目镜镜头及近眼显示装置的制作方法

1.本技术实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种目镜镜头及近眼显示装置。


背景技术：

2.增强现实技术(augmentedreality，简称ar)实现了虚拟世界和现实世界的实时同步，满足用户在现实世界中真实地感受虚拟空间中模拟的事物，增强用户体验效果。
3.作为新一代信息技术融合创新的典型领域，ar技术不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。随着ar技术的逐渐成熟，在工业应用和大众消费领域的前景广阔，ar技术即将进入迅速发展的时期。
4.为实现ar技术，现有头戴式近眼显示方案主要为光波导方式、自由曲面方式、棱镜方式，由于自由曲面方式和棱镜方式的视场角较小，光波导方式将逐渐成为一种较为成熟的技术方案。因此，实现大视场角度，改善光学系统产生的各类像差，提高系统的成像质量，提升用户体验等，在ar技术的广泛普及中显得尤为重要。
5.现有技术中，采用透镜组的近眼显示光学系统通常需要设置多个透镜，透镜数量较多，不仅会增加加工成本，而且多个光学件和结构件在装配时的难度也较大，增加生产的工时，也会降低产品质量的成品率。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本技术实施例提供一种目镜镜头及近眼显示装置。
7.本技术提供一种目镜镜头，包括从物侧到像侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
8.所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均包括相对的物侧面和像侧面，所述物侧面靠近所述物侧，所述像侧面靠近所述像侧；
9.所述第一透镜为凸凹透镜，所述第一透镜的物侧面至少包括一个凹面，所述第一透镜的像侧面为凸面，所述第一透镜用于提供正光焦度；
10.所述第二透镜为凸凹透镜，所述第二透镜的物侧面至少包括一个凹面，所述第二透镜的像侧面为凸面，所述第二透镜用于提供负光焦度；
11.所述第三透镜为凸凹透镜，所述第三透镜的物侧面至少包括一个凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面，所述第三透镜用于提供正光焦度；
12.所述第四透镜为平凸透镜，所述第四透镜的物侧面为平面，所述第四透镜的像侧面为凸面，所述第四透镜用于提供正光焦度。
13.在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为球面透镜。
14.在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜中任意一个为非球面透镜。
15.在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的物侧面还
包括平面。
16.在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜材料均为光学玻璃或光学树脂。
17.在其中一个实施例中，所述目镜镜头的有效焦距为f，其中，10mm《f 《15mm。
18.基于相同的发明构思，本技术还提供一种近眼显示装置，包括图像源、光波导以及如上述实施例中任一项所述的目镜镜头，所述目镜镜头设置于所述图像源的出光方向上且同时与所述图像源共光轴，所述光波导设置在所述目镜镜头的出光方向上。
19.在其中一个实施例中，所述图像源包括液晶显示器、硅基液晶显示器、有机发光二极管、微型发光二极管和数字微镜器件中的任意一种。
20.在其中一个实施例中，所述图像源的尺寸为0.2英寸-0.4英寸。
21.在其中一个实施例中，所述光波导为几何阵列光波导或者光栅光波导。
22.本技术实施例提供的一种目镜镜头及近眼显示装置。目镜镜头包括从物侧到像侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜。除第四透镜为平凸透镜外，其他透镜均为凸凹透镜。四个透镜的光焦度为正、负、正、正的方式组合，在优化传播光线的同时也可合理控制系统的体积，可使透镜组体积小，重量轻，并且成像清晰。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本技术实施例提供的一种目镜镜头的结构示意图；
25.图2为本技术实施例提供的一种目镜镜头在分辨率30lp/mm时的全视场传递函数mtf曲线示意图；
26.图3为本技术实施例提供的一种目镜镜头在全视场全波段的场曲与畸变示意图；
27.图4为本技术实施例提供的一种目镜镜头在全视场点列图；
28.图5为本技术实施例提供的一种目镜镜头的像差贡献图；
29.图6为本技术实施例提供的一种近眼显示装置。
30.主要元件附图标记说明
31.100、第一透镜；200、第二透镜；300、第三透镜；400、第四透镜； 500、图像源；600光波导。
具体实施方式
32.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本技术实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本技术的技术方案。显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本技术的保护范围之内。
33.请参见图1，本技术提供一种目镜镜头。目镜镜头包括从物侧到像侧之间共光轴依次设置的第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜 400。
34.第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400均包括相对的物侧面和像侧面。物侧面靠近物侧，像侧面靠近像侧。第一透镜100为凸凹透镜。第一透镜100的物
侧面至少包括一个凹面。第一透镜100的像侧面为凸面。第一透镜100用于提供正光焦度。第二透镜200为凸凹透镜。第二透镜 200的物侧面至少包括一个凹面。第二透镜200的像侧面为凸面。第二透镜200 用于提供负光焦度。第三透镜300为凸凹透镜。第三透镜300的物侧面至少包括一个凹面。第三透镜300的像侧面为凸面。第三透镜300用于提供正光焦度。第四透镜400为平凸透镜。第四透镜400的物侧面为平面。第四透镜400 的像侧面为凸面。第四透镜400用于提供正光焦度。
