CN110018553B - 一种用于虚拟现实头盔的光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于虚拟现实头盔的光学镜头，它为三片式透镜组结构，沿光轴由物侧至像侧依次为用于矫正轴上像差和轴外像差的第一片和第二片透镜，用于矫正畸变和色散的第三片透镜，光学镜头和显示屏依次置于人眼前方。透镜采用注塑材料，降低了头盔的重量和成本。光学系统的放大倍率为5至7倍，全视场角为80度，最大畸变小于11%。较小的放大倍率满足较低分辨率的屏幕，使用者在使用普通手机就可以获得良好的沉浸感。

Description

一种用于虚拟现实头盔的光学镜头
技术领域
本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种用于虚拟现实的光学镜头。
背景技术
虚拟现实技术( Virtual Reality，VR )技术是20世纪80年代提出的一种利用计算机生成的、可交互的、具有沉浸感的视觉虚拟环境，可以按照需要生成多种虚拟环境，广泛应用于城市规划，驾驶培训，室内设计等领域。近年来随着计算机计算能力的不断提高及传感器技术的发展，各类型的虚拟现实头盔已出现于市场上，其基本由显示屏或手机以及一对目镜组成，人眼通过目镜可以看到显示屏上放大的图像，传感器感应人头部的变化调整左右显示屏中的图像，使得人眼能看到立体的，具有交互性的视觉图像。
目前，虚拟现实显示系统大多采用单片式或两片式结构，单片式结构存在着视场角偏小，图像质量不够想的不足，单片式结构和两片式结构无法满足使用者对于虚拟现实的沉浸感和体验感的需求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具体大视场角且边缘视场像质高，可实现高沉浸感的虚拟现实体验的用于虚拟现实头盔的光学镜头。
实现本发明目的的技术方案是提供一种用于虚拟现实头盔的光学镜头，它为三片式透镜组结构，沿光轴由物侧至像侧依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述透镜组满足条件：d>9mm，l>17mm，FOV= 80°，其中，d为入瞳直径，l为出瞳距离，FOV为全视场角；0.6<f/f1<0.8，1.3<f/f2<1.42，-2.1<f/f3<-1.8，f为光学镜头的总焦距，f1、f2 和f3依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距；
所述第一透镜为正光焦度，它的物侧面（S1）和像侧面（S2）均为球面；
所述第二透镜为正光焦度，它的物侧面（S3）和像侧面（S4）均为非球面；
第三透镜为负光焦度，它的物侧面（S5）和像侧面（S6）中，至少有一个面为非球面，另一个面为非球面或球面；
所述第二透镜满足条件：38.5°≤arctan(SAG22/D22)≤40.5°，38.5°≤arctan(SAG21/D21)≤40.5°；其中，D22为像侧面的最大通光口径的半口径，SAG22为像侧面在顶点曲率处的矢高，D21为物侧面的最大通光口径的半口径，SAG21为物侧面在顶点曲率处的矢高；
所述第三透镜满足条件：37.5°≤arctan(SAG32/D32)≤39.5°，37.5°≤arctan(SAG31/D31)≤39.5°； D32为像侧面的最大通光口径的半口径， SAG32为像侧面在最大半口径处的矢高， D31为物侧面的最大通光口径的半口径， SAG31为物侧面在最大半口径处的矢高。
本发明提供的光学镜头，它满足条件：0.85≤T1/T3≤1， 0.14≤T2/T1≤0.15，1.2≤TTL/ EFL≤1.5；其中， T1为第一透镜物侧面和人眼的距离在光轴上的间隔距离， T2为第二透镜像侧面的中心至第三透镜物侧面的中心在光轴上的距离，T3为第三透镜的像侧面的中心至光学镜头的显示屏面中心在光轴上的距离，TTL为第一透镜物侧面的中心至光学镜头的显示屏面中心在光轴上的距离，EFL为光学镜头的总有效焦距。
各透镜的阿贝数满足条件50<v1<60,40<v2<60,25<v3<35，其中，v1、v2和v3依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的阿贝数。
各透镜材料的密度<1.22g/cm3。
