CN104090354A - 一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头及头戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，包括外壳、双凸正透镜和双凹负透镜，双凸正透镜与双凹负透镜在外壳内并排设置；所述双凸正透镜包括有凸向物方的第一表面和边缘处为平面且中央位置凸向像方的第二表面；所述双凹负透镜包括凹向物方的第三表面和边缘处为平面且中央位置凹向像方的第四表面。本发明的设计采用了变焦方式来补偿离焦。这样能让近视或远视人群裸眼使用头戴设备，适应从近视500度到远视500度的不同人群。使用时，根据自身近视远视度数来调整焦距实现清晰成像，同时又不会改变人眼和屏幕之间的共轭距。

Description

一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头及头戴设备

技术领域

本发明涉及一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头及头戴设备，应用于消费电子领域。 

背景技术

对于头戴显示设备来说，大的视场角可以增强代入感，从而提高娱乐效果，但是由于视场角的增大，带来的场曲和倍率色差会严重的影响到系统的成像质量，传统的目镜系统则需要很多片镜片来矫正像差，而且传统的光学玻璃的重量很大，会增加头戴设备对人体的负担，所以这种大视场的头戴系统目镜需要一中更加新颖和简洁的设计。合理的引入非球面的搭配用以分配光焦度，同时采用更加轻量化的塑料材料可以达到设计要求。 

另外，对于近视或远视人群来说，目前的全固定的头戴系统是无法满足需求的，因为由于近视或远视的存在在不佩戴眼镜的情况下，使用者会感觉到画面模糊。如果佩戴眼镜固然可以补偿由近视或远视引起相对于视网膜离焦，但是这样会很不方便也不舒适。 

发明内容

为解决现有的头戴设备用广角镜头重量大，不适合近视或者远视的用户使用的问题，本发明提出一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，并采用以下技术方案予以实现： 

一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，包括外壳、双凸正透镜和双凹负透镜，双凸正透镜与双凹负透镜在外壳内并排设置；所述双凸正透镜包括有凸向物方的第一表面和边缘处为平面且中央位置凸向像方的第二表面；所述双凹负透镜包括凹向物方的第三表面和边缘处为平面且中央位置凹向像方的第四表面；所述双凸正透镜和双凹负透镜的透镜表面均为非球面。 

进一步的，所述双凹负透镜可沿外壳轴线移动调整其与双凸正透镜之间的距离。 

进一步的，所述双凸正透镜的折射率的范围为1.45--1.70，色散的范围为 50--75。 

进一步的，所述双凹负透镜的折射率的范围为1.45--1.75，色散的范围为25--40。 

进一步的，所述双凸正透镜选用E48R塑料材质，其n1＝1.531160、v1＝56.04。 

进一步的，所述双凹负透镜选用POLYCARB塑料材质，其n1＝1.5585470，v1＝29.91。 

进一步的，所述第三表面为曲率半径无穷大的非球面。 

进一步的，所述双凸正透镜在镜头内固定不动，双凹负透镜的移动双凹负透镜的移动使镜头满足从近视500度到远视500度的人群。 

进一步的，所述第一表面、第二表面、第三表面和第四表面的表面形状遵循公式： 

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{Y}^{2i}$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方，N为自然数。 

一种头戴设备，使用上述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头。 

本发明的设计采用了变焦方式来补偿离焦。这样能让近视或远视人群裸眼使用头戴设备，适应从近视500度到远视500度的不同人群。使用时，根据自身近视远视度数来调整焦距实现清晰成像，同时又不会改变人眼和屏幕之间的共轭距。采用塑料镜片，以及引入非球面来让系统更加轻量化。本发明的设计校正了倍率色差，同时达到了良好的成像质量。 

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为使用单片镜片未经过色差校正的镜片结构以及光路图； 

图2为本发明的镜头在适合正常视力时的镜片结构以及光路图； 

图3-图8为不同焦距下本系统的结构示意图； 

图9为图2的20线对下的MTF(光学传递函数)图； 

图10-图15为与图3-图8所示的镜片结构一一对应的20线对下的MTF(光学传递函数)图； 

图16为本发明的场曲畸变图和畸变曲线图； 

图17为本发明的镜头在适合正常视力时的点列图； 

图18为图1的点列图； 

图19-图24为与图3-图8所示的镜片结构一一对应的点列图； 

图25为本发明的倍率色差图； 

图26为图1的倍率色差图； 

图27为本发明的正透镜和负透镜在不同焦距下的位置关系图； 

如上各图中：1、双凸正透镜；2、双凹负透镜；3、第一表面；4、第二表面；5、第三表面；6、第四表面。 

具体实施方式

本系统采用变焦方式来补偿离焦。这样能让近视或远视人群裸眼使用头戴设备，使用时，根据自身近视远视度数来调整焦距实现清晰成像，同时又不会改变人眼和屏幕之间的共轭距。 

工作原理如下：系统的像面是头戴设备的屏，屏通过目镜系统形成一个距离人眼2.5米的巨大的虚像，再由人眼接收。通过移动负透镜变化负透镜与正负透镜之间的间距来改变焦距。 

