CN108681033A - 一种光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学镜头，所述光学镜头包括至少4片透镜，所述光学镜头从人眼观察侧到光源器件侧，沿光轴方向依次排列着光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第二透镜至第四透镜的组合焦距为f24，光学镜头总焦距为fw满足以下关系式：(1)0.66<f1/fw<3.3，(2)|f2/fw|<4，(3)0.5<f24/fw<2.5。采用本发明所述的光学镜头可以实现更大的视场和出瞳直径，达到更好的视觉效果。

Description

一种光学镜头
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，特别是一种用于透射成像的光学镜头，所述光学镜头可作为目镜，广泛应用于头盔显示器，微型取景器等领域。
背景技术
虚拟现实与增强现实技术是近年来学术界和产业界广泛讨论的热门话题，作为其核心硬件的头盔显示器更受到全球科学家和IT产业巨头以及诸多创业公司的争相研发，并且已经取得了长足的发展。由于头盔显示器安装在观察者的头部，因此它必须结构紧凑、重量轻，以减轻观察者的负载。头盔显示器主要有三个部分构成：显示器件、光学镜头和头盔，要减轻重量，光学系统是关键，所述光学系统包括光学镜头。光学系统的结构越紧凑，重量越轻。但光学系统的紧凑性与头盔显示器对光学系统的成像质量的要求之间存在一定的矛盾。对于头盔显示器而言，要求光学系统可以做到比较大的视场和出瞳直径。因为视场增加，观察范围也会增加，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像，出瞳直径及出瞳距的增加可以保证头盔适应不同瞳距的观察者，而不必调整头盔的瞳距，同时允许观察者在观察过程中眼珠能随意转动而不至于丢失图像。但光学镜头的视场、出瞳直径与成像质量之间有相互制约的关系，视场及出瞳越大，光学系统的成像质量越低。在保证成像质量的同时达到较大的视场、出瞳直径并不容易。
发明内容
鉴于上述需求，本发明提供了一种光学镜头，特别适合目镜的应用，例如配合图像显示器件和反射面用于AR中对图像进行放大，或者接入摄像/照相的成像系统作为取景器，通过调整本发明光学镜头中各个透镜的位置，出瞳直径为8mm，总焦距达到30mm。
为了达到上述目的，本发明方案是这样实现的。一种光学镜头，包括至少4片透镜，所述光学镜头从人眼观察侧到图像显示器件侧，沿光轴方向依次排列着光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第二透镜至第四透镜的组合焦距为f24，光学镜头总焦距为fw满足以下关系式(1)～(3)：
(1)0.66<f1/fw<3.3
(2)-4<f2/fw<4
(3)0.5<f24/fw<2.5。
进一步的，所述第一透镜为正透镜，朝向人眼侧的面向人眼侧凸出。
进一步的，所述第一透镜的焦距f1的范围为20mm～100mm。
进一步的，所述第二透镜的焦距f2的范围为-120mm～120mm。
进一步的，所述第二透镜和第三透镜采用双胶合方式。
进一步的，所述光学镜头还包括第五透镜；所述第二透镜至第五透镜的组合焦距f25大于0。
进一步的，所述光学镜头还包括第六透镜；所述第二透镜至第六透镜的组合焦距f26大于0。
进一步的，第六透镜为弯月透镜，弯向第五透镜方向。
进一步的，所述第四透镜为包含非球面的透镜。进一步的，所述光学镜头中的各透镜之间的间隔大于0.2mm。
采用本发明所述的光学镜头，可以使光学系统的结构紧凑，重量较小；较一般的光学镜头的视场角更大的同时，有较大的出瞳直径，可以达到更开阔的视野和更好的视觉效果。
附图说明
图1示出了本发明第一实施例的光学镜头图。
图2示出了根据本发明第一实施例优化的光学镜头图。
图3示出了本发明第一实施例的光学镜头成像示意图。
图4示出了本发明第一实施例的光学镜头成像显示光斑图。
图5示出了本发明第一实施例优化的光学镜头成像示意图。
图6示出了本发明第一实施例优化的光学镜头显示光斑图。
图7示出了本发明第二实施例的光学镜头图。
图8示出了本发明第三实施例的光学镜头图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式做详细说明，其示例表示在附图中，除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二等词汇仅理解为区分不同的部件，而不包含顺序的限定性作用，并且，在不同的实施例中，同样被称为第一部分的部件结构也可以是不相同的；各附图中的部件图只是示意性作用，即使图中只示出一个球面透镜，也不应该被理解为仅可以由球面单透镜构成，而也可以是一个透镜组的等效示意，或者具有其他的面型的具有同样作用的光学元件的示意。
本发明提供一种光学镜头，其具备一定的通光孔径以匹配相应的图像显示器件图像光发射面尺寸和方向，
下面，以示例性的使用大约0.7"寸对角线大小的图像显示器件，通过具体实施例和附图来对本发明的光学镜头进行详细说明，但本领域技术人员应该理解，在满足本发明镜头各参数的情况下，可适用的显示器件大小并不限于此。为了实现对使用者视度的适应，显示器件并不需固定在同一位置上。以图1所示为例(各实施例中结构示意图同理)，调节本发明的镜头与显示器件之间的距离，使显示器件据镜头最后一光学表面的距离发生变化，可以适应不同的视度。图中示出了5个不同的距离，代表5个调焦像面。当显示器件距离镜头最后一个镜片最近时，适用近视800度，由近及远依次类推，分别适用近视500度，近视200度，零视度，远视300度。
