CN217718288U - 目镜镜头和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一个优势在于提供一种目镜镜头和近眼显示设备，其能够在减少整个镜头体积的同时，在一定温度范围内保持较优的成像性能。该目镜镜头，包括从像侧到物侧依次共轴排布的：具有正光焦度的第一非球面透镜、具有光焦度的第二非球面透镜、具有光焦度的第三非球面透镜、具有负光焦度的第四非球面透镜以及具有光焦度的第五非球面透镜，其中该第一非球面透镜、该第二非球面透镜、该第三非球面透镜以及该第四非球面透镜均为非玻璃透镜，且该第五非球面透镜为玻璃透镜。

Description

目镜镜头和近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及近眼显示技术领域，特别是涉及一种目镜镜头和近眼显示设备。

背景技术

光学镜头作为成像系统中必不可少的部件，其直接影响成像质量的优劣，并影响算法的实现和效果。近年来，成像镜头的应用非常广泛，例如：通信行业的手机镜头，智能家居类的AR/VR镜头等。由于AR技术，即增强现实技术，能够实现虚拟世界和现实世界的实时同步，因此增强现实设备逐渐被广泛应用在游戏、军事、教育、交通以及医疗等行业。

而为了实现AR技术，光波导方案是头戴式近眼显示系统中较为成熟的技术方案，但现有的光波导方案中光学系统透镜组的体积较大、成本高，且多为单色波长设计，严重制约增强现实技术的应用和普及。

实用新型内容

本实用新型的一个优势在于提供一种目镜镜头和近眼显示设备，其能够在减少整个镜头体积的同时，在一定温度范围内保持较优的成像性能。

本实用新型的另一个优势在于提供一种目镜镜头和近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述目镜镜头能够利用塑料非球面透镜和玻璃非球面透镜的结合，减少整个光学透镜组的体积，便于应用于头戴式近眼显示设备。

本实用新型的另一个优势在于提供一种目镜镜头和近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述目镜镜头能够通过设置合理的波长比例，以在光学系统切换为单波长时，获得均匀的MTF，便于在后期利用镜头合色时获取均匀的彩色图像。

本实用新型的另一优势在于提供一种目镜镜头和近眼显示设备，其中为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一解决方案，不只提供一种简单的目镜镜头和近眼显示设备，同时还增加了所述目镜镜头和近眼显示设备的实用性和可靠性。

为了实现本实用新型的上述至少一优势或其他优点和目的，本实用新型提供了一种目镜镜头，包括从像侧到物侧依次共轴排布的：具有正光焦度的第一非球面透镜、具有光焦度的第二非球面透镜、具有光焦度的第三非球面透镜、具有负光焦度的第四非球面透镜以及具有光焦度的第五非球面透镜，其中所述第一非球面透镜、所述第二非球面透镜、所述第三非球面透镜以及所述第四非球面透镜均为非玻璃透镜，且所述第五非球面透镜为玻璃透镜。

根据本申请的一个实施例，所述第一非球面透镜为双凸透镜；所述第三非球面透镜为凹凸透镜，其中所述第三非球面透镜的像侧面为凹面，且所述第三非球面透镜的物侧面为凸面。

根据本申请的一个实施例，所述目镜镜头的视场角小于等于30°。

根据本申请的一个实施例，所述目镜镜头的光学总长与所述目镜镜头的光学像高之比小于1.65。

根据本申请的一个实施例，所述目镜镜头的波长比例为625nm波长：525nm波长：450nm波长等于20:10:16。

根据本申请的一个实施例，所述目镜镜头的畸变绝对值小于0.5％。

根据本申请的一个实施例，所述目镜镜头的有效焦距与所述目镜镜头的入瞳直径之比小于3。

根据本申请的一个实施例，所述目镜镜头的所述第一非球面透镜的折射率小于1.55。

根据本申请的一个实施例，所述目镜镜头进一步包括被设置于所述第一非球面透镜的像侧的光阑和被设置于所述第五非球面透镜的物侧的平面玻璃。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了一种近眼显示设备，包括：

