CN107589528A - 应用六片式透镜的头戴式显示装置与其光学镜头系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及头戴式显示装置与其光学镜头系统。本发明的一种应用六片式透镜的头戴式显示装置与其光学镜头系统，从出光侧至入光侧沿光轴依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及第六透镜，每一透镜都具有屈光率的球面透镜，该第一透镜是负光焦度透镜，该第二透镜是正光焦度透镜，第三透镜是正光焦度透镜，第四透镜是正光焦度透镜，第五透镜是正光焦度透镜，第六透镜是负光焦度透镜。本发明的一种头戴式显示装置，包括：一机壳及一显示模块，安装于该机壳内，该显示模块包括：至少一如上所述的光学镜头系统和位于该第六透镜的第二表面朝向入光侧的光轴上的至少一显示屏。本发明保证视场角的同时，保证成像质量优良，有短焦距、长工作距离的特性。

Description

应用六片式透镜的头戴式显示装置与其光学镜头系统

技术领域

本发明涉及头戴式显示装置与其光学镜头系统，且尤其是与应用六片式透镜的头戴式显示装置与其光学镜头系统相关。

背景技术

近年来，由于可穿戴电子设备的兴起，使得包含光学镜头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装置中。头戴式显示装置广泛应用于军事、航天、医疗、娱乐、模拟训练等领域。在娱乐方面，合适的视角可以给使用者营造一个震撼的视觉效果，令使用者仿佛置身于电影院放映厅中的最佳位置观看电影一般。

现有技术中，如CN104570323A提出一种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，成像清晰度不能满足消费者日益提高的需求。又，CN103765292A提出目镜系统及图像观察装置其系统焦距较长(长达19mm)；CN101609208提出的六片透镜式目镜系统的系统焦距也相对较长(16mm)。

另外，对于光学镜头系统(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，但设计难度也随之增加。目前的沉浸式头戴显示装置，大多数光学镜头系统的焦距在18mm-35mm范围，放大倍率小，不适用于尺寸较小的微显示屏作为图像源。对于LCOS(Liquid Crystalon Silicon，中文是：液晶附硅)显示器和DLP(Digital Light Procession，中文是：数字光处理)显示器这类微显示屏，需在显示屏与目镜之间放置必需的照明系统；而目前目镜到显示屏的工作距离大多较小，无法满足使用。对于应用于头戴显示系统的大视场角目镜来说，倍率色差、场曲、象散都是影响成像质量的像差，因此亟需一种合适的光学设计彻底解决上述问题。

发明内容

因此，针对上述技术问题，本发明提出一种头戴式显示装置与其光学镜头系统，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，使其保证视场角的同时，保证成像质量优良，并具有短焦距、长工作距离的特性。

依据本发明，提供一种光学镜头系统，从出光侧至入光侧沿一光轴依序包括一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜，每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧且使光线通过的第二表面，其中：

该第一透镜是一负光焦度透镜，该第一透镜的第一表面为凹面部；

该第二透镜是一正光焦度透镜，该第二透镜第二表面为凸面部；

第三透镜是一正光焦度透镜，该第三透镜的第二表面为凸面部；

第四透镜是一正光焦度透镜，该第四透镜的第一表面为凸面部，其第二表面为凸面部；

第五透镜是一正光焦度透镜，该第五透镜的第一表面为凸面部，其第二表面为凸面部；

第六透镜是一负光焦度透镜，该第六透镜的第一表面为凹面部；

该第五透镜与该第六透镜构成一个组合透镜；

其中，该第一透镜的焦距为f1，该第二透镜的焦距为f2,该第三透镜的焦距为f3,该第四透镜的焦距为f4,该组合透镜的焦距为f56,该光学镜头系统的系统焦距为fs,并满足以下关系式：

-2<f1/fs<-1，

1.5<f2/fs<3，

4<f3/fs<7.5，

2<f4/fs<4.2，

2.5<f56/fs<5.5。

依据本发明，还提供一种头戴式显示装置，包括：

一机壳；及

一显示模块，安装于该机壳内，包括：

至少一如上所述的光学镜头系统，

至少一显示屏，位于该第六透镜的第二表面朝向入光侧的光轴上。

本发明的头戴式显示装置与其光学镜头系统，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，使其保证视场角的同时，保证成像质量优良，并具有短焦距、长工作距离的特性。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的剖面结构意图；

