CN219225192U - 成像镜头和检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种成像镜头和检测设备，其能够搭配滤光元件也可搭配分光棱镜使用，以实现对滤光式和光谱式亮色度测量方法的兼容。其不仅能够支持超大视场显示图像测量，还能支持从250mm～无穷远的整个工作距离下的清晰对焦。该成像镜头可以包括：从物侧到像侧依次排布的前置光阑、前透镜组、中继透镜前组和中继透镜后组；该中继透镜后组包括前固定组元、后固定组元和可前后移动地设置于该前固定组元和该后固定组元之间的移动组元；该中继透镜后组靠近该像侧的一侧具有后截距，该成像镜头的后截距大于70mm，用于设置分光棱镜和/或滤光元件。

Description

成像镜头和检测设备

技术领域

本实用新型涉及近眼显示眼镜成像测试技术领域，特别是涉及一种成像镜头和检测设备。

背景技术

随着增强、虚拟和混合现实(AR/VR/MR)设备的应用在游戏、军事、教育、交通和医药等各种行业中迅速增长，人们对于各类AR/VR显示图像的测量需求也越来越强。通常情况下，对于显示画面的体验，仅仅依靠人眼的直观感受作很难客观地对显示画面做出评判，需要对近眼显示设备的具体显示性能进行量化的表征，才能客观准确地测量和评判。因此合理地对NED等虚像类显示器进行有效的测试已成为一种新兴需求。

根据目前现有技术中记载，通常以成像镜头来模拟人眼，将测试光路汇聚至图像传感器，实现对AR/VR显示图像的测量。但普通的成像镜头由于后截距较小，无法增加滤色片来对显示图像的相关颜色进行测量。此外，普通的成像镜头只有一条测量光路，只能接入图像传感器进行图像性能的检测，不能同时兼顾接入光谱仪来检测显示图像的亮度和色度。

实用新型内容

本实用新型的一个优势在于提供了一种成像镜头和检测设备，其能够搭配滤光元件也可搭配分光棱镜使用，以实现对滤光式和光谱式亮色度测量方法的兼容，完成对显示图像亮色度信息的测量。

本实用新型的另一个优势在于提供了一种成像镜头和检测设备，其具有大广角、高分辨率、屈光度可调等特点，能够支持超大视场显示图像测量，还能支持从250mm～无穷远的整个工作距离下的清晰对焦。

本实用新型的另一个优势在于提供了一种成像镜头和检测设备，其能够在镜头头端增加折光元件，来折叠头端光路，以有效的缩减头端尺寸，便于在测量过程中避免同整机结构的干涉，更利于对AR及VR整机的测量。

基于此，为了实现本申请的上述至少一个优势或其他优点和目的，本实用新型提供了一种成像镜头，包括：

从物侧到像侧依次排布的前置光阑、前透镜组、中继透镜前组和中继透镜后组；

所述中继透镜后组包括前固定组元、后固定组元和可前后移动地设置于所述前固定组元和所述后固定组元之间的移动组元；所述中继透镜后组靠近所述像侧的一侧具有后截距，所述成像镜头的后截距大于70mm，用于设置分光棱镜和/或滤光元件。

根据本申请的一个实施例，所述前透镜组的焦距大于20mm且小于28mm。

根据本申请的一个实施例，所述中继透镜前组的焦距大于120mm且小于185mm。

根据本申请的一个实施例，所述中继透镜后组的焦距大于100mm且小于165mm。

根据本申请的一个实施例，所述移动组元的焦距大于250mm。

根据本申请的一个实施例，所述成像镜头进一步包括折光元件，所述折光元件设置于所述前透镜组和所述中继透镜前组之间，所述前透镜组和所述中继透镜前组之间的空气间隔大于55mm。

根据本申请的一个实施例，所述中继透镜前组和所述中继透镜后组之间的空气间隔的长度大于40mm。

根据本申请的一个实施例，所述成像镜头的每一个透镜表面均具有减反涂层。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了一种检测设备，包括：

