一种头戴目镜系统和头戴显示设备的制作方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种头戴目镜系统和头戴显示设备。

背景技术：

以往的头戴显示HMD(head mounted display)系统都有视场角小(一般不超过45度)的缺点，大大降低了观察系统的体验效果，难以给人沉浸的观影感觉，然而一般的光学设计在增大视角的同时会加大畸变和色差这个光学系统的像差，难以校正，只能通过后期软件去处理图像的办法，这样就提高了整机系统的设计难度和成本，这也是为什么头戴影院市场一直不温不火的原因。

对于应用于头戴显示系统的大视场角目镜来说，倍率色差、场曲、象散都是影响成像质量的像差，因此亟需一种合适的光学设计彻底解决上述问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，能够在获得大视场角的同时校正像差，保证大视角的观影体验。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，所述头戴目镜系统包括：发光屏幕和左右眼的两组目镜；从系统光阑处至所述发光屏幕之间每组目镜依次设置第一正透镜和第二负透镜，所述第一正透镜和所述第二负正透镜均为塑料材质；

所述第一正透镜具有正光焦度，包括凸向光阑的第一表面和凸向发光屏幕的第二表面；

所述第二负透镜具有负光焦度，包括凹向光阑的第三表面和凹向发光屏幕的第四表面；

所述第一正透镜的第一表面和第二表面，所述第二负透镜的第三表面和第四表面均为偶次非球面。

本技术方案的头戴目镜系统通过在光路光阑处至发光屏幕之间的每组目镜中依次设置第一正透镜和第二负透镜，由于该第一正透镜具有正光焦度，使光线汇聚同时让轴外主光线弯向光轴，且其后的第二负透镜具有负的光焦度，可以校正前一片正透镜所产生的残余像差和色差，这样正负透镜的组合刚好能校正像差达到一个比较好的图像质量，在保证了大视角的同时又能校正像差；以及采用塑料材质的偶次非球面的透镜校正系统的像差，保证了头戴目镜系统能够在获得大视场角的同时，彻底校正倍率色差、场曲、象散等像差。

另一方面，本发明提供了一种头戴显示设备，包括上述技术方案的头戴目镜系统。

本技术方案的头戴显示设备能够实现72°对角视场角、63°水平视场角、并且光学系统总长小于59mm、总重量小于34g，因此能够满足轻量化、小型化、大视角的市场需求。

附图说明

图1为头戴显示设备的工作原理示意图；

图2为本发明实施例提供的头戴目镜系统的单组目镜结构示意图；

图3为本发明实施例提供的头戴目镜系统的光学传递函数曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的头戴目镜系统的场曲曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的头戴目镜系统的点列图；

图7为本发明实施例提供的头戴目镜系统的倍率色差曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为头戴显示设备的工作原理示意图，人眼透过目镜观看显示屏，显示屏发出的光线通过该目镜，并在距离人眼19米处形成一个巨大的虚像，再由人眼接收。

设计该头戴显示设备的光学系统时，采用反向追迹，使头戴显示设备的显示屏位于光学系统的像面位置，人眼观察瞳孔位于光阑处；其中显示屏采用TFT-LCD显示屏(Thin Film Transistor-Liquid Crystal，薄膜晶体管液晶显示器)，用来减少系统体积。

该光学系统包括发光屏幕和相应于左右眼的两组目镜，发光屏幕上显示的图像通过左右眼目镜进入左右眼，达到3D或2D的大视场视觉体验。其中每组目镜包括一正透镜和一负透镜：

所述第一正透镜靠近系统的光阑处，由于其具有正光焦度，可以使光线汇聚同时使轴外主光线弯向光轴；

所述第一负透镜靠近系统的发光屏幕，具有负光焦度，采用高色散光学树脂校正前一片正透镜所产生的残余像差和色差；这样通过正负透镜的组合刚好能校正所有的像差，并达到一个比较好的图像质量。

基于上述设计思想，本发明提供了一种头戴目镜系统，该头戴目镜系统包括：发光屏幕和左右眼的两组目镜。

本发明的头戴目镜系统的工作原理是：将系统的发光屏幕通过分屏技术分为两个子屏幕，分别显示相应于左右眼的2D图像或3D图像，使子屏幕上的图像通过左右眼目镜进入左右眼，实现2D或3D的大视角视觉体验。其中，本发明实施例中的发光屏幕优选1440P、5.5英寸TFT-LCD显示屏，通过分屏显示后，两个子屏幕的大小分别为60.48mm*68.04mm，优选地，在实际应用中可以在两个子屏幕之间添加遮光板，避免漏光影响用户体验。

TFT-LCD是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品，是21世纪全球经济增长的一个亮点。

如图2所示，为本发明实施例提供的头戴目镜系统的单组目镜结构示意图，从系统的光阑处至发光屏幕之间每组目镜依次设置第一正透镜L1和第二负透镜L2。

第一正透镜L1具有正光焦度，包括凸向光阑的第一表面和凸向发光屏幕的第二表面；

第二负透镜L2具有负光焦度，包括凹向光阑的第三表面和凹向发光屏幕的第四表面。

在本发明的一优选实施例中，上述头戴目镜系统的焦距f，第一正透镜L1的焦距f₁，第二负透镜L2的焦距f₂满足下述关系式：

f₁＞0、f₂＜0，f₁+f₂＜0，

头戴目镜系统的总长t_tl，第一正透镜L1的厚度t₁，第二负透镜L2的厚度t₂满足下述关系式：

$0.2\<\frac{t_1}{f}\<0.4,0.25\<\frac{t_1}{t_{tl}}\<0.35,0.35\<\frac{t_1+t_2}{t_{tl}}\<0.45;$

