透镜、包括该透镜的头戴显示光学系统和头戴式显示器的制作方法

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种透镜、包括该透镜的头戴显示光学系统和头戴式显示器。

背景技术：

头戴显示光学系统是一个基于显示屏的图像放大系统，显示屏所产生的影像藉由光学系统放大，在人眼前一定距离处呈现一个放大的虚像，使用户可以完全沉浸在虚拟的情景之中，不受外界信息的干扰。在许多应用领域中，头戴显示光学业系统的使用者为移动作业，这就要求光学系统在保证成像质量的基础上结构紧凑、重量轻，并且拥有较大的视场。

现有的头戴显示光学系统视场角小，视野狭窄且不可佩戴眼镜，降低了使用者虚拟现实的体验效果，而且使近视人群无法很好的使用。现有技术为增大视场角，需要观察者的眼睛十分靠近目视镜片，这样大大降低用户人群适应范围，影响用户体验，并且妨碍头戴式显示器的推广普及。透镜作为头戴显示光学系统的光学元件主要存在以下缺点：(1)透镜视场角偏小和透镜的直径尺寸偏小；(2)透镜的直径尺寸大却使得整个透镜厚度偏厚；(3)设计出的透镜不易批量加，失去生产上的可行性。

因此，有必要针对以上头戴显示光学系统的透镜和头戴显示光学系统进行改进。

技术实现要素：

本发明提供一种透镜、包括该透镜的头戴显示光学系统和头戴式显示器，用于解决视场角不足、不可佩戴近视眼镜和批量加工不方便的缺点，具有大口径和大视场角的优点，且可佩戴近视眼镜使用。

本发明提供一种透镜，所述透镜适用于头戴显示光学系统的镜头，所述透镜具有凸向光出射方向的第一表面及凸向光入射方向的第二表面，其特征在于，所述第一表面为球面，所述第二表面为非球面，且所述第二表面的形状符合公式(1)：

$Z=\frac{\left(\frac{1}{R_0}\right)r^2}{1+\sqrt{1-(K+1){\left(\frac{1}{R_0}\right)}^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{\mathrm{\γ}}^4+{\mathrm{\α}}_6{\mathrm{\γ}}^6---\left(1\right)$

其中，Z表示第二表面在矢高的坐标，r表示第二表面的顶点为中心垂直矢高的坐标，R₀表示第二表面的顶点曲率半径，K表示圆锥系数，α₄表示四次非球面系数，α₆表示六次非球面系数。

在本发明提供的透镜一较佳实施例中，所述第一表面的曲率半径R满足条件式(2)：

0＜R＜200 (2)。

在本发明提供的透镜一较佳实施例中，所述第二表面的参数K、R₀、α₄和α₆满足条件式(3)：

K＜0，R₀＜0，α₄＜0，α₆＞0 (3)。

在本发明提供的透镜一较佳实施例中，所述透镜的直径L＝45mm，所述透镜的厚度d＝15mm，所述透镜的最大视场角为90°。

在本发明提供的透镜一较佳实施例中，所述透镜由塑料材质或玻璃材质制成。

本发明同时提供一种头戴显示光学系统，其包括如上所述的透镜及显示屏，所述显示屏靠近所述第二表面设置。

在本发明提供的头戴显示光学系统一较佳实施例中，所述显示屏为液晶显示屏、发光二极管显示屏或有机发光二级管显示屏。

在本发明提供的头戴显示光学系统一较佳实施例中，所述头戴显示光学系统裸眼情况下的目视距离M的范围为：15mm≤M≤20mm，所述目视距离M为人的眼睛至所述第一表面的最小距离。

在本发明提供的头戴显示光学系统一较佳实施例中，所述头戴显示光学系统的后截距距离bf的范围为：38mm≤bf≤45mm，所述后截距距离bf为所述显示屏至所述第二表面的最小距离。

本发明同时提供一种头戴式显示器，其包括如上所述的头戴显示光学系统。

相较于现有技术，本发明提供的透镜、包括该透镜的头戴显示光学系统和头戴式显示器，具有以下有益效果：

一、采用单个正透镜作目镜镜头，结构简单、体积小、重量轻，可减轻用户负担；

二、所述透镜的第一表面设计为球面型，第二表面设计为非球面型且满足特定的面型设计公式，再通过结合特定的目视距离和特定的后截距离，获得90°的大视场角，有效平衡了头戴显示光学系统的视场角和轻量化的要求，而且相对同样视场角的光学设计来说畸变小，可以控制在16％左右；

三、所述透镜的直径扩大到45mm、视场角为90°、中心厚度为15mm，具有大口径、大视场角和易加工的优点；

四、在保证视场角为90°的情况下，目视距离M的范围为：15mm≤M≤20mm，使用者可以佩戴近视眼睛观看，为使用者带来更好的体验；

五、所述透镜可采用塑料材料制作，重量轻、成本较低，利于大批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图，其中：

图1是本发明提供的头戴显示光学系统一较佳实施例的立体结构示意图；

图2是图1所示头戴显示光学系统的透镜的结构示意图；

图3是图1所示头戴显示光学系统的传递函数曲线示意图；

图4是图1所示头戴显示光学系统的场曲曲线图；

图5是图1所示头戴显示光学系统的畸变像差曲线图；

图6是图1所示头戴显示光学系统的点列图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请结合参阅图1和图2，其中，图1是本发明提供的头戴显示光学系统一较佳实施例的立体结构示意图，图2是图1所示头戴显示光学系统的透镜的结构示意图。

