CN108463762A - 用于近眼显示的目镜光学系统及头戴显示装置 - Google Patents

Abstract

用于近眼显示的目镜光学系统及头戴显示装置。目镜光学系统包括第一透镜(L1)、反射单元(P)、第二透镜(L2)和第三透镜组(G3)；第二透镜和第三透镜组的光轴共轴，且垂直于微型图像显示器(I)；第二透镜和第三透镜组的光轴经过反射单元反射后与第一透镜的光轴共轴；第三透镜组至少包括第三透镜(L3)；第二透镜和第三透镜为光学非球面面型；第一透镜为设置于反射单元与人眼观察侧之间的唯一透镜；第一透镜靠近人眼观察侧的光学表面(I)凸向人眼观察方向；第二透镜靠近微型图像显示器侧的光学表面(6)凹向微型图像显示器方向；第三透镜为双凸透镜。这种目镜光学系统具有结构紧凑、小尺寸、高光学分辨率的优点，可使头戴显示装置达到最佳的视觉体验。

Description

用于近眼显示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，更具体地说，涉及用于近眼显示的目镜光学系统及头戴显示装置。

背景技术

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，可以应用于户外、模拟驾驶、训练、演示、教学、培训、医疗、飞行等场景中。

目镜光学系统是头戴显示装置的核心，其实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。目镜光学系统的设计直接影响头戴显示装置的体积、视觉体验等关键因素。尤其是对于应用在光学非透视头戴显示装置的光学系统，其要求在小尺寸的情况下，尽量实现大视场，且要求高的光学分辨率，使其能看到足够多的画面细节，同时要求利于长时间观看而不产生视觉疲劳。然而，在目前已公开的已有头戴显示装置相关技术中，未发现适合用于光学非透视头戴显示装置的光学系统。

专利US7180675B2公开了一种取景器的光学系统，由正负两组光学元件和折反装置构成，该目镜系统仅实现了约18°视场角的显示效果，且色差严重，C-line和F-line的色差大于0.5mm，无法实现较高分辨率的光学显示效果，因此无法应用于光学非透视头戴显示装置中。

专利US8531774B2公开了一种取景器的光学系统，由两片正透镜、一片负透镜和反射单元构成，在观察者眼睛到反射单元之间放置了正负两片透镜，该光学系统虽然可实现26°的视场角，但其出瞳位置较短(<11mm)、沿观察视线方向的尺寸较大。如应用于光学非透视头戴显示装置，则无法满足产品的舒适穿戴要求，且同时光学像散像差残留较大，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。

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，提供一种用于近眼显示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：

构造一种用于近眼显示的目镜光学系统，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、反射单元、第二透镜和第三透镜组；所述第二透镜和第三透镜组的光轴共轴，且垂直于微型图像显示器；所述第二透镜和第三透镜组的光轴经过反射单元反射后与第一透镜的光轴共轴；所述第三透镜组至少包括第三透镜；

所述第二透镜和所述第三透镜为光学非球面面型；所述第一透镜为设置于所述反射单元与人眼观察侧之间的唯一透镜；所述第一透镜的有效焦距f₁₁、所述第二透镜的有效焦距f₂₁和所述第三透镜的有效焦距f₃₁分别与所述目镜光学系统的有效焦距f_w之间满足以下关系式(1)、(2)和(3)：

0.75<f₁₁/f_w<4.5       (1)；

f₂₁/f_w<-0.28          (2)；

0.33<f₃₁/f_w<0.83      (3)；

所述第二透镜靠近微型图像显示器侧的光学表面凹向微型图像显示器方向，所述第一透镜靠近人眼观察侧的光学表面凸向人眼观察方向，所述第三透镜为双凸透镜。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第三透镜组由两枚光学透镜构成，其中靠近微型图像显示器的透镜为第四透镜。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第一透镜为非球面透镜。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述反射单元为具有反射功能的薄片，所述薄片包括基底层和反射镀膜层，所述基底层为玻璃、塑料或其他无机材料。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述反射单元为光学棱镜。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第一透镜靠近反射单元侧的光学表面为平面。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第二透镜靠近反射单元侧的光学表面为平面。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第四透镜靠近微型图像显示器的光学表面凹向微型图像显示器。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第一透镜的光学平面与所述光学棱镜的相邻平面胶合，或所述第二透镜的光学平面与所述光学棱镜的相邻平面胶合，或所述第一透镜、第二透镜和光学棱镜两两胶合。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述反射单元对所述目镜光学系统光轴的转折角θ满足以下关系式(6)：

