光学成像镜组、扫描显示装置及近眼显示设备的制作方法

1.本技术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：

2.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。
3.然而，现有的扫描显示成像系统中，存在着加工难度高、量产成本高、成像质量不佳、视场角度小以及不能兼具小型化等缺点，致使扫描显示成像技术在市场推广应用过程中受到一定的限制，尤其是在将扫描显示成像应用于近眼显示的场景中时，受限于成像效果和视场角的影响，使其一直不能满足近眼显示中高分辨率的性能要求，故而阻碍着近眼显示向消费级市场的发展。


技术实现要素：

4.本技术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大视场角、高成像品质和小型化的要求。
5.本技术实施例提供一种光学成像镜组，所述光学成像镜组至少包括由第一侧至第二侧依次共光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜至所述第五透镜对应的焦距分别为正、正、正、负及正。
6.可选地，各种所述透镜满足以下关系式：1.97≤f1/f≤16.42，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f为所述光学成像镜组的焦距。
7.可选地，各种所述透镜满足以下关系式：3.6≤f2/f≤16.13、0.5≤f3/f≤7.99、-0.58≤f4/f≤-0.31及0.49≤f5/f≤0.51；其中，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距，f4为所述第四透镜的焦距，f5为所述第五透镜的焦距，f为所述光学成像镜组的焦距。
8.可选地，各种所述透镜还满足以下关系式：1.5≤n1≤1.59，1.53≤n2≤1.76，1.49≤n3≤1.51，1.65≤n4≤1.76，1.49≤n5≤1.67；其中，n1为所述第一透镜的折射率，n2为所述第二透镜的折射率，n3为所述第三透镜的折射率，n4为所述第四透镜的折射率，n5为所述第五透镜的折射率；
9.各种所述透镜的色散系数满足：39.3≤v1≤68.8，27.6≤v2≤52.2，60.5≤v3≤70.4，27.6≤v4≤33.8，52≤v5≤70.4；其中，v1为所述第一透镜的阿贝数，v2为所述第二透镜的阿贝数，v3为所述第三透镜的阿贝数，v4为所述第四透镜的阿贝数，v5为所述第五透镜的阿贝数。
10.可选地，所述第五透镜的第二侧表面为凹面。
11.可选地，所述第五透镜的第一侧表面为凸面；所述第四透镜的第一侧表面为凹面，所述第四透镜的第二侧表面为凹面或凸面。
12.可选地，所述第一透镜的第一侧表面为凹面，所述第一透镜的第二侧表面为凸面；或者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凹面。
13.可选地，所述第二透镜的第一侧表面为凹面或凸面，所述第二透镜的第二侧表面为凹面或凸面；所述第三透镜的第一侧表面为凸面，所述第三透镜的第二侧表面为凹面或凸面；
14.所述第一透镜至所述第五透镜的第一侧表面和第二侧表面均为非球面面形结构；
15.所述光学成像镜组的所述第二侧对应曲面图像，所述光学成像镜组的所述第一侧对应平面图像。
16.本技术实施例中还提供一种扫描显示装置，其包括光纤扫描器及前述所述的光学成像镜组，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；
17.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。
18.本技术实施例中还提供一种近眼显示设备，所述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以及根据上述的扫描显示装置，所述扫描显示装置设置于所述近眼显示模组中。
19.本技术实施例中还提供一种近眼显示设备，所述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以及根据上述的扫描显示装置，所述扫描显示装置设置于所述近眼显示模组中。
20.采用本技术实施例中的技术方案可以实现以下技术效果：
21.本技术实施例中，通过对光学成像镜组的五个同光轴透镜的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，达到对多种像差校正的目的，从而在提升视场角的基础上实现对像方曲面的清晰成像；与此同时，通过合理数量的透镜组合配置让光学成像镜组整体结构更加紧凑，满足了镜头产品小型化的生产需求。
22.进一步地，通过对五个同光轴透镜的折射率、色散系数以及面型结构进行限定优化，进一步提高了视场角和成像品质。
23.本技术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，或者通过实施本技术的技术方案而了解。本技术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
24.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，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
25.图1a、1b是说明性的扫描显示系统的结构示意图；
26.图2a是本技术实施例提供的光纤扫描器扫描输出的示意图；
