CN105892056B - 一种用于头显的中继光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于头显的中继光学系统，包括从像方到物方依次同光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，第三透镜和第四透镜组成胶合透镜组；该中继光学系统只包含六个透镜，其中不涉及其他的设备和装置，结构简单和紧凑，系统整体体积较小，进而系统重量较轻，有利于整机系统的小型化设计；并且该光学系统具有大相对孔径、宽光谱和较大视场的优点，其可靠性更高，能够有效校正光学系统的像差，成像质量优良。

Description

一种用于头显的中继光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于头显的中继光学系统，属于头盔显示器技术领域。
背景技术
头盔显示器(HMD，Head Mounted DisPfay)是一种固定在头盔上，为使用者产生可视图像的小型显示装置。因为头盔显示器系统具有引导雷达、激光、前视红外等探测设备快速对准目标的能力，成为各个兵种的先进装备，这种由电子组件、显示组件、控制器等组成的综合电子显示设备，能将飞行参数、瞄准攻击、自检测等信息，以图像、字符的形式，通过光学部件投射到头盔上显示装置上。头盔显示技术在诸多领域展示出巨大的应用价值和发展潜力。其中，穿透式头盔显示一直以来都是头盔显示技术研究的重点。基于护目镜成像是目前主流的穿透式头盔显示技术，但是其光学系统笨重且占据着头盔内大量空间。对于传统的头盔显示器，其中的中继光学系统体积和重量都较大，结构复杂，无法解决系统对视场、出瞳等要求与小型轻量化之间的矛盾。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于头显的中继光学系统，用以解决传统头显的中继光学系统体积和重量较大和结构复杂的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种用于头显的中继光学系统，包括从像方到物方依次同光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，第三透镜和第四透镜组成胶合透镜组；
该光学系统的参数指标为：焦距F＝28.5mm，FNO＝1，视场角为24°×19.2°，成像光谱范围为425nm～650nm；
所述第一透镜具有正的光焦度并凸向像方，所述第二透镜具有负的光焦度并凸向像方，所述胶合透镜组具有负的光焦度，第五透镜为具有正的光焦度的双凸透镜，第六透镜具有负的光焦度；
第一透镜和第二透镜满足：-1≤F1/F2≤-0.69，第三透镜和第四透镜满足：-1.5≤F3/F4≤-1，第五透镜和第六透镜满足：-1≤F5/F6≤-0.4，其中，F1为第一透镜的焦距值，F2为第二透镜的焦距值，F3为第三透镜的焦距值，F4为第四透镜的焦距值，F5为第五透镜的焦距值，F6为第六透镜的焦距值。
所述第一透镜满足：Nd1≥1.7，Vd1≤55；所述第二透镜满足：Nd2≥1.9，Vd2≤21；所述第五透镜满足：Nd5≥1.9，Vd5≤32；
其中，Nd1为第一透镜材料的d光折射率，Vd1为第一透镜材料的d光阿贝常数，Nd2为第二透镜材料的d光折射率，Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常数，Nd5为第五透镜材料的d光折射率，Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。
所述第一透镜靠近像方的表面为非球面，所述第二透镜靠近物方的表面为非球面，所述第五透镜靠近物方的表面为非球面，所述第六透镜靠近像方的表面为非球面。
所述第一透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.49mm，所述第一透镜靠近物方的表面的曲率半径为80.2mm，所述第二透镜靠近像方的表面的曲率半径为51.16mm，所述第二透镜靠近物方的表面的曲率半径为21.66mm，所述第三透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.87mm，所述第三透镜靠近物方的表面的曲率半径为91.75mm，所述第四透镜靠近像方的表面的曲率半径为91.75mm，所述第四透镜靠近物方的表面的曲率半径为13.59mm，所述第五透镜靠近像方的表面的曲率半径为23.46mm，所述第五透镜靠近物方的表面的曲率半径为-24.09mm，所述第六透镜靠近像方的表面的曲率半径为-13.34mm，所述第六透镜靠近物方的表面的曲率半径为无穷大。
