本實(shí)用新型涉及目鏡鏡頭
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭、頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)及頭戴設(shè)備。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著科技工業(yè)的進(jìn)步，3D技術(shù)得以迅速和廣泛的發(fā)展，越來越多的影視和游戲都是基于VR(VatualReality，虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的模擬真實(shí)場(chǎng)景，并且要求效果逼真震撼；使得頭戴顯示器作為一種新興的技術(shù)，首先在娛樂領(lǐng)域有了很好的發(fā)展前景，其把二維平面的畫面以更加立體的形象展現(xiàn)給用戶，使得用戶產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)感受?，F(xiàn)有的VR設(shè)備用的目鏡鏡頭，多局限于小視場(chǎng)的成像系統(tǒng)，其鏡頭FOV(FieldofView，視場(chǎng))小于100°，用戶使用設(shè)備觀察場(chǎng)景時(shí)，會(huì)感覺到存在明顯的邊界，無(wú)法滿足游戲領(lǐng)域一些高端用戶追求VR的沉浸感的要求，而用戶體驗(yàn)則主要取決于目鏡的視場(chǎng)角，因此，現(xiàn)有的VR設(shè)備用的目鏡鏡頭存在視場(chǎng)角小、用戶體驗(yàn)不佳的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型提供了一種2P(2pieces，兩片)結(jié)構(gòu)鏡頭、頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)及頭戴設(shè)備，以解決采用小視場(chǎng)的成像系統(tǒng)其鏡頭的視場(chǎng)角小、用戶體驗(yàn)不佳的問題。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭，包括逆著光線入射方向依次設(shè)置的第一凸透鏡和第二凸透鏡，第一凸透鏡為平凸透鏡，第二凸透鏡為雙凸透鏡；第一凸透鏡包括第一表面和第二表面，第一表面為靠近光闌的平面，光闌位于人眼瞳孔處；第二表面為凸向物方的非球面；第一表面的曲率半徑R1與第二表面的曲率半徑R2分別滿足以下關(guān)系式：R1＝0，R2<0；第二凸透鏡包括第三表面和第四表面，第三表面和第四表面均為非球面，第三表面靠近第一凸透鏡的第二表面并凸向光闌，第四表面凸向物方；第三表面的曲率半徑R3與第四表面的曲率半徑R4滿足以下關(guān)系式：R3<-R4。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，提供了一種頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)，該頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)逆著光線入射方向依次包括：光闌、如本實(shí)用新型的一個(gè)方面的2P結(jié)構(gòu)鏡頭，以及顯示器，光闌位于人眼瞳孔處，顯示器位于物方。根據(jù)本實(shí)用新型的又一個(gè)方面，提供了一種頭戴設(shè)備，包如本實(shí)用新型的另一個(gè)方面的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)。本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型的這種2P結(jié)構(gòu)鏡頭，首先，整組鏡頭包括兩片透鏡，其中一片為非球面的平凸透鏡，另一片為非球面的雙凸透鏡，且平凸透鏡上第一表面的曲率半徑R1與第二表面的曲率半徑R2分別滿足以下關(guān)系式：R1＝0，R2<0，雙凸透鏡上第三表面的曲率半徑R3與第四表面的曲率半徑R4滿足以下關(guān)系式：R3<-R4，該2P結(jié)構(gòu)使得鏡頭模組單片鏡片的面型更易于控制成型，對(duì)于MTF(ModulationTransferFunction，調(diào)制傳遞函數(shù))、SPOT(光斑)等像差的校正更好，同時(shí)能夠獲得120°的大視場(chǎng)角，能夠作為高性能版本的頭戴顯示器目鏡；其次，其制造成本和重量都大大降低。另外，本實(shí)用新型還提供了一種頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)及頭戴設(shè)備，其不僅可以滿足大視場(chǎng)角VR的需要，更能夠使得用戶獲得更好的沉浸感，從而提供較佳的用戶體驗(yàn)，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。