本发明提供一种头戴显示光学系统100，所述头戴显示光学系统100包括透镜110及与所述透镜110间隔设置的显示屏130。

所述透镜110为所述头戴显示光学系统100设计的光学元件。所述透镜110包括远离所述显示屏130的第一表面S1及靠近所述显示屏130的第二表面S2。

所述第一表面S1凸向光出射方向。所述第一表面S1为球面，其曲率半径R满足条件式(1)：

0＜R＜200 (1)。

所述第二表面S2凸向光入射方向。所述第二表面S2为非球面，包括顶点150，且所述第二表面的形状符合公式(2)：

$Z=\frac{\left(\frac{1}{R_0}\right)r^2}{1+\sqrt{1-(K+1){\left(\frac{1}{R_0}\right)}^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{\mathrm{\γ}}^4+{\mathrm{\α}}_6{\mathrm{\γ}}^6---\left(2\right)$

其中，Z表示第二表面在矢高的坐标，r表示第二表面的顶点为中心垂直矢高的坐标，R₀表示第二表面的顶点曲率半径，K表示圆锥系数，α₄表示四次非球面系数，α₆表示六次非球面系数。

所述第二表面S2的参数K、R₀、α₄和α₆满足条件式(3)：

K＜0，R₀＜0，α₄＜0，α₆＞0 (3)。

具体地，所述顶点150为所述第二表面S2上最靠近所述显示屏130的点，Z可以理解为第二表面S2上的点至边缘水平线170(实际上为将所述透镜剖切形成的面)的垂直距离，r表示第二表面S2上的点至光轴180所在面的距离。

所述透镜110由塑料材质或玻璃材质制成，优选聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)。

所述透镜的直径L＝45mm，所述透镜的厚度d＝15mm，所述透镜的最大视场角为90°，具有大口径、大视场角和易加工的优点。

所述显示屏130为液晶显示屏、发光二极管显示屏或有机发光二级管显示屏。

所述头戴显示光学系统100裸眼情况下的目视距离M的范围为：15mm≤M≤20mm，所述目视距离M为人的眼睛至所述第一表面S1的最小距离。在保证视场角为90°的情况下，目视距离M的范围为：15mm≤M≤20mm，使用者可以佩戴近视眼睛观看，为使用者带来更好的体验。

所述头戴显示光学系统100的后截距距离bf的范围为：38mm≤bf≤45mm，所述后截距距离bf为所述显示屏130至所述第二表面S2的最小距离。

基于上文所述各项参数，所述头戴显示光学系统100实现了90°的大视场角，有效平衡了头戴显示光学系统100的视场角和轻量化的要求，而且相对同样视场角的光学设计来说畸变小，可以控制在16％左右。当头戴显示光学系统的使用者将眼睛置于图中瞳孔所在位置190时，所述显示屏发出的光经过所述透镜110后在人眼前2.5米处形成一个放大的虚像，2.5米是个比较舒适的视觉距离。

请参阅图3、图4、图5和图6，其中，图3是图1所示头戴显示光学系统的传递函数曲线示意图，图4是图1所示头戴显示光学系统的场曲曲线图，图5是图1所示头戴显示光学系统的畸变像差曲线图，图6是图1所示头戴显示光学系统的点列图。图3、图4、图5和图6中详细说明了所述头戴显示光学系统的成像质量。具体地，

图3说明所述头戴显示光学系统的光学传递函数。光学传递函数MTF是10线对下的MTF。图中横轴代表每毫米的线对数，单位lp/mm，纵轴代表成像的像质达到实际的百分比，范围0～1，光学传递函数是对系统成像质量的综合反应，曲线越平滑、且数值越接近1，表明系统的成像质量越好；图中分别绘出0°、9°、18°、27°、36°、45°视场的曲线，传递函数曲线比较平滑，像差得到较好校正。

图4是场曲曲线图，场曲是物平面形成曲面像的一种像差，需要以子午场曲和弧失场曲来表征，如图4所示，场曲曲线中T线为子午场曲，S为弧矢场曲，二者之场即为光学系统的象散，场曲和像散影响系统轴外视场光线的像差，差值过大会严重影响系统外轴外光线的成像质量。从图4可以看，所述头戴显示光学系统的场曲和像散被控制在合适范围之内。

图5说明所述头戴显示光学系统的畸变像差。畸变不会影响系统的清晰度，只会引起系统图像变形，畸变可由软件图像进行反畸变处理。

请参圈图6，是图1所示头戴显示光学系统的点列图。点列图显示的是所述头戴显示光学系统各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散斑，是所述头戴显示光学系统有关的各种像差的综合表现，点列图中的RMS RADIUS(均方根半径)越小证明系统成像质量越好。可以看出，弥散斑半径大小在合理的成像质量范围内。

本发明同时提供一种头戴式显示器，所述头戴显示器包括如上所述的头戴显示光学系统。

本发明提供的透镜、包括该透镜的头戴显示光学系统和头戴式显示器，具有以下有益效果：

一、采用单个正透镜作目镜镜头，结构简单、体积小、重量轻，可减轻用户负担；

二、所述透镜110的第一表面S1设计为球面型，第二表面S2设计为非球面型且满足特定的面型设计公式，再通过结合特定的目视距离和特定的后截距离，获得90°的大视场角，有效平衡了头戴显示光学系统100的视场角和轻量化的要求，而且相对同样视场角的光学设计来说畸变小，可以控制在16％左右；

三、所述透镜110的直径扩大到45mm、视场角为90°、中心厚度为15mm，具有大口径、大视场角和易加工的优点；

四、在保证视场角为90°的情况下，目视距离M的范围为：15mm≤M≤20mm，使用者可以佩戴近视眼睛观看，为使用者带来更好的体验；

五、所述透镜110可采用塑料材料制作，重量轻、成本较低，利于大批量生产。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。