CN212160224U - Lcos或oled微显示器小型高分辨率目镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，目镜包括沿光路依次设置的窗口镜、第一透镜组、第二透镜，窗口镜倾斜设置，第一透镜组与第二透镜同轴设置；窗口镜为平面镜，第一透镜组的光输入面为凸面，第一透镜组的光输出面为凹面；第二透镜的光输入面为凸面，第二透镜的光输出面为凹面或凸面；第一透镜组包括紧密贴合的第三透镜以及第四透镜，第三透镜靠近所述窗口镜设置，第四透镜靠近第二透镜设置。本实用新型提高光学系统分辨率，减少镜片数量，缩短光学系统长度，降低成本，实现产品的小型化和批量化生产。

Description

LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体涉及LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统。

背景技术

红外热像仪和可见光成像设备通过光学镜头将物体会聚到红外探测器或CCD上，此时图像不能被人眼直接识别，需要经过电路和图像处理后通过一个显示器显示。对于便携式设备来说，常规显示器体积大，重量重，携带很不方便；因此通过一个微显示器和目镜组合方式，来代替实现，常规的目镜采用全球面系统，其结构如图1所示。

随着科技的不断进步和提高，微显示器使用越来越多，其性能也越来越好。目前常规的微显示器有LCOS和OLED，其中OLED的像元尺寸从原来的 15μm提高到7.6μm，而LCOS的像元尺寸为6.35μm，像元尺寸的不断升级对目镜光学系统的成像质量提出了更高的要求。

另外随着经济的发展，消费者对便携式设备提出了更高的要求，产品小型化的趋势愈演愈烈，这对光学系统的尺寸(长度和直径)限制要求越来越高。同时随着批量化供应，要求产品的价格越来越便宜。

常规目镜的光学系统采用传统的全球面设计方式，需要多个镜片组合 (按实施例技术指标，需要5个镜片，如图1所示)；而为了保证系统的公差和像质，必须要控制每个镜片的光线压缩量以减小像差，导致系统的镜片直径较大。由于这两者原因，该光学系统的长度较长，一般超过52mm(含出瞳距和后截距)，镜片需要5个，系统总体的加工成本较贵。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其作为适用于便携式设备的小型轻量目镜光学系统，采用模压非球面技术，在提高光学系统分辨率的同时，减少镜片数量，缩短光学系统长度，减小体积和重量，进而降低成本，实现产品的小型化和批量化生产。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，所述目镜包括沿光路依次设置的窗口镜、第一透镜组、第二透镜，所述窗口镜倾斜设置，所述第一透镜组与所述第二透镜同轴设置；所述窗口镜为平面镜，所述第一透镜组的光输入面为凸面，所述第一透镜组的光输出面为凹面；所述第二透镜的光输入面为凸面，所述第二透镜的光输出面为凹面或凸面；所述第一透镜组包括紧密贴合的第三透镜以及第四透镜，所述第三透镜靠近所述窗口镜设置，所述第四透镜靠近所述第二透镜设置。

进一步，所述第三透镜为双凸面镜、所述第四透镜为双凹面镜，或所述第三透镜为弯月镜、所述第四透镜为弯月镜，所述第三透镜的光输入面作为所述第一透镜组的光输入面，所述第四透镜的光输出面作为所述第一透镜组的光输出面，所述第三透镜的光输出面与所述第四透镜的光输入面贴合。

进一步，所述目镜的入射光方向设有孔径光阑，所述目镜的出射光方向设有显示器，所述孔径光阑、所述目镜、所述显示器依次同轴设置。

进一步，所述窗口镜的倾斜面与所述第一透镜组的主光轴夹角不大于 84°。

进一步，所述第一透镜组光输出面的中心点与所述第二透镜光输入面的中心点距离为0.2-0.3mm。

进一步，所述第二透镜的光输出面到所述显示器的焦面距离为9.9-11.5mm。

进一步，所述第二透镜为非球面透镜。

进一步，所述第三透镜的折射率为1.65-2，所述第三透镜6的阿贝数为 35-60。

进一步，所述第四透镜的折射率为1.7-2，所述第四透镜7的阿贝数为 18-26。

进一步，所述第二透镜的折射率为1.65-1.9，所述第二透镜4的阿贝数为40-60。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其作为适用于便携式设备的小型轻量目镜光学系统，采用模压非球面技术，在提高光学系统分辨率的同时，减少镜片数量，缩短光学系统长度，减小体积和重量，进而降低成本，实现产品的小型化和批量化生产。