27.图2b是本技术实施例提供的光学成像镜组与入瞳位置和出瞳位置以及对应出瞳距离之间的位置关系示意图；
28.图3是本技术实施例一提供的一种光学成像镜组的结构示意图；
29.图4是本技术实施例一中光学成像镜组的mtf曲线图；
30.图5是本技术实施例一中光学成像镜组的场曲畸变曲线图；
31.图6是本技术实施例一中光学成像镜组的垂轴色差图。
32.图7是本技术实施例二提供的一种光学成像镜组的结构示意图；
33.图8是本技术实施例二中光学成像镜组的mtf曲线图；
34.图9是本技术实施例二中光学成像镜组的场曲畸变曲线图；
35.图10是本技术实施例二中光学成像镜组的垂轴色差图；
36.图11是本技术实施例三提供的一种光学成像镜组的结构示意图；
37.图12是本技术实施例三中光学成像镜组的mtf曲线图；
38.图13是本技术实施例三中光学成像镜组的场曲畸变曲线图；
39.图14是本技术实施例三中光学成像镜组的垂轴色差图；
40.图15是本技术实施例四提供的一种光学成像镜组的结构示意图；
41.图16是本技术实施例四中光学成像镜组的mtf曲线图；
42.图17是本技术实施例四中光学成像镜组的场曲畸变曲线图；
43.图18是本技术实施例四中光学成像镜组的垂轴色差图。
44.图标：100-处理器；110-激光器组；120-光纤扫描模组；130-传输光纤；140-光源调制电路；150-扫描驱动电路；160-合束单元；121-扫描致动器；121a-慢轴；121b-快轴；122-光纤悬臂；123-镜组；124-扫描器封装壳；125-固定件；230-扫描曲面；240-成像平面；11-第一透镜；12-第二透镜；13-第三透镜；14-第四透镜；15-第五透镜；01-光阑；02-扫描曲面；31-第一透镜；32-第二透镜；33-第三透镜；34-第四透镜；35-第五透镜；03-光阑；04-扫描曲面；51-第一透镜；52-第二透镜；53-第三透镜；54-第四透镜；55-第五透镜；05-光阑；06-扫描曲面；71-第一透镜；72-第二透镜；73-第三透镜；74-第四透镜；75-第五透镜；76-第六透镜；07-光阑；08-扫描曲面。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施例对本技术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实用新型，而非对该实用新型的限定。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实用新型相关的部分。
46.说明性扫描显示系统
47.对于目前的扫描显示成像来说，可由数字微镜设备(digital micromirror device，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技术方案，下面对光纤扫描成像的简要原理及相应系统进行阐述。
48.如图1a所示，为本技术中的一种说明性的扫描显示系统，其中主要包括：
49.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，
50.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。
51.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。
52.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。
53.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。
54.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，在本技术中，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，在本技术中，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。
55.如图2a所示，本技术实施例中，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(augmented reality，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。
56.为了便于表述并使得本领域技术人员容易理解本技术的方案，需要说明的是，本技术中的光学成像镜组(如图2a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”和“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。
57.进一步需要说明的是，在投影领域，第一侧对应的图像为平面图像，对应的平面图像载体可以为如投影屏幕、幕布或墙面等，第二侧对应的图像为曲面图像，即为光纤扫描器扫描出的或其它图像源发射出的呈弧形的扫描面；在摄像领域使用场景下，光路与在投影领域时相反，第一侧对应的一般为采集图像信息的物侧面，第二侧对应的一般为采集成像得到的像侧面。
58.光学成像镜组
59.本技术实施例中的光学成像镜组至少包括：由第一侧至第二侧依次共光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜，共五片透镜。需要说明的是，本技术实施例中的第一透镜至第五透镜对应的焦距分别为正、正、正、负及正。需要说明的是，通过同时对五个同光轴透镜的焦距进行正负性的合理优化设置，能合理分散系统的光焦度，减缓镜片所产生的像差，达到对多种像差校正的目的，从而在提升视场角的基础上实现对像方曲面的清晰成像。另外，需要强调的是，第五透镜的焦距设置为正，可以加强曲面图像的汇聚能力以平衡像差。