各透镜材料的折射率满足条件40<n1<1.70,1.40<n2<1.70,1.50<n3<1.90，其中，n1、n2和n3依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率。
光学镜头的总长度≤90mm。
本发明提供的光学系统拥有较大的出瞳直径和出瞳距离，可以使人在使用过程中人眼有很大的活动空间。
与现有技术相比，本发明提供的三片式透镜组结构的光学镜头，第一片和第二片透镜用于矫正轴上像差和轴外像差，第三片透镜用于矫正畸变和色散，光学镜头和显示屏依次置于人眼前方。相对于两片式结构，三片式结构能更好地校正色差，得到更大的视场角，并且可矫正屈光度的范围更大；而相对于四片式或五片式结构，三片式结构具有更小的畸变，更小的体积，更轻的重量。透镜采用注塑材料，降低了头盔的重量和成本更低的制造成本和更低的加工难度。因此，本发明提供的三片式结构光学镜头，利用不同焦距的透镜来修正像差以获得较佳的成像品质，还能在较大视场的情况下达到较小的畸变，将其用于虚拟现实头盔，能得到更大的视场角更好的像质，边缘视场的像质很高。本发明提供的光学系统的放大倍率为5至7倍，全视场角为80度，最大畸变小于11%。较小的放大倍率满足较低分辨率的屏幕，使用者能得到更高的沉浸感。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的光学镜头的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的光学镜头的色差图；
图3为本发明实施例1提供的光学镜头的场曲图；
图4为本发明实施例1提供的光学镜头的畸变图；
图5为本发明实施例1提供的光学镜头的调制传递函数图；
图6为本发明实施例2提供的光学镜头的结构示意图；
图7本发明实施例2提供的光学镜头的色差图；
图8为本发明实施例2提供的光学镜头的场曲图；
图9为本发明实施例2提供的光学镜头的畸变图；
图10为本发明实施例2提供的光学镜头的调制传递函数图；
图中，1. 第一透镜；2.第二透镜；3.第三透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作详细的阐述。在说明书的描述中，为了对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部这些特定细节的前提下，仍可实施。
实施例1
参见附图1，它是本实施例提供的光学镜头（记作OL1）的结构示意图。为显现本实施例的特征，仅显示与本实施例有关的结构，其余结构予以省略。本实施例提供的光学系统可以是一具有广角水平大于80度的广角目镜，其可应用于虚拟现实头盔显示系统。可适用于显示屏为Iphone 6Plus的虚拟现实头盔显示系统。本实施例是一定焦光学系统。
如图1所示，本实施例的光学镜头OL1自物侧至像侧依序主要包括：一片具有正屈光度的第一透镜1、一片具有正屈光度的第二透镜2，一片具有正屈光度的第三透镜3。
在本实施例中，显示屏放置于光学镜头的像侧，人眼位于光学镜头的物侧，人眼与第一透镜1的距离为20mm，人眼中心与光轴最大可有4mm的偏心。
本实施例光学镜头选用对应的显示屏为宽为69mm，长为122mm的苹果6P手机屏幕或者同样尺寸，屏幕分辨率大于1300*650像素的显示屏。
本实施例提供的光学镜头，其第二片透镜2前后表面均为非球面，第三片透镜3的前表面为非球面，后表面为非球面。非球面表面可满足下列数学式：
；
其中，z是表面矢高，r为表面顶点到表面上任意一点的垂直距离，c为表面顶点的曲率，k为表面圆锥系数，α1～α8分别为第一至第八项非球面系数。
表1列出了根据本发明内容如图 1 的光学镜头OL1的详细数据，其包括各透镜的曲率半径、厚度、折射率、色散系数等。其中，镜片的表面代号是从物侧至像侧依序编排， S1为第一透镜 1 朝物侧的表面，S2为第一透镜 1 朝像侧的表面，同样，S3、S5分别为第二透镜2和第三透镜3朝物侧的表面，S4、S6分别为第二透镜2和第三透镜3 朝像侧的表面。表1中，「厚度」代表该表面与相邻于像侧一表面的距离，例如，表面 S1 的「厚度」为表面 S1 与表面 S2 的距离，表面 S2 的「厚度」为表面S2 与表面 S3 的距离。
表1