第一实施例
图1示出了本发明第一实施例的光学镜头结构示意图，如图1所示，从人眼观察侧到显示器件侧(从左至右)，依次为光阑E(人眼观察处)、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4，第一透镜L1、第二透镜L2和第四透镜L4为正透镜，第三透镜L3为负透镜，其中，所述L1的正透镜可以为正弯月透镜或凸透镜，所述第二透镜和第三透镜构成正-负双胶合形式，用于校正系统的色差。第四透镜L4校正视场相关像差，包括畸变和场曲。
作为在一定口径下获取良好成像效果的保证，优选得使本发明的各透镜焦距具有满足下列关系式(1)～(3)：
(1)0.66<f1/fw<3.3
(2)-4<f2/fw<4
(3)0.5<f24/fw<2.5。
其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第二透镜至第四透镜的组合焦距为f24，光学镜头总焦距为fw。
在第一实施例的光学镜头的各项可选的设计数据中，如表1所示，包括三组符合上述条件的数据。
表1
L1 L2 L3 L4
焦距示例1 42.9876 55.2774 -16.7618 31.6105
焦距示例2 37.56 108.78 44.3736 -27.0258
焦距示例3 44.2331 55.992 -17.5008 31.214
根据上述具体焦距示例的具备本发明第一实施例的光学镜头，可以达到出瞳直径＝8mm和总焦距＝30mm，视场角达到水平方向33度，垂直方向35度。
作为一种变形的方式，优选地，如图2所示，在光学镜头中，第四透镜L4的朝向L3方向的表面以及朝向显示器件方向的表面采用非球面。L4采用了包括非球面的透境，相比仅适用球面面型的透镜，具有更好的成像的质量，达到更好的目视效果。
所述优选的实施中三组光学镜头的设计数据如表2所示。
表2
L1 L2 L3 L4
焦距示例1 45.7173 47.4937 -18.8992 46.4727
焦距示例2 40.5321 57.2487 -18.1149 36.9368
焦距示例2 35.3935 51.1053 -15.575 46.0655
上述优选的实施例中的光学镜头中各个透镜的具体面型参数如表3所示，按照由左至右的顺序，依次为光阑、L1至L4，其中，光阑的面序号为1，L1靠近光阑侧的面序号为2，依次类推，L4的靠近显示器件侧的面序号为8。
表3
面序号 面型 曲率
1光阑 球面
2 球面 30.6812
3 球面 -343.3005
4 球面 19.9293
5 球面 51.0749
6 球面 11.8544
7 非球面 20.3386
8 非球面 250
与表3中非球面曲率相应的非球面系数如表4所示：
表4
采用球面的第一实施例的光学系统MTF图如图3所示，相应的，图4为该光学系统的成像显示光斑图；包含非球面的第一实施例的变形例的MTF图如图5所示，图6为其成像显示光斑图。对比图4与图6可以得出，包含非球面的优选的光学系统的成像质量明显优于球面的光学系统。
根据上述变形例的各具体焦距示例，同样可以达到出瞳直径＝8mm和总焦距＝30mm，视场角达到水平方向33度，垂直方向35度。
第二实施例
不限于只包括4片透镜的形式，本发明中的光学镜头还可以添加第五透镜以进一步改善系统的成像质量，采用如图7所示的方式实现。
如图7所示，从人眼观察侧到显示器件(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5。其中，第一透镜L1为正透镜，所述正透镜可以为正弯月透镜或凸透镜，第二透镜L2和第三透镜L3构成正-负双胶合形式，用于校正系统的色差，其中，L2为弯月形透镜，弯向L1方向。第四透镜L4和第五透镜L5为正透镜，用于校正视场相关像差，包括畸变和场曲，其中，L5为弯月形透镜，弯向显示器件方向。
添加的第五透镜L5并不对前述第一实施例应满足的焦距关系造成影响，第二实施例中，本发明的光学镜头同样满足关系式(1)～(3)：
(1)0.66<f1/fw<3.3
(2)-4<f2/fw<4
(3)0.5<f24/fw<2.5。
其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第二透镜至第四透镜的组合焦距为f24，光学镜头总焦距为fw。
并进一步的，满足第二透镜至第五透镜的组合焦距f25>0。
本领域技术人员可以理解的，加入第五透镜L5后的前序透镜组在达到同样的出瞳直径＝8mm和总焦距＝30mm，视场角达到水平方向33度，垂直方向35度的条件下，各透镜的设计数据应发生相应的调整，例如所述第二实施中三组符合条件的光学镜头的设计数据可以如表5所示。
表5
L1 L2 L3 L4 L5
焦距示例1 38.033 45.1514 -18.1631 35.053 -35.6127
焦距示例2 44.5367 59.7171 -18.2157 47.0476 92.587
焦距示例3 54.2884 44.502 -16.6507 77.6267 79.0115
第三实施例
