CN108064352A - 光学系统及使用该光学系统的头戴显示装置 - Google Patents

光学系统及使用该光学系统的头戴显示装置 Download PDF

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CN108064352A CN201680034169.6A CN201680034169A CN108064352A CN 108064352 A CN108064352 A CN 108064352A CN 201680034169 A CN201680034169 A CN 201680034169A CN 108064352 A CN108064352 A CN 108064352A
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Abstract

公开了一种超广角高清的光学系统，其包括位于人眼观察侧到图像显示单元(30)侧沿光轴方向同轴依次排列的第一透镜(21)、第二透镜(22)、第三透镜(23)、第四透镜(24)以及第五透镜(25)，其中，第一透镜(21)、第二透镜(22)、第三透镜(23)、第四透镜(24)以及第五透镜(25)的焦距需满足一特定的关系，且第一透镜(21)、第三透镜(23)与第四透镜(24)均为正透镜，第二透镜(22)与第五透镜(25)均为负透镜。同时，第一透镜(21)、第二透镜(22)、第三透镜(23)、第四透镜(24)以及第五透镜(25)的在d线的折射率与阿贝数也同时满足一特定的关系。最终，使在显示在单元上显示的图像经过光学系统放大后在人眼上成像。还公开了一种包括这种光学系统的头戴显示设备。

Description

光学系统及使用该光学系统的头戴显示装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学系统及使用该光学系统的头戴显示装置。
背景技术
随着技术的发展，头戴显示装置(Head Mount Display，HMD)的开发与研究也得到了蓬勃地发展。头戴显示装置是通过一组光学系统将显示屏上的图像放大，并在人眼前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情景之中，不受外界信息的干扰。光学系统是头戴显示装置的重要组件。头戴显示因其结构紧凑、轻便利于头戴等特征要求光学系统在保证高分辨率成像品质的同时还需具备更大的视场。
发明内容
本发明的目的就是提供一种适用于头戴显示装置的兼具大视场与高分辨率的光学系统。。
为了实现上述目的，本发明所提供的光学系统，包括位于人眼观察侧到图像显示单元侧沿光轴方向同轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜，其中，所述第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4，第五透镜的焦距为f5，系统总长度为ft，且满足下列关系：
1.5<f1/ft<3,-2<f2/ft<-1.2,2<f3/ft<2.5,0.5<f4/ft<1.5,-6<f5/ft<-1,
所述第一透镜、第三透镜与第四透镜均为正透镜，所述第二透镜与第五透镜均为负透镜。
进一步地，所述第四透镜和第五透镜为非球面，所述第三透镜朝向所述第四透镜的面为非球面。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜朝向所述第二透镜的面为球面。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜朝向所述第二透镜的面均为非球面。
进一步地，所述第四透镜朝向所述第三透镜的面向所述第三透镜侧外凸。
进一步地，所述第一透镜朝向所述光阑的面向所述人眼观察侧外凸。
进一步地，所述第二透镜朝向所述第一透镜的面向所述第三透镜侧内凹。
进一步地，所述第三透镜朝向所述第四透镜的面向所述第四透镜侧外凸。
此外，为实现上述目的，本发明还提供了一种头戴显示设备，包括显示单元及光学系统，所述光学系统位于人眼与所述显示单元之间，所述光学系统为上述任意一项所述的光学系统。
较之于现有技术，本发明所提供的光学系统及使用该光学系统的头戴设备，通过正负透镜相结合，且使各个透镜的焦距、折射率与阿贝数满足一定的关系。如此，该光学系统具有大视场角与高分辨率的特征，适合更广泛人群舒适使用，达到高临场感的视觉体验效果。
附图说明
下列附图用于结合具体实施方式详细说明本发明的各个实施方式。应当理解，附图中示意出的各元件并不代表实际的大小及比例关系，仅是为了清楚说明而示意出来的示意图，不应理解成对本发明的限制。
