一种双镜头分时分光光路及光学设备的制作方法

本实用新型涉及ar技术领域，更具体地说，涉及一种双镜头分时分光光路及光学设备。

背景技术：

在类似于arhud和3d投影显示中，一般需要两个不同的镜头，分别投影不同的场景内容，最后重叠在一起，产生虚拟现实的效果。

目前在arhud中现有的方案是使用两个显示芯片，一个是dmd或lcos，一个是lcd，两个芯片共用部分光路，投影出不同物距的场景；类似专利如：cn109471262a，lcd显示芯片直接作为光源，发散角很大，大部分光线无法被收集到成像系统，造成亮度的巨大损失；同时，两款芯片的使用也增加了电路的复杂程度，导致可靠性的下降，成本相对来说也是比较昂贵的。

在3d显示领域，普遍采用偏振形式，通过时序控制不同偏振态的光线分别进入两个镜头，最后光线在屏幕处重叠，形成3d效果；由于使用到起偏和液晶调制器，其亮度最少也会损失一半以上；类似专利如：cn206193432u，专利中需要用到3种调制芯片分别调制，加上复杂的调制棱镜，其成本较高、体积大、量产工艺性复杂。

这就需要一种可以有效提升亮度、降低成本、缩小体积、易于量产的双镜头分光方案。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种双镜头分时分光光路，还提供了一种光学设备。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种双镜头分时分光光路，其中，包括芯片、棱镜、转像镜头、第一镜头、分光反射镜、转向反射镜、第二镜头和分时切换装置；所述棱镜用于将芯片出射光束中照明光路和成像光路分离；所述转像镜头为成像镜头，用于将实体的芯片显示区域转化成空气中的一个光路的实像面；所述第一镜头用于将所述实像面进行再次成像；所述分光反射镜用于反射所述实像面形成关于反射面对称的分光实像面，所述分光实像面经所述转向反射镜后进入所述第二镜头；所述分时切换装置用于移动所述分光反射镜以切换在所述第一镜头和所述第二镜头上成像。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述转像镜头包括沿光路方向依次设置的第一负光焦度透镜组、第一正光焦度透镜组、第二负光焦度透镜组、第二正光焦度透镜组和第三负光焦度透镜组；所述第一负光焦度透镜组用于对光束进行发散使得光束口径增大；所述第一正光焦度透镜组用于对光束进行收敛，收敛后光束经由一定距离的传输后在所述第二负光焦度透镜组中具有最小的口径；所述第二负光焦度透镜组用于对光束的色差进行校正，所述第二正光焦度透镜组用于对校正后发散光束进行会聚；所述第三负光焦度透镜组用于作为场镜再次校正场曲。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述第一负光焦度透镜组为双凹负透镜，光焦度控制在-0.03～-0.02之间，折射率在1.5-1.7之间。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述第一正光焦度透镜组包括两个第一平凸透镜，且两个所述第一平凸透镜凸起一侧相对设置；两个所述第一平凸透镜的光焦度均在0.02-0.03之间，折射率在1.8-1.9之间。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述第二负光焦度透镜组包括由两个正透镜以及两个所述正透镜中间的负透镜组成的三胶合透镜；所述三胶合透镜的整体光焦度在-0.02～-0.01之间。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述负透镜的折射率在1.8-1.9之间，所述负透镜的折射率大于两个所述正透镜；所述负透镜的相对色散系数在0.01-0.02之间。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述第二正光焦度透镜组包括依次设置的第二平凸透镜、第三平凸透镜和弯月透镜；所述第二平凸透镜与所述第三平凸透镜的凸起一侧相对设置，所述弯月透镜的凸起朝向所述第三平凸透镜设置；所述第二平凸透镜光焦度范围是0.01-0.02，所述第三平凸透镜光焦度范围是0.025-0.03，所述弯月透镜光焦度范围是0.02-0.028；所述第三平凸透镜和所述弯月透镜的折射率范围均在1.8-1.85。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述第三负光焦度透镜组包括平凹负透镜，所述平凹负透镜折射率在1.6-1.7，光焦度在-0.08～-0.06。

本实用新型所述的双镜头分时分光光路，其中，所述转像镜头的前端设置有平板玻璃组件，所述平板玻璃组件包括光机棱镜等效平板玻璃和调节平板玻璃；所述调节平板玻璃可以根据不同的棱镜材质和厚度，调整相适应的材质、厚度以及前后的空气间隔。

