CN217954824U - 近眼显示光学系统及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学技术领域，提供了一种近眼显示光学系统及近眼显示装置。近眼显示光学系统包括沿光线输出方向依次排布且共轴设置的第一胶合透镜和第二胶合透镜，其中，第一胶合透镜具有负光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的平凸透镜和双凹透镜；第二胶合透镜具有正光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的凸凹透镜和双凸透镜；双凹透镜的出光面的曲率半径比平凸透镜中的凸面的曲率半径小，凸凹透镜的入光面的曲率半径比出光面的曲率半径大，双凸透镜的出光面的曲率半径大于入光面的曲率半径。本实用新型提供的近眼显示光学系统及近眼显示装置，结构简单、体积小、重量轻、成本低且易于制造。

Description

近眼显示光学系统及近眼显示装置

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，尤其涉及一种近眼显示光学系统及近眼显示装置。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度，并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。近年来，电子图像显示设备的小型化和性能的进步使得紧凑型和高性能近眼显示设备走向消费者成为了可能，如何使这样一个系统真正可穿戴对近眼显示设计提出了挑战。为此，设计小型化、低重量、低成本的近眼显示光学系统及近眼显示装置有着重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种近眼显示光学系统及近眼显示装置，旨在实现近眼显示光学系统及近眼显示装置的小型化、低重量和低成本。

本实用新型是这样实现的，在第一方面，提供了一种近眼显示光学系统，包括沿光线输出方向依次排布且共轴设置的第一胶合透镜和第二胶合透镜，其中，所述第一胶合透镜具有负光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的平凸透镜和双凹透镜；所述第二胶合透镜具有正光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的凸凹透镜和双凸透镜。

在一个可选的实施例中，所述双凹透镜的出光面的曲率半径比所述平凸透镜中的凸面的曲率半径小，所述凸凹透镜的入光面的曲率半径比出光面的曲率半径大，所述双凸透镜的出光面的曲率半径大于入光面的曲率半径。

在一个可选的实施例中，所述平凸透镜、所述双凹透镜、所述凸凹透镜和所述双凸透镜分别为光学玻璃或者光学树脂。

在一个可选的实施例中，所述近眼显示光学系统还包括位于所述第二胶合透镜出光侧的盖板玻璃。

在一个可选的实施例中，所述近眼显示光学系统还包括位于所述第二胶合透镜出光侧的光阑。

在一个可选的实施例中，所述近眼显示光学系统的对角线全视场角为30°，且水平视场角和垂直视场角之比为16:7。

第二方面，提供了一种近眼显示装置，包括沿光路依次设置的图像源、成像光学系统以及光路传导模块，所述成像光学系统为上述各实施例提供的近眼显示光学系统，所述图像源用于生成显示图像并出射与所述显示图像相对应的图像光；所述成像光学系统用于接收所述图像光，并对所述图像光进行准直、校正；所述光路传导模块用于接收、传导所述成像光学系统输出的所述图像光并使所述图像光出射，以投射至目标物上。

在一个可选的实施例中，所述光路传导模块包括沿光线输出方向依次设置的耦入模块、光路转折模块和耦出模块，所述光路转折模块用于将入射光线沿第一方向扩瞳后出射；所述耦出模块用于将所述沿第一方向扩瞳后出射的光线沿第二方向扩瞳后出射。

在一个可选的实施例中，所述光路转折模块包括第一波导基板以及形成于所述第一波导基板内的第一分光结构，所述第一分光结构包括沿第一方向间隔设置的多个第一半透半反膜，所述耦出模块包括第二波导基板以及形成于所述第二波导基板内的第二分光结构，所述第二分光结构包括沿第二方向间隔设置的多个第二半透半反膜。

在一个可选的实施例中，所述成像光学系统的长度为14.1mm，出瞳口径为5.7mm，所述图像源的出光区域为0.18英寸。

本实用新型相对于现有技术的技术效果是：本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统及近眼显示装置，采用了两个胶合透镜，且第一胶合透镜采用了平凸透镜和双凹透镜胶合，第二胶合透镜采用了凸凹透镜和双凸透镜胶合，可以最大限度地减少色差或消除色差，其消色差设计也有助于最大限度地减少球差，且整体结构简单、体积小、重量轻、成本低且易于制造。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例提供的近眼显示光学系统的剖视结构示意图；

图2是本实用新型另一实施例提供的近眼显示光学系统的剖视结构示意图；

图3是本实用新型另一实施例提供的近眼显示光学系统的剖视结构示意图；

图4是图1所示近眼显示光学系统对应的近眼显示装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例所采用的耦入模块、光路转折模块和耦出模块的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的近眼显示装置的全视场传递函数MTF(ModulationTransfer Function，调制传递函数的简称)值示意图；