60.进一步具体优选地，各种透镜满足以下关系式：1.97≤f1/f≤16.42、3.6≤f2/f≤16.13、0.5≤f3/f≤7.99、-0.58≤f4/f≤-0.31及0.49≤f5/f≤0.51；其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距，f为光学成像镜组的焦距(也可以理解为光学成像镜组的等效焦距)。需要说明的是，通过对每个透镜焦距大小进行更具体的限定，使得系统的光焦度得到更加合理的分散和配置，进而进一步加强对多种像差的校正，提升视场角和成像品质。另外，若本实施例中未界定透镜焦距所在的区域位置时，则表示该透镜的焦距可为透镜于近光轴处的焦距。需要强调的是，申请人在进行本实用新型之前，现有的用于投影显示的光学成像镜组无法做到成像品质和大视场角的平衡，即通常会在提升视场角时降低成像品质，要想保证成像品质又无法做到较大的视场角。而本技术的方案通过对五个透镜焦距和面型结构的组合控制，实现了在提升视场角和兼具小型化的同时，达到成像的高品质输出。
61.进一步地，在一种可能的实施方式中，五个透镜之间的连接方式可以采用间隔连接，也可以采用粘合方式粘合在一起，具体将根据实际应用的需要而定，这里并不进行限制。
62.进一步地，在一种可能的实施方式中，上述各种透镜还满足以下关系式：
63.1.5≤n1≤1.59，1.53≤n2≤1.76，1.49≤n3≤1.51，1.65≤n4≤1.76，1.49≤n5≤1.67；其中，n1为第一透镜的折射率，n2为第二透镜的折射率，n3为第三透镜的折射率，n4为第四透镜的折射率，n5为第五透镜的折射率。优选地，n1为1.5或1.59，n2为1.53或1.76，n3为1.49或1.51，n4为1.65或1.76，n5为1.49或1.67。需要说明的是，通过对五个透镜的折射率进行优化设计的限定，能够达到合理控制对应透镜的色散系数，以保证成像质量和大的视场角。
64.进一步可选地，为了更好地保证成像质量，本实用新型实施例还具体优选限制了五个透镜的色散系数，各种透镜的色散系数满足：39.3≤v1≤68.8，27.6≤v2≤52.2，60.5≤v3≤70.4，27.6≤v4≤33.8，52≤v5≤70.4；其中，v1为第一透镜的阿贝数，v2为第二透镜的阿贝数，v3为第三透镜的阿贝数，v4为第四透镜的阿贝数，v5为第五透镜的阿贝数。具体优选地限定为：第一透镜的阿贝数为39.3或68.8，第二透镜的阿贝数为27.6或52.2，第三透镜的阿贝数为60.5或70.4，第四透镜的阿贝数为27.6或33.8，第五透镜的阿贝数为52或70.4。需要说明的是，在本实用新型其它实施例当中，并不仅限于本实用新型实施例限定的五个透镜的阿贝数，还可以是其它能够保证五个透镜具有良好匹配关系的色散系数，从而确保最终的成像品质。
65.进一步可选地，在一种可能的实施方式中，所述第一透镜的第一侧表面为凹面或
凸面，所述第一透镜的第二侧表面为凹面或凸面；所述第二透镜的第一侧表面为凹面或凸面，所述第二透镜的第二侧表面为凹面或凸面；所述第三透镜的第一侧表面为凸面，所述第三透镜的第二侧表面为凹面或凸面；所述第四透镜的第一侧表面为凹面，所述第四透镜的第二侧表面为凹面或凸面；所述第五透镜的第一侧表面为凸面，第五透镜的第二侧表面为凹面。需要说明的是，通过对上述透镜对应侧表面面型结构的限定，可进一步有效校正镜片之间产生的像差，降低光学敏感度，提高最终成像品质和视场角。另外还需要说明的是，本文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。需要强调的是，在本实用新型其它实施例当中，并不限于如本实施例对所有透镜的面型结构进行同时限定，也可以只对其中至少一个透镜的面型结构进行限定，如只限定第五透镜第一侧表面和第二侧表面的面型结构，对其它透镜的面型结构不作限定。
66.进一步地，在某些实施方式中，透镜的面型并不是整个侧表面均为凹面或凸面，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；尤其是可选地，当透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该凸面可位于透镜表面近光轴处；同理，当透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该凹面可位于透镜表面近光轴处。
67.进一步可选地，在一种可能的实施方式中，第一透镜至第五透镜的第一侧表面和第二侧表面均为非球面面形结构。需要说明的是，通过将第一透镜至第五透镜的镜面结构限定设计为非球面面形结构，借此可获得较多的控制变量，用以消减像差、合理缩减透镜数目，故在提升图像显示质量的基础上，还有助于光学成像镜组的小型化或微型化。另外，上述透镜第一侧表面和第二侧表面均为非球面面形结构，可以理解为该透镜表面光学有效区整个或者其中一部分为非球面。
68.进一步可选地，在一种可能的实施方式中，第一透镜至第五透镜均由塑料或玻璃制成。需要说明的是，由塑料制成的第一透镜至第五透镜，可以有效降低生产成本，相较于玻璃材质，塑料材质的透镜成本是玻璃材质成本的二十分之一到十分之一，故而非常有利于低成本批量化生产；另外，塑料材质的透镜通常可采用注塑成型，其加工难度低且能够很容易的加工成满足非球面的各种型面结构，同时塑料材质还能整体减轻镜头的重量，有利于其轻质化的产品设计。而在使用玻璃材质时，玻璃材质的折射率更高更广，在矫正镜头像差方面有优势；玻璃材质的膨胀系数小很多，有利于精密装配，另外由于玻璃其自身耐高温、耐紫外和耐酸碱等特性，使得镜组的使用寿命和性能稳定性具备较强优势。当然需要强调的是，在本实用新型其它实施例中并不仅限于本实用新型实施例提供的塑料和玻璃两种材质，其还可以是其它能够制作透镜的材质。
