镜头、投影光机以及近眼显示系统

摘要

本申请实施例提供一种镜头、投影光机以及近眼显示系统，镜头可应用于投影光机中，投影光机可应用于近眼显示系统中，镜头包括沿光轴方向依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，第一透镜用于会聚显示器所发射出的有效光信号以形成第一透射光信号，第二透镜用于会聚第一透射光信号以形成第二透射光信号，第三透镜用于分散第二透射光信号以形成第三透射光信号，第四透镜用于分散第三透射光信号以形成第四透射光信号，第五透镜用于会聚第四透射光信号以形成第五透射光信号。本申请实施例的镜头可以显示器所发射的有效光信号进行调制以减小像差。

说明书

技术领域

本申请涉及显示投影技术领域，特别涉及一种镜头、投影光机以及近眼显示系统。

背景技术

随着增强现实技术的不断发展，诸如智能眼镜或智能面罩等头戴式增强现实设备被用户广泛接受和应用。

增强现实设备通常可以包括投影机和摄像头，投影机可以生成虚拟图像，虚拟图像的光线和现实环境的光线可以同时射入佩戴增强现实设备的用户瞳孔内，使得佩戴增强现实设备的用户不仅能够看到现实的事物，还能够看到虚拟的图像。

发明内容

本申请实施例提供一种镜头、投影光机以及近眼显示系统，镜头可以应用于投影光机中，以对投影光机所发射的有效光信号进行调制。

本申请实施例提供一种镜头，包括沿光轴方向依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜用于会聚显示器所发射出的有效光信号以形成第一透射光信号，所述第二透镜用于会聚所述第一透射光信号以形成第二透射光信号，所述第三透镜用于分散所述第二透射光信号以形成第三透射光信号，所述第四透镜用于分散所述第三透射光信号以形成第四透射光信号，所述第五透镜用于会聚所述第四透射光信号以形成第五透射光信号。

本申请实施例提供一种投影光机，包括镜头和显示器，镜头为如上申请实施例所述的镜头，所述显示器用于发射有效光信号，所述显示器设置在所述镜头的一侧且与所述第一透镜相邻以使得所述有效光信号可射入所述第一透镜。

本申请实施例提供一种近眼显示系统，包括：

显示器，所述显示器的像素点发射具有不同发射角度的有效光信号，所述有效光信号包括图像信息；

镜头，设置在所述显示器的一侧，用于接收所述有效光信号并对所述有效光信号进行调制，以使一个所述像素点产生的有效光信号经过所述镜头之后形成不同出射角度的平行光束；

波导元件，设置在所述镜头远离所述显示器的一侧，所述波导元件用于接收所述平行光束，并将所述平行光束转换为虚拟图像。

本申请实施例的镜头包括沿光轴方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，显示器所发射的有效光信号依次经过五个透镜，五个透镜可对有效光信号进行调制以减少像差。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请实施例提供的投影光机的第一种结构意图。

图2为图1所示投影光机中镜头的调制传递函数图。

图3为图1所示投影光机中镜头的场曲图。

图4为图1所示投影光机中镜头的畸变曲线图。

图5为图1所示投影光机中镜头的离焦曲线图。

图6为本申请实施例提供的近眼显示系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种投影光机，该投影光机用于生成虚拟图像。如图1所示，图1为本申请实施例提供的投影光机的第一种结构意图。投影光机200包括显示器220和镜头240，镜头240设置在显示器220的一侧显示器220可以发射光信号，其中可生成虚拟图像的光信号为有效光信号，有效光信号可以透射过镜头240，镜头240可以对虚拟图像进行矫正，以减小各种像差，提高虚拟图像的成像质量。镜头240可以包括沿光轴方向(或者说生成虚拟图像的光线传输方向)从像源侧至成像侧依次排列的第一透镜241、第二透镜242、第三透镜243、第四透镜244和第五透镜245，第一透镜241与显示器220相邻设置。可以理解的是，第一透镜241、第二透镜242、第三透镜243、第四透镜244和第五透镜245从像源侧至成像侧依次排列。