本发明的设计在正透镜的基础上增加了一片负透镜，负透镜的作用有三个，第一是补偿系统的色差、第二是校正匹兹万场曲、第三是实现了系统实现可调焦校正近视远视。 

在本申请的技术方案中，如果不校正倍率色差的话，虚像就会出现明显的蓝边。而不校正场曲的话则会严重的影响成像的清晰度。图1为单片镜片结构的结构图和光路图，在图1所示的结构时，其点列图和倍率色差图如图18和图26所示，而使用负透镜进行校正后其点列图和倍率色差图如图17和图25所示。 

点列图显示的是光学系统的各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散斑， 所以它表征了系统得到各种相差特性，点列图的RMS半径越小证明系统的成像质量越好。图中各灰度分别代表三种波段的光线。故而三种灰度的弥散斑分的越开证明系统的色差越大，但从图17上来看色差已得到良好的校正。图18是未校正倍率色差的系统的点列图，上面色散现象明显。从RMS半径来看图17比图18要小得多(以最大视场为例图17的RMS半径为18.428微米而图18的为156.531微米)证明在引入负透镜以及非球面之后各种像差得到了校正，系统像质得到了极大的提高。 

而在倍率色差图中，倾斜的曲线代表倍率色差随着视场增大而变化的曲线，图25(本系统)所表征的色差值远小于图26(未校正色差)的色差值。图25中倍率色差值最大刚好大于20微米而图26已然大于300微米。 

有上述可知，同时校正倍率色差和场曲两种像差，需要正负透镜组合的结构，同时让二者远离，但是假如二者距离过远则会增大后一片负透镜的口径，太近则校正场曲的效果不明显。所以要按照公式来分配光焦度。 

其中色差校正公式为(由于光阑前置，不存在倍率色差正负补偿的问题，所以各个视场间的倍率色差可以考虑成各视场主光线的位置色差，所以可以采用位置色差公式来求解光焦度)： 

其中，C为色差系数，ν是系统的系统的色散系数，为系统的光焦度，ν1和ν2代表各镜片的色散系数，和代表了各镜片的光焦度。 

在图16所示的曲线中，左侧的是场曲曲线，右侧的是畸变曲线。 

场曲曲线中T线为子午场曲，S线为弧矢场曲，二者作差就是系统的象散，场曲和象散是影响系统轴外视场光线的重要像差，二者过大会严重的影响到系统轴外光线的成质量，从图上来看系统的场曲和象散均被校正到极小范围以内。 

畸变曲线中，畸变不会影响到系统的清晰度，但是会引起系统的图像变形，畸变可由后期图像处理来解决。 

本申请设计的系统属于大视场角消色差目镜，主要应用于头戴显示设备等领域。采用塑料镜片，以及引入非球面来让系统更加轻量化。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明予以详细描述。 

实施例一： 

本发明用于一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，包括外壳、双凸正透镜和双凹负透镜，双凸正透镜与双凹负透镜在外壳内并排设置；所述双凸正透镜包括有凸向物方的第一表面和边缘处为平面且中央位置凸向像方的第二表面；所述双凹负透镜包括凹向物方的第三表面和边缘处为平面且中央位置凹向像方的第四表面，且第三表面为曲率半径无穷大的非球面。 

本发明的镜头系统采用极为简单的结构只有正负两片透镜，靠近人眼的是正透镜，靠近屏幕的为负透镜。正透镜是双凸透镜，负透镜是双凹透镜。两片镜片四个面均为非球面，各个面都易于加工成型，同时重量和成本都很低，适用于大批量生产。 

双凹负透镜可沿外壳轴线移动调整其与双凸正透镜之间的距离。 

如图27所示，负透镜通过移动改变与正透镜之间的距离，模拟不同的焦距，产生适合不同视力人群的效果。表中第一行数据表示用来模拟近视远视的理想透镜的焦距变化、第二行数据表示在不同焦距下正、负透镜的距离、第三行数据表示透镜第一面到相面的距离，第一面就是正透镜离人眼最近的一面。 

本系统在设计时采用倒追光路设计，图1中像面位置是发光屏幕，物面位置是系统所产生的虚像。该广角目镜，其包括双凸正透镜，双凹负透镜，和发光屏幕组成，图1中光阑位置是人眼瞳孔。 

系统通过同时移动负透镜来改变焦距，并根据计算来确定两透镜的合理运动路线。设计变焦系统时在光阑处加入理想面型模拟近视和远视对人眼产生的变化，理想面型的光焦度范围从-0.005到0.005。代表500度远视到500度近视对人眼产生的变化。如图2至图8所示，图2为镜头在适合正常视力时的结构图，图中所示的两片镜片的距离为光焦度调整为零的距离，此时的距离适合正常视力的用户使用，而图2至图8为两片镜片通过调整不同的距离达到适合500度近视和500度远视的人群使用。 

