光学成像镜组、扫描显示装置及近眼显示设备

技术领域

本申请涉及扫描显示技术领域，具体涉及一种光学成像镜组、扫描显示装置及近眼显示设备。

背景技术

扫描显示成像作为一种新兴的显示技术，可用于投影显示、近眼显示等多种应用场景。

特别对于近眼显示的应用场景而言，随着近眼显示设备小型化、轻便化、成像清晰度的要求不断提升，使得近眼显示设备对光学成像镜组高分辨率、小型化的需求也越来越严苛。因此，提供能够应用于近眼显示场景中并具有高成像品质的小型化光学镜组，成为了目前业界亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种光学成像镜组、扫描显示装置及近眼显示设备，以满足近眼显示场景中高成像品质、小型化的要求。

本申请实施例提供一种光学成像镜组，所述光学成像镜组包括由第一侧至第二侧共光轴依次设置的第一透镜至第六透镜，其中，

所述第一透镜的第一侧表面为凸面，所述第一透镜的第二侧表面为凸面；第二透镜的第一侧表面于近光轴处为凹面，所述第二透镜的第二侧表面为凸面；所述第六透镜的第一侧表面为凸面，所述第六透镜的第二侧表面于近光轴处为凹面。

可选地，所述第一透镜的折射率满足：

1.5

其中，n1为所述第一透镜的折射率。

可选地，所述第二透镜的折射率满足：

1.5

其中，n2为所述第二透镜的折射率。

可选地，所述第六透镜的折射率满足：

1.8

其中，n6为所述第六透镜的折射率。

可选地，所述光学成像镜组的整体长度小于或等于15mm。

可选地，所述光学镜组的整体长度为所述第一透镜的第一侧表面至所述第六透镜的第二侧表面的最大长度。

可选地，所述光学成像镜组的第二侧对应曲面图像。

本申请实施例中还提供一种扫描显示装置，包括光纤扫描器和前述的光学成像镜组，所述光纤扫描器用于扫描并出射待显示图像的光，所述光学成像镜组用于将所述光纤扫描器出射的光对应的扫描面进行放大成像及投射；

其中，所述光纤扫描器包括致动器和固定于所述致动器上的光纤，所述光纤超过所述致动器的部分形成光纤悬臂，所述光纤悬臂在所述致动器的驱动下进行二维扫描。

本申请实施例中还提供一种近眼显示设备，用作头戴式增强现实设备，至少包括近眼显示模组及前述的扫描显示装置，所述扫描显示装置设置于所述近眼显示模组中。

本申请实施例中还提供一种近眼显示设备，用作头戴式虚拟现实设备，至少包括近眼显示模组及前述的扫描显示装置，所述扫描显示装置设置于所述近眼显示模组中

采用本申请实施例中的技术方案可以实现以下技术效果：

本申请实施例中，通过对光学成像镜组的六个同光轴透镜的面型、焦距进行合理的优化设置，能合理分散系统的光焦度，减缓镜片所产生的像差，并可使用较少的镜片，校正多种像差，实现对像方曲面的清晰成像。同时，该光学成像镜组的整体长度小于或等于15mm，光学成像镜组的焦距设计可大于或等于3mm，可在实现系统的小型化的同时满足较高分辨率的成像需求。特别地，作为目镜，能够较好地适用于小型化、轻便化、成像清晰度要求不断提升的近眼显示设备中。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请的技术方案而了解。本申请的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a、1b是说明性的扫描显示系统的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的光纤扫描器扫描输出的示意图；

图3是本申请实施例一提供的一种光学成像镜组的结构示意图；

图4是本申请实施例一中光学成像镜组的MTF曲线图；

图5是本申请实施例一中光学成像镜组的场曲畸变曲线图；

图6是本申请实施例二提供的另一种光学成像镜组的结构示意图；

图7是本申请实施例二中光学成像镜组的MTF曲线图；

图8是本申请实施例二中光学成像镜组的场曲畸变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

对于目前的扫描显示成像来说，可由数字微镜设备(Digital MicromirrorDevice，DMD)或光纤扫描显示(Fiber Scanning Display，FSD)设备实现。其中的FSD方案作为一种新型扫描显示成像方式，通过光纤扫描器实现图像的扫描输出。为了使本领域技术人员能够清楚地理解本申请方案，下面对光纤扫描成像的简要原理及相应系统进行阐述。