附圖說明圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的工作狀態(tài)光學(xué)原理圖；圖3是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的初始結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的接收者偏離光軸0mm時(shí)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖5是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的場(chǎng)曲圖；圖6是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的畸變圖；圖7是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的點(diǎn)列圖；圖8是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的色差圖；圖9是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的接收者偏離光軸-2mm時(shí)的示意圖；圖10是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的接收者偏離光軸2mm時(shí)的示意圖。具體實(shí)施方式VR設(shè)備用的目鏡鏡頭的一種現(xiàn)有技術(shù)是：沿著光線入射方向依次包括：前組和后組，前組包括第一負(fù)透鏡和第二正透鏡，后組包括一個(gè)類似膠合透鏡組：第三正透鏡和第四負(fù)透鏡，第一負(fù)透鏡具有凸向物方的第一表面和凹向像方的第二表面，位于鏡頭的始端，第二正透鏡具有凹向物方的第三表面和凸向像方的第四表面，第三正透鏡具有凸向物方的第五表面和凸向像方的第六表面，第四負(fù)透鏡具有凹向物方的第七表面和凹向像方的第八表面。但是，這種技術(shù)多局限于小視場(chǎng)的成像系統(tǒng)，其鏡頭FOV較小，用戶使用設(shè)備觀察場(chǎng)景時(shí)，會(huì)感覺到存在明顯的邊界，無(wú)法滿足游戲領(lǐng)域一些高端用戶追求VR的沉浸感的要求，而用戶體驗(yàn)則主要取決于目鏡的視場(chǎng)角，因此，現(xiàn)有的VR設(shè)備用的目鏡鏡頭存在視場(chǎng)角小、用戶體驗(yàn)不佳的問題，同時(shí)，還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鏡頭模組單片鏡片的面型不易于控制成型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)MTF、SPOT等像差的校正，制造成本高，以及重量較大的問題。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思是：針對(duì)現(xiàn)有的VR設(shè)備用的目鏡鏡頭存在視場(chǎng)角小、用戶體驗(yàn)不佳的問題，同時(shí)，還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鏡頭模組單片鏡片的面型不易于控制成型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)MTF、SPOT等像差的校正，制造成本高，以及重量較大的問題，本實(shí)用新型的鏡頭采用兩片凸透鏡，其中一片凸透鏡是靠近光闌的平凸透鏡，另外一片凸透鏡是靠近物方的雙凸透鏡；平凸透鏡靠近光闌的表面是平面，其曲率半徑R1＝0，平凸透鏡靠近雙凸透鏡的表面是非球面，其曲率半徑R2<0；雙凸透鏡的兩個(gè)表面均為非球面，其兩個(gè)表面的曲率半徑分別滿足以下關(guān)系式：R3<-R4。這樣，本實(shí)用新型的技術(shù)方案不僅可以滿足大視場(chǎng)角VR的需要，能獲得120°大視場(chǎng)角，使得用戶能夠獲得更好的沉浸感，同時(shí)使得鏡頭模組單片鏡片的面型易于控制成型，對(duì)MTF、SPOT等像差的校正更好，制造成本更低，重量大大減小，能夠改善用戶體驗(yàn)，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)施例一圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的一種2P結(jié)構(gòu)鏡頭的工作狀態(tài)光學(xué)原理圖，參見圖1，該2P結(jié)構(gòu)鏡頭包括逆著光線入射方向依次設(shè)置的第一凸透鏡L1和第二凸透鏡L2，第一凸透鏡L1為平凸透鏡，第二凸透鏡L2為雙凸透鏡；第一凸透鏡L1包括第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1為靠近光闌的平面，光闌位于人眼11的瞳孔處；第二表面S2為凸向物方12的非球面；第一表面S1的曲率半徑R1與第二表面S2的曲率半徑R2分別滿足以下關(guān)系式：R1＝0，R2<0；第二凸透鏡L1包括第三表面S3和第四表面S4，第三表面S3和第四表面S4均為非球面，第三表面S3靠近第一凸透鏡L1的第二表面S2并凸向光闌，第四表面S4凸向物方12；第三表面S3的曲率半徑R3與第四表面S4的曲率半徑R4滿足以下關(guān)系式：R3<-R4。由圖1所示的2P結(jié)構(gòu)鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖，及圖2所示的2P結(jié)構(gòu)鏡頭的工作狀態(tài)光學(xué)原理圖可知，本實(shí)施例中的2P結(jié)構(gòu)鏡頭，物方12設(shè)置為顯示器，顯示器上的影像發(fā)出光線，經(jīng)由第二凸透鏡L2的第四表面S4射入鏡頭,然后由第一凸透鏡L1的第一表面S1射出鏡頭，進(jìn)入人眼11中成像，但在人眼11中看到的影像的位置不在顯示器位置處，而是在從第一表面S1進(jìn)入人眼的光線的反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)處，即成像面13位置處。