CN101470262A - 一种微型显示目镜光学成像装置 - Google Patents

一种微型显示目镜光学成像装置 Download PDF

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Abstract

一种微型显示目镜光学成像装置，包括像源，还包括一透镜组，该透镜组由共光轴且自人眼向像源顺次排列的具有正屈光度的第一透镜和具有负屈光度的第二透镜组成，其中第一透镜具有面向人眼的第一表面及面向像源的第二表面，所述第一表面向人眼一侧凸出，第二表面相向像源一侧凸出；第二透镜具有面向人眼的第三表面及面向像源的第四表面，所述第三表面的中部相对人眼一侧凹陷，所述第四表面的中部向像源一侧凸出，所述第一、二、三、四表面均为非球面。本发明采用具有正负屈光度的第一透镜和第二透镜的两片式结构，采用较少数量的镜片，通过优化透镜组的非球面系数，来修正各种相差，较好的满足了护目型微型显示系统的要求。

Description

一种微型显示目镜光学成像装置
技术领域
本发明涉及光学成像系统，具体一种护目型微型显示目镜光学成像装置。
背景技术
现代的目视显示器主要包括护目型和透视型。护目型显示器是将显示器的图象经过光学系统，成放大虚拟图像，人眼只能看到显示器上的图案或信号成的虚像。
在护目型显示应用领域，总希望系统能具有较大的视场角，眼舒距(出瞳距离)和出瞳直径。但同时要保证尽可能小的体积和轻的质量。所以上述的三个目标与像质很难同时满足。往往是出瞳直径或眼舒距不足，或者是满足了上述指标，而像质却存在不足。传统目镜设计中，通常使用消光学畸变或复消光学畸变透镜来校正光学畸变和场曲等，这样的系统往往具有镜片数量较多，系统厚重的缺点。怎样用尽可能少的镜片数量和重量，得到高性能的目视系统成为研究的重点。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是，克服上述现有技术的不足，提出一种微型显示目镜光学成像装置。
其技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种微型显示目镜光学成像装置，包括像源，还包括一透镜组，该透镜组由共光轴且自人眼向像源顺次排列的具有正屈光度的第一透镜和具有负屈光度的第二透镜组成，其中第一透镜具有面向人眼的第一表面及面向像源的第二表面，所述第一表面向人眼一侧凸出，第二表面相向像源一侧凸出；第二透镜具有面向人眼的第三表面及面向像源的第四表面，所述第三表面的中部相对人眼一侧凹陷，所述第四表面的中部向像源一侧凸出，所述第一、二、三、四表面均为非球面。
所述第一透镜2的色散值大于第二透镜3的色散值，所述第一透镜2的折射率小于第二透镜3的折射率。第一透镜的折射率选择为：1.49<第一透镜折射率<1.52，色散值选择为：55<第一透镜色散值<60；第二透镜的折射率选择为：1.55<第二透镜折射率<1.60，色散值选择为：26<第二透镜色散值<35。
所述第一、二、三、四表面的面形公式为：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + a 1 r 2 + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 + a 5 r 10 + a 6 r 12 . . . . . .
其中：z为以各非球面与光轴o交点为起点，垂直光轴o方向的轴向值，即镜面深度值，因所选的透镜形状为轴对称式镜片，故该非球面公式均取偶次项。其中各非球面系数通过以上公式确定非球面的形状；k为二次曲面系数；c＝1/R，其中R为镜面中心曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；a1，a2，a3，a4，a5，a6......为非球面系数，所述二次曲面系数的取值范围为：-12.3<二次曲面系数<0.5，所述曲率半径R的取值范围为：-0.4<曲率半径R<0.1.
所述的透镜组满足下列关系式：
f1>0；f2<0
1/3<f1/F<1/2
其中，f1为第一透镜的有效焦距值，f2为第二透镜的有效焦距值，F为整个目视光学系统的有效焦距值
所述每个透镜的中心厚度介于1mm与12mm之间，所述两个透镜之间的距离介于1mm与3mm之间，所述第二透镜与像源之间的距离介于10mm与20mm之间。
本发明采用具有正负屈光度的第一透镜和第二透镜的两片式结构，第一透镜具有面向人眼且向人眼一侧凸出的第一表面，及面向像源且向像源一侧凸出的第二表面；第二透镜具有面向人眼且中部相对人眼一侧凹陷的第三表面，及面向像源且中部向像源一侧凸出的第四表面，有效校正了像差，从而提升了成像质量；通过优化透镜组的非球面系数，来修正各种相差，同时也可避免因采用球面镜而产生的球面像差，简化结构和改善成像品质；该目镜采用的镜片数量较少，且设计工作距(包括眼舒距)光学全长<＝49mm，具有大出瞳直径和大眼舒距，出瞳直径为8mm，眼舒距为20mm，全视场角30°，较好的满足了护目型微型显示系统的要求。
附图说明
图1是本发明第一具体实施方式的结构示意图；
图2是本发明第一具体实施方式的MTF(光学传递函数)图；
图3是本发明第一具体实施方式的相对照度图；
图4是本发明第一具体实施方式的光学畸变图；
图5是本发明第二具体实施方式的结构示意图；
图6是本发明第二具体实施方式的MTF(光学传递函数)图；
图7是本发明第二具体实施方式的相对照度图；
图8是本发明第二具体实施方式的光学畸变图；
图9是本发明第三具体实施方式的结构示意图；
图10是本发明第三具体实施方式的MTF(光学传递函数)图；
图11是本发明第三具体实施方式的相对照度图；
图12是本发明第三具体实施方式的光学畸变图；
具体实施方式
下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1至12所示，一种微型显示目镜光学成像装置，包括像源4，还包括一透镜组，该透镜组由共光轴且自人眼向像源顺次排列的具有正屈光度的第一透镜2和具有负屈光度的第二透镜3组成，其中第一透镜2具有面向人眼的第一表面及面向像源的第二表面，所述第一表面向人眼一侧凸出，第二表面相向像源一侧凸出；第二透镜3具有面向人眼的第三表面及面向像源的第四表面，所述第三表面的中部相对人眼一侧凹陷，所述第四表面的中部向像源一侧凸出，所述第一、二、三、四表面均为非球面。成像装置还包括位于第一透镜前的孔径光阑1。
如图1至图4所示，本发明的第一具体实施方式采用有机电致发光二极管OLED(Organic Light--Emitting Diode)显示屏或主动式矩阵液晶显示器AMLCD(Active Matrix Liquid Crystal Display)作为像源4。所述第二透镜与像源之间的距离为15mm，第一透镜2使用的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmecrylate，简称PMMA)，折射率为1.492，色散值为59；第二透镜3使用的材料为聚碳酸脂(Polycarbonate，简称PC)，折射率为1.589，色散值为32。能很好消除光学畸变影响，提高镜头分辨率。
镜头组件的参数如下表所示：
镜片参数：
Figure A200710125715D00101
非球面系数：
 
