CN106707497A - 大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置，其中大视场角高像质的目镜光学系统包括从人眼到像源沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且满足一定的焦距关系。第一透镜组有效焦距为负值，由靠近人眼的第一透镜和远离人眼的第二透镜构成，第二透镜组有效焦距为正值，由一片或两片透镜构成。第一透镜为双凸形状，第二透靠近人眼的光学表面凹向人眼方向，且为非球面面型。第一透镜和第二透镜之间的间隔、第二透镜组内镜片的焦距关系、各镜片的材料特性满足一定关系，第二透镜组还包含第四透镜和第五透镜。本发明的目镜光学系统具有大孔径、大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等优点，适用于头戴显示器及类似装置。

Description

大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种适用于头戴显示器或类似装置的大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置。

背景技术

随着电子器件不断向超微型化发展，以及新的计算机、微电子、光电器件和通信理论和技术的发展，可穿戴计算这种基于“以人为本”“人机合一”的新型模式已经成为可能。在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用。在一个典型的可穿戴计算系统架构中，头戴式显示装置是关键的组成部分。头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息。目镜光学系统是头戴显示装置的核心，实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。

头戴显示装置向着体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载等方向发展。同时，大视场角和视觉舒适体验也逐渐成为衡量头戴显示装置优劣的关键因素，大视场角决定了高临场感的视觉体验效果，高像质、低畸变决定了视觉体验的舒适度。满足这些要求，需要目镜光学系统尽可能地实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标，同时满足上述光学性能对系统的设计和像差优化是很大挑战。

分别具有正焦距、负焦距和正焦距的三片共轴透镜组合(简称“正负正”)构成常见的目镜光学系统，很多文献基于该结构提出各自的设计。专利文献1(中国专利公开号CN101887166B)、专利文献2(中国专利公开号CN103217782A)、专利文献3(中国专利公开号CN104730706A)、专利文献4(中国专利公开号CN103988111A)、专利文献5(中国专利公开号CN104685402A)、专利文献6(中国专利公开号CN104603669A)、专利文献7(美国专利公开号US7978417B2)、专利文献8(美国专利公开号US8345139B2)分别提供采用共轴正负正三片透镜形态构成的目镜光学系统，实现了低畸变(<3％)、高像质的效果。但上述目镜系统的有效视场角较小，分别从16°～37°，没有实现大视场角效果。

专利文献9(美国专利公开号US5815317A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，由单片正透镜、双胶合负透镜、单片正透镜构成，整体上可看作正负正的光学结构，该目镜系统能够实现大视场角的效果(>50°)，但其场曲和像散等像差残留较大，边缘视场像质难以实现高分辨率的光学效果，不利于长时间舒适的视觉体验。

正正负作为另一种共轴三片透镜的光学结构，可实现较大的视场角，应用于目镜光学系统。专利文献10(中国专利公开号CN104635333A)提采用了正正负结构供了一种目镜光学系统，可实现大视场角(>50°)的光学效果，但该目镜系统的轴外慧差较大，同时残留较大色差，降低了轴外视场的光学分辨能力，不利于舒适的视觉体验。

专利文献11(中国专利公开号CN104536130A)提供了一种目镜光学系统，在正正负共轴三片透镜的光学结构基础上加入了正光焦度的第四透镜，构成了正正负正的光学结构；专利文献12(美国专利公开号US5877900A)提供了一种目镜光学系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列单片正透镜、单片正透镜、双胶合负透镜、单片正透镜，整体上看构成了正正负正的光学结构。上述两篇文献所述的目镜光学系统皆可实现大视场角(>50°)的光学效果，同时具有更好的轴外慧差、系统色差等光学指标，但场曲和像散等像差有残留，导致中心视场和边缘视场的像质存在明显差异，越到边缘越视场光学分辨率越低，没有实现全画幅范围内的高分辨率的光学效果。

专利文献13(中国专利公开号CN104570323A)提供了一种目镜光学系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列单片正透镜、单片正透镜、单片负透镜、单片负透镜，构成正正负负的光学结构，该目镜系统可实现超大视场角的光学效果(>70度)，但其畸变过大(>25％),造成图像显示较严重失真。

