CN109358425A - 一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统 - Google Patents
一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109358425A CN109358425A CN201811302598.4A CN201811302598A CN109358425A CN 109358425 A CN109358425 A CN 109358425A CN 201811302598 A CN201811302598 A CN 201811302598A CN 109358425 A CN109358425 A CN 109358425A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lens
- refractive index
- optical system
- full
- compound
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
- G02B25/001—Eyepieces
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
本发明公开一种虚拟显示设备的全高清目镜光学系统，包括入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布的透镜，所述透镜从入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布顺序是第一凸透镜、第二复合透镜、第三凹透镜、第四凸透镜以及第五场镜；所述第二复合透镜为玻璃材质球面透镜复合光学塑料层制成。本发明为入瞳直径5～7mm，畸变小于2％，视场角52度的目镜光学系统，具有结构精密，小体积的优点；本发明使用复合透镜代替部分非球面透镜来设计目镜光学系统，达到较高的清晰度和畸变要求。
Description
技术领域
本发明属于光学目镜技术领域，尤其涉及一种用于虚拟现实设备的全高清目镜光学系统。
背景技术
虚拟现实显示设备有手机屏幕搭载镜片和微显示芯片搭载镜片两种目镜光学系统。其中OLED微显示芯片搭载若干镜片的目镜用于高端虚拟现实显示设备上，配合独立的传感器和处理器，可实现较强的沉浸感。
虚拟现实目镜系统对显示屏放大后得到画面还原效果要求很高。采用多片非球面镜片设计可以在较大视角下达到较高的清晰度和较小畸变。
复合透镜技术使用普通球面玻璃透镜外表面附上光学塑料，具有非球面镜片矫正像差的作用，同时具有类似胶合透镜消色差的特性。复合透镜的基材使用玻璃，玻璃的屈服温度与塑料的软化温度相差很大，热加工时，当塑料软化而基材不会变形。复合在玻璃上的塑料厚度薄，冷却的变形量比无基材小很多，面型精度更高。复合透镜包括单面复合和双面复合两周，使用合适的复合透镜种类和材料组合可以代替非球面镜片，提高产品质量，降低生产成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明使用复合透镜代替部分非球面透镜来设计目镜光学系统，达到较高的清晰度和畸变要求。
本发明采用的结构是：一种虚拟显示设备的全高清目镜光学系统，包括入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布的透镜，所述透镜从入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布顺序是第一凸透镜、第二复合透镜、第三凹透镜、第四凸透镜以及第五场镜；所述第二复合透镜为玻璃材质球面透镜复合光学塑料层制成。
进一步地，所述第二复合透镜为中间玻璃基材层以及复合于玻璃基材层两边的光学塑料层组成的透镜结构或者为靠近第一凸透镜一侧为玻璃基材层，靠近第三凹透镜一侧为光学塑料层的透镜结构。
进一步地，所述显示屏为0.7英寸，分辨率为1920×1080，所述显示屏垂直于光轴，显示屏在光轴上。
进一步地，所述第一凸透镜的焦距介于30mm与50mm之间；所述第二复合透镜的焦距介于10mm与30mm之间；所述第三凹透镜的焦距介于-15mm与-5mm 之间；所述第四凸透镜的焦距介于10mm与30mm之间；所述第五场镜的焦距介于200mm与正无穷之间。
进一步地，所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；所述玻璃基材层的折射率介于1.60与1.70之间，所述光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；所述第三凹透镜的折射率介于1.55与1.78之间；所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述第五凹透镜的折射率介于1.45与1.60之间。
进一步地，所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；所述第二复合透镜中间玻璃材质的折射率介于1.60与1.70之间，与玻璃两面复合光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；所述第三凹透镜的折射率介于1.55与1.78之间；所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述第五凹透镜的折射率介于 1.45与1.60之间。