所述第一透镜靠近像方的表面的中心厚度为8.9mm，所述第一透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm，所述第二透镜靠近像方的表面的中心厚度为2mm，所述第二透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.44mm，所述第三透镜靠近像方的表面的中心厚度为4.3mm，所述第三透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第四透镜靠近像方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第四透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm，所述第五透镜靠近像方的表面的中心厚度为8mm，所述第五透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.8mm，所述第六透镜靠近像方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第六透镜靠近物方的表面的中心厚度为2mm。
所述第一透镜材料的d光折射率为1.729，第一透镜材料的d光阿贝常数为54.669，第二透镜材料的d光折射率为1.922，第二透镜材料的d光阿贝常数为20.882，第三透镜材料的d光折射率为1.755，第三透镜材料的d光阿贝常数为52.329，第四透镜材料的d光折射率为1.784，第四透镜材料的d光阿贝常数为25.754，第五透镜材料的d光折射率为1.903，第五透镜材料的d光阿贝常数为31.318，第六透镜材料的d光折射率为1.664，第六透镜材料的d光阿贝常数为35.475。
所述第一透镜的口径为21.8mm×17.5mm，第二透镜的口径为20mm×15.7mm，第三透镜的口径为18mm×14mm，第四透镜的口径为18mm×14mm，第五透镜的口径为18mm×14mm，第六透镜的口径为18mm×14mm。
所述第一透镜的材料为H-LAK52，第二透镜的材料为H-ZF62，第三透镜的材料为H-LAK53A，第四透镜的材料为ZF13，第五透镜的材料为H-LAF75A，第六透镜的材料为ZBAF4。
所述中继光学系统的总长TTL为40.4mm。
本发明提供的中继光学系统中，只包含六个透镜，其中不涉及其他的设备和装置，结构简单和紧凑，系统整体体积较小，进而系统重量较轻，有利于整机系统的小型化设计；并且该光学系统具有大相对孔径、宽光谱和较大视场的优点，其可靠性更高，能够有效校正光学系统的像差，成像质量优良。
附图说明
图1是该中继光学系统的结构示意图；
图2该中继光学系统的垂轴色差曲线图；
图3该中继光学系统的轴向色差曲线图；
图4该中继光学系统的畸变曲线图；
图5该中继光学系统的网格畸变曲线图；
图6该中继光学系统的点列图曲线图；
图7该中继光学系统的光学传递函数曲线图；
图8是中继镜头拼接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供的中继光学系统用于头盔显示器。如图1中所示，像方处于该中继光学系统的左方，物方处于该光学系统的右方。该中继光学系统包括从像方到物方依次同光轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6，其中，第三透镜L3和第四透镜L4组成胶合透镜组。所以，该光学系统中，透镜中的靠近像方的表面为第一面，靠近物方的表面为第二面，而且，该光学系统中的透镜的顺序是按照从像方到物方的方向依次布置的。另外，该光学系统还包括设置在第一透镜L1的第一面(靠近像方的表面)上的孔径光阑(在图1中未示出)。图1中的flat glass相当于微显示器。
本发明提供的光学系统的参数为：焦距F＝28.5mm，FNO＝1，视场角为24°×19.2°，成像光谱范围为425nm～650nm。
第一透镜L1，选取折射率相对较高的材料，并满足：Nd1≥1.7，Vd1≤55，这样设置有利于减小后面透镜的口径，形成一个第一片透镜口径最大的光学系统，其中，Nd1为第一透镜材料的d光折射率，Vd1为第一透镜材料的d光阿贝常数，
