CN106405818A - 目视光学系统及头戴式显示装置 - Google Patents

目视光学系统及头戴式显示装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种目视光学系统及头戴式显示装置，该目视光学系统包括沿光线入射方向依次设置的第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜，所述第一透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜为光焦度为负的弯月形透镜，所述第三透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第四透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第五透镜为光焦度为负的弯月形透镜。本发明的优点在于通过控制各透镜的凹凸曲面排列，并辅以其他光学关系式控制相关参数和搭配使用玻璃与塑胶透镜，使其具有重量较轻，结构紧凑，出瞳直径和出瞳距离大，提高用户体验，成像质量优良，分辨率高等特性。

Description

目视光学系统及头戴式显示装置
技术领域
本申请涉及一种目视光学系统，尤其涉及目视光学系统及头戴式显示装置。
背景技术
近年来，由于可穿戴电子设备的兴起，使得包含目视光学系统及微型显示器等微小型化的显示模块蓬勃发展，大量应用于头戴式显示设备中。头戴式显示设备广泛应用于军事、航天、医疗、娱乐、模拟训练等领域。随着头戴式显示设备越来越广泛地被应用，对其的成像质量和使用舒适度要求也越来越高，而成像质量的好坏以及使用舒适度的高低主要取决于光学目镜系统的设计。
目前市面上提出一些头戴目镜系统和头戴显示设备，是采用4片式透镜的目镜系统，虽然体积较小，重量较轻，但其畸变较大，出瞳较小，用户体验较差，不能满足消费者日益提高的需求；另外一些光学镜头，是采用六片透镜组合而成，虽然具有较好的光学性能和成像质量，但其全部采用玻璃透镜，重量大，降低了用户使用舒适度。
另外，对于目镜系统而言，在物体尺寸确定的情况下，焦距越小，视场角越大，系统的放大倍率越大，设计难度也随之增加。市面上头戴系统虽然不少，但大部分产品的视场角、出瞳直径和出瞳距离较小，降低用户使用舒适度。
发明内容
本发明的目的在于提供目视光学系统及头戴式显示装置，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开了一种目视光学系统，包括沿光线入射方向依次设置的第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜，所述第一透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜为光焦度为负的弯月形透镜，所述第三透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第四透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第五透镜为光焦度为负的弯月形透镜。
优选的，在上述的目视光学系统中，所述第一透镜与第二透镜胶合成胶合件透镜。
更优选的，在上述的目视光学系统中，所述胶合件透镜焦距f12、第三透镜焦距f3、第四透镜焦距f4、第五透镜焦距f5、目视光学系统焦距fs分别满足以下条件：
1.4<f12/fs<3.8；
1.5<f3/fs<3.5；
1.1<f4/fs<2.7；
-2.0<f5/fs<-0.7。
优选的，在上述的目视光学系统中，所述第三透镜、第四透镜为光学塑胶透镜。
优选的，在上述的目视光学系统中，所述第三透镜、第四透镜为双面非球面结构。
优选的，在上述的目视光学系统中，所述光学镜头系统的出瞳距离lep与目视光学系统焦距fs满足：0.8≤lep/fs≤1.5。
优选的，在上述的目视光学系统中，所述光学镜头系统的出瞳距离lep与所述第一透镜至第五透镜之间光学间隙总和AGa满足：55≤lep/AGa≤85。
本申请实施例还空开了一种头戴式显示装置，包括所述的目视光学系统、显示屏、机壳，所述目视光学系统、显示屏安装于所述机壳内部，所述显示屏位于所述目视光学系统入光侧光轴上。
优选的，在上述的头戴式显示装置中，观测点与所述目视光学系统的距离大于等于21mm。
优选的，在上述的头戴式显示装置中，还包括光阑与保护玻璃，所述光阑设置于所述目视光学系统的出瞳面，所述保护玻璃设置于所述目视光学系统与所述显示屏之间的光轴上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过控制各透镜的凹凸曲面排列，并辅以其他光学关系式控制相关参数和搭配使用玻璃与塑胶透镜，使其具有重量较轻，结构紧凑，出瞳直径和出瞳距离大，提高用户体验，成像质量优良，分辨率高等特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中目视光学系统及头戴式显示装置光线传播示意图；
图2所示为本发明具体实施例一中目视光学系统的场曲随归一化视场变化示意图(x’t为子午场曲，x’s为弧矢场曲)；
图3所示为本发明具体实施例一中目视光学系统的畸变随归一化视场变化示意图；
图4所示为本发明具体实施例一中目视光学系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参图1，目视光学系统，包括沿光线入射方向依次设置的第五透镜5、第四透镜4、第三透镜3、第二透镜2、第一透镜1，第一透镜1为光焦度为正的双凸透镜，第二透镜2为光焦度为负的弯月形透镜，第三透镜3为光焦度为正的双凸透镜，第四透镜4为光焦度为正的双凸透镜，第五透镜5为光焦度为负的弯月形透镜。
进一步地，第一透镜1与第二透镜2胶合成胶合件透镜。