35.光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。光焦度可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，也可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即透镜组)。
36.在其中一个实施例中，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400材料均为光学玻璃或光学树脂。
37.在其中一个实施例中，目镜镜头的有效焦距为f，其中，10mm《f 《15mm。目镜镜头的焦距较短，可进一步减小光学系统的体积和重量，降低成本。
38.在其中一个实施例中，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400中任意一个为非球面透镜。
39.在其中一个实施例中，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400均为球面透镜。球面透镜相对于非球面透镜，球面透镜的像质更好，且加工难度较低，容易检测。
40.参考图1，第一透镜100为弯月透镜，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，缩小光学系统体积。
41.参考图1，第二透镜200为负光焦度的凸凹透镜，凸面靠近像侧，主要用于贡献数值为负的球差、彗差、像散、畸变，凹面靠近物侧，主要用于衔接第一透镜100的凸面发出的光线，可将光线校正的更加紧凑，有效减小系统透镜组体积。
42.参考图1，第三透镜300为正光焦度的弯月透镜，凸面靠近像侧，凹面靠近物侧，主要用于贡献数值为正的球差、彗差，将光学系统的球差和彗差控制在尽量小的范围内，并且提升成像质量。
43.参考图1，第四透镜400为平凸透镜，为光学系统提供正光焦度，主要贡献数值为正的球差、彗差、像散、畸变，可校正第一透镜100、第二透镜 200、第三透镜300所产生的像差。由于平凸透镜易于加工，可降低加工成本，便于整机的装配并易于保证装配精度，也可有效减小系统的体积。
44.该目镜镜头的透镜数量较少，目镜镜头的体积小，可降低加工成本和装配难度。具体的，通过第一透镜100可校正光学系统中光线的场曲，并减小光线的入射角，其作用主要是，可以提高系统的成像清晰度，增加系统的视场角，有助于减小系统透镜组的体积，进一步减小整机结构的体积和质量。第二透镜 200主要作用是为光学系统提供负的光焦度和提供球差，第三和第四透镜400 为光学系统提供正的光焦度，经第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400 后光线被校正，所有像差几乎被完全校正，可大幅度提高系统的成像质量。光线经透镜组传播后通过光学系统的出瞳位置射出，可通过人眼接收图像。
45.本实施例中，目镜镜头包括从物侧到像侧之间共光轴依次设置的第一透镜 100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400。除第四透镜400为平凸透镜外，其他透镜均为凸凹透镜。四个透镜的光焦度为正、负、正、正的方式组合，在优化传播光线的同时也可合理控制系统的体积，可使透镜组体积小，重量轻，并且成像清晰。
46.在其中一个实施例中，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的物侧面还包括平面。
47.参见图1，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的物侧面还包括平面的意思可以是三个凸凹透镜的物侧面设置凹面在整个透镜的中间位置，三个凸凹透镜的物侧面的上下位置设置为平面，即三个凸凹透镜的物侧面为平-凹
‑ꢀ
平设置。此种结构便于装配，挺高产品质量的成品率。
48.图2为本技术实施例提供的一种目镜镜头在分辨率30lp/mm时的全视场传递函数mtf曲线示意图，如图2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％。
49.图3为本技术实施例提供的一种目镜镜头在全视场全波段的场曲与畸变示意图。其中，左边的是场曲图，右边是畸变图，如图3所示，目镜镜头的场曲控制在《0.1mm内，光学畸变控制在≤1.5％。
50.图4为本技术实施例提供的一种目镜镜头在全视场点列图。rms半径控制在rms《10μm。
51.图5为本技术实施例提供的一种目镜镜头的像差贡献图；由图5可知，本技术实施例提供的目镜镜头的整体像差可以控制在一个非常理想的范围内，从而系统具有很好的显示效果和质量。
52.请参见图6，基于相同的发明构思，本技术还提供一种近眼显示装置，包括图像源500、光波导600以及如上述实施例中任一项所述的目镜镜头，所述目镜镜头设置于所述图像源500的出光方向上且同时与所述图像源500共光轴，所述光波导600设置在所述目镜镜头的出光方向上。如图6所示，可按照图像源500、第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400、光波导600的顺序进行排列。
53.在其中一个实施例中，为了控制近眼显示装置的总体积，图像源500可选择体积尽量小的显示源。所述图像源500包括但不限于液晶显示器、硅基液晶显示器、有机发光二极管、微型发光二极管和数字微镜器件中的任意一种。
54.在其中一个实施例中，所述图像源500的尺寸为0.2英寸-0.4英寸，如 0.23英寸oled显示芯片、0.39英寸oled显示芯片。
55.光线经上述透镜组传播后通过光学系统的出瞳位置射出，可以在出瞳位置设置光波导600，光线经光波导600传播后进入使用者的眼睛，在人眼的视网膜内形成虚像接收。在其他实施例中，出瞳位置也可以是使用者眼睛观看的位置，即从光学系统射出的光线可直接通过人眼接收形成图像。在其中一个实施例中，所述光波导600为几何阵列光波导600或者光栅光波导600。
56.注意，上述仅为本技术的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本技术不限于这里所述的特定实施例，本技术的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员
来说能够进行各种明显的变化、重新选择、相互结合和替代而不会脱离本技术的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本技术进行了较为详细的说明，但是本技术不仅仅限于以上实施例，在不脱离本技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本技术的范围由所附的权利要求范围决定。