CN101887166B - 目镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种目镜，包括从人眼观察侧到显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜，且第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料、焦距和位置关系满足一定的关系，从而使显示器件上显示的图像经目镜放大后在光阑处的人眼成像。本发明提供的目镜具有大孔径、大视场、短焦距、低畸变等优点，适用于头戴显示器及类似装置；且本发明的目镜可以采用光学塑料制成，质量轻成本低。

Description

目镜
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种适用于头戴显示器或类似装置的目镜。
背景技术
头戴显示器(或称头盔显示器、视频眼镜)无论在多媒体娱乐还是在军事、工业、医疗等领域都具有巨大的应用价值和市场。对头戴显示器的要求为佩戴舒适、结构紧凑体积小、高成像质量和尽可能大的视场。
头戴显示器主要由三部分组成：显示部件、光学***、连接前两者的机械结构。光学***决定了头戴显示器的成像质量、视场大小、体积大小，即光学***是头戴显示器的核心部分，其性能参数决定了产品整体***参数。
对于头戴显示器应用，要求光学***尽量大的视场以保证有足够的沉浸感；要求光学***较大的出瞳尺寸，以保证不同瞳孔距的人可以在转动眼球的同时不会丢失图像；要求光学***尽量小的焦距，以保证***紧凑型和足够的放大倍率。而视场、出瞳尺寸、焦距这三个参数对于光学***而言是相互制约的。目前，传统的以共轴球面透镜组的目镜结构已经无法满足高像质、大视场和小体积的要求，光学***紧凑性和光学***成像质量要求存在一定的矛盾。另一方面，共轴目镜光学***有加工工艺成熟、成本低廉、性能稳定等优点。克服共轴光学***的缺点，发挥其优势是良好可用光学***的内在要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有头戴显示器的目镜无法满足高像质、大视场和小体积的要求的缺陷，提供一种适用于头戴显示器或类似装置的目镜，其出瞳距离长、视场角大且体积相对较小。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种目镜，包括三片全塑料透镜，像方远心；所述目镜从人眼观察一侧到显示器件一侧，沿共轴方向共轴依次排列着光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；
其中，所述第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，***总焦距为fw，光阑到第一透镜的中心距离为df，第三透镜到显示器件的显示芯片的中心距离为db，且满足以下关系式：
1)0.6＜f1/fw＜0.85，
2)0.4＜|f2/fw|＜0.6，
3)0.5＜f3/fw＜0.75，
4)0.78＜df/fw＜0.82，
5)0.28＜db/fw＜0.45；
且所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求：
Nd1＞1.48，Nd3＞1.48，Nd1、Nd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的折射率；
Vd1＞56，Vd3＞56，Vd1、Vd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的阿贝数；
Nd2＞1.55，Vd2＜30，Nd2、Vd2分别表示第二透镜在d线的折射率和阿贝数。
在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜和第三透镜均为正透镜，第二透镜为负透镜。在本发明更进一步的优选实施例中，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为弯月形透镜，且第二透镜的两个曲面曲率半径均为正值。
在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距进一步满足以下关系式，以获得更好的成像效果：
6)0.7＜f1/fw＜0.8；
7)0.45＜|f2/fw|＜0.55；
8)0.6＜f3/fw＜0.73。
在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为光学塑料。例如，所述第一透镜和第三透镜可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)制成，即Nd1＝Nd3＝1.492，Vd1＝Vd3＝57.3274。第二透镜可以采用聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)制成，即Nd2＝1.586，Vd2＝29.9309。本发明中的透镜不仅限于上述两种材料，还可以选用其它符合折射率和阿贝数范围的光学塑料。
在本发明的一些优选实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一个光学面为轴对称非球面，以校正***像差，如场曲和畸变。在本发明进一步的一些实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面皆为轴对称非球面，从而更好地校正***像差。优选地，所述非球面的表达式为：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + α 2 r 2 + α 4 r 4 + α 6 r 6 + . . . . . . ;
其中，z为光学面的矢高，c为曲率，k为非球面系数，α2，4，6，...为各阶系数，r为曲面上点到透镜***光轴的距离坐标。
实施本发明的目镜，具有以下有益效果：本发明的目镜采用三片具有不同特性的透镜，将显示器件显示的图像通过该目镜构成的光学***放大，并经位于光阑处的人眼成像，该目镜出瞳直径大于一般的目镜，其像方远心，照度均匀、结构紧凑、大视场、低畸变。此外，本发明可以采用非球面的设计，从而利用光学非球面对光学***消像差，保证了大出瞳距离、大视场角、低畸变。同时，本发明还采用光学塑料制成的镜片，相对于玻璃镜片而言，其质量轻、成本低，能够实现玻璃难以实现的高阶多项式的非球面。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的目镜的光学***图；
图2示出了根据本发明第一实施例的目镜的光学***传函图；
图3(a)和图3(b)分别示出了根据本发明第一实施例的目镜的场曲和畸变曲线；
图4示出了根据本发明第二实施例的目镜的光学***图；
图5示出了根据本发明第二实施例的目镜的光学***传函图；
图6(a)和图6(b)分别示出了根据本发明第二实施例的目镜的场曲和畸变曲线；
图7示出了根据本发明第三实施例的目镜的光学***图；
图8示出了根据本发明第三实施例的目镜的光学***传函图；
