CN210243956U

CN210243956U - 一种目镜光学系统及头戴显示器

Info

Publication number: CN210243956U
Application number: CN201921203485.9U
Authority: CN
Inventors: Hongpeng Cao; 曹鸿鹏; Jianfei Guo; 郭建飞; Huajun Peng; 彭华军
Original assignee: Shenzhen Ned Optics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Ned Optics Co Ltd
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2029-07-29

Abstract

本实用新型涉及一种目镜光学系统及头戴显示器，光学系统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第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中第二透镜的焦距为f₂，第三透镜和第四透镜组成的透镜组合的焦距为f₃₄，第五透镜的焦距为f₅，光学系统的显示器距离第五透镜靠近显示器的一面的距离为f_d，系统总长度为f_w，在满足特定关系的情况下，本实用新型在降低成本和重量的基准上，实现系统像差的大幅消除，同时实现高质量的光学指标，观察者可以通过本实用新型，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验，适用于头戴显示器及其类似装置。

Description

一种目镜光学系统及头戴显示器

技术领域

本实用新型涉及目镜光学系统及头戴播放装置，更具体地说，涉及一种目镜光学系统及头戴显示器。

背景技术

随着电子器件不断向超微型化发展，以及新的计算机、微电子、光电器件和通信理论和技术的发展，可穿戴计算这种基于“以人为本”、“人机合一”的新型模式已经成为可能，在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用。在一个典型的可穿戴计算系统架构中，头戴式显示装置是关键的组成部分。头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息。目镜光学系统是头戴显示装置的核心，实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。

头戴显示装置向着体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载等方向发展。同时，大视场角和视觉舒适体验也逐渐成为衡量头戴显示装置优劣的关键因素，大视场角决定了高临场感的视觉体验效果，高像质、低畸变决定了视觉体验的舒适度。满足这些要求，需要光学系统尽可能地实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标，同时满足上述光学性能对系统的设计和像差优化是很大挑战。

分别具有正焦距、负焦距、正焦距、正焦距和负焦距五片工轴透镜组合构成常见的光学系统。专利文献1(中国专利公开号US7978417B2)、专利文献2(中国专利公开号CN103988111A)、专利文献3(中国专利公开号CN104730706A)、专利文献4(中国专利公开号CN103217782A)、专利文献5(中国专利公开号CN104685402A)、专利文献6(中国专利公开号US8345139B2)、专利文献7(美国专利公开号CN101887166B)、专利文献8(美国专利公开号CN104603669A)分别提供采用共轴正负正三片透镜形态构成的光学系统，实现了低畸变(<3％)、高像质的效果。但上述光学系统的有效视场角较小，分别从16°-37°，没有实现大视场角效果。

专利文献9(中国专利公开号CN 107024766 A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，由正透镜、负透镜、正透镜、正透镜和负透镜构成，整体上可看作正负正正负的光学系统，该目镜系统能够实现大视场角的效果(>40°)，但该目镜的第二负透镜由于曲率的原因更为效率的提高了整个光学系统的性能比，增大了前部透镜的外径值，增加整个光学产品的加工难易程度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种目镜光学系统及头戴显示器，解决了上述的技术问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种目镜光学系统，所述光学系统包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中第二透镜的焦距为f₂，第三透镜和第四透镜组成的透镜组的焦距为f₃₄，第五透镜的焦距为f₅，所述光学系统的显示器距离第五透镜靠近所述显示器的一面的距离后焦距为f_d，系统总长度为f_w，且满足下列关系式(1)、(2)、(3)和(4)：

-4.00≤f₂/f_w≤-0.50 (1)；

0.35≤f₃₄/f_w (2)；

-10.00≤f₅/f_w≤0.20 (3)；

0.10≤f_d/f_w≤0.50 (4)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜、第三透镜和第四透镜均为正透镜，第二透镜和第五透镜为负透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为玻璃材料或者塑料材料。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下关系式(5)、(6)和(7)：

1.40＜Nd₁＜1.90 (5)；

1.40＜Nd₂＜1.80 (6)；

1.60＜Nd₃＜1.90 (7)；

其中，Nd₁、Nd₂、Nd₃分别是第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料折射率。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下关系式(8)、(9)和(10)：

