CN216285964U - 一种目镜镜头及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学技术领域，公开了一种目镜镜头及近眼显示装置，包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；第一透镜为凸凹透镜，其凹面靠近物侧，其凸面靠近像侧，第一透镜用于提供正光焦度；第二透镜为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，第二透镜用于提供负光焦度；第三透镜为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，第三透镜用于提供正光焦度；第四透镜为平凸透镜，其凸面靠近像侧，其平面靠近物侧，第四透镜用于提供正光焦度。本实用新型使用更少的透镜组成目镜镜头，且使用的透镜均为球面透镜，解决了加工成本高、装配难度大的问题。

Description

一种目镜镜头及近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其是一种目镜镜头及近眼显示装置。

背景技术

AR技术，即增强现实技术，实现了虚拟世界和现实世界的实时同步，作为新一代信息技术融合创新的典型领域，AR技术拥有广阔的前景，并即将进入迅速发展的阶段。

为实现AR技术，光波导方案是头戴式近眼显系统的较为成熟的技术方案，现有技术中，光波导方案的光学系统透镜组镜片数量较多，加工成本高、装配难度大，改善光学系统产生的各类像差，提高系统的成像质量，

本实用新型提供的一种目镜镜头及近眼显示装置，使用的镜片数量少，且均为球面透镜，节省了成本，改善了像差，提高了成像质量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种目镜镜头及近眼显示装置旨在解决现有技术中光学系统透镜组镜片数量多、加工成本高、装配难度大的问题。

本实用新型是这样实现的，本实用新型提供一种目镜镜头，包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；

所述第一透镜为凸凹透镜，其凹面靠近物侧，其凸面靠近像侧，所述第一透镜用于提供正光焦度；

所述第二透镜为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，所述第二透镜组用于提供负光焦度；

所述第三透镜为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，所述第三透镜组用于提供正光焦度；

所述第四透镜为平凸透镜，其凸面靠近像侧，其平面靠近物侧，所述第四透镜用于提供正光焦度；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为球面透镜。

在其中一个实施例中，所述第一透镜与所述第三透镜为弯月透镜。

在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜材料均为光学玻璃或光学树脂。

在其中一个实施例中，所述目镜镜头的有效焦距为f，其中，10mm<f<15mm。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种目镜镜头使用的镜片数量更少，所述目镜镜头接受携带图像信息的光线，并由所述透镜组将光线调节为平行光再将其射出，所述目镜镜头的透镜组全部采用球面透镜，降低了目镜镜头的生产难度和成本，并通过减少透镜组的透镜数目，缩减了目镜镜头的体积，并通过调整光学系统焦度的组合，优化了光线的传播，改善了像差，提高了成像质量。

本实用新型还提供的一种近眼显示装置，包括显示模块、传输介质以及如上述提供的任一项目镜镜头，所述目镜镜头和所述传输介质均设置于所述显示模块的出光方向上且同时与所述显示模块共光轴，所述目镜镜头设置在所述显示模块与所述传输介质之间。

在其中一个实施例中，所述显示模块包括LCD、LCOS、OLED、Micro-LED以及DMD中的至少一种显示芯片。

在其中一个实施例中，所述显示芯片尺寸为0.2英寸-0.4英寸。

在其中一个实施例中，所述显示模块还包括光源，用于发出携带图像信息的光线，并射入所述目镜镜头。

在其中一个实施例中，所述传输介质包括波导片或棱镜。

在其中一个实施例中，所述波导片和所述棱镜材料均为光学玻璃或光学树脂。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种近眼显示装置，由所述显示模块发出携带图像信息的光线，所述光线进入所述目镜镜头，所述目镜镜头将光线调节为平行光射出，由所述传输介质引导进入人眼在视网膜上成像，所述近眼显示装置全部采用球面透镜，降低了目镜镜头的生产难度和成本，并通过减少透镜组的透镜数目，缩减了目镜镜头的体积，并通过调整光学系统焦度的组合，优化了光线的传播，改善了像差，提高了成像质量。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种目镜镜头示意图；