如图1a所示，为本申请中的一种说明性的扫描显示系统，其中主要包括：

处理器100、激光器组110、光纤扫描模组120、传输光纤130、光源调制电路140、扫描驱动电路150及合束单元160。其中，

处理器100可以为图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或者其它具有控制功能、图像处理功能的芯片或电路，这里并不进行具体限定。

系统工作时，处理器100可根据待显示的图像数据控制光源调制电路140对激光器组110进行调制，激光器组110中包含多个单色激光器，分别发出不同颜色的光束。从图1中可见，激光器组中具体可采用红(Red，R)、绿(Green，G)、蓝(Blue，B)三色激光器。激光器组110中各激光器发出的光束经由合束单元160合束为一束激光并耦入至传输光纤130中。

处理器100还可控制扫描驱动电路150驱动光纤扫描模组120中的光纤扫描器进行扫动，从而将传输光纤130中传输的光束扫描输出。

由光纤扫描器扫描输出的光束作用于介质表面上某一像素点位置，并在该像素点位置上形成光斑，便实现了对该像素点位置的扫描。在光纤扫描器带动下，传输光纤130输出端按照一定扫描轨迹扫动，从而使得光束移动至对应的像素点位置。实际扫描过程中，传输光纤130输出的光束将在每个像素点位置形成具有相应图像信息(如：颜色、灰度或亮度)的光斑。在一帧的时间里，光束以足够高的速度遍历每一像素点位置完成一帧图像的扫描，由于人眼观察事物存在“视觉残留”的特点，故人眼便无法察觉光束在每一像素点位置上的移动，而是看见一帧完整的图像。

继续参考图1b，为光纤扫描模组120的具体结构，其中包括：扫描致动器121、光纤悬臂122、镜组123、扫描器封装壳124以及固定件125。扫描致动器121通过固定件125固定于扫描器封装壳124中，传输光纤130在扫描致动器121的前端延伸形成光纤悬臂122(也可称为扫描光纤)，工作时，扫描致动器121在扫描驱动信号的驱动下，其慢轴121a(也称第一致动部)沿竖直方向(该竖直方向平行于图1a、1b中参考坐标系内的Y轴，在本申请中，该竖直方向也可称为第一方向)振动，其快轴121b(也称第二致动部)沿水平方向(该水平方向平行于图1a、1b中参考坐标系内的X轴，在本申请中，该水平方向也可称为第二方向)振动，受扫描致动器121带动，光纤悬臂122的前端按预设轨迹进行二维扫动并出射光束，出射的光束便可透过镜组123实现扫描成像。一般性地，可将扫描致动器121及光纤悬臂122所构成的结构称为：光纤扫描器。

如图2所示，本申请实施例中，通过快慢轴的运动，光纤出光端的运动轨迹形成扫描曲面230，经相应的镜组123后，转换为成像平面240。当应用于诸如增强现实(AugmentedReality，AR)设备这样的近眼显示设备中时，成像平面240将作为波导的入瞳耦入至波导中，进行成像以便人眼观看。

为了便于表述并使得本领域技术人员容易理解本申请的方案，需要说明的是，本申请中的光学成像镜组(如图2中所示的镜组123)作为目镜，经过该光学成像镜组的作用，可将扫描曲面230转换为成像平面240(实际应用时，光线的传输方向为：由扫描曲面230至成像平面240的方向)，从而在此将光学成像镜组对应成像平面240的一侧，称为第一侧，而将光学成像镜组对应扫描曲面230的一侧，称为第二侧。在后续内容中，便采用“第一侧”、“第二侧”为参照，对光学成像镜组的实施例方案进行描述。并且，后续实施例中的描述，诸如对光学成像镜组中的某一透镜而言，“第X透镜的第一侧表面”则是指第X透镜朝向第一侧的表面。

本申请实施例中的光学成像镜组包括：由第一侧至第二侧共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜，共六片透镜。

在一种可能的实施方式中，第一透镜和第二透镜之间，第二透镜与第三透镜之间，以及，第五透镜与第六透镜之间均存在间隔，不粘合。即，第一透镜、第二透镜、第六透镜可为三片单一非粘合透镜。第三透镜、第四透镜和第五透镜中可以采用粘合方式，也可不采用粘合方式，具体将根据实际应用的需要而定，这里并不进行限制。

