CN105278109B

CN105278109B - 大视场角目镜光学系统

Info

Publication number: CN105278109B
Application number: CN201510830443.8A
Authority: CN
Inventors: 曹鸿鹏; 彭华军
Original assignee: Shenzhen Nade Optical Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Ned Optics Co Ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2017-11-28
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: CN105278109A

Abstract

本发明提出了一种用于头戴显示器的大视场角目镜光学系统，包括从人眼观察侧到显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜，且所述第一透镜和第三透镜均为正透镜、第二透镜为负透镜，所述第一透镜朝人眼观察侧的面凸向人眼观察侧，曲率半径为正值，第二透镜朝光阑一侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值。同时，第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料、焦距和位置满足一定关系，使显示器件上显示的图像经过目镜放大后在人眼成像。本发明的目镜具有大孔径、大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等有点，适用于头戴显示器及类似装置。

Description

大视场角目镜光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种适用于头戴显示器或类似装置的目镜光学系统。

背景技术

随着电子器件不断向超微型化发展，以及新的计算机、微电子、光电器件和通信理论和技术的发展，可穿戴计算这种基于“以人为本”“人机合一”的新型模式已经成为可能。在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用。在一个典型的可穿戴计算系统架构中，头戴式显示装置是关键的组成部分。头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息。目镜光学系统是头戴显示装置的核心，实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。

头戴显示装置的关键：要体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载。同时，实现的视场角要尽可能的大，使用者可以感受的图像大。除了以上考虑因素外，还需要重点考虑虚拟图像的图像质量，控制光学成像系统的各种类型的像差，增强使用者观察图像的舒适感。这些主要取决于目镜光学系统。

专利文献1(中国专利公开号CN101609208A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，该目镜系统视场角不够大，没有超过55度，不能满足虚拟现实的应用；光学系统的镜片尺径大，将导致头戴近眼显示体积大；量产性考虑不足，镜片边缘用于装配的空间预留不足，导致镜片装配难度大，难于生产。专利文献2(中国专利公开号CN101887166A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，该目镜系统视场角小，不足40度，难以实现大视场角，沉浸感。专利文献3(中国专利公开号CN104570323A)的目镜虽然可以实现大视场角(>70度)光学性能，但是却无法实现低畸变、大出瞳、像方远心等关键的光学性能。这些性能对目镜观察者的使用舒适度、高临场感体验度以及降低视度调整对光学性能的影响，起着至关重要的作用，而若将这些性能和超广角、高分辨率、低色散等性能同时实现，系统的设计难度和像差的优化难度会非常大。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提出了一种目镜，具有大孔径、大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等有点，适用于头戴显示器及类似装置。

本发明通过如下技术方案实现：

一种用于超大视场角近眼显示的目镜，所述目镜包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中第一透镜的焦距为f₁，第二透镜的焦距为f₂，第三透镜的焦距为f₃，目镜有效焦距为f_w，且满足下列关系式：

1)0.45<f₁/f_w<1.20，

2)0.30<|f₂/f_w|<0.60，

3)0.40<f₃/f_w<0.90，

其中，所述第一透镜和第三透镜均为正透镜、第二透镜为负透镜；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求：Nd1>1.74，Nd2>1.58，Nd3>1.78，Nd1、Nd2、Nd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的折射率；Vd1>35，Vd3>35，Vd2<31，Vd1、Vd2、Vd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的阿贝数。

作为本发明的进一步改进，所述第二透镜朝人眼观察侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值。

作为本发明的进一步改进，所述第二透镜朝人眼观察侧的面的曲率半径为R₂₁，朝微型图像显示器件一侧的面的曲率半径为R₂₂，且满足下列关系式：

4)-2.0≦(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≦-0.25。

作为本发明的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距及第二透镜的曲率半径进一步满足以下关系式：