一种光学设备，根据上述的双镜头分时分光光路，其中，所述光学设备上设置有所述双镜头分时分光光路。

本实用新型的有益效果在于：棱镜出光处，增加一个转像镜头，将芯片的有效显示区域成像在转接镜头另一侧的空气中，在实像位置的附近使用分时切换装置，图像需要经过第一个镜头时，使用分时切换装置将分光反射镜移走，留下空气，则图像沿原来路径投影，当需要经过第二个镜头时，分时切换装置将分光反射镜移回，图像经过反射进入到另一个镜头中，也投影在屏幕上，通过这种分时交替的显示，在屏幕处实现两种场景的重叠，打造出ar场景或3d场景，可提升最终投影亮度，使用单个芯片降低光学和电子部件成本，取消偏振调制光路，体积小，易量产。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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附图：

图1是本实用新型较佳实施例的双镜头分时分光光路结构示意图；

图2是本实用新型较佳实施例的双镜头分时分光光路镜头分时切换装置切换示意图；

图3是本实用新型较佳实施例的双镜头分时分光光路转像镜头结构示意图；

图4是本实用新型较佳实施例的双镜头分时分光光路转像镜头成像原理图；

图5是本实用新型较佳实施例的双镜头分时分光光路转像镜头透镜表面数据；

图6是本实用新型较佳实施例的双镜头分时分光光路对应图5中透镜标号示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型较佳实施例的双镜头分时分光光路，如图1所示，同时参阅图2-6，包括芯片1、棱镜2、转像镜头3、第一镜头4、分光反射镜5、转向反射镜6、第二镜头7和分时切换装置；棱镜2用于将芯片1出射光束中照明光路和成像光路分离；转像镜头3为成像镜头，用于将实体的芯片显示区域转化成空气中的一个光路的实像面8；第一镜头4用于将实像面进行再次成像；分光反射镜5用于反射实像面形成关于反射面对称的分光实像面9，分光实像面9经转向反射镜6后进入第二镜头7；分时切换装置用于移动分光反射镜5以切换在第一镜头4和第二镜头7上成像；

光线从棱镜2出来后，经过转像镜头3，转像镜头3是一个成像镜头，将实体的芯片1显示区域转化成空气中的一个光学的实像面8，使用反射镜实现光路的转折，在实像位置的附近使用分时切换装置，图像需要经过第一个镜头时，使用分时切换装置将分光反射镜5移走，留下空气，则图像沿原来路径投影，当需要经过第二个镜头时，分时切换装置将分光反射镜5移回，图像经过反射进入到另一个镜头中，也投影在屏幕上，通过这种分时交替的显示，在屏幕处实现两种场景的重叠，打造出ar场景或3d场景，可提升最终投影亮度，使用单个芯片降低光学和电子部件成本，取消偏振调制光路，体积小，易量产；

更具体的，使用dmd非偏振元器件，亮度相比偏振模式下的lcos会提升一倍以上；用dmd或者lcos或者lcd等芯片，通过转像镜头和分光反射镜，将芯片显示内容分时显示，取代多个显示芯片，减少了芯片和相关元器件的使用；dlp模式下不需要复杂臃肿的调制电路和光路，体积可做小，可靠性及生产上更有优势；

其中，分时切换装置可采用ir-cut或类似于ir-cut的现有装置，ir-cut大致原理如图2所示，ir-cut外框10为分光反射镜5提供支撑和限位，分光反射镜在电机或者其他电磁装置下按照与芯片同步的时序左右移动；

优选的，芯片1可以是dmd或者lcos等显示芯片；棱镜2可以是tir/rtir或者pbs，主要作用是将照明光路和成像光路分离，在空间上不干涉。

优选的，分光反射镜是可以根据时序切换位置的；分光反射镜和转向反射镜的位置可以根据实际的需求调整位置及倾斜；比如，如果希望分光实像面经过第二镜头可以成一个倾斜的像面，则可以将分光反射镜和转向反射镜旋转一定角度。倾斜像面在hud中有着普遍的应用。

优选的，转像镜头的放大倍率可以定制或者做成变焦，让实像面的大小可以人为控制；要求体积比较小的时候，实像面做小一些，希望主实像面和副实像面之间的过渡区所占比例比较小，那么就可以把实像面做大；转像镜头的灵活度是很高的；

图3中，标号11为芯片保护玻璃，12为成像面；

优选的，转像镜头3包括沿光路方向依次设置的第一负光焦度透镜组30、第一正光焦度透镜组31、第二负光焦度透镜组32、第二正光焦度透镜组33和第三负光焦度透镜组34；第一负光焦度透镜组30用于对光束进行发散使得光束口径增大；第一正光焦度透镜组31用于对光束进行收敛，收敛后光束经由一定距离的传输后在第二负光焦度透镜组32中具有最小的口径；第二负光焦度透镜组32用于对光束的色差进行校正，第二正光焦度透镜组33用于对校正后发散光束进行会聚；第三负光焦度透镜组34用于作为场镜再次校正场曲；

