CN106094169A - 一种光学镜头 - Google Patents

Abstract

一种光学镜头，用作虚拟现实头戴显示器设备用的光学系统，从眼睛侧到屏幕侧依次包括具有正光焦度的第一镜片L1、具有正光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、具有负光焦度的第四镜片L4；所述第三镜片L3与第四镜片L4的光焦度组合是前正后负。第四镜片L4采用双反曲的结构。

Description

一种光学镜头

技术领域

本发明涉及一种虚拟现实头戴显示器设备用光学系统。

背景技术

虚拟现实头戴显示器设备，也有VR头显、VR眼镜、眼镜VR等诸多称呼，它是利用仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术集合而成的产品，同样是借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。

虚拟现实头戴显示器利用人的左右眼获取信息差异，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。虚拟现实头戴显示器作为虚拟现实的显示设备，具有小巧和封闭性强的特点，在军事训练，虚拟驾驶，虚拟城市等项目中具有广泛的应用。

虚拟现实头戴显示器设备由外壳机构、光学系统、屏幕三个部分组成。而其中最关键的是光学系统。目前市面上几乎所有的虚拟现实头戴显示器设备用的光学系统，都采用单片光学元件(如塑料非球面，或者单片玻璃球面，或者单片菲涅尔透镜)作为光学系统。因物理原理、光学设计、镜片加工能力等多方面的限制，使其具有诸多缺点和不足，整体体验感觉不佳。

1.重量大、体积大

传统的虚拟现实头戴显示器设备,采用的均为单片光学元件作为其显示的光学系统。单片光学元件在大视场角度的情况下，偏折角度小，导致了最后一个透镜到像面的距离很大，因此光学系统的整体距离在10cm左右，加上外壳结构等其他部分造成了虚拟现实头戴显示器设备的整体结构过大，从而使得整个显示器设备体积和重量都很大。VR眼镜装置厚度对于佩戴感受有很大的影响：在佩戴VR眼镜时，由于VR眼镜的厚度较厚，其重心离人眼较远。此时根据力矩公式可知其佩戴在头部产生的力矩是很大的，因此会大大降低佩戴的舒适度，用户无法长期佩戴使用。

2.成像质量低

影响虚拟现实头戴显示器设备显示质量的关键因素是像差。像差是所有光学系统都存在的一种现象，因为镜片的面型和材料的原因，实际工作中光学系统所成的像与近轴光学所获得的结果不同，有一定的偏离，光学成像相对近轴成像的偏离称像差。市面上几乎所有的虚拟现实头戴显示器设备用的光学系统，都采用单片光学元件作为光学系统，虽然非球面的面型设计可以在一定程度上减少球差、场曲等常见单色像差，但它不能避免位置色差。因此普通的虚拟现实头戴显示器设备画质都较差，影响用户体验。

而且因为普通的虚拟现实头戴显示器设备成像质量低，清晰度不够高，因此无法使用更高分辨率的屏幕。普通单片式只能对应1080P屏幕，因此在观看的时候，低于眼睛的分辨率，影响沉浸感。

3.视场角小

在显示系统中，视场角就是显示器边缘与观察点(眼睛)连线的夹角。视场角的大小决定了光学系统可以显示的视野范围，视场角越大，视野就越大。在虚拟现实头戴显示器设备中，视场角、屏幕尺寸和沉浸感之间是相互关联又相互制约的，三者是个动态平衡的三角关系，一般来说屏幕越大对视场角的要求越高，其沉浸感越明显。随着大屏手机的普及，对于虚拟现实头戴显示器设备的视场角的要求也在逐渐提高，然而市面上的虚拟现实头戴显示器设备实际视场角一般在90°左右，即使标明100°，也因其周边视场成像质量太差而无法看清显示内容，而且更严重的是因为看周边时模糊不清，用户极易产生眩晕，导致虚拟现实头戴显示器设备的体验感大幅下降。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种体态轻薄、成像质量好、视场角大的虚拟现实头戴显示器设备用光学系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光学镜头，从眼睛侧到屏幕侧依次包括具有正光焦度的第一镜片L1、具有正光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、具有负光焦度的第四镜片L4。

所述第一镜片L1与第二镜片L2都具有正光焦度，搭配合理的非球面系数，能有效地减小光学系统的各种像差，特别是球差和位置色差。

特别的，第一镜片L1与第二镜片L2满足以下的条件式：

(1)Vd1>45

(2)Vd2>45

其中Vd1表示L1的阿贝数，Vd2表示L2的阿贝数。

所述第三镜片L3与第四镜片L4的光焦度组合是前正后负，这样的结构，能有效地减小各类像差。另外，第三镜片L3与第四镜片L4都采用高折射率低阿贝数的材料，在消除轴向色差的同时显著减小了镜片的外径和肉厚，实现了小型化。