专利文献14(美国专利公开号US2014/0218806A1)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列正透镜组和负透镜组，其正透镜组由2～3片正透镜构成，负透镜组由正负双胶合透镜或正负双胶合透镜及单片弯月正透镜构成，其基础结构可看作为正正负(双胶合)的光学结构，其进一步优选设计采用了正正正负(双胶合)正的光学结构。该目镜光学系统，通过增加透镜数(5片或以上)，实现大视场角(>50°)并校正光学系统残余像差，但透镜件数过多，增大了产品的外型尺寸和重量，不利于舒适的穿戴体验，且透镜面型复杂，不利于批量生产。

专利文献15(中国专利公开号CN101609208B)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列单片正透镜、单片正透镜、正负双胶合负透镜、单片正透镜、单片透镜，同样构成了较为复杂的光学结构，可实现大视场角的光学效果(>50度)，但上述目镜光学系统皆存在较大的像散，同时应用多片透镜原件构成光学系统(大于5片)，导致光学系统的外型尺寸和重量过大，不利于舒适的穿戴体验。

专利文献16(中国专利公开号CN104965306A)提供了一种大视场角目镜光学系统，其中公开了从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列第一透镜、第二透镜、第三透镜。该目镜光学系统可以实现超大视场角的光学效果(>75度)，但其边缘视场相对于中心视场的图像质量有所下降，全画幅像质不够均匀，同时，其需要使用折射率较大的光学材料，在现有已知的光学材料中，高折射率的材料导致产品的制造成本和重量增加，提升相应光学元件的制造难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种大视场角高像质的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为f₁，f₁为负值，所述第二透镜组的有效焦距为f₂，f₂为正值，所述目镜光学系统的有效焦距为f_w，满足以下关系式(1)和(2)：

-50<f₁/f_w<-0.6 (1)；

0.3<f₂/f_w<0.8 (2)；

其中：所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜，且所述第一透镜是双凸形状的正透镜，所述第二透镜是负透镜；所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；

所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第三透镜，所述第三透镜为正透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜材料特性满足以下关系式(11)、(12)和(13)：

1.50<Nd₁₁<1.82 (11)；

1.55<Nd₁₂<1.75 (12)；

1.50<Nd₂₃<1.78 (13)；

其中，上述Nd₁₁、Nd₁₂、Nd₂₃分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜在d线的折射率；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜材料特性还满足以下关系式(21)、(22)和(23)：

35<Vd₁₁<60 (21)；

21<Vd₁₂<35 (22)；

35<Vd₂₃<60 (23)；

其中，上述Vd₁₁、Vd₁₂、Vd₂₃分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜在d线的阿贝数；

所述第二透镜组还包括第四透镜和第五透镜，第三透镜、第四透镜和第五透镜按从人眼侧到微型显示器侧依次排列；第四透镜位于所述第三透镜与微型图像显示器件之间，同时，所述第四透镜和所述第五透镜组成双胶合透镜，且第三透镜的有效焦距f₂₃与第二透镜组的有效焦距f₂满足下面关系式(8)：

1≤f₂₃/f₂≤1.6 (8)。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第二透镜组的有效焦距f₂，第三透镜的有效焦距f₂₃，第四透镜的有效焦距f₂₄，满足以下关系式(5)和(6)：

1≤f₂₃/f₂≤1.4 (5)。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面为非球面，且所述第二透镜的两个光学面的曲率半径满足以下关系式(3)：

-2.2<(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)<-0.45 (3)；

其中，R₂₁为所述第二透镜靠近人眼侧表面曲率半径，R₂₂为所述第二透镜靠近像源侧表面曲率半径。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第一透镜组的第一透镜和第二透镜之间的距离满足以下关系式(4)：

0.06<D₁₂/f_w<0.30 (4)；

其中，D₁₂为沿光轴方向所述第一透镜靠近像源侧的光学表面中心与所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面中心距离。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第一透镜组和所述第二透镜组的有效焦距满足下面关系式(9)和(10)：

-20.78<f₁/f_w<-1 (9)；

0.45<f₂/f_w<0.72 (10)。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第一透镜组的有效焦距f₁，第二透镜组的有效焦距f₂，以及目镜光学系统的有效焦距f_w满足如下关系式(1b)、(2b)：