其中，第一透镜241可以接收显示器220所发射的有效光信号并会聚有效光信号以形成第一透射光信号，第二透镜242可以接收并会聚第一透射光信号第一透射光信号以形成第二透射光信号，第三透镜243可以接收并分散第二透射光信号以形成第三透射光信号，第四透镜244可以接收并分散第三透射光信号以形成第四透射光信号，第五透镜245可以接收并会聚第四透射光信号以形成第五透射光信号。例如，第一透镜241可以为正光焦度透镜，对有效光信号有会聚作用，有效光信号经过第一透镜241后可形成第一透射光信号；第二透镜242可以为正光焦度透镜，对第一透射光信号具有会聚作用，第一透射光信号经过第二透镜242后可形成第二透射光信号；第三透镜243可以为负光焦度透镜，对第二透射光信号具有发散作用，第二透射光信号经过第三透镜243后可形成第三透射光信号，第四透镜244可以为胶合透镜且胶合透镜的组合光焦度为负值，第四透镜244对第三透射光信号有分散作用，第三透射光信号经过第四透镜244后可形成第四透射光信号，第四透镜244可以减少色差或减小色差；第五透镜245为正光焦度透镜，对第四透射光信号有会聚作用，第四透射光信号经过第五透镜245后可形成第五透射光信号。

本申请实施例的显示器所发射的有效光信号可以依次经过第一透镜241、第二透镜242、第三透镜243、第四透镜244和第五透镜245，五个透镜可以对有效光信号进行调制以减小像差，进而提高投影光机200所投射的虚拟图像的成像效果。

请继续参阅图1，第四透镜244可以由两个单片镜片通过胶合而成。比如第四透镜244可以包括第一子透镜2441和第二子透镜2442，第一子透镜2441中的一个表面和第二子透镜2442中的一个表面相适配，以使得第一子透镜2441中的一个表面和第二子透镜2442中的一个表面可以相互胶合在一起。第一子透镜2441位于第二子透镜2442和第三透镜243之间，第一子透镜2441为负光焦度透镜，对第三透射光信号具有发散作用。第二子透镜2442位于第一子透镜2441和第五透镜245之间，第二子透镜2442为正光焦度透镜，对透射过第一子透镜2441的光信号具有会聚作用。

本申请实施例中的显示器220可以为微型显示器，比如显示器220可以为有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示器或微型液晶显示屏(liquidcrystal display，LCD)，在工作功率条件下Micro-OLED的亮度小于5000尼特(nits)，LCD的亮度小于15000尼特。尼特(nits)是衡量亮度的计量单位，亮度是人对光的强度的感受，可以用来表示画面的明亮程度。本申请实施例中的显示器220还可以是微型发光二极管(Micro Light Emitting Diode，Micro-LED)显示器，比如可以为绿光Micro-LED，也可以是其他单色Micro-LED或白光复色Micro-LED。相比于Micro-OLED和LCD，Micro-LED的亮度可达2000000尼特，远远高于Micro-OLED和LCD。此外，由于Micro-LED是自发光光源，搭配Micro-LED的投影系统具有更好的对比度及更好的显示延迟。

显示器220的有效发光区域对角线尺寸为0.11英寸-0.15英寸，有效发光区域长宽比为4:3。在其他一些实施例中，或显示器220的有效发光区域对角线尺寸为0.17英寸-0.21英寸，有效发光区域长宽比为16:9。其中，显示器220的有效发光表面外设置有玻璃盖板，玻璃盖板可以以独立形式存在或集成封装在显示器220的形式存在。玻璃盖板厚度范围为0.3mm-0.8mm。

