一种目镜系统、光机和近眼显示设备 |
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| 申请号 | CN202311664639.5 | 申请日 | 2023-12-04 | 公开(公告)号 | CN117930492A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 深圳珑璟光电科技有限公司; | 发明人 | 周思雨; 马国斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 提供一种目镜系统、光机和近眼显示设备，包括自物侧至像侧沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜。第一透镜的物侧面为凹面、第一透镜的像侧面为凸面，第二透镜的物侧面为凸面、第二透镜的像侧面为凸面，第三透镜的物侧面为凹面、第三透镜的像侧面为凸面，第四透镜的物侧面为凹面、第四透镜的像侧面为凸面，第五透镜的物侧面为凹面、第五透镜的像侧面为凸面。该目镜系统使用的透镜数量少，可降低体积，且第四透镜采用正弯月透镜，能减小整个目镜系统的球差，提高成像 质量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种目镜系统，其特征在于，包括：自物侧至像侧沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜； |
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| 说明书全文 | 一种目镜系统、光机和近眼显示设备技术领域背景技术[0002] 近眼显示(Near‑Eye Display，NED)是指通过光学技术，将微型图像光源发出的图像光，通过目镜系统引导到用户的瞳孔，在用户的近眼范围实现虚拟、放大的图像，实现向用户提供直观的图像、视频或文字信息，目前市面上近眼显示技术通常被广泛应用于虚拟现实(Virtual Reality，VR)系统、增强现实(Augmented Reality，AR)系统、混合现实(Mixed Reality，MR)系统、扩展现实(Extended Reality，ER)系统等，随着用户对虚拟图像、文字等信息的交互性和沉浸性的需求越来越高，相关近眼显示设备例如头戴显示器、AR眼镜和VR头盔等智能AR穿戴设备得到了人们更多的青睐。 [0003] 目前，在近眼显示的目镜系统中，通常包含多个胶合透镜，光学表面多，结构复杂且体积庞大，若简化结构和缩小体积将导致成像质量变差。 发明内容[0004] 本发明实施例提供一种目镜系统、光机和近眼显示设备，能够降低体积且保证成像质量。 [0005] 第一方面，本发明实施例提供一种目镜系统，该目镜系统包括：自物侧至像侧沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜。所述第一透镜的物侧面为凹面、所述第一透镜的像侧面为凸面，所述第二透镜的物侧面为凸面、所述第二透镜的像侧面为凸面，所述第三透镜的物侧面为凹面、所述第三透镜的像侧面为凸面，所述第四透镜的物侧面为凹面、所述第四透镜的像侧面为凸面，所述第五透镜的物侧面为凹面、所述第五透镜的像侧面为凸面。 [0006] 在一些实施例中，所述第一透镜和所述第三透镜均具有负光焦度，所述第二透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均具有正光焦度。 [0007] 在一些实施例中，所述第一透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为球面透镜，所述第二透镜和所述第五透镜均为偶次非球面透镜。 [0008] 在一些实施例中，所述第一透镜的阿贝数Vd1、所述第二透镜的阿贝数Vd2、所述第三透镜的阿贝数Vd3和所述第四透镜的阿贝数Vd4满足以下条件： [0009] Vd1≤50； [0010] Vd2≥50； [0011] Vd3≤50； [0012] Vd4≥50； [0013] 25≤Vd2‑Vd1≤40； [0014] 35≤Vd2‑Vd3≤40。 [0015] 在一些实施例中，所述第一透镜的焦距f1、所述第二透镜的焦距f2、所述第三透镜的焦距f3、所述第四透镜的焦距f4、所述第五透镜的焦距f5和所述目镜系统的焦距f满足以下条件： [0016] ‑2＜f1/f＜‑1； [0017] 0.5＜f2/f＜1； [0018] ‑1.5＜f3/f＜‑1； [0019] 1.5＜f4/f＜1.8； [0020] 2.5＜f5/f＜2.95。 [0021] 在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的半径依次增大。 [0022] 在一些实施例中，所述第一透镜和所述第五透镜均为玻璃透镜。 [0023] 在一些实施例中，所述第一透镜的折射率、所述第三透镜的折射率、所述第四透镜的折射率、所述第五透镜的折射率和所述第二透镜的折射率依次降低。 [0024] 第二方面，本发明实施例还提供一种光机，该光机包括：图像源、以及如第一方面任意一项所述的目镜系统。所述图像源沿光轴设于所述目镜系统的入光侧。 [0025] 第三方面，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，该近眼现实设备包括：光波导、以及如第二方面所述的光机；所述光波导的耦入区域设于所述光机的出光侧。 [0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种目镜系统、光机和近眼显示设备，包括自物侧至像侧沿同一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜。第一透镜的物侧面为凹面、第一透镜的像侧面为凸面，第二透镜的物侧面为凸面、第二透镜的像侧面为凸面，第三透镜的物侧面为凹面、第三透镜的像侧面为凸面，第四透镜的物侧面为凹面、第四透镜的像侧面为凸面，第五透镜的物侧面为凹面、第五透镜的像侧面为凸面。该目镜系统使用的透镜数量少，可降低体积，且第四透镜采用正弯月透镜，能减小整个目镜系统的球差，提高成像质量。附图说明 [0027] 一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。 [0028] 图1是本发明实施例提供的一种目镜系统的结构示意图； [0029] 图2是本发明实施例提供的一种目镜系统的调制传递函数图； [0030] 图3是本发明实施例提供的一种目镜系统的点列图； [0031] 图4是本发明实施例提供的一种目镜系统的场曲/畸变图； [0032] 图5是本发明实施例提供的一种目镜系统的轴向色差曲线图； [0033] 图6是本发明实施例提供的一种近眼显示设备的光路分析示意图； [0034] 图7是本发明实施例提供的一种近眼显示设备中的眼盒近端光路和眼盒远端光路的分析示意图； [0035] 图8是本发明实施例提供的一种近眼显示设备中的眼盒近端的调制传递函数图； [0036] 图9是本发明实施例提供的一种近眼显示设备中的眼盒远端的调制传递函数图。 具体实施方式[0037] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 [0038] 为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请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，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。 [0039] 需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。 [0040] 目前，现有近眼显示设备中的目镜系统常存在如下问题：当视场角增大时，为了在相同出曈距离下拥有同等大小的眼盒，近眼端的距离一定会增大；该距离增大会导致体积增加，若减小体积像质也会被牺牲。 [0041] 为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种目镜系统、光机和近眼显示设备，该目镜系统中，结构紧凑，可减小体积，且通过各个透镜消除像差，能保证成像质量。 [0042] 第一方面，本发明实施例提供一种目镜系统100，请参阅图1，该目镜系统100包括：自物侧至像侧沿同一光轴x依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5。 [0043] 第一透镜1的物侧面11为凹面、第一透镜1的像侧面12为凸面，第二透镜2的物侧面21为凸面、第二透镜2的像侧面22为凸面，第三透镜3的物侧面31为凹面、第三透镜3的像侧面32为凸面，第四透镜4的物侧面41为凹面、第四透镜4的像侧面42为凸面，第五透镜5的物侧面51为凹面、第五透镜5的像侧面52为凸面。 [0044] 在图1所示的实施例中，光轴x的方向为水平方向，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的球心均位于光轴x上。在该目镜系统100中，第一透镜1可用于调整物侧面11入射的光线的发散角度，第二透镜2可用于校正经第一透镜1透射的光线的色散，第三透镜3可用于调整物侧面31入射的光线的发散角度，第四透镜4可用于校正经第三透镜3透射的光线的色差，第五透镜5用于校正光线色差，并调整其物侧面51入射的光线的发散角度，从而输出平行光束实现成像。 [0045] 在该目镜系统100中，第一透镜1和第三透镜3可选用高折射率的透镜，从而能大幅调整光线的发散角度，有利于减小整个目镜系统100的总长和体积。另外，在视场角增大的情况下，为在相同出曈距离下满足同样的眼盒大小，会导致光波导102耦入口的瞳增大，由于成像系统的球差与孔径有关，随着瞳的增加系统的球差必然增大，而在该目镜系统100中，第四透镜4采用正弯月透镜，可以极大程度的减小整个目视系统的球差，提高成像质量。同时使该正弯月透镜的凹面(物侧面41)靠近入射光源，能够使入射光源发出的光线经第四透镜4后，在不引入球差的前提下，实现光线的发散，后续可保证经过第五透镜5后变为满足相应视场角的平行光。在本实施例中，高折射率是指折射率高于1.9。 [0046] 在其中一些实施例中，第一透镜1和第三透镜3均具有负光焦度，第二透镜2、第四透镜4和第五透镜5均具有正光焦度。即第一透镜1为负透镜、第二透镜2为正透镜、第三透镜3为负透镜、第四透镜4为正透镜、第五透镜5为正透镜，其中，正光焦度可汇聚光线、负光焦度可发散光线，这样，第一透镜1和第三透镜3可选用高折射率的透镜，从而能大幅调整光线的发散角度，有利于减小整个目镜系统100的总长和体积。而且，正透镜产生负球差、负透镜产生正球差，在本实施例中，通过正负透镜的交替排布可以达到渐小球差的效果；另外，正透镜产生负色差、负透镜产生正色差，这样，在本实施例中，通过正负透镜的交替排布还可以达到色差为0或非常小的效果，提高成像质量。 [0047] 在其中一些实施例中，第一透镜1、第三透镜3和第四透镜4均为球面透镜，第二透镜2和第五透镜5均为偶次非球面透镜。即第一透镜1的物侧面11、像侧面12均为球面，第二透镜2的物侧面21、像侧面均为偶次非球面，第三透镜3的物侧面31、像侧面32均为球面，第四透镜4的物侧面41、像侧面42均为球面，第五透镜5的物侧面51、像侧面52均为偶次非球面。 [0048] 在本实施例中，第二透镜2和第五透镜5选用偶次非球面透镜，有利于模压加工，降低加工成本，此外，第一透镜1、第三透镜3和第四透镜选用球面透镜，可进一步校正高阶像差，有利于提升像质，且由非球面加工引入的面形公差对系统并不敏感。实际应用中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的表面面形可以根据实际需要进行设置，不管是球面还是非球面都应落入本发明所要求的保护范围之内。 [0049] 可以理解的是，在近眼显示设备中，若出曈距离与眼盒大小不变，在视场角增大的情况下，光波导102耦入口到画面中心距离会增大，而该距离与镜片的设计难度成正比。同时在图像源大小不变的条件下，增大视场角会使得该系统焦距变小，而由目镜系统100的焦距f、目镜系统100的入瞳大小D、F数F/#关系：F/#＝f/D可知，当目镜系统100的入瞳大小D不变时，目镜系统100的焦距f越小，F数越小，又因为F数与镜片的设计难度成反比，综上，在视场角增大的情况下会增加镜片设计难度。为满足镜片设计需要，在本实施例中，将第二透镜2调整为非球面透镜，增加了镜片设计过程中可调节的变量，后续可以通过调整第二透镜2的非球面参数来提高的成像质量。 [0050] 在其中一些实施例中，第一透镜1的阿贝数Vd1、第二透镜2的阿贝数Vd2、第三透镜3的阿贝数Vd3和第四透镜4的阿贝数Vd4满足以下条件： [0051] Vd1≤50； [0052] Vd2≥50； [0053] Vd3≤50； [0054] Vd4≥50； [0055] 25≤Vd2‑Vd1≤40； [0056] 35≤Vd2‑Vd3≤40。 [0057] 在本实施例中，通过穿插不同阿贝数的火石、冕牌玻璃可校正不同波段所引入的色差。 [0058] 在其中一些实施例中，为实现更大的视场角，第一透镜1的焦距f1、第二透镜2的焦距f2、第三透镜3的焦距f3、第四透镜4的焦距f4、第五透镜5的焦距f5和目镜系统100的焦距f可满足以下条件： [0059] ‑2＜f1/f＜‑1； [0060] 0.5＜f2/f＜1； [0061] ‑1.5＜f3/f＜‑1； [0062] 1.5＜f4/f＜1.8； [0063] 2.5＜f5/f＜2.95。 [0064] 在其中一些实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的半径依次增大，这样使整个目镜系统100成梯形状，能有效减小体积，且后续封装过程中也可降低系统体积。应注意的是，第五透镜5的半径需要大于光波导的耦入区域的口径大小，从而保证在所需的出曈距离下可以获得足够的眼盒大小。 [0065] 在其中一种具体的实施例中，第一透镜1和第五透镜5可为玻璃透镜。首先，第一透镜1使用玻璃透镜，可减少第一透镜1使用树脂透镜长时间因热量影响变色或变形后导致系统成像质量降低的情况；另外，第五透镜5选用玻璃透镜，可减少第五透镜5使用树脂透镜在后续组装过程中被划伤的情况，提高系统稳定性。 [0066] 在其中另一种具体的实施例中，第一透镜1和第二透镜2可为玻璃透镜，因第一透镜1和第二透镜2靠近图像源，可避免第一透镜1和第二透镜2使用树脂透镜长时间因热量影响变色或变形后导致系统成像质量降低的情况。 [0067] 应注意的是，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5不管是选用玻璃透镜还是树脂透镜，都应落入本发明所要求保护的范围内。 [0068] 在其中一些实施例中，第一透镜1的折射率、第三透镜3的折射率、第四透镜4的折射率、第五透镜5的折射率和第二透镜2的折射率依次降低。这样，后续图像源发出的光线，经第一透镜1的物侧面11射入，第一透镜1可采用高折射率的材料，实现入射光线的大角度偏折，使得透镜能以更短距离聚焦，有利于减小整个目镜系统100的总长；第二透镜2采用低折射率材料，可用于校正由第一片高折射率透镜1带来的严重色散现象；第三透镜3仍采用高折射率的材料，且第三透镜3的物侧面31为凹面，再一次较大幅度的完成了光线的转折，使得整体体积能够有效减少；第四透镜4和第五透镜5折射率依次降低，不仅可以有效的校正系统的色差，还可以实现光线在经过第五透镜5的像方面52后平行出射。在本实施例中，通过上述限制，可保证光线按照实际需要出射。 [0069] 具体的，本发明实施例提供的目镜系统100中各透镜的表面参数的一种示例可以是下表1所示： [0070] 表1目镜系统100中个透镜的表面参数 [0071] [0072] [0073] 其中，第二透镜2和第五透镜5的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数的一种示例可以是如下表2和表3所示： [0074] 表2第二透镜的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数 [0075] [0076] 表3第五透镜的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数 [0077] [0078] 基于上述表1至表3所示的结构参数，本发明实施例提供的目镜系统100的光学性能参数如下表4所示： [0079] 表4目镜系统100的光学性能参数 [0080] EFFL/mm EPD/mm FOV/° TTL/mm16.5 4 50 30.12 [0081] 其中，EFFL是指有效焦距，EPD是指入瞳孔径，FOV为视场角。由表4可知，该目镜系统100实现了50°大视场角下的总长30mm小体积方案。且视场角FOV与图像源高度L具有以下关系：公式tan(FOV/2)＝(L/2)/EFFL，那么，图像源高度L应满足0.414≤(L/2)/EFFL≤0.470。 [0082] 请一并参见图2至图5，其示出了基于如上述表1至表3所示的结构参数对应的目镜系统100的成像性能。 [0083] 图2为目镜系统100的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)图，其中，OTF模值是指光学传递函数模值，表征该目镜系统100的解析度，该值越高说明目镜系统100的解析力越好，分辨能力越强。由于人眼的分辨能力约为0.2@30lp/mm，即30线对下OTF模值在0.2以下，会被人眼分辨为不清楚，由图2可知，该目镜系统100在画面中心的全视场范围内成像MTF≥0.4@30lp/mm，即该系统设计满足人眼分辨的要求。 [0084] 图3为目镜系统100的点列图，由图3可知，该目镜系统100的100％视场的均方根(Root Mean Square，RMS)＜10μm，该系统所使用的像元尺寸为9.3微米，由图3可知，该系统弥散斑尺寸较小，几乎都在1个像元尺寸以内，可见其成像质量较好。 [0085] 图4为目镜系统100的全视场全波段的场曲/畸变图，其中，左边为场曲图，右边为畸变图，由图4可知，目镜系统100的场曲几乎是单调的趋势，且没有明显的突变，不会出现因视场角不同导致图像出现清晰和模糊并存的情况，另外，光学畸变最大值小于2.7％，并控制了畸变曲线的形状防止出现胡子畸变现象。 [0087] 综上，本发明实施例提供的目镜系统100不仅可实现大视场角，且可保证大视场角下的成像质量高。 [0088] 第二方面，本发明实施例还提供一种光机，该光机包括：图像源101、以及如第一方面任意一项的目镜系统100。图像源101沿光轴x设于目镜系统100的入光侧。 [0089] 具体的，请参阅图6，图像源沿光轴设于第一透镜1的入光侧。图像源101可为液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(OrganicLight‑Emitting Diode，OLED)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)、数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)或微发光二极管(Micro Light Emitting Diode，Micro‑LED)。在本实施例中，目镜系统100具有与如第一方面任意一项所述的目镜系统100相同的结构与功能，在此不再赘述。该光机中采用本发明提供的目镜系统100，可减小体积且保证成像质量。 [0090] 第三方面，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括：光波导102、以及如第二方面所述的光机。光波导102的耦入区域设于光机的出光侧。 [0091] 光波导102可以为几何阵列光波导或光栅光波导。在本实施例中，光机具有与如第二方面所述的光机相同的结构与功能，在此不再赘述，该近眼显示设备采用本发明实施例提供的光机，可减小体积且保证成像质量。 [0092] 具体的，图像源101可为Micro‑OLED，光波导102可为几何阵列光波导，其中，图像源101、目镜系统100、光波导102的耦入区域沿光轴x依次设置，在该近眼显示设备中，如图6所示，图像源101发出一定锥角的光线，经目镜系统100的折射后，将变为一定视场角的平行光进入光波导102的耦入区域，后光波导102的耦出区域耦出至人眼103。应注意的是，在图6中所示的光路中，人眼103沿光轴x设于光波导102的左侧，其仅仅是为了方便描述光线从光波导102出射后会进入人眼103，实际应用中，人眼103应处于垂直纸面方向上。另外，目镜系统100的光轴x应位于光波导102的中心、人眼103的中心、图像源101的中心所在平面，这样可保证成像清晰度。 [0093] 可以理解的是，最终进入人眼103的图像是在一个矩形范围内，在该矩形范围内呈现的图像都可清晰被人眼103接收，该矩形范围也被称为“眼盒”，在实际观察时眼盒越大观察效果越好，而眼盒画面的离光机最远端(眼盒远端)的光线和离光机最近端(眼盒近端)的光线在光波导102中行进的光程大小不一样，如图7所示，102(b)为眼盒远端对应光线所行进的光波导的长度，102(a)为眼盒近端对应光线所行进的光波导的长度。在本实施例中，为保证整个眼盒画面范围内成像的清晰度，目镜系统100需要保证眼盒近端的成像质量和眼盒远端的成像质量，请参阅图8和图9，为近眼显示设备采用本申请表1至表3所示结构的眼盒近端的MTF图和眼盒远端的MTF图，由图8和图9可知，在眼盒的近端与远端的MTF在30线对下均满足OTF模值在0.2以上，大于人眼分辨的要求，可见，本发明实施例提供的目镜系统100在应用于近眼显示设备时，可以保证整个眼盒画面所呈现到人眼的图像均为清晰的，不会出现眼盒一边像质明显下降的问题。综上，本发明实施例提供的近眼显示设备在整个眼盒的像质均匀，成像质量较好，且体积较小。 [0094] 需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。 [0095] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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