CN104820282A - 一种共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统 - Google Patents

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章国宁
于利运
王国芳
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Abstract

本发明属于光学技术领域。通过共轴排列的球面透镜组的折射与透射，在出瞳位置的双眼眼瞳，以分波前的方式，将出射光分成左右两束，实现对共用的单个显示器图像进行双目观察。本发明涉及的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，为置于显示器与光阑之间的透镜组，其特征在于：所述透镜组为共轴依次排列的n个球面透镜，n为不小于3的自然数；将显示器放置于透镜组的前焦平面，其中心与透镜组光轴重合；包括2n个光学表面，以光阑表面(1)为起点，分别为(2n)和(2n+1)，显示器表面为(2n+2)。该双目目镜光学系统，结构简单，使用方便，观察舒适，性能可靠。出瞳直径和出瞳距离大，可在一定空间范围自由观察，易于持续观察目标图象；可固定在车体上，不增加头部的负担，不易疲劳。适用于车载双目观察仪持续观察周围景物情况或相关信息。

Description

一种共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及目镜光学系统，特别涉及双目观察显示器图像的目镜光学系统。
背景技术
应用小型或微型显示器件的车载双目观察仪，是近年来光电显示技术领域的新型产品，通过目镜放大观察位于前焦平面的显示器图像，了解周围景物情况或相关信息。其目镜组件，由双目目镜和显示器(LCD或OLED显示器)两部分构成。
共用单显示器的车载观察仪双目目镜，一般是采用分光镜或分光棱镜的形式，将光束分为左右两束，进行双目观察，其光学系统的构成较复杂，制作成本较高；在实际观察使用时，由于行驶车辆的振动颠簸，仪器目镜的出瞳可能会偏离观察者的眼瞳位置，甚至完全偏离到眼瞳之外从而无法看到显示器图像，对于正常的观察使用造成一定的不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提出一种共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统。
本发明目的是这样实现的，显示器的出射光，经过依次共轴排列的球面透镜组(即双目目镜光学系统)折射后，传播到后面的两个左右对称的光阑(即出瞳)位置，处于此位置的双眼眼瞳以分波前的方式，将出射光分成左右两束，分别进入左眼和右眼成像，实现对共用的单个显示器图像进行双目观察。
本发明涉及的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，为置于显示器与光阑之间的透镜组，其特征在于：所述透镜组为共轴依次排列的n个球面透镜，n为不小于3的自然数；将显示器放置于透镜组的前焦平面，其中心与透镜组光轴重合；包括2n个光学表面，以光阑表面1为起点，分别为2n和2n+1，显示器表面为2n+2。显示器的出射光，经透镜组折射后，到达眼瞳位置，在双眼眼瞳分波前，分成两束光分别进入左眼和右眼，实现双目观察。
本发明涉及的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，为置于显示器I与光阑E之间的透镜组，其特征在于：所述透镜组为依次共轴排列的5个球面透镜，从显示器I侧到光阑E侧，依次为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5，之后是左右对称的光阑E；其中，第三透镜L3为负透镜，其余透镜为正透镜，光学系统如附图1所示。
本发明涉及的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，为置于显示器I与光阑E之间的透镜组，其特征在于：所述透镜组为依次共轴排列的5个球面透镜，从显示器I侧到光阑E侧，依次为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5，之后是左右对称的光阑E；其中，第三透镜L3为负透镜，其余透镜为正透镜，光学系统如附图2所示。
本发明涉及的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，为置于显示屏I与光阑E之间的透镜组，其特征在于：所述透镜组为依次共轴排列的4个球面透镜，从显示器I侧到光阑E侧，依次为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4，之后是左右对称的光阑E；其中，第一透镜L1为负透镜，其余透镜为正透镜，光学系统如附图3所示。
本发明涉及的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，其特点是：(1)只用单个显示器，用依次共轴排列的球面透镜组(即目镜光学系统)实现非共轴的双目观察功能；(2)在光阑E处的双眼眼瞳以分波前的方式分光，不使用专门的分光镜(或分光棱镜)方式分光；(3)出瞳直径和出瞳距离较大，并可在一定空间范围自由观察，易于持续观察目标图像；(4)包含该双目目镜的目镜组件可固定在车体上，不增加头部的负担，不易疲劳。该双目目镜光学系统结构简单，使用方便，观察舒适，性能可靠。尤其适用于车载双目观察仪持续观察周围景物情况或相关信息。
附图说明
图1本发明涉及的一种共用单显示器的大出瞳双目目镜5透镜光学系统示意图
其中：
图2本发明涉及的另一种共用单显示器的大出瞳双目目镜5透镜光学系统示意图
图3本发明涉及的一种共用单显示器的大出瞳双目目镜4透镜光学系统示意图
其中：
I-显示器，L1-第一透镜，L2-第二透镜，L3-第三透镜，L4-第四透镜，L5-第五透镜，E-光阑。
具体实施方式
下面以三个具体实施例对本发明涉及的技术方案进行详细说明，但不作为对所涉及技术方案的限制。其中所有透镜材料均为常用的光学玻璃材料，所用光学玻璃材料满足：
Nd(玻璃材料折射率)≤1.8；
25≤Vd(玻璃材料阿贝数)≤65。
实施例一
以适用于不大于4英寸的显示屏(宽高比为4：3)，焦距＝109.5mm，出瞳直径＝8mm，出瞳距离＝22mm的5透镜目镜光学系统为例做具体说明。以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器I的表面序号为12，所述实施例一的目镜设计数据如下表1所示。
表1
      
