发明内容
本发明提供了一种微型鱼眼镜头及头戴显示设备,以满足微型化、大视场角、大相对孔径的应用需求。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一方面,本发明实施例提供了一种微型鱼眼镜头,包括6个透镜和一个光阑,沿着光线入射方向依次构成前组、光阑和后组,
所述前组沿着光线入射方向依次包括:第一负透镜,第二负透镜,第三正透镜;用于减小轴外视场主光线相对于光轴的夹角;
所述后组沿着光线入射方向依次包括:第四正透镜,第五负透镜,第六正透镜;且所述后组具有正光焦度;用于汇聚光线并控制主光线倾斜角;
所述光阑固定于所述第三正透镜与所述第四正透镜之间。
优选地,所述第一负透镜具有凸向物方的第一表面,上下端为平面且中央位置凹向像方的第二表面;
所述第二负透镜具有凹向物方的第三表面,上下端为平面且中央位置凹向像方的第四表面;
所述第三正透镜具有凸向物方的第五表面,凸向像方第六表面;
所述光阑的光阑面构成第七表面;
所述第四正透镜具有凸向物方的第八表面,凸向像方的第九表面;
所述第五负透镜具有凹向物方的第十表面,凹向像方的第十一表面;
所述第六正透镜具有凹向物方的第十二表面,凹向像方的第十三表面。
优选地,所述第一负透镜的折射率和色散范围分别为1.45<n1<1.70,50<v1<75;
所述第二负透镜的折射率和色散范围分别为1.45<n2<1.75,50<v2<65;
所述第三正透镜的折射率和色散范围分别为1.50<n3<1.70,40<v3<65;
所述第四正透镜的折射率和色散范围分别为1.50<n4<1.70,40<v4<65;
所述第五负透镜的折射率和色散范围分别为1.55<n5<1.75,20<v5<40;
所述第六正透镜的折射率和色散范围分别为1.50<n6<1.65,55<v6<70。
优选地,所述第一负透镜采用H-ZK7型号的玻璃材质;
所述第二负透镜采用PMMA型号的塑料材质;
所述第三正透镜采用E48R型号的塑料材质;
所述第四正透镜采用E48R型号的塑料材质;
所述第五负透镜采用OKP4HT型号的塑料材质;
所述第六正透镜采用E48R型号的塑料材质。
优选地,所述第一负透镜、所述第二负透镜和所述第三正透镜构成逆伽利略结构形式。
优选地,所述第四正透镜、所述第五负透镜和所述第六正透镜构成三分离结构。
优选地,所述第一负透镜的两个表面均为玻璃球面;
所述第二负透镜至所述第六正透镜的表面均为塑料非球面。
优选地,所述第三正透镜为鼓型透镜。
基于上述技术方案,系统总长小于11.5mm,视场角为160°,F数为2.0。
另一方面,本发明实施例提供了一种头戴显示设备,包括上述技术方案中的微型鱼眼镜头。
本发明实施例的有益效果是:本发明实施例公开的一种微型鱼眼镜头及头戴显示设备,该微型鱼眼镜头的光学系统包括6个透镜和一个光阑,沿着光线入射方向依次构成前组、光阑和后组,通过前组减小轴外视场主光线相对于光轴的夹角,后组汇聚光线并控制主光线倾斜角。本实施例的微型鱼眼 镜头结构简单、生产成本低,能够实现160°视场角、小筒长、大相对孔径的要求。
在优选方案中,通过采用球面的玻璃透镜与非球面的塑料透镜,降低加工难度;通过合理搭配镜片,使系统的色差得到良好的校正。
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一种微型鱼眼镜头的结构示意图,该微型鱼眼镜头沿着光线入射方向依次构成前组11、光阑12和后组13;前组11用于减小轴外视场主光线相对于光轴的夹角,后组13用于汇聚光线并控制主光线倾斜角,光阑12用于限制光束通过光学系统。
前组11沿着光线入射方向依次包括:第一负透镜L1,第二负透镜L2,第三正透镜L3;
后组13沿着光线入射方向依次包括:第四正透镜L4,第五负透镜L5,第六正透镜L6;且后组13具有正光焦度;
光阑12固定于第三正透镜L3与第四正透镜L4之间。
本实施例的前组采用负负正结构,通过具有较大光焦度的负透镜来弯曲轴外视场主光线,减小其相对于主光轴的夹角,从而实现减小后组元件尺寸的目的;后组采用正负正结构,实现汇聚光线、减小主光线倾斜角(Chief Ray Angle,CRA)、校正色差、保证照度均匀性的目的。
本实施例的微型鱼眼镜头结构简单、能够有效降低生产难度,降低生产成本,使微型鱼眼镜头能够满足安防、监控、车载、可穿戴设备等技术领域的使用需求。
一优选实施例中,
第一负透镜L1具有凸向物方的第一表面,上下端为平面且中央位置凹向像方的第二表面。
第二负透镜L2具有凹向物方的第三表面,上下端为平面且中央位置凹向像方的第四表面。
第三正透镜L3具有凸向物方的第五表面,上下端为平面且中央位置凸向像方第六表面。
优选地,第三正透镜L3为鼓型透镜,使从前组11的两个负透镜射出的光线汇聚,并补偿前组11产生的象散、色差等像差。