5)0.60<f₁/f_w<0.80，

6)0.30<|f₂/f_w|<0.45，

7)0.50<f₃/f_w<0.60，

8)-0.8≦(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≦-0.35。

作为本发明的进一步改进，在所述第三透镜与微型图像显示器件之间依次排列第四透镜和第五透镜，其中第四透镜和第五透镜的组合焦距为f₄₅，满足下列关系式：

9)0.60<f₁/f_w<1.2，

10)0.35<|f₂/f_w|<0.6，

11)0.55<f₃/f_w<0.9，

12)f₄₅/f_w>2.0。

作为本发明的进一步改进，所述第四透镜和第五透镜组成正-负形式的双胶合镜。

作为本发明的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的焦距进一步满足以下关系式：

13)0.80<f₁/f_w<1.1，

14)0.40<|f₂/f_w|<0.5，

15)0.60<f₃/f_w<0.75，

16)f₄₅/f_w>5.5。

作为本发明的进一步改进，所述第一透镜与第三透镜为玻璃材料。

作为本发明的进一步改进，所述第二透镜可以为玻璃材料或者塑料材料。

作为本发明的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一个面为轴对称非球面。

作为本发明的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面都是轴对称非球面。

本发明还提供了一种头戴显示装置，包括一个微型图像显示器和一个本发明的目镜，所述目镜位于人眼与该微型图像显示器之间。

作为本发明的进一步改进，所述微型显示器是有机电致发光发光器件，或者所述微型显示器是透射式液晶显示器，或者所述微型显示器是反射式液晶显示器。

本发明的有益效果是：本发明的目镜至少包括从人眼观察侧到显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜，且所述第一透镜和第三透镜均为正透镜、第二透镜为负透镜，所述第一透镜朝人眼观察侧的面凸向人眼观察侧，曲率半径为正值，第二透镜朝光阑一侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值。同时，第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料、焦距和位置满足一定关系，使显示器件上显示的图像经过目镜放大后在人眼成像。本发明的目镜有结构紧凑、小尺寸、超大视场的优点，出瞳直径大于一般目镜。该目镜的光学系统可以采用了球面透镜与非球面透镜搭配使用、光学塑料和光学玻璃组合使用，进而在降低制造成本和产品重量的基准上，实现系统像差的大幅消除，实现超短焦、超大视场、小F/#、低畸变、低色差、高分辨率等一系列优质的光学指标，利于人眼观看，达到高临场感的视觉体验。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的目镜的光学系统图；

图2是根据本发明第一实施例的目镜的光学系统传递函数图；

图3(a)是根据本发明第一实施例的目镜的场曲图，图3(b)是根据本发明第一实施例的目镜的畸变曲线图；

图4是根据本发明第二实施例的目镜的光学系统图；

图5是根据本发明第二实施例的目镜的光学系统传递函数图；

图6(a)是根据本发明第二实施例的目镜的场曲图，图6(b)是根据本发明第二实施例的目镜的畸变曲线图；

图7第三实施例的目镜的光学系统图；

图8是根据本发明第三实施例的目镜的光学系统传递函数图；

图9(a)是根据本发明第三实施例的目镜的场曲，图9(b)是根据本发明第三实施例的目镜的畸变曲线图。

图10第四实施例的目镜的光学系统图；

图11是根据本发明第四实施例的目镜的光学系统传递函数图；

图12(a)是根据本发明第四实施例的目镜的场曲，图12(b)是根据本发明第四实施例的目镜的畸变曲线图；

图13第五实施例的目镜的光学系统图；

图14是根据本发明第五实施例的目镜的光学系统传递函数图；

图15(a)是根据本发明第五实施例的目镜的场曲，图15(b)是根据本发明第五实施例的目镜的畸变曲线图；

图16第六实施例的目镜的光学系统图；

图17是根据本发明第六实施例的目镜的光学系统传递函数图；

图18(a)是根据本发明第六实施例的目镜的场曲，图18(b)是根据本发明第六实施例的目镜的畸变曲线图；

图19第七实施例的目镜的光学系统图；

图20是根据本发明第七实施例的目镜的光学系统传递函数图；

图21(a)是根据本发明第七实施例的目镜的场曲，图21(b)是根据本发明第七实施例的目镜的畸变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如附图1所示，本发明第一实施例的目镜的光学系统图，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和显示器件I。在本发明中，光阑E可以为目镜光学系统成像的出瞳，为一个虚拟的出光孔径，人眼的瞳孔在光阑位置时，可以观察到最佳的成像效果。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第二透镜朝人眼观察侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值；第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以更充分地校正系统像差。在此，以光阑E表面序号为1，依此类推(从左至右)，显示器I表面为8。所述第一透镜和第三透镜由高折射率的光学材料制成(例如光学玻璃)。