近眼显示主体；和

上述任一所述的目镜镜头，所述目镜镜头被配置于所述近眼显示主体。

附图说明

图1为根据本实用新型的一个实施例的近眼显示设备的结构示意图；

图2示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备中目镜镜头的第一示例；

图3A、图3B以及图3C示出了根据本实用新型的上述第一示例的目镜镜头分别在10℃、20℃以及50℃下的MTF曲线示意图；

图4A、图4B以及图4C示出了根据本实用新型的上述第一示例的目镜镜头分别在625nm、525nm以及450nm下的MTF曲线示意图；

图5示出了根据本实用新型的上述第一示例的目镜镜头的照度曲线示意图；

图6A示出了根据本实用新型的上述第一示例的目镜镜头的倍率色差示意图；

图6B示出了根据本实用新型的上述第一示例的目镜镜头的畸变示意图；

图7示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备中目镜镜头的第二示例；

图8示出了根据本实用新型的上述第二示例的目镜镜头的MTF曲线示意图；

图9示出了根据本实用新型的上述第二示例的目镜镜头的照度曲线示意图；

图10示出了根据本实用新型的上述第二示例的目镜镜头的倍率色差示意图；

图11示出了根据本实用新型的上述第二示例的目镜镜头的畸变示意图；

图12示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备中目镜镜头的第三示例；

图13示出了根据本实用新型的上述第三示例的目镜镜头的MTF曲线示意图；

图14示出了根据本实用新型的上述第三示例的目镜镜头的照度曲线示意图；

图15示出了根据本实用新型的上述第三示例的目镜镜头的倍率色差示意图；

图16示出了根据本实用新型的上述第三示例的目镜镜头的畸变示意图；

图17示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备中目镜镜头的第四示例；

图18示出了根据本实用新型的上述第四示例的目镜镜头的MTF曲线示意图；

图19示出了根据本实用新型的上述第四示例的目镜镜头的照度曲线示意图；

图20示出了根据本实用新型的上述第四示例的目镜镜头的倍率色差示意图；

图21示出了根据本实用新型的上述第四示例的目镜镜头的畸变示意图；

图22示出了根据本实用新型的上述实施例的近眼显示设备中目镜镜头的第五示例；

图23示出了根据本实用新型的上述第五示例的目镜镜头的MTF曲线示意图；

图24示出了根据本实用新型的上述第五示例的目镜镜头的照度曲线示意图；

图25示出了根据本实用新型的上述第五示例的目镜镜头的倍率色差示意图；

图26示出了根据本实用新型的上述第五示例的目镜镜头的畸变示意图。

标号说明：10、目镜镜头；11、第一非球面透镜；12、第二非球面透镜；13、第三非球面透镜；14、第四非球面透镜；15、第五非球面透镜；16、光阑；17、平面玻璃；20、近眼显示主体；21、图像源；22、光波导。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“被设置于”或“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

考虑到现有的光波导方案中光学系统透镜组的体积较大、成本高，且多为单色波长设计，严重制约增强现实技术的应用和普及。为了解决上述问题，本申请提出了一种目镜镜头和近眼显示设备，其能够在减少整个镜头体积的同时，在一定温度范围内保持较优的成像性能。

具体地，参考附图1所示，本实用新型的一个实施例提供了一种近眼显示设备，其可以包括目镜镜头10和近眼显示主体20，该目镜镜头10被配置于该近眼显示主体20，以提高近眼显示质量。

更具体地，如图1所示，该目镜镜头10可以包括从像侧至物侧依次共轴排布的：具有正光焦度的第一非球面透镜11、具有光焦度的第二非球面透镜12、具有光焦度的第三非球面透镜13、具有负光焦度的第四非球面透镜14以及具有光焦度的第五非球面透镜15，其中该第一非球面透镜11、该第二非球面透镜12、该第三非球面透镜13以及该第四非球面透镜14均为非玻璃透镜，该第五非球面透镜15为玻璃透镜。

