专利名称：目镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种适用于头戴显示器或类似装置 的目镜。
背景技术：
头戴显示器(或称头盔显示器、视频眼镜)无论在多媒体娱乐还是在军事、工业、 医疗等领域都具有巨大的应用价值和市场。对头戴显示器的要求为佩戴舒适、结构紧凑体 积小、高成像质量和尽可能大的视场。头戴显示器主要由三部分组成显示部件、光学系统、连接前两者的机械结构。光 学系统决定了头戴显示器的成像质量、视场大小、体积大小，即光学系统是头戴显示器的核 心部分，其性能参数决定了产品整体系统参数。对于头戴显示器应用，要求光学系统尽量大的视场以保证有足够的沉浸感；要求 光学系统较大的出瞳尺寸，以保证不同瞳孔距的人可以在转动眼球的同时不会丢失图像； 要求光学系统尽量小的焦距，以保证系统紧凑型和足够的放大倍率。而视场、出瞳尺寸、焦 距这三个参数对于光学系统而言是相互制约的。目前，传统的以共轴球面透镜组的目镜结 构已经无法满足高像质、大视场和小体积的要求，光学系统紧凑性和光学系统成像质量要 求存在一定的矛盾。另一方面，共轴目镜光学系统有加工工艺成熟、成本低廉、性能稳定等 优点。克服共轴光学系统的缺点，发挥其优势是良好可用光学系统的内在要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有头戴显示器的目镜无法满足高像质、大 视场和小体积的要求的缺陷，提供一种适用于头戴显示器或类似装置的目镜，其出瞳距离 长、视场角大且体积相对较小。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种目镜，包括三片全塑料透 镜，像方远心；所述目镜从人眼观察一侧到显示器件一侧，沿共轴方向共轴依次排列着光
阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜的焦距为fl，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，系 统总焦距为fV，光阑到第一透镜的中心距离为df，第三透镜到显示器件的显示芯片的中心 距离为db，且满足以下关系式1)0. 6 < fl/fw < 0. 85,2)0. 4 < |f2/fw| < 0. 6,3)0. 5 < f3/fw < 0. 75,4)0. 78 < df/fw <0.82，5) 0. 28 < db/fw < 0. 45 ;且所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求Ndl > 1. 48，Nd3 > 1. 48，Ndl、Nd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的折射率；
Vdl > 56，Vd3 > 56，Vdl、Vd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的阿贝数；Nd2 > 1. 55，Vd2 < 30，Nd2、Vd2分别表示第二透镜在d线的折射率和阿贝数。在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜和第三透镜均为正透镜，第二透镜 为负透镜。在本发明更进一步的优选实施例中，所述第一透镜为双凸透镜，所述第三透镜为 弯月形透镜，且第三透镜的两个曲面曲率半径均为正值。在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距进一 步满足以下关系式，以获得更好的成像效果6)0. 7 < fl/fw < 0. 8 ；7) 0. 45 < I f2/fw | <0.55;8)0. 6 < f3/fw < 0. 73 ο在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为光学塑料。 例如，所述第一透镜和第三透镜可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate， PMMA)制成，即Ndl = Nd3 = 1. 492，Vdl = Vd3 = 57. 3274。第二透镜可以采用聚碳酸酯 (Polycarbonate, PC)制成，即Nd2 = 1. 586，Vd2 = 29. 9309。本发明中的透镜不仅限于上 述两种材料，还可以选用其它符合折射率和阿贝数范围的光学塑料。在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一 个光学面为轴对称非球面，以校正系统像差，如场曲和畸变。在本发明进一步的一些实施例 中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面皆为轴对称非球面，从而更好地校正系统 像差。优选地，所述非球面的表达式为
「00241 ζ =-1 ^ = + a2r2 +a4r4 +a6r6 +......