所述第一实施例目镜设计数据如下表1所示：

表1

请参阅附图2所示的根据发明第一实施例的目镜光的光学系统传递函数图；附图3(a)和附图3(b)分别示出了根据本发明第一实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统大视场及高成像质量等特征。

如附图4所示，本发明第二实施例的目镜的光学系统图，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第二透镜朝光阑一侧的面凹向光阑侧，曲率半径为负值；第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以更充分地校正系统像差。在此，以光阑E表面序号为1，依此类推(从左至右)，显示器I表面为8。本发明的第二实施例增大了第一透镜在系统中正光焦度的权重，较本发明的第一实施例实现了更大的视场角。

所述第二实施例目镜设计数据如下表2所示：

表2

请参阅附图5所示的根据发明第二实施例的目镜的光学系统传递函数图；附图6(a)和附图6(b)分别示出了根据本发明第二实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

如附图7所示，本发明第三实施例的目镜的光学系统图，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第二透镜朝光阑一侧的面凹向光阑侧，曲率半径为负值；第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以更充分地校正系统像差。在此，以光阑E表面序号为1，依此类推(从左至右)，显示器I表面为8。本发明的第三实施例降低了第一透镜在系统中正光焦度的权重，与此同时降低了第二透镜在系统中负光焦度的权重、增加了第三透镜在系统中正光焦度的权重，从而保证系统有效视场角和像差的平衡。并且通过对第一透镜、第二透镜、第三透镜光焦度的平衡调整，缓和了透镜的曲率半径(如第一透镜朝向显示器件方向的表面、第二透镜朝向显示器件方向的表面)，从而降低了透镜的加工制造难度。

所述第三实施例目镜设计数据如下表3所示：

表3

请参阅附图8所示的根据发明第三实施例的目镜的光学系统传递函数图；附图9(a)和附图9(b)分别示出了根据本发明第三实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

如附图10所示，本发明第四实施例的目镜的光学系统图，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第二透镜朝光阑一侧的面凹向光阑侧，曲率半径为负值；第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以更充分地校正系统像差。在此，以光阑E表面序号为1，依此类推(从左至右)，显示器I表面为8。本发明的第四实施例着重调整了第二透镜的两个光学表面的曲率半径关系，使得(R21+R22)/(R21-R22)进一步减小，进而降低第二透镜的加工制造难度、缩短了系统的光学系统长度(光阑到显示器件的距离)。其中第二透镜朝光阑一侧的面的曲率半径为R21，朝显示器件一侧的面的曲率半径为R22。

所述第四实施例目镜设计数据如下表4所示：

表4

请参阅附图11所示的根据发明第四实施例的目镜的光学系统传递函数图；附图12(a)和附图12(b)分别示出了根据本发明第四实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

上述实施例1-4的各项数据均满足发明内容中所记录的参数要求，结果如下表5所示：

表5

	f₁/f_w	\|f₂/f_w\|	f₁/f_w	(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)
					实施1	0.674	0.337	0.540	-0.416
实施2	0.469	0.378	0.618	-0.304
					实施3	0.809	0.459	0.526	-0.503
实施4	0.884	0.410	0.542	-1.120

对本发明的进一步改进，在所述第三透镜与显示器件之间加入双胶合透镜，用以改善系统色差、场曲、象散等像差，降低轴外高阶像差优化难度，从而进一步增大了系统的有效市场角度，降低透镜的加工制造难度。下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如附图13所示，本发明第五实施例的目镜的光学系统，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第二透镜朝光阑一侧的面凹向光阑侧，曲率半径为负值，第四透镜L4和第五透镜L5构成正-负形式的双胶合透镜，以校正系统色差、场曲、象散等像差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以更充分地校正系统像差。在此，以光阑E表面序号为1，依此类推(从左至右)，显示器I表面为11。

所述第五实施例目镜设计数据如下表6所示：

表6

请参阅附图14所示的根据发明第五实施例的目镜的光学系统传递函数图；附图15(a)和附图15(b)分别示出了根据本发明第五实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

