[發(fā)明專利]一種適用于近眼顯示器的小型投影光學組件和投影光學系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2020-05-08
• 公開（公告）號: CN111399321B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設計）人: 程德文;陳海龍;王其為;侯起超
• 申請（專利權）人: 北京耐德佳顯示技術有限公司
• 主分類號: G03B21/00
• 分類號: G03B21/00;G02B7/02;G02B7/18;G02B27/00;G02B27/01;G02B27/09;G02B27/28
• 代理公司: 北京格允知識產(chǎn)權代理有限公司 11609
• 代理人: 張沫

本發(fā)明提供了一種適用于近眼顯示的小型化投影光學組件，包括透鏡組，用來校正系統(tǒng)中的色差等像差；棱鏡，用于校正系統(tǒng)中的離軸像差和偏轉光軸角度；楔角棱鏡，用于輕微的控制光軸相對于出瞳平面的角度；經(jīng)過投影光學組件的圖像光在出瞳平面被耦合進入預定的波導片。該投影光學組件的體積小，垂軸尺寸不超過7mm，結構緊湊、光學性能優(yōu)良。

技術領域

本發(fā)明涉及一種光學領域的投影系統(tǒng)，具體的，涉及一種適用于近眼顯示器的小型投影光學組件和投影光學系統(tǒng)。

背景技術

增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)技術的概念已經(jīng)廣泛傳播，該技術可以在不遮擋人眼正常觀察真實世界的同時，為使用者提供額外的疊加信息，有效拓寬了人眼可見的信息容量，在教育、醫(yī)療、娛樂等領域均具有廣闊的應用前景。作為實現(xiàn)增強現(xiàn)實的一種重要設備，透射式頭戴近眼顯示器的研發(fā)已成為時下的熱點方向。目前，諸如EPSON，Google、Microsoft等公司已經(jīng)投入到相關技術的研發(fā)當中并推出有相關的產(chǎn)品如ESPON-BT系列，Google Glass、Hololens等問世。在手機時代引爆行業(yè)大發(fā)展的Apple Inc.也已經(jīng)發(fā)布了與AR相關的專利，進行了有益的市場布局。

在AR相關的技術中，基于物理光學的衍射原理，發(fā)展出以外觀平板狀的波導型元件為形態(tài)的一種可以實現(xiàn)增強透視顯示的技術，由于其顯示效果良好，平板狀態(tài)與矯正眼鏡類似，適合佩戴和造型等優(yōu)點，成為關注的焦點。上述被稱作波導近眼顯示系統(tǒng)主要由兩部分組成：波導型元件和投影部。由于光學原理的限制，平板狀的波導型元件無法提供任何光焦度，無法對圖像進行光學放大，因而投影部的性能很大程度上決定了波導近眼顯示系統(tǒng)的顯示圖像質(zhì)量好壞，目前，投影部需要較多的獨立光學元件，例如透鏡，以提高光學成像質(zhì)量，使體積重量難以控制，無法進一步提高波導近眼顯示系統(tǒng)的緊湊度。因此，如何設計出重量輕、體積小、性能優(yōu)良的投影部成為亟需解決的技術問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提出一種體積小、重量輕、結構緊湊的適用于波導型光學元件的投影光學組件和使用其的投影光學系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一種用于近眼顯示器的小型投影光學組件，包括：

透鏡組，用來接收來自微型顯示器的圖像光；

棱鏡，沿光路方向上被置于所述透鏡組之后，用于校正系統(tǒng)中的離軸像差，包括至少一有效光學表面為非球面或自由曲面；

楔角棱鏡，沿光路方向被置于所述棱鏡的出光側，用于控制圖像光相對于光學組件的出瞳平面的角度；

經(jīng)過投影光學組件的圖像光在出瞳平面被耦合至一預定的波導型光學片。

進一步的，透鏡組包含至少一膠合透鏡，所述膠合透鏡包含至少一片高折射率小阿貝數(shù)的負透鏡，以及至少一片低折射率大阿貝數(shù)的正透鏡。

優(yōu)選的，棱鏡使光軸發(fā)生折轉，光軸折轉的角度為45～75度。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，使棱鏡的有效光學表面構成為使圖像光在其中傳播時發(fā)生至少一次全反射。楔角棱鏡與棱鏡的兩個相鄰的表面具有相同的形狀。

優(yōu)選的，透鏡組和棱鏡的垂軸方向最大外徑均不超過7mm，所述楔角棱鏡小于所述棱鏡的體積。

可選擇的，楔角棱鏡的有效光學表面包括至少一非球面。

根據(jù)本發(fā)明實施例的光學組件構成的投影光學系統(tǒng)，圖像源可以選自：反射式液晶顯示器(LCoS)型微顯示器，MEMS(Micro Electromechanical System，微機電系統(tǒng))激光掃描鏡，有機發(fā)光半導體顯示器(OLED)型、微發(fā)光二極管顯示器(MicroLED)型，液晶顯示器(LCD)型微顯示器之一。相應的，投影光學組件的后截距小于15mm。