图1为本发明第一实施方式中的光学系统的光路图。
图2为本发明第一实施方式中的光学系统传递函数(MTF)图。
图3为本发明第一实施方式中的光学系统的点列图。
图4a为本发明第一实施方式中的光学系统的场曲曲线图。
图4b为本发明第一实施方式中的光学系统的畸变曲线图。
图5为本发明第二实施方式中的光学系统的光路图。
图6为本发明第二实施方式中的光学系统传递函数(MTF)图。
图7为本发明第二实施方式中的光学系统的点列图。
图8a为本发明第二实施方式中的光学系统的场曲曲线图。
图8b为本发明第二实施方式中的光学系统的畸变曲线图。
图9为本发明第三实施方式中的光学系统的光路示意图。
图10为本发明第三实施方式中的光学系统传递函数(MTF)图。
图11为本发明第三实施方式中的光学系统的点列图。
图12a为本发明第三实施方式中的光学系统的场曲曲线图
图12b为本发明第三实施方式中的光学系统的畸变曲线图。
主要原件符号说明
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合多个实施方式及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1，其示意图了本发明第一实施方式中的光学系统1的示意图。该光学系统1可安装于一头戴显示设备(图未示)上。该头戴显示设备还包括一显示单元30。该光学系统1包括从人眼观察侧到显示单元30侧(从左到右)，依序排列的光阑10、第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25以及显示单元30。在本实施方式中，光阑10为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10的位置时，可以观察到最佳的成像效果。在本实施方式中，第一透镜21、第三透镜23以及第四透镜24均为正透镜，第二透镜22与第五透镜25为负透镜。
以光阑10的表面序号为F0，依序类推(从左往右)，显示单元30表面为F11。具体的，第一透镜21朝向光阑10的面F1向光阑10侧外凸。第一透镜21朝向光阑10的面F1的曲率半径为正值。第二透镜22朝向第一透镜21的面F3向第三透镜23侧内凹，第二透镜22朝向第三透镜23的面F4向第三透镜23侧外凸。第二透镜22的面F3与面F4的曲率半径均为负值。第三透镜23朝向第四透镜24的面F6向第四透镜24侧外凸，且第三透镜23朝向第四透镜24的面F6的曲率半径为负值。第四透镜24朝向第三透镜23的面F7向第三透镜23侧外凸，第四透镜24朝向第五透镜25的面F8向第三透镜23侧内凹，第四透镜24的面F7曲率半径为正值，第四透镜24的面F8曲率半径为负值。第五透镜25朝向显示单元30侧的面F10向第四透镜24侧内凹，第五透镜25朝向第四透镜24的面F9的两边缘端向显示单元30内凹。第五透镜25的面F9与面F10曲率半径均为正值。
第一透镜21与第二透镜22都采用球面，第四透镜24与第五透镜25采用非球面，第三透镜23靠近第二透镜22的面F5采用球面，第三透镜23靠近第四透镜24的面F6采用非球面。如此，以更充分地矫正系统像差。
在本实施方式中，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4，第五透镜的焦距为f5，系统总长度为ft，且满足下列关系：
1.5<f1/ft<3,-2<f2/ft<-1.2,2<f3/ft<2.5,0.5<f4/ft<1.5,-6<f5/ft<-1。
具体的，请参见表1，其示出了本发明第一实施方式中的光学系统的设计数据。
表1
请参见表2，其示出了本发明第一实施方式中的非球面透镜的设计数据。
表2
Surface K A2 A4 A6 A8 A10 A12
F6 -1.1E+00 0.0E+00 -2.5E-04 1.9E-06 -7.7E-09 1.5E-11 -1.1E-14
F7 -5.5E+00 0.0E+00 1.0E-04 -2.0E-06 1.8E-08 -7.1E-11 1.1E-13
F8 1.9E-01 0.0E+00 2.0E-04 -1.4E-06 3.0E-09 1.8E-12 -1.1E-14
F9 -4.5E+20 0.0E+00 4.2E-04 -4.5E-06 2.1E-08 -1.0E-10 2.9E-13
F10 -1.1E-01 0.0E+00 6.6E-04 -1.3E-05 1.0E-07 -4.1E-10 6.6E-13
请参见表3，其示出了本发明第一实施方式中的各透镜的焦距的设计数据。
表3