更进一步地，所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；所述第二复合透镜靠近第一凸透镜的玻璃材质的折射率介于1.60与1.70之间，靠近第三凹透镜的光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；所述第三凹透镜的折射率介于 1.55与1.78之间；所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述第五凹透镜的折射率介于1.45与1.60之间。
进一步地，所述第三凹透镜和第五场镜的左右两面为非球面。
进一步地，所述第二复合透镜中的玻璃材质透镜两面为球面，所述光学塑料层的外表面为非球面。
进一步地，所述入瞳直径介于5mm到7mm之间。
本发明的有益效果为：
1、本发明为入瞳直径5～7mm，畸变小于2％，视场角52度的目镜光学系统，具有结构精密，小体积的优点；
2、本发明基于光学成像原理，使用光学设计软件对目镜反复地进行结构优化达到的优化设计，本发明的实现是以光阑为入瞳，正焦距透镜组在后的目镜光学系统。根据此结构设想构造正焦距透镜组的若干镜片代替组成初始结构，改换显示屏大小，通过更换增减玻璃材质、焦距缩放和像差控制的优化设计，最终达到像质优良的目镜光学系统设计；
3、本发明使用复合透镜代替部分非球面透镜来设计目镜光学系统，达到较高的清晰度和畸变要求。
附图说明
图1是本发明实施例1虚拟现实设备的全高清目镜光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例1的MTF曲线图；
图3是本发明实施例1的点列图；
图4是本发明实施例2虚拟现实设备的全高清目镜光学系统的结构示意图；
图5是本发明实施例2的MTF曲线图；
图6是本发明实施例2的点列图；
图中所示：1、入瞳；2、显示屏；3、第一凸透镜；4、第二复合透镜；41、玻璃基材层；42、光学塑料层；5、第三凹透镜；6、第四凸透镜；7、第五场镜。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。
实施例1：如图1所示，本发明采用的结构是：种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，包括入瞳1到显示屏2之间的若干个同光轴排布的透镜，所述透镜从入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布顺序是第一凸透镜3、第二复合透镜4、第三凹透镜5、第四凸透镜6以及第五场镜7；所述第二复合透镜为玻璃材质球面透镜复合光学塑料层制成。其中第二复合透镜为靠近第一凸透镜一侧为玻璃基材层41，靠近第三凹透镜一侧为光学塑料层42的透镜结构。
所述显示屏为0.7英寸，分辨率为1920×1080，所述显示屏垂直于光轴，显示屏在光轴上。所述第一凸透镜的焦距介于30mm与50mm之间；所述第二复合透镜的焦距介于10mm与30mm之间；所述第三凹透镜的焦距介于-15mm与-5mm 之间；所述第四凸透镜的焦距介于10mm与30mm之间；所述第五场镜的焦距介于200mm与正无穷之间。
并且所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；所述第二复合透镜中靠近第一凸透镜的玻璃材质的折射率介于1.60与1.70之间，靠近第三凹透镜的光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；所述第三凹透镜的折射率介于1.55与 1.78之间；所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述第五凹透镜的折射率介于1.45与1.60之间。
所述第三凹透镜和第五场镜的左右两面为非球面。所述第二复合透镜中的玻璃材质透镜两面为球面，所述光学塑料层的外表面为非球面。
所述入瞳直径介于5mm到7mm之间。
对各透镜的曲率半径、材料、厚度以及透镜之间的间距进行修改，达到对像差的优化。
本实施例以0.7英寸分辨率1920×1080的OLED芯片为例，给出本发明一种目镜光学系统实施例的参数。
| Surface | Type | radius | Thickness | Glass | Conic |
| 1 | 入瞳 | infinity | 16.000 | ||
| 2 | 25.660 | 5.570 | 1.60,65.5 | ||
| 3 | -139.411 | 0.200 | |||
| 4 | 21.833 | 8.159 | 1.66,54.7 | ||
| 5 | -39.938 | 1.000 | 1.61,26.6 | ||
| 6 | 非球面 | -26.937 | 0.300 | -291.03710 | |
| 7 | 非球面 | -36.606 | 3.116 | 1.63,23.4 | 7.08247 |
| 8 | 非球面 | 9.227 | 1.306 | -21.79092 | |
| 9 | 16.672 | 5.897 | 1.79,47.5 | ||
| 10 | 153.485 | 0.200 | |||
| 11 | 非球面 | 3.505 | 1.326 | 1.53,56.1 | -1.00443 |
| 12 | 非球面 | 3.107 | 3.635 | -1.61210 | |
| 13 | 显示屏 | infinity | 0.000 |
非球面系数：
| Surface | x2 | x4 | x6 | x8 |
