光学模组及近眼显示光学系统的制作方法

1.本实用新型涉及视觉显示设备技术领域，尤其是涉及一种光学模组及近眼显示光学系统。


背景技术：

2.近眼显示光学系统也称头盔显示器，是一种用于增强现实、虚拟现实、混合现实等显示在使用者头上戴着的视觉显示器。增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上。用户通过近眼显示光学系统可看到虚拟图像和真实图像融合后的图像，融合后的图像要符合人眼看到的场景。
3.但是，当前部分近眼显示光学系统光效较低、畸变较大，像质较差，体积较大，影响用户体验。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种光学模组及近眼显示光学系统，以缓解当前部分近眼显示光学系统畸变较大，像质较差，影响用户体验的技术问题。
5.第一方面，本实用新型实施例提供的一种光学模组，包括：图像源和透镜系统，所述透镜系统包括沿光路依次设置的第一凸透镜、弯月透镜和第二凸透镜，且所述第一凸透镜包括朝向图像源一侧的入光面s1，以及朝向出光侧并向出光侧凸出的出光凸面s2；所述弯月透镜包括朝向图像源一侧并向图像源方向凸出的入光凸面s3，以及朝向出光侧并向图像源方向凹陷的出光凹面s4；所述第二凸透镜包括朝向图像源一侧的入光面s5，以及朝向出光侧并向出光侧凸出的出光凸面s6；
6.所述图像源用于发出光线；
7.所述第一凸透镜用于校正所述光线的场曲和畸变，以及减小所述光线的入射角并为所述透镜系统提供正的光焦度和负球差；
8.所述弯月透镜用于为所述透镜系统提供负的光焦度和提供正球差；
9.所述第二凸透镜用于为所述透镜系统提供正的光焦度和提供负球差；所述透镜系统用于将光线的球差缩小到预设范围内。
10.进一步的，所述图像源包括红光光源、绿光光源和蓝光光源；所述光学模组还包括合光棱镜，所述红光光源、绿光光源和蓝光光源分别位于所述合光棱镜的三个入射面一侧，所述合光棱镜的出射面朝向所述透镜系统。
11.进一步的，所述图像源为发光二极管。
12.进一步的，所述第一凸透镜的焦距f1的范围为：f1>3mm。
13.进一步的，所述弯月透镜的焦距f2的范围为：f2<
‑
3mm。
14.进一步的，所述第二凸透镜的焦距f3的范围为：f3>5mm。
15.进一步的，所述出光凸面s2、入光凸面s3、出光凹面s4和出光凸面s6的面型为球面
或非球面。
16.进一步的，所述第一凸透镜、弯月透镜和第二凸透镜的材质为玻璃或者树脂。
17.进一步的，所述入光面s1、出光凸面s2、入光凸面s3、出光凹面s4、入光面s5和出光凸面s6表面的镀膜为增透膜。
18.第二方面，本实用新型实施例提供的一种近眼显示光学系统，包括上述的光学模组。
19.本实用新型实施例提供的光学模组包括：图像源和透镜系统，所述透镜系统包括沿光路依次设置的第一凸透镜、弯月透镜和第二凸透镜，且所述第一凸透镜包括朝向图像源一侧的入光面s1，以及朝向出光侧并向出光侧凸出的出光凸面s2；所述弯月透镜包括朝向图像源一侧并向图像源方向凸出的入光凸面s3，以及朝向出光侧并向图像源方向凹陷的出光凹面s4；所述第二凸透镜包括朝向图像源一侧的入光面s5，以及朝向出光侧并向出光侧凸出的出光凸面s6；所述图像源用于发出光线；所述第一凸透镜用于校正所述光线的场曲和畸变，以及减小所述光线的入射角并为所述透镜系统提供正的光焦度和负球差；所述弯月透镜用于为所述透镜系统提供负的光焦度和提供正球差；所述第二凸透镜用于为所述透镜系统提供正的光焦度和提供负球差；所述透镜系统用于将光线的球差缩小到预设范围内。光线经过第一凸透镜后，产生汇聚，可以使光线被充分利用，同时可以减小对弯月透镜和第二凸透镜的最小体量要求，压缩弯月透镜和第二凸透镜的体积，从而优化透镜系统的体量。透镜系统的光路采用(正+负+正)的光焦度分配方式，以及(负+正+负)的球差分配方式，使得光路变得非常紧凑，也更容易矫正光学系统的像质，达到畸变小，球差小，像质佳的效果。本实施例中，透镜系统仅利用三个透镜元件，即第一凸透镜、弯月透镜和第二凸透镜，便可以实现优化像质的目的，相比于市面上需要至少四个，甚至四个以上透镜元件的产品而言，本方案中的光学模组的整体体积更小且生产成本更低。