|各透镜的焦距 各透镜焦距与总焦距的比值
f1＝45 f1/ft＝2.368
f2＝-34 f2/ft＝-1.789
f3＝43 f3/ft＝2.263
f4＝23 f4/ft＝1.211
f5＝19 f5/ft＝-5.211
ft＝19
请参阅图2所示的根据本发明第一实施方式中的光学系统传递函数图。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0.000mm至25.50mm像高下的像质，从图3中可以看出，传递函数的曲线较为平滑紧凑，曲线所表征的MTF值很高，系统的像差得到了良好的校正。
图3所述的根据本发明第一实施方式中光学系统的点列图。点列图忽略衍射效应，反映的是光学系统成像的几何机构。在大像差系统的点列图中，点的分布能近似地代表点像的能量分布。因此，在像质评价中，可用点列图的密集程度更加直观反映和衡量系统成像质量的优劣，点列图的RMS半径越小，证明系统的成像质量越好。由如图3所示的点列图可知该光绪系统的各视场的光斑较小，表明系统能量分布得到较好的优化，像差校正比较好。
图4(a)和附图4(b)分别示出了根据本发明第一实施方式中的光学系统的场曲和畸变曲线。场曲是物平面形成曲面像的一种像差，需要以子午场曲和弧矢场曲来表征，如图4(a)所示，场曲曲线中T线为子午场曲，S线为弧矢场曲，两者之差即为光学系统的像散，场曲和像散是影响光学系统轴外视场光线的重要像差，二者过大会严重影响光学系统的轴外光线成像质量，可以看到，光学系统的场曲和像散均被校正到极小的范围内。
畸变不影响光学系统的清晰度，但是会引起系统的图形变形，对于广角镜头来说，校正畸变是极为困难的，可由后期图像处理来解决。
图2-4综合示出了本发明第一实施方式中的光学系统的大视场及高成像质量的特征。
请参见图5，其示出了本发明第二实施方式中的光学系统2的示意图。该光学系统包括从人眼观察侧到显示单元30侧(从左到右)，依序排列的光阑10、第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25以及显示单元30。其中，第一透镜21、第三透镜23以及第四透镜24均为正透镜，第二透镜22与第五透镜25为负透镜。
以光阑10的表面序号为F0，依序类推(从左往右)，显示单元30表面为F11。具体的，第一透镜21朝向光阑10的面F1向光阑10侧外凸。第一透镜21朝向光阑10的面F1的曲率半径为正值，第一透镜21朝向第二透镜22的面F2的曲率半径为负值。第二透镜22朝向第一透镜21的面F3向第三透镜23侧内凹，第二透镜22朝向第三透镜23的面F4向第三透镜23侧外凸。第二透镜22的面F3与面F4的曲率半径均为负值。第三透镜23朝向第四透镜24的面F6向第四透镜24侧外凸，且第三透镜23朝向第四透镜24的面F6的曲率半径为负值。第四透镜24朝向第三透镜23的面F7向第三透镜23侧外凸，第四透镜24朝向第五透镜25的面F8向第三透镜23侧内凹，第四透镜24面F7与面F8的曲率半径均为正值。第五透镜25朝向显示单元30的面F10向第四透镜24侧内凹，第五透镜25朝向第四透镜24的面F9向第四透镜24侧外凸。第五透镜25面F9与F10的曲率半径为正值。
第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24与第五透镜25均采用非球面。如此，第二实施方式所提供的光学系统的所有透镜均采用非球面设计，不仅能更充分地矫正系统像差，解决视像歪曲的问题，同时还可使镜片更轻、更薄、更平。
在本实施方式中，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4，第五透镜的焦距为f5，系统总长度为ft，且满足下列关系：
1.5<f1/ft<3,-2<f2/ft<-1.2,2<f3/ft<2.5,0.5<f4/ft<1.5,-6<f5/ft<-1。
具体的，请参见表4，其示出了本发明第二实施方式中的光学系统的设计数据。
表4
请参见表5，其示出了本发明第二实施方式中的非球面透镜的设计数据。
表5
Sur K A2 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
F1 9.1E-04 0.0E+00 -1.2E-06 -1.1E-06 1.8E-08 -1.4E-10 -4.2E-14 5.7E-15 -2.2E-17
F2 0.0E+00 0.0E+00 6.6E-35 8.1E-46 1.1E-46 1.5E-48 1.4E-50 1.3E-52 0.0E+00
