一种目镜镜头、头戴显示光学系统和头戴设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及镜头设计领域，特别涉及一种目镜镜头、头戴显示光学系统和头戴设备。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]头戴显示光学系统的一个设计难题为，光学系统的光焦度增大会造成透镜面型曲率的增大，镜片会变得越来越鼓，从而使头戴显示光学系统的重量增加，光学像差随之增加。
[0004]因此，如何解决头戴显示光学系统的光焦度与轻量化的冲突，是当前头戴显示光学系统发展道路上亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]鉴于上述问题，本发明提供了一种目镜镜头、头戴显示光学系统和头戴设备，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。
[0006]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]—方面，本发明提供了一种目镜镜头，该目镜镜头采用单个正透镜，所述正透镜具有凸向光出射方向的第一表面和凸向光入射方向的第二表面，所述第一表面和所述第二表面均为非球面，且满足如下的面型参数及关系:
[0008]所述第一表面的半径绝对值为rl，二次项系数为kl，所述第二表面的半径绝对值为r2，二次项系数为k2，所述正透镜的厚度为d，所述正透镜对应的光学系统的总焦距为f;其中，
[0009]49<rl<150,20<r2<40,0.3<rl/r2<0.45；
[0010]-3<kl<-0.5，-3<k2<-0.5;
[0011]33<f<40；
[0012]0.45<f/rl<0.65a.2<f/r2<1.8,2.6<f/d<3o
[0013]优选地，所述正透镜对应的光学系统的后焦距为L，23<L<34。
[0014]优选地，所述正透镜的折射率范围为1.45<n<1.70，色散范围为50<v<75。
[0015]进一步优选地，所述正透镜采用K26r型号的COP环烯烃聚合物。
[0016]进一步优选地，所述正透镜的折射率为n = l.535，色散为v = 56。
[0017]另一方面，本发明提供了一种头戴显示光学系统，该头戴显示光学系统逆着光线入射方向依次包括:光阑，上述方案提供的目镜镜头，以及显示屏。
[0018]优选地，所述光阑位于人眼瞳孔处。
[0019]又一方面，本发明提供了一种头戴设备，包括上述方案提供的头戴显示光学系统。
[0020]本发明提供的技术方案具有以下有益效果:1、采用单个正透镜的目镜镜头，结构简单、体积小、重量轻、减轻用户负担；2、通过合理配置正透镜的面型参数和各个面型参数间的关系，获得96°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；
3、采用非球面塑料透镜的目镜镜头，成本较低，利于大批量生产。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例提供的目镜镜头示意图；
[0022]图2为头戴显示光学系统的工作原理示意图；
[0023]图3为本发明实施例提供的头戴显示光学系统的示意图；
[0024]图4为本发明实施例提供的头戴显示光学系统的场曲曲线图；
[0025]图5为本发明实施例提供的头戴显示光学系统的畸变曲线图；
[0026]图6为本发明实施例提供的头戴显示光学系统的点列图。
【具体实施方式】
[0027]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。
[0028]实施例一:
[0029]图1为本实施例提供的目镜镜头示意图，如图1所示，该目镜镜头120采用单个正透镜121，正透镜121具有凸向光出射方向的第一表面SI和凸向光入射方向的第二表面S2，第一表面SI和第二表面S2均为非球面，且满足如下的面型参数及关系:
[0030]第一表面SI的半径绝对值为rI，二次项系数为kl，第二表面S2的半径绝对值为r2，二次项系数为k2，正透镜121的厚度为d，正透镜121对应的光学系统的总焦距为f，正透镜121对应的光学系统的后焦距为L;其中，
[0031]49<rl<150,20<r2<40,0.3<rl/r2<0.45；
[0032]-3<kl<-0.5，-3<k2<-0.5;
[0033]33<f<40；
[0034]0.45<f/rl<0.65a.2<f/r2<1.8,2.6<f/d<3；
[0035]23<L<34。
[0036]在本实施例中，正透镜121的折射率范围为1.45<n<1.70，色散范围为50<v<75，由于塑料材质价格较低、较为轻便，且塑料材质易于加成成非球面型，本实施优选采用K26r型号的C0P(Cyclo Olefin Polymers)环稀经聚合物，其折射率为n=l.535，色散为v =56 ο
[0037]其中，COP环烯烃聚合物它是一类非结晶的热塑性塑料，具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚高分子。
[0038]本实施例的目镜镜头采用极为简单的结构只由单个正透镜构成，正透镜的两个有效通光面均为非球面，两个面都易于加工成型，同时重量和成本都很低，适用于批量生产；且本实施例通过合理设置两个面的面型参数及各参数间的关系，使得该单正透镜构成的光学系统能够获得96°的大视场角。
[0039]实施例二:
[0040]图2为本发明实施例提供的头戴显示光学系统的示意图，如图2所示，光线由显示屏发出经过目镜镜头成像后在人眼前2米远处形成一个巨大的虚像，人眼所见既是此虚像，光学系统的作用和放大镜相似，其目的就是放大显示屏上的信息，然后成虚像到远处，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。
