CN212989779U - 一种折衍式微型投影镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于虚拟实现技术领域，具体为一种用于AR影镜头。为解决现有投影镜头体积大、重量高问题公开了一种折衍式微型投影镜头，沿着光轴从出瞳侧至像源侧依顺序为第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中第一透镜、第二透镜、第三透镜设置均为凹面均朝向出瞳侧的弯月透镜，第三透镜的像源侧的面形为衍射面与偶次非球面的叠加。本实用新型的有益效果：在第三片透镜的像源侧表面叠加上衍射面，通过优化衍射面的参数，矫正镜头的色差，衍射面的使用代替了传统的双胶合透镜，与传统投影镜头相比，在保证投影镜头成像质量的同时减少了镜片数量，减轻了投影镜头的重量，将其应用在增强现实眼镜上能够提升佩戴者的舒适度，有广阔的应用前景。

Description

一种折衍式微型投影镜头

技术领域

本实用新型属于虚拟实现技术领域，具体为一种用于AR的投影镜头。

背景技术

微型投影光学系统主要由LED光源、光源整形照明系统、像源(LCOS或者DMD)、投影系统、散热系统等机构组成，随着近年来以增强现实眼镜AR与虚拟现实眼镜为代表的头戴式光学系统的出现，对于微型投影光学系统的体积、重量、亮度等指标有了更高的要求。

目前市场上的用于增强现实眼镜等的投影镜头基本采用多片式特别是四片以上非球面结构，这样的投影镜头虽然成效效果较好，但是容易带来体积大、总体重量高、加工装调难度高等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种折衍式微型投影镜头，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种折衍式微型投影镜头，包括：硅基液晶像源、偏振分束立方体、投影镜头组，硅基液晶像源发出的光经过偏振分束立方体后穿过投影镜头组，以不同角度的平行光从出瞳出射进入人眼；其特征在于：以佩戴时靠近人眼一侧为出瞳侧，硅基液晶像源一侧为像源侧，沿着光轴从出瞳侧至像源侧方向上所述投影镜头组依顺序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；其中第一透镜、第二透镜、第三透镜设置均为凹面均朝向出瞳侧的弯月透镜；第一透镜的光焦度为正，用于偏折大视场光线；第三透镜的像源侧设置为衍射面与偶次非球面的叠加；第二透镜与第三透镜共同用来平衡投影镜头组的场曲、畸变、色差、像差。

所述的硅基液晶像源包括：手机彩色屏幕。彩色屏幕类型包括：TFT、TFD、UFB、STN、OLED、AMOLED、SLCD。

优选的：所述第一透镜和第三透镜的材料为光学塑料，第二透镜材料为光学玻璃。

优选的：所述投影镜组第一透镜的焦距F1与第二透镜的焦距F2之间满足关系：F1/F2≤4。

优选的：所述投影镜组第一透镜的焦距F1与第三透镜的焦距F3之间满足关系：-2≤F1/F3≤-1。

优选的：所述投影镜组后截距Fb与投影镜头组总长TTL之间满足关系：0.4≤Fb/TTL。

优选的：所述偏振分束立方体为线栅型偏振分束立方体，折射率为1.52，阿贝常数为64.2。

优选的：所述第一透镜的折射率为1.49，阿贝常数为57.4；第二透镜的折射率为1.57，阿贝常数为63.0；第三透镜的折射率为1.49，阿贝常数为57.4。

优选的：所述衍射面的相位表达式为：

其中，A₂和A₄为相位参数，r为第三透镜上一点到镜片中心的距离，r’为第三透镜的通光口径。

优选的：所述A₂和A₄的相位参数分别为-1071.89和160.26。

本技术方案在使用时，硅基液晶像源放置在像源侧，通过偏振分束立方体后穿过投影镜头组，以不同角度的平行光从出瞳出射，在出瞳孔后接入衍射导光板等，将出瞳处的图像放大后被进入人眼，使人眼在接收到LCOS像源上的图像，由于投影镜头组中使用的三块透镜均为凹面朝向出瞳侧的弯月透镜大大缩短了光学系统长度，且第三透镜像源侧的凸面设置为衍射面与偶次非球面的叠加，因此通过衍射面矫正镜头的色差，减少了镜片数量，减轻了投影镜头的重量。将本实用新型的投影镜头应用在AR眼镜系统，搭配相应的硬件电路与软件，能够应用在课堂教学、家庭娱乐等日常生活中。

有益效果

本实用新型所提供的折衍式投影镜头，在第三透镜的像源侧表面叠加上衍射面，通过优化衍射面的参数，矫正镜头的色差，衍射面的使用代替了传统的双胶合透镜，与传统投影镜头相比，在保证投影镜头成像质量的同时减少了镜片数量，减轻了投影镜头的重量，将其应用在增强现实眼镜上能够提升佩戴者的舒适度，有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的光学结构图；