图2是该第一实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图(说明：xt＇为子午场曲，xs＇为弧矢场曲)；

图3是该第一实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；

图4是该第一实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；

图5是本发明的第二实施例的剖面结构意图；

图6是该第二实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图(说明：xt＇为子午场曲，xs＇为弧矢场曲)；

图7是该第二实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；

图8是该第二实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；

图9是本发明的第三实施例的剖面结构意图；

图10是该第三实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图(说明：xt＇为子午场曲，xs＇为弧矢场曲)；

图11是该第三实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；

图12是该第三实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；

图13是本发明的第四实施例的剖面结构意图；

图14是该第四实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图(说明：xt＇为子午场曲，xs＇为弧矢场曲)；

图15是该第四实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；

图16是该第四实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；

图17是本发明的第五实施例的剖面结构意图；

图18是该第五实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图(说明：xt＇为子午场曲，xs＇为弧矢场曲)；

图19是该第五实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；

图20是该第五实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

本篇说明书所说的「一透镜具有正光焦度(或负光焦度)」，是指所述透镜以高斯光学理论计算出来的光轴上的屈光率为正(或为负)。透镜的第一表面、第二表面定义为用于成像的光线通过的范围，其中成像光线包括了主光线(chief ray)及边缘光线(marginalray)，以I为光轴，且透镜是以该光轴I为对称轴径向地相互对称。此外，透镜还包含一延伸部(即圆周附近区域径向上向外的区域)，用以供该透镜组装于一镜筒内，理想的成像光线并不会通过该延伸部。以下的实施例为求附图简洁均省略了部分的延伸部。

更详细的说，判定透镜的凹、凸面形的方法如下：透镜的面型形状的凹、凸是以平行通过该区域的光线(或光线延伸线)与光轴的交点在出光侧A1或入光侧A2来决定(光线焦点判定方式)。举例来说，当光线通过该区域后，光线会朝出光侧A1聚焦，与光轴I的焦点会位在出光侧A1，则该区域为凸面部。反之，若光线通过该某区域后，光线会发散，其延伸线与光轴I的焦点在入光侧A2，则该区域为凹面部。另外，透镜的面形判断也可依该领域中普通技术人员的判断方式，以R值(指光轴的曲率半径，通常指光学软件中的透镜数据库(lensdata)上的R值)正负判断凹凸。以朝向出光侧A1的第一表面来说，当R值为正时，判定为凸面部，当R值为负时，判定为凹面部；而以朝向入光侧A2的第二表面来说，当R值为正时，判定为凹面部，当R值为负时，判定为凸面部，此方法判定出的凹凸和光线焦点判定方式相同。

为了便于表示本发明所指的参数，在本说明书及附图中定义：

该第一透镜L1的第一表面S11的曲率半径为R1，该第一透镜L1的第二表面S12的曲率半径为R2，该第一透镜L1的第一表面S11至第二表面S12在光轴上的厚度为D1，该第二透镜L2的第一表面S21的曲率半径为R3，该第二透镜L2的第二表面S22的曲率半径为R4，该第二透镜L2的第一表面S21至第二表面S22在光轴上的厚度为D2，该第三透镜L3的第一表面S31的曲率半径为R5，该第三透镜L3的第二表面S32的曲率半径为R6，该第三透镜L3的第一表面S31至第二表面S32在光轴上的厚度为D3，该第四透镜L4的第一表面S41的曲率半径为R7，该第第四透镜L4的第二表面S42的曲率半径为R8，该第四透镜L4的第一表面S41至第二表面S42在光轴上的厚度为D4，该第五透镜L5的第一表面S51的曲率半径为R9，该第五透镜L5的第二表面S52的曲率半径为R10，该第五透镜L5的第一表面S51至第二表面S52在光轴上的厚度为D5，该第六透镜L6的第一表面S61的曲率半径为R11，该第六透镜L6的第二表面S62的曲率半径为R12，该第六透镜L6的第一表面S61至第二表面S62在光轴上的厚度为D6；该第一透镜L1的第二表面S12与该第二透镜L2的第一表面S21在光轴I上的距离，即第一透镜L1和第二透镜L2之间的空气间隙为d12；该第二透镜L2的第二表面S22与该第三透镜L3的第一表面S31在光轴I上的距离，即第二透镜L2和第三透镜L3之间的空气间隙为d23；该第三透镜L3的第二表面S32与该第四透镜L4的第一表面S41在光轴I上的距离，即第三透镜L3和第四透镜L4之间的空气间隙为d34；该第四透镜L4的第二表面S42与该第五透镜L5的第一表面S51在光轴I上的距离，即第四透镜L4和第五透镜L5之间的空气间隙为d45；该第五透镜L5的第二表面S52与该第六透镜L6的第一表面S61在光轴I上的距离，即第五透镜L5和第六透镜L6之间的空气间隙为d56；该第一透镜L1的焦距为f1；该第二透镜L2的焦距为f2；该第三透镜L3的焦距为f3；该第四透镜L4的焦距为f4；该第五透镜与该第六透镜所构成的组合透镜的焦距为f56；该光学镜头系统的系统焦距为fs；该第一透镜L1至第六透镜L6之间在光轴I上的所有空气间隙总和为AGa，该光学镜头系统的出瞳距离(distance of exit pupil，自光学镜头系统的第一透镜L1的第一表面S11与光轴交点到出瞳平面与光轴交点的距离)为Lep。