显示器220在工作过程中会产生热量，显示器220所产生的热量会传导至镜头240中。为了提高镜头240的热稳定性，本申请实施例的五个透镜均采用玻璃材质制成，相对于塑料材质制成的透镜，玻璃材质制成的透镜的热稳定性较好，受热不容易产生形变。本申请实施例的第一透镜241、第二透镜242、第一子透镜2441、第二子透镜2442和第五透镜245均为球面透镜，采用玻璃球面的方案进行小尺寸光学系统设计，可以保证大范围温度变化的光学系统稳定性的同时，实现更小的制作及组装成本。

如图1所示，第一透镜241包括相背设置的第一入光面S11和第一出光面S12，第一出光面S12靠近第二透镜242设置，第一入光面S11为凹面，且第一入光面S11从像源侧朝成像侧方向凹陷形成。第一出光面S12为凸面，且第一出光面S12从像源侧朝向成像侧的方向凸出形成。其中，第一出光面S12的曲率大于第一入光面S11的曲率，比如第一入光面S11的曲率半径可以为7.5mm，第一出光面S12的曲率半径可以为4.0mm。本申请实施例中，第一透镜241满足，第一入光面S11与显示器220之间的距离小于4mm，比如第一入光面S11与显示器220之间的距离为1mm、2mm、3mm或者3.5mm等。其中第一入光面S11为球面结构，第一入光面S11与显示器220之间的距离指的是第一入光面S11的球面顶点至显示器220的发光面的距离。在其他一些实施例中，第一入光面S11的球面顶点与显示器220之间的距离小于2mm。第二透镜242包括相背设置的第二入光面S21和第二出光面S22，第二入光面S21位于第一出光面S12和第二出光面S22之间，第二入光面S21为凸面，且第二入光面S21从成像侧朝像源侧的方向凸出形成。第二出光面S22为凸面，且第二出光面S22从像源侧朝向成像侧的方向凸出形成。需要说明的是，第二出光面S22的结构并不限于此，比如第二出光面S22也可以为凹面，或者平面。其中，第二入光面S21和第一出光面S12为球面结构，第二入光面S21与第一出光面S12之间的距离小于1mm，比如可以为0.5mm、0.8mm或0.9mm等。第二入光面S21与第一出光面S12之间的距离指的是第二入光面S21的球面顶点至第一出光面S12的球面顶点的距离。

第三透镜243包括相背设置的第三入光面S31和第三出光面S32，第三入光面S31位于第二出光面S22和第三出光面S32之间，第三入光面S31为凹面，且第三入光面S31从像源侧朝成像侧的方向凹陷形成。第三出光面S32为凹面，且第三出光面S32从像源侧朝向成像侧的方向凹陷形成。需要说明的是，第二出光面S32的结构并不限于此，比如第三出光面S32也可以凸面。其中，第三入光面S31和第二出光面S22为球面结构，第三入光面S31与第二出光面S22之间的距离小于0.4mm，比如第三入光面S31与第二出光面S22之间的距离可以为0.1mm、0.2mm、0.3mm或其他数据。第三入光面S31与第二出光面S22之间的距离指的是第三入光面S31的球面顶点至第二出光面S22的球面顶点的距离。在其他一些实施例中，第三入光面S31与第二出光面S22之间的距离小于0.2mm。

第四透镜244包括相背设置的第四入光面S41和第四出光面S42，第四入光面S41位于第三出光面S32和第四出光面S42之间，第四入光面S41为凹面，且第四入光面S41从像源侧朝成像侧的方向凹陷形成。第四出光面S42为凸面，且第四出光面S42从像源侧朝成像侧的方向凸出形成。其中，第一子透镜2441包括相背设置的第四入光面S41和第一连接面S43，第一连接面S43为凹面，第一连接面S43从成像侧朝向像源侧的方向凹陷形成。第二子透镜2442包括相背设置的第二连接面S44和第四出光面S42，第二连接面S44与第一连接面S43连接，第二连接面S44为凸面，且第二连接面S44从像源侧朝向成像侧的方向凸出形成。需要说明的是，第一连接面S43和第二连接面S44的大小形状相适配，图1所示的第一连接面S43和第二连接面S44相互重叠。