θ＝90°          (6)。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第一透镜的有效焦距f₁₁进一步满足以下关系式(7)：

1.05<f₁/f_w<2.68        (7)。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第二透镜的有效焦距f21和所述第三透镜的有效焦距f₃₁，进一步满足以下关系式(8)和(9)：

f₂₁/f_w<-0.38          (8)；

0.41<f₃₁/f_w<0.58      (9)。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料为玻 璃材料或者塑料材料。

本发明所述的目镜光学系统，其中：所述第三透镜组和微型图像显示器之间，沿光轴方向有PBS棱镜或薄片型PBS。

本发明还提供了另一种头戴显示装置，包括微型图像显示单元和目镜，所述目镜位于人眼与所述微型图像显示单元之间，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或反射式液晶显示器。

本发明所述的头戴显示装置，其中，所述头戴显示装置通过调整微型显示器和目镜光学系统之间沿光轴方向的距离来调节屈光度。

本发明所述的头戴显示装置，其中，所述头戴显示装置是包含两个相同的上述目镜光学系统的双目头戴显示装置。

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、高光学分辨率等优点，出瞳直径大于一般目镜；该目镜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，特别是同时实现了低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标，使观察者可以通过本发明的目镜光学系统，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到最佳的视觉体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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附图：

图1是本发明第1实施例的目镜光学系统光路图；

图2是本发明第1实施例的目镜光学系统点列图；

图3a是本发明第1实施例的目镜光学系统场曲图，图3b是本发明第1实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图4是本发明第2实施例的目镜光学系统光路图；

图5是本发明第2实施例的目镜光学系统点列图；

图6a是本发明第2实施例的目镜光学系统场曲图，图6b是本发明第2实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图7是本发明第3实施例的目镜光学系统光路图；

图8是本发明第3实施例的目镜光学系统点列图；

图9a是本发明第3实施例的目镜光学系统场曲图，图9b是本发明第3实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图10是本发明第4实施例的目镜光学系统光路图；

图11是本发明第4实施例的目镜光学系统点列图；

图12a是本发明第4实施例的目镜光学系统场曲图，图12b是本发明第4实施例的目 镜光学系统畸变曲线图；

图13是本发明第5实施例的目镜光学系统光路图；

图14是本发明第5实施例的目镜光学系统点列图；

图15a是本发明第5实施例的目镜光学系统场曲图，图15b是本发明第5实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图16是本发明第6实施例的目镜光学系统光路图；

图17是本发明第6实施例的目镜光学系统点列图；

图18a是本发明第6实施例的目镜光学系统场曲图，图18b是本发明第6实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图19是本发明第7实施例的目镜光学系统光路图；

图20是本发明第7实施例的目镜光学系统点列图；

图21a是本发明第7实施例的目镜光学系统场曲图，图21b是本发明第7实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图22是本发明第8实施例的目镜光学系统光路图；

图23是本发明第8实施例的目镜光学系统点列图；

图24a是本发明第8实施例的目镜光学系统场曲图，图24b是本发明第8实施例的目镜光学系统畸变曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例的用于近眼显示的目镜光学系统，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、反射单元、第二透镜和第三透镜组；第二透镜和第三透镜组的光轴共轴，且垂直于微型图像显示器；第二透镜和第三透镜组的光轴经过反射单元反射后与第一透镜的光轴共轴；第三透镜组至少包括第三透镜；第二透镜和第三透镜为光学非球面面型；第一透镜为设置于反射单元与人眼观察侧之间的唯一透镜；第一透镜的有效焦距f11和目镜光学系统的有效焦距fw满足以下关系式(1)：