第一透镜为双凸透镜，即，第一透镜的第一侧表面、第二侧表面均为凸面。折射率满足1.5

第二透镜的第一侧表面于近光轴处为凹面，第二侧表面为凸面。折射率满足1.5

第六透镜的第一侧表面为凸面，第二侧表面于近光轴处为凹面。折射率满足1.8

对于本申请实施例中的光学成像镜组而言，在第一透镜、第二透镜及第六透镜的面型结构和设置位置确定的情况下，第三透镜、第四透镜、第五透镜可依据第一透镜、第二透镜及第六透镜而设置(第三透镜、第四透镜、第五透镜的面型、焦距、折射率等参数将在后续实施例中举例说明)，从而形成有差异的若干种光学成像镜组。

在本申请实施例中，光学成像镜组的整体长度L≤15mm。这里需要说明的是，光学成像镜组的整体长度为第一透镜的第一侧表面至第六透镜的第二侧表面的最大长度。在某些实施方式中，透镜的面型并不是整个侧面均为凹面或凸面，透镜的面型可能为复合型曲面，或近光轴部分为曲面而边缘部分非曲面(可参考图3中的第六透镜16)，因此，计算成像镜组的整体长度，需要计算第一透镜的第一侧表面至第六透镜的第二侧表面的最大长度。

本申请实施例中所说的第一侧表面为凸面，是指第一侧表面朝向光学成像镜组的第一侧方向形成凸起的形状；第一侧表面为凹面，是指第一侧表面朝向光学成像镜组的第一侧方向形成凹陷的形状；第二侧表面为凸面，是指第二侧表面朝向光学成像镜组的第二侧方向形成凸起的形状；第二侧表面为凹面，是指第二侧表面朝向光学成像镜组的第二侧方向形成凹陷的形状。

本申请实施例中，通过对光学成像镜组中共六个透镜中各透镜的焦距的设置，能合理分散系统的光焦度，校正多种像差，并可使用较少的镜片数量，在保证小尺寸的前提下实现对像方曲面的清晰成像。

图3为本发明实施例提供的一种光学成像镜组的结构示意图。该光学成像镜组包括由第一侧(也即，图3中的成像平面01所在一侧)至第二侧(也即，图3中的扫描曲面02所在一侧)共光轴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、第五透镜15、第六透镜16。

在本实施例中，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16中每两个相邻透镜间均具有间隔，第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16为六片单一非粘合透镜。

第一透镜11至第六透镜16由第一侧至第二侧的焦距依次为正、正、负、正、正、负。

第一透镜11为双凸透镜，即，其第一侧表面、第二侧表面均为凸面。

第二透镜12为正弯月透镜，第二透镜12的第一侧表面于近光轴处为凹面，第二侧表面为凸面。

第三透镜13的第一侧表面为平面，第二侧表面为凹面。

第四透镜14的第一侧表面为平面，第二侧表面为凸面。

第五透镜15为双凸透镜。

第六透镜16为负弯月透镜，第六透镜16的第一侧表面为凸面，第二侧表面于近光轴处为凹面。

在本实施例中，光学成像镜组中第一透镜11至第六透镜16的焦距满足以下关系式：

1.5

7

0.5<|f3/f|<1.5，

1

1

1<|f6/f|<1.5，

其中，f为光学成像镜组的等效焦距，f1为第一透镜11的焦距，f2为第二透镜12的焦距，f3为第三透镜13的焦距，f4为第四透镜14的焦距，f5为第五透镜15的焦距，f6为第六透镜16的焦距。

光学成像镜组中第一透镜11至第六透镜16的折射率满足以下条件：

1.5

1.5

1.85

1.7

1.65

1.8

其中，n1～n6分别代表第一透镜11至第六透镜16的折射率。

本发明实施例提供的光学成像镜组中，透镜的材质可以是玻璃、塑料或其它材料。优选的，透镜采用玻璃，可增加屈折力配置的自由度。本实施例中主要以光学成像镜组中的透镜采用玻璃为例进行介绍，光学成像镜组中不同透镜可以采用具有不同折射率的玻璃。

