一种近眼显示光学系统及视觉显示器的制作方法

1.本技术涉及近眼显示技术领域，具体涉及一种近眼显示光学系统及视觉显示器。


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(augmented reality，缩写ar)、虚拟现实(virtualreality，缩写vr)、混合现实(mixedreality，缩写mr)等显示在使用者头上戴着的视觉显示器。近眼显示光学系统最初主要应用于军事和科研领域，随着科技进步和社会发展，近眼显示技术逐步进入人们的生活，人们对近眼显示技术的认识和了解越来越深入。
3.现有的近眼显示光学系统中，为了减小系统整体的尺寸以适应小尺寸场合，大多以牺牲系统的光圈数(即镜头孔径的大小)来降低尺寸，一般来说，光圈越大，进入镜头的光线越多，照片就越亮，而光圈用数字表示，数字越小，光圈越大。牺牲系统的光圈数的做法，使得现有的近眼显示光学系统的成像效果差，亮度低，无法满足图像的清晰度要求。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种近眼显示光学系统及视觉显示器，在保证图像清晰度的前提下，系统的整体尺寸小。
5.本技术实施例的一方面，提供了一种近眼显示光学系统，包括图像源，以及依次设置在所述图像源的出光光路上的透镜组和光阑，所述光阑具有预设孔径,以使所述近眼显示光学系统在所述光阑出光侧的镜头光圈数≤1.2。
6.可选地，所述近眼显示光学系统在所述光阑出光侧的镜头焦距在5mm～10mm之间。
7.可选地，所述近眼显示光学系统的总长≤10.6mm。
8.可选地，所述透镜组包括多个依次设置的透镜，每个所述透镜的直径均小于6.2mm。
9.可选地，所述透镜组包括依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为弯月透镜，且弯曲方向朝向所述图像源；所述第二透镜为双凸透镜；所述第三透镜为双凹透镜；所述第四透镜为弯月透镜，且弯曲方向朝向所述图像源；所述第五透镜为平凸透镜，且凸面远离所述图像源。
10.可选地，所述第一透镜的焦距在10mm～30mm之间，所述第二透镜的焦距在4mm～15mm之间，所述第三透镜的焦距在-2mm～-12mm之间，所述第四透镜的焦距在5mm～20mm之间，所述第五透镜的焦距在5mm～15mm之间。
11.可选地，所述透镜均为玻璃球面镜，所述透镜的表面设置有增透膜。
12.可选地，所述图像源为单色图像源。
13.可选地，所述图像源的视场角在28
°
～30
°
之间。
14.本技术实施例的另一方面，提供了一种视觉显示器，包括：上述的近眼显示光学系统。
15.本技术实施例提供的近眼显示光学系统及视觉显示器，包括：图像源，以及依次设置在图像源的出光光路上的透镜组和光阑，光阑具有预设孔径,以使近眼显示光学系统在光阑出光侧的镜头光圈数≤1.2。图像源出射光线，在图像源的出光光路上依次设置有透镜组和光阑，图像源出射的光线依次经透镜组和光阑后被镜头接收；光阑具有预设孔径，以满足镜头光圈数≤1.2，通过小的光圈数，使镜头光圈大，进入镜头的光线多，而呈现明亮、清晰的图像，通过调整图像源、透镜组和光阑之间的距离，使系统整体的尺寸减小，提供小f数、小尺寸、结构紧凑的高清投影镜头，适应小型化场合的需求。
16.视觉显示器包括如上任意一项的近眼显示光学系统。该视觉显示器可以实现增强现实、虚拟现实、混合现实等显示，且其镜头的光圈数小，尺寸小、结构紧凑，呈现的图像高清，明亮、效果好。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
18.图1是本实施例提供的近眼显示光学系统结构示意图之一；
19.图2是本实施例提供的近眼显示光学系统实施例一的mtf曲线图；
20.图3是本实施例提供的近眼显示光学系统实施例一的点列图；
21.图4是本实施例提供的近眼显示光学系统实施例一的场曲曲线和畸变曲线；
22.图5是本实施例提供的近眼显示光学系统结构示意图之二；
23.图6是本实施例提供的近眼显示光学系统实施例二的mtf曲线图；
24.图7是本实施例提供的近眼显示光学系统实施例二的场曲曲线和畸变曲线；
25.图8是本实施例提供的近眼显示光学系统结构示意图之三。
26.图标：10-图像源；11-第一透镜；12-第二透镜；121、122-第二子透镜；13-第三透镜；14-第四透镜；15-第五透镜；16-光阑。
具体实施方式
27.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
28.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
30.近眼显示光学系统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，通过近眼显示光学系统，用户可以看到虚拟图像和真实图像融合后的图像，因此，融合后的图像即人眼看到的场景。随着科技进步和社会发展，近眼显示技术逐步进入人们的生活，人们对近眼显示技术的认识和了解越来越深入。