附图说明

图1为本实用新型传统目镜光学系统组成示意图；

图2为本实用新型目镜光学系统结构示意图；

图3为本实用新型第一透镜组结构示意图；

图4为本实用新型目镜的MTF图；

图5为本实用新型目镜场曲图；

图6为本实用新型目镜畸变图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、孔径光阑，2、窗口镜，3、第一透镜组，4、第二透镜，5、显示器， 6、第三透镜，7、第四透镜。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示为传统的目镜光学系统组成结构图，其由孔径光阑、5个全球面透镜、显示器组成。

如图2-3所示为本实施例提供的一种可用于LCOS或OLED微显示器的小型高分辨率目镜光学系统，所述目镜包括沿光路依次设置的窗口镜2、第一透镜组3、第二透镜4，所述窗口镜2倾斜设置，所述窗口镜2的倾斜面与所述第一透镜组3的主光轴夹角不大于84°，本实施例采用80°；所述第一透镜组3与所述第二透镜4同轴设置；所述窗口镜2为平面镜，所述第一透镜组3的光输入面为凸面，所述第一透镜组3的光输出面为凹面；所述第二透镜4的光输入面为凸面，所述第二透镜4的光输出面为凹面或凸面；所述第一透镜组3包括紧密贴合的第三透镜6以及第四透镜7，所述第三透镜 6靠近所述窗口镜2设置，所述第四透镜7靠近所述第二透镜4设置；所述第三透镜6为双凸面镜，所述第四透镜7为双凹面镜，所述第三透镜6的光输出面与所述第四透镜7的光输入面贴合。所述第二透镜4采用模压的非球面透镜。

本实施例中，所述第三透镜6为双凸面镜、所述第四透镜7为双凹面镜，或所述第三透镜6为弯月镜、所述第四透镜7为弯月镜，所述第三透镜6的光输入面作为所述第一透镜组3的光输入面，所述第四透镜7的光输出面作为所述第一透镜组3的光输出面，所述第三透镜6的光输出面与所述第四透镜7的光输入面贴合。第三透镜6与第四透镜7的形状应使得第一透镜组3 的光输入面为凸面，第一透镜组3的光输出面为凹面。在保证第三透镜6的光输出面与第四透镜7光输出面完全贴合的前提下，第三透镜6的光输出面与第四透镜7光输出面的形状可根据实际需要进行调整。

本实施例中，所述目镜的入射光方向设有孔径光阑1，所述目镜的出射光方向设有显示器5，所述孔径光阑1、所述目镜、所述显示器5依次同轴设置。

本实用新型的工作波段为可见光波段，设计时采用0.656μm的C光、 0.587μm的D光和0.486μm的F光；目镜的出瞳直径5.5mm，眼点距20mm，放大倍率14^×，全视场角31.88°，视度调节±5D，使用的微显示器(LCOS) 为0.39英寸；透镜有效直径16mm；系统总长：38～43mm(包含窗口镜2、出瞳距和后截距)。

采用反向设计，从孔径光阑1开始，以全视场角31.88°往右传播，经过窗口镜2、第一透镜组3、第二透镜4，到达显示器5。其中孔径光阑1代表人眼，直径为5.5mm，孔径光阑1的出光面与第一透镜组3的输入面有20mm 的距离且相对固定放置；第一透镜组3含有第三透镜6和第四透镜7；第三透镜6采用双凸或者弯月形透镜，本实施例采用了双凸形透镜，第三透镜6 的输出面和第四透镜7的输入面通过胶合而达到完全贴合的效果；第四透镜 7可采用双凹或者弯月形透镜，为配合第三透镜6的形状，本实施例中第四透镜7采用双凹形透镜；为减小第二透镜4的投射高，第一透镜组3光输出面的中心点和第二透镜4光输入面的中心点的距离优选在0.2mm-0.3mm，并且第一透镜组3与第二透镜4相对固定设置。第二透镜4采用非球面镜，其形状为双凸或者弯月形透镜，本实施例中采用弯月形透镜。因为本目镜光学系统使用目的为将显示器的图像向人眼方向(即孔径光阑1方向)进行放大，不管第二透镜4为双凸镜或弯月镜均可达到使用目的，所以可根据实际需求对第二透镜4的形状进行选择。本实施例中，第二透镜4选用了弯月镜。为使投像效果更佳，第二透镜4的光输出面到显示器5的焦面距离有 9.9-11.5mm(离显示器5的前端面2.9-4.5)，并相对设置。显示器5为LCOS，像面尺寸为8.127mm×6.095mm，像素1280×960，像元大小6.35μm；显示器5还可以采用OLED。