0.75<f₁₁/f_w<4.5        (1)。

其中，上述关系式(1)中，f₁₁/f_w的取值可以是0.75、4.50、1.05、2.66、1.21、1.35、0.87、1.39、1.47、1.21、1.54、1.45、1.88、1.29、1.25、1.20、1.14、1.21、1.15、1.17、1.25、1.13、1.67。

进一步地，第二透镜的有效焦距f₂₁，第三透镜的有效焦距f₃₁和目镜光学系统的有效焦距f_w，满足以下关系式(2)和(3)：

f₂₁/f_w<-0.28        (2)；

0.33<f₃₁/f_w<0.83      (3)。

其中，f₂₁/f_w的取值可以是-0.28、-0.93、-0.49、-0.59、-397.60、-0.72、-0.38、-0.69、-0.58、8.00、-0.45、-0.76、-2.42、-0.61、-0.67、-0.69、-0.57；f₃₁/f_w的取值可以是0.39、0.47、0.55、0.45、0.50、0.46、0.40、0.53、0.97、0.48、0.53、0.57。

上述关系式(2)、(3)中，f₂₁/f_w和f₃₁/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，使得系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，并改善了所述系统中光学元件的可加工性。

如图1所示，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L1、棱镜P、第二透镜L2和第三透镜L3。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6)，显示器I表面为13，反射器反射面为R。从微型图像显示器发出的光，依次经第三透镜、第二透镜、反射单元和第一透镜后，进入人眼。

在上述实施例中，由于在反射单元与人眼观察侧之间设置有唯一一枚在焦距满足上述关系式(1)的第一透镜，不仅能缩小目镜光学系统的整体尺寸，使其在相同尺寸情况下能达到最大视场角，而且，当反射单元为光学棱镜时，可实现与棱镜的胶合或者一体成型，大幅降低了生产装配的难度和结构设计的复杂度。

同时，通过采用光学非球面面型、且具有上述特定焦距参数的第二透镜和第三透镜，很好地校正了目镜光学系统的畸变。

与公开号为US7180675B2和US8531774B2的专利技术方案之相比，本发明上述实施例中的目镜光学系统通过第一正透镜和反射单元的组合设计，在增大了系统有效视场角的同时，极大程度地控制了系统的尺寸，通过第二透镜和第三透镜组的搭配设计、以及光学非球面面型的设计应用，很好地校正了系统的像差，可实现24°～30°的有效视场角，同时全画幅C-line和F-line的色差小于0.08mm，同时实现系统结构紧凑、大视场角、高光学分辨率、低畸变等光学性能，利于长时间舒适的观看。

在进一步的目镜光学系统实施例中，第二透镜靠近微型图像显示器侧的光学表面凹向微型图像显示器方向，可以进一步缩小目镜光学系统的尺寸，提高系统像质，校正畸变，改善了系统的像散和场曲等像差，更加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。

在进一步的目镜光学系统实施例中，第三透镜组由两枚光学透镜构成，其中进一步包括靠近微型图像显示器的第四透镜，采用第四透镜可更好的校正场曲和像散，更加有利于实现更大的视场角和更高的光学分辨率。

优选地，上述目镜光学系统实施例中，第四透镜靠近微型图像显示器的光学表面凹向微型图像显示器，有效地减小了目镜光学系统的整体尺寸，提高系统像质，校正畸变，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。

在进一步的目镜光学系统实施例中，第一透镜靠近人眼观察侧的光学表面凸向人眼观察方向，更加利于缩小光学系统尺寸，使其在相同尺寸情况下能达到最大视场角，提高系统像质，改善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。

在进一步的目镜光学系统实施例中，构成第一透镜为非球面透镜。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。

上述目镜光学系统实施例中，反射单元为具有反射功能的薄片，所述薄片包括基底层和反射镀膜层，所述基底层为玻璃、塑料或其他无机材料，可以降低制造成本，并降低系统总重量。