本实施例中的第二透镜 2 的两个表面S3和S4，以及第三透镜3的第一个面S5，它们的非球面数学式中的各项系数如表2所示。
表2
表面 圆锥系数 A2 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 -0.946 1.225E-03 -3.459E-06 -6.392E-09 -7.743E-12 -1.589E-15 1.179E-17 2.604E-20 -2.021E-23
S4 -7.623 -8.282E-03 -7.427E-07 1.514E-09 -1.793E-12 -4.720E-15 -3.889E-18 4.511E-21 3.236E-23
S5 -2.872 -5.027E-03 8.451E-06 6.078E-09 -1.360E-12 -5.143E-15 3.485E-19 1.205E-20 -7.598E-24
参见附图 2，是本实施例提供的光学镜头的垂轴色差 (Vertical axis colordifference) 曲线图。图中显示垂轴色差小于32μm。
参见附图 3，是本实施例提供的光学镜头的场曲 (field curvature)曲线图。图中显示波长为 480nm、515nm、546nm 及 640nm 的光束的正切场曲值与弧矢场曲值均控制在良好的范围内。
参见附图 4，是本实施例提供的光学镜头的畸变 (distortion) 曲线图。图中显示波长为 486nm、588nm 及 656nm 的光束的畸变率均控制在 (-11％ ,+11％ ) 范围内。
参见附图 5，是本实施例提供的光学镜头的FFT MTF曲线图。图中显示各个视场角下光束的FFT MTF在10线对/mm处均在0.2以上，均控制在良好的范围内。
实施例2
参见附图6，它是本实施例提供的光学镜头（记作OL2）的结构示意图。为显现本实施例的特征，仅显示与本实施例有关的结构，其余结构予以省略。本实施例提供的光学镜头可以是一具有广角水平大于80度的广角目镜，可应用于虚拟现实头盔显示系统，适用于显示屏为Sumsung Galaxy Note9的虚拟现实头盔显示系统。本实施例提供的是一定焦光学系统。光学镜头OL2自物侧至像侧依序主要包括：一具有正屈光度的第一透镜1、一具有正屈光度的第二透镜2，一具有正屈光度的第三透镜3。本实施例中，显示屏放置于光学镜头的像侧，人眼位于光学镜头的物侧，人眼与光学镜头第一透镜1的距离为20mm，人眼中心最大可与光轴有4mm的偏心。
本实施例提供的光学镜头OL2对应的显示屏为宽为76.4mm，长为161.9mm的Sumsung Galaxy Note9手机屏幕或者同样尺寸，屏幕分辨率大于1300*650像素的显示屏。
光学镜头OL2的第二透镜2前后表面均为非球面，第三透镜3的前表面为非球面，后表面为非球面。非球面表面可满足下列数学式：
；
其中，z是表面矢高，r为表面顶点到表面上任意一点的垂直距离，c为表面顶点的曲率，k为表面圆锥系数，α1α8分别为第一至第八项非球面系数。
表3列出根据本发明内容如图 2 的光学镜头OL2的实施例的详细数据，其包括各透镜的曲率半径、厚度、折射率、色散系数等。其中镜片的表面代号是从物侧至像侧依序编排， S1为第一透镜 1 朝物侧的表面，S2为第一透镜 1 朝像侧的表面，同样，S3、S5分别为第二透镜2和第三透镜3朝物侧的表面，S4、S6分别为第二透镜2和第三透镜3 朝像侧的表面。「厚度」代表该表面与相邻于像侧一表面的距离，例如，表面 S1 的「厚度」为表面 S1 与表面 S2 的距离，表面 S2 的「厚度」为表面S2 与表面 S3 的距离。
表3
本实施例中的第二透镜 2 的两个表面S3和S4，及第三透镜3的第一个面S5，其非球面数学式中的各项系数如表4所示。
表4
表面 圆锥系数 A2 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S3 -1.949 2.649-E03 -3.266E-06 -8.763E-10 3.981E-13 1.378E-15 7.137E-19 7.304E-22 -4.750E-25
S4 -6.135 -9.667E-03 -3.875E-06 4.957E-10 -4.179E-13 1.658E-16 1.385E-18 6.019E-22 1.141E-24