图2是本实用新型实施例提供的目镜镜头在分辨率301p/mm时的全视场传递函数MTF曲线示意图；

图3是本实用新型实施例提供的目镜镜头在全视场全波段的场曲与畸变示意图；

图4为本发明实施例提供的目镜镜头在全视场点列图；

图5为本发明实施例提供的目镜镜头的像差贡献图。

附图标注：1-目镜镜头、2-显示模块、3-传输介质、11-第一透镜、12-第二透镜、13-第三透镜、14-第四透镜。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。

参照图1所示，为本实用新型提供较佳实施例。本实用新型提供一种目镜镜头1，包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13以及第四透镜14；

第一透镜11为凸凹透镜，其凹面靠近物侧，其凸面靠近像侧，第一透镜11用于提供正光焦度；具体地，第一透镜11作为光学场景使用，可有效减小光学系统内部所有透镜的尺寸，可以让光线紧凑，缩小光学系统体积。

第二透镜12为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，第二透镜12用于提供负光焦度；具体地，第二透镜12用于提供数值为负的球差、彗差、像散、畸变，凹面靠近物侧，主要用于衔接第一透镜11的凸面发出的光线，可将光线校正的更加紧凑，有效减小系统透镜组体积。

第三透镜13为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，第三透镜13用于提供正光焦度；具体地，第三透镜13用于提供数值为正的球差、彗差，将光学系统的球差和彗差控制在尽量小的范围内，并且提升成像质量。

第四透镜14为平凸透镜，其凸面靠近像侧，其平面靠近物侧，第四透镜14用于提供正光焦度；具体地，第四透镜14用于提供数值为正的球差、彗差、像散、畸变，可校正第一透镜11、第二透镜12以及第三透镜13所产生的像差。由于平凸透镜易于加工，可降低加工成本，便于整机的装配并易于保证装配精度，也可有效减小系统的体积。

具体地，第一透镜11用于校正光学系统的场曲，减少光线的入射角，第二透镜12和第三透镜13用于提供光学系统的光焦度和提供球差，第四透镜14用于提供光学系统的正光焦度，校正光学系统的球差和畸变。

上述提供的一种目镜镜头1，使用的镜片数量更少，目镜镜头1接受携带图像信息的光线，并由透镜组将光线调节为平行光再将其射出，目镜镜头1的透镜组全部采用球面透镜，降低了目镜镜头1的生产难度和成本，并通过减少透镜组的透镜数目，缩减了目镜镜头1的体积，并通过调整光学系统焦度的组合，优化了光线的传播，改善了像差，提高了成像质量。

更具体地，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13以及第四透镜14均为球面透镜，球面透镜两面为球面，或一面为球面另一面为平面，球面透镜相比非球面透镜，具有加工简单、生产成本低的优点，可以理解的是，如果使用较少数量或相同数量的透镜完成近眼显示光学系统，可以使用非球面透镜替代本实施例提供的目镜镜头1的透镜组。

更具体地，第一透镜11与第三透镜13为弯月透镜，弯月透镜可以最大程度地减少球差，缩减目镜镜头1的体积，使之更易装配。

更具体地，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13以及第四透镜14材料均为光学玻璃或光学树脂。可以理解的是，本实用新型不限制透镜的材料，其他合适的材料同样适应于本实用新型。

更具体地，目镜镜头1的有效焦距为f，其中，10mm<f<15mm。

在本实用新型的一个实施例中，目镜镜头1的有效焦距为10mm，该状态下本实用新型提供的目镜镜头1的像距最小，最小像距为20mm，此时目镜镜头1的出光处距离人眼最近。

在本实用新型的另一个实施例中，目镜镜头1的有效焦距为15mm，该状态下本实用新型提供的目镜镜头1的像距最大，最大像距为30mm，此时目镜镜头1的出光处距离人眼最远。

基于图1所示目镜镜头1，可得到如图2至图5所示目镜镜头1所在装置中，能够表征该目镜镜头1在全视场全波段的成像质量图。

图2是本实用新型实施例提供的目镜镜头1在分辨率301p/mm时的全视场传递函数MTF曲线示意图；MTF是指以空间频率为变量，表征成像过程中调制度和横向相移的相对变化的函数。

