CN108957730A - 一种目镜及微显示屏头戴显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种目镜和一种微显示屏头戴显示设备，其中，在从人眼观察侧至显示屏的方向上该目镜依次包括：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜；所述第一正透镜和所述第二负透镜采用树脂材质；所述第二正透镜、所述第一负透镜和所述第三正透镜采用玻璃材质。本发明提供的目镜既能保证图像质量，又具有重量轻、体积小、成本低的特性。

Description

一种目镜及微显示屏头戴显示设备
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及目镜和一种微显示屏头戴显示设备。
背景技术
微显示屏头戴显示设备的工作原理是，微显示屏上的图像经过目镜放大后投影到人眼视网膜，为用户营造大屏幕观影或浏览图文信息的体验效果。
目前，微显示屏头戴显示设备上使用的目镜多由全玻璃透镜组成，虽然能够实现良好的画质，但重量较重，体积大，成本也较高。
所以，现在亟需一种既能保证图像质量，又具有重量轻、体积小、成本低的目镜。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是提供一种目镜，以解决现有目镜重量较重，体积大，成本高的难题。
为了解决上述问题，本发明公开了一种目镜，在从人眼观察侧至显示屏的方向上依次包括：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜；
所述第一正透镜和所述第二负透镜采用树脂材质；
所述第二正透镜、所述第一负透镜和所述第三正透镜采用玻璃材质。
优选地，所述第二正透镜和所述第一负透镜组合成为胶合镜组。
优选地，在从人眼观察侧至显示屏的方向上，
所述第一正透镜，依次包括第一表面和第二表面，所述第一表面为凸面、凹面以及平面中的任一种，所述第二表面为凸面；
所述第二正透镜，依次包括第三表面和第四表面，所述第三表面为凸面，所述第四表面为凸面或凹面；
所述第一负透镜，依次包括第五表面和第六表面，所述第五表面与所述第四表面重合，所述第六表面为凹面；
所述第三正透镜，依次包括第七表面和第八表面，所述第七表面为凸面，第八表面为凸面或凹面；
所述第二负透镜，依次包括第九表面和第十表面，所述第九表面为凹面或凸面，第十表面为凹面。
优选地，所述第一正透镜的第一表面的面型为球面或非球面，第二表面的面型为非球面；
所述第二正透镜的第三表面和第四表面的面型均为球面；
所述第一负透镜的第五表面和第六表面的面型为均球面；
所述第三正透镜的第七表面和第八表面的面型均为球面；
所述第二负透镜的第九表面的面型为球面或非球面，第十表面的面型为非球面。
优选地，所述第一正透镜的折射率Nd1和色散系数Vd1满足：1.48<Nd1<1.58，50<Vd1<60；
所述第二正透镜的折射率Nd2和色散系数Vd2满足：1.56<Nd2<1.76，50<Vd2<60；
所述第一负透镜的折射率Nd3和色散系数Vd3满足：1.76<Nd3<1.88，20<Vd3<30；
所述第三正透镜的折射率Nd4和色散系数Vd4满足：1.58<Nd4<1.78，45<Vd4<55；
所述第二负透镜的折射率Nd5和色散系数Vd5满足：1.48<Nd5<1.65，25<Vd5<58。
优选地，所述第一正透镜的焦距f1与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第二正透镜和第一负透镜的组合焦距f23与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第三正透镜的焦距f4与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第二负透镜的焦距f5与所述目镜的焦距ft的关系满足：
优选地，所述目镜沿光轴方向上的长度大于16mm，小于25mm。
优选地，所述目镜的出瞳直径小于10mm，所述目镜的出瞳距离小于18mm。
本发明实施例还提供了一种微显示屏头戴显示设备，包括上述目镜以及显示屏，在从人眼观察侧至所述显示屏的方向上，所述目镜依次包括：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜；
所述第一正透镜和所述第二负透镜采用树脂材质；
所述第二正透镜、所述第一负透镜和所述第三正透镜采用玻璃材质。
优选地，所述目镜与所述显示屏之间的距离可调，用以进行近视调节。
与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：
本发明实施例提供的目镜包括第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜，第一正透镜和第二负透镜采用树脂材质；第二正透镜、第一负透镜和第三正透镜采用玻璃材质，该目镜既能保证图像质量，又具有重量轻、体积小、成本低的特性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种目镜的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的目镜的反向光线追迹图；