本实施例中，光学成像镜组整体的等效焦距为3mm，其在对扫描曲面(以球面为例)进行成像的各透镜的曲率半径、厚度参数及折射率的优选参数如表1所示：

表1

表1中，以光学成像镜组的光学总长度，即成像平面01到第六透镜16的第二侧表面之间的距离是12.852mm、各透镜均采用玻璃材质且均为球透镜为例。球透镜的设计有利于透镜的加工；在实际应用中，也可以采用非球透镜，其相关参数或比例仍满足前述内容。成像平面01中曲率半径为“无限”的光学面即指呈平面。

其中，L1为成像平面01到第一透镜11的第一侧表面的距离，L2为第一透镜11的厚度，L3为第一透镜11的第二侧表面到第二透镜12的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L4为第二透镜12的厚度，L5为第二透镜12的第二侧表面到第三透镜13的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L6为第三透镜13的厚度，L7为第三透镜13的第二侧表面到第四透镜14的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L8为第四透镜14的厚度，L9为第四透镜14的第二侧表面到第五透镜15的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L10为第五透镜15的厚度，L11为第五透镜15的第二侧表面到第六透镜16的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L12为第六透镜16的厚度；L13为第六透镜16的第二侧表面到扫描曲面02于光轴上的间隔距离。

经测试，在采用上述光学成像镜组投射扫描面对应的图像光时，其光学传递函数曲线图如图4所示，且场曲畸变曲线图如图5所示；其中，光学传递函数曲线图(ModulationTransfer Function，MTF)代表一个光学系统的综合解像水平，场曲畸变曲线图表示不同视场角情况下F-Tan(theta)畸变大小值(百分比)。

由图4所示的光学成像镜组的MTF曲线可看出：中心在200lp/mm处MTF大于0.5，边缘200lp/mm处的MTF均大于0.3，全视场范围内成像分辨率良好。由图5所示的场曲畸变曲线可看出：光学成像镜组的光学系统畸变值小于2％，畸变在全视场范围内良好，故光学成像镜组能够对光纤扫描器的扫描曲面图像进行清晰成像，均具有较好的成像效果。

当然，在实际应用中，光学成像镜组还可包括感光元件、壳体等，感光元件可以设置于光学成像镜组的第二侧，光学成像镜组可安装在壳体内，即可将图像源(如光纤扫描器)扫描形成的曲面图像成像于一平面，实现清晰成像。

实施例二

图6为本发明实施例提供的另一种光学成像镜组的结构示意图。该光学成像镜组包括由第一侧(也即，图6中的成像平面03所在一侧)至第二侧(也即，图6中的扫描曲面04所在一侧)共光轴依次设置的第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33、第四透镜34、第五透镜35、第六透镜36。

在本实施例中，第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33、第六透镜36中每两个相邻透镜间均具有间隔，第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33、第四透镜34、第五透镜35、第六透镜36均为非粘合透镜。

第一透镜31至第六透镜36由第一侧至第二侧的焦距依次为正、负、正、负、正、正。

第一透镜31为双凸透镜，即，其第一侧表面、第二侧表面均为凸面。

第二透镜32为负弯月透镜，第二透镜32的第一侧表面于近光轴处为凹面，第二侧表面为凸面。

第三透镜33的第一侧表面为平面或凸面，第二侧表面为凸面。

第四透镜34的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。

第五透镜35为双凸透镜。

第六透镜36为正弯月透镜，第六透镜36的第一侧表面为凸面，第二侧表面于近光轴处为凹面。

在本实施例中，光学成像镜组中第一透镜31至第六透镜36的焦距满足以下关系式：

1.5

8<|f2/f|<20，

2

0.8<|f4/f|<1.5，

1

7

其中，f为光学成像镜组的等效焦距，f1为第一透镜31的焦距，f2为第二透镜32的焦距，f3为第三透镜33的焦距，f4为第四透镜34的焦距，f5为第五透镜35的焦距，f6为第六透镜36的焦距。

光学成像镜组中第一透镜31至第六透镜36的折射率满足以下条件：

1.5

1.5

1.6

1.9

1.75

1.8

其中，n1～n6分别代表第一透镜31至第六透镜36的折射率。

本发明实施例提供的光学成像镜组中，透镜的材质可以是玻璃、塑料或其它材料。优选的，透镜采用玻璃，可增加屈折力配置的自由度。本实施例中主要以光学成像镜组中的透镜采用玻璃为例进行介绍，光学成像镜组中不同透镜可以采用具有不同折射率的玻璃。