-5<f₁/f_w<-1 (1b)；

0.35<f₂/f_w<0.51 (2b)。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第二透镜的曲率半径满足以下关系式(3a)：

-1<(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)<-0.5 (3a)；

其中，R₂₁为所述第二透镜靠近人眼侧表面曲率半径，R₂₂为所述第二透镜靠近像源侧表面曲率半径。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离满足以下关系式(4a)：

0.1<D₁₂/f_w<0.18 (4a)；

其中，D₁₂为沿光轴方向第一透镜靠近像源侧的光学表面中心与第二透镜靠近人眼侧的光学表面中心距离。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为玻璃材料或者塑料材料。

本发明所述的目镜光学系统，其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜中的一个或多个为轴对称非球面透镜。

本发明还提供了一种头戴显示装置，包括微型图像显示器和目镜，所述目镜位于人眼与所述微型图像显示器之间，其中：所述目镜为前述任一项所述的目镜光学系统。

本发明所述的头戴显示装置，其中，所述微型图像显示器是有机电致发光发光器件或透射式液晶显示器。

本发明所述的头戴显示装置，其中，所述头戴显示装置包含两个相同且对称设置的所述目镜光学系统。

本发明的有益效果在于：目镜光学系统具有结构紧凑、小尺寸、大视场、高光学分辨率等优点，出瞳直径大于一般目镜。该目镜的光学系统可以采用球面透镜与非球面透镜搭配使用、光学塑料和光学玻璃组合使用，进而在降低制造成本和产品重量的基准上，实现系统像差的大幅消除，特别是同时实现了大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标，是观察者可以通过本发明所述目镜光学系统，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第1实施例的目镜光学系统(五片镜)的光路结构示意图；

图2是本发明第1实施例目镜光学系统(五片镜)的点列图示意图；

图3(a)是本发明第1实施例目镜光学系统(五片镜)的场曲曲线示意图，图3(b)是本发明第1实施例的目镜光学系统(五片镜)的畸变曲线示意图；

图4是本发明第2实施例的目镜光学系统(五片镜)的光路结构示意图；

图5是本发明第2实施例目镜光学系统(五片镜)的点列图示意图；

图6(a)是本发明第2实施例目镜光学系统(五片镜)的场曲曲线示意图，图6(b)是本发明第2实施例的目镜光学系统(五片镜)的畸变曲线示意图；

图7是本发明的五片镜目镜光学系统的头戴显示装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的大视场角高像质的目镜光学系统结构如图1所示，包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且第一透镜组的有效焦距为f₁，f₁为负值，第二透镜组的有效焦距为f₂，f₂为正值，目镜光学系统的有效焦距为f_w，满足以下关系式(1)和(2)：

-50<f₁/f_w<-0.6 (1)；

0.3<f₂/f_w<0.8 (2)；

其中：第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜，且第一透镜是双凸形状的正透镜，第二透镜是负透镜；第二透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中第二镜片组至少包括与第一透镜组近邻的第三透镜，第三透镜为正透镜；第一透镜、第二透镜和第三透镜材料特性满足以下关系式(11)、(12)和(13)：

1.50<Nd₁₁<1.82 (11)；

1.55<Nd₁₂<1.75 (12)；

1.50<Nd₂₃<1.78 (13)；

其中，Nd₁₁、Nd₁₂、Nd₂₃分别为第一透镜、第二透镜和第三透镜在d线的折射率；第一透镜、第二透镜和第三透镜材料特性满足式(21)、(22)和(23)：

35<Vd₁₁<60 (21)；

21<Vd₁₂<35 (22)；

35<Vd₂₃<60 (23)；

其中，Vd₁₁、Vd₁₂、Vd₂₃分别为第一透镜、第二透镜和第三透镜在d线的阿贝数；

第二透镜组还包括第四透镜和第五透镜，第三透镜、第四透镜和第五透镜按从人眼侧到微型显示器侧依次排列；同时，第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，且第三透镜的有效焦距f₂₃与第二透镜组的有效焦距f₂满足下面关系式(8)：