其中头戴目镜系统的总长t_tl为第一正透镜L1的第一表面21与发光屏幕之间的距离。

具体的，该头戴目镜系统的焦距为f＝50mm，第一正透镜L1的焦距为f₁＝28mm，第二负透镜L2的焦距为f₂＝-36mm；

该头戴目镜系统的总长为t_tl＝59mm，第一正透镜L1的厚度为t₁＝18mm，第二负透镜L2的厚度为t₂＝8mm。

在本发明的另一优选实施例中，第一正透镜L1的第一表面21和第二表面22、第二负透镜L2的第三表面23和第四表面24均为偶次非球面；第一正透镜L1和第二负正透镜L2为塑料材质。本技术方案通过采用偶次非球面塑料材质透镜，以保证单组目镜小型化、轻量化、降低成本，同时提高成像质量。

进一步优选地，第一正透镜L1的折射率范围为1.4＜n₁＜1.6，色散范围为50＜v₁＜75；

第二负透镜L2的折射率范围为1.55＜n₂＜1.8，色散范围为20＜v₂＜30。

具体的，第一正透镜L1为PMMA型号的塑料材质，其折射率n₁＝1.491786，色散v₁＝57.327362；

第二负透镜L2为H-LAK12型号的塑料材质，其折射率n₂＝1.59，色散v₂＝29.9。

在上述技术方案中，该头戴目镜系统能够达到如下技术指标：

72°对角视场角、63°水平视场角；

系统总长小于59mm，总重量小于34g；

出瞳距离为14mm；

系统校正了倍率色差、场曲、象散等像差，成像质量较好。

本实施例采用正负透镜结合校正系统的畸变和色差，通过合理设计系统与各个透镜之间的焦距、长度以及厚度的关系，以及采用塑料材质的偶次非球面的透镜校正系统的像差，保证了头戴目镜系统能够在获得大视场角的同时，彻底校正倍率色差、场曲、象散等像差。

本发明的另一实施例提供给了一种头戴显示设备，该头戴显示设备包括上述技术方案的头戴目镜系统。

由于头戴显示设备的光学系统能够实现72°对角视场角、63°水平视场角、并且光学系统总长小于59mm、总重量小于34g、出瞳距离为14mm，因此能够使该头戴显示设备满足小型化、轻量化、大视角的市场需求。

图3为本发明实施例提供的头戴目镜系统的光学传递函数曲线示意图，该光学传递函数MTF为10线对下的MTF。图中横轴代表每毫米的线对数，尺寸单位是lp/mm，纵轴代表成像像质达到实物状况的百分比，从0到1，光学传递函数MTF可以综合反映系统的成像质量，其曲线形状越平滑、且相对横轴高度越高(即越接近1)，系统的成像质量越好；图中分别绘出了0.000mm至34.70mm像高下的像质，从图3中可以看出，传递函数的曲线较为平滑紧凑，曲线所表征的MTF值很高，系统的像差得到了良好的校正。

图4为本发明实施例提供的头戴目镜系统的场曲曲线示意图，图4中的t线为子午场曲，s线为弧矢场曲，子午场曲和弧矢场曲的差为系统的象散，场曲和象散影响着系统轴外视场光线的像差，差值过大会严重的影响到系统轴外光线的成像质量。从图4中可以看出，本系统的场曲和象散均被校正到极小范围内。

图5为本发明实施例提供的头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图，畸变不会影响系统的清晰度，仅会引起系统图像变形，畸变可由后期图像处理来解决。

图6为本发明实施例提供的头戴目镜系统的点列图，点列图显示的是系统的各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散斑，表征了系统得到各种相差的特性，点列图中的RMS RADIUS(均方根半径)越小证明系统的成像质量越好。图6中三种灰度颜色分别代表三种波段的光线，三种灰度颜色的弥散斑分的越开证明系统的色差越大，从图6中可以看出色差已得到良好的校正。

图7为本发明实施例提供的头戴目镜系统的倍率色差曲线示意图，纵轴为视场角，横轴为相对绿光光斑的高度差，单位为μm。图中的R曲线和B曲线分别表示红光和蓝光相对绿光(绿光G线为图中的纵轴)在像面的投射高度差，R曲线与B曲线的差值即为系统的倍率色差，图7中相对于纵轴各个位置上倍率色差值远小于40μm(5.5英寸1440p屏幕单个像素尺寸为50μm)，说明本系统的色差得到良好的校正。

综上所述，本发明公开了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，所述头戴目镜系统通过在光路光阑处至发光屏幕之间的每组目镜中依次设置第一正透镜和第二负透镜，由于该第一正透镜具有正光焦度，使光线汇聚同时让轴外主光线弯向光轴，且其后的第二负透镜具有负的光焦度，可以校正前一片正透镜所产生的残余像差和色差，这样正负透镜的组合刚好能校正像差达到一个比较好的图像质量，在保证了大视角的同时又能校正像差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。