69.另外，还需要说明的是，本实用新型实施例公开的光学成像镜组，可选地，可以设置至少一个光阑，其可位于第一透镜之前(第一侧)、各透镜之间或最后第五透镜之后(第二侧)，该光阑的种类可以为如孔径光阑或视场光阑等，可用于减少杂散光，有助于提升图像显示质量。
70.进一步地，在某些实施方式中，本技术实施例中的光学成像镜组还满足以下光学特性：
71.光学成像镜组中的多个透镜由入瞳位置至出瞳位置依次共光轴设置，光学成像镜组的出瞳位置对应曲面图像，也即对应光学成像镜组的第二侧；光学成像镜组的入瞳位置对应平面图像，也即对应光学成像镜组的第一侧。需要说明的是，请结合参照图1a至图2b(图2b中以光学成像镜组中包含6个透镜为例)，多个透镜中与出瞳位置靠近且相对的透镜表面(即就是最靠近曲面图像的透镜表面)为凹面，光轴和凹面交叉形成有交点，交点与出瞳位置的距离为出瞳距离，出瞳距离为1.5-6.0mm，优选地，出瞳距离为2-3.5mm。需要说明的是，通过对光学成像镜组的多个同光轴透镜中靠近曲面图像的透镜面型结构和对应的出瞳距离进行限定，使其能够与对应的曲面扫描图像相匹配，从而实现从曲面图像到平面图像的清晰成像。
72.另外，需要进一步解释说明的是，请继续参照图2b：
73.入瞳：入瞳是限制入射光束的有效孔径，是孔径光阑对前方光学系统所成的像，是孔径光阑在物空间的共轭相，入瞳和出瞳相对应；
74.入瞳位置：入瞳位置是孔径光阑对前方光学系统所成像的位置点，入瞳位置的计算是将孔径光阑的中心看做一个物点，向前方光学系统进行光线追迹，得到与光轴上点的交点坐标，通常以距离第一个透镜的面的距离作为入瞳距离。
75.出瞳：光学系统的口径光阑在光学系统像空间所成的像为镜头的出瞳；
76.出瞳位置：出瞳位置是孔径光阑对后方光学系统所成像的位置点，出瞳位置的计算是将孔径光阑的中心看做一个物点，向后方光学系统进行光线追迹，得到与光轴上点的交点坐标，通常以距离最后一个透镜面的距离作为出瞳距离。
77.出瞳位置的测量：在入瞳位置中心设置1点光源，通过所设计镜头成像，点光源的最佳成像位置为出瞳位置。
78.进一步具体地，如图2b所示，从左至右，也即从第一侧至第二侧，依次为入瞳(入瞳位置)，光学成像镜组，出瞳(出瞳位置)。
79.实施例一
80.图3为本实用新型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中的光阑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。
81.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为五片单一非粘合透镜。
82.第一透镜11至第五透镜15由第一侧至第二侧的焦距依次为正、正、正、负、正。
83.第一透镜11的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
84.第二透镜12的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
85.第三透镜13的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凸面。
86.第四透镜14的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
87.第五透镜15的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
88.在本实施例中，光学成像镜组中第一透镜11至第五透镜15的焦距满足以下关系式：
89.f1/f为16.42、f2/f为3.60、f3/f为0.50、f4/f为-0.31及f5/f为0.51；其中，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，f为光学成像镜组的等效焦距。
90.光学成像镜组中第一透镜11至第五透镜15的折射率和色散系数分别满足以下条件：
91.n1为1.59，n2为1.76，n3为1.49，n4为1.76，n5为1.67。其中，n1～n5分别代表第一透镜11至第五透镜15的折射率；第一透镜的阿贝数为39.3，第二透镜的阿贝数为27.6，第三透镜的阿贝数为70.4，第四透镜的阿贝数为27.6，第五透镜的阿贝数为52。
92.本实用新型实施例一提供的光学成像镜组中；光学成像镜组整体的等效焦距为2.60mm，光圈值为1.30，半视场角为10度，扫描半径2mm，入瞳直径2mm。其在对扫描曲面02进行成像的各透镜的曲率半径、厚度参数、折射率及色散系数的优选参数如表1所示：
93.表1实施例一中光学成像镜组的结构参数
[0094][0095][0096]
需要说明的是，表1为实施例一的光学成像镜组详细的结构数据，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位均为毫米，且表面0-12依序表示由第一侧至第二侧的表面；成像平面中曲率半径为“无限”的光学面即指呈平面。
[0097]
进一步地，第一透镜11至第五透镜15对应的表面的非球面圆锥系数如下表2所示：
[0098]
表2实施例一中不同透镜表面的非球面圆锥系数数据
[0099]