上述目镜光学系统实施例中，反射单元采用光学棱镜，可以更好的校正光学系统像差性能。

优选地，上述目镜光学系统实施例中，第一透镜靠近反射单元侧的光学表面为平面；第二透镜靠近反射单元侧的光学表面为平面。

优选地，上述目镜光学系统实施例中，第一透镜的光学平面与光学棱镜的相邻平面胶合，或第二透镜的光学平面与光学棱镜的相邻平面胶合，或第一透镜、第二透镜和光学棱镜两两胶合。

上述目镜光学系统实施例中，反射单元对目镜光学系统光轴的转折角θ可以是0-180°的任意角度。优选地，反射单元对目镜光学系统光轴的转折角θ满足以下关系式(6)：

θ＝90°        (6)。

优选地，上述目镜光学系统实施例中，第一透镜的有效焦距f₁₁进一步满足以下关系式(7)：

1.05<f₁₁/f_w<2.68      (7)。

其中，f₁₁/f_w的取值可以是1.05、1.22、1.36、0.89、1.49、1.47、1.21、1.54、1.45、1.88、1.29、1.25、1.20、1.14、1.67、2.10、2.21、2.32、2.68。

上述关系式(7)中，f₁₁/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，使得系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，并改善了所述系统中光学元件的可加工性。

优选地，上述目镜光学系统实施例中，第二透镜的有效焦距f21和第三透镜的有效焦距f₃₁，进一步满足以下关系式(8)和(9)：

f₂₁/f_w<-0.38          (8)；

0.41<f₃₁/f_w<0.58      (9)。

其中，f₂₁/f_w的取值可以是-0.93、-0.50、-0.59、-397.60、-0.72、-0.38、-0.58、-0.45、-0.76、-2.42、-0.62、-0.68、-0.57；f₃₁/f_w的取值可以是0.47、0.55、0.41、0.50、0.46、0.53、0.48、0.57。

上述关系式(8)和(9)中，f₂₁/f_w和f₃₁/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，使得系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，并改善了所述系统中光学元件的可加工性。

进一步地，上述目镜光学系统实施例中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料为玻璃材料或者塑料材料。

在进一步的实施例中，当微型图像显示器采用硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)显示器，第三透镜组和微型图像显示器之间沿光轴方向有PBS(Polarization Beam Splitter)棱镜或薄片型PBS，其与LED光源相配合使用给LCOS显示器提供照明。

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。在下述各实施例的光路图中，从微型图像显示器发出的光，依次经第四透镜或第三透镜、第二透镜、反射单元和第一透镜后，进入人眼。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。以下实施例所提供的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(Root Meam Square)半径(均方根半径)越小，光学系统的成像质量越高。

实施例1：目镜光学系统的光路结构示意图如图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L1、具有反射功能的薄片(即反射单元)、第二透镜L2、第三透镜L3。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、5、6、7、8)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为平凸正透镜，第二透镜L2为弯月形状的负透镜，第三透镜L3为双凸形状的正透镜。本实施例可充分的校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到24°。

表1 实施例1光学系统参数列表

图2所示为实施例1的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图3(a)和图3(b)分别示出了根据本发明实施例1的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

实施例2：目镜光学系统的光路结构示意图如图4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L1、棱镜P(即反射单元)、第二透镜L2、第三透镜L3。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6、7、8)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为平凸正透镜，第二透镜L2为弯月形状的负透镜，第三透镜L3为双凸形状的正透镜，在第三透镜L3与显示器件之间设置有PBS膜，其反射面记为R2，可以用于对微型显示器的照明。本光学结构可充分校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到25°。

表2 实施例2光学系统参数列表

图5所示为实施例2的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图6(a)和图6(b)分别示出了根据本发明实施例2的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

实施例3：目镜光学系统的光路结构示意图如图7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L1、棱镜P、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、 6、7、8、9、10)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为平凸形状的正透镜，第二透镜L2为弯月形状的负透镜，第三透镜L3为双凸形状的正透镜，第四透镜为双凹形状的负透镜，其中第一透镜与反射单元相胶合。本光学结构可充分校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到29°。