图3为本发明实施例提供的目镜的MTF曲线图；
图4为本发明实施例提供的目镜在像方视场为0.0mm时的垂轴像差曲线图；
图5为本发明实施例提供的目镜在像方视场为3.2mm时的垂轴像差曲线图；
图6为本发明实施例提供的目镜在像方视场为4.6mm时的垂轴像差曲线图；
图7为本发明实施例提供的目镜在像方视场为6.0mm时的垂轴像差曲线图；
图8为本发明实施例提供的目镜在像方视场为6.5mm时的垂轴像差曲线图；
图9为本发明实施例提供的目镜的畸变曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，示出了本发明的一种目镜的结构示意图，该目镜可以应用于微显示屏头戴显示设备，在从人眼观察侧至显示屏的方向上，该目镜依次可以包括：第一正透镜L1、第二正透镜L2、第一负透镜L3、第三正透镜L4和第二负透镜L5。该显示屏的尺寸小于0.8英寸。
图1中A1处为光阑所在平面，即人眼的位置；A2处为显示屏所在平面。
第一正透镜L1和所述第二负透镜L5采用树脂材质。
第二正透镜L2、所述第一负透镜L3和所述第三正透镜L4采用玻璃材质。
由于采用树脂材质的透镜，目镜也减轻。
进一步地，第二正透镜L2和所述第一负透镜L3组合成为胶合镜组。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第一正透镜L1依次包括第一表面和第二表面，第一表面可以为凸面、凹面以及平面中的一种，第二表面可以为凸面。第一表面的面型可以为球面或非球面，第二表面的面型可以为非球面。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第二正透镜L2依次包括第三表面和第四表面，所述第三表面为凸面，所述第四表面为凸面或凹面。第三表面和第四表面的面型为球面。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第一负透镜L3依次包括第五表面和第六表面，所述第五表面与所述第四表面重合，所述第六表面为凹面。该第四表面和第五表面为胶合镜组的胶合面。所述第一负透镜的第五表面和第六表面的面型为均球面。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第三正透镜L4依次包括第七表面和第八表面，所述第七表面为凸面，第八表面为凸面或凹面。所述第三正透镜L4的第七表面和第八表面的面型均为球面。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，所述第二负透镜L5依次包括第九表面和第十表面，所述第九表面为凹面或凸面，第十表面为凹面。所述第二负透镜的第九表面的面型可以为球面或非球面，第十表面的面型为非球面。
在本发明实施例的一种优选示例中，第一正透镜L1、第二正透镜L2、第一负透镜L3、第三正透镜L4和第二负透镜L5分别满足：
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第一正透镜L1依次包括为凸面的第一表面和为凸面第二表面，第一表面的面型可以为非球面，第二表面的面型可以为非球面；
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第二正透镜L2依次包括为凸面的第三表面和为凹面的第四表面。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第一负透镜L3依次包括与第四表面重合的第五表面和为凹面的第六表面。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，第三正透镜L4依次包括为凸面的第七表面和为凹面的第八表面。
在从人眼观察侧至显示屏的方向上，所述第二负透镜L5依次包括第九表面和为凹面第十表面，所述第九表面的中心定点位置处为凸面，两端位置处为凹面。
在本发明实施例的一种优选示例中，第一正透镜L1、第二正透镜L2、第一负透镜L3、第三正透镜L4和第二负透镜L5的各个表面的面型参数如表一所示。
表一：面型参数
表面项 面型 曲率半径/mm 曲面间隔/mm
第一表面 非球面 32.606 4.629
第二表面 非球面 -33.264 0.165
第三表面 球面 13.392 6.499
第四表面/第五表面 球面 804.939 1.920
第六表面 球面 8.733 1.000
第七表面 球面 10.605 3.891
第八表面 球面 49.325 0.652
第九表面 非球面 64.460 0.955
第十表面 非球面 27.030 4.917
需要说明的是表一中非球面的曲率半径为非球面顶点处的曲率半径。
第一正透镜L1的第一表面和第二表面，以及第二负透镜L5的第九表面和第十表面均为非球面，这些非球面可以如下公式表征：
其中，z表示非球面的矢高，c为非球面顶点处的曲率，r代表非球面的径向大小，k为非球面的圆锥系数，αi代表2i阶非球面系数。其中，非球面的圆锥系数和2i阶非球面系数的大小如表二所示。
表二：非球面各项系数
非球面各项系数 第一表面 第二表面 第九表面 第十表面
圆锥系数 0.9454 -0.0639 56.0214 0
2阶非球面系数 0 0 0 0