本实施例中，光学成像镜组整体的等效焦距为3.13mm，其在对扫描曲面(以球面为例)进行成像的各透镜的曲率半径、厚度参数及折射率的优选参数如表2所示：

表2

表2中，以光学成像镜组的光学总长度，即成像平面03到第六透镜36的第二侧表面之间的距离是12.319mm、各透镜均采用玻璃材质且均为球透镜为例。球透镜的设计有利于透镜的加工；在实际应用中，也可以采用非球透镜，其相关参数或比例仍满足前述内容。成像平面03中曲率半径为“无限”的光学面即指呈平面。

其中，L1为成像平面03到第一透镜31的第一侧表面的距离，L2为第一透镜31的厚度，L3为第一透镜31的第二侧表面到第二透镜32的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L4为第二透镜32的厚度，L5为第二透镜32的第二侧表面到第三透镜33的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L6为第三透镜33的厚度，L7为第三透镜33的第二侧表面到第四透镜34的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L8为第四透镜34的厚度，L9为第四透镜34的第二侧表面到第五透镜35的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L10为第五透镜35的厚度，L11为第五透镜35的第二侧表面到第六透镜36的第一侧表面于光轴上的间隔距离；L12为第六透镜36的厚度；L13为第六透镜36的第二侧表面到扫描曲面04于光轴上的间隔距离。

经测试，在采用上述光学成像镜组投射扫描面对应的图像光时，其光学传递函数曲线图如图7所示，且场曲畸变曲线图如图8所示。

由图7所示的光学成像镜组的MTF曲线可看出：中心在200lp/mm处MTF大于0.6，边缘200lp/mm处的MTF均大于0.3，全视场范围内成像分辨率良好。由图8所示的场曲畸变曲线可看出：光学成像镜组的光学系统畸变值小于2％，畸变在全视场范围内良好，故光学成像镜组能够对光纤扫描器的扫描曲面图像进行清晰成像，均具有较好的成像效果。

前述的光学成像镜组，可以配合光纤扫描器(或者相应的光纤扫描模组)，构成本申请实施例中的扫描显示装置(如图1a、1b所示，光学成像镜组设置于光纤扫描器的出光光路上，)，其中，光学成像镜组的第一侧朝向光纤扫描器扫描出光方向，优选方式为光学成像镜组与光纤扫描器中心光轴共轴。当然，有关光纤扫描器的结构和大致原理可以参考前述图1a、1b对应的内容，这里便不再过多赘述。

本申请中，扫描显示装置可进一步应用于近眼显示设备中，可配合近眼显示模组构成本申请实施例中的近眼显示设备，用作头戴式AR设备(如：AR眼镜)。该扫描显示装置设置于近眼显示模组中。

其中，近眼显示模组中可包括：光源、处理控制电路、佩戴式框架结构、波导等。光源输出的图像光束进入扫描显示装置中，由其中的光纤扫描器扫描输出至光学显示镜组，光纤扫描器的扫描曲面(可参考图3中的扫描曲面02、图6中的扫描曲面04)经光学显示镜组后，转换为成像平面(可参考图3中的成像平面01、图6中的成像平面03)，该成像平面作为波导的入瞳面耦入至波导中，再经波导扩展成像耦出，进入人眼。

作为另一种可能的实施方式，扫描显示装置可进一步可配合近眼显示模组构成本申请实施例中的近眼显示设备，用作头戴式VR设备(如：VR头盔/眼镜)。该扫描显示装置设置于近眼显示模组中。

以上所述的只是本申请的较佳具体实施例，各实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对本申请的限制，凡本领域技术人员依本申请的构思通过逻辑分析、推理或者有效的实验可以得到的技术方案，皆应该本申请的范围之内。

本申请实施例中，通过对光学成像镜组的六个同光轴透镜的面型、焦距进行合理的优化设置，能合理分散系统的光焦度，减缓镜片所产生的像差，并可使用较少的镜片，校正多种像差，实现对像方曲面的清晰成像。同时，该光学成像镜组的整体长度小于或等于15mm，光学成像镜组的焦距设计可大于或等于3mm，可在实现系统的小型化的同时满足较高分辨率的成像需求，适用于小型化、轻便化、成像清晰度要求不断提升的近眼显示设备中。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。例如，第一透镜和第二透镜表示不同的透镜，虽然两者均是透镜。