[发明专利]投影物镜及波导显示设备

说明书

本发明涉及投影物镜和波导显示器。该物镜被适配成将图像从第一平面(20A‑20E)投影到第二平面(10A‑10E)，并且从第二平面起依次包括具有正有效焦距的第一光学元件组(G1)、设置在第一平面与第一光学元件组之间且具有负有效焦距的第二光学元件组(G2)，以及设置在第一平面与第二光学元件组之间且具有正有效焦距的第三光学元件组(G3)。从第二平面数起，第二光学元件组的第一折射表面朝向第二平面是凹的，并且第三光学元件组的第二折射表面朝向第一平面是凸的。该物镜非常适于将图像投影到衍射光学显示器。

发明领域

本发明涉及投影物镜。具体而言，本发明涉及用于增强现实(AR)应用等的远心投影物镜。

发明背景

最近对增强现实应用和增强现实系统的兴趣已增加了用于实现所投影的图像和真实背景之间的交叠的不同光学方法的数量。

AR系统中所使用的特定类型的显示器是波导型显示器，其中光在向内耦合区域中被耦合到一片玻璃或聚合物中，并且光在全内反射极限角内在该玻璃或聚合物中传播，直到光在向外耦合区域处被从光导耦合出来。在向外耦合区域处的射线分裂可以以亮度为代价有效地扩展系统的眼箱。

波导型显示器原则上可以被拆分为两个不同的组。在第一组中，投影物镜出射光瞳仅在波导中沿一个维度被扩展。在第二组中，投影仪出射光瞳在波导中沿两个维度被扩展。本发明尤其涉及其中对入射光的要求更严格且因此在光学上更具挑战性的第二组。例如，投影仪的出射光瞳必须具有一定的直径且靠近波导的向内耦合光栅，所投影的波束必须被高度准直且远心。

可以用若干种方式来达成波导中的出射光瞳扩展，衍射元件和局部反射表面是最常见的。

在实践中，在增强现实应用中期望投影系统的总体积尽可能得小。一般而言，从移动电话相机技术领域中已知许多小体积的物镜系统。例如，美国专利7453654、7501281、7826151、7965455、8035723和8953262描述了固定焦距移动电话相机物镜，其中孔径光阑位于物镜和第二透镜之间，通常刚好驻留在第一透镜前方以最小化物镜大小。这些物镜的紧凑性要求第二透镜元件为负透镜元件。另外，这些物镜的远心性通常不是非常高。移动电话相机解决方案不那么适用于波导型显示器的投影部件，且尤其不能够与衍射光栅相组合地用于沿两个维度扩展投影仪出射光瞳。

因而，需要用于波导显示器的改进的投影仪物镜。

发明内容

本发明的目的是解决至少一些上面提到的问题，并提供一种新的投影物镜，该投影物镜可被用来将光耦合到波导中，该波导沿两个维度有效地投影仪出射光瞳。

一个特定的目的是提供一种投影物镜，该投影物镜为具有衍射向内耦合光栅的基于波导的显示器产生足够准直且远心的波束。另一个目的是提供一种物镜，其出射光瞳可被致使足够地接近光栅。

一个目的还在于提供一种投影物镜，其光学器件可以被安装在很小的空间中。

本发明基于提供一种具有正-负-正透镜组的投影物镜，该正-负-正透镜组具有允许物镜的高远心性和光的准直的特定的折射表面配置。

更详细地，本发明的投影物镜被适配成将图像从第一平面投影到第二平面，该物镜从第二平面起依次包括具有正有效焦距的第一光学元件组、设置在第一平面与第一光学元件组之间且具有负有效焦距的第二光学元件组，以及设置在第一平面与第二光学元件组之间且具有正有效焦距的第三光学元件组。每个组包括通常为透镜表面的形式的至少两个折射表面。从第二平面的方向对各组的折射表面数起，第二光学元件组的第一折射表面朝向第二平面是凹的，并且第三光学元件组的第二折射表面朝向第一平面是凸的。

应当注意，虽然本文中从第二平面朝第一平面的方向列出了各光学元件组和表面，但是在本文的投影应用中讨论了光从第一平面朝第二平面行进。