第五透镜245包括相背设置的第五入光面S51和第五出光面S52，第五入光面S51位于第四出光面S42和第五出光面S52之间，第五入光面S51可以为平面，第五出光面S52为凸面，且第五出光面S52从像源侧朝向成像侧方向凸出形成。需要说明的是，第五入光面S51的结构并不限于此，比如第五入光面S51也可以为凹面或凸面。

其中，第五出光面S52与第四出光面S42均为球面结构，第五出光面S52与第四出光面S42之间的距离小于0.8mm，比如第五出光面S52与第四出光面S42之间的距离可以为0.7mm，0.5mm或0.2mm等。第五出光面S52与第四出光面S42之间的距离为第五出光面S52的球面顶点至第四出光面S42的球面顶点的距离。

如图1所示的投影光机200满足：TTL＜12mm，其中TTL(Total Track Length)为投影光机的光学总长度，比如，TTL可以为10mm、10.5mm、11mm或11.5mm等。满足上述条件的投影光机200可以从整体上控制投影镜头的尺寸，有利于实现投影镜头200的小型化。比如，投影光机的光学总长度可以为10.6mm，相关技术中的镜头尺寸为40mm×18mm×7mm，满足上述条件的投影光机相比于相关技术中的镜头，大幅降低了投影光机的整机尺寸。

其中，第一透镜241的厚度T1满足1.8mm≤T1≤2.6mm，比如第一透镜241的厚度可以为1.8mm，或者2.0mm，或者2.4mm，或者2.6mm，其中第一透镜241的厚度指的是第一透镜241的中心厚度。

第二透镜242的厚度T2满足0.8mm≤T2≤1.8mm，比如第二透镜242的厚度可以为0.8mm，或者1.0mm，或者1.5mm，或者1.8mm，其中第二透镜242的厚度指的是第二透镜242的中心厚度。

第三透镜243的厚度T3满足0.45mm≤T2≤0.85mm，比如第三透镜243的厚度可以为0.45mm，或者0.5mm，或者0.6mm，或者0.85mm，其中第三透镜243的厚度指的是第三透镜243的中心厚度。

第四透镜244的厚度T4满足2.2mm≤T3≤3.25mm，比如第四透镜244的厚度可以为2.2mm，或者2.5mm，或者3.0mm，或者3.25mm，其中第四透镜244的厚度指的是第四透镜244的中心厚度。其中，第一子透镜2441的厚度T41满足0.4mm≤T41≤0.85mm，比如，第一子透镜2441的厚度可以为0.4mm、0.5mm、0.8mm或0.85mm,第一子透镜2441的厚度指的是第一子透镜2441的中心厚度；第二子透镜2442的厚度T42满足1.8mm≤T42≤2.4mm，比如第二子透镜2442的厚度T42可以为1.8mm、2.0mm或2.4mm,第二子透镜2442的厚度指的是第二子透镜2442的中心厚度。

第五透镜245的厚度T5满足0.6mm≤T4≤1.4mm，比如第五透镜245的厚度可以为0.6mm，或者1.0mm，或者1.4mm，其中第五透镜245的厚度指的是第五透镜245的中心厚度。

本申请实施例通过合理设置各个透镜之间的厚度可以有效控制投影光机200的整体尺寸。

如图1所示的投影光机200还满足：tan(FOV/2)/TTL>0.021mm-1，25°≤FOV≤32°，其中FOV为投影光机200的对角线方向视场角，f为投影光机200的焦距。满足上述条件的投影光机200可以获得较大的视场角，以满足大深度识别范围的需求。投影光机200的出瞳口径为3.5mm-6mm，最大光学口径为5mm-7.2mm。