第二片透镜L2的折射率较高，并满足：Nd2≥1.9，Vd2≤21，这样设置有利于校正整个系统的像差，其中，Nd2为第二透镜材料的d光折射率，Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常数。
第五透镜L5，选取折射率相对较高的材料，并满足：Nd5≥1.9，Vd5≤32，这样设置能快速会聚前两个负光焦度透镜过来的光线，且高色散材料能有效的补偿光学系统的色差值，其中，Nd5为第五透镜材料的d光折射率，Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。
第一透镜L1和第二透镜L2满足下面的条件公式：
-1≤F1/F2≤-0.69
其中F1表示的是第一透镜L1的焦距值，F2表示的是第二透镜L2的焦距值，这样设置的原因是：如果当F1/F2<-0.69，第一透镜光焦度过大，使得第一透镜曲率半径过小，增加了高级像差；当F1/F2>-1，此时进入第二透镜元件的口径过大，满足不了第一片透镜口径最大的使用要求。
第三透镜L3和第四透镜L4满足下面的条件公式：
-1.5≤F3/F4≤-1
其中F3表示的是第三透镜L3的焦距值，F4表示的是第三透镜L4的焦距值，这样设置有利于校正像差，第三透镜L3和第四透镜L4采用双胶合的形式可以补偿色散，校正色差。
第五透镜L5和第六透镜L6满足下面的条件公式：
-1≤F5/F6≤-0.4
其中F5表示的是第五透镜L5的焦距值，F6表示的是第六透镜L6的焦距值，这样设置的原因是：如果当F5/F6<-1，影响远心特性和像差特性劣化，且增加了第四透镜L4的敏感度；当F5/F6>-0.4，影响入射到第五透镜L5的光线高度，从而产生高级像差，增加第五透镜L5的敏感度。
本实施例中，
如图1所示，第一透镜L1具有正的光焦度(光焦度也称为屈光力)并凸向像方，具体为：透镜L1的表面1凸出，表面2凹进；第二透镜L2具有负的光焦度并凸向像方，具体为：透镜L2的表面3凸出，表面4凹进；第三透镜L3和第四透镜L4组成的胶合透镜组具有负的光焦度；第五透镜L5为具有正的光焦度的双凸透镜，其两个表面8和9均凸出；第六透镜L6具有负的光焦度，表面10凹进，表面11为平面。
所以，在该光学系统构造中，从像方到物方的顺序，透镜设置的顺序依次为：具有正屈光力、负屈光力、负屈光力(这里是指胶合透镜组)、正屈光力和负屈光力，通过适当地分配屈光力，能够使得该光学系统紧凑。
另外，第一透镜L1的表面1、第二透镜L2的表面4、第五透镜L5的表面9及第六透镜L6的表面10为非球面，以改善系统的分辨率并减小畸变像差和球面像差，因此可以实现具有优良光学特性的紧凑的光学系统。其余的表面可以是球面、非球面或者自由曲面。
关于第二透镜L2，在表面4处采用高次的非球面面型，第二透镜L2出射的光以小的角度输出，并扩展光束在透镜表面的口径，从而在每个场中光束彼此不重叠，因此可以改善像差。
由于第三透镜L3和第四透镜L4为胶合透镜组，第三透镜L3的第二面与第四透镜L4的第一面重合，所以，第三透镜L3的第二面与第四透镜L4的第一面的参数相同，同为表面6。
由像方开始，将各个透镜的表面依次编号，表面n的曲率半径为rn，即第一透镜L1的镜面曲率为r1、r2，第二透镜L2的镜面曲率半径为r3、r4，第三透镜L3的镜面曲率半径为r5，r6，第四透镜L4的镜面曲率半径为r6，r7，第五透镜L5的镜面曲率半径为r8，r9，第六透镜L6的镜面曲率半径为r10，r11。
表1给出该光学系统的其中一组具体参数。
表1
面序号 曲率半径r 中心厚度d 折射率Nd 阿贝数Vd
*1 17.49 8.9 1.729 54.669
2 80.2 3.9
3 51.16 2 1.922 20.882
*4 21.66 1.44
5 17.87 4.3 1.755 52.329
6 91.75 1.7 1.784 25.754
7 13.59 3.9
8 23.46 8 1.903 31.318
*9 -24.09 1.8
*10 -13.34 1.7 1.664 35.475
11 Infinity 2
12 Infinity 0.7 1.47 66
表1中的打“*”号的镜面为非球面。
非球面镜面的公式为：
式中：Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面定点的距离矢高sag，c＝1/r，r表示镜面的曲率半径，k为圆锥系数conic，A，B，C，D，E，F均为高次非球面系数，而表中系数中的E代表科学记号，比如：E-05表示10-5。