应用本实用新型申请的转像镜头方案，不仅可以通用包含lcos在内的其他显示芯片，还可以切换到不同棱镜的光机主体，且成本低，具备良好的量产性；当然也可以采用其他现有的转像镜头方案来实现本申请的实用新型目的，该种简单替换方式均属于本申请保护范畴；

具体的，对于一个大视场的物像共轭的系统，为了获取较好的像质，需要校正各种像差，色差和场曲是其中重要的像差；场曲的校正需要正负光焦度分离，并且在正光焦度上具有高的光线高度，在负光焦度上具有低的光线高度；因此，在镜头中光束会出现“腰肚”结构，在光束收紧的“腰”处为负光焦度，在光束膨胀的“肚”处为正光焦度；正负光焦度上面的这种光线高度分布有力地校正了场曲；色差的校正需要胶合透镜，而胶合透镜整体的光焦度较弱；故胶合透镜十分适合放置在系统的光阑附近；

根据以上理论，大视场的物像共轭系统光焦度的分布是“负-正-负-正-负”的对称分布；当然，由于物像不完全对称(物方有棱镜而像方没有)，具体的透镜轮廓或者材质等存在不完全对称的情况；位于系统两端的负光焦度实际上起到场镜的作用，有效校正场曲并引入较少的其他像差；所有透镜的弯曲、厚度、材质以及空气间隔等，均用于其他像差的校正。

优选的，第一负光焦度透镜组30为双凹负透镜，光焦度控制在-0.03～-0.02之间，折射率在1.5-1.7之间；能在较短距离内快速使得光束口径快速增大。

优选的，第一正光焦度透镜组31包括两个第一平凸透镜310，且两个第一平凸透镜310凸起一侧相对设置；两个第一平凸透镜310的光焦度均在0.02-0.03之间，折射率在1.8-1.9之间；通过两个第一平凸透镜310共同分担强的正光焦度，以降低高级像差；为了避免光线角度过大产生高级像差，光焦度均控制在0.02～0.03之间，折射率在1.8～1.9之间，使用高折射率材质有利于提升透镜的光线偏折能力。

优选的，第二负光焦度透镜组32包括由两个正透镜320以及两个正透镜中间的负透镜321组成的三胶合透镜；三胶合透镜的整体光焦度在-0.02～-0.01之间；优选的，负透镜321的折射率在1.8-1.9之间，负透镜321的折射率大于两个正透镜；负透镜321的相对色散系数在0.01-0.02之间；

此处也可以用双胶合透镜以及单透镜组合的方式来实现色差的校正。

优选的，第二正光焦度透镜组33包括依次设置的第二平凸透镜330、第三平凸透镜331和弯月透镜332；第二平凸透镜330与第三平凸透镜331的凸起一侧相对设置，弯月透镜332的凸起朝向第三平凸透镜331设置；第二平凸透镜光焦度范围是0.01-0.02，第三平凸透镜光焦度范围是0.025-0.03，弯月透镜光焦度范围是0.02-0.028；第三平凸透镜和弯月透镜的折射率范围均在1.8-1.85；为了分担强的正光焦度，此处使用三个正透镜来分担，以减少高级像差；

第二正光焦度透镜组33较第一正光焦度透镜组31多出一个正透镜，这是因为更靠近成像面，光线偏折能力需要更强；

其中，第三平凸透镜331和弯月透镜332是承担主要光焦度的镜片，第二平凸透镜330使用低折射率低色散材质以减少色差；

优选的，第三负光焦度透镜组34包括平凹负透镜，平凹负透镜折射率在1.6-1.7，光焦度在-0.08～-0.06；作为场镜减少场曲并且保证像方远心，其出射光束投射到成像面，形成清晰的光斑。

优选的，转像镜头3的前端设置有平板玻璃组件35，平板玻璃组件35包括光机棱镜等效平板玻璃350和调节平板玻璃351；调节平板玻璃12可以根据不同的棱镜材质和厚度，调整相适应的材质、厚度以及前后的空气间隔。

一种光学设备，根据上述的双镜头分屏分光光路，其中，光学设备上设置有双镜头分屏分光光路；光学设备可以是拍照设备、录像设备、ar设备、3d投影设备等等。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。