CN114594593A - 一种目镜及可穿戴显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种目镜及可穿戴显示设备。该目镜包括：由人眼观察侧指向显示器件侧的沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，第二透镜和第三透镜组成胶合透镜组，其余透镜分离放置；第一透镜、第四透镜和第六透镜均为双凸型正光焦度透镜，第六透镜用于矫正畸变；胶合透镜组为弯月型负光焦度透镜，用于抑制显示色差；第五透镜为双凹型负光焦度透镜。本发明提供的方案通过合理的透镜搭配，得到了一种小体积、大视场角和高成像质量的目镜，以保证用户观察显示画面的清晰度和色彩表现力。

Description

一种目镜及可穿戴显示设备
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种目镜及可穿戴显示设备。
背景技术
随着可穿戴显示设备的普及，用户对其成像质量和使用舒适度的要求也越来越高，而成像质量的好坏和使用舒适度的高低主要取决于目镜的设计。
对于目镜而言，影响目镜性能的参数有很多，如出瞳直径、出瞳距离、视场角、畸变、后截距等，并且这些参数是相互制约的，想要各项参数都达到理想的状态是一件非常困难的事情。例如，目镜视场角的增大与高成像质量、目镜的小型化是矛盾的。现有的目镜其视场角通常小于50°，因此，如何在保证成像质量的同时，提高目镜的视场角、减小目镜的体积，成为当前亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种目镜及可穿戴显示设备，通过合理的透镜搭配，得到了一种小体积、大视场角和高成像质量的目镜，以保证用户观察显示画面的清晰度和色彩表现力。
根据本发明的一方面，提供了一种目镜，包括：由人眼观察侧指向显示器件侧的沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，
第二透镜和第三透镜组成胶合透镜组，其余透镜分离放置；
第一透镜、第四透镜和第六透镜均为双凸型正光焦度透镜，第六透镜用于矫正畸变；胶合透镜组为弯月型负光焦度透镜，用于抑制显示色差；第五透镜为双凹型负光焦度透镜。
可选的，目镜的总焦距为F，
第一透镜的焦距f1满足：
Figure BDA0003553291760000021
胶合透镜组的焦距f23满足：
Figure BDA0003553291760000022
第四透镜的焦距f4满足：
Figure BDA0003553291760000023
第五透镜的焦距f5满足：
Figure BDA0003553291760000024
第六透镜的焦距f6满足：
Figure BDA0003553291760000025
可选的，第一透镜的折射率n1满足：1.75＜n1＜2；
第二透镜的折射率n2满足：1.75＜n2＜2；
第三透镜的折射率n3满足：1.75＜n3＜2；
第四透镜的折射率n4满足：1.5＜n4＜1.8；
第五透镜的折射率n5满足：1.75＜n5＜2；
第六透镜的折射率n6满足：1.5＜n6＜1.8。
可选的，第一透镜的色散系数v1满足：20＜v1＜40；
第二透镜的色散系数v2满足：20＜v2＜50；
第三透镜的色散系数v3满足：20＜v3＜50；
第四透镜的色散系数v4满足：40＜v4＜80；
第五透镜的色散系数v5满足：20＜v5＜50；
第六透镜的色散系数v6满足：40＜v6＜80。
可选的，第二透镜的折射率n2的取值和第三透镜的折射率n3的取值不同；和/或，第二透镜的色散系数v2的取值和第三透镜的色散系数v3的取值不同。
可选的，第一透镜包括朝向人眼观察侧的第一光学面和朝向显示器件侧的第二光学面；
胶合透镜组包括朝向人眼观察侧的第三光学面、胶合的第四光学面和朝向显示器件侧的第五光学面；
第四透镜包括朝向人眼观察侧的第六光学面和朝向显示器件侧的第七光学面；
第五透镜包括朝向人眼观察侧的第八光学面和朝向显示器件侧的第九光学面；
第六透镜包括朝向人眼观察侧的第十光学面和朝向显示器件侧的第十一光学面。
可选的，第一光学面、第二光学面、第六光学面、第七光学面、第十光学面和第十一光学面均为非球面。