类型 k a1 a2 a3 a4 a5 a6
第一非球面 -0.38768 0 -4.4127E-03 7.0919E-05 -1.4219E-08 -1.0813E-08 -2.0458E-11
第二非球面 -4.32122 0 -2.0922E-02 -9.9050E-06 6.7542E-07 4.1246E-09 3.7789E-11
第三非球面 -2.74505 0 -1.0228E-02 6.0273E-05 2.3075E-06 7.0599E-09 -5.0301E-11
第四非球面 -2.46852 0 1.5815E-02 -9.0544E-05 6.1480E-06 -1.0531E-07 1.5770E-09
表中厚度d为此面距离下个面的距离，该镜头模组有效焦距值F＝24，第一透镜的有效焦距值f1＝8.74，第二透镜的有效焦距值f2＝-113.31，1/3<f1/F＝0.36<1/2，可确保适当的后焦距，还可以对各象差，特别是非点象差和畸变象差进行良好矫正，并得到理想的光学性能。
图2是本发明的调制传递函数(Modulation Transfer Function，简称MTF)曲线图，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米(1p/mm)；纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。从图2可以看出，各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线很靠近，其表明：该镜头组件在各个视场，子午方向(T)和弧矢方向(S)这两个方向的成像性能具有良好的一致性，能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像，而不会出现中间清晰、边缘模糊的情况。
图3是本发明第一具体实施方式的相对照度图，从图3可以看出，该本发明的相对照度大于90％，表明此镜头组件边缘视场和中心视场的照度均匀，光线充足。
图4是本发明第一具体实施方式的光学畸变图，从图4可以看出，该本发明的横向光学畸变小于1％。
如图5至图8所示，本发明的第二具体实施方式采用有机电致发光二极管OLED(Organic Light--Emitting Diode)显示屏或主动式矩阵液晶显示器AMLCD(Active Matrix Liquid Crystal Display)作为像源4，所述第二透镜与像源之间的距离为21mm，第一透镜2使用的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmecrylate，简称PMMA)，折射率为1.492，色散值为59；第二透镜3使用的材料为聚碳酸脂(Polycarbonate，简称PC)，折射率为1.586，色散值为32。能很好消除光学畸变影响，提高镜头分辨率。该镜头组件的参数如下表所示：
镜片参数
非球面系数：
 