表面ka4a6a82-4.27e 006.33e-02-1.32e-021.21e-023-8.64e 009.77e-02-9.07e-026.71e-024-3.93e 01-8.74e-02-2.46e-02-6.95e-0353.10e 02-1.11e-011.13e-01-3.78e-026-1.15e 01-1.15e-011.31e-01-4.37e-027-6.30e 00-8.49e-022.49e-02-7.66e-038-4.75e 001.09e-01-5.01e-021.17e-0297.95e 013.80e-02-2.28e-021.51e-0210-7.74e-01-1.56e-011.08e-01-3.37e-02
117.09e-01-2.34e-017.49e-01-2.64e 00
[0100]
表2为实施例一中的非球面系数数据，其中，k为非球面曲线方程式中的锥面系数，a4到a8则表示各表面第4到8阶非球面系数。
[0101]
进一步地，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，场曲畸变曲线图如图5所示，垂轴色差曲线图如图6所示；其中，光学传递函数曲线图(modulation transfer 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)，垂轴色差曲线图代表垂直于轴向方向上色像差大小。
[0102]
由图4-图6观察可知，实施例一的光学成像镜组的全视场范围内成像分辨率良好、光学系统畸变和色差小，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。
[0103]
当然，在实际应用中，光学成像镜组还可包括显示元件、壳体等，显示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。
[0104]
实施例二
[0105]
图7为本实用新型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7中的光阑03所在一侧)至第二侧(也即，图7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。
[0106]
在本实施例中，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为五片单一非粘合透镜。
[0107]
第一透镜31至第五透镜35由第一侧至第二侧的焦距依次为正、正、正、负、正。
[0108]
第一透镜31的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
[0109]
第二透镜32的第一侧表面为凸面，第二侧表面均为凹面。
[0110]
第三透镜33的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凸面。
[0111]
第四透镜34的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凹面。
[0112]
第五透镜35的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
[0113]
在本实施例中，光学成像镜组中第一透镜31至第五透镜35的焦距满足以下关系式：
[0114]
f1/f为3.96、f2/f为11.54、f3/f为0.81、f4/f为-0.39及f5/f为0.49；其中，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，f为光学成像镜组的等效焦距。
[0115]
光学成像镜组中第一透镜31至第五透镜35的折射率和色散系数分别满足以下条件：
[0116]
n1为1.52，n2为1.61，n3为1.49，n4为1.65，n5为1.61。其中，n1～n5分别代表第一透镜31至第五透镜35的折射率；第一透镜的阿贝数为54.1，第二透镜的阿贝数为37，第三透镜的阿贝数为70.4，第四透镜的阿贝数为33.8，第五透镜的阿贝数为60.8。
[0117]
本实用新型实施例二提供的光学成像镜组中，光学成像镜组整体的等效焦距为2.6mm，光圈值为1.30，半视场角为10度，扫描半径2mm，入瞳直径2mm。其在对扫描曲面04进
行成像的各透镜的曲率半径、厚度参数、折射率及色散系数的优选参数如表3所示：
[0118]
表3实施例二中光学成像镜组的结构参数
[0119]
表面透镜序号面形曲率半径厚度/间距材料折射率色散系数0成像平面平面无限无限
ꢀꢀ
1光阑03 无限1
ꢀꢀ
2第一透镜31非球面-18.951.081.5254.13 非球面-4.310.15
ꢀꢀ
4第二透镜32非球面18.020.711.61375 非球面529.620.85
ꢀꢀ
6第三透镜33非球面8.131.581.4970.47 非球面-1.110.10
ꢀꢀ
8第四透镜34非球面-1.260.601.6533.89 非球面1.680.84
ꢀꢀ
10第五透镜35非球面0.671.321.6160.811 非球面1.230.50
ꢀꢀ
12扫描曲面04球面2
ꢀꢀꢀ
[0120]
需要说明的是，表3为实施例二的光学成像镜组详细的结构数据，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位均为毫米，且表面0-12依序表示由第一侧至第二侧的表面；成像平面中曲率半径为“无限”的光学面即指呈平面。
[0121]
进一步地，第一透镜31至第五透镜35对应的表面的非球面圆锥系数如下表4所示：
[0122]
表4实施例二中不同透镜表面的非球面圆锥系数数据
[0123]