高次非球面系数A，B，C，D，E，F具体见表2。
表2
另外，第一片透镜L1的口径为21.8mm×17.5mm，材料为H-LAK52；第二片透镜L2的口径为20mm×15.7mm，材料为H-ZF62；第三片透镜L3的口径为18mm×14mm，材料为H-LAK53A；第四片透镜L4的口径为18mm×14mm，材料为ZF13；第五片透镜L5的口径为18mm×14mm，材料为H-LAF75A；第六片透镜L6的口径为18mm×14mm，材料为ZBAF4。
图2至图7为该光学系统的光学性能曲线图，图2为垂轴色差曲线图，采用425nm、560nm、650nm三色光的波长来表示，单位为微米，为系统的垂轴色差，在全视场范围内，考虑所有的波长，最大的色差在0.5视场，大小为5微米,；如果只考虑OLED的三个主波长，即453nm、550nm、600nm，色差减小到3.5微米。图3为轴向色差曲线图，最大的轴向色差为40微米，波长为420nm和650nm。图4为畸变曲线图，表示不同视场角情况下的畸变值，单位为％，采用425nm、560nm、650nm三色光的波长来表示，最大的畸变值为0.8视场。图5为网格畸变图，最大的网格畸变为1.01％。图6代表点列图，所设计的光学系统全视场的RMS值，其中最大的RMS直径为边缘视场，数值为24.6微米。图7为光学传递函数，代表一个光学系统的综合水平，0度视场，7.68度视场，10.86度视场MTF>0.05@53mm/lp。边缘视场出现截止的情况，但此系统为目视系统，人眼观测时，并不影响实际使用。
另外，在保证大相对孔径的设计要求的同时尽量保证物方的远心特性，以保证照度的均匀性。
本发明提供的中继光学系统具有以下特点：相对孔径较大，为1/1.02；视场角较大，为24°×19.2°；部分表面使用非球面，有利于校正像差，减小光学系统总长，总长小于或者等于42mm；结构紧凑，有利于整机系统的小型化设计；成像光谱范围宽，为425nm～650nm，可得到较宽的光谱特性；宽光谱、较大视场，能够使成像质量优良；总长TTL＝40.4mm；与现有传统的头显中的中继光学系统相比，视场更大，眼盒更大，可靠性更高，可以有效校正光学系统的像差，大相对孔径和小畸变。
另外，该光学系统能够进行拼接，如图8所示，利用多个该中继光学系统可用于大出瞳显示系统，图8中，Ⅰ为像源，即物方，Ⅱ为中继光学系统组，通过对该中继光学系统的具体设置，能够使出瞳形状为方形，且第一片透镜口径最大，其余透镜口径小于第一片透镜口径，可实现在第一片透镜处的拼接，即出瞳处的拼接，实现结构紧凑、重量轻的大出瞳准直显示系统。
以上给出了该光学系统的一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动，比如：各个透镜的厚度、大小、形状等均可以根据具体情况进行改变。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于头显的中继光学系统，其特征在于，包括从像方到物方依次同光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，第三透镜和第四透镜组成胶合透镜组；
该光学系统的参数指标为：焦距F＝28.5mm，FNO＝1，视场角为24°×19.2°，成像光谱范围为425nm～650nm；
所述第一透镜具有正的光焦度并凸向像方，所述第二透镜具有负的光焦度并凸向像方，所述胶合透镜组具有负的光焦度，第五透镜为具有正的光焦度的双凸透镜，第六透镜具有负的光焦度；
第一透镜和第二透镜满足：-1≤F1/F2≤-0.69，第三透镜和第四透镜满足：-1.5≤F3/F4≤-1，第五透镜和第六透镜满足：-1≤F5/F6≤-0.4，其中，F1为第一透镜的焦距值，F2为第二透镜的焦距值，F3为第三透镜的焦距值，F4为第四透镜的焦距值，F5为第五透镜的焦距值，F6为第六透镜的焦距值。
2.根据权利要求1所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜满足：Nd1≥1.7，Vd1≤55；所述第二透镜满足：Nd2≥1.9，Vd2≤21；所述第五透镜满足：Nd5≥1.9，Vd5≤32；
其中，Nd1为第一透镜材料的d光折射率，Vd1为第一透镜材料的d光阿贝常数，Nd2为第二透镜材料的d光折射率，Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常数，Nd5为第五透镜材料的d光折射率，Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。