特别的，第四镜片L4满足以下的条件式：

(3)Nd4>1.5

(6)Vd4<30

其中Nd4表示L4的d线折射率，Vd4表示L4的阿贝数。

基于此类光学系统的特殊设计要求，既要将光学系统的总长限制到最小，又要最大限度的消除各种像差，提高系统的成像质量，需要将透镜的面型尽可能多的设置为非球面，增加优化的自由度，然后进行像差的校正。非球面为旋转对称多项式形式，并用关于球面的偏移量多项式来表示。

所述四个镜片的非球面面型满足以下方程：

偶次非球面:

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_1{r}^2+{\mathrm{\&alpha;}}_2{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\&alpha;}}_7{r}^{14}$

其中，c为各点半径所对应的曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k是圆锥系数，也叫二次曲面常数(k＝0时即为球面)，α₁，α₂，α₃…为非球面高次项系数，当α₁，α₂，α₃…都为0时方程即为二次曲面。对于偶次非球面来说，此方程在欧美国家成为标准的加工方程，国内大多数光学厂商和研究所也都以此方程为加工标准方程。因此，本发明的光学系统也采用了偶次非球面，实现了较好的可加工性和量产性。

本发明的第四个镜片采用双反曲的结构，这样的结构特征是：从第四镜片L4中心经过一条直线L和光轴重合，L和两个非球面表面交点距离为d，随着该直线从光轴沿径向向外侧移动(L始终平行于光轴)，d先变大后变小。这样的设计能有效提升整个光学系统的成像质量，是单片非球面结构性能的两倍。做到了画面周边能拥有和中心媲美的清晰度和画质。通过像差优化，本发明的显示设备是国内首款可以达到1.6K屏的分辨率需求的显示设备，像素达到了500万像素，是传统虚拟现实头戴显示器设备的两倍。

本发明的特殊的面型设计，显著减小了镜片的外径和肉厚，结合特别的光线路径设计，使得光学系统的总长缩短为同类产品的1/3，控制在3cm左右(如附图1所示)，实现了显示设备的轻薄化、小型化。而传统的虚拟现实头戴显示器设备,采用的均为单片光学元件作为其显示的光学系统。单片光学元件在大视场角度的情况下，偏折角度小，导致了最后一个透镜到像面的距离很大，因此光学系统的整体距离在10cm左右(如附图2所示)使得整个显示设备体积大、质量大。

本发明的视场角可达110°。更大的视场角可以显著沉浸感和3D立体感，使用户在查看周围场景的时候具有更好地代入感。特别地，本发明做到了即使在最大视场的周边，亦保证了跟中心一样的清晰度和成像质量，避免了用户在看周边时模糊不清以及产生的眩晕，极大地提升了用户体验。

本发明的优点是：体态轻薄、成像质量好、视场角大。

附图说明

图1是本发明的光学结构示意图

图2是市面上其他虚拟现实设备光学系统结构示意图

图3是实施例1中光学系统轴向色差示意图以及像面弯曲图。

图4是实施例1中光学系统MTF示意图。

图5是实施例2中光学系统轴向色差示意图以及像面弯曲图。

图6是实施例2中光学系统MTF示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明：

实施例1

参照附图1、3、4：

本发明采用的技术方案为：

一种虚拟现实头戴显示器设备用的光学系统，从眼睛侧到屏幕侧依次包括具有正光焦度的第一镜片L1、具有正光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、具有负光焦度的第四镜片L4。

所述第一镜片L1与第二镜片L2都具有正光焦度，搭配合理的低色散材料镜片，能有效地减小光学系统的各种像差，特别是位置色差。

所述第三镜片L3与第四镜片L4的光焦度组合是前正后负，这样的结构，能有效地减小各类像差，包括球差和色差。另外，第三镜片L3与第四镜片L4都采用高折射率低色散的材料，显著减小了镜片的外径和肉厚，实现了小型化。

所述第四个镜片采用双反曲的结构设计，这样的设计能有效提升整个光学系统的成像质量，是单片非球面结构性能的两倍。做到了画面周边能拥有和中心媲美的清晰度和画质。通过像差优化，本发明的显示设备可以达到1.6K屏的分辨率需求，像素达到了500万像素，是传统虚拟现实头戴显示器设备的两倍。

特殊的面型设计，显著减小了镜片的外径和肉厚，结合特别的光线路径设计，使得光学系统的总长缩短为同类产品的1/3，控制在3cm左右(如附图1所示)，实现了显示设备的轻薄化、小型化。而传统的虚拟现实头戴显示器设备,采用的均为单片光学元件(如塑料非球面，或者单片玻璃球面，或者单片菲涅尔透镜)作为其显示的光学系统。单片光学元件在大视场角度的情况下，偏折角度小，导致了最后一个透镜到像面的距离很大，因此光学系统的整体距离在10cm以上使得整个显示设备体积大、质量大。