1≤f₂₃/f₂≤1.6 (8)。

在上述实施例中，第一透镜组通过正负透镜的组合充分地校正了系统的像差，提升了系统的光学分辨力。其中，通过采用双凸表面的第一透镜组合靠近人眼侧的表面凹向人眼的第二透镜，有效地减小了目镜光学系统的整体尺寸。而且，第二透镜组可提供足够的正光焦度，以保证目镜光学系统可实现足够大的视场角。

更重要的是，在上述特征的基础上，通过采用在d线的折射率为1.50<Nd₂₃<1.78的第三透镜，即采用较低折射率的第三透镜与第一透镜组的正负透镜相结合，有效改善了现有技术的缺陷，实现了大视场角、低畸变、高光学分辨率，从而降低了所述光学系统的制造难度、制造成本和产品重量，大大提升了产品的用户体验；并通过对材料色散系数的组合，改善了光学系统的色差，提升了系统的光学性能。

另外，上述关系式(8)中f₂₃/f₂的下限取值大于1，用以降低第三透镜的加工制造难度和对材料高折射率的要求，其取值范围小于1.6，有利于系统实现像方远心光路。

同时，加入正光焦度的第四透镜和第五透镜，有利于实现更大的视场角和更高的光学分辨率。关系式(5)的取值大于等于1，用以降低第三透镜的加工制造难度和对材料高折射率的要求，其取值小于等于1.4，有利于系统实现像方远心，关系式(6)的取值大于3.5，用以保证系统有足够大的后焦距，有利于目镜光学系统实现大范围的视度调整。

上述实施例中，Nd₁₁可以是1.50、1.52、1.57、1.62、1.70、1.73、1.79、1.80、1.82等。

Nd₁₂可以是1.55、1.58、1.62、1.65、1.66、1.68、1.70、1.73、1.75等。

Nd₂₃可以是1.50、1.52、1.57、1.60、1.63、1.65、1.70、1.73、1.78等。

Vd₁₁可以是35、36.2、37.4、38.1、40.3、46.8、57.4、60等。

Vd₁₂可以是21、26.2、27.4、28.5、30.3、32.8、33.4、35等。

Vd₁₃可以是35、36.2、37.4、38.1、40.3、46.8、57.4、60等。

进一步地，第四透镜位于所述第三透镜与微型图像显示器件之间，所述第二透镜组的有效焦距f₂，第三透镜的有效焦距f₂₃，第四透镜的有效焦距f₂₄，满足以下关系式(5)和(6)：

1≤f₂₃/f₂≤1.4 (5)；

其中，f₂₃/f₂的取值可以是1、1.1、1.2、1.3、1.4等等。f₂₄/f₂的取值可以是3.5、3.6、3.7、3.8、4.7、5.8、6.9、12.5等等。

在上述实施例基础上，优选地，第一透镜组的有效焦距f₁，第二透镜组的有效焦距f₂，以及目镜光学系统的有效焦距f_w满足如下关系式(1a)、(2a)：

-20.78<f₁/f_w<-1 (1a)；

0.3<f₂/f_w<0.526或0.700<f₂/f_w<0.8 (2a)。

其中，f₁/f_w的取值可以是-20.78、-19.22、-18.74、-12.4、-10.56、-5、-6.6、-3.43、-2、-1等等。f₂/f_w的取值可以是0.3、0.4、0.51、0.526、0.7、0.75、0.78、0.8等等。

上述关系式(1a)、(2a)中f₁/f_w和f₂/f_w的取值范围对系统像差的校正、光学元件的加工难度、以及光学元件装配偏差的灵敏度密切相关，关系式(1a)中f₁/f_w的取值大于-20.78，使系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，其取值小于-1，改善了所述系统中光学元件的可加工性；关系式(2a)中的f₂/f_w取值大于0.3，改善了所述系统中光学元件的可加工性，其取值小于0.8，使系统像差得以充分校正，从而实现更加优质的光学效果。

