CN201740920U - 目镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种目镜,包括从人眼观察侧到显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜,且第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料、焦距和位置关系满足一定的关系,从而使显示器件上显示的图像经目镜放大后在光阑处的人眼成像。本实用新型提供的目镜具有大孔径、大视场、短焦距、低畸变等优点,适用于头戴显示器及类似装置;且本实用新型的目镜可以采用光学塑料制成,质量轻成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域,更具体地说,涉及一种适用于头戴显示器或类似装置的目镜。
背景技术
头戴显示器(或称头盔显示器、视频眼镜)无论在多媒体娱乐还是在军事、工业、医疗等领域都具有巨大的应用价值和市场。对头戴显示器的要求为佩戴舒适、结构紧凑体积小、高成像质量和尽可能大的视场。
头戴显示器主要由三部分组成:显示部件、光学系统、连接前两者的机械结构。光学系统决定了头戴显示器的成像质量、视场大小、体积大小,即光学系统是头戴显示器的核心部分,其性能参数决定了产品整体系统参数。
对于头戴显示器应用,要求光学系统尽量大的视场以保证有足够的沉浸感;要求光学系统较大的出瞳尺寸,以保证不同瞳孔距的人可以在转动眼球的同时不会丢失图像;要求光学系统尽量小的焦距,以保证系统紧凑型和足够的放大倍率。而视场、出瞳尺寸、焦距这三个参数对于光学系统而言是相互制约的。目前,传统的以共轴球面透镜组的目镜结构已经无法满足高像质、大视场和小体积的要求,光学系统紧凑性和光学系统成像质量要求存在一定的矛盾。另一方面,共轴目镜光学系统有加工工艺成熟、成本低廉、性能稳定等优点。克服共轴光学系统的缺点,发挥其优势是良好可用光学系统的内在要求。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于,针对现有头戴显示器的目镜无法满足高像质、大视场和小体积的要求的缺陷,提供一种适用于头戴显示器或类似装置的目镜,其出瞳距离长、视场角大且体积相对较小。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种目镜,包括三片全塑料透镜,像方远心;所述目镜从人眼观察一侧到显示器件一侧,沿共轴方向共轴依次排列着光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜;
其中,所述第一透镜的焦距为f1,第二透镜的焦距为f2,第三透镜的焦距为f3,系统总焦距为fw,光阑到第一透镜的中心距离为df,第三透镜到显示器件的显示芯片的中心距离为db,且满足以下关系式:
1)0.6<f1/fw<0.85,
2)0.4<|f2/fw|<0.6,
3)0.5<f3/fw<0.75,
4)0.78<df/fw<0.82,
5)0.28<db/fw<0.45;
且所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求:
Nd1>1.48,Nd3>1.48,Nd1、Nd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的折射率;
Vd1>56,Vd3>56,Vd1、Vd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的阿贝数;
Nd2>1.55,Vd2<30,Nd2、Vd2分别表示第二透镜在d线的折射率和阿贝数。
在本实用新型的一些优选实施例中,所述第一透镜和第三透镜均为正透镜,第二透镜为负透镜。在本实用新型更进一步的优选实施例中,所述第一透镜为双凸透镜,所述第三透镜为弯月形透镜,且第三透镜的两个曲面曲率半径均为正值。
在本实用新型的一些优选实施例中,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距进一步满足以下关系式,以获得更好的成像效果:
6)0.7<f1/fw<0.8;
7)0.45<|f2/fw|<0.55;
8)0.6<f3/fw<0.73。
在本实用新型的一些优选实施例中,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为光学塑料。例如,所述第一透镜和第三透镜可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate,PMMA)制成,即Nd1=Nd3=1.492,Vd1=Vd3=57.3274。第二透镜可以采用聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)制成,即Nd2=1.586,Vd2=29.9309。本实用新型中的透镜不仅限于上述两种材料,还可以选用其它符合折射率和阿贝数范围的光学塑料。
在本实用新型的一些优选实施例中,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一个光学面为轴对称非球面,以校正系统像差,如场曲和畸变。在本实用新型进一步的一些实施例中,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面皆为轴对称非球面,从而更好地校正系统像差。优选地,所述非球面的表达式为:
其中,z为光学面的矢高,c为曲率,k为非球面系数,α2,4,6,...为各阶系数。
实施本实用新型的目镜,具有以下有益效果:本实用新型的目镜采用三片具有不同特性的透镜,将显示器件显示的图像通过该目镜构成的光学系统放大,并经位于光阑处的人眼成像,该目镜出瞳直径大于一般的目镜,其像方远心,照度均匀、结构紧凑、大视场、低畸变。此外,本实用新型可以采用非球面的设计,从而利用光学非球面对光学系统消像差,保证了大出瞳距离、大视场角、低畸变。同时,本实用新型还采用光学塑料制成的镜片,相对于玻璃镜片而言,其质量轻、成本低,能够实现玻璃难以实现的高阶多项式的非球面。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明,附图中:
图1示出了根据本实用新型第一实施例的目镜的光学系统图;
图2示出了根据本实用新型第一实施例的目镜的光学系统传函图;
图3(a)和图3(b)分别示出了根据本实用新型第一实施例的目镜的场曲和畸变曲线;
图4示出了根据本实用新型第二实施例的目镜的光学系统图;
图5示出了根据本实用新型第二实施例的目镜的光学系统传函图;
图6(a)和图6(b)分别示出了根据本实用新型第二实施例的目镜的场曲和畸变曲线;
图7示出了根据本实用新型第三实施例的目镜的光学系统图;
图8示出了根据本实用新型第三实施例的目镜的光学系统传函图;
图9(a)和图9(b)分别示出了根据本实用新型第三实施例的目镜的场曲和畸变曲线。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。
请参阅图1,为根据本实用新型第一实施例的目镜的光学系统图。如图1所示,