图3是本实用新型实施例提供的目镜镜头1在全视场全波段的场曲与畸变示意图；场曲与畸变表示光学系统的成像误差，如图3所示，场曲控制在-0.1至0.1之间，畸变控制在-1.2％-0％，该数据证明了本实用新型在使用上具有可靠性。

图4为本实用新型实施例提供的目镜镜头1在全视场点列图；点列图是由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，如图4所示，本实用新型实施例提供的目镜镜头1的RMS半径控制在RMS＜9.2μm；RMS半径值小，表示该目镜镜头1的成像效果好。

图5为本发明实施例提供的目镜镜头1的像差贡献图；像差是指实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学的理想状况的偏差。

本实用新型提供一种近眼显示装置，包括显示模块2、传输介质3以及如上述提供的任一项目镜镜头1，目镜镜头1设于显示模块2的出光方向上且与显示模块2共光轴，传输介质3设置于目镜镜头1的出光方向上。

上述提供的一种近眼显示装置，由显示模块2发出携带图像信息的光线，光线进入目镜镜头1，目镜镜头1将光线调节为平行光射出，由传输介质3引导进入人眼在视网膜上成像，近眼显示装置全部采用球面透镜，降低了目镜镜头1的生产难度和成本，并通过减少透镜组的透镜数目，缩减了目镜镜头的体积，并通过调整光学系统焦度的组合，优化了光线的传播，改善了像差，提高了成像质量。

在本实施例中，显示模块2包括显示芯片，显示芯片尺寸为0.2英寸-0.4英寸。本实用新型提供的目镜镜头1具有体积小的优点，选用体积小的显示芯片，能配合目镜镜头1，能组装出一个体积小的近眼显示装置。

更具体地，显示模块2包括但不限于LCD、LCOS、OLED、Micro-LED以及DMD中的至少一种显示芯片。

更具体地，显示模块2还包括光源，用于发出携带图像信息的光线，并射入目镜镜头1，光线所携带的图像信息由显示芯片提供。携带图像信息的光线进入目镜镜头1后，由目镜镜头1对光线进行调整，并以平行光的形式射出，通过传输介质3引导射入人眼中，在视网膜上形成虚拟的图像，实现近眼显示功能。

更具体地，传输介质3为波导片或棱镜。波导片和棱镜均为透明物体，具有良好的导光性能。

更具体地，波导片或棱镜材料均为光学玻璃或光学树脂。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种目镜镜头，其特征在于，包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；

所述第一透镜为凸凹透镜，其凹面靠近物侧，其凸面靠近像侧，所述第一透镜用于提供正光焦度；

所述第二透镜为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，所述第二透镜用于提供负光焦度；

所述第三透镜为凸凹透镜，其凸面靠近像侧，其凹面靠近物侧，所述第三透镜用于提供正光焦度；

所述第四透镜为平凸透镜，其凸面靠近像侧，其平面靠近物侧，所述第四透镜用于提供正光焦度；

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为球面透镜。

2.如权利要求1所述的一种目镜镜头，其特征在于，所述第一透镜与所述第三透镜为弯月透镜。

3.如权利要求1所述的一种目镜镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜材料均为光学玻璃或光学树脂。

4.如权利要求1所述的一种目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头的有效焦距为f，其中，10mm<f<15mm。

5.一种近眼显示装置，其特征在于，包括显示模块、传输介质以及如上述权利要求1-4任一项所述的目镜镜头，所述目镜镜头和所述传输介质均设置于所述显示模块的出光方向上且同时与所述显示模块共光轴，所述目镜镜头设置在所述显示模块和所述传输介质之间。

6.如权利要求5所述的一种近眼显示装置，其特征在于，所述显示模块包括LCD、LCOS、OLED、Micro-LED以及DMD中的至少一种显示芯片。

7.如权利要求6所述的一种近眼显示装置，其特征在于，所述显示芯片尺寸为0.2英寸-0.4英寸。

8.如权利要求6所述的一种近眼显示装置，其特征在于，所述显示模块还包括光源，用于发出携带图像信息的光线，并射入所述目镜镜头。

9.如权利要求5所述的一种近眼显示装置，其特征在于，所述传输介质包括波导片或棱镜。

10.如权利要求9所述的一种近眼显示装置，其特征在于，所述波导片和所述棱镜材料均为光学玻璃或光学树脂。

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