头戴式显示装置与其光学镜头系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及头戴式显示装置与其光学镜头系统，且尤其是与应用六片式透镜 的头戴式显示装置与其光学镜头系统相关。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于可穿戴电子设备的兴起，使得包含光学镜头系统及微型显示器等微 小型化的显示模块蓬勃发展，大量应用于头戴式显示装置中。头戴式显示装置广泛应用于 军事、航天、医疗、娱乐、模拟训练等领域。在娱乐方面，合适的视角可以给使用者营造一个 震撼的视觉效果，令使用者仿佛置身于电影院放映厅中的最佳位置观看电影一般。
[0003] 现有技术中，如CN104570323A提出一种头戴目镜系统和头戴显示设备，是采用4 片式透镜的目镜系统，成像清晰度不能满足消费者日益提高的需求。又，CN103765292A提 出目镜系统及图像观察装置其系统焦距较长（长达19mm) ;CN101609208提出的六片透镜式 目镜系统的系统焦距也相对较长（16mm)。
[0004] 另外，对于光学镜头系统（目镜系统）而言，在物体尺寸确定的情况下，焦距越 小，视场角越大，系统的放大倍率越大，但设计难度也随之增加。目前的沉浸式头戴显示装 置，大多数光学镜头系统的焦距在18mm-35mm范围，放大倍率小，不适用于尺寸较小的微显 示屏作为图像源。对于LC0S(Liquid Crystal on Silicon，中文是：液晶附娃）显示器和 DLP (Digital Light Procession，中文是：数字光处理）显示器这类微显示屏，需在显示屏 与目镜之间放置必需的照明系统；而目前目镜到显示屏的工作距离大多较小，无法满足使 用。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。 【实用新型内容】
[0005] 因此，针对上述技术问题，本实用新型提出一种头戴式显示装置与其光学镜头系 统，通过控制各透镜的凹凸曲面排列，并辅以其他光学关系式控制相关参数，使其保证视场 角的同时，保证成像质量优良，并具有短焦距、长工作距离的特性。
[0006] 依据本实用新型，提供一种光学镜头系统，从出光侧至入光侧沿一光轴依序包括 一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一第五透镜及一第六透镜，每一透镜都 具有屈光率的球面透镜，且具有一朝向出光侧且使光线通过的第一表面及一朝向入光侧且 使光线通过的第二表面，其中：
[0007] 该第一透镜是一负光焦度透镜，该第一透镜的第一表面为凹面部；
[0008] 该第二透镜是一正光焦度透镜，该第二透镜第二表面为凸面部；
[0009] 第三透镜是一正光焦度透镜，该第三透镜的第二表面为凸面部；
[0010] 第四透镜是一正光焦度透镜，该第四透镜的第一表面为凸面部，其第二表面为凸 面部；
[0011] 第五透镜是一正光焦度透镜，该第五透镜的第一表面为凸面部，其第二表面为凸 面部；
[0012] 第六透镜是一负光焦度透镜，该第六透镜的第一表面为凹面部；
[0013] 该第五透镜与该第六透镜构成一个组合透镜；
[0014] 其中，该第一透镜的焦距为Π ，该第二透镜的焦距为f2,该第三透镜的焦距为f3， 该第四透镜的焦距为f4,该组合透镜的焦距为f56,该光学镜头系统的系统焦距为fs，并 满足以下关系式：
[0015] -2<fl/fs<-l,
[0016] I. 5<f2/fs<3,
[0017] 4<f3/fs<7. 5,
[0018] 2<f4/fs<4. 2,
[0019] 2. 5〈f56/fs〈5. 5〇
[0020] 依据本实用新型，还提供一种头戴式显示装置，包括：
[0021] -机壳；及
[0022] -显示模块，安装于该机壳内，包括：
[0023] 至少一如上所述的光学镜头系统，
[0024] 至少一显示屏，位于该第六透镜的第二表面朝向入光侧的光轴上。
[0025] 本实用新型的头戴式显示装置与其光学镜头系统，通过控制各透镜的凹凸曲面排 列，并辅以其他光学关系式控制相关参数，使其保证视场角的同时，保证成像质量优良，并 具有短焦距、长工作距离的特性。
【附图说明】
[0026] 图1是本实用新型的第一实施例的剖面结构意图；
[0027] 图2是该第一实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图（说明： x/为子午场曲，x/为弧矢场曲）；
[0028] 图3是该第一实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化不意图；
[0029] 图4是该第一实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；
[0030] 图5是本实用新型的第二实施例的剖面结构意图；
[0031] 图6是该第二实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图（说明： x/为子午场曲，x/为弧矢场曲）；
[0032] 图7是该第二实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；
[0033] 图8是该第二实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；
[0034] 图9是本实用新型的第三实施例的剖面结构意图；
[0035] 图10是该第三实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图（说明： x/为子午场曲，x/为弧矢场曲）；
[0036] 图11是该第三实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；
[0037] 图12是该第三实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；
[0038] 图13是本实用新型的第四实施例的剖面结构意图；
[0039] 图14是该第四实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图（说明： x/为子午场曲，x/为弧矢场曲）；
[0040] 图15是该第四实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；
[0041] 图16是该第四实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图；
[0042] 图17是本实用新型的第五实施例的剖面结构意图；
[0043] 图18是该第五实施例的光学镜头系统的场曲随归一化视场变化示意图（说明： X/为子午场曲，X/为弧矢场曲）；
[0044] 图19是该第五实施例的光学镜头系统的畸变随归一化视场变化示意图；
[0045] 图20是该第五实施例的光学镜头系统的垂轴色差随归一化视场变化示意图。
【具体实施方式】
[0046] 为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内 容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原 理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新 型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0047] 本篇说明书所说的「一透镜具有正光焦度（或负光焦度）」，是指所述透镜以高斯 光学理论计算出来的光轴上的屈光率为正（或为负）。透镜的第一表面、第二表面定义为用 于成像的光线通过的范围，其中成像光线包括了主光线（chief ray)及边缘光线（marginal ray)，以I为光轴，且透镜是以该光轴I为对称轴径向地相互对称。此外，透镜还包含一延 伸部（即圆周附近区域径向上向外的区域），用以供该透镜组装于一镜筒内，理想的成像光 线并不会通过该延伸部。以下的实施例为求附图简洁均省略了部分的延伸部。
[0048] 更详细的说，判定透镜的凹、凸面形的方法如下：透镜的面型形状的凹、凸是以平 行通过该区域的光线（或光线延伸线）与光轴的交点在出光侧Al或入光侧A2来决定（光 线焦点判定方式）。举例来说，当光线通过该区域后，光线会朝出光侧Al聚焦，与光轴I的 焦点会位在出光侧A1，则该区域为凸面部。反之，若光线通过该某区域后，光线会发散，其 延伸线与光轴I的焦点在入光侧A2,则该区域为凹面部。另外，透镜的面形判断也可依该 领域中普通技术人员的判断方式，以R值（指光轴的曲率半径，通常指光学软件中的透镜数 据库（lens data)上的R值）正负判断凹凸。以朝向出光侧Al的第一表面来说，当R值为 正时，判定为凸面部，当R值为负时，判定为凹面部；而以朝向入光侧A2的第二表面来说，当 R值为正时，判定为凹面部，当R值为负时，判定为凸面部，此方法判定出的凹凸和光线焦点 判定方式相同。
[0049] 为了便于表示本实用新型所指的参数，在本说明书及附图中定义：
[0050] 该第一透镜Ll的第一表面Sll的曲率半径为Rl，该第一透镜Ll的第二表面S12 的曲率半径为R2,该