CN103760628A - 一种透镜以及包括该透镜的镜头和头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透镜以及包括该透镜的镜头和头戴式显示器。所述透镜适用于头戴式显示器的镜头，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。该头戴式显示器包括镜头和显示器，所述镜头和所述显示器位于同一光轴，所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。本发明解决了，现有的镜头以及头戴式显示器成本高和便携性差的历史性技术难题。

Description

一种透镜以及包括该透镜的镜头和头戴式显示器

技术领域

本发明涉及光学透镜领域，尤其涉及一种具有两个非球面镜面的透镜、以及包括该透镜的镜头和头戴式显示器。

背景技术

随着科技工业的进步，影音设备逐步向模拟真实场景的方向发展。头戴显示器作为新兴的技术，首先在娱乐领域有了很好的发展前景，该技术将二维平面的画面，以更加立体的形象，呈现给头戴显示器的佩戴者，以期更贴近身临其境的真实感。而继娱乐业之后，头戴显示器将会以一种新型的光电显示系统，在工业、军事、文艺等多方面广泛的应用。

目前，头戴显示器的类型较多，但大都由镜头和显示器构成，其原理图参见图1，显示器200的影像发出光线，光线经由镜头100汇集于佩戴者的眼中，佩戴者接收到光线后成像300（像300参见图3），所成影像由影像光线的反向延长线的交点处，即位于显示器200的后方位置。为实现上述过程，所述镜头100至少需要具有控制主光学角度和控制视场角的功能，而目前的透镜都是球面透镜，单片球面透镜无法同时实现上述功能，为此，现有的镜头100由至少两片透镜110构成，在所述至少两片透镜110配合作用下，实现镜头100对于控制主光学角度和控制视场角的功能性要求。

现有的至少两片透镜所构成的镜头，使得透镜以及头戴式显示器的价格居高不下，也导致了其体积无法进一步压缩，便携性差。而价格高和便携性差，已然成为了头戴式显示器的发展瓶颈，是该技术领域一直渴望解决，但是难以解决的历史性的技术难题。

基于此，本发明提供了一种具有双非球面镜面的透镜，以及包括该透镜的镜头和头戴式显示器，用以解决上述价格高和便携性差的历史性技术难题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种透镜，用于实现，由单片透镜满足头戴式显示器镜头的功能性要求。

本发明的另一目的在于提供一种镜头，该镜头由单片透镜构成，以实现，在满足镜头功能性要求的基础上，降低镜头价格、压缩镜头体积、提高镜头便携性。

本发明的又一目的在于提供一种头戴式显示器，该头戴式显示器的镜头由单片透镜构成，以实现，在满足头戴式显示器的功能性要求的基础上，降低头戴式显示器的价格、压缩头戴式显示器的体积、改善头戴式显示器的便携性。

基于上述第一目的，本发明提供了一种透镜，所述透镜适用于头戴式显示器的镜头，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

优选的，其中一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值。

优选的，两个所述非球面镜面的形状分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

其中：

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数。

基于上述第二目的，本发明提供了一种镜头，所述镜头适用于头戴式显示器，所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

优选的，所述透镜的其中一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于所述透镜的另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值。

优选的，所述透镜的两个所述非球面镜面的形状分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

其中：

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数。

基于上述第三目的，本发明提供了一种头戴式显示器，该头戴式显示器包括镜头和显示器，所述镜头和所述显示器位于同一光轴，所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

优选的，所述透镜的两个非球面镜面中，朝向所述显示器的所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，其中，朝向所述显示器的所述非球面镜面用于控制主光学角度，另一个所述非球面镜面用于控制视场角。

优选的，所述透镜的两个所述非球面镜面的形状分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

其中：

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数。

优选的，人眼相对于所述镜头的光轴偏移量，其有效范围为1mm至-9mm。

综上所述，本发明提供的透镜，具有两个外凸的非球面镜面，其中一个非球面镜面用于控制主光学角度，另一个非球面镜面用于控制视场角，据此，使得该透镜满足了头戴式显示器的镜头的功能性要求，进一步使得，头戴式显示器的镜头可仅采用一片透镜构成，大幅降低了镜头的成本以及可进一步压缩镜头的体积，进而，通过本发明提供的透镜，解决了头戴式显示器价格高和便携性差的历史性技术难题。

本发明提供的镜头，采用单片透镜构成，该透镜具有两个外凸的非球面镜面，能够满足镜头对于主光学角度和视场角的控制要求，并在此基础上，单片透镜构成的镜头，大幅的降低了镜头的生产成本，并大幅压缩了镜头的体积，提高了其便携性。