40.0＜Vd₁＜95.0 (8)；

19.0＜Vd₂＜60.0 (9)；

28.0＜Vd₃＜57.0 (10)；

其中，Vd₁、Vd₂、Vd₃分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜的阿贝系数。

作为本实用新型的进一步方案：

所述第一透镜具有凸向眼睛的第一光学面和凹向眼睛的第二光学面；

所述第二透镜具有凸向眼睛的第三光学面和凹向眼睛的第四光学面；

所述第三透镜具有凸向眼睛的第五光学面和凸向像面的第六光学面；

所述第四透镜具有凸向眼睛的第七光学面和凸向像面的第八光学面；

所述第五透镜具有凹向像面的第九光学面和凹向眼睛的第十光学面。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一光学面到第十光学面共十个光学面中，有若干个光学面的面型为偶次非球面面型，其面型公式如下列表达式(11)；

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜上的第二光学面、第三透镜上的第五光学面和第六光学面、第四透镜上的第八光学面为球面面型，其余光学面均为偶次非球面面型。

作为本实用新型的进一步方案：所述第五透镜靠近人眼一侧的光学面的曲率半径为R₅₁，靠近显示器一侧的光学面的曲率半径为R₅₂，R₅₁和R₅₂之间满足以下关系式(12)：

0.5≤|(R₅₁+R₅₂)/(R₅₁-R₅₂)|≤4.0 (12)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第二透镜靠近人眼一侧光学面的曲率半径为R₂₁，靠近显示器一侧光学面的曲率半径为R₂₂，R₂₁和R₂₂之间满足以下关系式(13)：

0.8≤(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≤6.0 (13)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的焦距进一步满足以下关系式(1a)、(2a)、(3a)和(4a)：

-3.60≤f₂/f_w≤-0.85 (1a)；

0.40≤f₃₄/f_w (2a)；

-9.95≤f₅/f_w≤0.180 (3a)；

0.175≤f_d/f_w≤0.415 (4a)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率Nd₁、Nd₂、Nd₃进一步满足下列关系式(5a)、(6a)和(7a)：

1.50＜Nd₁＜1.85 (5a)；

1.45＜Nd₂＜1.75 (6a)；

1.63＜Nd₃＜1.87 (7a)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的阿贝系数Vd₁、Vd₂、Vd₃进一步满足下列关系式(8a)、(9a)和(10a)：

41.5＜Vd₁＜90.5 (8a)；

20.0＜Vd₂＜56.0 (9a)；

29.0＜Vd₃＜56.0 (10a)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第五透镜的曲率半径R₅₁和R₅₂之间进一步满足以下关系式(12a)：

0.51≤|(R₅₁+R₅₂)/(R₅₁-R₅₂)|≤3.5 (12a)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第二透镜的曲率半径R₂₁和R₂₂之间进一步满足以下关系式(13a)：

0.9≤(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≤5.5 (13a)。

一种头戴显示器，包括微型图像显示单元和目镜，所述目镜位于人眼与所述微型图像显示单元之间，所述目镜包括上述中任一项所述的目镜光学系统。

作为本实用新型的进一步方案：所述第五透镜上的第十光学面与所述微型图像显示单元之间距离可调。

作为本实用新型的进一步方案：所述头戴显示器是包含两个相同的上述目镜光学系统的双目头戴显示器。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型由于采用了五片透镜的组合，并且各透镜的焦距在满足特定的条件的情况下实现系统像差的大幅消除，特别是同时实现了大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标，观察者可以通过本实用新型所述目镜光学系统，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，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附图：