图9(a)和图9(b)分别示出了根据本发明第三实施例的目镜的场曲和畸变曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1，为根据本发明第一实施例的目镜的光学***图。如图1所示，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜以校正***色差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正***像差包括场曲和畸变。在此，以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器件I表面为8。
所述第一实施例目镜设计数据如下表1所示：
表1
Figure GDA0000085798380000041
Figure GDA0000085798380000051
第一实施例中各个表面的非球面参数如下：
表面2(Surface 2)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：6.1412944e-005
Coeff on r 6：2.5580088e-006
Coeff on r 8：-1.1230122e-007
Coeff on r 10：8.9015252e-010
表面3(Surface 3)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-3.309314e-005
Coeff on r 6：9.3557479e-007
Coeff on r 8：-9.0216008e-008
Coeff on r 10：8.8576475e-010
表面4(Surface 4)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-9.6376876e-005
Coeff on r 6：2.6558718e-006
Coeff on r 8：-1.7473741e-007
Coeff on r 10：1.545018e-009
表面5(Surface 5)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：4.4542079e-005
Coeff on r 6：1.2197471e-005
Coeff on r 8：-1.473328e-007
Coeff on r 10：-3.1703855e-009
表面6(Surface 6)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-3.8892206e-006
Coeff on r 6：8.4908171e-006
Coeff on r 8：-4.6741251e-008
Coeff on r 10：3.9082855e-009
表面7(Surface 7)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-9.6742694e-006
Coeff on r 6：2.5950192e-006
Coeff on r 8：-3.1095373e-008
Coeff on r 10：1.1111381e-008
请参阅图2，示出了根据本发明第一实施例的目镜的光学***传函图；图3(a)和图3(b)分别示出了根据本发明第一实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示，表征出本实施例的光学***的成像质量高，且出瞳距离大、视场角大和畸变低。
请参阅图4，为根据本发明第二实施例的目镜的光学***图。如图4所示，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜以校正***色差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正***像差包括场曲和畸变。在此，以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器件I表面为8。
所述第二实施例目镜设计数据如下表2所示：
表2
Figure GDA0000085798380000061
Figure GDA0000085798380000071
第二实施例中各个表面的非球面参数如下：
表面2(Surface 2)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：0.0001745316
Coeff on r 6：-5.2971102e-006
Coeff on r 8：-2.1845734e-008
Coeff on r 10：-6.5191306e-011
表面3(Surface 3)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：4.9511029e-005
Coeff on r 6：-9.2132981e-006
Coeff on r 8：1.3727281e-007
Coeffon r 10：-1.3061152e-009
表面4(Surface 4)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-0.00012965859
Coeff on r 6：7.9030145e-006
Coeff on r 8：-1.0006347e-007
Coeff on r 10：6.9167038e-010
表面5(Surface 5)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：0.00028663084
Coeff on r 6：6.519007e-006
Coeff on r 8：-5.9855651e-009
Coeff on r 10：-9.1306036e-009
表面6(Surface 6)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：0.00090713675
Coeff on r 6：2.2296566e-006
Coeff on r 8：-1.8815219e-007
Coeff on r 10：1.4724701e-008
表面7(Surface 7)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：0.00059319234
Coeff on r 6：4.0858718e-006
Coeff on r 8：1.4863469e-006
Coeff on r 10：-4.0050924e-009
请参阅图5，示出了根据本发明第二实施例的目镜的光学***传函图；图6(a)和图6(b)分别示出了根据本发明第二实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示，表征出本实施例的光学***的成像质量高，且出瞳距离大、视场角大和畸变低。