| 6 | 0 | -4.65174E-04 | 6.85497E-06 | -2.58604E-08 |
| 7 | 0 | -3.19533E-04 | 6.28800E-06 | -2.41234E-08 |
| 8 | 0 | 4.77854E-04 | -4.80699E-06 | 3.64660E-08 |
| 11 | 0 | -3.90219E-03 | 3.75454E-05 | -1.28886E-07 |
| 12 | 0 | -1.91656E-03 | 2.34011E-05 | -1.11746E-07 |
最终得到一款入瞳直径6mm，畸变小于2％，视场角52度的各视场像质均匀并且像质最佳的目镜光学系统。
如图2是本发明的MTF曲线图.图中62lp/mm下各视场的MTF曲线紧凑成一束大于0.50，说明目镜光学系统成像画面清晰均匀。1920×1080的0.7英寸显示屏的像素是8.1微米，对应奎尼斯线对为62lp/mm，在该线对下MTF数值>0.50 即满足该显示屏的分辨率要求。
如图3是本发明的点列图，从图中知，各视场下的点列图平均弥散斑半径小于5.855微米，像质较很好。
实施例2：如图4所示，本发明采用的结构是：一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，包括入瞳1到显示屏2之间的若干个同光轴排布的透镜，所述透镜从入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布顺序是第一凸透镜3、第二复合透镜 4、第三凹透镜5、第四凸透镜6以及第五场镜7；所述第二复合透镜为玻璃材质球面透镜复合光学塑料层制成。其中所述第二复合透镜为中间玻璃基材层41以及复合于玻璃基材层两边的光学塑料层42组成的透镜结构。
所述显示屏为0.7英寸，分辨率为1920×1080，所述显示屏垂直于光轴，显示屏在光轴上。所述第一凸透镜的焦距介于30mm与50mm之间；所述第二复合透镜的焦距介于10mm与30mm之间；所述第三凹透镜的焦距介于-15mm与-5mm 之间；所述第四凸透镜的焦距介于10mm与30mm之间；所述第五场镜的焦距介于200mm与正无穷之间。
并且所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；所述第二复合透镜中间玻璃材质的折射率介于1.60与1.70之间，与玻璃两面复合的光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；所述第三凹透镜的折射率介于1.55与1.78之间；所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；所述第五凹透镜的折射率介于1.45 与1.60之间。
所述第三凹透镜和第五场镜的左右两面为非球面。所述第二复合透镜中的玻璃材质透镜两面为球面，所述光学塑料层的外表面为非球面。
所述入瞳直径介于5mm到7mm之间。
对各透镜的曲率半径、材料、厚度以及透镜之间的间距进行修改，达到对像差的优化。
实施例2是以0.7英寸分辨率1920×1080的OLED芯片为例，给出本发明一种目镜光学系统实施例的参数。
| Surface | Type | radius | Thickness | Glass | Conic |
| 1 | 入瞳 | infinity | 16.000 | ||
| 2 | 25.363 | 5.037 | 1.60,65.5 | ||
| 3 | -2253.513 | 0.200 | |||
| 4 | 非球面 | 21.144 | 1.000 | 1.61,26.6 | 0.96483 |
| 5 | 18.991 | 8.993 | 1.66,54.7 | ||
| 6 | -36.577 | 1.000 | 1.61,26.6 | ||
| 7 | 非球面 | -26.828 | 0.300 | -359.48991 | |
| 8 | 非球面 | -37.053 | 2.269 | 1.63,23.4 | 8.17348 |
| 9 | 非球面 | 9.392 | 1.066 | -23.55617 | |
| 10 | 16.237 | 5.856 | 1.79,47.5 | ||
| 11 | 232.864 | 0.200 | |||
| 12 | 非球面 | 3.677 | 1.512 | 1.53,56.1 | -0.95660 |
| 13 | 非球面 | 3.187 | 3.580 | -1.81065 | |
| 14 | 显示屏 | infinity | 0.000 |
非球面系数：
| Surface | x2 | x4 | x6 | x8 |
| 4 | 0 | -2.31410E-05 | 7.43341E-08 | -5.98868E-10 |
| 7 | 0 | -4.99285E-04 | 6.98948E-06 | -2.49334E-08 |
| 8 | 0 | -3.38354E-04 | 6.39927E-06 | -2.32733E-08 |
| 9 | 0 | 4.34472E-04 | -4.08720E-06 | 3.31238E-08 |
| 12 | 0 | -3.94621E-03 | 3.77174E-05 | -1.36004E-07 |
| 13 | 0 | -1.64887E-03 | 2.07045E-05 | -1.03950E-07 |
最终得到一款入瞳直径6mm，畸变小于2％，视场角52度的各视场像质均匀并且像质最佳的目镜光学系统。