4阶非球面系数 9.23E-006 -3.97E-006 -1.57E-004 2.46E-004
6阶非球面系数 2.38E-008 -1.73E-008 1.95E-006 8.04E-007
8阶非球面系数 -7.27E-010 9.81E-010 -1.57E-007 -3.05E-008
10阶非球面系数 4.58E-012 -4.68E-012 1.56E-009 -1.52E-009
12阶非球面系数 -9.16E-015 1.41E-015 0 -1.88E-012
14阶非球面系数 -1.07E-017 1.71E-017 -6.13E-014 1.24E-013
16阶非球面系数 0 0 0 0
在本发明实施例例中，各个透镜的折射率和色散系数满足：
所述第一正透镜L1的折射率Nd1和色散系数Vd1满足：1.48<Nd1<1.58，50<Vd1<60。
所述第二正透镜L2的折射率Nd2和色散系数Vd2满足：1.56<Nd2<1.76，50<Vd2<60。
所述第一负透镜L3的折射率Nd3和色散系数Vd3满足：1.76<Nd3<1.88，20<Vd3<30。
所述第三正透镜L4的折射率Nd4和色散系数Vd4满足：1.58<Nd4<1.78，45<Vd4<55。
所述第二负透镜L5的折射率Nd5和色散系数Vd5满足：1.48<Nd5<1.65，25<Vd5<58。
优选地，所述第一正透镜L1的折射率Nd1为1.53，色散系数Vd1为55.86；所述第二正透镜L2的折射率Nd2为1.697，色散系数Vd2为55.534；所述第一负透镜L3的折射率Nd3为1.805和色散系数Vd3为25.471；所述第三正透镜L4的折射率Nd4为1.743，色散系数Vd4为49.238；所述第二负透镜L5的折射率Nd5为1.53，色散系数Vd5为55.866。
在本发明实施例中，各个透镜的焦距满足：
所述第一正透镜L1的焦距f1与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第二正透镜L2和第一负透镜L3的组合焦距f23与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第三正透镜L4的焦距f4与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第二负透镜L5的焦距f5与所述目镜的焦距ft的关系满足：
图2为本发明实施例提供的目镜的反向光线追迹图。由图2可知，第一正透镜L1的第一表面和第二表面主要用于校正垂轴像差，第二正透镜L2和所述第一负透镜L3构成的胶合镜组主要用于校正倍率色差，第三正透镜L4主要用于调节目镜的屈光度，第二负透镜L5主要用于校正场曲和畸变。由于第三正透镜L4的设置，可以减小第一正透镜L1和第二负透镜L5的屈光度，所以一方面可以降低边缘光线经过第一正透镜L1带来的球差和慧差，另一方面通过减小第二负透镜L5的屈光度，从而延长了光线会聚的距离，增加了目镜的后截距。
目镜的近视调节能力DA与后截距BFL的关系如下：
其中，ft为目镜的焦距。
如图1所示，后截距BFL为目镜第二负透镜L5的第十表面最外围端侧所在的平面到显示屏所在平面的距离。在显示应用中，可以通过调节目镜和显示屏之间的距离来调节近视，所以后截距BFL的增加可以最大限度地用于近视调节，本发明实施例提供的目镜能够支持高达-8D的近视调节。
并且，由于降低对第二负透镜L5的屈光度的限制，通过优化面型参数，能够最大限度地校正目镜畸变。
由于本发明实施例的目镜只采用了5片透镜，目镜沿光轴方向上的整体长度较短，如图1所示，目镜沿光轴方向上的整体长度TTL大于16mm，小于25mm，优选地，可以为20.75mm，所以有效减小了目镜的体积和重量。
本发明提供的目镜的出瞳直径，即光阑的直径小于10mm。优选地，在本发明实施例中，目镜的出瞳直径具体可以为8mm，该目镜的出瞳直径较大，所以人眼在适当范围内进行移动时，图像依然完整清晰。如图1所示，目镜的出瞳距离PL，即光阑所在平面到第一正透镜L1的第一表面中心顶点的距离小于18mm，优选地，可以为15mm。显示屏可以选用0.5英寸的OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机电激发光二极管)微显示屏。需要说明的是，本发明实施例提供的目镜适用于0.3英寸至0.8英寸的微显示屏头戴显示设备。
图3为本发明实施例提供的目镜的MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)曲线图。如图3所示，在全视场范围(0至6.5mm)内，空间频率为30线对/毫米时的平均MTF均高于0.3，符合成像的质量要求。
图4为本发明实施例提供的目镜在像方视场为0.0mm时的垂轴像差曲线图；图5为本发明实施例提供的目镜在像方视场为3.2mm时的垂轴像差曲线图；图6为本发明实施例提供的目镜在像方视场为4.6mm时的垂轴像差曲线图；图7为本发明实施例提供的目镜在像方视场为6.0mm时的垂轴像差曲线图；图8为本发明实施例提供的目镜在像方视场为6.5mm时的垂轴像差曲线图。在图4至图8中，PX、PY为出瞳平面X，Y方向归一化位置坐标；EX、EY为X，Y方向横向像差大小，量程为-100um至+100um，光线波长为587nm。由图4、图5、图6、图7和图8可知，在全视场范围内，目镜的垂轴像差均低于100um，符合成像的质量要求。