F3 0.0E+00 0.0E+00 -1.4E-34 5.1E-45 -5.4E-47 -1.0E-48 -1.1E-50 -1.1E-52 0.0E+00
F4 -5.2E+04 0.0E+00 -4.7E+00 5.6E-08 6.9E-10 2.6E-12 -1.7E-14 -3.9E-16 1.8E-18
F5 0.0E+00 0.0E+00 -9.9E-35 -3.9E-46 -4.0E-48 -2.7E-50 -1.4E-52 -4.8E-55 0.0E+00
F6 -9.0E-01 0.0E+00 -7.5E-04 1.1E-05 -9.7E-08 4.7E-10 -1.2E-12 1.2E-15 2.5E-19
F7 -3.9E+00 0.0E+00 5.5E-04 -1.5E-05 1.9E-07 -1.3E-09 4.3E-12 -7.6E-15 1.7E-17
F8 -4.3E+00 0.0E+00 5.3E-04 -1.1E-05 2.3E-08 1.1E-09 -1.1E-11 2.8E-14 4.5E-17
F9 -4.5E+20 0.0E+00 1.1E-03 -1.8E-05 9.1E-08 5.2E-10 -7.8E-12 9.3E-15 1.2E-16
F10 -1.3E+00 0.0E+00 2.1E-03 -7.1E-05 1.3E-06 -1.4E-08 7.5E-11 -1.7E-13 0.0E+00
请参见表6，其示出了本发明第二实施方式中的各透镜的焦距的设计数据。
表6
各透镜的焦距 各透镜焦距与总焦距的比值
f1＝34 f1/ft＝1.789
f2＝-27 f2/ft＝-1.421
f3＝46 f3/ft＝2.421
f4＝17 f4/ft＝0.895
f5＝-32 f5/ft＝-1.684
ft＝19
请参阅图6所示的根据本发明第二实施方式中的光学系统传递函数图，图中分别绘出了0.000mm至25.50mm像高下的像质，从图6中可以看出，传递函数的曲线较为平滑紧凑，曲线所表征的MTF值很高，系统的像差得到了良好的校正。
图7所述的根据本发明第二实施方式中的光学系统的点列图；从该点列图可以看出，本实施例各个视场光线在像源平面(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。
图8(a)和附图8(b)分别示出了根据本发明第二实施方式中的光学系统的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的场曲、像散和畸变像差控制较好，可实现大视场角高像质的效果。
图6-8综合示出了第二实施方式中的光学系统大视场及高成像质量的特征。
请参见图9，其示出了本发明第三实施方式中的光学系统3的示意图。该光学系统1包括从人眼观察侧到显示单元30侧(从左到右)，依序排列的光阑10、第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25以及显示单元30。其中，第一透镜21、第三透镜23以及第四透镜24均为正透镜，第二透镜22与第五透镜25为负透镜。
以光阑10的表面序号为F0，依序类推(从左往右)，显示单元30表面为F11。具体的，第一透镜21朝向光阑10的面F1向光阑10侧外凸，第一透镜21朝向第二透镜22的面F2向光阑10侧内凹，且第一透镜21面F1与面F1的曲率半径均为正值。第二透镜22朝向第一透镜21的面F3向第三透镜23侧内凹，第二透镜22的面F3与F4的曲率半径均为负值。第三透镜23朝向第四透镜24的面F6向第四透镜24侧外凸。第三透镜23朝向第四透镜24的面F6的曲率半径为负值。第四透镜24朝向第三透镜23的面F7向第三透镜23侧外凸，第四透镜24朝向第五透镜25的面F8向第三透镜23侧外凸，第四透镜24的面F7的曲率半径为正值，第四透镜24的面F8的曲率半径为负值。第五透镜25朝向第四透镜24的面F9向显示单元30侧内凹，第五透镜25朝向显示单元30的面F10向第四透镜24侧内凹。第五透镜25的面F9与F10的曲率半径均为负值。
第一透镜21与第二透镜22采用球面；第三透镜23朝向第二透镜22的面为球面，第三透镜23朝向第四透镜24的面为非球面；第四透镜24与第五透镜25采用非球面。
在本实施方式中，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4，第五透镜的焦距为f5，系统总长度为ft，且满足下列关系：
1.5<f1/ft<3,-2<f2/ft<-1.2,2<f3/ft<2.5,0.5<f4/ft<1.5,-6<f5/ft<-1。
具体的，请参见下表7，其示出了本发明第三实施方式中的光学系统的设计数据。