在上述实施例基础上，进一步优选地，第一透镜组的有效焦距f1，第二透镜组的有效焦距f₂，以及目镜光学系统的有效焦距f_w满足关系式(1b)、(2b)：

-5<f₁/f_w<-1 (1b)；

0.35<f₂/f_w<0.51 (2b)。

通过进一步优选第一透镜组、第二透镜组和系统有效焦距的取值范围，更好地平衡了所述光学系统的光学性能和加工制造难度。

在进一步的实施例中，上述目镜光学系统中：第二透镜靠近人眼侧的光学表面为非球面，很好地校正了系统的畸变，且第二透镜的两个光学面的曲率半径满足以下关系式(3)：

-2.2<(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)<-0.45 (3)；

其中，R₂₁为第二透镜靠近人眼侧表面曲率半径，R₂₂为第二透镜靠近像源侧表面曲率半径。

其中关系是(3)中(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)的下限取值条件大于-2.2，使第二透镜可以提供足够的负光焦度，从而可以更好地平衡校正系统像差，实现良好的光学效果，其取值小于-0.45，降低了球差的校正难度，便于实现大光学孔径。

其中(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)的取值可以是-2.2、-1.8、-1.2、-1、-0.8、-0.6、-0.5等等。

优选地，上述第二透镜的曲率半径满足以下关系式(3a)：

-1<(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)<-0.5 (3a)。

关系式(3a)是对关系式(3)中(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)的取值范围进一步的优选，使得光学系统的各级像差得到良好优化的同时，又保证了第二透镜具有良好的制造性。

进一步地，第一透镜组的第一透镜和第二透镜之间的距离满足关系式(4)：

0.06<D₁₂/f_w<0.30 (4)；

其中，D₁₂为沿光轴方向第一透镜靠近像源侧的光学表面中心与第二透镜靠近人眼侧的光学表面中心距离。

上述关系式(4)中D₁₂/f_w的下限取值大于0.06，降低了系统离轴像差的校正难度，确保中心视场和边缘视场同时达到较高的图像质量，使全画幅内像质均匀，其取值小于0.3，便于减小系统总长度，有利于产品的小型化。

其中D₁₂/f_w取值可以是0.06、0.08、0.1、0.14、0.15、0.18、0.20、0.24、0.26、0.30等等。

优选地，第一透镜组的第一透镜和第二透镜之间的距离满足关系式(4a)：

0.1<D₁₂/f_w<0.18 (4a)。

关系式(4a)是对关系式(4)中D₁₂/f_w的范围进一步的优选，有利于更好地优化各级像差，同时实现光学系统总长度的小型化。

进一步改善了系统的像散和场曲等像差，有利于目镜系统实现全画幅均匀像质的高分辨率光学效果。

在进一步的实施例中，第四透镜的材料特性满足以下要求(71)和(72)：

1.50<Nd₂₄<1.75 (71)；

40<Vd₂₄<65 (72)；

其中，Nd₂₄为第四透镜在d线的折射率；Vd₂₄为第四透镜在d线的阿贝数。

优选地，上述第四透镜的材料特性满足以下要求(71a)和(72a)：

1.6<Nd₂₄<1.65 (71a)；

50<Vd₂₄<61 (72a)；

其中，Nd₂₄为第四透镜在d线的折射率，Vd₂₄为第四透镜在d线的阿贝数。

例如，Nd₂₄可以是1.50、1.52、1.54、1.60、1.62、1.65、1.70、1.75。Vd₂₄可以是40、44、47、50、51、52、61、65。

在进一步的实施例中，第一透镜组和第二透镜组的有效焦距进一步满足下面关系式(9)和(10)：

-21<f₁/f_w<-1.5 (9)；

0.45<f₂/f_w<0.72 (10)。

通过进一步优选第一透镜组、第二透镜组和系统有效焦距的取值范围，更好地平衡了所述光学系统的光学性能和加工制造难度。

其中，f₁/f_w取值可以是-21、-18.2、-15.7、-10.1、-8.5、-7.3、-6.1、-5.1、-2、-1、-1.5。f₂/f_w的取值可以是0.45、0.52、0.63、0.68、0.70、0.72。

在进一步的实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜为玻璃材料或者塑料材料。

使得所述目镜光学系统的各级像差得到充分校正的同时，又控制了光学元件的制造成本和光学系统的重量。

在进一步的实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的光学面都是轴对称非球面。非球面的表达式为式(a)：

