一种虚拟出瞳微型投影镜头的制作方法

本发明涉及光学镜头，特别是涉及一种虚拟出瞳微型投影镜头。

背景技术：

1、增强现实(augmented reality，简称ar)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，通过微投光机进行近眼显示，从而实现对真实世界的“增强”。随着ar技术的不断发展，轻量化和超清化是ar设备的研究趋势。目前的微投光机采用投影镜头搭配micro led的组合，以提高显示效果。

2、现有技术中，搭配micro led显示屏幕的单绿色微投光机目前是目前市面上主流的搭配ar显示衍射光波导的光机，微投光机将micro led显示画面准直为可自由聚焦的平行光，通过光机出瞳投射到衍射光波导的耦入光栅位置，衍射光波导耦入光栅将投影画面光线耦合到波导内进行传输并进行扩瞳复制，最终通过衍射光波导耦出光栅将扩瞳复制后的投影画面光线耦出，最后入射到人眼正常成像实现ar显示功能。

3、但是，目前投影镜头搭配micro led的组合，一般将光阑置于投影镜头的前端结构内，导致透过光阑的光斑口径显著扩大，需要扩大耦入光栅的直径，进而会导致光线二次进入耦入光栅，引起额外的能量损失，降低波导显示的均匀性，影响显示效果；而且微投光机体积较大，使得头戴式设备的体积、重量与常规眼镜有较大区别，影响佩戴的舒适度。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种虚拟出瞳微型投影镜头，旨在解决现有的头戴式增强现实设备中使用的投影镜头搭配micro led的组合体积大，显示效果不好的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种虚拟出瞳微型投影镜头，其中，包括沿同一光轴由成像侧至像源侧依次间隔设置的虚拟光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和图像源面，所述第一透镜和所述第三透镜均具有正光焦度；所述第二透镜和所述第四透镜均具有负光焦度；

4、所述投影镜头的有效焦距为efl，所述第一透镜的成像侧的表面中心点与所述图像源面之间的距离为ttl，所述投影镜头的虚拟出瞳中心与所述第一透镜的成像侧的表面中心点的距离为enpp，所述投影镜头的虚拟出瞳直径为enpd，满足下列关系式：

5、

6、

7、

8、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述第四透镜的像源侧存在至少一个反曲点。

9、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述虚拟出瞳微型投影镜头包括屏幕保护透镜，所述屏幕保护透镜沿同一光轴设于所述第四透镜和所述图像源面之间。

10、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述第一透镜为玻璃透镜；所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为塑胶透镜。

11、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述第一透镜的折射率为n1，所述第一透镜的阿贝数为vd1；所述第二透镜的折射率为n2，所述第二透镜的阿贝数为vd2；所述第三透镜的折射率为n3，所述第三透镜的阿贝数为vd3；所述第四透镜的折射率为n4，所述第四透镜的阿贝数为vd4；满足下列关系式：

12、1.59≤n1≤1.64，55≤vd1≤66；

13、1.61≤n2≤1.68，19≤vd2≤26；

14、1.61≤n3≤1.68，24≤vd3≤30；

15、1.61≤n4≤1.68，19≤vd4≤26。

16、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述投影镜头的光焦度为所述第一透镜的光焦度为所述第二透镜的光焦度为所述第三透镜的光焦度为满足下列关系式：

17、

18、

19、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述第一透镜的像源侧的表面中心点到所述第二透镜的成像侧的表面中心点的距离为ct12，所述第三透镜的像源侧的表面中心点到所述第四透镜的成像侧的表面中心点的距离为ct34，满足如下关系式：

20、

21、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述投影镜头沿对角线方向的视场角的二分之一为hfov，所述第四透镜的像源侧的表面中心点与所述图像源面之间的距离为bfl，满足下列关系式：

22、13°≤hfov≤16°；

23、

24、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述第一透镜的成像侧的表面中心点的曲率为c11，所述第一透镜的像源侧的表面中心点的曲率为c12，满足下列关系式：

25、

26、所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其中，所述第二透镜的成像侧的表面中心点的曲率为c21，所述第二透镜的像源侧的表面中心点的曲率为c22；所述第三透镜的成像侧的表面中心点的曲率为c31，所述第三透镜的像源侧的表面中心点的曲率为c32；满足下列关系式：

