一種目鏡鏡頭、頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鏡頭設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種目鏡鏡頭、頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)基于顯示屏的圖像放大系統(tǒng)，顯示屏所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大，在人眼前一定距離處呈現(xiàn)一個(gè)放大的虛像，使用戶可以完全沉浸在虛擬的情景之中，不受外界信息的干擾。在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的使用者為移動(dòng)作業(yè)，這就要求光學(xué)系統(tǒng)在保證成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，并且擁有較大的視場(chǎng)。
[0003]頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)難題為，光學(xué)系統(tǒng)的光焦度增大會(huì)造成透鏡面型曲率的增大，鏡片會(huì)變得越來(lái)越鼓，從而使頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的重量增加，光學(xué)像差隨之增加。
[0004]因此，如何解決頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的光焦度與輕量化的沖突，是當(dāng)前頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展道路上亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種目鏡鏡頭、頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴設(shè)備，以解決上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—方面，本發(fā)明提供了一種目鏡鏡頭，該目鏡鏡頭采用單個(gè)正透鏡，所述正透鏡具有凸向光出射方向的第一表面和凸向光入射方向的第二表面，所述第一表面和所述第二表面均為非球面，且滿足如下的面型參數(shù)及關(guān)系:
[0008]所述第一表面的半徑絕對(duì)值為rl，二次項(xiàng)系數(shù)為kl，所述第二表面的半徑絕對(duì)值為r2，二次項(xiàng)系數(shù)為k2，所述正透鏡的厚度為d，所述正透鏡對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的總焦距為f;其中，
[0009]49<rl<150,20<r2<40,0.3<rl/r2<0.45；
[0010]-3<kl<-0.5，-3<k2<-0.5;
[0011]33<f<40；
[0012]0.45<f/rl<0.65a.2<f/r2<1.8,2.6<f/d<3o
[0013]優(yōu)選地，所述正透鏡對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的后焦距為L(zhǎng)，23<L<34。
[0014]優(yōu)選地，所述正透鏡的折射率范圍為1.45<n<1.70，色散范圍為50<v<75。
[0015]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述正透鏡采用K26r型號(hào)的COP環(huán)烯烴聚合物。
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述正透鏡的折射率為n = l.535，色散為v = 56。
[0017]另一方面，本發(fā)明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，上述方案提供的目鏡鏡頭，以及顯示屏。
[0018]優(yōu)選地，所述光闌位于人眼瞳孔處。
[0019]又一方面，本發(fā)明提供了一種頭戴設(shè)備，包括上述方案提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)。
[0020]本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下有益效果:1、采用單個(gè)正透鏡的目鏡鏡頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、減輕用戶負(fù)擔(dān)；2、通過(guò)合理配置正透鏡的面型參數(shù)和各個(gè)面型參數(shù)間的關(guān)系，獲得96°的大視場(chǎng)角，有效平衡了頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角和輕量化的要求；
3、采用非球面塑料透鏡的目鏡鏡頭，成本較低，利于大批量生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的目鏡鏡頭示意圖；
[0022]圖2為頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的工作原理示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲曲線圖；
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線圖；
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0028]實(shí)施例一:
[0029]圖1為本實(shí)施例提供的目鏡鏡頭示意圖，如圖1所示，該目鏡鏡頭120采用單個(gè)正透鏡121，正透鏡121具有凸向光出射方向的第一表面SI和凸向光入射方向的第二表面S2，第一表面SI和第二表面S2均為非球面，且滿足如下的面型參數(shù)及關(guān)系:
[0030]第一表面SI的半徑絕對(duì)值為rI，二次項(xiàng)系數(shù)為kl，第二表面S2的半徑絕對(duì)值為r2，二次項(xiàng)系數(shù)為k2，正透鏡121的厚度為d，正透鏡121對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的總焦距為f，正透鏡121對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的后焦距為L(zhǎng);其中，
[0031]49<rl<150,20<r2<40,0.3<rl/r2<0.45；
[0032]-3<kl<-0.5，-3<k2<-0.5;
[0033]33<f<40；
[0034]0.45<f/rl<0.65a.2<f/r2<1.8,2.6<f/d<3；
[0035]23<L<34。
[0036]在本實(shí)施例中，正透鏡121的折射率范圍為1.45<n<1.70，色散范圍為50<v<75，由于塑料材質(zhì)價(jià)格較低、較為輕便，且塑料材質(zhì)易于加成成非球面型，本實(shí)施優(yōu)選采用K26r型號(hào)的C0P(Cyclo Olefin Polymers)環(huán)稀經(jīng)聚合物，其折射率為n=l.535，色散為v =56 ο
[0037]其中，COP環(huán)烯烴聚合物它是一類非結(jié)晶的熱塑性塑料，具有環(huán)狀烯烴結(jié)構(gòu)的非晶性透明共聚高分子。
[0038]本實(shí)施例的目鏡鏡頭采用極為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)只由單個(gè)正透鏡構(gòu)成，正透鏡的兩個(gè)有效通光面均為非球面，兩個(gè)面都易于加工成型，同時(shí)重量和成本都很低，適用于批量生產(chǎn)；且本實(shí)施例通過(guò)合理設(shè)置兩個(gè)面的面型參數(shù)及各參數(shù)間的關(guān)系，使得該單正透鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)能夠獲得96°的大視場(chǎng)角。
[0039]實(shí)施例二:
[0040]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的示意圖，如圖2所示，光線由顯示屏發(fā)出經(jīng)過(guò)目鏡鏡頭成像后在人眼前2米遠(yuǎn)處形成一個(gè)巨大的虛像，人眼所見(jiàn)既是此虛像，光學(xué)系統(tǒng)的作用和放大鏡相似，其目的就是放大顯示屏上的信息，然后成虛像到遠(yuǎn)處，使用戶可以完全沉浸在虛擬的情景之中，不受外界信息的干擾。
[0041]圖3為本實(shí)施例提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的示意圖，如圖3所示，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110，目鏡鏡頭120，以及顯示屏130。
[0042]本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用倒追光路設(shè)計(jì)，圖3中像面位置是顯示屏130，物面位置是目鏡鏡頭120所產(chǎn)生的虛像，光闌110位于人眼瞳孔處，正透鏡121使發(fā)散的軸外主光線匯聚。
[0043]本實(shí)施例的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的目鏡鏡頭120為實(shí)施例一所述的目鏡鏡頭，在此不再贅述。
[0044]在本實(shí)施例中，顯示屏130可以采用5-6英寸的IXD顯示屏。
[0045]基于上文所述各參數(shù)，頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了96°的視場(chǎng)角。當(dāng)頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的使用者將眼睛放在光闌110所在位置，顯示屏130發(fā)出的光經(jīng)過(guò)目鏡鏡頭120后在人眼前2米處形成一個(gè)放大的虛像。
[0046]圖3和圖4示出了本實(shí)施例的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變曲線圖，其中圖3為場(chǎng)曲曲線(FIELD CURVATURE)，圖4為畸變曲線(DISTORT1N)。
[0047]場(chǎng)曲是物平面形成曲面像的一種像差，需要以子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲來(lái)表征，如圖3所示，場(chǎng)曲曲線中T線為子午場(chǎng)曲，S線為弧矢場(chǎng)曲，二者之差即為光學(xué)系統(tǒng)的象散，場(chǎng)曲和象散是影響光學(xué)系統(tǒng)軸外視場(chǎng)光線的重要像差，二者過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的軸外光線成像質(zhì)量，可以看到，光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和象散均被校正到極小的范圍內(nèi)。
[0048]畸變不影響光學(xué)系統(tǒng)的清晰度，但是會(huì)引起系統(tǒng)的圖像變形，對(duì)于廣角鏡頭來(lái)說(shuō)，校正畸變是極為困難的，可由后期圖像處理來(lái)解決。
[0049]圖4示出了本實(shí)施例的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。點(diǎn)列圖忽略衍射效應(yīng)，反映的是光學(xué)系統(tǒng)成像的幾何結(jié)構(gòu)。在大像差系統(tǒng)的點(diǎn)列圖中，點(diǎn)的分布能近似地代表點(diǎn)像的能量分布。因此，在像質(zhì)評(píng)價(jià)中，可用點(diǎn)列圖的密集程度更加直觀反映和衡量系統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣，點(diǎn)列圖的RMS半徑越小，證明系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。如圖4所示，頭戴光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖RMS半徑小于220um，可見(jiàn)各視場(chǎng)的光斑較小，表明系統(tǒng)能量分布得到較好的優(yōu)化，像差校正比較好。