如图1所示的投影光机200还满足：5.4mm≤f≤7.6mm，6.4mm≤f1≤11mm，且1.05＜f1/f＜6；5.8mm≤f2≤9.1mm，且0.85＜f2/f＜1.3；-6.4mm≤f3≤-3.1mm，且-1＜f3/f＜-0.6；-200mm≤f4≤-40mm，且-25＜f4/f＜-6；8≤f5≤16，且1.3＜f5/f＜2.3。其中，f为投影光机的焦距，f1为第一透镜241的焦距，f2为第二透镜242的焦距，f3为第三透镜243的焦距，f4为第四透镜244的焦距，f5为第五透镜245的焦距。

其中，第四透镜244满足：-7mm≤f41≤-2mm，且-1.4＜f41/f＜-0.4；2.8mm≤f42≤7.8mm，且0.36＜f42/f＜1.2。其中，f41为第一子透镜2441的焦距，f42为第二子透镜2442的焦距。

本申请实施例中，第一透镜241的折射率可以介于1.72-1.92，第一透镜241的阿贝数可以介于36-54。第二透镜242的折射率可以介于1.72-1.92，第二透镜242的阿贝数可以介于36-54。第三透镜243的折射率可以介于1.52-1.71，第三透镜243的阿贝数可以介于32-50。第四透镜244中第一子透镜2441的折射率可以介于1.76-1.94，第一子透镜2441的阿贝数可以介于17-39，第四透镜244中第二子透镜2442的折射率可以介于1.78-1.94，第二子透镜2442的阿贝数可以介于28-46。第五透镜245的折射率可以介于1.78-1.94，第五透镜245的阿贝数可以介于19-44。

为进一步地说明图1所示的投影光机200的成像效果，本申请实施例的镜头的参数如下表1所示：

其中，表1所示参数的投影镜头200的对角线方向视场角FOV为28°，水平与垂直视场比为4:3，镜头240光学总长度TTL为10.6mm，镜头240的焦距f为6.3mm，最大光学口径为6.0mm，出瞳口径为5.6mm。

第一透镜241的焦距f1为7.2mm，第二透镜242的焦距f2为3.4mm，第三透镜243的焦距f3位-5.3mm，第四透镜244的焦距f4为-148mm，第四透镜244中第一子透镜2441的焦距f41为-3.1mm，第四透镜244中第二子透镜2442的焦距f42为4.1mm，第五透镜245的焦距f5为10.4mm。其余参数(诸如面型、曲率半径、厚度等)请参阅表1。

请参照图2至图5，图2为图1所示投影光机中镜头的调制传递函数图，图3为图1所示投影光机中镜头的场曲图，图4为图1所示投影光机中镜头的畸变曲线图，图5为图1所示投影光机中镜头的离焦曲线图。图2、图3、图4和图5均示出了具有如表1所示参数的镜头240的相关参数图。其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，可以用于评价镜头的成像质量，可以体现为成像对原物体细节的还原能力；场曲图可以表现镜头所成像面的弯曲度及翘曲度；畸变图可以表示镜头成像画面的变形程度；离焦曲线可以表示镜头的焦深信息。

从图2所示的调制传递函数图中可以看出，各个视场的MTF曲线变化趋势几乎一致，且MTF曲线从高频到低频都没有出现零点，信息被很好地保存下来,能够复原成清晰图像，说明本申请实施例的镜头240具有良好的分辨率及解像能力。从图3所示的场曲图中可以看出，各曲线偏离中心位置数值小额变化趋势平滑无突变，说明本申请实施例的镜头240所成像面的弯曲度及翘曲度都比较小，场曲得到了良好的矫正。从图4所示的畸变图中可以看出，本申请实施例的镜头240的光学畸变量被控制在2.00％的范围内，说明本申请实施例的镜头240的成像画面的变形程度比较小。从图5所示的离焦曲线图中可以看出，几乎所有曲线的峰值都在零偏移垂轴附近，说明镜头240离焦特性为优秀，可以能够得到一个更大的有效焦深值范围，而且所有的离焦特性曲线的峰值都处于较高值区域，成像的对比度优秀。

