CN106338820B - 一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备，所述微显示目镜包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，逆着光线入射方向依次设置所述第一正透镜、所述第二正透镜和所述第三负透镜，所述第一正透镜为菲涅尔透镜，具有面向像方的第一表面和凸向物方的第二表面，所述第一表面为具有正光焦度的菲涅尔面；所述第二正透镜具有凸向像方的第三表面和面向物方的第四表面，所述第四表面为平面；所述第三负透镜具有凹向物方的第五表面和凹向像方的第六表面。本技术方案的光学系统采用球面玻璃的平凸透镜、非球面塑料的负透镜以及菲涅尔透镜在保证系统的成像质量的情况下，同时实现小型化、轻量化以及大视场角的需求。

Description

一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备
本发明专利申请是申请日为2014年12月17日、申请号为201410787574.8、名称为“一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种微显示头戴目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备。
背景技术
目前，HMD(Head Mount Display，头戴可视设备)系统通常具有视场角小、体积大、重量沉等缺陷，这些缺陷大大影响了系统的体验效果，导致HMD视场一直不温不火。
发明内容
本发明提供了一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备，以解决现有技术视场角小、体积大、重量沉的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种微显示目镜，包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，逆着光线入射方向依次设置所述第一正透镜、所述第二正透镜和所述第三负透镜，所述第一正透镜为塑料材质，所述第二正透镜为玻璃材质，所述第三负透镜为塑料材质；
所述第一正透镜为菲涅尔透镜，具有面向像方的第一表面和凸向物方的第二表面，所述第一表面为具有正光焦度的菲涅尔面，所述第二表面为非球面；
所述第二正透镜具有凸向像方的第三表面和面向物方的第四表面，所述第三表面为球面，所述第四表面为平面；
所述第三负透镜具有凹向物方的第五表面和凹向像方的第六表面，所述第五表面和所述第六表面为非球面。
另一方面，本发明提供了一种头戴目镜系统，所述头戴目镜系统沿着光线入射方向依次包括：发光屏幕，上述技术方案的微显示目镜，以及光阑；所述头戴目镜系统采用反向追踪法进行光路设计；所述头戴目镜系统的像面位于所述发光屏幕处，光阑位于人眼瞳孔处。
又一方面，本发明提供了一种头戴可视设备，包括上述技术方案的头戴目镜系统。
本发明实施例的有益效果是：本发明公开了一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备，该微显示目镜的光学系统由一个菲涅尔透镜、一个平凸正透镜和一个双凹负透镜构成，通过菲涅尔透镜和平凸正透镜汇聚轴外主光线弯向光轴，双凹负透镜校正菲涅尔透镜和正透镜产生的残余像差和色差。本发明实施例的光学系统采用球面玻璃的平凸透镜、非球面塑料的负透镜以及菲涅尔透镜在保证系统的成像质量的情况下，同时实现小型化、轻量化以及大视场角的需求。
附图说明
图1为头戴可视设备的工作原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种微显示目镜的结构示意图；
图3为具有同光焦度、同边缘厚度的菲涅尔透镜和普通透镜示意图；
图4为本发明实施例提供的微显示目镜的光学传递函数曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的微显示目镜的场曲曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的微显示目镜的畸变像差曲线示意图；
图7为本发明实施例提供的微显示目镜的点列图；
图8为本发明实施例提供的微显示目镜的倍率色差曲线示意图。
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。
图1为头戴可视设备的工作原理示意图，人眼透过微显示目镜观看显示屏，显示屏发出的光线通过该目镜，并在距离人眼5m处形成一个巨大的虚像，再由人眼接收。
设计该头戴可视设备的光学系统时，采用反向追迹，使头戴可视设备的显示屏位于光学系统的像面位置，光阑位于人眼瞳孔处。
该光学系统包括两个正透镜和一个负透镜：