进一步地，胶合件透镜焦距f12、第三透镜3焦距f3、第四透镜4焦距f4、第五透镜焦距f5、目视光学系统焦距fs分别满足以下条件：
1.4<f12/fs<3.8；
1.5<f3/fs<3.5；
1.1<f4/fs<2.7；
-2.0<f5/fs<-0.7。
进一步地，第三透镜3、第四透镜4为光学塑胶透镜。第三透镜3、第四透镜4为双面非球面结构。
采用该技术方案，为了使镜头系统更轻薄，成本更低并具有更好的光学性能。
非球面表达式为：
其中，Y为非球面曲线上的点与光轴的距离；Z为非球面的深度(非球面上距离光轴为Y的点，与相切于非球面光轴上顶点的切面，两者间的垂直距离)；R为透镜表面的曲率半径；K为锥面系数(conic constant)；a2i为第2i阶非球面系数。
进一步地，光学镜头系统的出瞳距离lep与目视光学系统焦距fs满足：0.8≤lep/fs≤1.5。光学镜头系统的出瞳距离lep与第一透镜至第五透镜之间光学间隙总和AGa满足：55≤lep/AGa≤85。
在该技术方案中，满足该限定条件为了使该目视光学系统更为薄型轻巧，视场角、出瞳直径和出瞳距离较大，同时还具有更好的光学性能。
参图1所示，头戴式显示装置，包括上述的目视光学系统、显示屏7、机壳，目视光学系统、显示屏7安装于机壳内部，显示屏7位于目视光学系统入光侧光轴上。
进一步地，观测点8与目视光学系统的距离大于等于21mm。
进一步地，还包括光阑与保护玻璃6，光阑设置于目视光学系统的出瞳面，保护玻璃6设置于目视光学系统与显示屏7之间的光轴上。
实施例一：
5个透镜光学参数(曲率R、厚度、折射率及阿贝数)如表所示：
第三透镜及第四透镜的非球面参数如表所示：
第一透镜和第二透镜之间的光学间隙0mm，第二透镜和第三透镜之间的光学间隙是0.1mm，第三透镜和第四透镜之间的光学间隙是0.1mm，第四透镜和第五透镜之间的光学间隙是0.1mm，从而计算该第一透镜至第五透镜之间在光轴I上的所有光学间隙总和AGa＝0.1+0.1+0.1＝0.3mm，该胶合件透镜的焦距f12是40.6mm，第三透镜的焦距f3是50.4mm，该第四透镜的焦距f4是30.5mm，该第五透镜的焦距f5是-19.2mm，该目视光学系统的系统焦距fs是18.3mm，该目视光学系统的出瞳距离Lep是21.2mm。
经过简单计算可知：f12/fs＝2.2，f3/fs＝2.8，f4/fs＝1.7，f5/fs＝-1.1，Lep/AGa＝70.7，Lep/fs＝1.2。
采用参数目视光学系统的头戴式显示装置，显示屏设置于该目视光学系统的入光侧，位于保护玻璃的入光侧的光轴上。显示屏选用0.6英寸微显示屏。
本实施例中，视场角达到46°，便于观察，出瞳直径达到7.5mm，可轻易调节瞳距，出瞳距离达到21.2mm，近远视者可配戴眼镜观看，从提高了用户体验感。同时根据图2至图4可知，该目视光学系统校正了场曲、象散、倍率色差等像差，成像质量较好，畸变小于2％，在人眼可接受范围之内，表现出该目视光学系统具有较高的光学性能，能提供较佳的成像质量。
综上可知，本申请通过控制各透镜的凹凸曲面排列，并辅以其他光学关系式控制相关参数和搭配使用玻璃与塑胶透镜，使头戴式显示装置具有重量较轻，结构紧凑，视场角、出瞳直径和出瞳距离较大的优势，提高了用户体验，具有成像质量优良、分辨率高、成本低的特性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种目视光学系统，其特征在于，包括沿光线入射方向依次设置的第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜，所述第一透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜为光焦度为负的弯月形透镜，所述第三透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第四透镜为光焦度为正的双凸透镜，所述第五透镜为光焦度为负的弯月形透镜。
2.根据权利要求1所述的目视光学系统，其特征在于，所述第一透镜与第二透镜胶合成胶合件透镜。
3.根据权利要求2所述的目视光学系统，其特征在于，所述胶合件透镜焦距f12、第三透镜焦距f3、第四透镜焦距f4、第五透镜焦距f5、目视光学系统焦距fs分别满足以下条件：
1.4<f12/fs<3.8；
1.5<f3/fs<3.5；
1.1<f4/fs<2.7；
-2.0<f5/fs<-0.7。
4.根据权利要求1所述的目视光学系统，其特征在于，所述第三透镜、第四透镜为光学塑胶透镜。
5.根据权利要求1所述的目视光学系统，其特征在于，所述第三透镜、第四透镜为双面非球面结构。
6.根据权利要求1所述的目视光学系统，其特征在于，所述光学镜头系统的出瞳距离lep与目视光学系统焦距fs满足：0.8≤lep/fs≤1.5。
7.根据权利要求1所述的目视光学系统，其特征在于，所述光学镜头系统的出瞳距离lep与所述第一透镜至第五透镜之间光学间隙总和AGa满足：55≤lep/AGa≤85。
8.一种头戴式显示装置，包括权利要求1至7任一所述的目视光学系统、显示屏、机壳，所述目视光学系统、显示屏安装于所述机壳内部，所述显示屏位于所述目视光学系统入光侧光轴上。
9.根据权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，观测点与所述目视光学系统的距离大于等于21mm。
10.根据权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括光阑与保护玻璃，所述光阑设置于所述目视光学系统的出瞳面，所述保护玻璃设置于所述目视光学系统与所述显示屏之间的光轴上。
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