图7是本实用新型实施例提供的近眼显示装置的全视场全波段的场曲与畸变图，其中，图(a)是场曲图，图(b)是畸变图；

图8是本实用新型实施例提供的近眼显示装置的网格畸变示意图。

附图标记说明：

100、近眼显示光学系统；110、平凸透镜；120、双凹透镜；130、凸凹透镜；140、双凸透镜；150、盖板玻璃；160、光阑；200、图像源；300、耦入模块；400、光路转折模块；410、第一波导基板；420、第一半透半反膜；500、耦出模块；510、第二波导基板；520、第二半透半反膜。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本实用新型中的具体含义。

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。

请参照图1所示，在本实用新型一实施例中，提供了一种近眼显示光学系统100，包括沿光线输出方向依次排布且共轴设置的第一胶合透镜和第二胶合透镜，其中，第一胶合透镜具有负光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的平凸透镜110和双凹透镜120；第二胶合透镜具有正光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的凸凹透镜130和双凸透镜140。

为便于描述，下文部分内容将近眼显示光学系统100简称为光学系统。本领域技术人员应当理解的是，下文中“近眼显示光学系统”和“光学系统”均为本申请提供的近眼显示光学系统100。

本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统100的工作原理如下，如图1及图4所示：

本实施例提供的近眼显示光学系统100适用于近眼显示装置。该近眼显示装置除此之外，还包括图像源200、耦入模块300、光路转折模块400和耦出模块500。使用时，图像源200发出图像光线，该光线经近眼显示光学系统100的入光面进入光学系统内，之后经近眼显示光学系统100中各透镜缩角、扩束、减小像差等处理后，将点光源调试成平行光后射出，之后平行光经耦入模块300进入光路转折模块400，再经光路转折模块400改变传播方向后，经耦出模块500射出。

其中，平凸透镜110为正光焦度，平面靠近物侧，凸面靠近像侧，作为光学系统的场镜使用，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，缩小光学系统的体积。双凹透镜120为负光焦度，主要贡献数值为负的球差、像散、场曲、畸变，可校正平凸透镜110所产生的像差。凸凹透镜130具有自消色差的功能。双凸透镜140为正光焦度，曲率半径较小的一面靠近物侧，主要用于贡献数值为正的场曲和畸变，曲率半径较大的一面靠近像侧，可将光线校正的更加紧凑，有效减小光学系统的体积。同时，平凸透镜110和双凹透镜120胶合、凸凹透镜130和双凸透镜140胶合可进一步减少色差或消除色差，且可进一步减少球差，使得光学系统的成像效果较佳。

本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统100，采用了两个胶合透镜，且第一胶合透镜采用了平凸透镜110和双凹透镜120胶合，第二胶合透镜采用了凸凹透镜130和双凸透镜140胶合，可以最大限度地减少色差或消除色差，其消色差设计也有助于最大限度地减少球差，且整体结构简单、体积小、重量轻、成本低且易于制造。

为保证像差校正较好，成像质量良好，在一个可选的实施例中，双凹透镜120的出光面的曲率半径比平凸透镜110中的凸面的曲率半径小，凸凹透镜130为负弯月透镜，即该透镜的入光面的曲率半径比出光面的曲率半径大，双凸透镜140的出光面的曲率半径大于入光面的曲率半径。

在一个可选的实施例中，平凸透镜、双凹透镜、凸凹透镜和双凸透镜分别为光学玻璃或者光学树脂。

当上述透镜采用光学树脂时，透镜的光学性质优越，不容易划花，折射率高，厚度较薄，但存在易碎、材质偏重的缺点。当上述透镜采用光学树脂时，透镜重量轻且易于加工。本实施例中的四个透镜的材料可以相同或者不同，具体可根据使用需要，灵活选择，这里不做唯一限定。

在一个可选的实施例中，如图2所示，近眼显示光学系统100还包括位于第二胶合透镜出光侧(即双凸透镜140的出光侧)的盖板玻璃150。

盖板玻璃150的设置可对近眼显示光学系统100中的透镜起到防护作用。

为进一步调节经过上述各实施例提供的光学系统的出光强度，在一个可选的实施例中，如图3所示，近眼显示光学系统100还包括位于第二胶合透镜出光侧的光阑160。

具体的，当上述光学系统包括盖板玻璃150时，光阑160位于盖板玻璃150的出光侧。

在一个可选的实施例中，近眼显示光学系统的对角线全视场角为30°，且水平视场角和垂直视场角之比为16:7。采用这一设置，视场角较大，客户体验较佳。

请参照图4所示，在本实用新型另一实施例中，提供了一种近眼显示装置，包括沿光路依次设置的图像源200、成像光学系统以及光路传导模块，成像光学系统为上述各实施例提供的近眼显示光学系统100。

