CN106680989B - 一种目镜及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种目镜及头戴显示设备。所述目镜包括：设置在位于光阑和显示屏之间依次平行排列的第一透镜～第六透镜；其中，第二透镜和第三透镜组成胶合镜组，其余透镜分离放置；第一透镜、第三透镜和第四透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第五透镜为正透镜、第六透镜为负透镜，或第五透镜为负透镜、第六透镜为正透镜。本发明所述目镜能够获得较大的后截距，支持较宽范围的近视调节，近视人群无需佩戴近视镜也能看到清晰的图像；同时本发明所述目镜结构紧凑，具有较大的出瞳直径和出瞳距离，允许一定的佩戴误差；具有大视场角和小畸变；具有高传函和小色差，能够保证画面的清晰度和色彩表现力。

Description

一种目镜及头戴显示设备

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种目镜及头戴显示设备。

背景技术

近年来头戴显示设备逐渐成为光学显示领域里的热门产品。头戴显示设备主要由显示屏、目镜、屈光度调节机构和图像处理单元等组成。人们对头戴产品的体验主要在于画面质量和佩戴舒适度两方面。其中，画面质量包括了画面的清晰度、色彩饱和度、对比度、照度均匀性和畸变等因素，主要由显示屏和光学目镜决定；而佩戴舒适度涉及到产品的重量、体积、固定方式、佩戴误差以及近视人群是否仍需佩戴近视眼镜等方面，由机械结构和光学目镜决定。

可见，一款性能优异的光学目镜对头戴产品的体验至关重要。影响光学目镜性能的参数有很多，如出瞳直径(目镜在人眼瞳孔位置的光束直径)、出瞳距离(目镜靠近人眼一侧的法兰位置到人眼瞳孔的距离)、视场角、畸变、后截距(目镜靠近显示屏一侧的法兰到显示屏的距离)等，并且这些参数是相互制约的，想要各项参数都达到理想的状态是一件非常困难的事情。一般情况下，光学设计者会根据用户需求，对目镜参数有所取舍，例如，为了保证画面清晰度和视场角而减小出瞳直径或者出瞳距离；为了保证出瞳距离，而减小视场角或者出瞳直径；为了支持屈光度调节，会增大后截距，从而减小视场角或者出瞳参数。很多光学设计者会经常忽略后截距，导致目镜不能支持屈光度调节，近视用户在佩戴显示设备时，不得不同时佩戴近视镜才能看清画面，大大削弱了体验效果。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种目镜及头戴显示设备，所述目镜能够获得较大的后截距，可以使该目镜支持较宽范围的近视调节。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种目镜，包括：置于光阑(人眼瞳孔)和显示屏之间依次平行排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，第一透镜与光阑相邻，第六透镜与显示屏相邻；其中，第二透镜和第三透镜组成胶合镜组，其余透镜分离放置；第一透镜、第三透镜和第四透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第五透镜为正透镜、第六透镜为负透镜，或第五透镜为负透镜、第六透镜为正透镜；而且，

第一透镜～第六透镜的折射率Nd1～Nd6满足：

目镜总焦距ft、第一透镜和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜和第五透镜的组合焦距f45以及第六透镜的焦距f6满足：

进一步地，目镜总焦距ft、第一透镜和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜和第五透镜的组合焦距f45以及第六透镜的焦距f6满足：

本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括前述目镜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的目镜，通过设置依次平行排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，第二透镜和第三透镜组成胶合镜组，其余透镜分离放置；第一透镜、第三透镜和第四透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第五透镜为正透镜、第六透镜为负透镜，或第五透镜为负透镜、第六透镜为正透镜；并合理设置各透镜的折射率、组合焦距等参数，使本发明所述目镜能够获得较大的后截距，支持较宽范围的近视调节，近视人群无需佩戴近视镜也能看到清晰的图像；同时本发明所述目镜结构紧凑，具有较大的出瞳直径和出瞳距离，允许一定的佩戴误差；具有大视场角和小畸变，能够保证用户在享受大屏幕观看效果的同时，画面无明显变形；具有高MTF(Modulation Transfer Function，调制度传递函数)和小色差，能够保证画面的清晰度和色彩表现力。