值得注意的是，本申请所提及的非玻璃透镜可以但不限于被实施为塑料透镜，以便利用塑料开模的特性，在批量生产条件下，可以节约大量成本；当然，在本申请的其他示例中，该非玻璃透镜还可以被实施为其他高分子材料透镜，本申请对此不再赘述。

这样，本申请的该目镜镜头10通过利用塑料非球面透镜和玻璃非球面透镜之间的结合，并引入非球面来增加系统的自由度，使得整个镜头的体积得以减小；与此同时，本申请的该目镜镜头10中的该第五非球面透镜15作为最靠近物侧的透镜，采用了玻璃材料，以便保证在一定温度范围内，均能够保持较优的成像性能，提高了近眼显示设备的适用场景。可以理解的是，玻璃非球面透镜相对于塑料非球面透镜而言，材料可选性灵活度更高，可以选择低折射率、高色散等材料，有利于光学系统的性能提升，以在可见光工作范围内和常温下全视场以内的性能在125lp/mm条件下均较优。

此外，本申请的该目镜镜头10中所有的透镜均采用非球面面型，而非球面高级系数可以有效地改善各类像差，提高成像质量。

可选地，如图1和图2所示，该目镜镜头10中的该第一非球面透镜11被实施为双凸透镜，也就是说，该第一非球面透镜11的像侧面S1和物侧面S2均为凸面，使其承担光学成像系统所需的光焦度，有利于减小视场角和光瞳像差，提高成像质量。

值得注意的是，本申请的该第二非球面透镜12也具有光焦度，有利于该目镜镜头10的色差矫正，保证在可见光波长范围内获得较好的色差效果。

可选地，如图1和图2所示，该目镜镜头10中的该第三非球面透镜13被实施为凹凸透镜，其中该第三非球面透镜13的像侧面S5为凹面，且该第三非球面透镜13的物侧面S6为凸面。可以理解的是，该第三非球面透镜13和该第四非球面透镜14不仅有利于减小系统慧差和像散，而且还有利于压缩光阑位置光线的入射角，以便更好地控制畸变形状与大小。

值得注意的是，本申请的该第五非球面透镜15的光焦度，能够合理地控制两个光学组件的球差贡献量在合理的水平内，使得轴上视场获得良好的成像质量，同时使得光线能够迅速收敛，以获得较好的相对照度。此外，该第五非球面透镜15采用玻璃材质，能够保证该目镜镜头10在10℃至50℃的温度范围内均维持较优的成像性能，便于拓展该近眼显示设备的适用环境。

可选地，该目镜镜头10的视场角小于等于30°，即FOV≤30°，以便配合大多数光波导的使用。

可选地，该目镜镜头10的光学总长TTL与该目镜镜头10的光学像高IMGH之比小于1.65，有效地减少该目镜镜头10的体积。可以理解的是，本申请的该目镜镜头10的光学总长指的是该第一非球面透镜11的像侧面S1与成像面S12的轴上距离；本申请的该目镜镜头10的光学像高指的是成像面S12上有效像素区域的对角线长。

可选地，该目镜镜头10的波长比例被实施为625nm波长：525nm波长：450nm波长＝20:10:16，以便在光学系统切换为单波长时，获得均匀的MTF；并在后期利用镜头合色时，可以获取均匀的彩色图像。

可选地，该目镜镜头10的畸变绝对值小于0.5％，以便有效地提升光学系统的相对照度，以在可见光工作范围内，使边缘视场的相对照度大于70％。可以理解的是，本申请的该目镜镜头10利用正负透镜的交替组合，有利于平衡各视场的像差，能够有效地校正像散、色差和畸变，使得全视场畸变绝对值小于0.5％。

可选地，该目镜镜头10的有效焦距与该目镜镜头的入瞳直径EPR之比小于3，即该目镜镜头10的F数小于3，以便有效地保证光学成像系统的光圈特性，使得景深变浅，有利于突出主体、精简画面。

可选地，该目镜镜头10的该第一非球面透镜11的折射率小于1.55，以便保证该第一非球面透镜11能够使用低折材料，节约成本。

根据本申请的上述实施例，如图1所示，该近眼显示设备的该近眼显示主体20可以包括图像源21和光波导22，该目镜镜头10位于该图像源21和该光波导22之间的光路中，使得经由该图像源21发射的图像光先穿过该目镜镜头10，再通过该光波导22传输至人眼成像。