其中，z为光学面的矢高，c为非球面顶点处曲率，k为非球面系数,α2,4,6…为各阶系数，r为曲面上点到透镜系统光轴的距离坐标。

使所述光学系统的像差(包括球差、慧差、畸变、场曲、像散、色差和其它高阶像差)得到充分的校正，有利于所述目镜光学系统在实现大视场角、大孔径的同时，进一步提升中心视场和边缘视场的图像质量、缩小中心视场和边缘视场图像质量的差别，实现全画幅内更均匀的图像质量和低畸变。

在进一步的实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜中的一个或多个为轴对称非球面透镜，其中多个是指两个、三个、四个或五个。可以使所述光学系统的各级像差得到进一步的优化校正。进一步提升所述目镜光学系统的光学性能。

下面通过更加具体的实施例对上述目镜光学系统的原理、方案及显示结果进行更进一步的阐述。

以下实施例中，光阑E可以为目镜光学系统成像的出瞳，为一个虚拟的出光孔径，人眼的瞳孔在光阑位置时，可以观察到最佳的成像效果。

[实施例1]

如附图1所示，本发明第1实施例的目镜光学系统的光路结构示意图，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜组G1、第二透镜组G2和显示器件I。其中，第一透镜组G1由第一透镜L1和第二透镜L2构成，第二透镜组G2由第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5构成。在本发明中，光阑E可以为目镜光学系统成像的出瞳，为一个虚拟的出光孔径，人眼的瞳孔在光阑位置时，可以观察到最佳的成像效果。在本实施例中，第一透镜L1为正透镜，第二透镜L2为负透镜，构成具有负光焦度的第一透镜组G1，其中第一透镜L1为双凸形状的面型，第二透镜L2朝向人眼侧的光学表面凹向人眼方向，且为第一透镜L1和第二透镜L2皆为偶次非球面面型，以充分的校正系统的畸变、色差和场曲等像差。

本实施例所述的第二透镜组G2由第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5构成，其中第四透镜L4和第五透镜L5构成双结合透镜，以充分地校正系统色差，且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆为偶次非球面面型，用以提供足够的正向光焦度，实现大视场角。在此，以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右依次为2、3、4、5、6、7、8、9)，显示器I表面为10。

所述第1实施例目镜设计数据如下表1所示：

表1

附图2所示根据本发明第1实施例的目镜光学系统的点列图示意图。点列图反映光学系统成像的几何结构，忽略衍射效应，以指定视场、指定波长光线聚焦像平面截面形成的弥散斑表示，可同时包含多个视场和多种波长的光线。因此，可以通过点列图弥散斑的密集程度、形状尺寸直观地衡量光学系统成像质量的优劣，通过点阵图不同波长弥散斑的错位程度直观衡量光学系统的色差，点列图的RMS半径(均方根半径)越小，光学系统的成像质量越高。从附图2所示根据本发明第1实施例的点列图可以看出，本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

附图3(a)和附图3(b)分别示出了根据本发明第1实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

[实施例2]

如附图4所示，本发明第2实施例的目镜光学系统的光路结构示意图，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜组G1、第二透镜组G2和显示器件I。其中，第一透镜组G1由第一透镜L1和第二透镜L2构成，第二透镜组G2由第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5构成。在本实施例中，第一透镜L1为正透镜，第二透镜L2为负透镜，构成具有负光焦度的第一透镜组G1，其中第一透镜L1为双凸形状的面型，第二透镜L2朝向人眼侧的光学表面凹向人眼方向，且为第一透镜L1和第二透镜L2皆为偶次非球面面型，以充分的校正系统的畸变、色差和场曲等像差。

本实施例所述的第二透镜组G2由第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5构成，其中第四透镜L4和第五透镜L5构成双结合透镜，以充分地校正系统色差，且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆为偶次非球面面型，用以提供足够的正向光焦度，实现大视场角。

本实施例第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的材料皆选用了光学塑料，从而大幅降低了系统的重量和制造成本。在此，以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右依次为2、3、4、5、6、7、8、9)，显示器I表面为10。

第2实施例目镜设计数据如下表2所示：

表2

附图5所示根据本发明第2实施例的目镜光学系统的点阵图示意图。从图中可以看出，本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

附图6(a)和附图6(b)分别示出了根据本发明第21实施例的目镜的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