图1是本实用新型第一个实施例提供的目镜光学系统的结构示意图；

图2是本实用新型第一个实施例提供的目镜光学系统的点列图示意图；

图3是本实用新型第一个实施例提供的目镜光学系统的垂轴色差示意图；

图4是本实用新型第一个实施例提供的目镜光学系统的场曲曲线示意图；

图5是本实用新型第一个实施例提供的目镜光学系统的畸变曲线示意图；

图6是本实用新型第一个实施例提供的目镜光学系统的传递函数MTF示意图；

图7是本实用新型第二个实施例提供的目镜光学系统的结构示意图；

图8是本实用新型第二个实施例提供的目镜光学系统的点列图示意图；

图9是本实用新型第二个实施例提供的目镜光学系统的畸变曲线示意图；

图10是本实用新型第二个实施例提供的目镜光学系统的传递函数MTF示意图；

图11是本实用新型第三个实施例提供的目镜光学系统的结构示意图；

图12是本实用新型第三个实施例提供的目镜光学系统的点列图示意图；

图13是本实用新型第三个实施例提供的目镜光学系统的场曲曲线示意图；

图14是本实用新型第三个实施例提供的目镜光学系统的传递函数MTF示意图：

图15是本实用新型第四个实施例提供的目镜光学系统的结构示意图；

图16是本实用新型第四个实施例提供的目镜光学系统的点列图示意图；

图17是本实用新型第四个实施例提供的目镜光学系统的场曲曲线示意图；

图18是本实用新型第四个实施例提供的目镜光学系统的畸变曲线示意图；

图19是本实用新型第四个实施例提供的目镜光学系统的传递函数MTF示意图；

图20是本实用新型第五个实施例提供的目镜光学系统的结构示意图；

图21是本实用新型第五个实施例提供的目镜光学系统的点列图示意图；

图22是本实用新型第五个实施例提供的目镜光学系统的场曲曲线示意图；

图23是本实用新型第五个实施例提供的目镜光学系统的畸变曲线示意图；

图24是本实用新型第五个实施例提供的目镜光学系统的传递函数MTF示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的技术方案及附图进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，同时参阅图7、图11、图15和图20，一种目镜光学系统，光学系统包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5，其中第二透镜L2的焦距为f₂，第三透镜L3和第四透镜L4组成的透镜组合的焦距为f₃₄，第五透镜L5的焦距为f₅，光学系统的显示器距离第五透镜L5靠近显示器的光学面的距离为f_d，系统总长度为f_w，且满足下列关系式(1)-(4)：

-4.00≤f₂/f_w≤-0.50 (1)；

0.35≤f₃₄/f_w (2)；

-10.00≤f₅/f_w≤0.20 (3)；

0.10≤f_d/f_w≤0.50 (4)；

其中，上述f₂/f_w的取值可以是-4.00、-0.5、-2.0、-2.5、-3.18、-1.57、-0.76、-0.99、-3.75、-3.66、-2.25、-2.74、-1.83、-1.76、-0.55、-3.55、-0.89、-3.6、-0.85、-2.75、-1.04、-1.22、-2.99、-3.26。

第一透镜L1、第三透镜L3和第四透镜L4均为正透镜，第二透镜L2和第五透镜L5为负透镜，第一透镜L1、第三透镜L3和第四透镜L4均为正透镜，第二透镜L2和第五透镜L5为负透镜，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5为玻璃材料或者塑料材料。

第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的材料满足以下关系式(5)-(10)：

1.40＜Nd₁＜1.90 (5)；

1.40＜Nd₂＜1.80 (6)；

1.60＜Nd₃＜1.90 (7)；

40.0＜Vd₁＜95.0 (8)；

19.0＜Vd₂＜60.0 (9)；

28.0＜Vd₃＜57.0 (10)；

Nd₁、Nd₂、Nd₃分别是第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料折射率；Vd₁、Vd₂、Vd₃分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜的阿贝系数。