表3 实施例3光学系统参数列表

图8所示为本实施例的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图9(a)和图9(b)分别示出了根据本实施例的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

实施例4：目镜光学系统的光路结构示意图如图10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L1、棱镜P、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6、7、8、9、10)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为弯月形状的正透镜，第二透镜L2为弯月形状的负透镜，第三透镜L3为双凸形状的正透镜，第四透镜为弯月形状的负透镜。本光学结构可充分校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到27°。

表4 实施例4光学系统参数列表

图11所示为本实施例的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图12(a)和图12(b)分别示出了根据本实施例的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

实施例5：目镜光学系统的光路结构示意图如图13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L1、棱镜P、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为平凸形状的正透镜，第二透镜L2为弯月形状的负透镜，第三透镜L3为弯月形状的正透镜，第四透镜为弯月形正透镜，在第四透镜L4与显示器件之间设置有PBS棱镜组，包括相胶合的第一PBS棱镜P2和第二PBS棱镜P3，其反射面记为，可以用于对微型显示器进行照明。本光学结构可充分校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到24°。

表5 实施例5光学系统参数列表

图14所示为本实施例的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图15(a)和图15(b)分别示出了根据本实施例的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

实施例6：目镜光学系统的光路结构示意图如图16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L1、棱镜P、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6、7、8、9、10)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为平凸形状的正透镜，第二透镜L2为平凹形状的负透镜，第三透镜L3为双凸形状的正透镜，第四透镜为弯月形状的正透镜，其中第一透镜L1与棱镜P相胶合，棱镜P与第二透镜L2相胶合。本光学结构可充分校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到25°。

表6 实施例6光学系统参数列表

图17所示为本实施例的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图18(a)和图18(b)分别示出了根据本实施例的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

实施例7：目镜光学系统的光路结构示意图如图19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L1、棱镜P、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6、7、8、9、10)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为双凸形状的正透镜，第二透镜L2为双凸形状的负透镜，第三透镜L3为弯月形状的正透镜，第四透镜为弯月形状的正透镜。本光学结构可充分校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到26°。

表7 实施例7光学系统参数列表

图20所示为本实施例的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图21(a)和图21(b)分别示出了根据本实施例的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

实施例8：目镜光学系统的光路结构示意图如图22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L1、棱镜P、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。以靠近光阑E侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6、7、8、9、10)，显示器I表面为13，反射单元的反射面为R。第一透镜L1为平凸形状的正透镜，第二透镜L2为弯月形状的负透镜，第三透镜L3为双凸形状的正透镜，第四透镜为反向弯月形状的负透镜。本光学结构可充分校正系统的畸变、色差和场曲等像差，并在保证小体积的情况下，提供足够的正向光焦度，视场角达到28°。

表8 实施例8光学系统参数列表

图23所示为本实施例的目镜光学系统的点列图示意图，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。

图24(a)和图24(b)分别示出了根据本实施例的目镜的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例光学系统的大视场及高成像质量等特征。

上述实施例1-8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9所示：

表9 实施例1-8光学系统参数值

	f11/fw	f21/fw	f3/fw	f31/fw
实施例1	1.67	-0.57	0.40	0.40
实施例2	2.66	-0.59	0.40	0.40
实施例3	1.39	-0.69	0.50	0.41
实施例4	4.50	-0.93	0.46	0.48
实施例5	1.47	-0.58	0.46	0.83
实施例6	1.54	-0.45	0.40	0.49

实施例7	0.75	-0.28	0.39	0.70
实施例8	1.25	-0.67	0.53	0.48

在本发明的另一实施例中，还提供了另一种头戴显示装置，包括微型图像显示单元和目镜，目镜位于人眼与微型图像显示单元之间，其中：目镜为前述任一项实施例所述的目镜光学系统。