如上述任一所述的成像镜头；

图像传感器，所述图像传感器设置于所述成像镜头的像侧；以及

滤光元件，所述滤光元件被设置于所述成像镜头和所述图像传感器之间的光路中。

根据本申请的一个实施例，所述检测设备进一步包括分光棱镜和光谱仪，所述分光棱镜设置于所述滤光元件和所述图像传感器之间的光路中，以分出分别接入所述图像传感器和所述光谱仪的两束测量光路。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请的一个实施例提供的检测设备的框图示意图；

图2示出了根据本申请的上述实施例的检测设备的光路示意图；

图3示出了根据本申请的上述实施例的检测设备使用折光元件时的光路示意图；

图4示出了根据本申请的上述实施例的检测设备使用分光棱镜时的光路示意图；

图5A示出了根据本申请的上述实施例的检测设备的第一示例；

图5B示出了根据本申请的上述实施例的检测设备的第二示例；

图5C示出了根据本申请的上述实施例的检测设备的第三示例；

图5D示出了根据本申请的上述实施例的检测设备的第四示例；

图6A示出了根据本申请的上述第一示例的检测设备的在物距为无穷远时的光学传递函数(MTF)曲线示意图；

图6B示出了根据本申请的上述第一示例的检测设备的在物距为250mm时的光学传递函数(MTF)曲线示意图；

图6C示出了根据本申请的上述第一示例的检测设备的场曲和畸变示意图；

图6D示出了根据本申请的上述第一示例的检测设备的色差示意图；

附图标记：1、检测设备；10、成像镜头；11、前置光阑；12、前透镜组；13、中继透镜前组；14、中继透镜后组；141、前固定组元；142、移动组元；143、后固定组元；15、折光元件；20、图像传感器；30、光谱仪；40、分光棱镜；50、滤光元件；51、XYZ滤光片组；52、ND滤镜。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“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是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本实用新型的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”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者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

考虑到目前普通的成像镜头一方面由于后截距较小，无法增加滤色片来对显示图像的相关颜色进行测量。另一方面只有一条测量光路，只能接入图像传感器进行图像性能的检测，不能同时兼顾接入光谱仪来检测显示图像的亮度和色度。为了解决上述问题，本申请提供了一种成像镜头和检测设备，其能够搭配滤光元件也可搭配分光棱镜使用，以实现对滤光式和光谱式亮色度测量方法的兼容，完成对显示图像亮色度信息的测量。

具体地，请参照图1至图4，本实用新型提供了一种检测设备1，该检测设备1可以包括成像镜头10、图像传感器20和滤光元件50，该图像传感器20设置于该成像镜头10的像侧。该滤光元件50被设置于该成像镜头10和该图像传感器20之间的光路中。待检测的图像光通过该成像镜头10调制成像后，在经由该滤光元件50滤光处理，最后被该图像传感器20接收，以后的图像检测信息，从而实现对图像显示性能的检测。

可选地，如图1和图2所示，根据本申请的一个实施例，该滤光元件50可以被实施为XYZ滤光片组51，该XYZ滤光片组51被可转动地设置于该图像传感器20的感光侧，以使该XYZ滤光片组51中不同的滤光片能够被依次覆盖于该图像传感器20的感光面，以便获得待检测的图像光的亮度和色度信息，从而实现在测量显示图像的成像质量的同时，测量显示图像的亮度和色度信息。

优选地，如图1和图2所示，根据本申请的一个实施例，该滤光元件50还可以被实施为ND滤镜52，该ND滤镜52被可转动地设置于该成像镜头10和该XYZ滤光片之间，该ND滤镜52能够减弱穿过的光线的亮度，以提高该图像传感器20的亮度检测范围。该ND滤镜52可以包括多个不同的档位，以实现不同档位的亮度衰减。例如该ND滤镜52可以包括5个档位，以实现从十分之一到十万分之一的亮度衰减。可以理解的是，该ND滤镜52可以通过转轮或其他方式进行切换，可以手动切换也可以通过电机等元件实现自动切换。值得注意的是，该ND滤镜52的亮度衰减功能可以通过镀膜或材料本身的吸收来实现。

