一种目镜镜头及近眼显示系统的制作方法

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种目镜镜头及近眼显示系统。

背景技术：

用于增强现实的头戴式显示器采用近眼显示技术，可以让人们在查看周围环境的同时，观看正在放映的虚拟图像，虚拟图像叠加在用户感知的真实世界上，能够营造更逼真的体验，用户沉浸感更强。

在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：现有的增强现实的近眼显示设备，通常采用离轴非球面构成折反射系统，实现大视场角观看，这种系统一般会产生很大的垂轴像差、场曲和畸变，使虚拟画面变形，影响用户体验，且体积较大，便携性不佳。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种体积较小且成像清晰的目镜镜头及近眼显示系统。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种目镜镜头，包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的：

具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜为凸凹透镜，其凸面靠近所述像侧，其凹面靠近所述物侧；

具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜为凸凹透镜，其凸面靠近所述第一透镜，其凹面靠近所述物侧；

具有负光焦度的第三透镜，所述第三透镜为凸凹透镜，其凸面靠近所述第二透镜，其凹面靠近所述物侧；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凸透镜；

具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜为凸凹透镜，其凸面靠近所述第四透镜，其凹面靠近所述物侧；

平板玻璃，其设于所述第五透镜凹面的一侧。

在一些实施例中，所述第一透镜为偶次非球面透镜，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皆为球面透镜。

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材料为光学玻璃或光学树脂。

在一些实施例中，所述目镜镜头的有效焦距为14.5mm。

在一些实施例中，所述目镜镜头的出瞳距离大于等于18mm。

在一些实施例中，所述目镜镜头的对角全视场角为40°。

在一些实施例中，所述目镜镜头的出瞳直径大于等于4mm。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种近眼显示系统，包括：显示芯片和光波导，以及如上述第一方面所述的目镜镜头，所述目镜镜头设于所述显示芯片的出光方向上且与所述显示芯片共光轴，所述光波导设于所述目镜镜头的出光方向上。

在一些实施例中，所述光波导为几何阵列光波导，其包括入射棱镜片，所述入射棱镜片设置在所述目镜镜头的出光方向上。

在一些实施例中，所述光波导为光栅光波导，其包括耦入光栅面，所述耦入光栅面设置在所述目镜镜头的出光方向上。

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，本发明实施例中提供了一种目镜镜头及近眼显示系统，该目镜镜头包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和平板玻璃，其中，除第三透镜具有负光焦度外，其他透镜具有正光焦度，除第四透镜为双凸透镜外，其他透镜为凸凹透镜，本发明实施例提供的目镜镜头体积较小，便携性较佳，成像清晰，且兼容性高。

附图说明

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。

图1是本发明实施例提供的一种目镜镜头的光学结构示意图；

图2是本发明实施例提供的目镜镜头在分辨率为30lp/mm时的全视场传递函数mtf值示意图；

图3是本发明实施例提供的目镜镜头的全视场全波段的场曲与畸变图；

图4是本发明实施例提供的目镜镜头的全视场的点列图；

图5是本发明实施例提供的一种近眼显示系统的光学结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种近眼显示系统的光学结构示意图。

具体实施方式

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。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

此外，本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”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。

为了便于连接结构限定，本发明以光路行进/光轴的出射方向为参考进行部件的位置限定。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。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。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

实施例一

请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种目镜镜头的光学结构，该目镜镜头包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的：第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3、第四透镜e4、第五透镜e5和平板玻璃e6。