本发明的头戴式显示装置，包括：一机壳；及一显示模块，安装于该机壳内，该显示模块包括：至少一光学镜头系统和至少一显示屏，该显示屏位于该第六透镜的第二表面朝向入光侧的光轴上。此后，还包括一调节组件，用于调节该显示屏相对该第六透镜的第二表面的距离。

本发明的光学镜头系统从出光侧至入光侧沿一光轴依序包括一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜，每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧且使光线通过的第二表面，其中：

该第一透镜是一负光焦度透镜，该第一透镜的第一表面为凹面部；

该第二透镜是一正光焦度透镜，该第二透镜第二表面为凸面部；

第三透镜是一正光焦度透镜，该第三透镜的第二表面为凸面部；

第四透镜是一正光焦度透镜，该第四透镜的第一表面为凸面部，其第二表面为凸面部；

第五透镜是一正光焦度透镜，该第五透镜的第一表面为凸面部，其第二表面为凸面部；

第六透镜是一负光焦度透镜，该第六透镜的第一表面为凹面部；

该第五透镜与该第六透镜构成一个组合透镜。

其中优选的，为了实现更好的光学效果及使系统长度更短，该第五透镜的该第二表面的曲率半径与该第六透镜的该第一表面的曲率半径相同。并且，该第五透镜和该第六透镜可以不具有空气间隙，二者相互胶合。

其中，该光学镜头系统还可以包括一等效的光阑(aperture stop)，设置在该光学镜头系统的出瞳(exit pupil)位置。

本发明的光学镜头系统总共只有前述六片具有屈光率的透镜，通过设计各透镜的细部特征，而可使其保证视场角的同时，保证成像质量优良，并具有短焦距、长工作距离的特性。

其次，为了缩短光学镜头系统，需要选择将透镜厚度适当的缩小，而在缩小的过程中又要兼具保持良好的成像质量，因此透镜厚度、透镜的焦距等光学参数以及透镜间的空气间隙配置就显得重要，在此提出一些限定条件：

-2<f1/fs<-1，

1.5<f2/fs<3，

4<f3/fs<7.5，

2<f4/fs<4.2，

2.5<f56/fs<5.5。

通过上述的光学镜头系统的限定条件，可以协助设计者设计出具备良好光学性能、整体长度有效缩短、且技术上可行的光学镜头系统。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1：

参阅图1所示，该实施例的光学镜头系统，从出光侧A1至入光侧A2沿一光轴I依序包括：一光阑(aperture stop)AS1、一第一透镜L1、一第二透镜L2、一第三透镜L3、一第四透镜L4、一第五透镜L5及一第六透镜L6。每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧A1且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧A2且使光线通过的第二表面。

该实施例的光学镜头系统的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5及第六透镜L6在此示例性地以玻璃或塑料材质所构成，且形成细部结构如下：

该光阑(aperture stop)AS1为一等效的光阑，实际应用中可不设置该部件的实体，该光阑AS1是设置在该第一透镜L1朝向出光侧A1的光轴I上，且位于该光学镜头系统的出瞳(exit pupil)位置。