L 」l + ^l-(l + k)c2r2；其中，ζ为光学面的矢高，c为曲率，k为非球面系数，α2,4,6，...为各阶系数。实施本发明的目镜，具有以下有益效果本发明的目镜采用三片具有不同特性的 透镜，将显示器件显示的图像通过该目镜构成的光学系统放大，并经位于光阑处的人眼成 像，该目镜出瞳直径大于一般的目镜，其像方远心，照度均勻、结构紧凑、大视场、低畸变。此 外，本发明可以采用非球面的设计，从而利用光学非球面对光学系统消像差，保证了大出瞳 距离、大视场角、低畸变。同时，本发明还采用光学塑料制成的镜片，相对于玻璃镜片而言， 其质量轻、成本低，能够实现玻璃难以实现的高阶多项式的非球面。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1示出了根据本发明第一实施例的目镜的光学系统图；图2示出了根据本发明第一实施例的目镜的光学系统传函图；图3(a)和图3(b)分别示出了根据本发明第一实施例的目镜的场曲和畸变曲线；图4示出了根据本发明第二实施例的目镜的光学系统图；图5示出了根据本发明第二实施例的目镜的光学系统传函图；图6(a)和图6(b)分别示出了根据本发明第二实施例的目镜的场曲和畸变曲线；图7示出了根据本发明第三实施例的目镜的光学系统图；图8示出了根据本发明第三实施例的目镜的光学系统传函图9(a)和图9(b)分别示出了根据本发明第三实施例的目镜的场曲和畸变曲线。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。请参阅图1，为根据本发明第一实施例的目镜的光学系统图。如图1所示，从人眼 观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜Li、第二透镜L2、第三透镜L3 和显示器件I。在本实施例中，第一透镜Ll和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜以校正 系统色差。且第一透镜Li、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正系统像差包括场 曲和畸变。在此，以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器件I表面为8。所述第一实施例目镜设计数据如下表1所示表 1 第一实施例中各个表面的非球面参数如下表面 2 (Surface 2)类型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 46.1412944e-005
Coeffonr 62.5580088e-006
Coeffonr 8-1.1230122e-007
Coeffon r108.9015252e-010
表面3 (Surface 3)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :_3· 309314e_005Coeff on r 6 :9·3557479e_007Coeff on r 8 ·~9. 0216008e_008Coeff on r 10 :8.8576475e_010表面4 (Surface 4)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :~9. 6376876e_005Coeff on r 6 :2.6558718e_006Coeff on r 8 -l. 7473741e_007Coeff on r 10 :1.545018e_009表面5 (Surface 5)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :4. 4542079e_005Coeff on r 6 :1.2197471e_005Coeff on r 8 -l. 473328e_007Coeff on r 10 :_3. 1703855e_009表面6 (Surface 6)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :_3. 8892206e_006Coeff on r 6 :8.4908171e-006Coeff on r 8 :_4. 6741251e_008Coeff on r 10 :3.9082855e_009表面7 (Surface 7)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :~9.6742694e_006Coeff on r 6 :2·5950192e_006Coeff on r 8 :_3. 1095373e_008Coeff on r 10 1111381e_008请参阅图2，示出了根据本发明第一实施例的目镜的光学系统传函图；图3(a)和 图3(b)分别示出了根据本发明第一实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示，表征出本 实施例的光学系统的成像质量高，且出瞳距离大、视场角大和畸变低。请参阅图4，为根据本发明第二实施例的目镜的光学系统图。如图4所示，从人眼 观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜Li、第二透镜L2、第三透镜L3 和显示器件I。在本实施例中，第一透镜Ll和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜以校正 系统色差。且第一透镜Li、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正系统像差包括场 曲和畸变。在此，以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器件I表面为8。所述第二实施例目镜设计数据如下表2所示
6
表 2
第二实施例中各个表面的非球面参!
表面 2 (Surface 2)类型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 40.0001745316
Coeffonr 6-5.2971102e-006
Coeffonr 8-2.1845734e-008
Coeffonr 10:-6. 5191306e-011
表面 3 (Surface 3)类型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 44.9511029e-005
Coeffonr 6-9.2132981e-006
Coeffonr 81.3727281e-007
Coeffon r10-1.3061152e-009
表面 4 (Surface 4)类型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 4-0.00012965859
Coeffonr 67.9030145e-006
Coeff on r 8 -l. 0006347e-007Coeff on r 10 :6.9167038e_010表面5 (Surface 5)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 0. 00028663084Coeff on r 6 :6. 519007e_006Coeff on r 8 :_5. 9855651e_009Coeff on r 10 :_9. 1306036e_009表面6 (Surface 6)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :0. 00090713675Coeff on r 6 :2.2296566e_006Coeff on r 8 :-l. 8815219e_007Coeff on r 10 :1.4724701e_008表面7 (Surface 7)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :0.00059319234Coeff on r 6 :4. 0858718e-006Coeff on r 8 1. 4863469e-006Coeff on r 10 :_4. 0050924e_009请参阅图5，示出了根据本发明第二实施例的目镜的光学系统传函图；图6(a)和 图6(b)分别示出了根据本发明第二实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示，表征出本 实施例的光学系统的成像质量高，且出瞳距离大、视场角大和畸变低。请参阅图7，为根据本发明第三实施例的目镜的光学系统图。如图7所示，从人眼 观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜Li、第二透镜L2、第三透镜L3 和显示器件I。在本实施例中，第一透镜Ll和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜以校正 系统色差。且第一透镜Li、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正系统像差包括场 曲和畸变。在此，以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器件I表面为8。所述第三实施例目镜设计数据如下表3所示表3