上述实施例1-2的各项数据均满足发明内容中所记录的参数要求，结果如下表3所示：

表3

	f1/fw	f2/fw	D12/fw	f23/f2	(R21+R22)/(R21-R22)
						实施1	-1.91	0.48	0.16	1.23	-0.92
实施2	-20.78	0.71	0.22	1.36	-2.79

实施例3-8具体参数如下表4所示：

表4

	f1/fw	f2/fw	D12/fw	f23/f2	(R21+R22)/(R21-R22)
						实施3	-0.65	0.32	0.19	1.12	-0.95
实施4	-51.00	0.78	0.15	1.29	-2.22
						实施5	-5.18	0.55	0.06	1.24	-0.47
实施6	-7.21	0.62	0.30	1.14	-1.52
						实施7	-37.20	0.69	0.11	1.57	-0.42
实施8	-0.58	0.36	0.08	1.03	-0.41

进一步地测试证明，采用以下表4中的各项参数的目镜光学系统构成实施例3-8，各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

其中，上述实施例3的目镜光学系统设计数据如下表5所示：

表5

经测试，本实施例3各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

上述实施例4的目镜光学系统设计数据如下表6所示：

表6

经测试，本实施例4各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

上述实施例5的目镜光学系统设计数据如下表7所示：

表7

经测试，本实施例5各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

实施例6的目镜光学系统设计数据如下表8所示：

表8

经测试，本实施例6各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

在进一步提供的实施例9-27中目镜光学系统各项数据均满足发明内容中所记录的参数要求，结果如下表5所示：

表5

	f1/fw	f2/fw	D12/fw	f23/f2	(R21+R22)/(R21-R22)
						实施9	-1.80	0.52	0.11	1.40	-0.93
实施10	-0.63	0.38	0.14	1.24	-0.88
						实施11	-1.44	0.46	0.30	1.25	-1.31
实施12	-1.87	0.52	0.31	1.16	-2.24
						实施13	-3.94	0.58	0.10	1.16	-0.45
实施14	-1.72	0.57	0.15	1.05	-1.12
						实施15	-0.80	0.44	0.07	1.31	-0.67
实施16	-0.61	0.35	0.17	1.12	-0.93
						实施17	-3.02	0.62	0.06	1.38	-0.73
实施18	-50.99	0.69	0.11	1.20	-1.40
						实施19	-1.70	0.45	0.13	1.20	-0.71
实施20	-17.50	0.67	0.18	1.34	-1.83
						实施21	-0.62	0.31	0.17	1.15	-0.88
实施22	-50.00	0.76	0.17	1.26	-2.20
						实施23	-4.14	0.58	0.06	1.20	-0.45
实施24	-6.25	0.56	0.30	1.15	-1.57
						实施25	-50.00	0.63	0.10	1.41	-0.43
实施26	-0.58	0.38	0.09	1.02	-0.40
						实施27	-1.45	0.52	0.17	1.28	-0.99

由于篇幅限制，实施例9-27的目镜光学系统具体光路图和点列图示等结果示意图不再一一列出。经测试，实施例9-27目镜光学系统中各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明的头戴显示装置进一步说明。

图7所示是本实施方式的双目头戴显示装置的构成示意图。所述双目头戴显示装置20包括微型图像显示器22和目镜，目镜位于人眼与微型图像显示器22之间，其中：目镜为前述任一实施例中所述的目镜光学系统。具体地，上述双目头戴显示装置20包括目镜光学系统21、微型图像显示器22、目镜镜筒23、双目镜筒固定板24、瞳距调整机构25。

与观察者的左右眼睛对应，分别是双目头戴显示装置20的左右观察镜筒201、202，且通过瞳距调整机构25分别连接固定在双目镜筒固定板24上，在观察镜筒内部，从观察侧起沿着光轴分别具备：目镜光学系统21、微型图像显示器22。同时，目镜光学系统21的光学元件和微型图像显示器22装配在目镜镜筒23内部。

优选地，微型图像显示器22是有机电致发光发光器件或透射式液晶显示器。

优选地，头戴显示装置20包含两个相同且对称设置的目镜光学系统。

具体实施应用过程中，微型图像显示器22上的显示内容，通过目镜光学系统21分别被观察者左右眼睛观看，形成清晰放大的视觉体验。观察者可通过瞳距调整机构25，调节左右观察镜筒的相对距离，以匹配适应观察者的实际瞳距需求，形成好的双目观察效果。