图2为本实用新型的光线走向图；

图3为本实用新型的0°视场MTF曲线示意图；

图4为本实用新型的10°视场MTF曲线示意图；

图5为本实用新型的20°视场MTF曲线示意图；

图6为本实用新型的畸变曲线示意图；

图7为本实用新型的相对照度示意图；

图8为本实用新型中实施例2的示意图。

附图标记

ST-出瞳侧，IMA-像源侧，G1-第一透镜，G2-第二透镜，G3-第三透镜，G4-偏振分束立方体，S1-第一透镜出瞳侧表面，S2-第一透镜像源侧表面，S3-第二透镜出瞳侧表面，S4-第二透镜像源侧表面，S5-第三透镜出瞳侧表面，S6-第三透镜像源侧表面。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

实施例1

如图1所示，在本实施例中，一种折衍式微型投影镜头，如图1所示，硅基液晶像源、偏振分束立方体G4、投影镜头组，硅基液晶像源发出的光经过偏振分束立方体后穿过投影镜头组，以不同角度的平行光从出瞳出射进入人眼；以佩戴时靠近人眼一侧为出瞳侧，硅基液晶像源一侧为像源侧；从沿着光轴从出瞳侧ST至像源侧IMA依顺序为第一透镜为弯月透镜G1，出瞳侧表面S1为凹面，第二透镜为弯月透镜G2，出瞳侧表面S3为凹面，第三透镜为弯月透镜G3，出瞳侧表面S5为凹面，第三透镜的像源侧S6为衍射面与偶次非球面的叠加；第一透镜的光焦度为正，用于偏折大视场光线；第二透镜与第三透镜共同用来平衡投影镜头组的场曲、畸变、色差、像差。

镜头的应用光路如图2所示，来自照明系统的光线经过偏振分束立方体G4反射到像源面，即LCOS的液晶表面，经过LCOS反射后入射光线的相位翻转，先后穿过偏振分束立方体G4、第三透镜G3、第二透镜G2，第一透镜G1后以不同角度的平行光从出瞳侧ST出射，进入人眼。

第一透镜G1与第二透镜G2都具有正光焦度，用来将不同视场的光汇聚后投射入第三透镜G3。

第三透镜G3的光焦度与第一透镜G1、第二透镜G2相反，用来平衡像差。

第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3后截距与第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3总长之间满足关系：0.4≤后截距/总长，通过这样的设置，可以压缩透镜镜头的整体长度，也能为投影镜头中加入偏振分束立方体留出足够的距离。

第一透镜G1与第三透镜G2的材料都为光学塑料PMMA，其折射率与阿贝常数分别为1.49和57.4，第二透镜G2的材料为H-ZF1，其折射率与阿贝数分别为1.57和63.0，偏振分束立方体G4材料为H-K9L，其折射率和阿贝数分别为1.52和64.2，偏振分束立方体G4为线栅型偏振分束立方体。

第二透镜G2的两个光学面和第三透镜G3的两个光学面都为偶次非球面，能有效地降低整个投影镜头的像差，由于第三透镜G3的材质为光学塑料，在第三透镜G3的第三像源侧S6表面叠加上衍射面，通过优化衍射面的参数，矫正镜头的色差，同时因为第三透镜G3的材料为光学塑料，因此可以通过高精度金刚石车削进行加工，衍射面的使用代替了传统的双胶合透镜，与传统投影镜头相比，在保证投影镜头成像质量的同时减少了镜片数量，减轻了投影镜头的重量，将其应用在增强现实眼镜上能够提升佩戴者的舒适度，有广阔的应用前景。

偶次非球面的矢高表达式为：

其中，h表示透镜表面上各点相对于透镜中心的y轴坐标，c为透镜的曲率，k为圆锥系数，a₄，a₆，a₈，a₁₂，a₁₄分别为偶次非球面的高阶系数，Z_ref为透镜表面沿光轴方向在y轴坐标为h时的矢高。

