CN106019569B - 一种目镜系统和头戴显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种目镜系统和头戴显示设备。该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的显示屏、菲涅尔反射镜和柱面透镜，柱面透镜相对光路光阑的中心线垂直设置，显示屏相对光路光阑的中心线成第一倾斜角设置，菲涅尔反射镜相对光路光阑的中心线成第二倾斜角设置，第一倾斜角与第二倾斜角不相等；显示屏用于发出携带有图像信息的入射光；菲涅尔反射镜用于汇聚显示屏发出的入射光，并将入射光反射至柱面透镜；柱面透镜用于将菲涅尔反射镜反射的光折射到人眼中，以补偿菲涅尔反射镜倾斜引起的象散。本发明的目镜系统具有结构简单、紧凑，体积小，成像质量优良的优势。
Description
技术领域
本发明涉及光学透镜技术领域，特别涉及一种目镜系统和头戴显示设备。
背景技术
目前，随着科技的不断发展，头戴显示器进入民用市场，越来越多的人开始使用此类产品，通过头戴显示器中的目镜系统享受浸入式的视觉体验。但是，在目前市面上的头戴显示器的目镜系统设计方案中，一般要求透镜组承担整个目镜系统的光焦度，因此需要多个透镜相互适配，多个透镜产生的色差使得目镜系统的成像质量大大降低，而且导致目镜系统整体具有体积大和质量大的缺点，笨重的头戴显示器给使用者的头部带来了很大的压力，极大地降低了使用者的体验效果和舒适性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种目镜系统和头戴显示设备，以解决现有目镜系统体积大、质量大导致的用户体验差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种目镜系统，该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的显示屏、菲涅尔反射镜和柱面透镜，所述柱面透镜相对光路光阑的中心线垂直设置，所述显示屏相对光路光阑的中心线成第一倾斜角设置，所述菲涅尔反射镜相对光路光阑的中心线成第二倾斜角设置，所述第一倾斜角与所述第二倾斜角不相等；
所述显示屏，用于发出携带有图像信息的入射光；
所述菲涅尔反射镜，用于汇聚所述显示屏发出的入射光，并将所述入射光反射至柱面透镜；
所述柱面透镜，用于将所述菲涅尔反射镜反射的光折射到人眼中，以补偿菲涅尔反射镜倾斜引起的象散。
优选地，所述菲涅尔反射镜的光反射面为具有正光焦度的菲涅尔面，所述菲涅尔面的基底为平面。
优选地，所述柱面透镜的光入射面为平面，光出射面为凹向光路光阑的柱面。
优选地，所述柱面透镜的柱面母线平行于光路光阑所在的平面。
优选地，所述显示屏相对光路光阑的中心线所成的第一倾斜角为55.43°；所述菲涅尔反射镜相对光路光阑的中心线所成的第二倾斜角为45°。
优选地，所述菲涅尔反射镜的半口径为26.4mm，其光反射面的半径为50.2mm、圆锥系数为-2.882888858799、四次项系数为2.651425240788000E-006、六次项系数为3.515297900695000E-010。
优选地，所述柱面透镜的半口径为6.732822979906091mm，其柱面半径为7.46669mm、四次项系数为3.889807350034000E-005、六次项系数为-5.138481508652000E-007。
优选地，所述目镜系统的焦距为25.21mm、轴向长度为26mm。
优选地，所述柱面透镜为PMMA型号的塑料材质。
另一方面，本发明还提供了一种头戴显示设备，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，所述左眼目镜系统和右眼目镜系统采用上述技术方案提供的目镜系统。
本发明实施例的有益效果是：1、本发明通光合理设计显示屏、菲涅尔反射镜和柱面透镜，构成了一种结构简单的目镜系统；2、在设计过程中，本发明通过倾斜设置菲涅尔反射镜和显示屏，使得目镜系统具有结构紧凑的折叠光路，从而显著地减少了目镜系统的体积，且由于菲涅尔反射镜相对于球面反射镜对通光口径的限制更小，因而能够更加节省设计空间，进一步减少目镜系统的体积；3、在设计过程中，本发明通过采用菲涅尔反射镜与柱面透镜相互配合，利用柱面透镜补偿菲涅尔反射镜倾斜引起的象散，提高了成像质量。
