CN104536130B - 一种微显示目镜、头戴目镜系统和微显示头戴设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微显示目镜和微显示头戴设备，所述微显示目镜包括沿着光线依次设置的第一正透镜、第二正透镜、第三负透镜和第四正透镜，所述第一正透镜具有面向像方的第一表面和凸向物方的第二表面，所述第一表面为平面；所述第二正透镜具有凸向像方的第三表面和凸向物方的第四表面；所述第三负透镜具有凹向像方的第五表面和凹向物方的第六表面；所述第四正透镜具有凸向像方的第七表面和凹向物方的第八表面。本技术方案的光学系统采用球面玻璃、非球面塑料透镜合理设计，在校正了倍率色差、场曲、象散等像差，保证系统的成像质量的情况下，同时实现小型化、轻量化以及大视场角的需求。

Description

一种微显示目镜、头戴目镜系统和微显示头戴设备
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、头戴目镜系统和微显示头戴设备。
背景技术
目前，微显示头戴系统由于体积小、重量轻等特点广受消费者欢迎，但由于发光屏幕小，很难做到大视场角。市场上流行的微显示头戴设备视屏视场角基本在40°以下，大大的影响了体验效果。
现有技术中的微显示头戴系统难以实现大视场角的原因至少有两点：其一，设备的发光屏很小，在实现大视场的情况下会给目镜造成很到的压力；其二，一般微显示系统采用LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅)或者DLP(Digital Light Procession，数字光处理)技术来处理图像，但是这两种系统属于反射系统，照明光线经过这两种芯片表面反射来生成图像，因此需要反射棱镜，但反射棱镜受限通光口径，仍然难以实现大视场角。
发明内容
鉴于上述问题，提出了一种微显示目镜、头戴目镜系统和微显示头戴设备。本发明提供微显示目镜、头戴目镜系统和微显示头戴设备，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
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，该微显示目镜逆着光线入射的方向依次设置第一正透镜、第二正透镜、第三负透镜和第四正透镜，
所述第一正透镜为PMMA型号的塑料材质，其折射率范围为1.45＜n1＜1.60，色散范围为50＜v1＜75，所述第一正透镜具有面向像方的第一表面和凸向物方的第二表面，所述第一表面为平面，所述第二表面为非球面；
所述第二正透镜为H-LAK12型号的玻璃材质，其折射率范围为1.45＜n2＜1.75，色散范围为50＜v2＜70，所述第二正透镜具有凸向像方的第三表面和凸向物方的第四表面，所述第三表面和所述第四表面均为球面；
所述第三负透镜为OKP1型号的塑料材质，其折射率范围为1.60＜n3＜1.95，色散范围为20＜v3＜30，所述第三负透镜具有凹向像方的第五表面和凹向物方的第六表面，所述第五表面和所述第六表面均为非球面；
所述第四正透镜为PMMA型号的塑料材质，其折射率范围为1.45＜n4＜1.75，色散范围为50＜v4＜70，所述第四正透镜具有凸向像方的第七表面和凹向物方的第八表面，所述第七表面和所述第八表面均为非球面；
其中，像方指人眼瞳孔所在方向，物方指光源所在方向；该微显示目镜由所述第一正透镜、第二正透镜、第三负透镜和第四正透镜构成的光学系统的总长小于30mm，总重量小于20g，具有55°对角视场角，45°水平视场角。
优选地，所述第一正透镜的折射率n1＝1.491786，色散v1＝57.3；
所述第二正透镜的折射率n2＝1.696801，色散v2＝56.2；
所述第三负透镜的折射率n3＝1.640，色散v3＝22.5；
所述第四正透镜的折射率n4＝1.491786，色散v4＝57.3。
本技术方案的一种微显示目镜由4个透镜构成，沿着光线依次设置第一正透镜、第二正透镜、第三负透镜以及第四正透镜，通过球面玻璃、非球面塑料的透镜合理排列，在保证系统的成像质量的情况下，实现小型化、轻量化以及大视场角的需求。
另一方面，本发明提供了一种头戴目镜系统，包括发光屏幕和上述技术方案提供的微显示目镜。
优选地，所述头戴目镜系统的像面位于人眼瞳孔处。
优选地，所述头戴目镜系统的发光屏幕为1080P、0.7英寸OLED显示屏。
本技术方案的头戴目镜系统，采用具有自发光的M-OLED显示屏作为系统的发光屏幕，相比于现有技术中的LCOS或DLP技术，不需要反射棱镜，因此能够摆脱通光孔径的限制，而且不需要外部光源，能够进一步减小系统的体积。
又一方面，本发明提供了一种微显示头戴设备，包括上述技术方案的头戴目镜系统。
本技术方案的微显示头戴设备能够实现55°对角视场角、45°水平视场角、并且光学系统总长小于30mm、总重量小于20g，因此能够满足轻量化、小型化、大视角的市场需求。
附图说明
图1为头戴可视设备的工作原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种微显示目镜的结构示意图；
图3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4为本发明实施例提供的微显示目镜的场曲曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的微显示目镜的畸变像差曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的微显示目镜的点列图；
图7为本发明实施例提供的微显示目镜的倍率色差曲线示意图。
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为头戴可视设备的工作原理示意图，人眼透过微显示目镜观看显示屏，显示屏发出的光线通过该目镜，并在距离人眼5m处形成一个巨大的虚像，再由人眼接收。
设计该头戴可视设备的光学系统时，采用反向追迹，使头戴可视设备的显示屏位于光学系统的像面位置，光阑位于人眼瞳孔处；其中显示屏采用M-OLED显示屏，用来减少系统体积。
该光学系统包括三个正透镜和一个负透镜：
所述第一正透镜为平凸正透镜，由于靠近人眼处的表面易脏污，因此将第一表面设置为平面，方便清洁；
所述第二正透镜为双凸正透镜，采用折射率高色散低的材料，减少单色像差和色差的产生；此
所述第三负透镜为双凹负透镜，两个凹面采用非球面，校正两个正透镜产生的单色像差和色差；
所述第四正透镜为弯月形透镜，用来校正象散，优化系同边缘像质。
基于上述设计思想，本发明提供了一种微显示目镜，如图2所示，为本发明实施例提供的一种微显示目镜的结构示意图，该微显示目镜逆着光线入射方向依次设置为第一正透镜L1、第二正透镜L2、第三负透镜L3和第四正透镜L4。
第一正透镜L1具有面向像方的第一表面21和凸向物方的第二表面22，由于第一表面21靠近人眼，容易脏污，因此将第一表面21设置为平面，以方便清洁。
第二正透镜L2具有凸向像方的第三表面23和凸向物方的第四表面24；第二正透镜L2用于减少单色像差和色差的产生。
第三负透镜L3具有凹向像方的第五表面25和凹向物方的第六表面26；第三负透镜L3用于校正第一正透镜L1和第二正透镜L2产生的单色像差和色差。
第四正透镜L4具有凸向像方的第七表面27和凹向物方的第八表面28；第四正透镜L4为弯月正透镜，用于校正象散、优化系统边缘像质。
在本发明的优选实施例中，第一正透镜L1、第三负透镜L3和第四正透镜L4为塑料材质，第二正透镜L2为玻璃材质；第一正透镜L1的第二表面22为非球面，第二正透镜L2的第三表面23和第四表面为球面，第三负透镜L3的第五表面25和第六表面26、第四正透镜L4的第七表面27和第八表面28为非球面。本技术方案通过采用非球面塑料材质透镜以及球面玻璃材质透镜组合，以保证微显示目镜小型化、轻量化，同时提高成像质量。
进一步优选地，第一正透镜L1的折射率范围为1.45＜n1＜1.60，色散范围为50＜v1＜75；
第二正透镜L2的折射率范围为1.45＜n2＜1.75，色散范围为50＜v2＜70；
第三负透镜L3的折射率范围为1.60＜n3＜1.95，色散范围为20＜v3＜30；
第四正透镜L4的折射率范围为1.45＜n4＜1.75，色散范围为50＜v4＜70。
具体的，第一正透镜L1为PMMA型号的塑料材质，其折射率n1＝1.491786，色散v1＝57.3；
第二正透镜L2为H-LAK12型号的玻璃材质，其折射率n2＝1.696801，色散v2＝56.2；
第三负透镜L3为OKP1型号的塑料材质，其折射率n3＝1.640，色散v3＝22.5；
第四正透镜为L4为PMMA型号的塑料材质，其折射率n4＝1.491786，色散v4＝57.3。
在上述技术方案中，由4个透镜构成的光学系统能够实现55°对角视场角、45°水平视场角，并且校正了倍率色差、场曲、象散等像差，无畸变，成像质量较好。
本发明的另一实施例提供给了一种头戴目镜系统，该头戴目镜系统包括：发光屏幕和上述技术方案提供的微显示目镜。
该头戴目镜系统的像面位于人眼瞳孔处，即该系统的光阑位于人眼瞳孔处。
优选地，该头戴目镜系统的发光屏幕为1080P(Progressive scan，逐行扫描)、0.7英寸OLED显示屏。
其中OLED显示屏相比LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅)或者DLP(Digital Light Procession，数字光处理)技术，具有自发光的优势，因此不需要外部光源，也不需要反射棱镜，可以摆脱通光孔径的限制，还可以进一步减少系统的体积，并且1080P分辨率的可以有效降低颗粒感，提高成像质量。
该头戴目镜系统能够达到如下技术指标：
55°对角视场角、45°水平视场角；
系统总长小于30mm，总重量小于20g；
出瞳距离为18mm；
最大像半高9.5mm；
系统校正了倍率色差、场曲、象散等像差，成像质量较好。
本发明的另一实施例提供给了一种微显示头戴设备，该微显示头戴设备包括上述技术方案的头戴目镜系统。
由于微显示头戴设备的光学系统能够实现55°对角视场角、45°水平视场角、并且光学系统总长小于30mm、总重量小于20g、出瞳距离为18mm、最大像半高为9.5mm，因此能够使该微显示头戴设备满足小型化、轻量化、大视角的市场需求。