可选的，第一透镜至第六透镜均采用玻璃材质制作。
根据本发明的另一方面，提供了一种可穿戴显示设备，包括：显示器件，以及两个上述任一实施例的目镜，其中，一个目镜与用户的左眼相对应，另一个目镜与用户的右眼相对应。
可选的，还包括：设置于目镜和显示器件之间的棱镜。
本发明实施例的技术方案，目镜由光阑和六个透镜共同组成，六个透镜之间通过合理的搭配，使得目镜的视场角可以达到60°，并且该目镜的体积小、成像质量高，保证了用户观察显示画面的清晰度和色彩表现力。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种目镜的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种目镜的光线追迹图；
图3是本发明实施例一提供的表1所示的目镜的MTF曲线图；
图4是本发明实施例一提供的表1所示的目镜的场曲曲线图；
图5是本发明实施例一提供的表1所示的目镜的畸变曲线图；
图6是本发明实施例二提供的一种可穿戴显示设备的结构示意图；
图7是本发明实施例二提供的一种可穿戴显示设备的光线追迹图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种目镜的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的一种目镜的光线追迹图。如图1和图2所示，该目镜包括：由人眼观察侧指向显示器件IMG侧(即图1中从左至右的方向)的沿光轴方向(即图1中水平方向)共轴依次排列的光阑STO、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和第六透镜L6。
参考图1可以看出，第二透镜L2和第三透镜L3相互胶合形成胶合透镜组，其余透镜分离放置。
第一透镜L1、第四透镜L4和第六透镜L6均为双凸型正光焦度透镜，第六透镜L6用于矫正畸变；胶合透镜组为弯月型负光焦度透镜，用于抑制显示色差；第五透镜L5为双凹型负光焦度透镜。在本发明中，正光焦度透镜/负光焦度透镜是指透镜以高斯光学理论计算出来的光轴上的屈光率为正/负。
在一实施例中，目镜的总焦距为F，
第一透镜L1的焦距f1满足：
Figure BDA0003553291760000051
胶合透镜组的焦距f23满足：
Figure BDA0003553291760000052
第四透镜L4的焦距f4满足：
Figure BDA0003553291760000053
第五透镜L5的焦距f5满足：
Figure BDA0003553291760000054
第六透镜L6的焦距f6满足：
Figure BDA0003553291760000055
在一实施例中，第一透镜L1的折射率n1和色散系数v1分别满足：1.75＜n1＜2，20＜v1＜40；
第二透镜L2的折射率n2和色散系数v2分别满足：1.75＜n2＜2，20＜v2＜50；
第三透镜L3的折射率n3和色散系数v3分别满足：1.75＜n3＜2，20＜v3＜50；
第四透镜L4的折射率n4和色散系数v4分别满足：1.5＜n4＜1.8，40＜v4＜80；
第五透镜L5的折射率n5和色散系数v5分别满足：1.75＜n5＜2，20＜v5＜50；
第六透镜L6的折射率n6和色散系数v6分别满足：1.5＜n6＜1.8，40＜v6＜80。
需要说明的是，通常胶合的两个透镜的折射率和色散系数的取值是不同的。虽然第二透镜L2和第三透镜L3的折射率和色散系数的取值范围是相同的，但是第二透镜的折射率n2的取值和第三透镜的折射率n3的取值不同；和/或，第二透镜的色散系数v2的取值和第三透镜的色散系数v3的取值不同。如此，才能保证光路从第三透镜L3入射至第二透镜L2时发生改变。
在一实施例中，继续参考图1，第一透镜L1包括朝向人眼观察侧的第一光学面S1和朝向显示器件IMG侧的第二光学面S2；
胶合透镜组包括朝向人眼观察侧的第三光学面S3、胶合的第四光学面S4和朝向显示器件IMG侧的第五光学面S5；
第四透镜L4包括朝向人眼观察侧的第六光学面S6和朝向显示器件IMG侧的第七光学面S7；
第五透镜L5包括朝向人眼观察侧的第八光学面S8和朝向显示器件IMG侧的第九光学面S9；