3.根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠近像方的表面为非球面，所述第二透镜靠近物方的表面为非球面，所述第五透镜靠近物方的表面为非球面，所述第六透镜靠近像方的表面为非球面。
4.根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.49mm，所述第一透镜靠近物方的表面的曲率半径为80.2mm，所述第二透镜靠近像方的表面的曲率半径为51.16mm，所述第二透镜靠近物方的表面的曲率半径为21.66mm，所述第三透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.87mm，所述第三透镜靠近物方的表面的曲率半径为91.75mm，所述第四透镜靠近像方的表面的曲率半径为91.75mm，所述第四透镜靠近物方的表面的曲率半径为13.59mm，所述第五透镜靠近像方的表面的曲率半径为23.46mm，所述第五透镜靠近物方的表面的曲率半径为-24.09mm，所述第六透镜靠近像方的表面的曲率半径为-13.34mm，所述第六透镜靠近物方的表面的曲率半径为无穷大。
5.根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠近像方的表面的中心厚度为8.9mm，所述第一透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm，所述第二透镜靠近像方的表面的中心厚度为2mm，所述第二透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.44mm，所述第三透镜靠近像方的表面的中心厚度为4.3mm，所述第三透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第四透镜靠近像方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第四透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm，所述第五透镜靠近像方的表面的中心厚度为8mm，所述第五透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.8mm，所述第六透镜靠近像方的表面的中心厚度为1.7mm，所述第六透镜靠近物方的表面的中心厚度为2mm。
6.根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜材料的d光折射率为1.729，第一透镜材料的d光阿贝常数为54.669，第二透镜材料的d光折射率为1.922，第二透镜材料的d光阿贝常数为20.882，第三透镜材料的d光折射率为1.755，第三透镜材料的d光阿贝常数为52.329，第四透镜材料的d光折射率为1.784，第四透镜材料的d光阿贝常数为25.754，第五透镜材料的d光折射率为1.903，第五透镜材料的d光阿贝常数为31.318，第六透镜材料的d光折射率为1.664，第六透镜材料的d光阿贝常数为35.475。
7.根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜的口径为21.8mm×17.5mm，第二透镜的口径为20mm×15.7mm，第三透镜的口径为18mm×14mm，第四透镜的口径为18mm×14mm，第五透镜的口径为18mm×14mm，第六透镜的口径为18mm×14mm。
8.根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述第一透镜的材料为H-LAK52，第二透镜的材料为H-ZF62，第三透镜的材料为H-LAK53A，第四透镜的材料为ZF13，第五透镜的材料为H-LAF75A，第六透镜的材料为ZBAF4。
9.根据权利要求1或2所述的用于头显的中继光学系统，其特征在于，所述中继光学系统的总长TTL为40.4mm。
CN201610303834.9A 2016-05-09 2016-05-09 一种用于头显的中继光学系统 Active CN105892056B (zh)

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