27、c21≥0，c22≥0；

28、c31≤0，c32≤0。

29、与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

30、本发明公开的虚拟出瞳微型投影镜头将虚拟光阑与微投光机分离，设置在第一透镜的成像侧，使得虚拟光阑位于微投光机前端，形成虚拟出瞳，缩小虚拟出瞳和波导耦入光栅的距离，以减小第一透镜射出的光斑的扩散，有利于提高光波导显示的均匀性，增强显示效果。在虚拟光阑和图像源面之间搭配了四个透镜，第一透镜和第三透镜均具有正光焦度，第二透镜和第四透镜均具有负光焦度，设计了光学总长小，通光孔径大，光效利用率高的投影镜头，可以在额定功耗下投射出亮度更高、显示效果更好的投影画面。总的来说，本实施例公开的虚拟出瞳微型投影镜头缩小了体积，增强了近眼显示效果，有利于将虚拟出瞳微型投影镜头与micro led组合使用，制造轻量化、超清化的头戴式增强现实设备。

技术特征：

1.一种虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，包括沿同一光轴由成像侧至像源侧依次间隔设置的虚拟光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和图像源面，所述第一透镜和所述第三透镜均具有正光焦度；所述第二透镜和所述第四透镜均具有负光焦度；

2.根据权利要求1所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述第四透镜的像源侧存在至少一个反曲点。

3.根据权利要求1所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述虚拟出瞳微型投影镜头包括屏幕保护透镜，所述屏幕保护透镜沿同一光轴设于所述第四透镜和所述图像源面之间。

4.根据权利要求1所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述第一透镜为玻璃透镜；所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为塑胶透镜。

5.根据权利要求4所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的折射率为n1，所述第一透镜的阿贝数为vd1；所述第二透镜的折射率为n2，所述第二透镜的阿贝数为vd2；所述第三透镜的折射率为n3，所述第三透镜的阿贝数为vd3；所述第四透镜的折射率为n4，所述第四透镜的阿贝数为vd4；满足下列关系式：

6.根据权利要求4所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述投影镜头的光焦度为所述第一透镜的光焦度为所述第二透镜的光焦度为所述第三透镜的光焦度为满足下列关系式：

7.根据权利要求4所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，其中所述第一透镜的像源侧的表面中心点到所述第二透镜的成像侧的表面中心点的距离为ct12，所述第三透镜的像源侧的表面中心点到所述第四透镜的成像侧的表面中心点的距离为ct34，满足如下关系式：

8.根据权利要求1所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述投影镜头沿对角线方向的视场角的二分之一为hfov，所述第四透镜的像源侧的表面中心点与所述图像源面之间的距离为bfl，满足下列关系式：

9.根据权利要求1所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述第一透镜的成像侧的表面中心点的曲率为c11，所述第一透镜的像源侧的表面中心点的曲率为c12，满足下列关系式：

10.根据权利要求1所述的虚拟出瞳微型投影镜头，其特征在于，所述第二透镜的成像侧的表面中心点的曲率为c21，所述第二透镜的像源侧的表面中心点的曲率为c22；所述第三透镜的成像侧的表面中心点的曲率为c31，所述第三透镜的像源侧的表面中心点的曲率为c32；满足下列关系式：

技术总结
本发明公开了一种虚拟出瞳微型投影镜头，其中，包括沿同一光轴由成像侧至像源侧依次间隔设置的虚拟光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和图像源面，所述第一透镜和所述第三透镜均具有正光焦度；所述第二透镜和所述第四透镜均具有负光焦度；所述投影镜头的有效焦距为EFL，所述第一透镜的成像侧的表面中心点与所述图像源面之间的距离为TTL，所述投影镜头的虚拟出瞳中心与所述第一透镜的成像侧的表面中心点的距离为ENPP，所述投影镜头的虚拟出瞳直径为ENPD，满足下列关系式：投影镜头的体积小，近眼显示效果好，可以更好地适应佩戴式设备的使用场景，提高产品的使用价值。

技术研发人员：游旭,王瑞,李林欣
受保护的技术使用者：珠海莫界科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21