本实施例中，作为双目头戴显示装置20可搭载符合本发明所述权利特征的目镜光学系统21，以同时获得大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等性能的头戴显示效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种大视场角高像质的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为f₁，f₁为负值，所述第二透镜组的有效焦距为f₂，f₂为正值，所述目镜光学系统的有效焦距为f_w，满足以下关系式(1)和(2)：

-50<f₁/f_w<-0.6 (1)；

0.3<f₂/f_w<0.8 (2)；

其特征在于：所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜，且所述第一透镜是双凸形状的正透镜，所述第二透镜是负透镜；所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；

所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第三透镜，所述第三透镜为正透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜材料特性满足以下关系式(11)、(12)和(13)：

1.50<Nd₁₁<1.82 (11)；

1.55<Nd₁₂<1.75 (12)；

1.50<Nd₂₃<1.78 (13)；

其中，上述Nd₁₁、Nd₁₂、Nd₂₃分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜在d线的折射率；

所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜材料特性还满足以下关系式(21)、(22)和(23)：

35<Vd₁₁<60 (21)；

21<Vd₁₂<35 (22)；

35<Vd₂₃<60 (23)；

其中，上述Vd₁₁、Vd₁₂、Vd₂₃分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜在d线的阿贝数；

所述第二透镜组还包括第四透镜和第五透镜，第三透镜、第四透镜和第五透镜按从人眼侧到微型显示器侧依次排列；第四透镜位于所述第三透镜与微型图像显示器件之间，同时，所述第四透镜和所述第五透镜组成双胶合透镜，且第三透镜的有效焦距f₂₃与第二透镜组的有效焦距f₂满足下面关系式(8)：

1≤f₂₃/f₂≤1.6 (8)。

2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜组的有效焦距f₂，第三透镜的有效焦距f₂₃，第四透镜的有效焦距f₂₄，满足以下关系式(5)和(6)：

1≤f₂₃/f₂≤1.4 (5)。

3.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面为非球面，且所述第二透镜的两个光学面的曲率半径满足以下关系式(3)：

-2.2<(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)<-0.45 (3)；

其中，R₂₁为所述第二透镜靠近人眼侧表面曲率半径，R₂₂为所述第二透镜靠近像源侧表面曲率半径。

4.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组的第一透镜和第二透镜之间的距离满足以下关系式(4)：

0.06<D₁₂/f_w<0.30 (4)；

其中，D₁₂为沿光轴方向所述第一透镜靠近像源侧的光学表面中心与所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面中心距离。

5.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组和所述第二透镜组的有效焦距满足下面关系式(9)和(10)：

-20.78<f₁/f_w<-1 (9)；

0.45<f₂/f_w<0.72 (10)。

6.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组的有效焦距f₁，第二透镜组的有效焦距f₂，以及目镜光学系统的有效焦距f_w满足如下关系式(1b)、(2b)：

-5<f₁/f_w<-1 (1b)；

0.35<f₂/f_w<0.51 (2b)。

7.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜的曲率半径满足以下关系式(3a)：

-1<(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)<-0.5 (3a)；

其中，R₂₁为所述第二透镜靠近人眼侧表面曲率半径，R₂₂为所述第二透镜靠近像源侧表面曲率半径。

8.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离满足以下关系式(4a)：

0.1<D₁₂/f_w<0.18 (4a)；

其中，D₁₂为沿光轴方向第一透镜靠近像源侧的光学表面中心与第二透镜靠近人眼侧的光学表面中心距离。

9.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为玻璃材料或者塑料材料。

10.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜中的一个或多个为轴对称非球面透镜。

11.一种头戴显示装置，包括微型图像显示器和目镜，所述目镜位于人眼与所述微型图像显示器之间，其特征在于：所述目镜为权利要求1至10中任一项所述的目镜光学系统。

12.根据权利要求11所述的头戴显示装置，其特征在于，所述微型图像显示器是有机电致发光发光器件或透射式液晶显示器。

13.根据权利要求12所述的头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置包含两个相同且对称设置的所述目镜光学系统。