0128]第三实施例中各个表面的非球面参!0129]表面 2 (Surface 2)类型EVENASPH0130]Coeffon ι-2 00131]Coeffon ι-4 1.8244971e-0050132]Coeffon ι^ 6 3.1538296e-0070133]Coeffon ι-8 -9.6275999e-0090134]Coeffon ι-10:4.0616455e-0110135]表面 3 (Surface 3)类型EVENASPH0136]Coeffon ι-2 00137]Coeffon ι-4 -9.9131785e-0060138]Coeffon ι^ 6 1.1435686e-0070139]Coeffon ι-8 -8.2047549e-0090140]Coeffon ι-10:4.0336685e-0110141]表面 4 (Surface 4)类型EVENASPH0142]Coeffon ι-2 00143]Coeffon ι-4 -3.6208325e-0050144]Coeffon ι^ 6 4.3831507e-0070145]Coeffon ι-8 -1.3845781e-0080146]Coeffon ι-10:6.000235e-0110147]表面 5 (Surface 5)类型EVENASPH0148]Coeffon ι-2 00149]Coeffon ι-4 1.0301347e-005
Coeff on r 6 1. 8357947e-006Coeff on r 8 -l. 6625861e-008Coeff on r 10 2036801e_010孑L径(Aperture)浮动孑L径(Floating Aperture)最大曲率半径(MaximumRadius) 8. 235294表面6 (Surface 6)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :_2· 1447272e_006Coeff on r 6 1. 4611758e-006Coeff on r 8 :-3. 915728e_009Coeff on r 10 :1.207144e_010表面7 (Surface 7)类型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :6.3635648e_006Coeff on r 6 :4.0540057e-007Coeff on r 8 :-4. 0568124e-009Coeff on r 10 :4.3656109e_010请参阅图8，示出了根据本发明第三实施例的目镜的光学系统传函图；图9(a)和 图9(b)分别示出了根据本发明第三实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示，表征出本 实施例的光学系统的成像质量高，且出瞳距离大、视场角大和畸变低。从上述发明实施例的各项数据，可以得到本发明实施例满足前述关系要求，结果 如下表所示 本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发 明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对 本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例， 而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。
权利要求
一种目镜，其特征在于，包括从人眼观察侧到显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，系统总焦距为fw，光阑到第一透镜的中心距离为df，第三透镜到显示器件的显示芯片的中心距离为db，且满足以下关系式1)0.6＜f1/fw＜0.85，2)0.4＜|f2/fw|＜0.6，3)0.5＜f3/fw＜0.75，4)0.78＜df/fw＜0.82，5)0.28＜db/fw＜0.45；且所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求Nd1＞1.48，Nd3＞1.48，Nd1、Nd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的折射率；Vd1＞56，Vd3＞56，Vd1、Vd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的阿贝数；Nd2＞1.55，Vd2＜30，Nd2、Vd2分别表示第二透镜在d线的折射率和阿贝数。
2.根据权利要求1所述的目镜，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。
3.根据权利要求2所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜为双凸透镜，所述第三透镜 为弯月形透镜，且第三透镜的两个曲面曲率半径均为正值。
4.根据权利要求1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 距进一步满足以下关系式6)0.7 < fl/fw < 0. 8 ；7)0.45 < f2/fw < 0. 55 ；8)0.6 < f3/fw < 0. 73。
5.根据权利要求1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为光 学塑料。
6.根据权利要求5所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜和第三透镜采用聚甲基丙 烯酸甲酯制成。
7.根据权利要求6所述的目镜，其特征在于，所述第二透镜采用聚碳酸酯制成。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜 和第三透镜中至少有一个光学面为轴对称非球面。
9.根据权利要求9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光 学面皆为轴对称非球面。
10.根据权利要求9所述的目镜，其特征在于，所述非球面的表达式为ζ =-, Cr+ Ct2Y1 + a4r4 + a6r6 +......\ + ^\-(\ + k)c2r2.其中，ζ为光学面的矢高，c为曲率，k为非球面系数，a2’4’6，···为各阶系数。全文摘要
本发明涉及一种目镜，包括从人眼观察侧到显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜，且第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料、焦距和位置关系满足一定的关系，从而使显示器件上显示的图像经目镜放大后在光阑处的人眼成像。本发明提供的目镜具有大孔径、大视场、短焦距、低畸变等优点，适用于头戴显示器及类似装置；且本发明的目镜可以采用光学塑料制成，质量轻成本低。
文档编号G02B3/02GK101887166SQ20101022751
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者陈云亮 申请人:深圳航天科技创新研究院