本实施例中的图像源200可以为微型发光二极管(Micro-LED或者Micro-oled(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等)，还可以采用其他自发光屏幕或带背光的LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)屏幕等，具体可根据使用需要灵活选择。光路传导模块可以为棱镜模块、波导模块、棱镜和波导组合模块，或者其他可以实现光线传导和输出的光传导结构。

本实用新型实施例提供的近眼显示装置，采用了上述各实施例提供的近眼显示光学系统100，使得近眼显示装置的整体结构简单、体积小、重量轻、成本低、易于制造，且成像效果好。

在一个具体的实施例中，图像源采用Micro-LED。

在一个可选的实施例中，如图5所示，光路传导模块包括沿光线输出方向依次设置的耦入模块300、光路转折模块400和耦出模块500，光路转折模块400用于将入射光线沿第一方向扩瞳后出射；耦出模块500用于将沿第一方向扩瞳后出射的光线沿第二方向扩瞳后出射。

本实施例中的耦入模块300可以采用至少一个棱镜，并在棱镜上设置反射膜，使得进入棱镜的光线经反射膜反射后可以进入光路转折模块400内；还可以采用反射镜或者其他耦入结构，只要经过耦入模块300的光线能够进入光路转折模块400即可。光路转折模块400可以采用沿第一方向依次排列的棱镜，每个棱镜的出光面上贴设半透半反膜，以使得光线经过棱镜的出光面时可以一部分被反射以经棱镜的侧面射出，另一部分穿过该半透半反膜进入下一个棱镜，以实现在第一方向上的扩瞳；还可以采用能够实现第一方向扩瞳的几何光波导。耦出模块500可以采用沿第二方向依次排列的棱镜，每个棱镜的出光面上贴设半透半反膜，以使得光线经过棱镜的出光面时可以一部分被反射以经棱镜的侧面射出，另一部分穿过该半透半反膜进入下一个棱镜，以实现在第二方向上的扩瞳；还可以采用能够实现第二方向扩瞳的几何光波导。

光路传导模块采用本实施例提供的结构，可实现二维扩瞳，进而增大出光面积，使得体验者在一定范围内均可以观察到图像，无需固定在一个位置，可有效提高体验感。

在一个具体的实施例中，如图5所示，光路转折模块400包括第一波导基板410以及形成于第一波导基板410内的第一分光结构，第一分光结构包括沿第一方向间隔设置的多个第一半透半反膜420。耦出模块500包括第二波导基板510以及形成于第二波导基板510内的第二分光结构，第二分光结构包括沿第二方向间隔设置的多个第二半透半反膜520。

本实施例中的第一半透半反膜420和第二半透半反膜520均倾斜设置，即第一半透半反膜420与第一方向呈锐角设置，第二半透半反膜520与第二方向呈锐角设置，如此，经各半透半反膜反射的光线可以经相应波导基板的侧壁射出。光路转折模块400和耦出模块500采用本实施例提供的结构，结构简单，便于设计和制备，且出光效果好。

在一个可选的实施例中，图像源的出光面上均贴设有蓝宝石保护层，以为图像源的出光面提供保护，降低使用过程中图像源的出光面发生损坏的风险。

在一个具体的实施例中，成像光学系统的长度为14.1mm，出瞳口径为5.7mm，图像源的出光区域为0.18英寸。

具体的，本实施例中的图像源的分辨率可以为320*140，像素大小可以为12.5μm，也可以根据需要采用其他分辨率和像素大小。本实施例提供的近眼显示装置，体积小、成像效果好。

为便于理解，现给出一种具体的实施例，在本实施例中各透镜参数如表1所示。表1中面1为光阑面，面2为盖板玻璃，面4为双凸透镜的出光面，面5为双凸透镜的入光面、也是凸凹透镜的出光面(即凹面)，面6为凸凹透镜的入光面(即凸面)，面7为双凹透镜的出光面，面8为双凹透镜的入光面、也是平凸透镜的出光面，面10对应数据为设置于图像源出光面上的蓝宝石保护层的数据，面9对应的厚度为平凸透镜的入光面(即平面)与蓝宝石保护层出光面之间的间距。