可选地，如图1所示，该目镜镜头10可以进一步包括被设置于该第一非球面透镜11的像侧的光阑16，使得该光阑16位于该目镜镜头10和该光波导22之间的光路中，有助于消除杂光干扰。

可选地，如图1所示，该目镜镜头10还可以进一步包括被设置于该第五非球面透镜15的物侧的平面玻璃17，使得该平面玻璃17位于该目镜镜头10和该图像源21之间的光路中，有助于保护该图像源21。优选地，该平面玻璃17的物侧面S12贴附于该图像源21的发光面，以更好地保护该图像源21。

值得注意的是，以下以五个实施例进行示例，来阐述本申请的该目镜镜头10的特征和优势。

实施例1：附图2示出了根据本申请的目镜镜头10的第一示例，其中该目镜镜头10从像侧到物侧，依次设定各个功能面的结构参数：表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率.阿贝数)以及圆锥系数，其取值条件如下表1所示，其中该目镜镜头10中各个功能面的非球面系数(面型参数)如图下表2所示。可以理解的是，以下表1中的S1为例：本申请所提及的材料538494.5571指的是该第一非球面透镜11的折射率为1.538494；该第一非球面透镜11的像侧面S1的阿贝数为55.71。

表1：目镜镜头的结构参数表

表2：目镜镜头的面型参数表

值得注意的是，通过对上述第一示例的该目镜镜头10进行测试，可以得到：如图3A、图3B以及图3C所示的该目镜镜头分别在10℃、20℃以及30℃下的光学传递函数(MTF)曲线图；如图4A、图4B以及图4C所示的该目镜镜头分别在625nm、525nm以及450nm下的光学传递函数(MTF)曲线图；如图5所示的该目镜镜头的照度曲线图；如图6A和图6B所示的该目镜镜头的倍率色差图和畸变图。

实施例2：附图7示出了根据本申请的目镜镜头10的第二示例，其中该目镜镜头从像侧到物侧，依次设定各个功能面的结构参数：表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率.阿贝数)以及圆锥系数，其取值条件如下表3所示，其中该目镜镜头中各个功能面的非球面系数(面型参数)如图下表4所示。

表3：目镜镜头的结构参数表

表4：目镜镜头的面型参数表

值得注意的是，通过对上述第二示例的该目镜镜头10进行测试，可以得到：如图8所示的该目镜镜头的光学传递函数(MTF)曲线图；如图9所示的该目镜镜头的照度曲线图；如图10和图11所示的该目镜镜头的倍率色差图和畸变图。

实施例3：附图12示出了根据本申请的目镜镜头10的第三示例，其中该目镜镜头从像侧到物侧，依次设定各个功能面的结构参数：表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率.阿贝数)以及圆锥系数，其取值条件如下表5所示，其中该目镜镜头中各个功能面的非球面系数(面型参数)如图下表6所示。

表5：目镜镜头的结构参数表

表6：目镜镜头的面型参数表

值得注意的是，通过对上述第三示例的该目镜镜头10进行测试，可以得到：如图13所示的该目镜镜头的光学传递函数(MTF)曲线图；如图14所示的该目镜镜头的照度曲线图；如图15和图16所示的该目镜镜头的倍率色差图和畸变图。

实施例4：附图17示出了根据本申请的目镜镜头10的第四示例，其中该目镜镜头从像侧到物侧，依次设定各个功能面的结构参数：表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率.阿贝数)以及圆锥系数，其取值条件如下表7所示，其中该目镜镜头中各个功能面的非球面系数(面型参数)如图下表8所示。

表7：目镜镜头的结构参数表

表8：目镜镜头的面型参数表

值得注意的是，通过对上述第四示例的该目镜镜头10进行测试，可以得到：如图18所示的该目镜镜头的光学传递函数(MTF)曲线图；如图19所示的该目镜镜头的照度曲线图；如图20和图21所示的该目镜镜头的倍率色差图和畸变图。