附图说明

图1为本发明实施例一种目镜的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的目镜的光线追迹图；

图3为本发明较佳实施例的目镜的像差曲线图，(1)、(2)、(3)、(4)分别为像方视场0mm、3mm、6.5mm、9.3mm的像差曲线图，纵轴EX、EY分别为弧矢方向垂轴像差和子午方向垂轴像差，EX、EY的最大刻度为100μm，横轴PX、PY分别为目镜沿径向的归一化出瞳半径，每个刻度代表0.2，PX、PY的取值范围为-1～1；

图4为本发明较佳实施例的目镜的MTF曲线，即对比度沿空间频率的分布曲线，TS表示子午方向和弧矢方向，MTF为无量纲量，空间频率单位为线对/毫米，即lp/mm；

图5为本发明较佳实施例的目镜的畸变曲线图，图(1)为场曲，横轴为轴向长度，单位为mm，图(2)为畸变，横轴为实际成像位置与理想成像位置的偏差相对理想成像位置的百分比，纵轴+Y表示归一化出瞳半径；

图6为本发明较佳实施例的目镜的色差曲线图。

图中：1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-第五透镜，6-第六透镜，7-光阑，8-显示屏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例一种目镜的结构示意图如图1所示，包括：置于光阑7和显示屏8之间依次平行排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6，第一透镜1与光阑7相邻，第六透镜6与显示屏8相邻；其中，第二透镜2和第三透镜3组成胶合镜组，其余透镜分离放置；第一透镜1、第三透镜3和第四透镜4为正透镜，第二透镜2为负透镜，第五透镜5为正透镜、第六透镜6为负透镜，或第五透镜5为负透镜、第六透镜6为正透镜；而且，

第一透镜～第六透镜(1、2、3、4、5、6)的折射率满足：

目镜总焦距ft、第一透镜1和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜4和

第五透镜5的组合焦距f45以及第六透镜6的焦距f6满足：

在本实施例中，所述目镜由第一透镜～第六透镜(1、2、3、4、5、6)组成。六个透镜(1、2、3、4、5、6)位于光阑7和显示屏8之间，依次平行放置，第一透镜1与光阑7相邻，第六透镜6与显示屏8相邻。第二透镜2和第三透镜3组成胶合镜组，即第二透镜2的右表面与第三透镜3左表面重合，第一透镜1、胶合镜组、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6分离放置。第一透镜1、第四透镜4和第五透镜5主要用于视场角放大，第二透镜2和第三透镜3组成的胶合镜组主要用于校正色差，第六透镜6主要用于校正畸变和场曲。第一透镜1、第三透镜3和第四透镜4为正透镜，第二透镜2为负透镜，第五透镜5和第六透镜6不同时为正透镜或负透镜。第一透镜～第六透镜(1、2、3、4、5、6)的折射率满足式(1)，目镜总焦距ft、第一透镜1和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜4和第五透镜5的组合焦距f45以及第六透镜6的焦距f6满足式(2)。

本实施例的目镜由于设置了由第一透镜～第六透镜(1、2、3、4、5、6)组成的上述结构，且满足式(1)、(2)所示的条件，使目镜系统结构紧凑，具有较大的出瞳距离PL(10mm<PL<20mm)和出瞳直径PD(5mm<PD<10mm)，允许一定的佩戴误差；具有大视场角和小畸变，能够保证用户在享受大屏幕观看效果的同时，画面无明显变形；具有高传函和小色差，能够保证画面的清晰度和色彩表现力；具有较大的后截距BF>3mm，可以支持较宽范围的近视调节，近视人群无需佩戴近视镜也能看到清晰的图像。

作为一种较佳的实施例，目镜总焦距ft、第一透镜1和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜4和第五透镜5的组合焦距f45以及第六透镜6的焦距f6满足：

本实施例是一种较佳的实施例，目镜总焦距ft、第一透镜1和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜4和第五透镜5的组合焦距f45以及第六透镜6的焦距f6满足的条件式(3)落在条件式(2)的范围之内，能够获得更佳的成像效果，具有更大的出瞳距离PL(10mm<PL<20mm)和出瞳直径PD(5mm<PD<10mm)，更大的后截距BF>4.5mm，可以支持800°的近视调节。