第六透镜L6包括朝向人眼观察侧的第十光学面S10和朝向显示器件IMG侧的第十一光学面S11。
结合第一透镜L1的形状可知，第一光学面S1为朝向人眼观察侧的凸面，第二光学面S2为朝向显示器件IMG侧的凸面；同理，结合第二透镜L2、第三透镜L3的形状可知，第三光学面S3为朝向人眼观察侧的凹面，第五光学面S5为朝向显示器件IMG侧的凸面；同理，结合第四透镜L4的形状可知，第六光学面S6为朝向人眼观察侧的凸面，第七光学面S7为朝向显示器件IMG侧的凸面；同理，结合第五透镜L5的形状可知，第八光学面S8为朝向人眼观察侧的凹面，第九光学面S9为朝向显示器件IMG侧的凹面；同理，结合第六透镜L6的形状可知，第十光学面S10为朝向人眼观察侧的凸面，第十一光学面S11为朝向显示器件IMG侧的凸面。在本发明中，凸面/凹面是以平行通过该区域的光线(或光线延伸线)与光轴的交点在出光侧或入光侧来判定的。例如，以朝向人眼观察侧为例，当光线通过区域后，光线会朝出光侧聚焦，与光轴的交点位于出光侧，则该区域为朝向人眼观察侧的凸面；反之，当光线通过区域后，光线会发散，其延伸线与光轴的交点位于入光侧，则该区域为朝向人眼观察侧的凹面。
在一实施例中，第一光学面S1、第二光学面S2、第六光学面S6、第七光学面S7、第十光学面S10和第十一光学面S11均为非球面。如此，可以使目镜的各级像差得到进一步优化校正，提升目镜的光学性能。
在一实施例中，第一透镜L1至第六透镜L6可以采用玻璃材质制作，也可以采用塑料等其他材质制作。通常，第一透镜L1至第六透镜L6均采用玻璃材质制作。玻璃材质具有耐高温、不易变形等优点，可以延长目镜的使用寿命。
示例性的，表1为本发明实施例一提供的一种目镜的光学结构参数，该目镜的焦距为8.98，F数为3。其中，F数也称为F Number，常记为Fno.或F/#，表示镜头通光能力的参数。通过表1中的光学结构参数，可以实现目镜的视场角达到63°的效果。
表1
Figure BDA0003553291760000071
Figure BDA0003553291760000081
图3为本发明实施例一提供的表1所示的目镜的调制传递函数(ModulationTransfer Function，MTF)曲线图。如图3所示，图中横轴代表每毫米的线对数，尺寸单位是1p/mm，纵轴代表成像质量达到实物状况的百分比，从0到1。MTF曲线可以综合反映目镜的成像质量，其曲线形状越平滑、且越接近1，目镜的成像质量越好。图3所示的MTF曲线较为平滑紧凑，其所反映的目镜的成像质量较好。
图4为本发明实施例一提供的表1所示的目镜的场曲曲线图。场曲影响着目镜轴外视场光线的像差，差值过大会严重影响到目镜轴外光线的成像质量。图4所示的场曲曲线已被校正到了极小的范围内。
图5为本发明实施例一提供的表1所示的目镜的畸变曲线图。畸变不会影响目镜的清晰度，但会引起图像形变，通常畸变可以通过后期图像处理来解决。图5所示的畸变曲线表示表1所示的目镜的畸变小于2％，这说明图像的形变微乎其微，可以近似认为无畸变。
本发明实施例提供一种目镜，包括：由人眼观察侧指向显示器件侧的沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，第二透镜和第三透镜组成胶合透镜组，其余透镜分离放置；第一透镜、第四透镜和第六透镜均为双凸型正光焦度透镜，第六透镜用于矫正畸变；胶合透镜组为弯月型负光焦度透镜，用于抑制显示色差；第五透镜为双凹型负光焦度透镜。本发明实施例的技术方案，目镜由光阑和六个透镜共同组成，六个透镜之间通过合理的搭配，使得目镜的视场角可以达到60°以上，并且该目镜的体积小、成像质量高，保证了用户观察显示画面的清晰度和色彩表现力。
实施例二
图6为本发明实施例二提供的一种可穿戴显示设备的结构示意图，图7为本发明实施例二提供的一种可穿戴显示设备的光线追迹图。如图1和图2所示，可穿戴显示设备包括：显示器件IMG，以及两个如上述实施例一中任意一项的目镜，其中，一个目镜与用户的左眼相对应，另一个目镜与用户的右眼相对应。图6仅示例性的在虚线框中画出与用户的右眼相对应的目镜。用户能通过目镜获得大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等性能的头戴显示效果。