图9为本发明实施例提供的目镜的畸变曲线图，图9中，w1的波长为486nm，w2的波长为587nm，w3的波长为656nm。如图9所示，在全视场范围内，目镜的畸变小于0.5％。
综上所述，本发明实施例提供的目镜既能保证图像质量，又具有重量轻、体积小、成本低的特性。
本发明实施例还提供了一种微显示屏头戴显示设备，包括如上所述的目镜和显示屏，在从人眼观察侧至显示屏的方向上，该目镜包括第一正透镜L1、第二正透镜L2、第一负透镜L3、第三正透镜L4和第二负透镜L5。
第一正透镜L1和所述第二负透镜L5采用树脂材质。
第二正透镜L2、所述第一负透镜L3和所述第三正透镜L4采用玻璃材质。
该头戴显示设备中的目镜与图1所示的目镜相同或相近，具体结构可以参考图1所示的目镜。
优选地，所述目镜与所述显示屏之间的距离可调，用以进行近视调节。本发明实施例提供的头戴显示设备的成像质量较好，其使用的目镜又具有重量轻、体积小、成本低的特性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种目镜和一种微显示屏头戴显示设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种目镜，其特征在于，在从人眼观察侧至显示屏的方向上所述目镜依次包括：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜；
所述第一正透镜和所述第二负透镜采用树脂材质；
所述第二正透镜、所述第一负透镜和所述第三正透镜采用玻璃材质。
2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述第二正透镜和所述第一负透镜组合成为胶合镜组。
3.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，在从人眼观察侧至显示屏的方向上，
所述第一正透镜，依次包括第一表面和第二表面，所述第一表面为凸面、凹面以及平面中的任一种，所述第二表面为凸面；
所述第二正透镜，依次包括第三表面和第四表面，所述第三表面为凸面，所述第四表面为凸面或凹面；
所述第一负透镜，依次包括第五表面和第六表面，所述第五表面与所述第四表面重合，所述第六表面为凹面；
所述第三正透镜，依次包括第七表面和第八表面，所述第七表面为凸面，所述第八表面为凸面或凹面；
所述第二负透镜，依次包括第九表面和第十表面，所述第九表面为凹面或凸面，所述第十表面为凹面。
4.根据权利要求3所述的目镜，其特征在于：
所述第一正透镜的第一表面的面型为球面或非球面，第二表面的面型为非球面；
所述第二正透镜的第三表面和第四表面的面型均为球面；
所述第一负透镜的第五表面和第六表面的面型为均球面；
所述第三正透镜的第七表面和第八表面的面型均为球面；
所述第二负透镜的第九表面的面型为球面或非球面，第十表面的面型为非球面。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的目镜，其特征在于：
所述第一正透镜的折射率Nd1和色散系数Vd1满足：1.48<Nd1<1.58，50<Vd1<60；
所述第二正透镜的折射率Nd2和色散系数Vd2满足：1.56<Nd2<1.76，50<Vd2<60；
所述第一负透镜的折射率Nd3和色散系数Vd3满足：1.76<Nd3<1.88，20<Vd3<30；
所述第三正透镜的折射率Nd4和色散系数Vd4满足：1.58<Nd4<1.78，45<Vd4<55；
所述第二负透镜的折射率Nd5和色散系数Vd5满足：1.48<Nd5<1.65，25<Vd5<58。
6.根据权利要求2所述的目镜，其特征在于：
所述第一正透镜的焦距f1与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第二正透镜和所述第一负透镜的组合焦距f23与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第三正透镜的焦距f4与所述目镜的焦距ft的关系满足：
所述第二负透镜的焦距f5与所述目镜的焦距ft的关系满足：
7.根据权利要求2所述的目镜，其特征在于，所述目镜沿光轴方向上的长度大于16mm，小于25mm。
8.根据权利要求2所述的目镜，其特征在于，所述目镜的出瞳直径小于10mm，所述目镜的出瞳距离小于18mm。
9.一种微显示屏头戴显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的目镜以及显示屏，在从人眼观察侧至所述显示屏的方向上，所述目镜依次包括：第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜和第二负透镜；
所述第一正透镜和所述第二负透镜采用树脂材质；
所述第二正透镜、所述第一负透镜和所述第三正透镜采用玻璃材质。
10.根据权利要求9所述的微显示屏头戴显示设备，其特征在于，所述目镜与所述显示屏之间的距离可调，用以进行近视调节。
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