31.现有技术中，为将近眼显示光学系统应用于小型化的场合，多数以牺牲系统的f数(光圈数)来降低系统的整体尺寸，这就造成了近眼显示光学系统的成像效果差，亮度低。在此基础上，本技术实施例提供一种近眼显示光学系统，在保证f数小于等于1.2的情况下，依然保持系统的整体小尺寸。此外，现有技术中还有一些使用非球面镜形成的近眼显示光学系统，因非球面镜加工不便，使得系统的整体成本较高。本技术实施例提供一种近眼显示光学系统，能够提供一个小f数、小尺寸、结构紧凑、成本较低的单色高清投影镜头。
32.具体地，请参照图1，本技术实施例提供一种近眼显示光学系统，包括图像源10，以及依次设置在图像源10的出光光路上的透镜组和光阑16，光阑16具有预设孔径，以使近眼显示光学系统在光阑16出光侧的镜头光圈数≤1.2。
33.图像源10、透镜组和光阑16依次设置，图像源10出射光线，透镜组和光阑16依次位于图像源10的出光光路上，图像源10出射的光线依次经透镜组和光阑16出射，近眼显示光学系统形成光学镜头；其中，光阑16具有预设孔径，依次经透镜组和光阑16出射的光线被镜头接收，从图像源10有效区到镜头接收的光线为远心光线，镜头光圈数≤1.2。换言之，镜头光圈数较小，则镜头光圈越大，进入镜头的光线越多，最终成像的照片越亮、越清晰。光阑16处为出瞳位置，此位置或此位置出光方向还可设置相匹配的光波导镜片。
34.而对于镜头光圈数来说，镜头光圈数＝镜头焦距/光阑16孔径，镜头焦距一般来说在系统已经形成的情况下是基本不变的，那么要减小镜头光圈数，则需增大光阑16孔径，因此，本技术实施例可通过增大光阑16孔径，使光阑16具有预设孔径以满足镜头光圈数≤1.2，实现通过小光圈数而呈现明亮的图像的目的，并且可通过调整图像源10、透镜组和光阑16之间的距离，以使系统整体的尺寸减小，以提供一个小f数、小尺寸、结构紧凑的高清投影镜头，解决了现有技术以牺牲光圈数来降低系统的整体尺寸，从而导致成像效果差、亮度低、清晰度低的问题，能够为波导类型ar整机提供低成本、小体积、单色、高清光学镜头。
35.综上，本技术实施例提供的近眼显示光学系统，图像源10出射光线，在图像源10的出光光路上依次设置有透镜组和光阑16，图像源10出射的光线依次经透镜组和光阑16后被光阑16出光侧的镜头接收；光阑16具有预设孔径，以满足镜头光圈数≤1.2，通过小的光圈数，使镜头光圈大，进入镜头的光线多，而呈现明亮、清晰的图像，通过调整图像源10、透镜组和光阑16之间的距离，使系统整体的尺寸减小，提供小f数、小尺寸、结构紧凑的高清投影镜头，适应小型化场合的需求。
36.进一步地，本技术实施例提供的近眼显示光学系统在光阑16出光侧镜头焦距在5mm～10mm之间，镜头焦距即整个近眼显示光学系统的焦距。镜头焦距和镜头光圈数满足：镜头光圈数＝镜头焦距/光阑16孔径，因此当镜头焦距满足5mm～10mm之间时，光阑16孔径越大，镜头光圈数越小，进入镜头的光线越多，得到的照片就越明亮，通过设置镜头焦距，以及预设孔径的光阑16，可得到小f数的高清投影镜头，满足光学系统成像清晰的需求。
37.并且，本技术实施例提供的近眼显示光学系统还具有尺寸小的特征，以适应小型化的场合需求；具体地，近眼显示光学系统的总长≤10.6mm，总长指的是图像源10像面到光
阑16出瞳位置的长度，光学系统整体结构紧凑，通过图像源10、透镜组、光阑16的间距设置，可以调节光学系统整体的长度，使整体尺寸较小；而透镜组包括多个依次设置的透镜，每个透镜的直径均小于6.2mm，以减小体积占用，所有镜片均为较好加工的面型，并采用玻璃材料，以降低成本，提升镜片的良率。
38.此外，每个透镜均为玻璃球面镜，透镜的表面设置有增透膜，透镜表面设置增透膜，可以降低光能量损失，提升近眼显示光学系统的光效。
39.具体而言，透镜组包括多个依次设置的透镜，在本技术的一个可实现的方式中，透镜组可具体包括五个透镜，分别为依次设置的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14和第五透镜15，第一透镜11为弯月透镜，且弯曲方向朝向图像源10；第二透镜12为双凸透镜；第三透镜13为双凹透镜；第四透镜14为弯月透镜，且弯曲方向朝向图像源10；第五透镜15为平凸透镜，且凸面远离图像源10，并凸向远离图像源10的方向。
40.其中，第一透镜11的焦距在10mm～30mm之间，第二透镜12的焦距在4mm～15mm之间，第三透镜13的焦距在-2mm～-12mm之间，换言之，第三透镜13的焦距为负值，则第三透镜13为负透镜，第四透镜14的焦距在5mm～20mm之间，第五透镜15的焦距在5mm～15mm之间。上述各透镜镜片均为玻璃材料的球面，易于加工，成本较低，能够有效降低本技术实施例提供的近眼显示光学系统的整体成本。
