大視場角目鏡光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種適用于頭戴顯示器或類似裝置的目鏡光 學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子器件不斷向超微型化發(fā)展，W及新的計(jì)算機(jī)、微電子、光電器件和通信理 論和技術(shù)的發(fā)展，可穿戴計(jì)算運(yùn)種基于人為本""人機(jī)合一"的新型模式已經(jīng)成為可能。 在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、教育、消費(fèi)等領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)應(yīng)用。在一個(gè)典型的可穿戴計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu) 中，頭戴式顯示裝置是關(guān)鍵的組成部分。頭戴顯示裝置通過光學(xué)技術(shù)，將微型圖像顯示器 (例如透射式或反射式液晶顯示屏，有機(jī)電致發(fā)光器件，DMD器件）發(fā)出的視頻圖像光引導(dǎo) 到使用者的瞳孔，在使用者的近目范圍實(shí)現(xiàn)虛擬、放大圖像，為使用者提供直觀、可視的圖 像、視頻、文字信息。目鏡光學(xué)系統(tǒng)是頭戴顯示裝置的核屯、，實(shí)現(xiàn)將微型圖像顯示在人眼前 形成虛擬放大圖像的功能。
[0003] 頭戴顯示裝置的關(guān)鍵：要體積緊湊，重量輕，便于頭戴，減輕負(fù)載。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)的視 場角要盡可能的大，使用者可W感受的圖像大。除了W上考慮因素外，還需要重點(diǎn)考慮虛擬 圖像的圖像質(zhì)量，控制光學(xué)成像系統(tǒng)的各種類型的像差，增強(qiáng)使用者觀察圖像的舒適感。運(yùn) 些主要取決于目鏡光學(xué)系統(tǒng)。
[0004] 專利文獻(xiàn)1(中國專利公開號(hào)CN101609208A)提供了一種用于頭戴顯示的目鏡系 統(tǒng)，該目鏡系統(tǒng)視場角不夠大，沒有超過55度，不能滿足虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用；光學(xué)系統(tǒng)的鏡片 尺徑大，將導(dǎo)致頭戴近眼顯示體積大；量產(chǎn)性考慮不足，鏡片邊緣用于裝配的空間預(yù)留不 足，導(dǎo)致鏡片裝配難度大，難于生產(chǎn)。專利文獻(xiàn)2(中國專利公開號(hào)CN101887166A)提供了 一種用于頭戴顯示的目鏡系統(tǒng)，該目鏡系統(tǒng)視場角小，不足40度，難W實(shí)現(xiàn)大視場角，沉浸 感。專利文獻(xiàn)3(中國專利公開號(hào)CN104570323A)的目鏡雖然可W實(shí)現(xiàn)大視場角（〉70度） 光學(xué)性能，但是卻無法實(shí)現(xiàn)低崎變、大出瞳、像方遠(yuǎn)屯、等關(guān)鍵的光學(xué)性能。運(yùn)些性能對(duì)目鏡 觀察者的使用舒適度、高臨場感體驗(yàn)度W及降低視度調(diào)整對(duì)光學(xué)性能的影響，起著至關(guān)重 要的作用，而若將運(yùn)些性能和超廣角、高分辨率、低色散等性能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度 和像差的優(yōu)化難度會(huì)非常大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本發(fā)明提出了一種目鏡，具有大孔徑、大視場、高分辨 率、低崎變、小尺寸等有點(diǎn)，適用于頭戴顯示器及類似裝置。
[0006] 本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 一種用于超大視場角近眼顯示的目鏡，所述目鏡包括從人眼觀察側(cè)到微型圖像顯 示器件側(cè)沿光軸方向共軸依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第Ξ透鏡，其中第一透鏡的焦距 為fl，第二透鏡的焦距為fz，第Ξ透鏡的焦距為fs，目鏡有效焦距為f?，且滿足下列關(guān)系式：
[0008] 1)0. 45<fi/f；<l. 20，
[0009] 2)0. 30<|f2/fJ<0. 60,
[0010] 3)0. 40鐘3/%<0. 90，
[0011] 其中，所述第一透鏡和第Ξ透鏡均為正透鏡、第二透鏡為負(fù)透鏡；所述第一透鏡、 第二透鏡和第Ξ透鏡的材料滿足W下要求：Ndl〉l. 74,Nd2〉l. 58,Nd3〉l. 78,Ndl、Nd2、Nd3 分別表示第一透鏡、第二透鏡、第Ξ透鏡在d線的折射率；Vdl〉35,Vd3〉35,Vd2<31，Vdl、 Vd2、Vd3分別表示第一透鏡、第二透鏡、第Ξ透鏡在d線的阿貝數(shù)。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二透鏡朝人眼觀察側(cè)的面凹向人眼觀察側(cè)，曲 率半徑為負(fù)值。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二透鏡朝人眼觀察側(cè)的面的曲率半徑為R21，朝 微型圖像顯示器件一側(cè)的面的曲率半徑為R22,且滿足下列關(guān)系式：
