一种大视场角高像质的目镜光学系统及设备技术方案

本发明专利技术涉及一种大视场角高像质的目镜光学系统及设备，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组以及第二透镜组；第一透镜组由一片或者多片透镜构成，第二透镜组包括菲涅尔透镜；菲涅尔透镜包括菲涅尔面；通过采用了新型光学面型菲涅尔面型与传统光学球面及非球面面型的组合，并且各透镜及透镜组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，降低各光学部件的感度，易于部件的加工及组装，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，观察者可以通过本发明专利技术目镜光学系统，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。

Eyepiece optical system and equipment with large field angle and high image quality

【技术实现步骤摘要】
一种大视场角高像质的目镜光学系统及设备
本专利技术涉及头戴显示设备光学系统，更具体地说，涉及一种大视场角高像质的目镜光学系统及设备。
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，需要目镜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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于现有的光学结构像质不高、存在畸变以及视场角不够大，针对现有技术的上述缺陷，提供一种目镜光学结构、系统及设备。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：采用新型的菲涅尔面型与传统的球面及非球面面型进行创造性的合理的搭配，构造一种高像质、大视场、易加工的目镜光学系统。构造一种大视场角高像质的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组以及第二透镜组；所述第一透镜组由一片或者多片透镜构成，所述第二透镜组包括菲涅尔透镜；所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面；所述菲涅尔面从中心到边缘范围可分为N段，其中，第n段内的频率为fn，N与n满足下列关系式(1)、(2)：N≥1(1)；1≤n≤N(2)；所述菲涅尔透镜的焦距为F4，光学系统的总焦距为F，F4与F满足下列关系式(3)：0.3≤|F4/F|(3)。作为本专利技术的进一步方案：所述菲涅尔透镜的通光口径为D4，且D4与F4满足下列关系式(4)：|D4/F4|≤2.5(4)。作为本专利技术的进一步方案：所述菲涅尔透镜靠近微型显示器件一侧的光学面到微型显示器件的距离为fd，且fd与F满足下列关系式(5)：0.05≤fd/F≤1.0(5)。作为本专利技术的进一步方案：所述F4与F进一步满足下列关系式(6)：0.3455≤|F4/F|(6)。作为本专利技术的进一步方案：所述D4与F4进一步满足下列关系式(7)：|D4/F4|≤2.05(7)。作为本专利技术的进一步方案：所述fd与F进一步满足下列关系式(8)：0.095≤fd/F≤0.89(8)。作为本专利技术的进一步方案：所述第一透镜组和所述第二透镜组的各透镜均由玻璃材料或塑胶材料构成。作为本专利技术的进一步方案：所述菲涅尔透镜还包括普通光学面；所述普通光学面为平面、球面或非球面面型。作为本专利技术的进一步方案：所述第一透镜组中的各透镜的面型为球面面型、偶次非球面面型或菲涅尔面型，且所述第一透镜组和所述第二透镜组中至少存在一个轴对称非球面透镜。本专利技术还提供一种大视场角高像质的目镜光学设备，包括两个分别与人左右眼位置对应的微型显示器件，还包括如前述中任一项所述的光学系统，所述光学系统设置在人眼与所述微型显示器件中间的位置，将微型显示器件所显示的画面以高像质，低畸变，大视场角的特点投射到人眼中。本专利技术的有益效果在于：本专利技术由于采用了新型的菲涅尔面型与传统光学球面及非球面面型的组合，并且各透镜及透镜组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，降低各光学部件的感度，易于部件的加工及组装，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，观察者可以通过本专利技术所述目镜光学系统，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专利技术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专利技术作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的部分实施例，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为本专利技术的菲涅尔面的面型示意图；图2为本专利技术的图1中A-A处的剖视放大图；图3为本专利技术实施例一的目镜光学系统的结构示意图；图4为本专利技术实施例一的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；图5为本专利技术实施例一的目镜光学系统的畸变示意图；图6为本专利技术实施例一的目镜光学系统的光学传递函数MTF示意图；图7为本专利技术实施例二的目镜光学系统的结构示意图；图8为本专利技术实施例二的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；图9为本专利技术实施例二的目镜光学系统的畸变示意图；图10为本专利技术实施例二的目镜光学系统的光学传递函数MTF示意图；图11为本专利技术实施例三的目镜光学系统的结构示意图；图12为本专利技术实施例三的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；图13为本专利技术实施例三的目镜光学系统的畸变示意图；图14为本专利技术实施例三的目镜光学系统的光学传递函数MTF示意图；图15为本专利技术实施例四的目镜光学系统的结构示意图；图16为本专利技术实施例四的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；图17为本专利技术实施例四的目镜光学系统的畸变示意图；图18为本专利技术实施例四的目镜光学系统的光学传递函数MTF示意图；图19为本专利技术实施例五的目镜光学系统的结构示意图；图20为本专利技术实施例五的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；图21为本专利技术实施例五的目镜光学系统的畸变示意图；图22为本专利技术实施例五的目镜光学系统的光学传递函数MTF示意图。具体实施方式为了使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术的实施例，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，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术的一种大视场角高像质的目镜光学系统如图1与图2所示，提供一种大视场角高像质的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组A1以及第二透镜组A2；第一透镜组A1由一片或者多片透镜构成，第二透镜组A2包括菲涅尔透镜；菲涅尔透镜包括菲涅尔面；菲涅尔面从中心到边缘范围可分为N段，其中，第n段内的频率为fn，N与n满足下列关系式(1)、(2)：N≥1(1)；1≤n≤N(2)；上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大视场角高像质的目镜光学系统，其特征在于，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组以及第二透镜组；所述第一透镜组由一片或者多片透镜构成，所述第二透镜组包括菲涅尔透镜；所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面；/n所述菲涅尔面从中心到边缘范围可分为N段，其中，第n段内的频率为fn，N与n满足下列关系式(1)、(2)：/nN≥1 (1)；/n1≤n≤N (2)；/n所述菲涅尔透镜的焦距为F4，光学系统的总焦距为F，F4与F满足下列关系式(3)：/n0.3≤|F4/F| (3)。/n

【技术特征摘要】
1.一种大视场角高像质的目镜光学系统，其特征在于，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组以及第二透镜组；所述第一透镜组由一片或者多片透镜构成，所述第二透镜组包括菲涅尔透镜；所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面；
所述菲涅尔面从中心到边缘范围可分为N段，其中，第n段内的频率为fn，N与n满足下列关系式(1)、(2)：
N≥1(1)；
1≤n≤N(2)；
所述菲涅尔透镜的焦距为F4，光学系统的总焦距为F，F4与F满足下列关系式(3)：
0.3≤|F4/F|(3)。


2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜的通光口径为D4，且D4与F4满足下列关系式(4)：
|D4/F4|≤2.5(4)。


3.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜靠近微型显示器件一侧的光学面到微型显示器件的距离为fd，且fd与F满足下列关系式(5)：
0.05≤fd/F≤1.0(5)。


4.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述F4与F进一步满足下列关系式(6)：
0.3455≤|F4/F|(6)。

<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹鸿鹏，郭健飞，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