可以理解的是，本申请实施例的具有远高于系统奈奎斯特采样评价的成像质量，畸变及场曲都限制在远小于不会被人眼察觉范围之内，且系统的组装调试敏感度弱于当前生产常用的精度，便于进行量产流程。

请继续参阅图1，本申请实施例的投影光机200还可以包括光阑260，光阑260的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头，因此通过设置光阑260，有利于控制到达透过镜头240的有效光信号的入射角度。光阑260设置在第五透镜245背离第四透镜244的一侧。而且，光阑260与第五透镜245之间的距离大于0.6mm且小于5mm，比如光阑260与第五透镜245之间的距离可以为0.6mm、1.0mm、3mm、5mm或其他数值的距离。其中，光阑260与第五透镜245之间的距离指的光阑260至第五透镜245的第五出光面S52中的预设位置的距离，该预设位置可以为预先设置的位置，比如预设位置可以为第五出光面S52的中心点，也可以是其他定点。第五透镜245进行光束调制后经由光阑260限制，以特定光束口径的平行光的形式出射。显示器220上不同位置对应投影光机200出射的不同视场；即不同发光源发出的光以各自对应的视场角度的平行光经由光阑260出射。

光阑260包括遮挡区域和透光区域，所述遮挡区域围设在所述透光区域的周缘，透光区域可以方便光阑260对透过镜头240的有效光信号的调节。所述透光区域为圆形结构，所述透光区域满足：3.5mm≤D≤6mm，D为透光区域的孔径。比如，透光区域可以为可透光的圆孔，该圆孔的孔径可以为3.5mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm或其他数值。当然，所述透光区域也可以为其他结构，诸如所述透光区域可以为矩形结构、梯形结构等。光阑260的结构表面可以处理为消光表面，可以防止光线在光阑260的结构表面发生反射、折射而使得其他光线混入透过镜头240的透射光信号中。

本申请实施例还另外提供一种近眼显示系统，诸如图6所示，图6为本申请实施例提供的近眼显示系统的结构示意图。近眼显示系统20可以包括如上所述的投影光机200(也可以是投影光机400)，以及波导元件600，波导元件600设置在镜头240背离显示器220的一侧。结合图1所示，显示器220具有像素点，每一像素点均可以发射不同发射角度的有效光信号，有效光信号可以包括图像信息，镜头可以接收不同发射角度的有效光信号并对有效光信号进行调制，以使得一个像素点所产生的有效光信号经过镜头230之后形成不同出射角度的平行光束。

可以理解的是，镜头240可以设置在显示器220和波导元件600之间，镜头240位于显示器220的出射光的一侧，镜头240可以对显示器220发出的有效光信号进行调制，使全部进入镜头240的有效光信号调制为特定的光信号状态输出，其中进入镜头240的光信号为显示器220发光面上不同位置像素点组成的阵列发出的带有一定发散角度的光束，经过镜头240后输出的光信号为在镜头220外部出瞳位置相重叠，且不同像素点对应不同出射角度的平行光束，全部像素点对应的不同出射角度的集合为显示器220与镜头240组成近眼显示系统的视场。波导元件600可以将经过镜头240出射的光信号发生耦入、内部全反射传播、耦出等作用后转换为虚拟图像并传递至人眼，使得人眼可观看到虚拟图像。

需要说明的是，图6的投影光机200和波导元件600之间的位置关系仅为示例性地，图6的投影光机200和波导元件600之间的并不限于平行设置，比如也可以倾斜一定的角度设置，比如45度、60度或其他角度值。

以上对本申请实施例提供的镜头、投影光机以及近眼显示系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请。同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。