CN213934389U - 一种投影光学装置及头戴式增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种投影光学装置及头戴式增强现实设备，其包括沿光线传输方向依次设置显示单元、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜以及第一透镜；其中，所述第一透镜、第三透镜和第四透镜均具有负光焦度，第二透镜和第五透镜均具有正光焦度；所述第一透镜沿光轴方向的入光面为凸面，沿光轴方向的出光面为凹面；所述第二透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凸面；所述第三透镜沿光轴方向的入光面为凹面，沿光轴方向的出光面为凸面；所述第四透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凹面；所述第五透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凸面。本实用新型的投影光学装置体积小、重量轻。

Description

一种投影光学装置及头戴式增强现实设备

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种投影光学装置及一种头戴式增强现实设备。

背景技术

波导式增强现实显示设备主要包括两个光学组件，一个是提供放大的显示影像的投影光学装置，其包括显示单元和透镜组件；另一个是传输影像光束的波导器件。

透镜组件的主要作用是将显示单元显示的像源进行放大，在一定距离上形成一个虚像，并通过波导器件成像在使用者的视网膜上。现有的透镜组件的透镜数量多，体积大，容易造成整个投影光学装置的重量大，从使得波导式增强现实显示设备不便携带。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种投影光学装置，以解决现有技术中的缺点与不足。该投影光学装置优点在于体积小，质量轻。

本实用新型的一种投影光学装置，其包括沿光线传输方向依次设置显示单元、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜以及第一透镜；其中，所述第一透镜、第三透镜和第四透镜均具有负光焦度，第二透镜和第五透镜均具有正光焦度；

所述第一透镜沿光轴方向的入光面为凸面，沿光轴方向的出光面为凹面；

所述第二透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凸面；

所述第三透镜沿光轴方向的入光面为凹面，沿光轴方向的出光面为凸面；

所述第四透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凹面；

所述第五透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凸面。

相对于现有技术，本实用新型的投影光学装置在五个透镜组合作用下，能够在保证较大视场角的同时，减少所述投影光学装置使用的透镜个数，使得整个投影光学装置体积小、重量轻。

在一优选或可选实施例中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为非球面。使用非球面面型的透镜，既满足投影光学装置小型化，又满足了高成像质量要求。

在一优选或可选实施例中，所述投影光学装置满足以下关系：

-7.0≤f1/f≤-6.0；

0.5≤f2/f≤1.0；

-7.0≤f3/f≤-5.5；

-1.5≤f4/f≤-0.5；

1.0≤f5/f≤2.0；

其中，所述f为所述投影光学装置的焦距，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距，所述f5为所述第五透镜的焦距。通过合理分配透镜焦距，有利于更好实现投影光学装置的视场角，提升投影光学装置的整体性能。

在一优选或可选实施例中，所述投影光学装置满足以下关系：

Nd1≥1.53；Nd2≥1.69；Nd3≥1.53；Nd4≥1.64；Nd5≥1.69；

其中，所述Nd1为所述第一透镜的折射率，所述Nd2为所述第二透镜的折射率，所述Nd3为所述第三透镜的折射率，所述Nd4为所述第四透镜的折射率，所述Nd5为所述第五透镜的折射率。透镜折射率的合理分配，有助于提升系统的环境适应能力。

在一优选或可选实施例中，所述第一透镜沿光轴方向的镜片厚度T1为1.0mm，所述第二透镜沿光轴方向的镜片厚度T2为1.86mm，所述第三透镜沿光轴方向的镜片厚度T3为1.19mm，所述第四透镜沿光轴方向的镜片厚度T4为0.7mm，所述第五透镜沿光轴方向的镜片厚度T5为1.0mm。各透镜的厚度如此设置，有助于提高系统的像质，同时缩短系统的整体长度。

在一优选或可选实施例中，所述第一透镜的入光面与所述第二透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm；所述第二透镜的入光面与所述第三透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm；所述第三透镜的入光面与所述第四透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.66mm；所述第四透镜的入光面与所述第五透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.96mm。各透镜的间距如此设置，有助于提高系统的像质，同时缩短系统的整体长度。

在一优选或可选实施例中，投影光学装置还包括分光棱镜，所述分光棱镜设于所述显示单元和第五透镜之间。当显示单元为DMD、LCOS显示芯片时，需要使用到照明光源，其中一种照明方式为：照明光源发出光线，分光棱镜将照明光源的光线反射到显示单元，光线携带显示单元的显示信息并被反射，随后穿过所述分光棱镜进入第五透镜。