[0041]图3为本实施例提供的头戴显示光学系统的示意图，如图3所示，该头戴显示光学系统逆着光线入射方向依次包括:光阑110，目镜镜头120，以及显示屏130。
[0042]本系统在设计时采用倒追光路设计，图3中像面位置是显示屏130，物面位置是目镜镜头120所产生的虚像，光阑110位于人眼瞳孔处，正透镜121使发散的轴外主光线汇聚。
[0043]本实施例的头戴显示光学系统的目镜镜头120为实施例一所述的目镜镜头，在此不再赘述。
[0044]在本实施例中，显示屏130可以采用5-6英寸的IXD显示屏。
[0045]基于上文所述各参数，头戴显示光学系统实现了96°的视场角。当头戴显示光学系统的使用者将眼睛放在光阑110所在位置，显示屏130发出的光经过目镜镜头120后在人眼前2米处形成一个放大的虚像。
[0046]图3和图4示出了本实施例的头戴显示光学系统的场曲和畸变曲线图，其中图3为场曲曲线(FIELD CURVATURE)，图4为畸变曲线(DISTORT1N)。
[0047]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矢场曲来表征，如图3所示，场曲曲线中T线为子午场曲，S线为弧矢场曲，二者之差即为光学系统的象散，场曲和象散是影响光学系统轴外视场光线的重要像差，二者过大会严重影响光学系统的轴外光线成像质量，可以看到，光学系统的场曲和象散均被校正到极小的范围内。
[0048]畸变不影响光学系统的清晰度，但是会引起系统的图像变形，对于广角镜头来说，校正畸变是极为困难的，可由后期图像处理来解决。
[0049]图4示出了本实施例的头戴显示光学系统的点列图。点列图忽略衍射效应，反映的是光学系统成像的几何结构。在大像差系统的点列图中，点的分布能近似地代表点像的能量分布。因此，在像质评价中，可用点列图的密集程度更加直观反映和衡量系统成像质量的优劣，点列图的RMS半径越小，证明系统的成像质量越好。如图4所示，头戴光学系统的点列图RMS半径小于220um，可见各视场的光斑较小，表明系统能量分布得到较好的优化，像差校正比较好。
[0050]实施例三:
[0051]基于与实施例二的头戴显示光学系统相同技术构思，本实施例提供了一种头戴设备，该头戴设备包括实施例二中的头戴显示光学系统。
[0052]综上所述，本发明提供了一种目镜镜头、头戴显示光学系统和头戴设备，通过合理配置目镜镜头的正透镜的面型参数，实现了大视场、轻量化的头戴显示光学系统，与现有技术相比，具有以下有益效果:1、采用单个正透镜的目镜镜头，结构简单、体积小、重量轻、减轻用户负担;2、通过合理配置正透镜的面型参数和各个面型参数间的关系，获得96°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;3、采用非球面塑料透镜的目镜镜头，成本较低，利于大批量生产。
[0053]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。
【主权项】
1.一种目镜镜头，该目镜镜头采用单个正透镜，所述正透镜具有凸向光出射方向的第一表面和凸向光入射方向的第二表面，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面均为非球面，且满足如下的面型参数及关系: 所述第一表面的半径绝对值为rl，二次项系数为kl，所述第二表面的半径绝对值为r2，二次项系数为k2，所述正透镜的厚度为d，所述正透镜对应的光学系统的总焦距为f;其中， 49<rl<150,20<r2<40,0.3<rl/r2<0.45； -3<kl<-0.5，-3<k2<-0.5; 33<f<40； 0.45<f/rl<0.65a.2<f/r2<1.8,2.6<f/d<3o2.如权利要求1所述的目镜镜头，其特征在于，所述正透镜对应的光学系统的后焦距为L，23<L<34。3.如权利要求1所述的目镜镜头，其特征在于，所述正透镜的折射率范围为1.45<n<1.70，色散范围为50<￥<75。4.如权利要求3所述的目镜镜头，其特征在于，所述正透镜采用K26r型号的COP环烯烃聚合物。5.如权利要求4所述的目镜镜头，其特征在于，所述正透镜的折射率为η= 1.535，色散为 ν = 5606.一种头戴显不光学系统，其特征在于，该头戴显不光学系统逆着光线入射方向依次包括:光阑，如权利要求1至5中任一项所述的目镜镜头，以及显示屏。7.如权利要求6所述的头戴显示光学系统，其特征在于，所述光阑位于人眼瞳孔处。8.一种头戴设备，其特征在于，包括权利要求6或7所述的头戴显示光学系统。
【专利摘要】本发明公开了一种目镜镜头、头戴显示光学系统和头戴设备，所述目镜镜头采用单个正透镜，所述正透镜具有凸向光出射方向的第一表面和凸向光入射方向的第二表面，第一表面和第二表面均为非球面，且满足如下的面型参数及关系：第一表面的半径绝对值为r1，二次项系数为k1，第二表面的半径绝对值为r2，二次项系数为k2，正透镜的厚度为d，正透镜对应的光学系统的总焦距为f；其中，49＜r1＜150，20＜r2＜40，0.3＜r1/r2＜0.45，-3＜k1＜-0.5，-3＜k2＜-0.5，33＜f＜40，0.45＜f/r1＜0.65，1.2＜f/r2＜1.8，2.6＜f/d＜3。本发明通过对目镜镜头合理配置面型参数，有效平衡了对头戴显示光学系统的视场角和轻量化的要求，达到了较好的显示效果。
【IPC分类】G02B13/00, G02B27/01
【公开号】CN105511078
【申请号】CN201511032019
【发明人】王元鹏
【申请人】北京小鸟看看科技有限公司
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月31日