下面给出本实施例的一种具体应用。

目镜的结构示意图如图1所示，目镜的光线追迹图如图2所示，目镜由第一透镜～第六透镜(1、2、3、4、5、6)组成。六个透镜(1、2、3、4、5、6)位于光阑7和显示屏8之间，依次平行放置。第二透镜2和第三透镜3组成胶合镜组，其它透镜分离放置。第一透镜1、第二透镜2、第四透镜4和第五透镜5为正透镜，第三透镜3和第六透镜6为负透镜；第一透镜1、第四透镜4和第五透镜5主要用于视场角放大，第二透镜2和第三透镜3组成的胶合镜组主要用于校正色差，第六透镜6主要用于校正畸变和场曲。

下面给出目镜更具体的光学结构。第一透镜～第六透镜(1、2、3、4、5、6)的折射率分别为1.71、1.85、1.76、1.88、1.80、1.76。为了表述方便，为目镜的各个面编号：光阑7的表面为第1个面，第一透镜1的左表面为第2个面，第一透镜1的右表面为第3个面，第二透镜2的左表面为第4个面，第二透镜2的右表面和第三透镜3的左表面重合为第5个面，第三透镜3的右表面为第6个面，第四透镜4的左表面、右表面分别为第7个面、第8个面，第五透镜5的左表面、右表面分别为第9个面、第10个面，第六透镜6的左表面、右表面分别为第11个面、第12个面，显示屏平面为第13个面。目镜的光学结构参数如表1示。

表1目镜的光学结构参数

面序号	面曲率半径/mm	面间距/mm
			1	无穷大	16
2	无穷大	4.153
			3	-36.754	0.100
4	-74.013	1.094
			5	73.885	5.205
6	-35.639	0.068
			7	43.661	3.284
8	-1145.981	0.098
			9	20.342	6.080
10	244.513	0.854
			11	-149.659	1.227
12	11.384	10.116
			13	无穷大

表1中，面曲率半径为无穷大表示此面为平面；面间距列的每个数字表示其所在行对应的面与下一行对应的面之间的距离。

具有上述结构的目镜总焦距ft＝21mm，第一透镜1和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜4和第五透镜5的组合焦距f45以及第六透镜6的焦距f6满足：

目镜的出瞳直径为7mm，后截距为5.83mm。

目镜的像差曲线图如图3所示。由图3可知，目镜在全视场的垂轴像差在60um以内，具有很好的像差矫正效果。

目镜的调制度传递函数曲线如图4所示。由图4可知，目镜的MTF全视场范围内在空间频率30lp/mm处大于0.3，足以保证人眼全视场范围内获得清晰的图像。

目镜的畸变曲线图如图5所示。由图5可知，目镜的场曲小于0.2mm，畸变小于3％，人眼基本感觉不到图像的形变。

目镜的色差曲线图如图6所示。由图6可知，目镜的色差小于12um，全视场范围内，人眼基本感觉不到图像的色散现象。

本发明还提供实施例一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括前面任一实施例的目镜。

在本实施例中，所述头戴显示设备包括前面任一实施例提供的目镜。头戴显示设备主要由显示屏、目镜、屈光度调节机构和图像处理单元等组成。本实施例的显示屏为小尺寸显示屏，优选为0.71英寸。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种目镜，包括：置于光阑和显示屏之间依次平行排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，第一透镜与光阑相邻，第六透镜与显示屏相邻；其特征在于，第二透镜和第三透镜组成胶合镜组，其余透镜分离放置；第一透镜、第三透镜和第四透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第五透镜为正透镜、第六透镜为负透镜，或第五透镜为负透镜、第六透镜为正透镜；而且，

第一透镜～第六透镜的折射率Nd1～Nd6满足：

目镜总焦距ft、第一透镜和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜和第五透镜的组合焦距f45以及第六透镜的焦距f6满足：

2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，目镜总焦距ft、第一透镜和胶合镜组的组合焦距f13、第四透镜和第五透镜的组合焦距f45以及第六透镜的焦距f6满足：

3.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括权利要求1或2所述的目镜。