在一实施例中，可穿戴显示设备可以是增强现实(Augmented Reality，AR)显示设备。当可穿戴显示设备是AR显示设备时，可穿戴显示设备还包括：设置于目镜和显示器件IMG之间的棱镜10。
可以理解的是，目镜、棱镜10和显示器件IMG均可以设置在一机壳内，以实现可穿戴的形态。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种目镜，其特征在于，包括：由人眼观察侧指向显示器件侧的沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，
所述第二透镜和所述第三透镜组成胶合透镜组，其余透镜分离放置；
所述第一透镜、所述第四透镜和所述第六透镜均为双凸型正光焦度透镜，所述第六透镜用于矫正畸变；所述胶合透镜组为弯月型负光焦度透镜，用于抑制显示色差；所述第五透镜为双凹型负光焦度透镜。
2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述目镜的总焦距为F，
所述第一透镜的焦距f1满足：
Figure FDA0003553291750000011
所述胶合透镜组的焦距f23满足：
Figure FDA0003553291750000012
所述第四透镜的焦距f4满足：
Figure FDA0003553291750000013
所述第五透镜的焦距f5满足：
Figure FDA0003553291750000014
所述第六透镜的焦距f6满足：
Figure FDA0003553291750000015
3.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，
所述第一透镜的折射率n1满足：1.75＜n1＜2；
所述第二透镜的折射率n2满足：1.75＜n2＜2；
所述第三透镜的折射率n3满足：1.75＜n3＜2；
所述第四透镜的折射率n4满足：1.5＜n4＜1.8；
所述第五透镜的折射率n5满足：1.75＜n5＜2；
所述第六透镜的折射率n6满足：1.5＜n6＜1.8。
4.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，
所述第一透镜的色散系数v1满足：20＜v1＜40；
所述第二透镜的色散系数v2满足：20＜v2＜50；
所述第三透镜的色散系数v3满足：20＜v3＜50；
所述第四透镜的色散系数v4满足：40＜v4＜80；
所述第五透镜的色散系数v5满足：20＜v5＜50；
所述第六透镜的色散系数v6满足：40＜v6＜80。
5.根据权利要求3或4所述的目镜，其特征在于，所述第二透镜的折射率n2的取值和所述第三透镜的折射率n3的取值不同；和/或，所述第二透镜的色散系数v2的取值和所述第三透镜的色散系数v3的取值不同。
6.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，
所述第一透镜包括朝向人眼观察侧的第一光学面和朝向显示器件侧的第二光学面；
所述胶合透镜组包括朝向人眼观察侧的第三光学面、胶合的第四光学面和朝向显示器件侧的第五光学面；
所述第四透镜包括朝向人眼观察侧的第六光学面和朝向显示器件侧的第七光学面；
所述第五透镜包括朝向人眼观察侧的第八光学面和朝向显示器件侧的第九光学面；
所述第六透镜包括朝向人眼观察侧的第十光学面和朝向显示器件侧的第十一光学面。
7.根据权利要求6所述的目镜，其特征在于，所述第一光学面、所述第二光学面、所述第六光学面、所述第七光学面、所述第十光学面和所述第十一光学面均为非球面。
8.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜至所述第六透镜均采用玻璃材质制作。
9.一种可穿戴显示设备，其特征在于，包括：显示器件，以及两个如权利要求1-8中任意一项所述的目镜，其中，一个所述目镜与用户的左眼相对应，另一个所述目镜与用户的右眼相对应。
10.根据权利要求9所述的可穿戴显示设备，其特征在于，还包括：设置于所述目镜和所述显示器件之间的棱镜。
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