其中，上述Nd₁取值可以是1.40、1.90、1.50、1.45、1.61、1.66、1.57、1.70、1.73、1.82、1.49、1.83；

Nd₂取值可以是1.40、1.80、1.44、1.49、1.77、1.55、1.62、1.65、1.68、1.70、1.73、1.50、1.74；

Nd₃取值可以是1.60、1.90、1.62、1.69、1.77、1.86、1.88、1.65、1.70、1.73、1.80、1.71、1.82；

Vd₁取值可以是40、95、42、90、50.6、42.9、89.3、87、44.4、46.8、57.4、60、75.5、80；

Vd₂取值可以是20.4、55、19、60、20、57.6、55.4、49.8、19.5、21、26.2、28.5、30.3、45.5；

Vd₃取值可以是30、55.6、28、57、28.3、29.1、29.9、55.8、56.6、35、37.4、38.1、40.3、46.8、55。

第一透镜L1具有凸向眼睛的第一光学面1和凹向眼睛的第二光学面2；

第二透镜L2具有凸向眼睛的第三光学面3和凹向眼睛的第四光学面4；

第三透镜L3具有凸向眼睛的第五光学面5和凸向像面的第六光学面6；

第四透镜L4具有凸向眼睛的第七光学面7和凸向像面的第八光学面8；

第五透镜L5具有凹向像面的第九光学面9和凹向眼睛的第十光学面10。

本实用新型的五片透镜共十个光学面中，有若干个光学面为非球面型，优选地，第一透镜L1上的第一光学面1、第二透镜L2上的第三光学面3和第四光学面4、第四透镜L4上的第七光学面7、第五透镜L5上的第九光学面9和第十光学面10为偶次非球面面型，其面型公式如下(11)：

其中，Z为光学面的矢高，c为非球面顶点处曲率，k为非球面系数,α2,4,6…为各阶系数，r为曲面上点到透镜系统光轴的距离坐标。

第一透镜L1上的第二光学面2、第三透镜L3上的第五光学面5和第六光学面6、第四透镜L4上的第八光学面8为球面面型。

第五镜片L5靠近人眼一侧的第九光学面9的曲率半径为R₅₁，靠近显示器一侧的第十光学面10的曲率半径为R₅₂，R₅₁和R₅₂之间满足以下关系式：

0.5≤|(R₅₁+R₅₂)/(R₅₁-R₅₂)|≤4.0 (12)

该式的下限取值条件大于0.5，使第五透镜L5能够提供足够的负光焦度，从而可以更好地平衡校正系统像差，实现良好的光学效果，其上限取值条件小于4.0，降低了球差的校正难度，便于实现大光学孔径。该式的取值可以是0.5、4.0、0.52、3.5、3.8、3.91、3.66、3.58、0.55、0.8、1.2、1.8、2.2、2.9、3.15、2.51、2.63、2.93、1.51、1.33、1.71、1.69、0.77、0.51、3.39。

第二透镜L2靠近人眼一侧的第三表面3的曲率半径为R₂₁，靠近显示器一侧第四表面4的曲率半径为R₂₂，R₂₁和R₂₂之间满足以下关系式：

0.8≤(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≤6.0 (13)；

该式的下限值条件大于0.8，使第二透镜L2能够提供足够的负光焦度，从而可以更好地平衡校正系统像差，实现良好的光学效果，其上限取值条件小于6.0，降低了球差的校正难度，便于实现大光学孔径。该式的取值可以是0.8、6.0、1.0、5.2、0.9、5.5、0.85、5.3、0.93、0.97、1.47、1.68、1.96、2.31、2.5、2.66、2.79、3.01、3.2、3.48、3.61、3.89、4.12、4.41、4.52、4.67、4.81、4.98、5.11。

下面结合附图说明及具体实施方式，对本实用新型进一步说明。在下述各实施例的光路图中，从显示器件发出的光，依次经过第五透镜L5、第四透镜L4、第三透镜L3、第二透镜L2和第一透镜L1，最后进入人眼。光阑可以为本光学系统的成像的出瞳，为一个虚拟的出光孔径，人眼的通孔在光阑位置时，可以观察到最佳的成像效果。

以下各实施例所提供的点列图反映光学系统成像的几何结构，忽略衍射效应，以指定视场、指定波长光线聚焦像平面截面形成的弥散斑表示，可同时包含多个视场和多种波长的光线。因此，可以通过点列图弥散斑的密集程度、形状尺寸直观地衡量光学系统成像质量的优劣，通过点列图不同波长弥散斑的错位程度直观衡量光学系统的色差，点列图的RMS(Root Mean Square)半径(均方根半径)越小，光学系统的成像质量越高。