在一优选或可选实施例中，投影光学装置还包括反射镜或折转棱镜，所述反射镜或折转棱镜设于所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧。反射镜或折转棱镜用于改变第一透镜射出的光线的方向，使得投影光学装置的设置方向可改变，可适用于多种情况。

本实用新型还提供一种头戴式增强现实设备，包括穿戴部件和如上所述的投影光学装置，所述投影光学装置置于所述穿戴部件上。

在一优选或可选实施例中，头戴式增强现实设备还包括波导器件，所述波导器件用于传导所述投影光学装置射出的光线进入人眼。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式的投影光学装置的结构示意图；

图2为本实用新型另一种实施方式的投影光学装置的结构示意图；

图3为本实用新型又一种实施方式的投影光学装置的结构示意图；

图4为本实用新型投影光学装置设置反射镜或折转棱镜时使用示意图；

图5为本实用新型投影光学装置不设置反射镜或折转棱镜时使用示意图；

图6为本实用新型的投影光学装置对应的场曲与畸变图；

图7为本实用新型的投影光学装置对应的横向色差图；

图8为本实用新型的投影光学装置对应的调制传递函数曲线图。

具体实施方式

请参阅图1，本实施例所述投影光学装置，其包括：沿光线传输方向依次设置显示单元10、第五透镜70、第四透镜60、第三透镜50、第二透镜40以及第一透镜30。本实施例所述投影光学装置应用于头戴式增强现实设备，光线从第一透镜射出后可以进入波导器件中，通过波导器件的传导后进入人眼。

可选地，所述显示单元可以是DMD、LCOS显示芯片，也可以是Mini/Micro-LED、Micro-OLED等显示器件。在该实施方式中，所述显示单元为Mini/Micro-LED或Micro-OLED。

其中，所述第一透镜、第三透镜和第四透镜均具有负光焦度，第二透镜和第五透镜均具有正光焦度。光焦度用于表示光学系统偏折光线的能力，其中，具有正光焦度的透镜，表示其具有汇聚光线的能力，具有负光焦度的透镜，表示其具有发散光线的能力。

所述第一透镜沿光轴方向的入光面32为凸面，沿光轴方向的出光面31为凹面；所述第二透镜沿光轴方向的入光面42和出光面41均为凸面；所述第三透镜沿光轴方向的入光面52为凹面，沿光轴方向的出光面51为凸面；所述第四透镜沿光轴方向的入光面62和出光面61均为凹面；所述第五透镜沿光轴方向的入光面72和出光面71均为凸面。

所述显示单元发出的光线依次经过所述第五透镜、所述第四透镜、所述第三透镜、所述第二透镜以及所述第一透镜后射出，在本实施例五个透镜组合作用下，使所述投影光学装置在保证较大视场角的同时，还能减少所述投影光学装置使用的透镜个数，使得整个投影光学装置体积小、重量轻。

在一种优选地实施方式中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为非球面。即五个透镜的一共十个表面均为非球面面型。非球面面型的透镜，具有更多的自由度，可以更好地减小整个投影光学装置的像差，提高成像质量。同时，其更轻、更薄、更平，有利于实现所述投影光学装置的小型化。使用非球面面型的透镜，既满足投影光学装置小型化，又满足了高成像质量要求。

作为一种可选地实施方式，所述投影光学装置满足以下关系：

-7.0≤f1/f≤-6.0；0.5≤f2/f≤1.0；-7.0≤f3/f≤-5.5；-1.5≤f4/f≤-0.5；1.0≤f5/f≤2.0。

其中，所述f为所述投影光学装置的焦距，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距，所述f5为所述第五透镜的焦距。通过合理分配透镜焦距，有利于更好实现投影光学装置的视场角，提升投影光学装置的整体性能。

作为一种可选地实施方式，所述投影光学装置满足以下关系：

Nd1≥1.53；Nd2≥1.69；Nd3≥1.53；Nd4≥1.64；Nd5≥1.69。

其中，所述Nd1为所述第一透镜的折射率，所述Nd2为所述第二透镜的折射率，所述Nd3为所述第三透镜的折射率，所述Nd4为所述第四透镜的折射率，所述Nd5为所述第五透镜的折射率。透镜折射率的合理分配，有助于提升系统的环境适应能力。