20.本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统包括上述的光学模组。因为本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统引用了上述的光学模组，所以，本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统也具备光学模组的优点。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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的附图。
22.图1为本实用新型实施例提供的一种光学模组的示意图；
23.图2为本实用新型实施例提供的另一种光学模组的示意图；
24.图3为图1中光学模组的像差贡献图；
25.图4为图1中光学模组的畸变图；
26.图5为图1中光学模组的mtf图；
27.图6为本实用新型实施例提供的又一种光学模组的示意图。
28.图标：1
‑
图像源；2
‑
第一凸透镜；3
‑
弯月透镜；4
‑
第二凸透镜；5
‑
合光棱镜；6
‑
红光光源；7
‑
绿光光源；8
‑
蓝光光源；9
‑
波导片组件；10
‑
消鬼影组件；11
‑
光阑。
具体实施方式
29.下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。
30.如图1
‑
图5所示，本实用新型实施例提供的光学模组包括：图像源1和透镜系统，所述透镜系统包括沿光路依次设置的第一凸透镜2、弯月透镜3和第二凸透镜4，图像源1发出的光线以及穿过第一凸透镜2、弯月透镜3和第二凸透镜4后进入到出瞳光阑11处。
31.第一凸透镜2靠近图像源1，起到场镜的作用，用于校正所述光线的场曲和畸变，以及减小所述光线的入射角并为所述透镜系统提供正的光焦度和负球差，所述第一凸透镜2包括朝向图像源1一侧的入光面s1，以及朝向出光侧并向出光侧凸出的出光凸面s2。第一凸透镜2为透镜系统贡献负球差，是第一凸透镜2光焦度的主要贡献者，因此第一凸透镜2的焦距f1比较小，而且符号是正的，范围为f1>3mm。优选值为15mm>f1>3mm。
32.弯月透镜3位于第一凸透镜2和第二凸透镜4之间，所述弯月透镜3用于为所述透镜系统提供负的光焦度和提供正球差。所述弯月透镜3包括朝向图像源1一侧并向图像源1方向凸出的入光凸面s3，以及朝向出光侧并向图像源1方向凹陷的出光凹面s4。弯月透镜3为透镜系统贡献正球差，是系统光焦度的主要贡献者，因此弯月透镜3焦距f2比较小，而且符号是负的，范围为f2<
‑
3mm。优选值为
‑
20mm<f2<
‑
3mm。
33.第二凸透镜4位于弯月透镜3和出瞳光阑11之间，所述第二凸透镜4用于为所述透镜系统提供正的光焦度和提供负球差；所述第二凸透镜4包括朝向图像源1一侧的入光面s5，以及朝向出光侧并向出光侧凸出的出光凸面s6。第二凸透镜4为透镜系统贡献负球差，是系统光焦度的主要贡献者，因此第二凸透镜4的焦距f3比较小，而且符号是正的，范围为f3>5mm。优选值为5mm<f3<30mm。
34.光线经过第一凸透镜2后，产生汇聚，可以使光线被充分利用，同时可以减小对弯月透镜3和第二凸透镜4的最小体量要求，压缩弯月透镜3和第二凸透镜4的体积，从而优化透镜系统的体量。透镜系统的光路采用(正+负+正)的光焦度分配方式，以及(负+正+负)的球差分配方式，使得光路变得非常紧凑，也更容易矫正光学系统的像质，达到畸变小，球差小，像质佳的效果。本实施例中，透镜系统仅利用三个透镜元件，即第一凸透镜2、弯月透镜3和第二凸透镜4，便可以实现优化像质的目的，相比于市面上需要至少四个，甚至四个以上透镜元件的产品而言，本方案中的光学模组的整体体积更小且生产成本更低。