本申请的光学设计时保证了所有焦距状态下系统均能清晰成像。如图9至图15的MTF曲线图所示，MTF传递函数曲线图(光学传递函数)可以综合反映系统的成像质量，其曲线形状越平滑，且相对X轴高度越高，证明系统的成像质量越好，图中各种灰度分别代表各个视场光线，曲线的虚实分别代表弧矢和子午方向的像质，从图上来看，不论是光焦度为0的情况下还是在其与不同焦距 下，图中的曲线均较为平滑紧凑，曲线所表征的MTF值很高，说明系统的像差得到了良好的校正，反映出系统在各个焦距下的成像质量均能得到保证。 

在图19至图24所示的点列图中，各焦距下的弥散斑分布紧凑，色差已得到良好的校正。从RMS半径来看半径控制的非常小，证明在各焦距支架各种像差的到了校正，系统像质得到保证。 

双凸正透镜的折射率的范围为1.45--1.70，色散的范围为50--75。 

双凹负透镜的折射率的范围为1.45--1.75，色散的范围为25--40。 

在镜片调整的过程中，本申请的方案可以将镜头的总长度设计为不变化或者是变化两种情况，在实际生产中可以根据使用要求进行适应性的调整，方便设计使用。 

双凸正透镜选用E48R塑料材质，双凹负透镜选用POLYCARB塑料材质。 

由于双凸正透镜的色散数值较大，适合选用E48R塑料材质，E48R塑料的折射率为1.530、透射率为92％，适合作为大色值的镜片材料。双凹负透镜的色散数值较小，适合选用POLYCARB塑料材质POLYCARB塑料材质的折射大重量小有利于降低整体的产品重量，并且其强度高，能够使镜头成品有更好的抗冲击性，将其放置于靠近人眼的像方，在镜头受到冲击时，能够降低镜片破碎伤害人眼的可能性。 

E48R塑料材质与POLYCARB塑料材质结合有利于镜头进行色差校正，使镜头成品的色差较小，色彩还原真实。 

实施例二： 

在此实施例中： 

所述双凸正透镜和双凹负透镜的透镜表面均为非球面。 

第一表面、第二表面、第三表面和第四表面的表面形状遵循公式： 

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{Y}^{2i}$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方，N为自然数。在此实施例中将第三表面做成近似于平面的形状进行光路的调整，以达到设计要求。 

本实施例中双凸正透镜的折射率为1.45，色散为50。 

本实施例中双凹负透镜的折射率为1.45，色散为25。 

本实施例中将镜头的焦距调整至适合500度远视的人群使用。 

本实施例的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头不对具体的光学设计软件和设计过程进行限定。 

实施例三： 

在此实施例中： 

双凸正透镜的折射率为1.70，色散为75。 

双凹负透镜的折射率为1.75，色散为40。 

本实施例中将镜头的焦距调整至适合500度近视的人群使用。 

实施例四： 

在此实施例中： 

双凸正透镜选用E48R塑料材质，其最佳取值为n1＝1.531160，v1＝56.04。 

双凹负透镜选用POLYCARB塑料材质，其最佳取值为n1＝1.5585470，v1＝29.91。 

本实施例中将镜头的焦距调整至适合正常视力的人群使用。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。 

Claims (10)

1.一种无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：包括外壳、双凸正透镜和双凹负透镜，双凸正透镜与双凹负透镜在外壳内并排设置；所述双凸正透镜包括有凸向物方的第一表面和边缘处为平面且中央位置凸向像方的第二表面；所述双凹负透镜包括凹向物方的第三表面和边缘处为平面且中央位置凹向像方的第四表面；所述双凸正透镜和双凹负透镜的透镜表面均为非球面。

2.根据权利要求1所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述双凹负透镜可沿外壳轴线移动调整其与双凸正透镜之间的距离。

3.根据权利要求1所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述双凸正透镜的折射率的范围为1.45--1.70，色散的范围为50--75。

4.根据权利要求1所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述双凹负透镜的折射率的范围为1.45--1.75，色散的范围为25--40。

5.根据权利要求3所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述双凸正透镜选用E48R塑料材质，其n1＝1.531160，v1＝56.04。

6.根据权利要求4所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述双凹负透镜选用POLYCARB塑料材质，其n1＝1.5585470，v1＝29.91。

7.根据权利要求1所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述第三表面为曲率半径无穷大的非球面。

8.根据权利要求2所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述双凸正透镜在镜头内固定不动，双凹负透镜的移动使镜头满足从近视500度到远视500度的人群。

9.根据权利要求1所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头，其特征在于：所述第一表面、第二表面、第三表面和第四表面的表面形状遵循公式：

$Z=\frac{c{Y}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{Y}^{2i}$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方，N为自然数。

10.一种头戴设备，其特征在于：包括权利要求1-9任一所述的无色差的头戴设备用广角内调焦镜头。