该第一透镜L1是一负光焦度透镜，该第一透镜L1的第一表面S11为凹面部，其第二表面S12为凹面部。

该第二透镜L2是一正光焦度透镜，该第二透镜L2的第一表面S21为凹面部，其第二表面S22为凸面部，该第一表面S21的曲率半径R3的绝对值大于该第二表面S22的曲率半径R4的绝对值，从而形成一正光焦度弯月形透镜。

第三透镜L3是一正光焦度透镜，该第三透镜L3的第一表面S31为凹面部，其第二表面S32为凸面部，该第一表面S31的曲率半径R5的绝对值大于该第二表面S32的曲率半径R6的绝对值，从而形成一正光焦度弯月形透镜。

第四透镜L4是一正光焦度透镜，该第四透镜L4的第一表面S41为凸面部，其第二表面S42为凸面部，从而形成一正光焦度双凸透镜。

第五透镜L5是一正光焦度透镜，该第五透镜L5的第一表面S51为凸面部，其第二表面S52为凸面部。

第六透镜L6是一负光焦度透镜，该第六透镜L6的第一表面S61为凹面部，其第二表面S62为凹面部。

该第五透镜L5与该第六透镜L6构成一个组合透镜L56。

其中，该实施例的第五透镜L5的该第二表面S52的曲率半径R10与该第六透镜L6的该第一表面S61的曲率半径R11相同。并且，该第五透镜L5和该第六透镜L6相互胶合成一体。

在本实施例中，设计该第一、第二、第三、第四、第五透镜L1、L2、L3、L4、L5之间皆存在空气间隙。然而在其他实施例中，亦可不具有前述其中任一空气间隙，如：将两相对透镜的表面轮廓设计为彼此相应，而可彼此贴合，以消除其间的空气间隙。由此可知，该实施例中，该第一透镜L1至第六透镜L6之间在光轴I上的具有4个空气间隙，该空气间隙总和为AGa。

在该实施例中，从第一透镜L1至第六透镜L6，各个透镜光学参数如下表格所示：

在该实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2之间的空气间隙d12是0.562mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间的空气间隙d23是0.1mm，第三透镜L3和第四透镜L4之间的空气间隙d34是0.1mm，第四透镜L4和第五透镜L5之间的空气间隙d45是0.1mm，第五透镜L5和第六透镜L6之间的空气间隙d56是0mm，从而计算该第一透镜L1至第六透镜L6之间在光轴I上的所有空气间隙总和AGa＝d12+d23+d34+d45+d56＝0.862毫米(mm)，该第一透镜L1的焦距f1是-13.3156mm，该第二透镜L2的焦距f2是20.8635mm，该第三透镜L3的焦距f3是63.5613mm，该第四透镜L4的焦距f4是26.7815mm，组合透镜L56的焦距f56是51.6212mm，该光学镜头系统的系统焦距fs是11.5587mm，该光学镜头系统的出瞳距离Lep是16.437mm。

经过简单计算可知：f1/fs＝-1.152，f2/fs＝1.805，f3/fs＝5.499，f4/fs＝2.317，f56/fs＝4.466，Lep/AGa＝19.068。该实施例的光学镜头系统均符合上述的所有条件限定式。

根据上述的光学镜头系统，该实施例的头戴式显示装置，包括：一机壳及安装于该机壳内一显示模块。该显示模块包括：至少一上述的光学镜头系统和至少一显示屏MDP1，该显示屏MDP1位于该第六透镜L6的第二表面S62朝向入光侧A2的光轴I上。该实施例的头戴式显示装置，该显示屏MDP1与该第六透镜L6的第二表面S62之间的距离(称为“工作距离”)可达9.23mm，可以满足微型显示屏(如LCOS微显示器)的照明部分的空间需求。该实施例的头戴式显示装置佩戴时，人眼瞳孔位置与该光学镜头系统的出瞳位置(也是等效的光阑AS1的位置)重合，且为保证人眼的转动均落在该光学镜头系统的出瞳范围内，出瞳是直径大于人眼瞳孔均值。人眼正常瞳孔直径为2-4mm，取平均值3mm置于出瞳位置，设计上的等效光阑AS1的直径超过人眼的瞳孔直径。同时，参阅图2、图3、图4所示，为人眼瞳孔直径为3mm时，该光学镜头系统像差图(分别是场曲、畸变和垂轴色差曲随归一化视场变化示意图)，表现出该光学镜头系统具有较高的光学性能。