优选地，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或反射式液晶显示器。

优选地，头戴显示装置通过调整微型显示器和目镜光学系统之间沿光轴方向的距离来调节屈光度。

优选地，头戴显示装置是包含两个相同的上述目镜光学系统的双目头戴显示装置。

综上，本发明的上述各实施例的目镜光学系统具有结构紧凑、小尺寸、高光学分辨率等优点，出瞳直径大于一般目镜；该目镜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，特别是同时实现了低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标，使观察者可以通过本发明的目镜光学系统，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到最佳的视觉体验。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (18)

1. 一种用于近眼显示的目镜光学系统，其特征在于，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、反射单元、第二透镜和第三透镜组；所述第二透镜和第三透镜组的光轴共轴，且垂直于微型图像显示器；所述第二透镜和第三透镜组的光轴经过反射单元反射后与第一透镜的光轴共轴；所述第三透镜组至少包括第三透镜；

   所述第二透镜和所述第三透镜为光学非球面面型；所述第一透镜为设置于所述反射单元与人眼观察侧之间的唯一透镜；所述第一透镜的有效焦距f₁₁、所述第二透镜的有效焦距f₂₁和所述第三透镜的有效焦距f₃₁分别与所述目镜光学系统的有效焦距f_w之间满足以下关系式(1)、(2)和(3)：

   0.75<f₁₁/f_w<4.5   (1)；

   f₂₁/f_w<-0.28      (2)；

   0.33<f₃₁/f_w<0.83  (3)；

   所述第一透镜靠近人眼观察侧的光学表面凸向人眼观察方向；所述第二透镜靠近微型图像显示器侧的光学表面凹向微型图像显示器方向；所述第三透镜为双凸透镜。
2. 根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于：所述第三透镜组进一步包括靠近微型图像显示器的第四透镜。
3. 根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜为非球面透镜。
4. 根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：所述反射单元为具有反射功能的薄片，所述薄片包括基底层和反射镀膜层，所述基底层为玻璃、塑料或其他无机材料。
5. 根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：所述反射单元为光学棱镜。
6. 根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜靠近反射单元侧的光学表面为平面。
7. 根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：所述第二透镜靠近反射单元侧的光学表面为平面。
8. 根据权利要求2所述目镜光学系统，其特征在于：所述第四透镜靠近微型图像显示器的光学表面凹向微型图像显示器。
9. 根据权利要求5、6或7所述的目镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜的光学平面与所述光学棱镜的相邻平面胶合，或所述第二透镜的光学平面与所述光学棱镜的相邻平面胶合，或所述第一透镜、第二透镜和光学棱镜两两胶合。
10. 根据权利要求4或5所述的目镜光学系统，其特征在于：所述反射单元对所述目镜光学系统光轴的转折角θ满足以下关系式(6)：

    θ＝90°   (6)。
11. 根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜的有效焦距f₁₁进一步满足以下关系式(7)：

    1.05<f₁₁/f_w<2.68   (7)。
12. 根据权利要求1所述目镜光学系统，其特征在于：所述第二透镜的有效焦距f₂₁和所述第三透镜的有效焦距f₃₁，进一步满足以下关系式(8)：

    f₂₁/f_w<-0.38   (8)；

    0.41<f₃₁/f_w<0.58   (9)。
13. 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、第二透镜和第三透镜的材料为玻璃材料或者塑料材料。
14. 根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：所述第三透镜组和微型图像显示器之间，沿光轴方向有PBS棱镜或薄片型PBS。
15. 一种头戴显示装置，包括微型图像显示单元和目镜，所述目镜位于人眼与所述微型图像显示单元之间，其特征在于：所述目镜为权利要求1至14中任一项所述的目镜光学系统。
16. 根据权利要求15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或反射式液晶显示器。
17. 根据权利要求16所述的头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置通过调整微型显示器和目镜光学系统之间沿光轴方向的距离来调节屈光度。
18. 根据权利要求17所述的头戴显示装置，其特征在于，所述头戴显示装置是包含两个相同的上述目镜光学系统的双目头戴显示装置。