更优选地，如图4所示，根据本申请的一个实施例，该检测设备1进一步包括分光棱镜40和光谱仪30，该分光棱镜40设置于该滤光元件50和该图像传感器20之间的光路中，以分出分别与该图像传感器20和该光谱仪30对应的两束测量光路。如此一来，该检测设备1能够同时兼容滤光式及光谱式的两种测量方法，能够灵活地适配各类测量方案和测试需求。

可选地，如图2所示，根据本申请的一个实施例，该成像镜头10可以包括从物侧到像侧依次排布的前置光阑11、前透镜组12、中继透镜前组13和中继透镜后组14。图像光穿过该前置光阑11后被该前透镜组12收集并会聚至该中继透镜前组13，再经由该中继透镜前组13和该中继透镜后组14平滑地收拢会聚至该图传感器。该中继透镜后组14包括前固定组元141、后固定组元143和可前后移动地设置于该前固定组元141和该后固定组元143之间的移动组元142。通过前后移动该移动组元142能够调节该中继透镜后组14的焦距，以使该图像传感器20能够获得清晰的图像信息。此外，该中继透镜后组14靠近该像侧的一侧具有后截距，该成像镜头10的后截距大于70mm，能够适配安装该滤光元件50和分光棱镜40。

优选地，根据本申请的一个实施例，该前置光阑11可以是固定孔径光阑也可以是可变孔径光阑，可以根据实际测试需求自由选择，以调节进入该检测设备1的图像光的强弱。

优选地，如图2所示，根据本申请的一个实施例，该前透镜组12的焦距大于20mm且小于28mm。该前透镜组12可以包括三片具有高折射率的正光焦度的透镜，三片透镜依次排列，能够收集入射角度在-50°到+50°的范围内的图像光。该前透镜组12还可以包括一片双胶合透镜，该双胶合透镜设置于三片透镜的后端，能够校正经过三片透镜收集的图像光。如此一来，在经过该前组透镜组校正后能够得到角度平缓接近远心的图像光。值得注意的是，该前透镜组12可以进一步包括视场光阑，该视场光阑可以被设置于该前置透镜的中心实像面位置，以改善系统杂光。

优选地，如图2所示，根据本申请的一个实施例，该中继透镜前组13的焦距大于120mm且小于185mm。该中继透镜前组13可以包括多个正透镜，该中继透镜前组13可以缓慢地过渡和降低该图像光的高度，以降低该检测设备1的光感度，改善系统公差的表现。

优选地，如图2所示，根据本申请的一个实施例，该中继透镜后组14的焦距大于100mm且小于165mm。该前固定组元141可以包括两个双胶合透镜，能够对经过该中继透镜前组13的图像光进行二次成像。该双胶合透镜可以采用低色散玻璃材质，以对图像光的色差进行平衡和校正，以使该成像镜头10具有良好的色差表现。

优选地，如图2所示，根据本申请的一个实施例，该移动组元142的焦距大于250mm。该移动组元142可以包括两片透镜，且该两片透镜的折射率相差较大，通过前后移动该移动组元142，调整其与该前固定组元141和后固定组元143之间的空气间距，实现整个0～4D空间范围内的对焦清晰成像。

上述的光路设计可以使该成像镜头的后截距大于70mm。

更优选地，如图2所示，根据本申请的一个实施例，该中继透镜前组13和该中继透镜后组14之间的空气间隔的长度大于40mm。该空气间隔能够起到过渡作用，以有效地调整光线的过渡情况，以在改善该检测设备1的敏感度的同时增加像差校正的自由度。

