[发明专利]一种适用于近眼显示器的小型投影光学组件和投影光学系统

说明书

本发明提供了一种适用于近眼显示的小型化投影光学组件，包括透镜组，用来校正系统中的色差等像差；棱镜，用于校正系统中的离轴像差和偏转光轴角度；楔角棱镜，用于轻微的控制光轴相对于出瞳平面的角度；经过投影光学组件的图像光在出瞳平面被耦合进入预定的波导片。该投影光学组件的体积小，垂轴尺寸不超过7mm，结构紧凑、光学性能优良。

技术领域

本发明涉及一种光学领域的投影系统，具体的，涉及一种适用于近眼显示器的小型投影光学组件和投影光学系统。

背景技术

增强现实(augmented reality，AR)技术的概念已经广泛传播，该技术可以在不遮挡人眼正常观察真实世界的同时，为使用者提供额外的叠加信息，有效拓宽了人眼可见的信息容量，在教育、医疗、娱乐等领域均具有广阔的应用前景。作为实现增强现实的一种重要设备，透射式头戴近眼显示器的研发已成为时下的热点方向。目前，诸如EPSON，Google、Microsoft等公司已经投入到相关技术的研发当中并推出有相关的产品如ESPON-BT系列，Google Glass、Hololens等问世。在手机时代引爆行业大发展的Apple Inc.也已经发布了与AR相关的专利，进行了有益的市场布局。

在AR相关的技术中，基于物理光学的衍射原理，发展出以外观平板状的波导型元件为形态的一种可以实现增强透视显示的技术，由于其显示效果良好，平板状态与矫正眼镜类似，适合佩戴和造型等优点，成为关注的焦点。上述被称作波导近眼显示系统主要由两部分组成：波导型元件和投影部。由于光学原理的限制，平板状的波导型元件无法提供任何光焦度，无法对图像进行光学放大，因而投影部的性能很大程度上决定了波导近眼显示系统的显示图像质量好坏，目前，投影部需要较多的独立光学元件，例如透镜，以提高光学成像质量，使体积重量难以控制，无法进一步提高波导近眼显示系统的紧凑度。因此，如何设计出重量轻、体积小、性能优良的投影部成为亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种体积小、重量轻、结构紧凑的适用于波导型光学元件的投影光学组件和使用其的投影光学系统。

根据本发明的一种用于近眼显示器的小型投影光学组件，包括：

透镜组，用来接收来自微型显示器的图像光；

棱镜，沿光路方向上被置于所述透镜组之后，用于校正系统中的离轴像差，包括至少一有效光学表面为非球面或自由曲面；

楔角棱镜，沿光路方向被置于所述棱镜的出光侧，用于控制图像光相对于光学组件的出瞳平面的角度；

经过投影光学组件的图像光在出瞳平面被耦合至一预定的波导型光学片。

进一步的，透镜组包含至少一胶合透镜，所述胶合透镜包含至少一片高折射率小阿贝数的负透镜，以及至少一片低折射率大阿贝数的正透镜。

优选的，棱镜使光轴发生折转，光轴折转的角度为45～75度。

根据本发明的实施例，使棱镜的有效光学表面构成为使图像光在其中传播时发生至少一次全反射。楔角棱镜与棱镜的两个相邻的表面具有相同的形状。

优选的，透镜组和棱镜的垂轴方向最大外径均不超过7mm，所述楔角棱镜小于所述棱镜的体积。

可选择的，楔角棱镜的有效光学表面包括至少一非球面。

根据本发明实施例的光学组件构成的投影光学系统，图像源可以选自：反射式液晶显示器(LCoS)型微显示器，MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)激光扫描镜，有机发光半导体显示器(OLED)型、微发光二极管显示器(MicroLED)型，液晶显示器(LCD)型微显示器之一。相应的，投影光学组件的后截距小于15mm。