CN104503076B - 一种微显示目镜和头戴设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微显示目镜和头戴设备。所述微显示目镜包括两个正透镜，沿着光线入射方向依次设置第一正透镜和第二正透镜，在至少一表面上设置具有正光焦度的衍射面，通过衍射面和折射面相互补偿光焦度，使微显示目镜的发光屏幕在1英寸的情况下实现80°的视场角；由于衍射面在正光焦度状态下具有正的色散，因此可以有效补偿系统的色差，并且衍射面不会产生场曲，从而可以进一步提高边缘视场的成像质量；同时采用易于加工的塑料材质的透镜减小体积。本技术方案提供的微显示目镜和头戴设备能够满足轻量化、小型化、低成本和大视场的市场需求。

Description

一种微显示目镜和头戴设备
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种微显示目镜和头戴设备。
背景技术
微显示(即微小屏幕)头戴设备因其屏幕尺寸小、成本低、轻量化的优点在市场上广受欢迎。
微显示系统中像高和视场角满足关系式h＝f·tan(θ)，其中h为屏幕半高度，f为光学系统焦距，θ为半视场角。如果微显示系统提供较大的视场角，即在公式中的h取小值而θ需取大值的要求下，焦距f的取值就会很小。在光学系统的口径一定的情况下，系统的焦距f越小，其屈光度就越强。这就需要多组镜片分担光焦度避免由屈光度过大引起巨大像差。但是采用多组镜片的光学系统有悖于轻量化、小型化的要求；并且传统的光学系统中，校正色差需要正负透镜组合，而引入负透镜则会加大正透镜的光焦度负担，影响成像质量，所以传统的设计很难提供较大的视场角，无法给使用者带来足够的沉浸感，难以满足大视场微显示头戴系统的要求。
发明内容
本发明提供了一种微显示目镜和头戴设备，以解决现有目镜无法在轻量化、小型化的要求下实现大视场的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种微显示目镜，包括第一正透镜和第二正透镜，所述第一正透镜和第二正透镜沿着光线入射的方向依次设置，
所述第一正透镜具有面向像方的第一表面和面向物方的第二表面；
所述第二正透镜具有面向像方的第三表面和面向物方的第四表面；
其中所述第一表面、第二表面、第三表面、第四表面中至少有一面为具有正光焦度的衍射面。
优选地，
所述第一正透镜的第一表面凸向像方，第二表面的中央位置凸向物方，且第二表面为衍射面；
所述第二正透镜的第三表面凸向像方，第四表面的中央位置凸向物方，且第三表面为衍射面。
优选地，所述第二表面的衍射面和所述第三表面的衍射面的面型相同。
优选地，所述第一表面和所述第四表面为非球面。
优选地，所述第一正透镜和所述第二正透镜的上下端面为平面。
优选地所述第一正透镜和/或所述第二正透镜为塑料材质。
优选地，所述第一正透镜的折射率范围为1.45＜n1＜1.70，色散范围为50＜v1＜75；所述第二正透镜为折射率范围为1.45＜n2＜1.75，色散范围为25＜v2＜40。
优选地，所述微显示目镜的发光屏幕的尺寸小于1英寸。
优选地，所述微显示目镜的光阑为人眼瞳孔，与所述第一表面的距离为10mm。
另一方面，本发明提供了一种头戴设备，所述头戴设备采用上述技术方案提供的微显示目镜。
本技术方案提供的微显示目镜和头戴设备采用双正透镜结构，并且在两个正透镜的至少一个表面上设置具有正光焦度的衍射面，通过衍射面和折射面相互补偿光焦度，使微显示目镜的发光屏幕在1英寸的情况下实现80°的视场角；由于衍射面在正光焦度状态下具有正的色散，能够有效的补偿系统的色差，并且几乎不会产生任何场曲，因此微显示目镜的边缘视场的成像质量显著提高；同时本实施例中的透镜可以采用易于加工的塑料材质，进一步减小系统的体积，以使微显示目镜和头戴设备能够满足轻量化、小型化、大视场、低成本的市场需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的微显示目镜的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的微显示目镜的场曲和畸变像差曲线示意图；