表1

表面序号	曲率半径(mm)	厚度(mm)	折射率Nd	阿贝数Vd	玻璃材料	备注
							物面	无限	无限
1	无限	0				光阑面
							2	无限	0.70	1.52	64.2	H-K9L	盖板玻璃
3	无限	0
							4	5.937	4.00	1.77	49.6	H-LAF50B
5	-5.364	5.20	2.00	25.4	H-ZLAF90
							6	-10.471	1.40
7	-3.600	0.5	1.52	64.2	H-K9L
							8	6.970	1.20	2.00	25.4	H-ZLAF90
9	无限	1.00				后截距
							10	无限	0.1	1.76	76.0		蓝宝石保护层
像面	无限	—				发光面

另外，上述各透镜的直径为7.4mm，光阑口径为5.7mm，光学系统的长度为14.1mm，焦距为8.152mm，图像源的出光区域为0.18英寸，图像源的分辨率为320*140，像素大小为12.5μm，经测试，采用上表设置方式，光学系统的对角线方向全视场为30°(27.58°(H)×12.26°(V))，其中H表示水平视场角，V表示垂直视场角，且水平和垂直视场比为16：7。

上述实施例对应的光学系统的点列大小如下表：

表2

基于图4及图5所示近眼显示装置及表1所示光学系统的实际设计参数，可得到如图6至图5所示近眼显示装置所在系统中，能够表征该近眼显示装置在全视场全波段的成像质量图。

其中，图6是本实用新型实施例提供的近眼显示装置的全视场传递函数MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数的简称)值示意图，具体的该曲线是奈奎斯特频率下(1000/(2*12.5)＝40lp/mm)的MTF曲线。

图7是本实用新型实施例提供的近眼显示装置的全视场全波段的场曲与畸变图，其中，图(a)是场曲图，图(b)是畸变图，如图所示，近眼显示装置的弧矢场曲控制在<0.0836mm内，子午场曲控制在<0.0624mm内，光学畸变控制在≤0.6731％内。

图8是本实用新型实施例提供的近眼显示装置的网格畸变示意图，其中，网格中横线方向或竖线方向上的畸变为理想畸变，网格中黑点表示实际畸变，由图中可以看出，本实施例对应的光学系统的最大畸变为-0.6905％。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，仅具体描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，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，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示光学系统，其特征在于，包括沿光线输出方向依次排布且共轴设置的第一胶合透镜和第二胶合透镜，其中，所述第一胶合透镜具有负光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的平凸透镜和双凹透镜；所述第二胶合透镜具有正光焦度，包括沿光线输出方向依次设置的凸凹透镜和双凸透镜。

2.如权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述双凹透镜的出光面的曲率半径比所述平凸透镜中的凸面的曲率半径小，所述凸凹透镜的入光面的曲率半径比出光面的曲率半径大，所述双凸透镜的出光面的曲率半径大于入光面的曲率半径。

3.如权利要求1或2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述平凸透镜、所述双凹透镜、所述凸凹透镜和所述双凸透镜分别为光学玻璃或者光学树脂。

4.如权利要求1或2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示光学系统还包括位于所述第二胶合透镜出光侧的盖板玻璃。

5.如权利要求1或2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示光学系统还包括位于所述第二胶合透镜出光侧的光阑。

6.如权利要求1或2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述近眼显示光学系统的对角线全视场角为30°，且水平视场角和垂直视场角之比为16:7。

7.一种近眼显示装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的图像源、成像光学系统以及光路传导模块，所述成像光学系统为权利要求1-6任一项所述的近眼显示光学系统，所述图像源用于生成显示图像并出射与所述显示图像相对应的图像光；所述成像光学系统用于接收所述图像光，并对所述图像光进行准直、校正；所述光路传导模块用于接收、传导所述成像光学系统输出的所述图像光并使所述图像光出射，以投射至目标物上。

8.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光路传导模块包括沿光线输出方向依次设置的耦入模块、光路转折模块和耦出模块，所述光路转折模块用于将入射光线沿第一方向扩瞳后出射；所述耦出模块用于将所述沿第一方向扩瞳后出射的光线沿第二方向扩瞳后出射。

9.如权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光路转折模块包括第一波导基板以及形成于所述第一波导基板内的第一分光结构，所述第一分光结构包括沿第一方向间隔设置的多个第一半透半反膜，所述耦出模块包括第二波导基板以及形成于所述第二波导基板内的第二分光结构，所述第二分光结构包括沿第二方向间隔设置的多个第二半透半反膜。

10.如权利要求7-9任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，所述成像光学系统的长度为14.1mm，出瞳口径为5.7mm，所述图像源的出光区域为0.18英寸。

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