实施例5：附图22示出了根据本申请的目镜镜头10的第五示例，其中该目镜镜头从像侧到物侧，依次设定各个功能面的结构参数：表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率.阿贝数)以及圆锥系数，其取值条件如下表9所示，其中该目镜镜头中各个功能面的非球面系数(面型参数)如图下表10所示。

表9：目镜镜头的结构参数表

表10：目镜镜头的面型参数表

值得注意的是，通过对上述第五示例的该目镜镜头10进行测试，可以得到：如图23所示的该目镜镜头的光学传递函数(MTF)曲线图；如图24所示的该目镜镜头的照度曲线图；如图25和图26所示的该目镜镜头的倍率色差图和畸变图。

此外，上述五个实施例的目镜镜头的光学参数如下表11所示：

表11：目镜镜头的光学参数表

实施例参数	1	2	3	4	5
						f(mm)	6.183	6.171	6.171	6.155	6.176
f1(mm)	2.3648	2.499496	2.845422	2.576148	2.451586
						f2(mm)	-3.500623	-4.062835	100	-4.477455	-3.622813
f3(mm)	6.693087	-100	-8.345001	-10.042089	5.638387
						f4(mm)	-3.013665	-6.323983	-3.484399	100	-2.297623
f5(mm)	-14.429445	-11.92003	-25.031568	-5.502308	100
						TTL(mm)	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5
IMGH(mm)	1.662	1.662	1.662	1.662	1.662
						Semi-FOV(°)	15°	15°	15°	15°	15°

综上该，通过上述五个示例的测试验证，本申请提供了一种应用于近眼显示的目镜镜头，通过利用塑料非球面透镜和玻璃非球面透镜结合，并引入非球面以增加系统自由度，从而减少整个镜头的体积；且通过引入玻璃材料，可以保证在一定温度范围内，光学成像系统都保持较优的成像性能；非球面高级系数可以有效的改善各类像差，提高成像质量。考虑到后续配合光波导的使用，目镜镜头的FOV≤30°。目标镜头的波长比例为625nm:525nm:450nm(20:10:16)，通过设置合理的波长比例，可以在光学系统切换为单波长时，获得均匀的MTF，在后期利用镜头合色时，可以获取均匀的彩色图像。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上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。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.目镜镜头，其特征在于，包括从像侧到物侧依次共轴排布的：具有正光焦度的第一非球面透镜、具有光焦度的第二非球面透镜、具有光焦度的第三非球面透镜、具有负光焦度的第四非球面透镜以及具有光焦度的第五非球面透镜，其中所述第一非球面透镜、所述第二非球面透镜、所述第三非球面透镜以及所述第四非球面透镜均为非玻璃透镜，且所述第五非球面透镜为玻璃透镜。

2.根据权利要求1所述的目镜镜头，其特征在于，所述第一非球面透镜为双凸透镜；所述第三非球面透镜为凹凸透镜，其中所述第三非球面透镜的像侧面为凹面，且所述第三非球面透镜的物侧面为凸面。

3.根据权利要求1或2所述目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头的视场角小于等于30°。

4.根据权利要求1或2所述目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头的光学总长与所述目镜镜头的光学像高之比小于1.65。

5.根据权利要求1或2所述目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头的波长比例为625nm波长：525nm波长：450nm波长等于20:10:16。

6.根据权利要求1或2所述目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头的畸变绝对值小于0.5％。

7.根据权利要求1或2所述的目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头的有效焦距与所述目镜镜头的入瞳直径之比小于3。

8.根据权利要求1或2所述的目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头的所述第一非球面透镜的折射率小于1.55。

9.根据权利要求1或2所述的目镜镜头，其特征在于，所述目镜镜头进一步包括被设置于所述第一非球面透镜的像侧的光阑和被设置于所述第五非球面透镜的物侧的平面玻璃。

10.近眼显示设备，其特征在于，包括：

近眼显示主体；和

如权利要求1至9中任一所述的目镜镜头，所述目镜镜头被配置于所述近眼显示主体。

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