本发明提供的头戴式显示器，其镜头采用单片透镜构成，该透镜具有两个外凸的非球面镜面，能够满足镜头对于主光学角度和视场角的控制要求，并在此基础上，采用单片透镜的镜头的头戴式显示器，大幅的降低了头戴式显示器的生产成本，并大幅压缩了头戴式显示器的体积，提高了其便携性。

附图说明

图1是现有头戴式显示器的结构原理图；

图2是本发明透镜实施例的结构原理图；

图3是本发明头戴式显示器实施例的光学原理图；

图4是本发明头戴式显示器实施例的结构原理图；

图5是本发明头戴式显示器实施例的场曲图；

图6是本发明头戴式显示器实施例的畸变图；

图7是本发明头戴式显示器实施例的点列图（未偏离光轴）；

图8是本发明头戴式显示器实施例的偏离光轴1mm时的光学结构图；

图9是本发明头戴式显示器实施例的偏离光轴1mm时的点列图；

图10是本发明头戴式显示器实施例的偏离光轴-9mm时的光学结构图；

图11是本发明头戴式显示器实施例的偏离光轴-9mm时的点列图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

透镜实施例

参见图2，该实施例公开了一种透镜110，所述透镜110适用于头戴式显示器的镜头，所述透镜110的两个镜面分别为外凸的非球面镜面，为便于描述，如图中所示，两个非球面镜面分别为第一非球面镜面111和第二非球面镜面112。

所述透镜110用于构成头戴式显示器的镜头时：所述第一非球面镜面111朝向人眼，用于调整视场角，即通过所述第一非球面镜面111替代现有镜头中的，主要用于控制视场角的单独的透镜；所述第二非球面镜面112朝向显示器，即通过所述第二非球面镜面112替代现有镜头中的，主要用于控制主光学角度的单独的透镜。基于此，本发明的所述透镜110，其单独作为镜头使用，也即镜头由单片所述透镜110构成，即可完成镜头对于视场角和主光学角度的控制需求。

该实施例中所优选的，为实现单片所述透镜110满足头戴式显示器的镜头对于视场角和主光学角度控制的功能性要求，所述透镜110其中一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值。参见图2，所述第一非球面镜面的曲率半径为R1，R1>0，所述第二非球面镜面的曲率半径为R2，R2<0，则：-R2<R1。

该实施例中所优选的又一方案中，两个所述非球面镜面的形状分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

该公式中：

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数（Coin Constant）；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数（the orderAspherical Coeffcient）。

不同的头戴式显示器对于镜头的功能参数具有不同的要求，在设计加工时，根据设计者提供的非球面系数，及其中厚、边厚、外径等参数，即可精确的确定该透镜的两个所述非球面镜面的形状。

镜头实施例

该事实例提供了一种镜头100，所述镜头100适用于头戴式显示器，区别于图1所示的双透镜的镜头，该实施例的镜头100由单片透镜构成。

该实施例的镜头由单片透镜构成，其结构与图2相同，为此，附图中没有额外提供镜头附图，对于该镜头实施例结合图2和图3进行说明。

具体而言，该实施例中，所述镜头100由单片透镜110构成，所述透镜110与前述的透镜实施例中的所述透镜110相同，不再重复描述。

参见图3，所述第一非球面镜面111朝向人眼，用于控制视场角；所述第二非球面镜面112朝向显示器200，用于控制主光学角度。基于此，该镜头采用单片所述透镜110构成，即可实现控制视场角和主光学角度等的功能性要求，且较之现有的由至少两片透镜构成的镜头，本发明的镜头100的成本更低、体积更小。

头戴式显示器实施例

参见图3-图11，该实施例公开了一种头戴式显示器。

参见图3-图4，图3为该头戴式显示器的光学原理图，图4为该头戴式显示器的原理结构图，具体而言，该显示器包括镜头100和显示器200，所述镜头100和所述显示器200位于同一光轴400。

所述显示器200为现有技术，在此不再详细描述。

所述镜头100由单片透镜110构成，所述第一非球面镜面111朝向人眼，所述第二非球面镜面112朝向显示器200。所述显示器200的光线首先透过所述第二非球面镜面112，经所述第二非球面镜面112进行主光学角度的调整，然后射入所述透镜110再由所述第一非球面镜面111射出并进入人眼，人眼视线首先穿过所述第一非球面镜面111，所述第一非球面镜面111对视场角进行调整，然后穿过所述透镜110后的成像300，位于所述显示器200的后方。

所述透镜110与前述的透镜实施例中的所述透镜110相同，即，所述透镜110符合：

1、所述透镜110的两个镜面分别为外凸的非球面镜面，即第一非球面镜面111和第二非球面镜面112；

2、所述第一球面镜面111的曲率半径R1的绝对值，大于所述第二非球面镜面112的曲率半径R2的绝对值；

3、两个所述非球面镜面分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

该公式中，

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数(Coin Constant)；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数(the orderAspherical Coeffcient)。

