3与所述透镜组10的总焦距f的比值满足0.3<|f3/f|<0.7。在本实用新型的第一实施例中，所述第三透镜13放置在所述第二透镜12和所述光阑20之间。在本实用新型的第二实施例中，所述第三透镜13放置在所述第二透镜12和第一反射面31之间。

在其他一些实施例中，所述第三透镜13可根据实际需要进行等比例的放大或者缩小，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。

上述光阑20用于限制视场大小成像，所述光阑20靠近所述第三透镜13的第六面S6，所述光阑20中心位于光轴中心上且垂直于光轴。所述光阑20，所述第一透镜11、所述第二透镜12、所述第三透镜13和所述光阑20位于同一中心轴上。

在本实用新型的第一实施例和第二实施例中，所述光阑20的直径为4mm；所述光阑20与所述第六面S6的距离d等效在空气中满足0<d<7.5mm。在本实用新型的第一实施例中，所述光阑20设置在靠近所述第三透镜13第六面S6的一侧。在本实用新型的第二实施例中，所述光阑20设置在靠近第二反射面32的一侧。

在其他一些实施例中，所述光阑20可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏等用于限制光束或限制视场大小的光学元件，且所述光阑20可根据实际需要进行等比例的放大或者缩小，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。

在其他一些实施例中，所述光阑20可根据实际需要进行等比例的放大或者缩小，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。

上述反射和/或折射光学元件30设置在所述第三透镜13和所述光阑20之间。所述反射和/或折射光学元件30可使其物理距离继续拉长，通过反射和/或折射，使可光阑20处于透镜组10出光线方向的任意方向，从而使微型投影镜头1的定位、光线传输方向的控制更为灵活。

在本实用新型的第一实施例中，不设置有反射和/或折射光学元件30，光通过光阑20直接成像。

在本实用新型的第二实施例中，设置有两个反射和/或折射光学元件30，在透镜组10和光阑20之间设置第一反射面31和第二反射面32，使出自透镜组10的水平光束分别经第一反射面31和第二反射面32反射后入射至光阑20。出自透镜组10的水平光束经第一反射面31反射后入射到第二反射面32，再经第二反射面32反射后入射到光阑20，通过光阑20后进行成像。

在其他一些实施例中，所述反射和/或折射光学元件30选择反射元件或折射元件、所述反射和/或折射光学元件30的数量和方向、所述反射元件的反射率和折射元件的折射率皆可依据需求进行设置，所述反射和/或折射光学元件30的大小可进行等比例放大，不需拘泥于本实施例的限定。

图3为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场传递函数MTF值。如图所示，微型投影镜头1在90lp/mm的空间频率下全视场光学传递函数MTF>35％；在45lp/mm的空间频率下全视场光学传递函数MTF>65％，指标较高。

图4为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场全波段的场曲与畸变图。如图所示，微型投影镜头1的场曲控制在<0.12mm内，畸变控制在<0.8％内。

图5为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场全波段的的垂轴色差图。如图所示，微型投影镜头1垂轴色差不超过2μm。

图6为本实用新型第一实施例中微型投影镜头1全视场的点列图。如图所示，rms半径<6.5μm。

实施例三

请参见图7，本实用新型的实施例提供了一种波导近眼显示装置2，包括：像源装置100、微型投影镜头200和衍射波导300。光从所述像源装置100发出，经过所述微型投影镜头200成像，人眼再通过衍射波导300接收成像信息。

上述像源装置100用于输出携带成像信息的光束至透镜组10。所述像源装置100内部设置有显示芯片，且所述显示芯片为DMD/Lcos/LCD等。再本实用新型的第三实施例中，所述像源装置100的最大长度L_img与透镜组10的焦距f满足L_img/f<0.45。在其他一些实施例中，所述像源装置100可根据实际需要进行等比例的放大或者缩小，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。

上述微型投影镜头200为上述实施例一或实施例二中任一项所述的微型投影镜头1，包括：透镜组10、光阑20和反射和/或折射光学元件30。所述微型投影镜头200用于投影放大成像。