由此可知，该实施例的视场角达到45°，具有较长的工作距离(9.23mm)，满足微型显示屏的背光的空间需求；同时根据图2至图4可知，该光学镜头系统校正了场曲、象散、倍率色差等像差，成像质量较好，畸变小于2.5％，在人眼可接受范围之内，该实施例可以适用于分辨率为1366×768的0.37英寸微显示屏。

实施例2：

参阅图5所示，该实施例的光学镜头系统，从出光侧A1至入光侧A2沿一光轴I依序包括：一光阑(aperture stop)AS1、一第一透镜L1、一第二透镜L2、一第三透镜L3、一第四透镜L4、一第五透镜L5及一第六透镜L6。每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧A1且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧A2且使光线通过的第二表面。为了使附图的图面更加简洁，该实施例的附图中仅标出与实施例1不同的表面的标号，以下几个实施例均是如此，不再赘述。

该实施例的各透镜的面型设计与实施例1基本相同，不同之处在于：该实施例的第一透镜L1的第二表面S12为平面。此外，该实施例的各透镜的曲率半径及各透镜在光轴上的厚度与实施例1略有不同，在该实施例中，从第一透镜L1至第六透镜L6，各个透镜光学参数如下表格所示：

在该实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2之间的空气间隙d12是0.513mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间的空气间隙d23是0.1mm，第三透镜L3和第四透镜L4之间的空气间隙d34是0.1mm，第四透镜L4和第五透镜L5之间的空气间隙d45是0.1mm，第五透镜L5和第六透镜L6之间的空气间隙d56是0mm，从而计算该第一透镜L1至第六透镜L6之间在光轴I上的所有空气间隙总和AGa＝d12+d23+d34+d45+d56＝0.813毫米(mm)，该第一透镜L1的焦距f1是-12.2228mm，该第二透镜L2的焦距f2是18.7687mm，该第三透镜L3的焦距f3是76.2448mm，该第四透镜L4的焦距f4是28.1994mm，组合透镜L56的焦距f56是57.9280mm，该光学镜头系统的系统焦距fs是11.5856mm，该光学镜头系统的出瞳距离Lep是16.773mm。

经过简单计算可知：f1/fs＝-1.055，f2/fs＝1.62，f3/fs＝6.581，f4/fs＝2.434，f56/fs＝5.000，Lep/AGa＝11.586。该实施例的光学镜头系统均符合上述的所有条件限定式。

根据上述的光学镜头系统，该实施例的头戴式显示装置的该显示屏MDP1与该第六透镜L6的第二表面S62之间的距离(称为“工作距离”)可达9.31mm，可以满足微型显示屏(如LCOS微显示器)的照明部分的空间需求。

同时，参阅图6、图7、图8所示，为人眼瞳孔直径为3mm时，该光学镜头系统像差图(分别是场曲、畸变和垂轴色差曲随归一化视场变化示意图)，表现出该光学镜头系统具有较高的光学性能。

实施例3：

参阅图9所示，该实施例的光学镜头系统，从出光侧A1至入光侧A2沿一光轴I依序包括：一光阑(aperture stop)AS1、一第一透镜L1、一第二透镜L2、一第三透镜L3、一第四透镜L4、一第五透镜L5及一第六透镜L6。每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧A1且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧A2且使光线通过的第二表面。

该实施例的各透镜的面型设计与实施例1基本相同，不同之处在于：该实施例的第一透镜L1的第二表面S12为凸面，第六透镜L6的第二表面S62为平面。此外，该实施例的各透镜的曲率半径及透镜在光轴上的厚度与实施例1略有不同，在该实施例中，从第一透镜L1至第六透镜L6，各个透镜光学参数如下表格所示：

在该实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2之间的空气间隙d12是0.6mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间的空气间隙d23是0.1mm，第三透镜L3和第四透镜L4之间的空气间隙d34是0.1mm，第四透镜L4和第五透镜L5之间的空气间隙d45是0.1mm，第五透镜L5和第六透镜L6之间的空气间隙d56是0mm，从而计算该第一透镜L1至第六透镜L6之间在光轴I上的所有空气间隙总和AGa＝d12+d23+d34+d45+d56＝0.900毫米(mm)，该第一透镜L1的焦距f1是-22.9542mm，该第二透镜L2的焦距f2是31.9116mm，该第三透镜L3的焦距f3是82.8362mm，该第四透镜L4的焦距f4是26.8839mm，组合透镜L56的焦距f56是30.9523mm，该光学镜头系统的系统焦距fs是11.5580mm，该光学镜头系统的出瞳距离Lep是15.398mm。