所述第一正透镜为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜相比具有同一光焦度的一般透镜体积要小很多，能够有效地减小系统的体积；
所述第二正透镜为平凸正透镜，此部分容易产生大量的色差，因此采用低色散的光学玻璃材料；
所述第三负透镜为双凹负透镜，两个凹面采用非球面，以减少系统透镜数量。
基于上述设计思想，本发明提供了一种微显示目镜，如图2所示，为本发明实施例提供的一种微显示目镜的结构示意图，该微显示目镜包括第一正透镜L1、第二正透镜L2和第三负透镜L3，逆着光线入射方向依次设置第一正透镜L1、第二正透镜L2和第三负透镜L3。
第一正透镜L1为菲涅尔透镜，具有面向像方的第一表面21和凸向物方的第二表面22，第一表面21为具有正光焦度的菲涅尔面；第一正透镜L1用于汇聚光线，使轴外主光线弯向光轴。
第二正透镜L2具有凸向像方的第三表面23和面向物方的第四表面24，第四表面24为平面；第二正透镜L2进一步汇聚光线。
第三负透镜L3具有凹向物方的第五表面和凹向像方的第六表面；第三负透镜L3用于校正第一正透镜L1和第二正透镜L2产生的残余像差和色差。
其中，菲涅尔透镜具有面积大、厚度薄、侦测距离远的特性。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，或玻璃材料制作而成，镜片表面一面为光面，另一面的菲涅尔面刻录了由小到大的同心圆，菲涅尔面的纹理根据光的干涉及扰射以及相对灵敏对和接收角度要求设计。参考图3，左边为菲涅尔透镜，右边为普通的正透镜，两个透镜的光焦度、边缘厚度均相同，由于一般面型负担较大光焦度会增大曲率，并且光焦度越大曲率就越大，则透镜就越鼓，从而会增大体积和重量。而菲涅尔透镜则不会这样，菲涅尔透镜不但可以有效的消除球差和单色色差，增加光学系统的光学系统，还可以有效地减少目镜的体积。因此，本发明中采用菲涅尔透镜设计该微显示目镜，以达到小型化、轻量化的市场需求。
在本发明的优选实施例中，第一正透镜L1为塑料材质，第二正透镜L2为玻璃材质，第三负透镜L3为塑料材质；第二表面22为非球面，第三表面23为球面，第五表面25和第六表面26为非球面。本技术方案通过采用非球面塑料材质透镜以及球面玻璃材质透镜组合，以保证微显示目镜小型化、轻量化，同时提高成像质量。
进一步优选地，第一正透镜L1的折射率范围为1.45＜n1＜1.60，色散范围为50＜v1＜75；
第二正透镜L2的折射率范围为1.45＜n2＜1.75，色散范围为50＜v2＜70；
第三负透镜L3的折射率范围为1.65＜n3＜1.95，色散范围为20＜v3＜30。
具体的，第一正透镜L1为PMMA型号的塑料材质，其折射率n1＝1.491786，色散v1＝57.327362；
第二正透镜L2为H-ZK7型号的玻璃材质，其折射率n2＝1.613095，色散v2＝60.614382；
第三负透镜L3为OKP4HT型号的塑料材质，其折射率n3＝1.631919，色散v3＝23.416119。
在上述技术方案中，由3个透镜构成的光学系统能够实现66°对角视场角、52°水平视场角，并且校正了倍率色差、场曲、象散等像差，成像质量较好。
本发明的另一实施例提供给了一种头戴目镜系统，该头戴目镜系统沿着光线入射方向依次包括：发光屏幕，上述技术方案提供的微显示目镜，以及光阑。该头戴目镜系统采用反向追踪法进行光路设计。
该头戴目镜系统的像面位于所述发光屏幕处，光阑位于人眼瞳孔处。
优选地，该头戴目镜系统的发光屏幕为1080P(Progressive scan，逐行扫描)、0.7英寸M-OLED显示屏。
其中M-OLED显示屏相比LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅)或者DLP(Digital Light Procession，数字光处理)技术，具有自发光的优势，因此不需要外部光源，也不需要反射棱镜，可以摆脱通光孔径的限制，还可以进一步减少系统的体积，并且1080P分辨率的可以有效降低颗粒感，提高成像质量。
该头戴目镜系统能够达到如下技术指标：
66°对角视场角、52°水平视场角；
系统总长小于22mm，总重量小于10g；
出瞳距离为14mm；
系统校正了倍率色差、场曲、象散等像差，成像质量较好。
本发明的另一实施例提供给了一种头戴可视设备，该头戴可视设备包括上述技术方案的头戴目镜系统。
由于头戴可视设备的光学系统能够实现66°对角视场角、52°水平视场角、并且光学系统总长小于22mm、总重量小于10g、出瞳距离为14mm，因此能够使该头戴可视设备满足小型化、轻量化、大视角的市场需求。
图4为本发明实施例提供的微显示目镜的光学传递函数曲线示意图，该光学传递函数MTF为20线对下的MTF。图中横轴代表每毫米的线对数，尺寸单位是lp/mm，纵轴代表成像质量达到实物状况的百分比，从0到1，光学传递函数MTF可以综合反映系统的成像质量，其曲线形状越平滑、且相对横轴高度越高(即越接近1)，系统的成像质量越好；图中分别绘出了0°视场角、20°视场角、26°视场角、30°视场角、33°视场角下的像质，从图中可以看出，传递函数的曲线较为平滑紧凑，镜头的成像质量较好。