表面ka4a6a821.75e 026.12e-02-1.59e-028.13e-0337.06e 008.84e-02-6.04e-023.84e-0242.00e 02-5.70e-028.95e-035.04e-0354.00e 02-9.04e-021.13e-01-2.85e-0262.28e 01-1.10e-011.34e-01-4.72e-027-3.49e 00-7.25e-023.29e-02-1.05e-028-4.26e 005.09e-02-6.34e-022.50e-029-2.11e 01-6.75e-021.77e-028.22e-0310-7.73e-01-1.90e-011.24e-01-4.64e-02111.66e 001.21e-01-2.51e-01-1.32e 00
[0124]
表4为实施例二中的非球面系数数据，其中，k为非球面曲线方程式中的锥面系数，a4到a8则表示各表面第4到8阶非球面系数。
[0125]
进一步地，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8所示，场曲畸变曲线图如图9所示，垂轴色差曲线图如图10所示；其中，光学传递函数曲线图(modulation transfer 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)，垂轴色差曲线图代表垂直于轴向方向上色像差大小。
[0126]
由图8-图10观察可知，实施例二的光学成像镜组的全视场范围内成像分辨率良好、光学系统畸变和色差小，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。
[0127]
当然，在实际应用中，光学成像镜组还可包括显示元件、壳体等，显示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。
[0128]
实施例三
[0129]
图11为本实用新型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11中的光阑05所在一侧)至第二侧(也即，图11中的扫描曲面06所在一侧)共光轴依次设置的第一透镜51、第二透镜52、第三透镜53、第四透镜54、第五透镜55。
[0130]
在本实施例中，第一透镜51、第二透镜52、第三透镜53、第四透镜54、第五透镜55中每两个相邻透镜间均具有间隔，第一透镜51、第二透镜52、第三透镜53、第四透镜54、第五透镜55为五片单一非粘合透镜。
[0131]
第一透镜51至第五透镜55由第一侧至第二侧的焦距依次为正、负、正、正、正。
[0132]
第一透镜51的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
[0133]
第二透镜52的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
[0134]
第三透镜53的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
[0135]
第四透镜54的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凹面。
[0136]
第五透镜55的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
[0137]
在本实施例中，光学成像镜组中第一透镜51至第五透镜55的焦距满足以下关系式：
[0138]
f1/f为1.97、f2/f为16.13、f3/f为7.99、f4/f为-0.58及f5/f为0.50；其中，f1为第一透镜51的焦距，f2为第二透镜52的焦距，f3为第三透镜53的焦距，f4为第四透镜54的焦距，f5为第五透镜55的焦距，f为光学成像镜组的等效焦距。
[0139]
光学成像镜组中第一透镜51至第五透镜55的折射率和色散系数分别满足以下条件：
[0140]
n1为1.5，n2为1.53，n3为1.51，n4为1.71，n5为1.49。其中，n1～n5分别代表第一透镜51至第五透镜55的折射率；第一透镜的阿贝数为68.8，第二透镜的阿贝数为52.2，第三透镜的阿贝数为60.5，第四透镜的阿贝数为29.5，第五透镜的阿贝数为70.4。
[0141]
本实用新型实施例三提供的光学成像镜组中，光学成像镜组整体的等效焦距为2.6mm，光圈值为1.30，半视场角为10度，扫描半径2mm，入瞳直径2mm。其在对扫描曲面06进行成像的各透镜的曲率半径、厚度参数、折射率及色散系数的优选参数如表5所示：
[0142]
表5实施例三中光学成像镜组的结构参数
[0143]
表面透镜序号面形曲率半径厚度/间距材料折射率色散系数0成像平面平面无限无限
ꢀꢀ
1光阑05 无限1
ꢀꢀ
2第一透镜51非球面-1.841.321.568.83 非球面-1.331.07
ꢀꢀ
4第二透镜52非球面-27.120.751.5352.25 非球面-12.380.16
ꢀꢀ
6第三透镜53非球面4.501.021.5160.57 非球面7.210.17
ꢀꢀ
8第四透镜54非球面-7.040.601.7129.59 非球面1.330.80
ꢀꢀ
10第五透镜55非球面0.631.721.4970.411 非球面3.920.50
ꢀꢀ
12扫描曲面06球面2
ꢀꢀꢀ
[0144]
需要说明的是，表5为实施例三的光学成像镜组详细的结构数据，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位均为毫米，且表面0-12依序表示由第一侧至第二侧的表面；成像平面中曲率半径为“无限”的光学面即指呈平面。