所述第一透镜e1具有正光焦度，所述第一透镜e1为凸凹透镜，其凸面s1靠近所述像侧，其凹面s2靠近所述物侧。

所述第二透镜e2具有正光焦度，所述第二透镜e2为凸凹透镜，其凸面s3靠近所述第一透镜e1，其凹面s4靠近所述物侧和所述第三透镜e3。

所述第三透镜e3具有负光焦度，所述第三透镜e3为凸凹透镜，其凸面s5靠近所述第二透镜e2，其凹面s6靠近所述物侧和所述第四透镜e4。

所述第四透镜e4具有正光焦度，所述第四透镜e4为双凸透镜，其凸面s7靠近所述第三透镜e3，其凸面s8靠近所述物侧和所述第五透镜e5。

所述第五透镜e5具有正光焦度，所述第五透镜e5为凸凹透镜，其凸面s9靠近所述第四透镜e4，其凹面s10靠近所述物侧和所述平板玻璃e6。

所述平板玻璃e6设于所述第五透镜e5凹面s10的一侧。

在本发明实施例中，所述第一透镜e1为偶次非球面透镜，所述第二透镜e2、所述第三透镜e3、所述第四透镜e4和所述第五透镜e5皆为球面透镜。

在本发明实施例中，所述第一透镜e1、所述第二透镜e2、所述第三透镜e3、所述第四透镜e4和所述第五透镜e5的材料为光学玻璃或光学树脂。

具体地，如下表所示，为本发明实施例提供的目镜镜头的一组实际设计参数，在该设计参数下，本发明实施例的目镜镜头的有效焦距effl为14.5mm。所述目镜镜头的出瞳距离edp≥18mm。所述目镜镜头的对角全视场角fov为40°。所述目镜镜头的出瞳直径≥4mm。

表1

需要说明的是，上述表1中的面号1-12即为图1所示的面号s1-s12，上述表1中的曲率半径、中心厚度、焦距、出瞳直径和出瞳距离单位均为毫米(mm)。

基于图1所示目镜镜头及表1所示目镜镜头的实际设计参数，可得到如图2至图4所示目镜镜头所在系统中，能够表征该目镜镜头在全视场全波段的成像质量图。具体地，

图2是本发明实施例提供的目镜镜头在分辨率为30lp/mm时的全视场传递函数mtf值示意图，如图所示，目镜镜头在30lp/mm的空间频率下全视场光学调制传递函数mtf≥30％。

图3是本发明实施例提供的目镜镜头的全视场全波段的场曲与畸变图，其中，左边的是场曲图，右边是畸变图，如图所示，目镜镜头的场曲控制在<0.1mm内，光学畸变控制在≤4％。

图4是本发明实施例提供的目镜镜头的全视场的点列图，如图所示，rms半径控制在rms<7μm。

本发明实施例提供的目镜镜头透镜数量少，光学总长短，体积小，重量轻，便于携带。且该目镜镜头在光学成像手上光学像差小，畸变低，成像清晰，分辨率高。该目镜镜头还能够用于与几何阵列光波导棱镜片或光栅光波导片进行耦合使用，兼容性高。

实施例二

本发明实施例提供了一种近眼显示系统，请参见图5，其示出了一种近眼显示系统的光学结构，其中，1为几何阵列光波导，2为人眼模型。所述近眼显示系统包括：显示芯片(图未示)和光波导，以及如上述实施例一所述的目镜镜头，所述目镜镜头设于所述显示芯片的出光方向上且与所述显示芯片共光轴，所述光波导设于所述目镜镜头的出光方向上。

在本发明实施例中，所述光波导为几何阵列光波导，其包括入射棱镜片，所述入射棱镜片设置在所述目镜镜头的出光方向上。

在一些实施例中，请参见图6，其示出了本发明实施例提供的另一种近眼显示系统的光学结构，其中，3为光栅光波导，4为光栅光波导上的耦入光栅面，5为光栅光波导的耦出光栅面。该近眼显示系统的光学结构与图5所示的近眼显示系统的光学结构不同的是：所述光波导为光栅光波导，其包括耦入光栅面，所述耦入光栅面设置在所述目镜镜头的出光方向上。

所述显示芯片包括但不限于lcd、oled、lcos、dmd、micro-led等显示芯片中的一种，其能够将图像转换为光波，出射至所述目镜镜头，并从所述目镜镜头的平板玻璃s12一侧入射到目镜镜头中。所述显示芯片为0.2英寸～0.7英寸，优选地，采用0.23英寸oled芯片，或者，0.39英寸oled芯片，或者，0.39英寸的lcos芯片。

需要说明的是，本发明实施例所述的目镜镜头与实施例一所述的目镜镜头具有相同的结构和特性，此处不再详述。

在本发明实施例中，所述显示屏经处理转换后出射的物线光通过如实施例一所述目镜镜头后出射平行光光束，该平行光光束进入如图5所示的几何阵列光波导或者如图6所示的光栅光波导后，在光波导的基底内进行全反射传播，最终通过几何阵列光波导棱镜片或者耦出光栅面耦合出射，出射的平行光束进入人眼，从而在人眼的视网膜中形成虚拟像。

本发明实施例中提供了一种目镜镜头及近眼显示系统，该目镜镜头包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和平板玻璃，其中，除第三透镜具有负光焦度外，其他透镜具有正光焦度，除第四透镜为双凸透镜外，其他透镜为凸凹透镜，本发明实施例提供的目镜镜头体积较小，便携性较佳，成像清晰，且兼容性高。

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。

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。