附图说明
图1为反射式目镜系统的光路示意图；
图2为本发明提供的目镜系统的光路示意图；
图3为本发明提供的菲涅尔反射镜的结构示意图；
图4为本发明提供的柱面透镜的结构示意图；
图5为未设置柱面透镜的目镜系统的点列图；
图6为本发明提供的具有柱面透镜的目镜系统的点列图。
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。
实施例一：
图1为反射式目镜系统的光路示意图，光线由屏幕发出，经过反射镜反射后进入到人眼，反射镜采用正光焦度以使屏幕的像被放大，即使得显示屏产生的光汇聚入射到人眼中，在人眼前一定距离处形成正立、放大的虚像，从而给人震撼的视觉体验。
图2为本发明提供的目镜系统的光路示意图，如图2所示，该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的显示屏101、菲涅尔反射镜102和柱面透镜103；
柱面透镜103相对光路光阑104的中心线垂直设置，显示屏101相对光路光阑104的中心线成第一倾斜角设置，菲涅尔反射镜102相对光路光阑104的中心线成第二倾斜角设置，其中第一倾斜角与第二倾斜角不相等；
显示屏101，用于发出携带有图像信息的入射光；
菲涅尔反射镜102，用于汇聚显示屏101发出的入射光，并将入射光反射至柱面透镜103；
柱面透镜103，用于将菲涅尔反射镜102反射的光折射到人眼中，以补偿菲涅尔反射镜102倾斜引起的象散。
本实施例通光合理设计显示屏、菲涅尔反射镜和柱面透镜，构成了一种结构简单的目镜系统；在设计过程中，本实施例通过倾斜设置菲涅尔反射镜和显示屏，使得目镜系统具有结构紧凑的折叠光路，从而显著地减少了目镜系统的体积，且由于菲涅尔反射镜相对于球面反射镜对通光口径的限制更小，因而能够更加节省设计空间，进一步减少目镜系统的体积；在设计过程中，本实施例通过采用菲涅尔反射镜与柱面透镜相互配合，利用柱面透镜补偿菲涅尔反射镜倾斜引起的象散，提高了成像质量。
图3为本实施例提供的菲涅尔反射镜的结构示意图，如图3所示，菲涅尔反射镜102的光反射面S1为具有正光焦度的菲涅尔面，菲涅尔面的基底为平面。
本实施例通过将菲涅尔反射镜的光反射面设置为正光焦度，使得在对光线进行汇聚的过程中，菲涅尔反射镜承担了目镜系统的大部分光焦度，减轻了目镜系统对柱面透镜光焦度的要求，不仅减少了柱面透镜所产生的色差，又由于菲涅尔反射镜在会聚光线的过程中不会产生色差，进而能够大大减少了目镜系统的色差，进一步提高成像质量。
需要说明的是，本实施例对菲涅尔反射镜的另一面，即菲涅尔反射镜的S2面的面型不做具体限定，图3中仅示意菲涅尔反射镜的S2面可以为平面。
图4为本实施例提供的柱面透镜的结构示意图，如图4所示，柱面透镜103的光入射面S4为平面，光出射面S3为凹向光路光阑的柱面；其中，柱面透镜103的柱面母线平行于光路光阑104所在的平面；即柱面透镜正立设置在目镜系统中。
本实施例优选设置柱面透镜103为PMMA型号的塑料材质。
在本实施例的一个具体实现方案中，显示屏101相对光路光阑104的中心线所成的第一倾斜角为55.43°，菲涅尔反射镜102相对光路光阑104的中心线所成的第二倾斜角为45°；
菲涅尔反射镜的半口径为26.4mm，其光反射面的半径为50.2mm、圆锥系数为-2.882888858799、四次项系数为2.651425240788000E-006、六次项系数为3.515297900695000E-010；
柱面透镜的半口径为6.732822979906091mm，其柱面半径为7.46669mm、四次项系数为3.889807350034000E-005、六次项系数为-5.138481508652000E-007。
本具体实现方案中的目镜系统的焦距为25.21mm、轴向长度为26mm。
在上述技术方案中，本具体实现方案中的目镜系统能够达到43.2°的最大水平视场角，41°的最大竖直视场角，60°的对角，人眼有效活动区域EYEBox的直径为8mm的技术指标。