這樣，本實(shí)施例的技術(shù)方案不僅可以滿足大視場(chǎng)角VR的需要，使得用戶能夠獲得更好的沉浸感，同時(shí)對(duì)MTF、SPOT等像差的校正更好，能夠改善用戶體驗(yàn)，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)施例二本實(shí)施例中是重點(diǎn)對(duì)2P結(jié)構(gòu)鏡頭的兩片凸透鏡的焦距進(jìn)行的說明，其他內(nèi)容參見本實(shí)用新型的其他實(shí)施例。該2P結(jié)構(gòu)鏡頭的一種具體實(shí)現(xiàn)方式如下：第一凸透鏡L1的焦距f1和第二凸透鏡L2的焦距f2滿足以下關(guān)系式：f2>10×f1。需要說明的是，本實(shí)施例中，第二凸透鏡L2承擔(dān)了大部分的光焦度。這樣，本實(shí)施例的技術(shù)方案能夠使得鏡頭的結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小鏡頭的整體體積，有利于本實(shí)用新型的2P結(jié)構(gòu)鏡頭的現(xiàn)實(shí)推廣應(yīng)用和提升用戶體驗(yàn)。實(shí)施例三本實(shí)施例中是重點(diǎn)對(duì)2P結(jié)構(gòu)鏡頭的第二凸透鏡L2的焦距的進(jìn)一步說明，其他內(nèi)容參見本實(shí)用新型的其他實(shí)施例。該2P結(jié)構(gòu)鏡頭的一種具體實(shí)現(xiàn)方式如下：第一凸透鏡L1的焦距f1和第二凸透鏡L2的焦距f2還進(jìn)一步滿足以下關(guān)系式：100mm<f2<150mm，12mm<f1<14mm。需要說明的是，本實(shí)施例中，第二凸透鏡L2承擔(dān)了大部分的光焦度，這樣，本實(shí)施例的技術(shù)方案在盡量進(jìn)一步使得鏡頭的結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小鏡頭的整體體積的基礎(chǔ)上，又盡量降低鏡片的加工難度，從而更有利于本實(shí)用新型的2P結(jié)構(gòu)鏡頭的現(xiàn)實(shí)推廣應(yīng)用和提升用戶體驗(yàn)，又有利于降低成本，且提高成品率。實(shí)施例四本實(shí)施例中是重點(diǎn)對(duì)2P結(jié)構(gòu)鏡頭的第二凸透鏡L2的兩個(gè)非球面表面的曲率半徑的進(jìn)一步說明，其他內(nèi)容參見本實(shí)用新型的其他實(shí)施例。該2P結(jié)構(gòu)鏡頭的一種具體實(shí)現(xiàn)方式如下：第二凸透鏡L2的第三表面的曲率半徑R3與第四表面的曲率半徑R4進(jìn)一步滿足以下關(guān)系式：R3>0，R4<0，-200mm<R3<-R4<200mm。需要說明的是，本實(shí)施例中，第二凸透鏡L2進(jìn)一步承擔(dān)更多的光焦度，同時(shí)使得第二凸透鏡L2的第三表面S3和第四表面S4更加易于加工和補(bǔ)正，這樣，本實(shí)施例的技術(shù)方案在進(jìn)一步使得鏡頭的結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小鏡頭的整體體積，同時(shí)降低鏡片的加工難度，提高鏡片的加工質(zhì)量和成品率，從而更加有利于提高本實(shí)用新型的2P結(jié)構(gòu)鏡頭的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。實(shí)施例五本實(shí)施例中是重點(diǎn)對(duì)2P結(jié)構(gòu)鏡頭的兩片凸透鏡的材料和工藝的進(jìn)一步說明，其他內(nèi)容參見本實(shí)用新型的其他實(shí)施例。該2P結(jié)構(gòu)鏡頭的一種具體實(shí)現(xiàn)方式如下：第一凸透鏡L1和第二凸透鏡L2采用COP(Cyclo—olefinpolymer)光學(xué)塑料材質(zhì)和注塑工藝生產(chǎn)制成。需要說明的是，本實(shí)施例中，使用COP光學(xué)塑料材質(zhì)相比使用玻璃材質(zhì)和其他低端PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(樹脂)等材質(zhì)，使得本實(shí)施例的鏡頭重量大幅下降，并且本實(shí)施例的塑料鏡片通過采用注塑工藝生產(chǎn)，能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)，且性能穩(wěn)定，成本較低。這樣，能夠進(jìn)一步降低本實(shí)用新型的2P結(jié)構(gòu)鏡頭的成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)施例六本實(shí)施例中是重點(diǎn)對(duì)2P結(jié)構(gòu)鏡頭的兩片凸透鏡的各個(gè)表面的進(jìn)一步說明，其他內(nèi)容參見本實(shí)用新型的其他實(shí)施例。