可以理解的是，根据本申请的一个实施例，该成像镜头10中的正光焦度透镜可以尽可能地选取高折材质，该成像镜头10中的负光焦度透镜可以尽可能地选取低折材质。以改善及平衡系统场曲。

特别地，如图3所示，根据本申请的一个实施例，该成像镜头10进一步包括折光元件15，该折光元件15设置于该前透镜组12和该中继透镜前组13之间，该前透镜组12和该中继透镜前组13之间的空气间隔大于55mm。通过该折光元件15来折叠图像光的光路，可以缩短光路的长度，从而有效地降低镜头头端尺寸，方便整机检测。该折光元件15可以被实施为反射镜或转折棱镜等其他能够折叠光路的元件。

优选地，根据本申请的一个实施例，所述成像镜头10的每一个透镜表面均具有减反涂层。该减反涂层能够减少杂光或鬼像，从而实现具有更高对比度的光学效果。

值得注意的是，本申请的该成像镜头10的技术指标可以但不限于被实施为：镜头焦距为-21mm；该前置光阑11的孔径在1mm至5mm之间；工作距离从250mm至无穷远；视场角为100°；适用光谱范围在400nm至700nm之间；中心视场MTF大于0.4@160lp/mm；边缘视场MTF大于0.15@160lp/mm；光学总长小于等于650mm；最大镜片直径为55mm；成像靶面尺寸为38mm。

示例性地，如图5A所示，在本申请的第一示例中，该成像镜头10中所有的透镜均被实施为全玻璃球面镜片。该检测设备1从物侧到像侧，依次设定各个功能面的结构成像参数：面型Type、曲率半径R、中心厚度Tc、折射率Nd以及阿贝数Vd，其取值条件下表1所示，其中当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝48.41mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝31.45mm时，该成像镜头10能够在无限远的工作距离清晰对焦；当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝4.01mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝75.84mm时，该成像镜头10能够在250mm的工作距离清晰对焦。

表1：检测设备的结构参数表

可以理解的是，上述表1中：Infinity表示无限，如曲率半径为Infinity表示当前面为平面；中心厚度Tc表示当前面到相邻面的距离；折射率和阿贝数表示当前面与下一面之间的介质数据。

此外，通过对上述第一示例的该检测设备1进行测试，可以得到：如图6A所示的该检测设备1在物距为无穷远时的光学传递函数(MTF)曲线图；如图6B所示的该检测设备1在物距为250mm时的光学传递函数(MTF)曲线图；如图6C所示的该检测设备1的场区图和畸变图；如图所示的该检测设备1的色差图。

由图6A、图6B、图6C和图6D可知：本申请的该检测设备1的该成像镜头10具有良好的色差表现，色差<0.5pixel，并且该成像镜头10的f-θ畸变<1.5％，能够实现让不同视场角的入射光与像面大小形成线性的映射的设计目标，这样也更符合测量规律。

可选地，如图5B、图5C和图5D所示，本申请对该第一示例的成像镜头10的透镜的类型、数量、焦距、排列组合方式等方面做出了调整，得到了具有与该第一示例的成像镜头10相似的效果的第二示例、第三示例和第四示例。

如图5B所示，在本申请的第二示例中，该成像镜头10的所有的透镜均被实施为全玻璃球面镜片。该检测设备1从物侧到像侧，依次设定各个功能面的结构成像参数：面型Type、曲率半径R、中心厚度Tc、折射率Nd以及阿贝数Vd，其取值条件下表2所示，其中当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝20.56mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝39.33mm时，该成像镜头10能够在无限远的工作距离清晰对焦；当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝15.40mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝44.49mm时，该成像镜头10能够在250mm的工作距离清晰对焦。