[0050]實(shí)施例三:
[0051]基于與實(shí)施例二的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)相同技術(shù)構(gòu)思，本實(shí)施例提供了一種頭戴設(shè)備，該頭戴設(shè)備包括實(shí)施例二中的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)。
[0052]綜上所述，本發(fā)明提供了一種目鏡鏡頭、頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴設(shè)備，通過(guò)合理配置目鏡鏡頭的正透鏡的面型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、輕量化的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:1、采用單個(gè)正透鏡的目鏡鏡頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、減輕用戶負(fù)擔(dān);2、通過(guò)合理配置正透鏡的面型參數(shù)和各個(gè)面型參數(shù)間的關(guān)系，獲得96°的大視場(chǎng)角，有效平衡了頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角和輕量化的要求;3、采用非球面塑料透鏡的目鏡鏡頭，成本較低，利于大批量生產(chǎn)。
[0053]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種目鏡鏡頭，該目鏡鏡頭采用單個(gè)正透鏡，所述正透鏡具有凸向光出射方向的第一表面和凸向光入射方向的第二表面，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面均為非球面，且滿足如下的面型參數(shù)及關(guān)系: 所述第一表面的半徑絕對(duì)值為rl，二次項(xiàng)系數(shù)為kl，所述第二表面的半徑絕對(duì)值為r2，二次項(xiàng)系數(shù)為k2，所述正透鏡的厚度為d，所述正透鏡對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的總焦距為f;其中， 49<rl<150,20<r2<40,0.3<rl/r2<0.45； -3<kl<-0.5，-3<k2<-0.5; 33<f<40； 0.45<f/rl<0.65a.2<f/r2<1.8,2.6<f/d<3o2.如權(quán)利要求1所述的目鏡鏡頭，其特征在于，所述正透鏡對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的后焦距為L(zhǎng)，23<L<34。3.如權(quán)利要求1所述的目鏡鏡頭，其特征在于，所述正透鏡的折射率范圍為1.45<n<1.70，色散范圍為50<￥<75。4.如權(quán)利要求3所述的目鏡鏡頭，其特征在于，所述正透鏡采用K26r型號(hào)的COP環(huán)烯烴聚合物。5.如權(quán)利要求4所述的目鏡鏡頭，其特征在于，所述正透鏡的折射率為η= 1.535，色散為 ν = 5606.一種頭戴顯不光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，該頭戴顯不光學(xué)系統(tǒng)逆著光線入射方向依次包括:光闌，如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的目鏡鏡頭，以及顯示屏。7.如權(quán)利要求6所述的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光闌位于人眼瞳孔處。8.一種頭戴設(shè)備，其特征在于，包括權(quán)利要求6或7所述的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種目鏡鏡頭、頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴設(shè)備，所述目鏡鏡頭采用單個(gè)正透鏡，所述正透鏡具有凸向光出射方向的第一表面和凸向光入射方向的第二表面，第一表面和第二表面均為非球面，且滿足如下的面型參數(shù)及關(guān)系：第一表面的半徑絕對(duì)值為r1，二次項(xiàng)系數(shù)為k1，第二表面的半徑絕對(duì)值為r2，二次項(xiàng)系數(shù)為k2，正透鏡的厚度為d，正透鏡對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的總焦距為f；其中，49＜r1＜150，20＜r2＜40，0.3＜r1/r2＜0.45，-3＜k1＜-0.5，-3＜k2＜-0.5，33＜f＜40，0.45＜f/r1＜0.65，1.2＜f/r2＜1.8，2.6＜f/d＜3。本發(fā)明通過(guò)對(duì)目鏡鏡頭合理配置面型參數(shù)，有效平衡了對(duì)頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角和輕量化的要求，達(dá)到了較好的顯示效果。
【IPC分類】G02B13/00, G02B27/01
【公開(kāi)號(hào)】CN105511078
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511032019
【發(fā)明人】王元鵬
【申請(qǐng)人】北京小鳥(niǎo)看看科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年12月31日