作为一种优选地实施方式，所述第一透镜沿光轴方向的镜片厚度T1为1.0mm，所述第二透镜沿光轴方向的镜片厚度T2为1.86mm，所述第三透镜沿光轴方向的镜片厚度T3为1.19mm，所述第四透镜沿光轴方向的镜片厚度T4为0.7mm，所述第五透镜沿光轴方向的镜片厚度T5为1.0mm。各透镜的厚度如此设置，有助于提高系统的像质，同时缩短系统的整体长度。

作为一种优选地实施方式，所述第一透镜的入光面与所述第二透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm；所述第二透镜的入光面与所述第三透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm；所述第三透镜的入光面与所述第四透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.66mm；所述第四透镜的入光面与所述第五透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.96mm。各透镜的间距如此设置，有助于提高系统的像质，同时缩短系统的整体长度。

请参阅图2，作为一种优选地实施方式，所述投影光学装置还包括分光棱镜20，所述分光棱镜20设于所述显示单元10和第五透镜70之间。在该实施方式中，显示单元为DMD、LCOS显示芯片，需要使用到照明光源，其中一种照明方式为：照明光源发出光线，分光棱镜将照明光源的光线反射到显示单元，光线携带显示单元的显示信息并被反射，随后穿过所述分光棱镜进入第五透镜。若显示单元使用主动发光显示器件，比如Mini/Micro-LED、Micro-OLED，则可不使用分光棱镜。

请参阅图3，作为一种优选地实施方式，还包括反射镜或折转棱镜80，所述反射镜或折转棱镜80设于所述第一透镜30远离所述第二透镜40的一侧。反射镜或折转棱镜用于改变第一透镜射出的光线的方向，使得投影光学装置的设置方向可改变，可适用于多种情况，如图4和图5所述，图4对应设置反射镜或折转棱镜时，投影光学装置整体设置方向，图5对应不设置反射镜或折转棱镜时，投影光学装置整体设置方向。

本实施例的投影光学装置具体的设计参数如下表1所示：

表1

其中，本实用新型各个实施例中的各透镜的非球面面型表达式为：

上式中，z为非球面面型的矢高，r为非球面的半径，即r＝sqrt(x²+y²)，k为二次曲面系数，c为曲率，A₄～A₁₆为非球面的高次项系数，具体参数如表2所示。

表2

其中，需要说明的各参数如下所述：

所述光学系统的焦距f为10.46mm；

所述第一透镜30的焦距f1为-67.35mm；

所述第二透镜40的焦距f2为7.87mm；

所述第三透镜50的焦距f3为-66.97mm；

所述第四透镜60的焦距f4为-9.72mm；

所述第五透镜70的焦距f5为12.79mm；

所述第一透镜沿光轴方向的镜片厚度T1为1.0mm；

所述第二透镜沿光轴方向的镜片厚度T2为1.86mm；

所述第三透镜沿光轴方向的镜片厚度T3为1.19mm；

所述第四透镜沿光轴方向的镜片厚度T4为0.7mm；

所述第五透镜沿光轴方向的镜片厚度T5为1.0mm；

转折棱镜的厚度是5mm，分光棱镜的厚度是8mm；

所述投影光学装置的总长TTL(从转折棱镜至显示单元)为23.6mm；

所述转折棱镜与第一透镜的出光面之间的距离为1.5mm；

所述第一透镜的入光面与所述第二透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm(该数据即入光面32的厚度的数据)；

所述第二透镜的入光面与所述第三透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm(该数据即入光面42的厚度的数据)；

所述第三透镜的入光面与所述第四透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.66mm(该数据即入光面52的厚度的数据)；

所述第四透镜的入光面与所述第五透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.96mm(该数据即入光面62的厚度的数据)；

所述第五透镜的入光面与分光棱镜之间的距离为0.2mm；

所述分光棱镜和显示元件的中心距是0.85mm；

所述光学系统的最大视场角为40度。

基于上述表1和表2，下面提供本实用新型实施例投影光学装置的设计结果分析。

请参阅图6，图6为本实施例的投影光学装置对应的场曲与畸变图，场曲与畸变图的纵坐标是视场角，最大视场角为20度，场曲的横坐标单位是毫米，畸变的横坐标单位是百分比。可以看出最大视场角的畸变小于0.5％，说明该系统的畸变很小。