类型 k a1 a2 a3 a4 a5 a6
第一非球面 0.473549722 0 -0.00441 7.092E-05 -1.422E-08 -1.081E-08 -2.046E-11
第二非球面 -8.027268264 0 -0.02092 -9.905E-06 6.754E-07 4.125E-09 3.779E-11
第三非球面 -2.641357463 0 -0.01023 6.027E-05 2.307E-06 7.060E-09 -5.030E-11
第四非球面 -3.501320319 0 0.015815 -9.054E-05 6.148E-06 -1.053E-07 1.577E-09
表中厚度d为此面距离下个面的距离，该镜头模组的总长有效焦距值F＝27，第一透镜的有效焦距值f1＝12.02，第二透镜的有效焦距值f2＝-28，1/3<f1/F＝0.45<1/2，可以确保适当的后焦距，还可以对各象差，特别式非点象差和畸变象差进行良好矫正，并得到理想的光学性能。
图6是本发明的调制传递函数(Modulation Transfer Function，简称MTF)曲线图，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米(1p/mm)；纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。从图6可以看出，各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线很靠近，其表明：该镜头组件在各个视场，子午方向(T)和弧矢方向(S)这两个方向的成像性能具有良好的一致性，能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像，而不会出现中间清晰、边缘模糊的情况。
图7是本发明第二具体实施方式的相对照度图，从图7可以看出，该本发明的相对照度大于90％，表明此镜头组件边缘视场和中心视场的照度均匀，光线充足。
图8是本发明第二具体实施方式的光学畸变图，从图8可以看出，该本发明的横向光学畸变小于5％。
如图9至图12所示，本发明的第三具体实施方式采用有机电致发光二极管OLED(Organic Light--Emitting Diode)显示屏或主动式矩阵液晶显示器AMLCD(Active Matrix Liquid Crystal Display)作为像源4，所述第二透镜与像源之间的距离为16.8mm，第一透镜2使用的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmecrylate，简称PMMA)，折射率为1.492，色散值为59；第二透镜3使用的材料为聚碳酸脂(Polycarbonate，简称PC)，折射率为1.582，色散值为29.5。能很好消除光学畸变影响，提高镜头分辨率。该镜头组件的参数如下表所示：
镜片参数
Figure A200710125715D00131
Figure A200710125715D00141
非球面系数：
 