所述光学系统的视场角可达110°，更大的视场角可以显著沉浸感和3D立体感，使用户在查看周围场景的时候具有更好地代入感。特别地，本发明做到了即使在最大视场的周边，亦保证了跟中心一样的清晰度和成像质量，避免了用户在看周边时模糊不清以及产生的眩晕，极大地提升了用户体验。

实施例1满足以下条件：

EFL＝15.0

FNO＝3.0

表1显示了实施例1镜头的结构参数；表2显示了实施例1的镜头非球面系数。

表1实施例1镜头结构参数

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	折射率	阿贝数
						光阑		INF
S1	非球面	-41.34	4.01	1.53	55
						S2	非球面	-14.82	0.67
S3	非球面	16.43	4.71	1.52	56
						S4	非球面	166.23	0.84
S5	非球面	-121.42	11.91	1.63	23
						S6	非球面	-8.37	1.81
S7	非球面	-12.26	3.88	1.64	22
						S8	非球面	15.76	2.66
像面

表2实施例1镜头非球面系数

表面序号	K	A4	A6	A8	A10
						S1	7.70	1.86E-01	4.33E-05	-1.15E-08	-2.29E-09
S2	-2.47	-3.74E-09	2.70E-06	-2.38E-05	-7.95E+00
						S3	-1.27	-2.37E+00	-8.41E-06	-1.74E-07	-1.54E-09
S4	99.88	8.03E+01	-9.66E-06	3.30E-08	1.79E-10
						S5	77.94	5.81E+01	2.13E-05	-2.23E-08	-8.08E-11
S6	5.41	-2.23E-01	6.41E-05	-2.44E-07	1.16E-10
						S7	2.18	-3.23E-01	-3.05E-06	7.06E-07	-1.88E-09
S8	20.95	-1.04E+00	4.19E-04	-3.45E-06	4.43E-08

实施例2

参照附图1、5、6：

实施例2满足以下条件：

EFL＝20.0

FNO＝4.0

表3显示了实施例2镜头的结构参数；表4显示了实施例2的镜头非球面系数。

表3实施例2镜头结构参数

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	折射率	阿贝数
						光阑		INF
S1	非球面	-44.99	4.14	1.49	58
						S2	非球面	-16.75	0.85
S3	非球面	16.13	4.96	1.53	56
						S4	非球面	167.81	1.05
S5	非球面	-130.47	11.68	1.60	24
						S6	非球面	-9.54	2.61
S7	非球面	-13.45	3.84	1.63	23
						S8	非球面	15.90	3.34
像面

表4实施例2镜头非球面系数

表面序号	K	A4	A6	A8	A10
						S1	13.15	2.36E+00	1.62E-05	-7.35E-09	-5.06E-09
S2	-6.03	-3.69E-02	-6.51E-05	9.54E-07	-7.74E-09
						S3	-1.85	-1.49E+00	-4.67E-07	-3.38E-05	-3.35E-09
S4	95.25	8.94E+01	-2.18E-05	2.77E-08	2.35E-10
						S5	74.35	1.20E+00	2.94E-06	-8.01E-09	-1.41E-10
S6	5.13	-2.29E-01	1.76E-04	-2.50E-08	9.92E-11
						S7	3.13	-4.13E-01	-3.07E-03	1.44E-06	-5.42E-10
S8	18.65	-1.00E+01	6.98E-05	-6.71E-06	1.63E-08

实施例2的其余部分与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种光学镜头，其特征在于：从眼睛侧到屏幕侧依次包括具有正光焦度的第一镜片L1、具有正光焦度的第二镜片L2、具有正光焦度的第三镜片L3、具有负光焦度的第四镜片L4；

所述第一镜片L1与第二镜片L2都具有正光焦度，第一镜片L1与第二镜片L2满足以下的条件式：

(1a)Vd1>45

(2a)Vd2>45

其中Vd1表示L1的阿贝数，Vd2表示L2的阿贝数；

所述第三镜片L3具有正光焦度，所述第四镜片L4具有负光焦度，第四镜片L4满足以下的条件式：

(1b)Nd4>1.5

(2b)Vd4<30

其中Nd4表示L4的d线折射率，Vd4表示L4的阿贝数；

第一镜片L1与第二镜片L2、第三镜片L3与第四镜片L4的非球面面型满足以下方程：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_1{r}^2+{\mathrm{\&alpha;}}_2{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\&alpha;}}_7{r}^{14}$

其中，c为各点半径所对应的曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k是圆锥系数，也叫二次曲面常数，α₁，α₂，α₃….为非球面高次项系数，当α₁，α₂，α₃…都为0时方程即为二次曲面。

2.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于：第四镜片L4采用双反曲的结构，从第四镜片L4中心经过一条直线l和光轴重合，l和两个非球面表面交点距离为d，随着该直线从光轴沿径向向外侧移动，l始终平行于光轴，d先变大后变小。