实施例一

目镜光学系统的结构示意图如图1所示，包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5。以靠近光阑一侧的光学面标号为1，以此类推，从光阑到像面方向的光学面依次标号为2、3、4、5、6、7、8、9、10。本实施例能充分地矫正光学系统的畸变、色差和场曲等像差，并保证在小体积的情况下，达到大视场角的效果。

表1实施例一光学系统参数列表

如图2所示，本实施例各个视场光线在像平面(显示器件)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过目镜光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

如图3所示，光学系统的垂轴色差的变化曲线，以指定视场、指定色差的大小，以二维平面方式产线出各视场的色差变化大小。

如图4-6所示，本实施例的光学系统的场曲和畸变曲线，其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

实施例二

目镜光学系统的结构示意图如图7所示，包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5。以靠近光阑一侧的光学面标号为1，以此类推，从光阑到像面方向的光学面依次标号为2、3、4、5、6、7、8、9、10。本实施例能充分地矫正光学系统的畸变、色差和场曲等像差，并保证在小体积的情况下，达到大视场角的效果。

表2实施例二光学系统参数列表

如图8所示，本实施例的光学系统的点列图示意图。从图中可以看出，本实施例各个视场光线在像平面(显示器件)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

同时参阅图9-图10，本实施例的光学系统的畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

实施例三

目镜光学系统的结构示意图如图11所示，包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5。以靠近光阑一侧的光学面标号为1，以此类推，从光阑到像面方向的光学面依次标号为2、3、4、5、6、7、8、9、10。本实施例能充分地矫正光学系统的畸变、色差和场曲等像差，并保证在小体积的情况下，达到大视场角的效果。

表3实施例三光学系统参数列表

如图11-图14所示，本实施例的各个视场光线在像平面(显示器件)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

实施例四

目镜光学系统的结构示意图如图15所示，包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5。以靠近光阑一侧的光学面标号为1，以此类推，从光阑到像面方向的光学面依次标号为2、3、4、5、6、7、8、9、10。本实施例能充分地矫正光学系统的畸变、色差和场曲等像差，并保证在小体积的情况下，达到大视场角的效果。

表4实施例四光学系统参数列表

如图16-图19所示，附图反映光学系统成像的几何结构，根据本实用新型第四实施例的光学传递函数MTF和点列图可以看出，本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的弥散斑半径小而均匀，不同波长光线在同个视场聚焦形成的弥散斑错位程度低，光学系统像差得到良好校正，通过光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像，其中，图18根据本实用新型第1实施例的光学系统的场曲和畸变曲线。其表征出本实施例的光学系统超大视场及高成像质量等特征。

实施例五

目镜光学系统的结构示意图如图20所示，包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5。以靠近光阑一侧的光学面标号为1，以此类推，从光阑到像面方向的光学面依次标号为2、3、4、5、6、7、8、9、10。本实施例能充分地矫正光学系统的畸变、色差和场曲等像差，并保证在小体积的情况下，达到大视场角的效果。

表5实施例五光学系统参数列表

如图21-图24所示，本实施例各个视场光线在像平面(显示器件)的成像在频率为5lp的位置达到了百分之九十以上，不同波长光线在各个视场的成像质量良好，光学系统的整体像差得到良好的校正，通过光学系统可观察到整体均匀、高光学性能的显示画像。

以上五项实施例的有效焦距均为16.9mm，视场角2ω＝44°，且上述的实施例各项数据均满足说明书中所记录的参数要求，如表6所示：

表6实施例一到五光学系统参数值

下面对本实用新型的一种头戴显示器做进一步说明:

一种头戴显示器，包括微型图像显示单元和目镜，目镜位于人眼与微型图像显示单元之间，目镜包括上述中任一项的目镜光学系统。

优选地，第五透镜L5上的第十光学面10与微型图像显示单元之间距离可调。

优选地，头戴显示器是包含两个相同的上述目镜光学系统的双目头戴显示器，两个光学系统分别对应观察者的左右眼，观察者能通过光学系统获得大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等性能的头戴显示效果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种目镜光学系统，其特征在于，所述光学系统包括从人眼观察侧到显示器件一侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中第二透镜的焦距为f₂，第三透镜和第四透镜组成的透镜组的焦距为f₃₄，第五透镜的焦距为f₅，所述光学系统的显示器距离第五透镜靠近所述显示器的一面的距离后焦距为f_d，系统总长度为f_w，且满足下列关系式(1)、(2)、(3)和(4)：