请参阅图7，为根据本发明第三实施例的目镜的光学***图。如图7所示，从人眼观察侧到显示器件I侧(从左至右)，依次为光阑E、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和显示器件I。在本实施例中，第一透镜L1和第三透镜为正透镜，第二透镜为负透镜以校正***色差。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3皆采用非球面以校正***像差包括场曲和畸变。在此，以光阑E表面序号为1，依次类推，显示器件I表面为8。
所述第三实施例目镜设计数据如下表3所示：
表3
Figure GDA0000085798380000091
第三实施例中各个表面的非球面参数如下：
表面2(Surface 2)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：1.8244971e-005
Coeff on r 6：3.1538296e-007
Coeff on r 8：-9.6275999e-009
Coeff on r 10：4.0616455e-011
表面3(Surface 3)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-9.9131785e-006
Coeff on r 6：1.1435686e-007
Coeff on r 8：-8.2047549e-009
Coeff on r 10：4.0336685e-011
表面4(Surface 4)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-3.6208325e-005
Coeff on r 6：4.3831507e-007
Coeff on r 8：-1.3845781e-008
Coeff on r 10：6.000235e-011
表面5(Surface 5)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：1.0301347e-005
Coeff on r 6：1.8357947e-006
Coeff on r 8：-1.6625861e-008
Coeff on r 10：-1.2036801e-010
孔径(Aperture)：浮动孔径(Floating Aperture)
最大曲率半径(Maximum Radius)：8.235294
表面6(Surface 6)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：-2.1447272e-006
Coeff on r 6：1.4611758e-006
Coeff on r 8：-3.915728e-009
Coeff on r 10：1.207144e-010
表面7(Surface 7)类型：EVENASPH
Coeff on r 2：0
Coeff on r 4：6.3635648e-006
Coeff on r 6：4.0540057e-007
Coeff on r 8：-4.0568124e-009
Coeff on r 10：4.3656109e-010
请参阅图8，示出了根据本发明第三实施例的目镜的光学***传函图；图9(a)和图9(b)分别示出了根据本发明第三实施例的目镜的场曲和畸变曲线。如图所示，表征出本实施例的光学***的成像质量高，且出瞳距离大、视场角大和畸变低。
从上述发明实施例的各项数据，可以得到本发明实施例满足前述关系要求，结果如下表所示：
  f1/fw   |f2/fw|   f3/fw   df/fw   db/fw
 实施例1   0.7469   0.503   0.686   0.786   0.391
 实施例2   0.7072   0.501   0.734   0.786   0.359
 实施例3   0.7152   0.490   0.69435   0.7751   0.4194
本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种目镜，其特征在于，包括从人眼观察侧到显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；
所述第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，第三透镜的焦距为f3，***总焦距为fw，光阑到第一透镜的中心距离为df，第三透镜到显示器件的显示芯片的中心距离为db，且满足以下关系式：
1)0.6＜f1/fw＜0.85，
2)0.4＜|f2/fw|＜0.6，
3)0.5＜f3/fw＜0.75，
4)0.78＜df/fw＜0.82，
5)0.28＜db/fw＜0.45；
且所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料满足以下要求：
Nd1＞1.48，Nd3＞1.48，Nd1、Nd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的折射率；
Vd1＞56，Vd3＞56，Vd1、Vd3分别表示第一透镜、第三透镜在d线的阿贝数；
Nd2＞1.55，Vd2＜30，Nd2、Vd2分别表示第二透镜在d线的折射率和阿贝数。
2.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜和第三透镜均为正透镜，第二透镜为负透镜。
3.根据权利要求2所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为弯月形透镜，且第二透镜的两个曲面曲率半径均为正值。
4.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的焦距进一步满足以下关系式：
6)0.7＜f1/fw＜0.8；
7)0.45＜|f2/fw|＜0.55；
8)0.6＜f3/fw＜0.73。
5.根据权利要求1所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为光学塑料。
6.根据权利要求5所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜和第三透镜采用聚甲基丙烯酸甲酯制成。
7.根据权利要求6所述的目镜，其特征在于，所述第二透镜采用聚碳酸酯制成。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中至少有一个光学面为轴对称非球面。
9.根据权利要求9所述的目镜，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的光学面皆为轴对称非球面。
10.根据权利要求9所述的目镜，其特征在于，所述非球面的表达式为：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + α 2 r 2 + α 4 r 4 + α 6 r 6 + . . . . . . ;
其中，z为光学面的矢高，c为曲率，k为非球面系数，α2，4，6，...为各阶系数，r为曲面上点到透镜***光轴的距离坐标。
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