图5为本发明实施例提供的微显示目镜的场曲曲线示意图，图中的t线为子午场曲，s线为弧矢场曲，子午场曲和弧矢场曲的差为系统的象散，场曲和象散影响着系统轴外视场光线的像差，差值过大会严重的影响到系统轴外光线的成像质量。从图中可以看出，本系统的场曲和象散均被校正到极小范围内。
图6为本发明实施例提供的微显示目镜的畸变像差曲线示意图，畸变不会影响系统的清晰度，仅会引起系统图像变形，畸变可由后期图像处理来解决。
图7为本发明实施例提供的微显示目镜的点列图，点列图显示的是系统的各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散斑，表征了系统得到各种相差的特性，点列图中的RMSRADIUS(均方根半径)越小证明系统的成像质量越好。图7中三种灰度颜色分别代表三种波段的光线，三种灰度颜色的弥散斑分的越开证明系统的色差越大；本镜头从0°视场角到33°视场角的弥散斑均方根半径依次为6.189μm、20.747μm、24.224μm、19.249μm、17.063μm、17.524μm，由此可知本系统的像差得到良好的校正。
图8为本发明实施例提供的微显示目镜的倍率色差曲线示意图，纵轴为视场角，本实施例中的倍率色差曲线为0°视场角至33°视场角下的倍率色差，横轴为相对绿光光斑的高度差，单位为μm。图中的R曲线和B曲线分别表示红光和蓝光相对绿光(绿光为图中的)在像面的投射高度差，R曲线与B曲线的差值即为系统的倍率色差，图中相对于纵轴各个位置上倍率色差值远小于5μm，说明本系统的色差得到良好的校正。
综上所述，本发明公开了一种微显示目镜、头戴目镜系统和头戴可视设备，该微显示目镜的光学系统由一个菲涅尔透镜、一个平凸正透镜和一个双凹负透镜构成，通过菲涅尔透镜和平凸正透镜汇聚轴外主光线弯向光轴，双凹负透镜校正菲涅尔透镜和正透镜产生的残余像差和色差。本发明实施例的光学系统采用球面玻璃的平凸透镜、非球面塑料的负透镜以及菲涅尔透镜在保证系统的成像质量的情况下，同时实现小型化、轻量化以及大视场角的需求。
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 (7)

1.一种微显示目镜，其特征在于，包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，逆着光线入射方向依次设置所述第一正透镜、所述第二正透镜和所述第三负透镜，所述第一正透镜为塑料材质，所述第二正透镜为玻璃材质，所述第三负透镜为塑料材质；
所述第一正透镜为菲涅尔透镜，具有面向像方的第一表面和凸向物方的第二表面，所述第一表面为具有正光焦度的菲涅尔面，所述第二表面为非球面；
所述第二正透镜具有凸向像方的第三表面和面向物方的第四表面，所述第三表面为球面，所述第四表面为平面；
所述第三负透镜具有凹向物方的第五表面和凹向像方的第六表面，所述第五表面和所述第六表面为非球面。
2.根据权利要求1所述的微显示目镜，其特征在于，
所述第一正透镜的折射率范围为1.45＜n1＜1.60，色散范围为50＜v1＜75；
所述第二正透镜的折射率范围为1.45＜n2＜1.75，色散范围为50＜v2＜70；
所述第三负透镜的折射率范围为1.65＜n3＜1.95，色散范围为20＜v3＜30。
3.根据权利要求2所述的微显示目镜，其特征在于，
所述第一正透镜为PMMA型号的塑料材质，其折射率n1＝1.491786，色散v1＝57.327362；
所述第二正透镜为H-ZK7型号的玻璃材质，其折射率n2＝1.613095，色散v2＝60.614382；
所述第三负透镜为OKP4HT型号的塑料材质，其折射率n3＝1.631919，色散v3＝23.416119。
4.一种头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统沿着光线入射方向依次包括：发光屏幕，如权利要求1-3任一项所述的微显示目镜，以及光阑；
所述头戴目镜系统采用反向追踪法进行光路设计；所述头戴目镜系统的像面位于所述发光屏幕处，光阑位于人眼瞳孔处。
5.根据权利要求4所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的发光屏幕为1080P、0.7英寸M-OLED显示屏。
6.根据权利要求4所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的总长小于22mm，总重量小于10g。
7.一种头戴可视设备，其特征在于，包括权利要求4-6任一项所述的头戴目镜系统。
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