大视场角目镜光学系统技术方案

本发明专利技术提出了一种用于头戴显示器的大视场角目镜光学系统，包括从人眼观察侧到显示器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，且所述第一透镜和第三透镜均为正透镜、第二透镜为负透镜，所述第一透镜朝人眼观察侧的面凸向人眼观察侧，曲率半径为正值，第二透镜朝光阑一侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值。同时，第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料、焦距和位置满足一定关系，使显示器件上显示的图像经过目镜放大后在人眼成像。本发明专利技术的目镜具有大孔径、大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等有点，适用于头戴显示器及类似装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学
，尤其涉及一种适用于头戴显示器或类似装置的目镜光学系统。
技术介绍
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。头戴显示装置的关键：要体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载。同时，实现的视场角要尽可能的大，使用者可以感受的图像大。除了以上考虑因素外，还需要重点考虑虚拟图像的图像质量，控制光学成像系统的各种类型的像差，增强使用者观察图像的舒适感。这些主要取决于目镜光学系统。专利文献1(中国专利公开号CN101609208A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，该目镜系统视场角不够大，没有超过55度，不能满足虚拟现实的应用；光学系统的镜片尺径大，将导致头戴近眼显示体积大；量产性考虑不足，镜片边缘用于装配的空间预留不足，导致镜片装配难度大，难于生产。专利文献2(中国专利公开号CN101887166A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，该目镜系统视场角小，不足40度，难以实现大视场角，沉浸感。专利文献3(中国专利公开号CN104570323A)的目镜虽然可以实现大视场角(>70度)光学性能，但是却无法实现低畸变、大出瞳、像方远心等关键的光学性能。这些性能对目镜观察者的使用舒适度、高临场感体验度以及降低视度调整对光学性能的影响，起着至关重要的作用，而若将这些性能和超广角、高分辨率、低色散等性能同时实现，系统的设计难度和像差的优化难度会非常大。
技术实现思路
为了解决现有技术中问题，本专利技术提出了一种目镜，具有大孔径、大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等有点，适用于头戴显示器及类似装置。本专利技术通过如下技术方案实现：一种用于超大视场角近眼显示的目镜，所述目镜包括从人眼观察侧到微型图像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，其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，目镜有效焦距为fw，且满足下列关系式：1)0.45<f1/fw<1.20，2)0.30<|f2/fw|<0.60，3)0.40<f3/fw<0.90，其中，所述第一透镜和第三透镜均为正透镜、第二透镜为负透镜；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>1.74，Nd2>1.58，Nd3>1.78，Nd1、Nd2、Nd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的折射率；Vd1>35，Vd3>35，Vd2<31，Vd1、Vd2、Vd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的阿贝数。作为本专利技术的进一步改进，所述第二透镜朝人眼观察侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值。作为本专利技术的进一步改进，所述第二透镜朝人眼观察侧的面的曲率半径为R21，朝微型图像显示器件一侧的面的曲率半径为R22，且满足下列关系式：4)-2.0≦(R21+R22)/(R21-R22)≦-0.25。作为本专利技术的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距及第二透镜的曲率半径进一步满足以下关系式：5)0.60<f1/fw<0.80，6)0.30<|f2/fw|<0.45，7)0.50<f3/fw<0.60，8)-0.8≦(R21+R22)/(R21-R22)≦-0.35。作为本专利技术的进一步改进，在所述第三透镜与微型图像显示器件之间依次排列第四透镜和第五透镜，其中第四透镜和第五透镜的组合焦距为f45，满足下列关系式：9)0.60<f1/fw<1.2，10)0.35<|f2/fw|<0.6，11)0.55<f3/fw<0.9，12)f45/fw>2.0。作为本专利技术的进一步改进，所述第四透镜和第五透镜组成正-负形式的双胶合镜。作为本专利技术的进一步改进，所述第一透镜、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：13)0.80<f1/fw<1.1，14)0.40<|f2/fw|<0.5，15)0.60<f3/fw<0.75，16)f45/fw>5.5。作为本专利技术的进一步改进，所述第一透镜与第三透镜为玻璃材料。作为本专利技术的进一步改进，所述第二透镜可以为玻璃材料或者塑料材料。作为本专利技术的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一个面为轴对称非球面。作为本专利技术的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面都是轴对称非球面。本专利技术还提供了一种头戴显示装置，包括一个微型图像显示器和一个本专利技术的目镜，所述目镜位于人眼与该微型图像显示器之间。作为本专利技术的进一步改进，所述微型显示器是有机电致发光发光器件，或者所述微型显示器是透射式液晶显示器，或者所述微型显示器是反射式液晶显示器。本专利技术的有益效果是：本专利技术的目镜至少包括从人眼观察侧到显示器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，且所述第一透镜和第三透镜均为正透镜、第二透镜为负透镜，所述第一透镜朝人眼观察侧的面凸向人眼观察侧，曲率半径为正值，第二透镜朝光阑一侧的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值。同时，第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料、焦距和位置满足一定关系，使显示器件上显示的图像经过目镜放大后在人眼成像。本专利技术的目镜有结构紧凑、小尺寸、超大视场的优点，出瞳直径大于一般目镜。该目镜的光学系统可以采用了球面透镜与非球面透镜搭配使用、光学塑料和光学玻璃组合使用，进而在降低制造成本和产品重量的基准上，实现系统像差的大幅消除，实现超短焦、超大视场、小F/#、低畸变、低色差、高分辨率等一系列优质的光学指标，利于人眼观看，...

【技术保护点】
一种用于超大视场角近眼显示的目镜，所述目镜包括从人眼观察侧到微型图像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，其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，目镜有效焦距为fw，且满足下列关系式：1)0.45<f1/fw<1.20，2)0.30<|f2/fw|<0.60，3)0.40<f3/fw<0.90，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；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>1.74，Nd2>1.58，Nd3>1.78，Nd1、Nd2、Nd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的折射率；Vd1>35，Vd3>35，Vd2<31，Vd1、Vd2、Vd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的阿贝数。

【技术特征摘要】
2015.07.10 CN 2015104077219;2015.08.12 CN 201510491.一种用于超大视场角近眼显示的目镜，所述目镜包括从人眼观察侧到微
型图像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，其中第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的
焦距为f3，目镜有效焦距为fw，且满足下列关系式：
1)0.45<f1/fw<1.20，
2)0.30<|f2/fw|<0.60，
3)0.40<f3/fw<0.90，
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；
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>1.74，
Nd2>1.58，Nd3>1.78，Nd1、Nd2、Nd3分别表示第一透镜、第二透镜、
第三透镜在d线的折射率；Vd1>35，Vd3>35，Vd2<31，Vd1、Vd2、
Vd3分别表示第一透镜、第二透镜、第三透镜在d线的阿贝数。
2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于：所述第二透镜朝人眼观察侧
的面凹向人眼观察侧，曲率半径为负值。
3.根据权利要求2所述的目镜，其特征在于：所述第二透镜朝人眼观察侧
的面的曲率半径为R21，朝微型图像显示器件一侧的面的曲率半径为R22，
且满足下列关系式：
4)-2.0≦(R21+R22)/(R21-R22)≦-0.25。
4.根据权利要求3所述的目镜，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和
第三透镜的焦距及第二透镜的曲率半径进一步满足以下关系式：
5)0.60<f1/fw<0.80，
6)0.30<|f2/fw|<0.45，
7)0.50<f3/fw<0.60，
8)-0.8≦(R21+R22)/(R21-R22)≦...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹鸿鹏，彭华军，
申请(专利权)人：深圳纳德光学有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44