表7
请参见表8，其示出了本发明第三实施方式中的非球面透镜的设计数据。
表8
Surface K A2 A4 A6 A8 A10 A12
F6 9.0E-01 0.0E+00 0.0E+00 -1.1E-07 5.5E-10 0.0E+00 0.0E+00
F7 -3.5E+00 0.0E+00 3.8E-05 -1.2E-07 4.3E-10 -9.5E-13 1.4E-15
F8 -4.0E+00 0.0E+00 3.4E-05 -9.1E-08 1.2E-10 0.0E+00 0.0E+00
F9 -1.3E+38 0.0E+00 -1.5E-04 1.1E-06 -2.9E-09 0.0E+00 0.0E+00
F10 -9.7E-01 0.0E+00 -3.0E-04 1.3E-06 -7.7E-11 0.0E+00 0.0E+00
请参见表9，其示出了本发明第三实施方式中的各透镜的焦距的设计数据。
表9
各透镜的焦距 各透镜焦距与总焦距的比值
f1＝53 f1/ft＝2.789
f2＝-28 f2/ft＝-1.474
f3＝45 f3/ft＝2.368
f4＝15 f4/ft＝0.789
f5＝-20 f5/ft＝-1.053
ft＝19
请参阅图10所示的根据本发明第三实施方式中的光学系统传递函数图，图中分别绘出了0.000mm至25.50mm像高下的像质，从图3中可以看出，传递函数的曲线较为平滑紧凑，曲线所表征的MTF值很高，系统的像差得到了良好的校正。
图11所述的根据本发明第三实施方式中的光学系统的点列图。从该点列图可以看出，本实施例各个视场光线在像源平面(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。
图12(a)和附图12(b)分别示出了根据本发明第三实施方式中的光学系统的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的场曲、像散和畸变像差控制较好，可实现大视场角高像质的效果。
图9-12综合示出了本实施例的光学系统大视场及高成像质量等特征。以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括位于人眼观察侧到图像显示单元侧沿光轴方向同轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜，其中，所述第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，第四透镜的焦距为f4，第五透镜的焦距为f5，系统总长度为ft，且满足下列关系：
1.5<f1/ft<3,-2<f2/ft<-1.2,2<f3/ft<2.5,0.5<f4/ft<1.5,-6<f5/ft<-1,
所述第一透镜、第三透镜与第四透镜均为正透镜，所述第二透镜与第五透镜均为负透镜。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四透镜和第五透镜为非球面，所述第三透镜朝向所述第四透镜的面为非球面。
3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜朝向所述第二透镜的面为球面。
4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜朝向所述第二透镜的面均为非球面。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四透镜朝向所述第三透镜的面向所述第三透镜侧外凸。
6.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述第四透镜朝向所述第五透镜的面向所述第五透镜侧外凸。
7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜朝向所述光阑的面向所述人眼观察侧外凸。
8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜朝向所述第一透镜的面向所述第三透镜侧内凹。
9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜朝向所述第四透镜的面向所述第四透镜侧外凸。
10.一种头戴显示设备，包括显示单元及光学系统，所述光学系统位于人眼与所述显示单元之间，其特征在于，所述光学系统为权利要求1至9任一项所述的光学系统。
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