请参阅图7，图7为本实施例的投影光学装置对应的横向色差图。纵坐标是视场角，横坐标单位是微米，相同视场角下，横向色差越小越好。图5给出了光线波长分别为486.1nm、587.6nm、656.3nm时，对应的横向色差大小。其中，以587.6nm波长为零基准。

请参阅图8，图8为本实施例的投影光学装置对应的调制传递函数曲线图，用于评价对景物细节的还原能力。横坐标为不同的空间频率，最大空间频率是93lp/mm，该空间频率是0.3inch DMD芯片(显示单元)能够解析的最大空间频率，纵坐标是调制传递函数的数值，无量纲。相同空间频率下，对应的MTF值越大越好。

图6至8为投影光学装置的设计结果分析，均可用于评价镜头设计好坏。本实施例所述的投影光学装置，不仅体积小，重量轻，且解析度高，能高效地提供清晰的图像。

本实用新型还提供一种头戴式增强现实设备，其包括穿戴部件和本实施例所述的投影光学装置，所述投影光学装置置于所述穿戴部件上。其还可以还包括波导器件，所述波导器件用于传导所述投影光学装置射出的光线进入人眼。穿戴部件和波导器件均为现有头戴式显示设备的常用部件，且由于该投影光学装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。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。

Claims (10)

1.一种投影光学装置，其特征在于，包括：

沿光线传输方向依次设置显示单元、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜以及第一透镜；其中，所述第一透镜、第三透镜和第四透镜均具有负光焦度，第二透镜和第五透镜均具有正光焦度；

所述第一透镜沿光轴方向的入光面为凸面，沿光轴方向的出光面为凹面；

所述第二透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凸面；

所述第三透镜沿光轴方向的入光面为凹面，沿光轴方向的出光面为凸面；

所述第四透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凹面；

所述第五透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为凸面。

2.根据权利要求1所述的投影光学装置，其特征在于：

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜沿光轴方向的入光面和出光面均为非球面。

3.根据权利要求2所述的投影光学装置，其特征在于，所述投影光学装置满足以下关系：

-7.0≤f1/f≤-6.0；

0.5≤f2/f≤1.0；

-7.0≤f3/f≤-5.5；

-1.5≤f4/f≤-0.5；

1.0≤f5/f≤2.0；

其中，所述f为所述投影光学装置的焦距，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距，所述f5为所述第五透镜的焦距。

4.根据权利要求3所述的投影光学装置，其特征在于，所述投影光学装置满足以下关系：

Nd1≥1.53；Nd2≥1.69；Nd3≥1.53；Nd4≥1.64；Nd5≥1.69；

其中，所述Nd1为所述第一透镜的折射率，所述Nd2为所述第二透镜的折射率，所述Nd3为所述第三透镜的折射率，所述Nd4为所述第四透镜的折射率，所述Nd5为所述第五透镜的折射率。

5.根据权利要求4所述的投影光学装置，其特征在于：

所述第一透镜沿光轴方向的镜片厚度T1为1.0mm，所述第二透镜沿光轴方向的镜片厚度T2为1.86mm，所述第三透镜沿光轴方向的镜片厚度T3为1.19mm，所述第四透镜沿光轴方向的镜片厚度T4为0.7mm，所述第五透镜沿光轴方向的镜片厚度T5为1.0mm。

6.根据权利要求5所述的投影光学装置，其特征在于：

所述第一透镜的入光面与所述第二透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm；所述第二透镜的入光面与所述第三透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.1mm；所述第三透镜的入光面与所述第四透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.66mm；所述第四透镜的入光面与所述第五透镜的出光面沿光轴方向的距离为0.96mm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的投影光学装置，其特征在于：还包括分光棱镜，所述分光棱镜设于所述显示单元和第五透镜之间。

8.根据权利要求1-6任一项所述的投影光学装置，其特征在于：还包括反射镜或折转棱镜，所述反射镜或折转棱镜设于所述第一透镜远离所述第二透镜的一侧。

9.一种头戴式增强现实设备，其特征在于，包括穿戴部件和如权利要求1-8任一项所述的投影光学装置，所述投影光学装置置于所述穿戴部件上。

10.根据权利要求9所述的头戴式增强现实设备，其特征在于：还包括波导器件，所述波导器件用于传导所述投影光学装置射出的光线进入人眼。

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