-4.00≤f₂/f_w≤-0.50 (1)；

0.35≤f₃₄/f_w (2)；

-10.00≤f₅/f_w≤0.20 (3)；

0.10≤f_d/f_w≤0.50 (4)。

2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第三透镜和第四透镜均为正透镜，第二透镜和第五透镜为负透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为玻璃材料或者塑料材料。

3.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下关系式(5)、(6)和(7)：

1.40＜Nd₁＜1.90 (5)；

1.40＜Nd₂＜1.80 (6)；

1.60＜Nd₃＜1.90 (7)；

4.根据权利要求3所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下关系式(8)、(9)和(10)：

40.0＜Vd₁＜95.0 (8)；

19.0＜Vd₂＜60.0 (9)；

28.0＜Vd₃＜57.0 (10)；

5.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一光学面到第十光学面共十个光学面中，有若干个光学面的面型为偶次非球面面型，其面型公式如下列表达式(11)；

7.根据权利要求5所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜上的第二光学面、第三透镜上的第五光学面和第六光学面、第四透镜上的第八光学面为球面面型，其余光学面均为偶次非球面面型。

8.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第五透镜靠近人眼一侧的光学面的曲率半径为R₅₁，靠近显示器一侧的光学面的曲率半径为R₅₂，R₅₁和R₅₂之间满足以下关系式(12)：

0.5≤|(R₅₁+R₅₂)/(R₅₁-R₅₂)|≤4.0 (12)。

9.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜靠近人眼一侧光学面的曲率半径为R₂₁，靠近显示器一侧光学面的曲率半径为R₂₂，R₂₁和R₂₂之间满足以下关系式(13)：

0.8≤(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≤6.0 (13)。

10.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的焦距进一步满足以下关系式(1a)、(2a)、(3a)和(4a)：

-3.60≤f₂/f_w≤-0.85 (1a)；

0.40≤f₃₄/f_w (2a)；

-9.95≤f₅/f_w≤0.180 (3a)；

0.175≤f_d/f_w≤0.415 (4a)。

11.根据权利要求3所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率Nd₁、Nd₂、Nd₃进一步满足下列关系式(5a)、(6a)和(7a)：

1.50＜Nd₁＜1.85 (5a)；

1.45＜Nd₂＜1.75 (6a)；

1.63＜Nd₃＜1.87 (7a)。

12.根据权利要求4所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的阿贝系数Vd₁、Vd₂、Vd₃进一步满足下列关系式(8a)、(9a)和(10a)：

41.5＜Vd₁＜90.5 (8a)；

20.0＜Vd₂＜56.0 (9a)；

29.0＜Vd₃＜56.0 (10a)。

13.根据权利要求8所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第五透镜的曲率半径R₅₁和R₅₂之间进一步满足以下关系式(12a)：

0.51≤|(R₅₁+R₅₂)/(R₅₁-R₅₂)|≤3.5 (12a)。

14.根据权利要求9所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜的曲率半径R₂₁和R₂₂之间进一步满足以下关系式(13a)：

0.9≤(R₂₁+R₂₂)/(R₂₁-R₂₂)≤5.5 (13a)。

15.一种头戴显示器，包括微型图像显示单元和目镜，所述目镜位于人眼与所述微型图像显示单元之间，其特征在于，所述目镜为权利要求包括1-13中任一项所述的目镜光学系统。

16.根据权利要求15所述的头戴显示器，其特征在于，所述第五透镜上的第十光学面与所述微型图像显示单元之间距离可调。

17.根据权利要求15所述的头戴显示器，其特征在于，所述头戴显示器是包含两个相同的上述目镜光学系统的双目头戴显示器。