图3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，该光学传递函数MTF为20线对下的MTF。图中横轴代表每毫米的线对数，尺寸单位是lp/mm，纵轴代表成像像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；图中分别绘出了0.000mm至9.500mm像高下的像质，从图中可以看出，传递函数的曲线较为平滑紧凑，镜头的成像质量较好。
图4为本发明实施例提供的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。从图中可以看出，本系统的场曲和象散均被校正到极小范围内。
图5为本发明实施例提供的微显示目镜的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，畸变可由后期图像处理来解决。本技术方案中的微显示目镜的畸变小于3％，这说明图像变形微乎其微，可以认为无畸变。
图6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RMSRADIUS(均方根半径)越小证明系统的成像质量越好。图7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；本镜头在成像平面(IMA像面)上从0.000mm到9.500mm像高下的弥散斑均方根半径依次为13.900μm、11.871μm、10.293μm、14.697μm、17.008μm、19.843μm、18.711μm、16.666μm、15.635μm、16.390μm、18.270μm，由此可知本系统的像差得到良好的校正。
图7为本发明实施例提供的微显示目镜的倍率色差曲线示意图，纵轴为视场角，横轴为相对绿光光斑的高度差，单位为μm。图中的R曲线和B曲线分别表示红光和蓝光相对绿光(绿光为图中的纵轴)在像面的投射高度差，R曲线与B曲线的差值即为系统的倍率色差，图7中相对于纵轴各个位置上倍率色差值远小于20μm，说明本系统的色差得到良好的校正。
本发明的另一实施例提供给了一种微显示头戴设备，该微显示头戴设备包括：发光屏幕和上述技术方案提供的微显示目镜。
综上所述，本发明公开了一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备，该微显示目镜的光学系统由4个透镜构成，沿着光线依次设置第一正透镜、第二正透镜、第三负透镜以及第四正透镜，通过球面玻璃、非球面塑料的透镜合理排列，在保证系统的成像质量的情况下，实现小型化、轻量化以及大视场角的需求。
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 (6)

1.一种微显示目镜，其特征在于，该微显示目镜逆着光线入射方向依次设置第一正透镜、第二正透镜、第三负透镜和第四正透镜，
所述第一正透镜为PMMA型号的塑料材质，其折射率范围为1.45＜n1＜1.60，色散范围为50＜v1＜75，所述第一正透镜具有面向像方的第一表面和凸向物方的第二表面，所述第一表面为平面，所述第二表面为非球面；
所述第二正透镜为H-LAK12型号的玻璃材质，其折射率范围为1.45＜n2＜1.75，色散范围为50＜v2＜70，所述第二正透镜具有凸向像方的第三表面和凸向物方的第四表面，所述第三表面和所述第四表面均为球面；
所述第三负透镜为OKP1型号的塑料材质，其折射率范围为1.60＜n3＜1.95，色散范围为20＜v3＜30，所述第三负透镜具有凹向像方的第五表面和凹向物方的第六表面，所述第五表面和所述第六表面均为非球面；
所述第四正透镜为PMMA型号的塑料材质，其折射率范围为1.45＜n4＜1.75，色散范围为50＜v4＜70，所述第四正透镜具有凸向像方的第七表面和凹向物方的第八表面，所述第七表面和所述第八表面均为非球面；
其中，像方指人眼瞳孔所在方向，物方指光源所在方向；该微显示目镜由所述第一正透镜、第二正透镜、第三负透镜和第四正透镜构成的光学系统的总长小于30mm，总重量小于20g，具有55°对角视场角，45°水平视场角。
2.根据权利要求1所述的微显示目镜，其特征在于，
所述第一正透镜的折射率n1＝1.491786，色散v1＝57.3；
所述第二正透镜的折射率n2＝1.696801，色散v2＝56.2；
所述第三负透镜的折射率n3＝1.640，色散v3＝22.5；
所述第四正透镜的折射率n4＝1.491786，色散v4＝57.3。
3.一种头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统包括：发光屏幕和如权利要求1或2所述的微显示目镜。
4.根据权利要求3所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的像面位于人眼瞳孔处。
5.根据权利要求3所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的发光屏幕为1080P、0.7英寸OLED显示屏。
6.一种微显示头戴设备，其特征在于，包括权利要求3-5任一项所述的头戴目镜系统。
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