如图5是本发明的MTF曲线图.图中62lp/mm下各视场的MTF曲线紧凑成一束大于0.55，说明目镜光学系统成像画面清晰均匀。1920×1080的0.7英寸显示屏的像素是8.1微米，对应奎尼斯线对为62lp/mm，在该线对下MTF数值>0.55 即满足该显示屏的分辨率要求。
如图6是本发明的点列图，从图中知，各视场下的点列图平均弥散斑半径小于12.583微米，像质较好。
Claims (10)
1.一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于，包括入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布的透镜，所述透镜从入瞳到显示屏之间的若干个同光轴排布顺序是第一凸透镜、第二复合透镜、第三凹透镜、第四凸透镜以及第五场镜；所述第二复合透镜为玻璃材质球面透镜复合光学塑料层制成。
2.根据权利要求1所述虚拟显示设备的全高清目镜光学系统，其特征在于，所述第二复合透镜为中间玻璃基材层以及复合于玻璃基材层两边的光学塑料层组成的透镜结构或者由靠近第一凸透镜一侧为玻璃基材层，靠近第三凹透镜一侧为光学塑料层组成的透镜结构。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于：所述显示屏为0.7英寸，分辨率为1920×1080，所述显示屏垂直于光轴，显示屏在光轴上。
4.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于：
所述第一凸透镜的焦距介于30mm与50mm之间；
所述第二复合透镜的焦距介于10mm与30mm之间；
所述第三凹透镜的焦距介于-15mm与-5mm之间；
所述第四凸透镜的焦距介于10mm与30mm之间；
所述第五场镜的焦距介于200mm与正无穷之间。
5.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于：
所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；
所述玻璃基材层的折射率介于1.60与1.70之间，所述光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；
所述第三凹透镜的折射率介于1.55与1.78之间；
所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；
所述第五凹透镜的折射率介于1.45与1.60之间。
6.根据权利要求5所述的虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于：
所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；
所述第二复合透镜中间玻璃材质的折射率介于1.60与1.70之间，与玻璃两面复合的光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；
所述第三凹透镜的折射率介于1.55与1.78之间；
所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；
所述第五凹透镜的折射率介于1.45与1.60之间。
7.根据权利要求5所述的虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于：
所述第一凸透镜的折射率介于1.55与1.65之间；
所述第二复合透镜中靠近第一凸透镜的玻璃材质的折射率介于1.60与1.70之间，靠近第三凹透镜的光学塑料层的折射率介于1.55与1.65之间；
所述第三凹透镜的折射率介于1.55与1.78之间；
所述第四凸透镜的折射率介于1.75与1.85之间；
所述第五凹透镜的折射率介于1.45与1.60之间。
8.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于：所述第三凹透镜和第五场镜的左右两面为非球面。
9.根据权利要求1所述的一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于，所述第二复合透镜中的玻璃材质透镜两面为球面，所述光学塑料层的外表面为非球面。
10.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的全高清目镜光学系统，其特征在于：所述入瞳直径介于5mm到7mm之间。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811302598.4A CN109358425A (zh) | 2018-11-02 | 2018-11-02 | 一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811302598.4A CN109358425A (zh) | 2018-11-02 | 2018-11-02 | 一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109358425A true CN109358425A (zh) | 2019-02-19 |
Family