从人眼观察侧到显示器件I侧(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和显示器件I。在本实施例中,第一透镜L1和第三透镜为正透镜,第二透镜为负透镜以校正系统色差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正系统像差包括场曲和畸变。在此,以光阑E表面序号为1,依次类推,显示器件I表面为8。
所述第一实施例目镜设计数据如下表1所示:
表1
第一实施例中各个表面的非球面参数如下:
表面2(Surface 2)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 6.1412944e-005
Coeff on r6: 2.5580088e-006
Coeff on r8: -1.1230122e-007
Coeffon r10: 8.9015252e-010
表面3(Surface 3)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -3.309314e-005
Coeff on r6: 9.3557479e-007
Coeff on r8: -9.0216008e-008
Coeff on r10: 8.8576475e-010
表面4(Surface 4)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -9.6376876e-005
Coeff on r6: 2.6558718e-006
Coeff on r8: -1.7473741e-007
Coeffon r10: 1.545018e-009
表面5(Surface 5)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 4.4542079e-005
Coeff on r6: 1.2197471e-005
Coeff on r8: -1.473328e-007
Coeffon r10: -3.1703855e-009
表面6(Surface 6)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -3.8892206e-006
Coeff on r6: 8.4908171e-006
Coeffon r8: -4.6741251e-008
Coeff on r10: 3.9082855e-009
表面7(Surface 7)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -9.6742694e-006
Coeff on r6: 2.5950192e-006
Coeffon r8: -3.1095373e-008
Coeffon r10: 1.1111381e-008
请参阅图2,示出了根据本实用新型第一实施例的目镜的光学系统传函图;图3(a)和图3(b)分别示出了根据本实用新型第一实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示,表征出本实施例的光学系统的成像质量高,且出瞳距离大、视场角大和畸变低。
请参阅图4,为根据本实用新型第二实施例的目镜的光学系统图。如图4所示,
从人眼观察侧到显示器件I侧(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和显示器件I。在本实施例中,第一透镜L1和第三透镜为正透镜,第二透镜为负透镜以校正系统色差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正系统像差包括场曲和畸变。在此,以光阑E表面序号为1,依次类推,显示器件I表面为8。
所述第二实施例目镜设计数据如下表2所示:
表2
第二实施例中各个表面的非球面参数如下:
表面2(Surface 2)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 0.0001745316
Coeff on r6: -5.2971102e-006
Coeff on r8: -2.1845734e-008
Coeff on r10: -6.5191306e-011
表面3(Surface 3)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 4.9511029e-005
Coeff on r6: -9.2132981e-006
Coeff on r8: 1.3727281e-007
Coeffon r10: -1.3061152e-009
表面4(Surface 4)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -0.00012965859
Coeff on r6: 7.9030145e-006
Coeff on r8: -1.0006347e-007
Coeff on r10: 6.9167038e-010
表面5(Surface 5)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 0.00028663084
Coeff on r6: 6.519007e-006
Coeff on r8: -5.9855651e-009
Coeff on r10: -9.1306036e-009
表面6(Surface 6)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 0.00090713675
Coeff on r6: 2.2296566e-006
Coeff on r8: -1.8815219e-007
Coeff on r10: 1.4724701e-008
表面7(Surface 7)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 0.00059319234
Coeff on r6: 4.0858718e-006
Coeff on r8: 1.4863469e-006
Coeff on r10: -4.0050924e-009
请参阅图5,示出了根据本实用新型第二实施例的目镜的光学系统传函图;图6(a)和图6(b)分别示出了根据本实用新型第二实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示,表征出本实施例的光学系统的成像质量高,且出瞳距离大、视场角大和畸变低。
请参阅图7,为根据本实用新型第三实施例的目镜的光学系统图。如图7所示,
从人眼观察侧到显示器件I侧(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和显示器件I。在本实施例中,第一透镜L1和第三透镜为正透镜,第二透镜为负透镜以校正系统色差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正系统像差包括场曲和畸变。在此,以光阑E表面序号为1,依次类推,显示器件I表面为8。
所述第三实施例目镜设计数据如下表3所示:
表3