S5 -4.525 -4.862E-03 6.255E-06 3.735E-09 -4.061E-13 -2.339E-15 -9.325E-19 1.461E-21 6.127E-25
参见附图7，为本实施例提供的光学镜头OL2的垂轴色差 (Vertical axis colordifference) 曲线图。图中显示垂轴色差小于40μm。
参见附图 8，为本实施例提供的光学镜头OL2的场曲 (field curvature)曲线图。图中显示波长为 486nm、588nm 及 656nm 的光束的正切场曲值与弧矢场曲值均控制在良好的范围内。
参见附图 9，为本实施例提供的光学镜头OL2的畸变 (distortion) 曲线图。图中显示波长为 486nm、588nm 及 656nm 的光束的畸变率均控制在 (-11％ ,+11％ ) 范围内。
参见附图 10，为本实施例提供的光学镜头OL2的FFT MTF曲线图。图中显示各个视场角下光束的FFT MTF在10线对/mm处均在0.3以上，均控制在良好的范围内。

Claims (5)

1. 一种用于虚拟现实头盔的光学镜头，其特征在于：它为三片式透镜组结构，沿光轴由物侧至像侧依次为第一透镜（1）、第二透镜（2）和第三透镜（3）；所述透镜组满足条件：d>9mm，l>17mm，FOV= 80°，其中，d为入瞳直径，l为出瞳距离，FOV为全视场角；0.6<f/f1<0.8，1.3<f/f2<1.42，-2.1<f/f3<-1.8，其中，f为光学镜头的总焦距，f1、f2 和f3依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距；
所述第一透镜为正光焦度，它的物侧面（S1）和像侧面（S2）均为球面；
所述第二透镜为正光焦度，它的物侧面（S3）和像侧面（S4）均为非球面；
第三透镜为负光焦度，它的物侧面（S5）和像侧面（S6）中，至少有一个面为非球面，另一个面为非球面或球面；
所述第二透镜满足条件：38.5°≤arctan(SAG22/D22)≤40.5°，38.5°≤arctan(SAG21/D21)≤40.5°；其中，D22为像侧面的最大通光口径的半口径，SAG22为像侧面在顶点曲率处的矢高，D21为物侧面的最大通光口径的半口径，SAG21为物侧面在顶点曲率处的矢高；
所述第三透镜满足条件：37.5°≤arctan(SAG32/D32)≤39.5°，37.5°≤arctan(SAG31/D31)≤39.5°； D32为像侧面的最大通光口径的半口径， SAG32为像侧面在最大半口径处的矢高， D31为物侧面的最大通光口径的半口径， SAG31为物侧面在最大半口径处的矢高；
各透镜材料的密度<1.22g/cm3。
2. 根据权利要求1所述的光学镜头一种用于虚拟现实头盔的光学镜头，其特征在于：它满足条件：0.85≤T1/T3≤1， 0.14≤T2/T1≤0.15， 1.2≤TTL/ EFL≤1.5；其中， T1为第一透镜物侧面和人眼的距离在光轴上的间隔距离， T2为第二透镜像侧面的中心至第三透镜物侧面的中心在光轴上的距离，T3为第三透镜的像侧面的中心至光学镜头的显示屏面中心在光轴上的距离，TTL为第一透镜物侧面的中心至光学镜头的显示屏面中心在光轴上的距离，EFL为光学镜头的总有效焦距。
3.根据权利要求1所述的光学镜头一种用于虚拟现实头盔的光学镜头，其特征在于：各透镜的阿贝数满足条件50<v1<60,40<v2<60,25<v3<35，其中，v1、v2和v3依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的阿贝数。
4.根据权利要求1所述的光学镜头一种用于虚拟现实头盔的光学镜头，其特征在于：各透镜材料的折射率满足条件40<n1<1.70，1.40<n2<1.70，1.50<n3<1.90，其中，n1、n2和n3依次为第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率。
5.根据权利要求1所述的光学镜头一种用于虚拟现实头盔的光学镜头，其特征在于：它的总长度≤90mm。
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