表面序号 曲率半径，mm 表面间隔，mm 玻璃折射率Nd 玻璃阿贝数Vd
1 22
2 83.95 14.82 1.623 58.1
3 779.8 0.8
4 66.41 13.92 1.623 58.1
5 169.34 9.44
6 ∞ 6 1.785 25.7
7 56.23 12.97
8 355.78 8.96 1.678 55.5
9 -177.01 19.26
10 90.36 11.69 1.717 29.5
11 224.9 35.75
12 ∞
该光学系统光学长度156mm，目镜组件可固定在车体上，用于对不大于4英寸的显示器进行双目观察。使用4英寸的显示器时，左眼和右眼的视场重叠区域约为1/3的水平视场；双眼处于设计光阑位置的双目观察状态，可以看到显示器全视场。双目目距范围56mm～72mm，出瞳直径φ8mm；双目观察状态，当双眼与目镜外表面距离在不大于80mm轴向范围内，仍可观察到包含显示屏中心的部分图像。在单目观察状态，只要有一只眼睛位于以目镜光轴为中心的直径φ72mm范围内、并且眼睛与目镜外表面距离不大于80mm的范围内，仍可观察到包含显示屏中心的部分图像。即：该实施例既可以双目观察，也可以单目观察，在行驶车辆振动颠簸、或者使用者轻微地活动头部时，易于持续观察目标图像。
实施例二
以适用于不大于4英寸的显示屏(宽高比为4：3)，焦距＝109.7mm，出瞳直径＝8mm，出瞳距离＝22mm的5透镜目镜光学系统为例做具体说明。以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器I的表面序号为12，所述实施例二的目镜设计数据如下表2所示。
表2
      
表面序号 曲率半径(mm) 表面间隔(mm) 玻璃折射率Nd 玻璃阿贝数Vd
1 22
2 80.012 16.8 1.623 56.9
3 -1087.68 0.8
4 81.139 9.44 1.713 53.8
5 175.387 7.7
6 -415.689 5.98 1.74 28.3
7 60.625 40.33
8 161.556 14.7 1.623 56.9
9 -188.767 14.56
10 73.761 15.75 1.741 52.6
11 111.559 30.84
12 ∞
该光学系统光学长度179mm，目镜组件可固定在车体上，用于对不大于4英寸的显示器进行双目观察，使用4英寸的显示器时，左眼和右眼的视场重叠区域约为1/3的水平视场；双眼处于设计光阑位置的双目观察状态，可以看到显示器全视场。双目目距范围56mm～72mm，出瞳直径φ8mm；双目观察状态，当双眼与目镜外表面距离在不大于80mm轴向范围内，仍可观察到包含显示屏中心的部分图像。在单目观察状态，只要有一只眼睛位于以目镜光轴为中心的直径φ72mm范围内、并且眼睛与目镜外表面距离不大于80mm的范围内，仍可观察到包含显示屏中心的部分图像。即：该实施例既可以双目观察，也可以单目观察，在行驶车辆振动颠簸、或者使用者轻微地活动头部时，易于持续观察目标图像。
实施例三
以适用于不大于4英寸的显示屏(宽高比为4：3)，焦距＝125mm，出瞳直径＝8mm，出瞳距离＝22mm的4透镜目镜光学系统为例做一具体说明。以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器件I的表面序号为10，所述实施例三的目镜设计数据如下表3所示。
表3
      