经过简单计算可知：f1/fs＝-1.986，f2/fs＝2.761，f3/fs＝7.167，f4/fs＝2.326，f56/fs＝2.678，Lep/AGa＝17.109。该实施例的光学镜头系统均符合上述的所有条件限定式。

根据上述的光学镜头系统，该实施例的头戴式显示装置的该显示屏MDP1与该第六透镜L6的第二表面S62之间的距离(称为“工作距离”)可达8.394mm，可以满足微型显示屏(如LCOS微显示器)的照明部分的空间需求。

同时，参阅图10、图11、图12所示，为人眼瞳孔直径为3mm时，该光学镜头系统像差图(分别是场曲、畸变和垂轴色差曲随归一化视场变化示意图)，表现出该光学镜头系统具有较高的光学性能。

实施例4：

参阅图13所示，该实施例的光学镜头系统，从出光侧A1至入光侧A2沿一光轴I依序包括：一光阑(aperture stop)AS1、一第一透镜L1、一第二透镜L2、一第三透镜L3、一第四透镜L4、一第五透镜L5及一第六透镜L6。每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧A1且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧A2且使光线通过的第二表面。

该实施例的各透镜的面型设计与实施例1基本相同，不同之处在于：该实施例的第一透镜L1的第二表面S12为凸面，第三透镜L3的第一表面S31为凸面。此外，该实施例的各透镜的曲率半径及各透镜在光轴上的厚度与实施例1略有不同，在该实施例中，从第一透镜L1至第六透镜L6，各个透镜光学参数如下表格所示：

在该实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2之间的空气间隙d12是0.575mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间的空气间隙d23是0.1mm，第三透镜L3和第四透镜L4之间的空气间隙d34是0.1mm，第四透镜L4和第五透镜L5之间的空气间隙d45是0.1mm，第五透镜L5和第六透镜L6之间的空气间隙d56是0mm，从而计算该第一透镜L1至第六透镜L6之间在光轴I上的所有空气间隙总和AGa＝d12+d23+d34+d45+d56＝0.875毫米(mm)，该第一透镜L1的焦距f1是-17.2909mm，该第二透镜L2的焦距f2是26.6583mm，该第三透镜L3的焦距f3是46.4210mm，该第四透镜L4的焦距f4是30.8973mm，组合透镜L56的焦距f56是38.5206mm，该光学镜头系统的系统焦距fs是11.5504mm，该光学镜头系统的出瞳距离Lep是15.924mm。

经过简单计算可知：f1/fs＝-1.497，f2/fs＝2.308，f3/fs＝4.019，f4/fs＝2.675，f56/fs＝3.335，Lep/AGa＝18.199。该实施例的光学镜头系统均符合上述的所有条件限定式。

根据上述的光学镜头系统，该实施例的头戴式显示装置的该显示屏MDP1与该第六透镜L6的第二表面S62之间的距离(称为“工作距离”)可达8.752mm，可以满足微型显示屏(如LCOS微显示器)的照明部分的空间需求。

同时，参阅图14、图15、图16所示，为人眼瞳孔直径为3mm时，该光学镜头系统像差图(分别是场曲、畸变和垂轴色差曲随归一化视场变化示意图)，表现出该光学镜头系统具有较高的光学性能。

实施例5：

参阅图17所示，该实施例的光学镜头系统，从出光侧A1至入光侧A2沿一光轴I依序包括：一光阑(aperture stop)AS1、一第一透镜L1、一第二透镜L2、一第三透镜L3、一第四透镜L4、一第五透镜L5及一第六透镜L6。每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧A1且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧A2且使光线通过的第二表面。

该实施例的各透镜的面型设计与实施例1基本相同，不同之处在于：该实施例的第二透镜L2的第一表面S21为平面，第五透镜L5的第二曲面S52与第六透镜L6的第一曲面S61具有一空气间隙(彼此不胶合)，即第五透镜L5和第六透镜L6之间的空气间隙d56大于0。此外，该实施例的各透镜的曲率半径及各透镜在光轴上的厚度与实施例1略有不同，在该实施例中，从第一透镜L1至第六透镜L6，各个透镜光学参数如下表格所示：