图3为本发明实施例提供的微显示目镜的点列图；
图4为一种未校正倍率色差的微显示目镜的点列图；
图5为本发明实施例提供的微显示目镜的光学传递函数曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的微显示目镜的倍率色差示意图；
图7为一种未校色差的微显示目镜的倍率色差示意图。
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。
图1为本发明实施例提供的微显示目镜的结构示意图，本系统为折衍混合式光学系统。
该微显示目镜包括第一正透镜1和第二正透镜2，第一正透镜1和第二正透镜2沿着光线入射的方向依次设置，其中微显示目镜的光阑3即为人眼瞳孔，与第一正透镜1的第一表面11的距离为10mm，其中：
第一正透镜1具有面向像方的第一表面11和面向物方的第二表面12；
第二正透镜2具有面向像方的第三表面21和面向物方的第四表面22；
且所述第一表面11、第二表面12、第三表面21、第四表面22中至少有一表面设置成具有正光焦度的衍射面。
在一优选实施例中，第一正透镜1的第一表面11凸向像方，第二表面12的中央位置凸向物方，且第二表面12为衍射面；
第二正透镜2的第三表面21凸向像方，第四表面22的中央位置凸向物方，且第三表面21为衍射面。
本优选实施例通过设置两个衍射面来分担系统所需的光焦度，并且分别设置在第二表面和第三表面，使两个衍射面位于光学系统的中间位置，方便在生产过程中保护衍射面的面型。
进一步优选地，将第二表面12和第三表面21的衍射面的面型设计成相同。两个面型相同的衍射面可以减少模具加工费用、节省成本。
进一步优选地，将第一表面11和第四表面22设计为非球面，以降低系统的加工复杂度。
进一步优选地，将第一正透镜1和第二正透镜2的上下端面设计为平面，方便调节透镜的装调误差。
在另一实施例中，第一正透镜1为塑料材质，其折射率范围为1.45＜n1＜1.70，色散范围为50＜v1＜75；第二正透镜2为塑料材质，其折射率范围为1.45＜n1＜1.70，色散范围为50＜v1＜75，塑料材质的透镜形状易于加工，使系统更轻便。
图2为本发明实施例提供的微显示目镜的场曲和畸变像差曲线示意图，本实施例中的两个正透镜分别为PMMA型号的塑料材质，其折射率为n1＝1.531160，色散为v1＝56.04；左图为微显示目镜的场曲曲线示意图，图中的t线为子午场曲，s线为弧矢场曲，子午场曲和弧矢场曲的差为系统的象散，场曲和象散影响着系统轴外视场光线的像差，差值过大会严重的影响到系统轴外光线的成像质量。从左图可以看出，本系统的场曲和象散均被校正到极小范围内；右图为微显示目镜畸变像差曲线示意图，畸变不会影响系统的清晰度，仅会引起系统图像变形，但畸变可由后期图像处理解决，从右图可以看出，本系统的畸变在合理范围内，因此，本发明实施例提供的衍射面不仅能够提供正光焦度状态下的正的色散，而且不会影响微显示目镜的场曲和畸变，显著地提高边缘视场的成像质量。
本实施例中的微显示目镜校正了倍率色差，从而能够获得良好的像质，如图3所示，为本发明实施例提供的微显示目镜的点列图，点列图显示的是系统的各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散斑，表征了系统得到各种相差的特性，点列图中的RMS RADIUS(均方根半径)越小证明系统的成像质量越好。图3中三种灰度颜色分别代表三种波段的光线，三种灰度颜色的弥散斑分的越开证明系统的色差越大；图4是未校正倍率色差的微显示目镜的点列图，图中色散现象明显，对比图3和图4可知，本发明实施例提供的微显示目镜的色差已得到良好的校正。