图8示出了本发明中光学镜头的又一实施例。如图8所示，从人眼观察侧到显示器件(从左至右)，依次为光阑E、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。其中，第一透镜L1、第四透镜L4、第五透镜L5及第六透镜L6为正透镜，所述L1的正透镜可以为正弯月透镜或凸透镜，L5为弯月形透镜，弯向L6方向，L6也为弯月形透镜，弯向L5方向，相较于第一和第二实施例，加入采用弯月型的透镜L6会提高超过视场边缘范围的图像质量。第二透镜L2和第三透镜L3为正-负双胶合形式，用于校正系统的色差。L4、L5及L6用于校正视场相关像差，包括畸变和场曲。
与第二实施例类似的，添加的第六透镜L6并不对前述L1-L4应满足的焦距关系造成影响，第三实施例中，本发明的光学镜头同样满足关系式(1)～(3)：
(1)0.66<f1/fw<3.3
(2)-4<f2/fw<4
(3)0.5<f24/fw<2.5。
其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第二透镜至第四透镜的组合焦距为f24，光学镜头总焦距为fw。
并进一步的，满足第二透镜至第五透镜的组合焦距f25>0，满足第二透镜至第六透镜的组合焦距f26>0。
第三实施例中三组符合条件的透镜的设计数据如表6所示。
表6
L1 L2 L3 L4 L5 L6
焦距示例1 29.4494 -33.8083 61.16 -63.2043 39.9159 -42.4958
焦距示例2 59.7977 119.898 -127.034 -46.9389 26.7791 -79.3502
焦距示例3 90.6025 36.1632 -264.272 -68.2503 37.1741 -55.1201
根据第三实施例下的的各具体焦距示例，同样可以达到出瞳直径＝8mm和总焦距＝30mm，视场角达到水平方向33度，垂直方向35度。
虽然上述第一至三实施例示出的均为L2和L3透镜构成正-负胶合的方式，但本领域技术人员可以理解的，采用非胶合的方式同样可以达到所需的技术效果，并且，正-负胶合的顺序也并非唯一的，在一种优选的方式下，L1的焦距范围为20mm～100mm，L2的焦距范围为-120mm～120mm，负-正的胶合/非胶合方式构成透镜L2和L3同样在本发明的技术范围内。只是非胶合方式会加长光学镜头在横轴方向的长度，增大光学镜头的体积。为了本发明产品安装实施的便利，上述实施例中的透镜之间要留有一定的间隔，优选的，所述间隔的距离至少大于0.2mm。
本领域技术人员可以理解的，满足要求的透镜的设计数据不限于上述实施例，优选的使L2至L4的组合焦距范围为15mm～75mm，并在添加透镜L5和L6的情况下，确保L2至L5的组合焦距及L2至L6的组合焦距均为正，会达到比较理想的技术效果，超出此范围也可以实现发明目的但会影响图像质量，一种示例性的本发明的光学镜头总焦距fw为30mm。
从上述本发明的各项实施例的设计数据，可以得出实施例一至实施例三中的光学镜头满足关系式(1)至(3)的要求，如表7所示。
表7
虽然已经详细示出了本发明的实施例，但是应当明白，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和调整，而不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种光学镜头，其特征在于，包括至少4片透镜，所述光学镜头从人眼观察侧到光源器件侧，沿光轴方向依次排列着光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；
其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第二透镜至第四透镜的组合焦距为f24，光学镜头总焦距为fw满足以下关系式(1)～(3)：
(1)0.66<f1/fw<3.3
(2)-4<f2/fw<4
(3)0.5<f24/fw<2.5。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜为正透镜，朝向人眼侧的面向人眼侧凸出。
3.根据权利要求2所述的光学镜头，其特征在于所述第一透镜的焦距f1的范围为20mm～100mm。
4.根据权利要求2所述的光学镜头，其特征在于所述第二透镜的焦距f2的范围为-120mm～120mm。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于所述第二透镜和第三透镜采用双胶合方式构成。
6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还包括第五透镜；
所述第二透镜至第五透镜的组合焦距f25大于0。
7.根据权利要求6所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头还包括第六透镜；
所述第二透镜至第六透镜的组合焦距f26大于0。
8.根据权利要求7所述的光学镜头，其特征在于，所述第六透镜为弯月透镜，弯向第五透镜方向。
9.根据权利要求1-8任一所述的光学镜头，其特征在于所述第四透镜为包含非球面的透镜。
10.根据权利要求1-9任一所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头中各透镜之间的间隔大于0.2mm。
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