第三透镜6的折射率选择为1.65-2、阿贝数为35-60的玻璃，可采用的玻璃有：H-LAK3、LAK6、LAK52、LAK53、H-LAF3、H-LAF4、H-LAF6、H-LAF10、 H-LAF50、H-LAF52、H-LAF53、H-ZLAF3、H-ZLAF4、H-ZLAF53等镧系或重镧系玻璃；第四透镜7的折射率选择为1.7-2、阿贝数为18-26的玻璃，可采用的玻璃有：H-ZF7、H-ZF13、H-ZF52、H-ZF62、H-ZF71、H-ZF88等重火石玻璃；第二透镜4的折射率选择为1.65-1.9、阿贝数为40-60的玻璃，第二透镜4为模压非球面透镜，必须采用低熔点玻璃，可采用的玻璃有： D-LAF53、D-ZLAF52、D-LAK5、D-LAK6、D-LAK70等镧系或重镧系玻璃；为了保证可以满足欧洲检测标准，产品镜片所选用材料，均通过RoHS测试。

工作原理：

本实用新型设计时，从孔径光阑1(眼睛)到显示器5方向进行设计，窗口镜2倾斜放置，防止显示器5杂光反射进入眼睛；第一透镜组3为胶合透镜，由第三透镜6和第四透镜7组成，组合成整体后为正透镜；第三透镜 6是正透镜，采用高折射率高色散的玻璃，第四透镜7是负透镜，采用高折射率低色散的玻璃，两者组合在实现光线最大偏折压缩得同时产生正色差，补偿第二透镜4产生的负色差；第二透镜4为正透镜，采用高折射率高色散的玻璃，采用模压非球面技术，用来实现光线偏折压缩的同时消除系统像差。非球面透镜采用低熔点材料，可以通过模压技术实现大批量的生产，并降低镜片成本。第一透镜组3和第二透镜4距离应尽量进行减小，且二者不贴合，此设置有利于减小第二透镜4的投射高。

图4-6是本实用新型的像质分析图，其中图4为光学传递函数(MTF) 图，图5为场曲图、图6为畸变图。设计时目镜全视场为31.88°(显示器 5对角线半高为5.1mm)，目镜系统全视场的比例尺分为0、0.3、0.5、0.707、 1五个视场；设计时按对角线定义，具体的视场(半像高)分别为：视场1：0mm；视场2：1.5mm；视场3：2.55mm；视场4：3.6mm；视场5：5.1mm；图 4为光学传递函数(MTF)图，横坐标代表空间频率(单位：lp/mm)，纵坐标代表MTF值，每格为0.1；图5为场曲图、图6为畸变图，其中右侧为畸变图，图中纵坐标为视场角，横坐标是百分比，每格0.4％。图4-图6的结果得出，采用本实施例的技术方案，能达到传统的5个全球面镜片组合(如图1所示)达到的技术指标。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述目镜包括沿光路依次设置的窗口镜(2)、第一透镜组(3)、第二透镜(4)，所述窗口镜(2)倾斜设置，所述第一透镜组(3)与所述第二透镜(4)同轴设置；所述窗口镜(2)为平面镜，所述第一透镜组(3)的光输入面为凸面，所述第一透镜组(3)的光输出面为凹面；所述第二透镜(4)的光输入面为凸面，所述第二透镜(4)的光输出面为凹面或凸面；所述第一透镜组(3)包括紧密贴合的第三透镜(6)以及第四透镜(7)，所述第三透镜(6)靠近所述窗口镜(2)设置，所述第四透镜(7)靠近所述第二透镜(4)设置。

2.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述第三透镜(6)为双凸面镜、所述第四透镜(7)为双凹面镜，或所述第三透镜(6)为弯月镜、所述第四透镜(7)为弯月镜，所述第三透镜(6)的光输入面作为所述第一透镜组(3)的光输入面，所述第四透镜(7)的光输出面作为所述第一透镜组(3)的光输出面，所述第三透镜(6)的光输出面与所述第四透镜(7)的光输入面贴合。

3.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述目镜的入射光方向设有孔径光阑(1)，所述目镜的出射光方向设有显示器(5)，所述孔径光阑(1)、所述目镜、所述显示器(5)依次同轴设置。

4.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述窗口镜(2)的倾斜面与所述第一透镜组(3)的主光轴夹角不大于84°。

5.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(3)光输出面的中心点与所述第二透镜(4)光输入面的中心点距离为0.2-0.3mm。

6.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜(4)为非球面透镜。

7.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜(4)的光输出面到所述显示器(5)的焦面距离为9.9-11.5mm。

8.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述第三透镜(6)的折射率为1.65-2，所述第三透镜(6)的阿贝数为35-60。

9.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述第四透镜(7)的折射率为1.7-2，所述第四透镜(7)的阿贝数为18-26。

10.根据权利要求1所述LCOS或OLED微显示器小型高分辨率目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜(4)的折射率为1.65-1.9，所述第二透镜(4)的阿贝数为40-60。

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