如附图16所示，本发明第六实施例的目镜的光学系统图，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第二透镜朝光阑一侧的面凹向光阑侧，曲率半径为负值，第四透镜L4和第五透镜L5构成正-负形式的双胶合透镜，以校正系统色差、场曲、象散等像差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以更充分地校正系统像差。在此，以光阑E表面序号为1，依此类推(从左至右)，显示器I表面为11。

所述第六实施例目镜设计数据如下表7所示：

表7

请参阅附图17所示的根据发明第六实施例的目镜的光学系统传递函数图；附图18(a)和附图18(b)分别示出了根据本发明第六实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

如附图19所示的本发明第七实施例的目镜的光学系统，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第二透镜朝光阑一侧的面凹向光阑侧，曲率半径为负值，第四透镜L4和第五透镜L5构成正-负形式的双胶合透镜，以校正系统色差场曲、象散等像差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以更充分地校正系统像差。在此，以光阑E表面序号为1，依此类推(从左至右)，显示器I表面为11。

所述第七实施例目镜设计数据如下表8所示：

表8

请参阅附图20所示的根据发明第七实施例的目镜的光学系统传递函数图；附图21(a)和附图21(b)分别示出了根据本发明第七实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

上述实施例5-7的各项数据均满足发明内容中所记录的参数要求，结果如下表9所示：

表9

	f₁/f_w	\|f₂/f_w\|	f₃/f_w	f₄₅/f_w
					实施5	0.858	0.464	0.695	21.000
实施6	1.082	0.465	0.660	6.039
					实施7	0.963	0.459	0.700	7.864

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于超大视场角近眼显示的目镜，所述目镜包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中第一透镜的焦距为f₁，第二透镜的焦距为f₂，第三透镜的焦距为f₃，目镜有效焦距为f_w，且满足下列关系式：

1)0.45<f₁/f_w<1.20，

2)0.30<|f₂/f_w|<0.60，

3)0.40f₃/f_w<0.90，

其特征在于：所述第一透镜和第三透镜均为正透镜、第二透镜为负透镜；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求：Nd1>1.74，Nd2>1.58，Nd3>1.78，Nd1、Nd2、Nd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的折射率；Vd1>35，Vd3>35，Vd2<31，Vd1、Vd2、Vd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的阿贝数；所述第二透镜朝人眼观察侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值；所述第二透镜朝人眼观察侧的面的曲率半径为R₂₁，朝微型图像显示器件一侧的面的曲率半径为R₂₂，且满足下列关系式：

4)-2.0≦(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≦-0.25。

2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距及第二透镜的曲率半径进一步满足以下关系式：

5)0.60<f₁/f_w<0.80，

6)0.30<|f₂/f_w|<0.45，

7)0.50<f₃/f_w<0.60，

8)-0.8≦(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≦-0.35。

3.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于：在所述第三透镜与微型图像显示器件之间依次排列第四透镜和第五透镜，其中第四透镜和第五透镜的组合焦距为f₄₅，满足下列关系式：

9)0.60<f₁/f_w<1.2，

10)0.35<|f₂/f_w|<0.6，

11)0.55<f₃/f_w<0.9，

12)f₄₅/f_w>2.0。

4.根据权利要求3所述的目镜，其特征在于：所述第四透镜和第五透镜组成正-负形式的双胶合镜。

5.根据权利要求4所述的目镜，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的焦距进一步满足以下关系式：

13)0.80<f₁/f_w<1.1，

14)0.40<|f₂/f_w|<0.5，

15)0.60<f₃/f_w<0.75，

16)f₄₅/f_w>5.5。

6.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于：所述第一透镜与第三透镜为玻璃材料。

7.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于：所述第二透镜为玻璃材料或者塑料材料。

8.根据权利要求1至7任一项所述的目镜，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一个面为轴对称非球面。

9.根据权利要求8所述的目镜，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面都是轴对称非球面。

10.一种头戴显示装置，包括一个微型图像显示器和一个目镜，所述目镜位于人眼与该微型图像显示器之间，其特征在于：所述目镜为根据权利要求1至9任一项所述的目镜。

11.根据权利要求10所述的头戴显示装置，其特征在于，所述微型显示器是有机电致发光发光器件。

12.根据权利要求10所述的头戴显示装置，其特征在于，所述微型显示器是透射式液晶显示器。

13.根据权利要求10所述的头戴显示装置，其特征在于，所述微型显示器是反射式液晶显示器。