表面序号 曲率半径(mm) 表面间隔(mm) 玻璃折射率Nd 玻璃阿贝数Vd
1 22
2 80.663 10.31 1.517 64.2
3 211.566 52.66
4 103.950 17.69 1.564 60.8
5 -104.387 1.28
6 -98.759 4.63 1.773 49.6
7 -84.620 1.77
8 -76.453 5.91 1.785 25.8
9 -245.645 59.75
10 ∞
该光学系统光学长度176mm，目镜组件可固定在车体上，用于对不大于4英寸的显示屏进行双目观察，使用4英寸的显示屏时，左眼和右眼的视场重叠区域约为1/3的水平视场；双眼处于设计出瞳位置的双目观察状态，可以看到显示器全视场。双目目距范围56mm～72mm，出瞳直径φ8mm；双目观察状态，当双眼与目镜外表面距离在不大于90mm轴向范围内，仍可观察到包含显示屏中心的部分图像。在单目观察状态，只要有一只眼睛位于以目镜光轴为中心的直径φ72mm范围内、并且眼睛与目镜外表面距离不大于90mm的范围内，仍可观察到包含显示屏中心的部分图像。即：该实施例既可以双目观察，也可以单目观察，在行驶车辆振动颠簸、或者使用者轻微地活动头部时，易于持续观察目标图像。

Claims (6)

1.一种共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，为置于显示器与光阑之间的透镜组，其特征在于：所述透镜组为共轴依次排列的n个球面透镜，n为不小于3的自然数；将显示器放置于透镜组的前焦平面，其中心与透镜组光轴重合；包括2n个光学表面，以光阑表面(1)为起点，分别为(2n)和(2n+1)，显示器表面为(2n+2)。
2.根据权利要求1所述的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，其特征在于：所述透镜组为依次共轴排列的5个球面透镜，从显示器(I)侧到光阑(E)侧，依次为第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)，之后是左右对称的光阑(E)；第三透镜(L3)为负透镜，其余透镜为正透镜。
3.根据权利要求1所述的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，其特征在于：所述透镜组为依次共轴排列的4个球面透镜，从显示器(I)侧到光阑(E)侧，依次为第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)和第四透镜(L4)，之后是左右对称的光阑(E)；第一透镜(L1)为负透镜，其余透镜为正透镜。
4.根据权利要求2所述的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，其特征在于：光学系统设计数据为：
表面序号 曲率半径，mm 表面间隔，mm 玻璃折射率Nd 玻璃阿贝数Vd 1 22 2 83.95 14.82 1.623 58.1 3 779.8 0.8 4 66.41 13.92 1.623 58.1 5 169.34 9.44 6 ∞ 6 1.785 25.7 7 56.23 12.97 8 355.78 8.96 1.678 55.5 9 -177.01 19.26 10 90.36 11.69 1.717 29.5 11 224.9 35.75 12 ∞
。
5.根据权利要求2所述的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，其特征在于：光学系统设计数据为：
表面序号 曲率半径，mm 表面间隔，mm 玻璃折射率Nd 玻璃阿贝数Vd 1 22 2 80.012 16.8 1.623 56.9 3 -1087.68 0.8 4 81.139 9.44 1.713 53.8 5 175.387 7.7 6 -415.689 5.98 1.74 28.3 7 60.625 40.33 8 161.556 14.7 1.623 56.9 9 -188.767 14.56 10 73.761 15.75 1.741 52.6 11 111.559 30.84 12 ∞
。
6.根据权利要求3所述的共用单显示器的大出瞳双目目镜光学系统，其特征在于：光学系统设计数据为：
表面序号 曲率半径，mm 表面间隔，mm 玻璃折射率Nd 玻璃阿贝数Vd 1 22 2 80.663 10.31 1.517 64.2 3 211.566 52.66 4 103.950 17.69 1.564 60.8 5 -104.387 1.28 6 -98.759 4.63 1.773 49.6 7 -84.620 1.77 8 -76.453 5.91 1.785 25.8 9 -245.645 59.75 10 ∞
。
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