如下的表一，为某一型号头戴式显示器对于镜头100的特定参数要求，也即，该镜头100的透镜110，对于曲率半径(C)、高度平方值(Y)、圆锥系数(K)和各项次的非球面系数(a、b、m、d、e、f、g、h)参数值分别采用如下数据，并在此基础上，结合两个所述非球面镜面反向外凸和-R2<R1的形状要求，即可精确的确定该透镜的两个所述非球面镜面的形状。

表一

	S1	S2
			C	49.940629	-41.557464
D	20.006537	35.599516
			K	0.005802	-10.289093
a	0	0
			b	0.000004	-0.000002
m	-0.0000000457952	-0.0000000430983
			d	0.00000000005206215	0.00000000012956540
e	0.0000000000002792704	-0.0000000000001634510
			f	-0.0000000000000009616800	0.0000000000000001188698
e	0.000000000000000001071181	-0.000000000000000000112991
			h	-0.00000000000000000000040693200	0.00000000000000000000006628754

对于该型号的头戴式显示器，经过测试，其场曲图参见图5，其畸变图参见图6，其点列图参见图7，图中分别针对r线(波长435.8)、d线(波长587.6)、c线(波长656.3)进行了分析，通过图中所示的分析结果可知，该型号的头戴式显示器的场曲在10%以内,畸变在20%以内,RMS点小于0.4mm。因此，该型号的头戴式显示器，所采用的由单片透镜110构成的镜头100，完全符合头戴式显示器的各项参数指标。并且在此基础上，使得所述头戴式显示器的成本更低，体积进一步压缩，具有更佳的便携性。

参见图8-图11，本发明的头戴式显示器，采用由单片透镜110构成的镜头100，完全符合头戴式显示器对于具有一定的光轴偏移量的要求。其中：

图8示出了光轴偏移1mm时的光学原理图，与之相对应的，图9示出了光轴偏移1mm时，所测试分析出的点列图。

图10示出了光轴偏移-9mm时的光学原理图，即与图8所示相反的方向偏移9mm，与之相对应的，图11示出了光轴偏移-9mm时，所测试分析出的点列图。

由图中所示分析的结果的可知，在偏离光轴1mm和-9mm时，该型号头戴式显示器的RMS点（即弥散斑的半径的均方根，）小于0.45mm，符合头戴式显示器的质量要求。另，人眼瞳距一般为4mm左右，因此，光轴偏移量的有效范围值1mm至-9mm，足够应对用户的使用习惯。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种透镜，所述透镜适用于头戴式显示器的镜头，其特征在于，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，其中一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值。

3.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于，两个所述非球面镜面的形状分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

其中：

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数。

4.一种镜头，所述镜头适用于头戴式显示器，其特征在于，所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

5.根据权利要求4所述的镜头，其特征在于，所述透镜的其中一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于所述透镜的另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值。

6.根据权利要求4或5所述的镜头，其特征在于，所述透镜的两个所述非球面镜面的形状分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

其中：

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数。

7.一种头戴式显示器，该头戴式显示器包括镜头和显示器，所述镜头和所述显示器位于同一光轴，其特征在于，所述镜头由单片透镜构成，所述透镜的两个镜面分别为外凸的非球面镜面。

8.根据权利要求7所述的头戴式显示器，其特征在于，所述透镜的两个非球面镜面中，朝向所述显示器的所述非球面镜面的曲率半径绝对值，小于另一个所述非球面镜面的曲率半径绝对值，其中，朝向所述显示器的所述非球面镜面用于控制主光学角度，另一个所述非球面镜面用于控制视场角。

9.根据权利要求7或8所述的头戴式显示器，其特征在于，所述透镜的两个所述非球面镜面的形状分别符合如下公式，

$Z=\frac{\mathrm{CY}}{1+\sqrt{1-(K+1)}{C}^{2}Y}+a{Y}^2+b{Y}^4+m{Y}^6+d{Y}^8+e{Y}^{10}+f{Y}^{12}+g{Y}^{14}+h{Y}^{16}$

其中：

Z，为沿光轴方向在Y位置以表面定点作参考距光轴的位移值；

C，为曲率半径；

Y，为所述透镜高度的平方值；

K，为圆锥系数；

a、b、m、d、e、f、g、h，分别为各项次的非球面系数。

10.根据权利要求9所述的头戴式显示器，其特征在于，人眼相对于所述镜头的光轴偏移量，其有效范围为1mm至-9mm。

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