在该实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2之间的空气间隙d12是0.373mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间的空气间隙d23是0.1mm，第三透镜L3和第四透镜L4之间的空气间隙d34是0.1mm，第四透镜L4和第五透镜L5之间的空气间隙d45是0.1mm，第五透镜L5和第六透镜L6之间的空气间隙d56是0.15mm，从而计算该第一透镜L1至第六透镜L6之间在光轴I上的所有空气间隙总和AGa＝d12+d23+d34+d45+d56＝0.823毫米(mm)，该第一透镜L1的焦距f1是-13.6384mm，该第二透镜L2的焦距f2是18.8742mm，该第三透镜L3的焦距f3是49.0060mm，该第四透镜L4的焦距f4是46.5787mm，组合透镜L56的焦距f56是31.8076mm，该光学镜头系统的系统焦距fs是11.5580mm，该光学镜头系统的出瞳距离Lep是16.100mm。

经过简单计算可知：f1/fs＝-1.180，f2/fs＝1.633，f3/fs＝4.240，f4/fs＝4.030，f56/fs＝2.752，Lep/AGa＝19.563。该实施例的光学镜头系统均符合上述的所有条件限定式。

根据上述的光学镜头系统，该实施例的头戴式显示装置的该显示屏MDP1与该第六透镜L6的第二表面S62之间的距离(称为“工作距离”)可达8.923mm，可以满足微型显示屏(如LCOS微显示器)的照明部分的空间需求。

同时，参阅图18、图19、图20所示，为人眼瞳孔直径为3mm时，该光学镜头系统像差图(分别是场曲、畸变和垂轴色差曲随归一化视场变化示意图)，表现出该光学镜头系统具有较高的光学性能。

综上可知，本发明的上述多个实施例的头戴式显示装置与其光学镜头系统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，使其保证视场角的同时，保证成像质量优良，并具有短焦距、长工作距离的特性。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种光学镜头系统，从出光侧(A1)至入光侧(A2)沿一光轴(I)依序包括一第一透镜(L1)、一第二透镜(L2)、一第三透镜(L3)、一第四透镜(L4)、一第五透镜(L5)及一第六透镜(L6)，每一透镜都具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧(A1)且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧(A2)且使光线通过的第二表面，其中：

该第一透镜(L1)是一负光焦度透镜，该第一透镜(L1)的第一表面(S11)为凹面部，其第二表面(S12)为凹面部；

该第二透镜(L2)是一正光焦度透镜，该第二透镜(L2)的第一表面(S21)为凹面部，其第二表面(S22)为凸面部；

第三透镜(L3)是一正光焦度透镜，该第三透镜(L3)的第一表面(S31)为凹面部，其第二表面(S32)为凸面部；

第四透镜(L4)是一正光焦度透镜，该第四透镜(L4)的第一表面(S41)为凸面部，其第二表面(S42)为凸面部；

第五透镜(L5)是一正光焦度透镜，该第五透镜(L5)的第一表面(S51)为凸面部，其第二表面(S52)为凸面部；

第六透镜(L6)是一负光焦度透镜，该第六透镜(L6)的第一表面(S61)为凹面部，其第二表面(S62)为凹面部；

该第五透镜(L5)与该第六透镜(L6)构成一个组合透镜(L56)；

其中，该第一透镜(L1)的焦距为f1，该第二透镜(L2)的焦距为f2,该第三透镜(L3)的焦距为f3,该第四透镜(L4)的焦距为f4,该组合透镜(L56)的焦距为f56,该光学镜头系统的系统焦距为fs,并满足以下关系式：

-2<f1/fs<-1，

1.5<f2/fs<3，

4<f3/fs<7.5，

2<f4/fs<4.2，

2.5<f56/fs<5.5；

该第五透镜(L5)的该第二表面(S52)的曲率半径与该第六透镜(L6)的该第一表面(S61)的曲率半径相同；第五透镜L5和该第六透镜L6相互胶合成一体。

2.根据权利要求1所述的光学镜头系统，其特征在于：光学镜头系统还包括一光阑，设置在该光学镜头系统的出瞳位置。

3.一种头戴式显示装置，包括：

一机壳；及

一显示模块，安装于该机壳内，包括：

至少一如权利要求1所述的光学镜头系统，

至少一显示屏(MDP1)，位于该第六透镜(L6)的第二表面(S62)朝向入光侧(A2)的光轴(I)上。