[0145]
进一步地，第一透镜51至第五透镜55对应的表面的非球面圆锥系数如下表6所示：
[0146]
表6实施例三中不同透镜表面的非球面圆锥系数数据
[0147]
表面ka4a6a82-1.39e 003.86e-022.38e-02-8.42e-033-8.04e-016.57e-029.83e-032.46e-0443.84e 028.12e-041.18e-032.40e-0453.38e 01-8.93e-029.22e-02-2.46e-0266.84e 00-1.12e-011.16e-01-3.76e-027-1.05e 02-1.28e-013.82e-02-7.78e-0382.09e 015.01e-02-3.06e-021.11e-029-1.25e 01-2.41e-024.60e-02-1.15e-0210-9.86e-01-2.43e-012.26e-01-1.30e-0111-4.00e 025.78e-01-1.76e 001.27e 00
[0148]
表6为实施例三中的非球面系数数据，其中，k为非球面曲线方程式中的锥面系数，a4到a8则表示各表面第4到8阶非球面系数。
[0149]
进一步地，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12所示，场曲畸变曲线图如图13所示，垂轴色差曲线图如图14所示；其中，光学传递函数曲线图(modulation transfer 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)，垂轴色差曲线图代表垂直于轴向方向上色像差大小。
[0150]
由图12-图14观察可知，实施例三的光学成像镜组的全视场范围内成像分辨率良好、光学系统畸变和色差小，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。
[0151]
当然，在实际应用中，光学成像镜组还可包括显示元件、壳体等，显示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。
[0152]
实施例四
[0153]
图15为本实用新型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15中的光阑07所在一侧)至第二侧(也即，图15中的扫描曲面08所在一侧)共光轴依次设置的第一透镜71、第二透镜72、第三透镜73、第四透镜74、第五透镜75、第六透镜76。需要说明的是，本实施例中的第一透镜71相当于附加透镜，本实施例中的第二透镜72、第三透镜73、第四透镜74、第五透镜75、第六透镜76的焦距正负性与前述实施例中限定的五个透镜的焦距正负性相对应，实施例中的“第一”、“第二”并无透镜重要性或顺序的区别，只是对于不同元件进行命名区分。在其他实施例中，附加透镜的数量可以为2片、3片或更多，本实施例对此不做限制。
[0154]
在本实施例中，第一透镜71、第二透镜72、第三透镜73、第四透镜74、第五透镜75、第六透镜76中每两个相邻透镜间均具有间隔，第一透镜71、第二透镜72、第三透镜73、第四透镜74、第五透镜75、第六透镜76为六片单一非粘合透镜。
[0155]
第一透镜71至第六透镜76由第一侧至第二侧的焦距依次为正、正、正、正、负、正。
[0156]
第一透镜71的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
[0157]
第二透镜72的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
[0158]
第三透镜73的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
[0159]
第四透镜74的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
[0160]
第五透镜75的第一侧表面为凹面，第二侧表面为凸面。
[0161]
第六透镜76的第一侧表面为凸面，第二侧表面为凹面。
[0162]
在本实施例中，光学成像镜组中第一透镜71至第六透镜76的焦距满足以下关系式：
[0163]
f1/f为23.37、f2/f为1.84、f3/f为15.29、f4/f为7.91、f5/f为-0.49及f6/f为0.50；其中，f1为第一透镜71的焦距，f2为第二透镜72的焦距，f3为第三透镜73的焦距，f4为第四透镜74的焦距，f5为第五透镜75的焦距，f6为第六透镜76的焦距，f为光学成像镜组的等效焦距。
[0164]
光学成像镜组中第一透镜71至第六透镜76的折射率和色散系数分别满足以下条件：
[0165]
n1为1.59，n2为1.49，n3为1.5，n4为1.49，n5为1.65，n6为1.52。其中，n1～n6分别代表第一透镜71至第六透镜76的折射率；第一透镜的阿贝数为62.2，第二透镜的阿贝数为70，第三透镜的阿贝数为69.4，第四透镜的阿贝数为70.4，第五透镜的阿贝数为33.8，第六透镜的阿贝数为67.2。
[0166]
本实用新型实施例四提供的光学成像镜组中，光学成像镜组整体的等效焦距为2.6mm，光圈值为1.30，半视场角为10度，扫描半径2mm，入瞳直径2mm，其在对扫描曲面08进行成像的各透镜的曲率半径、厚度参数、折射率及色散系数的优选参数如表7所示：
[0167]
表7实施例四中光学成像镜组的结构参数
[0168]
表面透镜序号面形曲率半径厚度/间距材料折射率色散系数0成像平面平面无限无限
ꢀꢀ