类型 k a1 a2 a3 a4 a5 a6
第一非球面 -0.405038464 0 0.008072 0.000184882 -1.1163E-05 2.02006E-07 -1.197E-09
第二非球面 -5.682782679 0 -0.00983 -0.00043978 6.45684E-06 -1.8441E-08 4.04269E-10
第三非球面 -4.876772376 0 -0.03255 0.000376192 -3.6087E-07 3.43875E-08 4.18329E-11
第四非球面 -12.26458783 0 -0.00359 0.000317739 -1.2762E-06 2.47723E-09 -8.4788E-11
表中厚度d为此面距离下个面的距离，该镜头模组的总长有效焦距值F＝24.7，第一透镜的有效焦距值f1＝9.2，第二透镜的有效焦距值f2＝-3.15，1/3<f1/F＝0.37<1/2，可以确保适当的后焦距，还可以对各象差，特别式非点象差和畸变象差进行良好矫正，并得到理想的光学性能。
图10是本发明的调制传递函数(Modulation TransferFunction，简称MTF)曲线图，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米(1p/mm)；纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。从图10可以看出，各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线很靠近，其表明：该镜头组件在各个视场，子午方向(T)和弧矢方向(S)这两个方向的成像性能具有良好的一致性，能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像，而不会出现中间清晰、边缘模糊的情况。
图11是本发明第一具体实施方式的相对照度图，从图10可以看出，该本发明的相对照度大于55％，表明此镜头组件边缘视场和中心视场的照度均匀，光线充足。
图12是本发明第一具体实施方式的光学畸变图，从图4可以看出，该本发明的横向光学畸变小于2％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型显示目镜光学成像装置，包括像源，其特征在于：还包括一透镜组，该透镜组由共光轴且自人眼向像源顺次排列的具有正屈光度的第一透镜和具有负屈光度的第二透镜组成，其中第一透镜具有面向人眼的第一表面及面向像源的第二表面，所述第一表面向人眼一侧凸出，第二表面相向像源一侧凸出；第二透镜具有面向人眼的第三表面及面向像源的第四表面，所述第三表面的中部相对人眼一侧凹陷，所述第四表面的中部向像源一侧凸出，所述第一、二、三、四表面均为非球面。
2.根据权利要求1所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：所述第一透镜的色散值大于第二透镜的色散值，所述第一透镜的折射率小于第二透镜的折射率。
3.根据权利要求2所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：第一透镜的折射率选择为：1.49<第一透镜折射率<1.52，色散值选择为：55<第一透镜色散值<60；第二透镜的折射率选择为：1.55<第二透镜折射率<1.60，色散值选择为：26<第二透镜色散值<35。
4.根据权利要求3所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：所述第一、二、三、四表面的面形公式为：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + a 1 r 2 + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 + a 5 r 10 + a 6 r 12 . . . . . .
其中：z为以各非球面与光轴o交点为起点，垂直光轴o方向的轴向值，即镜面深度值，因所选的透镜形状为轴对称式镜片，故该非球面公式均取偶次项。其中各非球面系数通过以上公式确定非球面的形状；k为二次曲面系数；c＝1/R，其中R为镜面中心曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；a1，a2，a3，a4，a5，a6......为非球面系数，其特征在于：所述二次曲面系数的取值范围为：-12.3<二次曲面系数<0.5，所述曲率半径R的取值范围为：-0.4<曲率半径R<0.1.
5.根据权利要求4所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：还包括位于第一透镜前的孔径光阑。
6.根据权利要求5所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：所述的本发明满足下列关系式：
f1>0；f2<0
1/3<f1/F<1/2
其中，f1为第一透镜的有效焦距值，f2为第二透镜的有效焦距值，F为整个目视光学系统的有效焦距值
7.根据权利要求6所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：所述每个镜片的中心厚度介于1mm与12mm之间，所述两个镜片之间的距离介于1mm与3mm之间，第二透镜与像源之间的距离介于9mm与22mm之间。
8.根据权利要求7所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：所述本发明的参数如下：
镜片参数：
Figure A200710125715C00031
Figure A200710125715C00041
非球面系数：
  类型 k a1 a2 a3 a4 a5 a6 第一非球面 -0.38768     0 -4.4127E-03      7.0919E-05       -1.4219E-08      -1.0813E-08      -2.0458E-11      第二非球面   -4.32122     0 -2.0922E-02      -9.9050E-06      6.7542E-07       4.1246E-09       3.7789E-11       第三非球面   -2.74505     0 -1.0228E-02      6.0273E-05       2.3075E-06       7.0599E-09       -5.0301E-11      第四非球面   -2.46852     0 1.5815E-02       -9.0544E-05      6.1480E-06       -1.0531E-07      1.5770E-09      
9.根据权利要求7所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：所述本发明的参数如下：
镜片参数
Figure A200710125715C00042
非球面系数：
  类型 k a1 a2 a3 a4 a5 a6 第一非球面 0.473549722  0 -0.00441     7.092E-05    -1.422E-08     -1.081E-08     -2.046E-11     第二非球面   -8.027268264   0 -0.02092     -9.905E-06     6.754E-07    4.125E-09    3.779E-11    第三非球面   -2.641357463   0 -0.01023     6.027E-05    2.307E-06    7.060E-09    -5.030E-11    
  第四非球面       -3.501320319       0    0.015815       -9.054E-05         6.148E-06        -1.053E-07           1.577E-09        
10.根据权利要求7所述的一种微型显示目镜光学成像装置，其特征在于：所述本发明的参数如下：
镜片参数
Figure A200710125715C00051
非球面系数：
  类型       k          a1     a2           a3         a4           a5           a6           第一非球面       -0.405038464     0      0.008072     0.000184882     -1.1163E-05         2.02006E-07         -1.197E-09         第二非球面       -5.682782679     0      -0.00983     -0.00043978      6.45684E-06         -1.8441E-08         4.04269E-10        第三非球面       -4.876772376    0      -0.03255     0.000376192     -3.6087E-07         3.43875E-08         4.18329E-11        第四非球面       -12.26458783     0      -0.00359     0.000317739    -1.2762E-06         2.47723E-09         -8.4788E-11       
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