表2：检测设备的结构参数表

如图5C所示，在本申请的第三示例中，该成像镜头10的所有的透镜均被实施为全玻璃球面镜片。该检测设备1从物侧到像侧，依次设定各个功能面的结构成像参数：面型Type、曲率半径R、中心厚度Tc、折射率Nd以及阿贝数Vd，其取值条件如图下表1所示，其中当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝45.76mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝59.63mm时，该成像镜头10能够在无限远的工作距离清晰对焦；当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝2.54mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝102.85mm时，该成像镜头10能够在250mm的工作距离清晰对焦。

表3：检测设备的结构参数表

如图5D所示，在本申请的第四示例中，该成像镜头10的所有的透镜均被实施为全玻璃球面镜片。该检测设备1从物侧到像侧，依次设定各个功能面的结构成像参数：面型Type、曲率半径R、中心厚度Tc、折射率Nd以及阿贝数Vd，其取值条件如图下表1所示，其中当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝30.43mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝48.93mm时，该成像镜头10能够在无限远的工作距离清晰对焦；当该前固定组元141和该移动组元142之间的空气间隔T1＝79.26mm，且该移动组元142和该后固定组元143之间的空气间隔T2＝0.10mm时，该成像镜头10能够在250mm的工作距离清晰对焦。

表4：检测设备的结构参数表

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综上所述，通过上述四个示例的测试验证，本申请提供了一种光阑前置的大广角高分辨率成像镜头10，通过调节该移动组元142的位置，该前固定组元141和该后固定组元143与该移动组元142之间的间距，该成像镜头10能够实现对0～4D(工作距离250mm至无穷远)范围内的虚拟显示图像的清晰成像，以兼容对屈光度可调NED设备的图像检测。而该成像镜头10的f-θ畸变<1.5％，能够实现让不同角度入射光与像面尺寸形成线性映射的设计目标。此外，该成像镜头10在中继透镜后组14的后端保留有充足的空间，使其能够搭配滤光元件50也可搭配分光棱镜40使用，以实现对滤光式和光谱式亮色度测量方法的兼容，完成对显示图像亮色度信息的测量。并且在该成像镜头10的前端，可以加入反射镜或折光棱镜等其他折光元件15来折叠头端光路，以有效的缩减头端尺寸，便于在测量过程中避免同整机结构的干涉，更利于对AR及VR整机的测量。

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.成像镜头，其特征在于，包括：

从物侧到像侧依次排布的前置光阑、前透镜组、中继透镜前组和中继透镜后组；

所述中继透镜后组包括前固定组元、后固定组元和可前后移动地设置于所述前固定组元和所述后固定组元之间的移动组元；所述中继透镜后组靠近所述像侧的一侧具有后截距，所述成像镜头的后截距大于70mm，用于设置分光棱镜和/或滤光元件。

2.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述前透镜组的焦距大于20mm且小于28mm。

3.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述中继透镜前组的焦距大于120mm且小于185mm。

4.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述中继透镜后组的焦距大于100mm且小于165mm。

5.根据权利要求1所述的成像镜头，其特征在于，所述移动组元的焦距大于250mm。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的成像镜头，其特征在于，所述成像镜头进一步包括折光元件，所述折光元件设置于所述前透镜组和所述中继透镜前组之间，所述前透镜组和所述中继透镜前组之间的空气间隔大于55mm。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的成像镜头，其特征在于，所述中继透镜前组和所述中继透镜后组之间的空气间隔的长度大于40mm。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的成像镜头，其特征在于，所述成像镜头的每一个透镜表面均具有减反涂层。

9.检测设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至8中任意一项所述的成像镜头；

图像传感器，所述图像传感器设置于所述成像镜头的像侧；以及

滤光元件，所述滤光元件被设置于所述成像镜头和所述图像传感器之间的光路中。

10.如权利要求9所述的检测设备，其特征在于，所述检测设备进一步包括分光棱镜和光谱仪，所述分光棱镜设置于所述滤光元件和所述图像传感器之间的光路中，以分出分别与所述图像传感器和所述光谱仪对应的两束测量光路。

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