当基底为平面时衍射面的矢高表达式为：

其中λ为光学系统设计波长的中心波长，n为透镜的折射率，m为环带序列号；

φ(r)为衍射面的相位表达式，

其中，A₂和A₄为相位参数，r为第三透镜上一点到透镜中心的距离，r’为第三透镜的通光口径。

第三透镜G3的第三像源侧S6为衍射面与偶次非球面的叠加，因此两者叠加后最后的矢高为：

Z＝Z_dif+Z_ref

表1、表2和表3共同表示各镜片的具体参数：

表1：

表2：

面号	A4	A6
			S3	-1.028E-03	-7.401E-05
S4	1.126E-03	-2.234E-05
			S5	4.765E-03	-6.821E-05
S6	3.552E-03	-3.692E-05

表3为实施例1衍射面数据：

面号	衍射级次	多项式阶数	衍射面半径	A<sub>2</sub>	A<sub>4</sub>
						S6	1	2	5	-1017.897	160.261

图3到图5所示为本实例在不同视场(0°、10°、20°)下的MTF曲线，在本实例中LCOS的像元大小为5um，在100lp/mm处均大于0.2，且总体曲线的走势较为平稳，可以反映出本实例中折衍式投影镜头的成像质量较好。

图6为畸变曲线图，镜头的畸变并不影响成像清晰度但是会影响最后的成像效果，特别是对于出瞳为人眼的光学系统，在图中可以看出镜头的整体畸变小于5％，能够满足人眼对于畸变的要求。

图7为整体照度曲线图，全视场下本实例整体照度均达到90％以上，可以避免由于系统的光能损失导致出瞳处照度不足的问题。

实施例2

如图8所示，实施例1基础上的一种折衍式微型投影镜头第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3中，第一透镜G1的第一焦距与第二透镜G2的第二焦距之间满足关系：第一焦距/第二焦距＝3.8，第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3中，第一透镜G1的第一焦距与第三透镜G3的第三焦距之间满足关系：第一焦距/第三焦距＝-0.17，第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3后截距与投影镜头总长之间满足关系：后截距/投影镜头总长＝0.52。

下表4为实施例2的光学镜头的各透镜的曲率半径、厚度、折射率、阿贝数以及圆锥系数。下表5为可用于实施例2中的非球面透镜表面高次项系数A4、A6。

表4：

表5：

面号	A4	A6
			S3	-1.261E-03	-8.235E-05
S4	1.246E-03	-2.863E-05
			S5	4.929E-03	-9.201E-05
S6	3.353E-03	-4.543E-05

表3为实施例2衍射面数据：

面号	衍射级次	多项式阶数	衍射面半径	A<sub>2</sub>	A<sub>4</sub>
						S6	1	2	5	-915.176	115.684

实施例1与实施例2以投影镜头为例，描述了根据本申请实施方式的光学镜头的示例，但是应理解的是，这些投影镜头仅是根据本申请上述实施方式的光学镜头的运用示例，而不应理解为限制，该光学镜头还可根据需要运用于其它领域中。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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性的保护范围之内的实用新型内容。

Claims (8)

1.一种折衍式微型投影镜头，包括：硅基液晶像源、偏振分束立方体、投影镜头组，硅基液晶像源发出的光经过偏振分束立方体后穿过投影镜头组，以不同角度的平行光从出瞳出射进入人眼；其特征在于：以佩戴时靠近人眼一侧为出瞳侧，硅基液晶像源一侧为像源侧，沿着光轴从出瞳侧至像源侧方向上所述投影镜头组依顺序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；其中第一透镜、第二透镜、第三透镜设置均为凹面均朝向出瞳侧的弯月透镜；第一透镜的光焦度为正，用于偏折大视场光线；第三透镜的像源侧设置为衍射面与偶次非球面的叠加；第二透镜与第三透镜共同用来平衡投影镜头组的场曲、畸变、色差、像差。

2.如权利要求1所述的一种折衍式微型投影镜头，其特征在于，所述第一透镜和第三透镜的材料为光学塑料，第二透镜材料为光学玻璃。

3.如权利要求1所述的一种折衍式微型投影镜头，其特征在于，所述投影镜组第一透镜的焦距F1与第二透镜的焦距F2之间满足关系：F1/F2≤4。

4.如权利要求1所述的一种折衍式微型投影镜头，其特征在于，所述投影镜组第一透镜的焦距F1与第三透镜的焦距F3之间满足关系：-2≤F1/F3≤-1。

5.如权利要求1所述的一种折衍式微型投影镜头，其特征在于，所述投影镜组后截距Fb与投影镜头组总长TTL之间满足关系：0.4≤Fb/TTL。

6.如权利要求1所述的一种折衍式微型投影镜头，其特征在于，所述偏振分束立方体为线栅型偏振分束立方体，折射率为1.52，阿贝常数为64.2。

7.如权利要求1所述的一种折衍式微型投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的折射率为1.49，阿贝常数为57.4；第二透镜的折射率为1.57，阿贝常数为63.0；第三透镜的折射率为1.49，阿贝常数为57.4。

8.如权利要求1所述的一种折衍式微型投影镜头，其特征在于，所述衍射面的相位表达式为：

所述A₂和A₄的相位参数分别为-1071.89和160.26。

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