[0014] 4)-2. 0 蘭巧21+尺22)/巧21-尺22)蘭-0. 25。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一透鏡、第二透鏡和第Ξ透鏡的焦距及第二透 鏡的曲率半徑進(jìn)一步滿足W下關(guān)系式：
[0016] 5)0. 60<fi/f"<0. 80,
[0017] 6)0. 30<怕/%1<〇. 45，
[0018] 7)0. 50鐘3/%<〇. 60，
[0019] 8)-0.8蘭巧21+尺22)/巧21-尺22)蘭-0. 35。
[0020] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述第Ξ透鏡與微型圖像顯示器件之間依次排列第 四透鏡和第五透鏡，其中第四透鏡和第五透鏡的組合焦距為f4y滿足下列關(guān)系式：
[0021] 9)0. 60<fi/f"<l. 2,
[0022] 10)0. 35<怕/%1<〇.6，
[0023] 11)0. 55鐘3/%<〇. 9，
[0024] 12)f45化>2.0。
[00巧]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第四透鏡和第五透鏡組成正-負(fù)形式的雙膠合 鏡。
[00%] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一透鏡、第二透鏡、第Ξ透鏡、第四透鏡和第五 透鏡的焦距進(jìn)一步滿足W下關(guān)系式：
[0027] 13)0. 80<fi/f"<l. 1,
[0028] 14)0. 40<怕/%1<〇. 5，
[0029] 15)0. 60<f3/f?<0. 75,
[0030] 16)f45/f*>5. 5ο
[0031] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一透鏡與第Ξ透鏡為玻璃材料。
[0032] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二透鏡可W為玻璃材料或者塑料材料。
[0033] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一透鏡、第二透鏡和第Ξ透鏡中至少有一個(gè)面 為軸對(duì)稱非球面。
[0034] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一透鏡、第二透鏡和第Ξ透鏡的光學(xué)面都是軸 對(duì)稱非球面。
[0035] 本發(fā)明還提供了一種頭戴顯示裝置，包括一個(gè)微型圖像顯示器和一個(gè)本發(fā)明的目 鏡，所述目鏡位于人眼與該微型圖像顯示器之間。
[0036] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述微型顯示器是有機(jī)電致發(fā)光發(fā)光器件，或者所述 微型顯示器是透射式液晶顯示器，或者所述微型顯示器是反射式液晶顯示器。
[0037] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的目鏡至少包括從人眼觀察側(cè)到顯示器側(cè)沿光軸 方向共軸依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第Ξ透鏡，且所述第一透鏡和第Ξ透鏡均為正透 鏡、第二透鏡為負(fù)透鏡，所述第一透鏡朝人眼觀察側(cè)的面凸向人眼觀察側(cè)，曲率半徑為正 值，第二透鏡朝光闊一側(cè)的面凹向人眼觀察側(cè)，曲率半徑為負(fù)值。同時(shí)，第一透鏡、第二透鏡 和第Ξ透鏡的材料、焦距和位置滿足一定關(guān)系，使顯示器件上顯示的圖像經(jīng)過目鏡放大后 在人眼成像。本發(fā)明的目鏡有結(jié)構(gòu)緊湊、小尺寸、超大視場的優(yōu)點(diǎn)，出瞳直徑大于一般目鏡。 該目鏡的光學(xué)系統(tǒng)可W采用了球面透鏡與非球面透鏡搭配使用、光學(xué)塑料和光學(xué)玻璃組合 使用，進(jìn)而在降低制造成本和產(chǎn)品重量的基準(zhǔn)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)像差的大幅消除，實(shí)現(xiàn)超短焦、 超大視場、小F/#、低崎變、低色差、高分辨率等一系列優(yōu)質(zhì)的光學(xué)指標(biāo)，利于人眼觀看，達(dá)到 高臨場感的視覺體驗(yàn)。
【附圖說明】
[003引圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的目鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0039] 圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的目鏡的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖；
[0040] 圖3(a)是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的目鏡的場曲圖，圖3(b)是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí) 施例的目鏡的崎變曲線圖；
[0041] 圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的目鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0042]