图5为本发明实施例提供的微显示目镜的倍率色差示意图，图中的横轴表示色差，纵轴为视场角，曲线越偏离纵轴倾斜代表倍率色差随着视场增大而发送变化；图6为一种未校色差的微显示目镜的倍率色差示意图，对比图5和图6，可以看出图5中(本发明提供的系统)表征的色差值远小于图6(未校正色差的系统)的色差值，综和图2-图6可以看出，本发明实施例提供的微显示目镜的色差已得到良好的校正。
图7为本发明实施例提供的微显示目镜的光学传递函数曲线示意图，图中横轴代表成像平面圆心到边缘的半径尺寸位置，左边为零是镜头中心，最右边是像场半径边缘处，尺寸单位是毫米，纵轴代表成像素质达到实物状况的百分比，从0到1，光学传递函数MTF可以综合反映系统的成像质量，其曲线形状越平滑、且相对横轴高度越高(即越接近1)，系统的成像质量越好；图7中给出本实施例的微显示目镜在0°～40°视场角获得的MTF(与本实施例的微显示目镜在0°～-40°视场角的MTF曲线互相对称)较为理想，可以看出本系统的像差得到良好的校正。
上述技术方案提供的微显示目镜包括两个正透镜，沿着光线入社方向依次设置有第一正透镜和第二正透镜；采用双正透镜结构，至少在两个正透镜的一个表面上设置具有正光焦度的衍射面，通过衍射面和折射面相互补偿光焦度，使微显示目镜的发光屏幕在1英寸的情况下实现80°的视场角；由于衍射面在正光焦度状态下具有正的色散，能够有效的补偿系统的色差，并且几乎不会产生任何场曲，因此系统的边缘视场的成像质量显著提高；同时本实施例中的透镜采用易于加工的塑料材质，进一步减小系统的体积，以使微显示目镜满足轻量化、小型化、大视场的市场需求。
本发明的另一实施例提供了一种头戴设备，采用上述技术方案提供的微显示目镜。
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 (9)

1.一种微显示目镜，其特征在于，包括第一正透镜和第二正透镜，所述第一正透镜和第二正透镜沿着光线入射的方向依次设置，
所述第一正透镜具有面向像方的第一表面和面向物方的第二表面；
所述第二正透镜具有面向像方的第三表面和面向物方的第四表面；
其中所述第一表面、第二表面、第三表面、第四表面中至少有一面为具有正光焦度的衍射面；
所述第一正透镜的第一表面凸向像方，第二表面的中央位置凸向物方，且第二表面为衍射面；
所述第二正透镜的第三表面凸向像方，第四表面的中央位置凸向物方，且第三表面为衍射面。
2.根据权利要求1所述的微显示目镜，其特征在于，所述第二表面的衍射面和所述第三表面的衍射面的面型相同。
3.根据权利要求1所述的微显示目镜，其特征在于，所述第一表面和所述第四表面为非球面。
4.根据权利要求1所述的微显示目镜，其特征在于，所述第一正透镜和所述第二正透镜的上下端面为平面。
5.根据权利要求1所述的微显示目镜，其特征在于，所述第一正透镜和/或所述第二正透镜为塑料材质。
6.根据权利要求5所述的微显示目镜，其特征在于，
所述第一正透镜的折射率范围为1.45＜n1＜1.70，色散范围为50＜v1＜75；
所述第二正透镜为折射率范围为1.45＜n2＜1.75，色散范围为25＜v2＜40。
7.根据权利要求1-6任一项所述的微显示目镜，其特征在于，所述微显示目镜的发光屏幕的尺寸小于1英寸。
8.根据权利要求7所述的微显示目镜，其特征在于，所述微显示目镜的光阑为人眼瞳孔，与所述第一表面的距离为10mm。
9.一种头戴设备，其特征在于，所述头戴设备包括如权利要求1-8任一项所述的微显示目镜。
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