如图5和图6所示，图5为未设置柱面透镜的目镜系统的点列图，图6为本实施例提供的具有柱面透镜的目镜系统的点列图，对比图5和图6，可以直观的看出未设置柱面透镜的目镜系统的弥散斑直径较大，本发明提供的具有柱面透镜的目镜系统的弥散斑直径相对较小；由于弥散斑越小证明系统的成像质量越好，可见，本发明设置的柱面透镜能够有效地补偿菲涅尔反射镜倾斜引起的象散，因此本发明提供的具有柱面透镜的目镜系统能够获得良好的成像质量。
实施例二：
基于与实施例一相同的发明构思，本实施例提供了一种头戴显示设备，该头戴显示设备，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，左眼目镜系统和右眼目镜系统采用实施例一中的目镜系统。
本实施例通过在头戴设备中设置应用上述左、右眼目镜系统，给使用者更为完美的视觉体验。
综上所述，本发明提供了一种目镜系统和头戴显示设备，本发明通光合理设计显示屏、菲涅尔反射镜和柱面透镜，构成了一种结构简单的目镜系统；在设计过程中，本发明一方面，通过倾斜设置菲涅尔反射镜和显示屏，使得目镜系统具有结构紧凑的折叠光路，从而显著地减少了目镜系统的体积，且由于菲涅尔反射镜相对于球面反射镜对通光口径的限制更小，因而能够更加节省设计空间，进一步减少目镜系统的体积；在设计过程中，本发明另一方面，通过采用菲涅尔反射镜与柱面透镜相互配合，利用柱面透镜补偿菲涅尔反射镜倾斜引起的象散，提高了成像质量。
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
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 (8)
1.一种目镜系统，其特征在于，该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的：显示屏、菲涅尔反射镜和柱面透镜，所述柱面透镜相对光路光阑的中心线垂直设置，所述显示屏相对光路光阑的中心线成第一倾斜角设置，所述菲涅尔反射镜相对光路光阑的中心线成第二倾斜角设置，所述第一倾斜角与所述第二倾斜角不相等，所述显示屏相对光路光阑的中心线所成的第一倾斜角为55.43°，所述菲涅尔反射镜相对光路光阑的中心线所成的第二倾斜角为45°；
所述显示屏，用于发出携带有图像信息的入射光；
所述菲涅尔反射镜，用于汇聚所述显示屏发出的入射光，并将所述入射光反射至柱面透镜；所述菲涅尔反射镜的光反射面为具有正光焦度的菲涅尔面，所述菲涅尔面的基底为平面；
所述柱面透镜，用于将所述菲涅尔反射镜反射的光折射到人眼中，以补偿所述菲涅尔反射镜倾斜引起的象散。
2.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述柱面透镜的光入射面为平面，光出射面为凹向光路光阑的柱面。
3.根据权利要求2所述的目镜系统，其特征在于，所述柱面透镜的柱面母线平行于光路光阑所在的平面。
4.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述菲涅尔反射镜的半口径为26.4mm，其光反射面的半径为50.2mm、圆锥系数为-2.882888858799、四次项系数为2.651425240788000E-006、六次项系数为3.515297900695000E-010。
5.根据权利要求2所述的目镜系统，其特征在于，所述柱面透镜的半口径为6.732822979906091mm，其柱面半径为7.46669mm、四次项系数为3.889807350034000E-005、六次项系数为-5.138481508652000E-007。
6.根据权利要求1至5任一项所述的目镜系统，其特征在于，所述目镜系统的焦距为25.21mm、轴向长度为26mm。
7.根据权利要求6所述的目镜系统，其特征在于，所述柱面透镜为PMMA型号的塑料材质。
8.一种头戴显示设备，其特征在于，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，所述左眼目镜系统和右眼目镜系统采用如权利要求1至7任一项所述的目镜系统。
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