大视场角目镜光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学技术领域，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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中问题，本发明提出了一种目镜，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。
[0006] 本发明通过如下技术方案实现：
[0007] -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，第二透镜的焦距为f 2，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：
[0008] 1)0. 45〈fVfw〈L 20，
[0009] 2)0. 30< I f2/fw I <0. 60,
[0010] 3)0. 40〈f3/fw〈0. 90，
[0011] 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：Ndl>l. 74, Nd2>l. 58, Nd3>l. 78, Ndl、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；Vdl>35, Vd3>35, Vd2〈31，Vdl、 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。
[0012] 作为本发明的进一步改进，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。
[0013] 作为本发明的进一步改进，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R 22，且满足下列关系式：
[0014] 4) _2. 0 兰（R21+R22) / (R21-R22)兰 _0. 25。
[0015] 作为本发明的进一步改进，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：
[0016] 5)0. 60〈fVfw〈0. 80，
[0017] 6)0. 30< I f2/fw I <0. 45,
[0018] 7)0. 50〈f3/fw〈0. 60，
[0019] 8) _0. 8 兰（R21+R22) / (R21-R22)兰 _0. 35。
[0020] 作为本发明的进一步改进，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f 45，满足下列关系式：
[0021] 9)0.60〈fVfw〈1.2，
[0022] 10)0. 35<|f2/fJ<0. 6,
[0023] 11)0. 55<f3/fw<0.9,
[0024] 12)f45/fw>2.0。
[0025] 作为本发明的进一步改进，所述第四透镜和第五透镜组成正-负形式的双胶合 镜。
[0026] 作为本发明的进一步改进，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：
[0027] 13)0.80〈fVfw〈L 1，
[0028] 14)0. 40<|f2/fJ<0. 5,
[0029] 15)0. 60〈f3/fw〈0. 75，
[0030] 16)f45/fw>5. 5 〇
[0031] 作为本发明的进一步改进，所述第一透镜与第三透镜为玻璃材料。
[0032] 作为本发明的进一步改进，所述第二透镜可以为玻璃材料或者塑料材料。
[0033] 作为本发明的进一步改进，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。
[0034] 作为本发明的进一步改进，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。
[0035] 本发明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发明的目 镜，所述目镜位于人眼与该微型图像显示器之间。
[0036] 作为本发明的进一步改进，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。
[0037] 本发明的有益效果是：本发明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。本发明的目镜有结构紧凑、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，达到 尚临场感的视觉体验。
【附图说明】
[0038] 图1是根据本发明第一实施例的目镜的光学系统图；
[0039] 图2是根据本发明第一实施例的目镜的光学系统传递函数图；
[0040] 图3(a)是根据本发明第一实施例的目镜的场曲图，图3(b)是根据本发明第一实 施例的目镜的畸变曲线图；
[0041] 图4是根据本发明第二实施例的目镜的光学系统图；
[0042] 图5是根据本发明第二实施例的目镜的