35.由赛德尔像差图可以看到，弯月透镜3产生了较大的正球差、正慧差、正像散、正畸变，而第二凸透镜4产生的是较大的负球差、负慧差、负像散、负畸变，两者刚好互补，相加后系统的像差就比较小，实现小畸变、高分辨率。其中，图3中每个纵向栏中包含7个立柱，每个立柱从左至右依次表示：spherical(球差)、coma(彗差)、astigmatism(像散)、filed curvature(场曲)、distortion(畸变)、axialcolor(轴向色差)、lateral color(横向色差)。而立柱的高度表示该种类型的像差的大小；以及，立柱的方向表示该种类型的像差的正负。
36.由畸变图可以看到全视场畸变小于0.5％，由mtf图可以看到全视场在125lp/mm处大于0.5。均能体现光学系统的小畸变高清晰度。
37.图像源1发出的光线可以是线偏振态的也可以是无偏振态的。光线按顺序经过第一凸透镜2、弯月透镜3和第二凸透镜4到达出瞳光阑11位置，光线经过透镜系统的像差矫正，实现高成像质量。
38.图像源1可以是微型发光二极管(micro led)或有机发光二极管(oled)或液晶显示器(lcd)或小型发光二极管(mini led)。
39.所述图像源1包括红光光源6、绿光光源7和蓝光光源8；所述光学模组还包括合光棱镜5，所述红光光源6、绿光光源7和蓝光光源8分别位于所述合光棱镜5的三个入射面一侧，所述合光棱镜5的出射面朝向所述透镜系统。通过合光棱镜5把红光、绿光、蓝光合成全彩光线。再按顺序经过第一凸透镜2、弯月透镜3和第二凸透镜4到达出瞳光阑11位置，光线经过透镜系统的像差矫正，实现高成像质量。红光光源6、绿光光源7和蓝光光源8可以是微型发光二极管(micro led)或有机发光二极管(oled)或液晶显示器(lcd)或小型发光二极管(mini led)。
40.所述出光凸面s2、入光凸面s3、出光凹面s4和出光凸面s6的面型可以为球面、非球面或者自由曲面，优选为球面和非球面，加工方便。
41.所述第一凸透镜2、弯月透镜3和第二凸透镜4的材质可以为玻璃或者树脂。
42.所述入光面s1、出光凸面s2、入光凸面s3、出光凹面s4、入光面s5和出光凸面s6表面的镀膜为增透膜，透过光的光能损失小，光效能达到90％以上。
43.如图6所示，光学模组还包括：波导片组件9和消鬼影组件10，所述图像源1发出的光束经过所述透镜系统后照射到所述波导片组件9上；所述消鬼影组件10位于所述光路上，且位于所述图像源1和波导片组件9之间；所述消鬼影组件10包括沿光路依次设置的吸收型偏振片和四分之一玻片。图像源1发出的光线是无偏振态的。光线经过消鬼影组件10中的偏振片后变成具有第一偏正态的线偏振光，具有第一偏正态的线偏振光经过四分之一玻片后变成圆偏振光。圆偏振光再经过透镜系统，使得光线平行出射，接着到达波导片组件9，这时在波导片表面产生反射光。反射光经过透镜系统，再经过消鬼影组件10中的四分之一玻片后变成具有第二偏振态的偏振光，且第一偏振态和第二偏振态垂直，具有第二偏振态的偏振光被消鬼影组件10中的偏振片吸收，鬼像无法到达图像源1，从而达到消除鬼像的效果，从而到达消除了画面中的不良影像，有利于提升用户体验的目的。
44.本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统包括上述的光学模组。因为本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统引用了上述的光学模组，所以，本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统也具备光学模组的优点。
45.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。