第三实施例中各个表面的非球面参数如下:
表面2(Surface 2)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeffon r4: 1.8244971e-005
Coeffon r6: 3.1538296e-007
Coeff on r8: -9.6275999e-009
Coeff on r10: 4.0616455e-011
表面3(Surface 3)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -9.9131785e-006
Coeff on r6: 1.1435686e-007
Coeff on r8: -8.2047549e-009
Coeff on r10: 4.0336685e-011
表面4(Surface 4)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -3.6208325e-005
Coeff on r6: 4.3831507e-007
Coeff on r8: -1.3845781e-008
Coeff on r10: 6.000235e-011
表面5(Surface 5)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 1.0301347e-005
Coeff on r6: 1.8357947e-006
Coeff on r8: -1.6625861e-008
Coeff on r10: -1.2036801e-010
孔径(Aperture):浮动孔径(Floating Aperture)
最大曲率半径(Maximum Radius):8.235294
表面6(Surface 6)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: -2.1447272e-006
Coeff on r6: 1.4611758e-006
Coeffon r8: -3.915728e-009
Coeffon r10: 1.207144e-010
表面7(Surface 7)类型:EVENASPH
Coeff on r2: 0
Coeff on r4: 6.3635648e-006
Coeff on r6: 4.0540057e-007
Coeff on r8: -4.0568124e-009
Coeff on r10: 4.3656109e-010
请参阅图8,示出了根据本实用新型第三实施例的目镜的光学系统传函图;图9(a)和图9(b)分别示出了根据本实用新型第三实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示,表征出本实施例的光学系统的成像质量高,且出瞳距离大、视场角大和畸变低。
从上述实用新型实施例的各项数据,可以得到本实用新型实施例满足前述关系要求,结果如下表所示:
f1/fw | |f2/fw| | f3/fw | df/fw | db/fw | |
实施例1 | 0.7469 | 0.503 | 0.686 | 0.786 | 0.391 |
实施例2 | 0.7072 | 0.501 | 0.734 | 0.786 | 0.359 |
实施例3 | 0.7152 | 0.490 | 0.69435 | 0.7751 | 0.4194 |
本实用新型是根据特定实施例进行描述的,但本领域的技术人员应明白在不脱离本实用新型范围时,可进行各种变化和等同替换。此外,为适应本实用新型技术的特定场合或材料,可对本实用新型进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此,本实用新型并不限于在此公开的特定实施例,而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。
Claims (10)
1.一种目镜,其特征在于,包括从人眼观察侧到显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜;
所述第一透镜的焦距为f1,第二透镜的焦距为f2,第三透镜的焦距为f3,系统总焦距为fw,光阑到第一透镜的中心距离为df,第三透镜到显示器件的显示芯片的中心距离为db,且满足以下关系式:
1)0.6<f1/fw<0.85,
2)0.4<|f2/fw|<0.6,
3)0.5<f3/fw<0.75,
4)0.78<df/fw<0.82,
5)0.28<db/fw<0.45;
且所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求:
Nd1>1.48,Nd3>1.48,Nd1、Nd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的折射率;
Vd1>56,Vd3>56,Vd1、Vd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的阿贝数;
Nd2>1.55,Vd2<30,Nd2、Vd2分别表示第二透镜在d线的折射率和阿贝数。
2.根据权利要求1所述的目镜,其特征在于,所述第一透镜和第三透镜均为正透镜,第二透镜为负透镜。
3.根据权利要求2所述的目镜,其特征在于,所述第一透镜为双凸透镜,所述第三透镜为弯月形透镜,且第三透镜的两个曲面曲率半径均为正值。
4.根据权利要求1所述的目镜,其特征在于,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距进一步满足以下关系式:
6)0.7<f1/fw<0.8;
7)0.45<|f2/fw|<0.55;
8)0.6<f3/fw<0.73。
5.根据权利要求1所述的目镜,其特征在于,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为光学塑料。
6.根据权利要求5所述的目镜,其特征在于,所述第一透镜和第三透镜采用聚甲基丙烯酸甲酯制成。
7.根据权利要求6所述的目镜,其特征在于,所述第二透镜采用聚碳酸酯制成。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的目镜,其特征在于,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一个光学面为轴对称非球面。
9.根据权利要求9所述的目镜,其特征在于,所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面皆为轴对称非球面。
10.根据权利要求9所述的目镜,其特征在于,所述非球面的表达式为:
其中,z为光学面的矢高,c为曲率,k为非球面系数,α2,4,6,...为各阶系数。
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Publications (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20110209 Effective date of abandoning: 20120711 |