其中第一负透镜L1、第二负透镜L2和第三正透镜L3构成逆伽利略形式,使大视场角的平行光束转换成相对光轴夹角小的平行光束,减小其相对于主光轴的夹角。
光阑12的光阑面构成第七表面。
第四正透镜L4具有凸向物方的第八表面,上下端为平面且中央位置凸向像方的第九表面。
第五负透镜L5具有凹向物方的第十表面,上下端为平面且中央位置凹向像方的第十一表面。
第六正透镜L6具有凹向物方的第十二表面,上下端为平面且中央位置凹向像方的第十三表面。
其中第四正透镜L4、第五负透镜L5和第六正透镜L6构成三分离结构,使光线进一步汇聚以及校正色差、控制CRA。
在本优选实施例中,第一负透镜L1的两个表面均为玻璃球面,第二负透镜L2至第六正透镜L6的表面均为塑料非球面。
具体的,
第一负透镜L1的折射率和色散范围分别为1.45<n1<1.70,50<v1<75,优 选H-ZK7型号的玻璃材质;
第二负透镜L2的折射率和色散范围分别为1.45<n2<1.75,50<v2<65,优选PMMA型号的塑料材质;
第三正透镜L3的折射率和色散范围分别为1.50<n3<1.70,40<v3<65,优选E48R型号的塑料材质;
第四正透镜L4的折射率和色散范围分别为1.50<n4<1.70,40<v4<65,优选E48R型号的塑料材质;
第五负透镜L5的折射率和色散范围分别为1.55<n5<1.75,20<v5<40,优选OKP4HT型号的塑料材质
第六正透镜L6的折射率和色散范围分别为1.50<n6<1.65,55<v6<70,优选E48R型号的塑料材质。
本优选实施例采用6个透镜,合理安排各个面的光焦度;同时选取合适的材料,通过玻璃与塑料、球面与非球面相结合,实现了大视场、大相对孔径、小筒长的设计需求。
在上述技术方案中,由6个透镜和1个光阑构成的光学系统达到了如下的技术指标:
160°视场角;
F数为2.0;
系统总长小于11.5mm;
系统焦距为1.82mm;
可见光波段为480-660μm;
截止频率120lp/mm;
系统的传递函数在120线对处达到0.6以上;
光敏面对角线尺寸为4.5mm。
图2为本发明实施例提供的微型鱼眼镜头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;图中分别绘出了0°视场角、30°视场角、50°视场角、70°视场角、80°视场角下弧矢和子午方向上的像质,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3为本发明实施例提供的微型鱼眼镜头的场曲曲线示意图,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50μm以内。
图4为本发明实施例提供的微型鱼眼镜头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,对于鱼眼镜头来说,校正畸变是不可能的。
图5为本发明实施例提供的微型鱼眼镜头的点列图,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5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;从本图可以看出,本镜头的弥散斑直径均小于6μm,说明本系统的像差得到良好的校正。
图6为本发明实施例提供的微型鱼眼镜头的相对照度图,相对照度是大视场镜头的一个非常重要的参数。图中纵轴表示相对照度,横轴表示视场角。在视场角大的状态下,如果光学系统对轴外主光线的屈光能力不足,会使得轴外主光线和光敏元件法线的夹角变大,从而使得光照度不均匀;从本图可以看出,本镜头的边缘光照度可以到达80%,运高于其他系统的65%(调查值)。
本发明的一实施例提供了一种头戴显示设备,包括上述技术方案中的微型鱼眼镜头。由于该微型鱼眼镜头能够实现160°视场角、系统总长小于11.5mm,其F数为2.0,并且系统焦距为1.82mm、光敏面对角线尺寸为4.5mm,因此能够使该头戴显示设备满足小型化、大视角、大相对孔径的市场需求。
综上所述,本发明实施例公开的一种微型鱼眼镜头及头戴显示设备,该微型鱼眼镜头的光学系统包括6个透镜和一个光阑,沿着光线入射方向依次构成前组、光阑和后组,通过前组减小轴外视场主光线相对于光轴的夹角,后组汇聚光线并控制主光线倾斜角。本实施例的微型鱼眼镜头结构简单、生产成本低,能够实现160°视场角、小筒长、大相对孔径的要求。在优选方案中,通过采用球面的玻璃透镜与非球面的塑料透镜,降低加工难度;通过合理搭配镜片,使系统的色差得到良好的校正。
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。