41.通过第一透镜11设置为弯月透镜，能校正光线的场曲和/或畸变，减小光线的入射角，提升图像显示质量；还可以扩大视角，减小对后续透镜的最小体量要求，压缩透镜的体积，优化透镜的体量；第二透镜12为单个双凸透镜，即为正透镜，镜片加工方便，且成本较低，便于设置，利于压缩体积，优化光学系统整体的占用空间，减小光学系统整体的尺寸；第三透镜13为双凹透镜，即为负透镜；第二透镜12、第三透镜13和第四透镜14形成正、负、正的光焦度分配方式，使得整体光路紧凑，利于光学系统的整体小型化。第五透镜15为单个平凸透镜，即为正透镜，第五透镜15凸面凸向远离图像源10的方向；第五透镜15的设置也是为了优化光学系统整体的占用空间，减小光学系统整体的尺寸。
42.另外，图像源10为单色图像源，图像源10的视场角fov在28
°
～30
°
之间；示例地，图像源10为单绿色microled，中心波长525nm，尺寸0.13英寸，分辨率为640
×
480，投影距离为无限远，视场角fov为28
°
，以实现单色投影镜头的需要。当然，本实施例的图像源10并不以上述参数为限，可根据具体需要设置。
43.下述以几个实施例为例进行说明：
44.实施例一：
45.下表为使用0.13英寸microled的一个实施例，从投影面开始到microled有效区的镜片参数如下：
[0046][0047][0048]
请参照图2，图2为实施例一镜头的mtf曲线图，截止频率为125lp/mm，0.13microled的像素大小为4um，对应的奈奎斯特频率为125lp/mm，从图中可见，在125lp/mm下mt》0.5，满足解析度要求。
[0049]
图3示出了实施例一的成像点列图，可见在任何视场，镜头所成rms半径都小于芯片的一个像素尺寸。
[0050]
图4示出了实施例一的场曲曲线和畸变曲线图，场曲小于0.02mm全视场畸变小于1％。
[0051]
实施例二
[0052]
请参照图5，光圈数f为1.1，图像源10为单绿色microled，中心波长525nm，尺寸0.13英寸，分辨率为640
×
480，投影距离为无限远，fov为28
°
。
[0053]
其中，第二透镜12可包括多个子透镜，例如包括第二子透镜121和第二子透镜122，第二子透镜121为双凸透镜，第二子透镜122为弯月镜，弯向远离图像源10的方向；第二透镜12包括多个子透镜时，可将第二透镜12贡献的正球差分配到每个子透镜上，减小每个子透镜承担的光焦度，降低镜片的公差敏感度，利于提高产品良率。图6示出了实施例二的mtf曲线图，图7示出了实施例二的场曲曲线和畸变曲线，从上述图中可看出，镜头在0.13microled对应的截止频率125lp/mm下的mtf》0.5，在任何视场，镜头所有rms半径都小
于microled的一个像素，全视场畸变小于1％，完全满足解析度要求。
[0054]
实施例三
[0055]
请参照图8，光圈数f为1.0，图像源10为单绿色microled，中心波长525nm，尺寸0.13英寸，分辨率为640
×
480，投影距离为无限远，fov为28
°
。其中，第二透镜12包括多个子透镜，具体可包括第二子透镜121和第二子透镜122，第二子透镜121为双凸透镜，第二子透镜122为弯月镜，弯向远离图像源10的方向；图8中各透镜的面型与设置位置与图5基本一致，区别在于两者形成的光学系统整体的镜头光圈数不同，并且各透镜之间的间距不同，明显地，图5中第二子透镜122和第三透镜13之间的间距大于图8中第二子透镜122和第三透镜13之间的间距，通过透镜之间间距的调整，可以得到不同尺寸的光学系统的整体结构，以适应不同的小型化场合；图8中形成的光学系统整体与前述两个实施例形成的mtf曲线图、场曲曲线和畸变曲线类似，此处不再赘述。
[0056]
由上述三个实施例可得出，本技术实施例提供的近眼显示光学系统，其镜头在0.13microled对应的截止频率125lp/mm下的mtf》0.5，在任何视场，镜头所有rms半径都小于microled的一个像素，全视场畸变小于1％，完全满足解析度要求。本技术实施例提供的近眼显示光学系统，其镜头全长(图像源10像面到光阑16出瞳位置的长度)小于等于10.6mm，所有透镜直径均小于6.2mm，结构紧凑，减小了光学引擎的尺寸。
[0057]
另一方面，本技术实施例还公开了一种视觉显示器，包括如上任意一项的近眼显示光学系统。该视觉显示器可以实现增强现实、虚拟现实、混合现实等显示，且其镜头的光圈数小，尺寸小、结构紧凑，呈现的图像高清，明亮、效果好。
[0058]
该视觉显示器包含与前述实施例中的近眼显示光学系统相同的结构和有益效果。近眼显示光学系统的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
[0059]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。