該2P結(jié)構(gòu)鏡頭的一種具體實(shí)現(xiàn)方式如下：第一凸透鏡L1的第二表面S2、第二凸透鏡L2的第三表面S3和第四表面S4均滿足以下偶次非球面方程公式:其中，z為沿光軸方向的坐標(biāo)，Y為以透鏡長(zhǎng)度單位為單位的徑向坐標(biāo)，c＝1/R，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐系數(shù)(CoinConstant)，αi為各高次項(xiàng)的系數(shù)，2i為非球面的高次方(theorderofAsphericalCoefficient)，i＝4。需要說明的是，本實(shí)施例中，第一凸透鏡L1的第二表面S2、第二凸透鏡L2的第三表面S3和第四表面S4均滿足上述偶次非球面方程公式，且二次項(xiàng)最高到8次方。本實(shí)施例的設(shè)計(jì)方案通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來完成，同樣的設(shè)計(jì)思路也可以使用CODEV光學(xué)設(shè)計(jì)軟件完成。首先，先建立初始結(jié)構(gòu)如圖3所示，然后在初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立評(píng)價(jià)函數(shù)，通過添加各種操作數(shù)約束來達(dá)到設(shè)計(jì)目的，最終優(yōu)化的結(jié)果如圖1所示。本實(shí)施例的設(shè)計(jì)結(jié)果如表一所示，表一中分別列有由物方12開始，依序編號(hào)的光學(xué)表面序號(hào)(Surface)，在光軸上各光學(xué)面的曲率半徑(R)，從物方12到像方的成像面13的光軸上各面與后一光學(xué)表面的距離(T)，如圖4中所示，T即表示第二凸透鏡L2的第四表面S4到后一面(物方12)的距離，圓錐系數(shù)(CoinConstant)k，以及非球面系數(shù)α1、α2、α3、α4。表一surfaceRTkα1α2α3α4L1-S1Infinity12.67620.000.000.000.000.00L1-S2-30.30981.9943-6.88E-010.002.12E-06-3.41E-09-1.15E-12L2-S1111.227712.29323.33E+000.009.34E-07-5.11E-10-1.90E-13L2-S2-199.249231.30002.33E+010.000.00E+000.00E+000.00E+00以上可見，本實(shí)施例的2P結(jié)構(gòu)鏡頭能夠更好的控制MTF、畸變、SPOT等項(xiàng)像差，提高成像質(zhì)量，提升用戶體驗(yàn)。實(shí)施例七本實(shí)施例中是重點(diǎn)對(duì)2P結(jié)構(gòu)鏡頭的兩片凸透鏡的各個(gè)表面的另一種進(jìn)一步說明，其他內(nèi)容參見本實(shí)用新型的其他實(shí)施例。該2P結(jié)構(gòu)鏡頭的一種具體實(shí)現(xiàn)方式如下：第一凸透鏡的第二表面、第二凸透鏡的第三表面和第四表面滿足以下奇次非球面方程公式：其中，z為沿光軸方向的坐標(biāo)，Y為以透鏡長(zhǎng)度單位為單位的徑向坐標(biāo)，c＝1/R，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐系數(shù)，βi為各高次項(xiàng)的系數(shù)，i為非球面的高次方；i＝2N+1，N為自然數(shù)，1≤N≤8。需要說明的是，利用上述奇次非球面方程公式同樣也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的。本實(shí)施例的2P結(jié)構(gòu)鏡頭，其場(chǎng)曲、畸變、點(diǎn)列圖、MTF可依次參見圖5、圖6、圖7和圖8所示，上述各圖中主要針對(duì)參考波長(zhǎng)綠光(540nm)進(jìn)行分析。以上可見，本實(shí)施例的2P結(jié)構(gòu)鏡頭，其場(chǎng)曲在10mm以內(nèi)，畸變?cè)?0％以內(nèi)，RMS(均方根)點(diǎn)小于0.3mm。如圖9和圖10分別所示，在光闌處的人眼11作為接收者，分別偏離光軸-2mm和2mm時(shí)，RMS點(diǎn)小于0.45mm。該2P結(jié)構(gòu)鏡頭，能夠滿足大視場(chǎng)角VR的需要，能獲得120°大視場(chǎng)角，且具有良好的光學(xué)參數(shù)性能。實(shí)施例八參見圖2，該頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)，逆著光線入射方向依次包括：光闌、如實(shí)施例一至實(shí)施例七中任一項(xiàng)所述的2P結(jié)構(gòu)鏡頭，以及顯示器，光闌位于人眼11的瞳孔處，顯示器位于物方12。需要說明的是，該實(shí)施例的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)還可以通過設(shè)置頭戴固定部件形成頭戴設(shè)備，頭戴固定部件可以優(yōu)選為固定帶或固定頭盔等，從而方便使用者的操作和使用，提升用戶使用體驗(yàn)感覺。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3