1光阑07 无限1
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2第一透镜71球面-2.541.081.5962.23 球面-2.750.12
ꢀꢀ
4第二透镜72非球面-1.951.141.49705 非球面-1.270.84
ꢀꢀ
6第三透镜73非球面-28.200.761.569.47 非球面-11.760.10
ꢀꢀ
8第四透镜74非球面4.551.131.4970.49 非球面7.610.13
ꢀꢀ
10第五透镜75非球面-6.440.601.6533.811 非球面1.000.76
ꢀꢀ
12第六透镜76非球面0.682.001.5267.213 非球面6.140.34
ꢀꢀ
14扫描曲面08球面2
ꢀꢀꢀ
[0169]
需要说明的是，表7为实施例四的光学成像镜组详细的结构数据，其中，曲率半径、厚度及焦距的单位均为毫米，且表面0-14依序表示由第一侧至第二侧的表面；成像平面中曲率半径为“无限”的光学面即指呈平面。
[0170]
进一步地，第一透镜71至第六透镜76对应的表面的非球面圆锥系数如下表8所示：
[0171]
表8实施例四中不同透镜表面的非球面圆锥系数数据
[0172]
表面ka4a6a84-1.22e 003.57e-022.19e-02-5.56e-035-8.28e-016.76e-029.65e-039.28e-0463.91e 02-1.53e-035.03e-041.34e-0373.08e 01-9.10e-029.25e-02-2.36e-0286.74e 00-1.13e-011.15e-01-3.73e-029-1.59e 02-1.29e-013.81e-02-7.38e-03101.98e 014.79e-02-3.04e-021.27e-0211-7.69e 00-4.83e-023.83e-02-1.67e-0212-1.04e 00-2.72e-012.32e-01-1.86e-0113-4.83e 021.64e-01-1.61e 001.65e 00
[0173]
表8为实施例四中的非球面系数数据，其中，k为非球面曲线方程式中的锥面系数，a4到a8则表示各表面第4到8阶非球面系数。
[0174]
进一步地，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16所示，场曲畸变曲线图如图17所示，垂轴色差曲线图如图18所示；其中，光学传递函数曲线图(modulation transfer 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)，垂轴色差曲线图代表垂直于轴向方向上色像差大小。
[0175]
由图16-图18观察可知，实施例四的光学成像镜组的全视场范围内成像分辨率良好、光学系统畸变和色差小，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。
[0176]
当然，在实际应用中，光学成像镜组还可包括显示元件、壳体等，显示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。
[0177]
扫描显示装置
[0178]
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)，构成本技术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。
[0179]
近眼显示设备
[0180]
本技术中，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技术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。
[0181]
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以及对应图2a中的扫描曲面230)经光学显示镜组后，转换为成像平面(可参考图2a中的成像平面240)，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。
[0182]
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技术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。
[0183]
本技术实施例中，通过对光学成像镜组的五个同光轴透镜的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，达到对多种像差校正的目的，在提升视场角的基础上实现对像方曲面的清晰成像；通过对五个同光轴透镜的折射率、色散系数和面型结构进行限定优化，进一步提高了成像品质和视场角；通过将五个同光轴透镜限定优化设计为非球面面形结构，使得成像质量在进一步提高的基础上，光学成像镜组整体结构也更加紧凑，满足了镜头产品小型化的生产需求。
[0184]
以上所述的只是本技术的较佳具体实施例，各实施例仅用于说明本技术的技术方案而非对本技术的限制，凡本领域技术人员依本技术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，皆应该本技术的范围之内。
[0185]
本技术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。
[0186]
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。