上述衍射波导300设置在光阑20前方，用于将光束限制在衍射波导300内传播。

通过本实用新型实施例的结构设计，本实用新型实施例中的微型投影镜头采用三片式透镜组成的微型投影镜头，实现设备小型化。同时在光阑和衍射波导之间设置有一个或者多个反射和/或折射光学元件，利用反射、折射等附加结构可以实现光线的不同方向偏转从而改变光路方向，减少物理距离的同时还使镜头定位更灵活。本实用新型实施例中的微型投影镜头可以应用于波导式近眼显示装置进行成像且成像效果较好。

本实用新型实施例提供了一种微型投影镜头及其波导近眼显示装置的结构，所述微型投影镜头为一种光阑置于镜组侧端的、满足成像质量要求的由三片式透镜组成的微型投影镜头，可以在满足输出光束为平行光束、光阑位置位于波导入瞳附近等成像质量要求的同时，实现设备轻小型化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中区域技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微型投影镜头，其特征在于，包括：透镜组和光阑；

所述透镜组具有正光焦度，所述透镜组依次设置有：

第一透镜，具有正光焦度或负光焦度，

第二透镜，具有负光焦度，

第三透镜，具有正光焦度；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述光阑位于同一中心轴上且所述第三透镜靠近所述光阑。

2.根据权利要求1所述的微型投影镜头，其特征在于，

所述第一透镜包括远离所述光阑的第一面和靠近所述光阑的第二面，且所述第一面为凸面；

所述第一面的有效孔径D11与第二面的有效孔径D12的比值满足0.8<D11/D12<1.1；

所述第一透镜的焦距f1与所述透镜组的总焦距f比值满足0.5<|f1/f|<1.5。

3.根据权利要求1所述的微型投影镜头，其特征在于，

所述第二透镜为一体成型单透镜或胶合透镜组；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三面和靠近所述光阑的第四面，所述第三面为凹面；

所述第三面有效孔径D21与第四面有效孔径D22的比值满足0.9<D21/D22<1.2；

所述第二透镜的焦距f2与所述透镜组的总焦距f比值满足0.2<|f2/f|<1.2。

4.根据权利要求1所述的微型投影镜头，其特征在于，

所述第三透镜包括靠近所述第二透镜的第五面和靠近所述光阑的第六面，所述第五面为凸面；

所述第五面有效孔径D31与第六面的有效孔径D32的比值满足0.9<D31/D32<1.2；

所述第三透镜的焦距f3与所述透镜组的总焦距f的比值满足0.3<|f3/f|<0.7。

5.根据权利要求4所述的微型投影镜头，其特征在于，

所述光阑的直径为4mm；所述光阑与所述第六面的距离d等效在空气中满足0<d<7.5mm。

6.根据权利要求1所述的微型投影镜头，其特征在于，

所述第一透镜的厚度TG1、所述第二透镜的厚度TG2和所述第三透镜的厚度TG3与所述透镜组的厚度为TT的比值满足0.7<(TG1+TG2+TG3)/TT<0.9。

7.根据权利要求1所述的微型投影镜头，其特征在于，

所述透镜组的最大通光孔径Dmax<6.6mm,所述透镜组长度L_lens<6.5mm；

所述透镜组的总焦距f满足：8.0<f<8.5；

所述透镜组的长度L_lens与所述透镜组的有效焦距f的比值满足L_lens/f<0.80。

8.根据权利要求1所述的微型投影镜头，其特征在于，还包括反射和/或折射光学元件，所述反射和/或折射光学元件为一个或多个，所述反射和/或折射光学元件设置在所述第三透镜与所述光阑之间。

9.根据权利要求1所述的微型投影镜头，其特征在于，

所述透镜组的物方数值孔径NA满足0.2<NA<0.3；

所述透镜组的各视场主光线最大远心角度CRAmax满足tan(CRAmax)<0.035。

10.一种波导近眼显示装置，其特征在于，包括：

像源装置，所述像源靠近第一透镜的第一面，所述像源的最大长度L_img与透镜组的焦距f满足L_img/f<0.45；

上述权利要求1-9任一项所述的微型投影镜头；

衍射波导，所述衍射波导设置在光阑远离透镜组的一侧。