ID=65344151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811302598.4A Pending CN109358425A (zh) | 2018-11-02 | 2018-11-02 | 一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109358425A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023236176A1 (zh) * | 2022-06-10 | 2023-12-14 | 深圳纳德光学有限公司 | 一种目镜光学系统及头戴显示装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4924244A (en) * | 1987-12-21 | 1990-05-08 | Hitachi, Ltd. | Lens system for projection type television |
| CN1484059A (zh) * | 2002-09-17 | 2004-03-24 | 三星电子株式会社 | 复合透镜和具有该复合透镜的投影光学系统 |
| CN104570323A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-29 | 青岛歌尔声学科技有限公司 | 一种目镜镜头和头戴光学系统 |
| CN107144967A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-09-08 | 东莞市宇瞳光学科技股份有限公司 | 一种应用于虚拟现实头盔的轻型目镜 |
-
2018
- 2018-11-02 CN CN201811302598.4A patent/CN109358425A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4924244A (en) * | 1987-12-21 | 1990-05-08 | Hitachi, Ltd. | Lens system for projection type television |
| CN1484059A (zh) * | 2002-09-17 | 2004-03-24 | 三星电子株式会社 | 复合透镜和具有该复合透镜的投影光学系统 |
| CN104570323A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-29 | 青岛歌尔声学科技有限公司 | 一种目镜镜头和头戴光学系统 |
| CN107144967A (zh) * | 2017-06-30 | 2017-09-08 | 东莞市宇瞳光学科技股份有限公司 | 一种应用于虚拟现实头盔的轻型目镜 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023236176A1 (zh) * | 2022-06-10 | 2023-12-14 | 深圳纳德光学有限公司 | 一种目镜光学系统及头戴显示装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100576010C (zh) | 变焦镜头、图像拾取装置和个人数字助理 | |
| CN105629443A (zh) | 一种透镜系统和镜头 | |
| CN102789044B (zh) | 一种非球面变焦距光刻物镜系统 | |
| CN106842500A (zh) | 高清鱼眼镜头 | |
| CN110082894B (zh) | 一种变焦镜头 | |
| CN104570286B (zh) | 一种微型鱼眼镜头及头戴显示设备 | |
| CN109001895A (zh) | 一种小型高清超短焦投影镜头 | |
| CN112630976A (zh) | 一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置 | |
| CN110361849A (zh) | 折衍混合手机镜头 | |
| CN100538429C (zh) | 成像物镜 | |
| CN109960006A (zh) | 光学镜头 | |
| CN110244450B (zh) | 一种虚拟现实设备的大视场目镜光学系统 | |
| CN112285882B (zh) | 一种光学成像镜头及监控器 | |
| CN109358425A (zh) | 一种虚拟现实设备的全高清目镜光学系统 | |
| CN109375364A (zh) | 一种虚拟现实设备的2k目镜光学系统 | |
| CN217587742U (zh) | 一种光学镜头 | |
| CN106680973A (zh) | 小型化大视场高清无热化定焦镜头 | |
| CN206362992U (zh) | 高清鱼眼镜头 | |
| CN105511062A (zh) | 一种光学成像模组 | |
| WO2022141408A1 (zh) | 一种可调屈光度的目镜光学系统及头戴显示装置 | |
| CN208833996U (zh) | 一种目镜光学系统 | |
| CN109375350B (zh) | 一种全高清投影镜头 | |
| CN206573765U (zh) | 一种高清投影镜头 | |
| CN103837960A (zh) | 广角转接镜头及其应用的投影系统 | |
| CN104166221B (zh) | 一种光学镜头组件 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190219 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |