发明内容
本发明的目的是提供一种用于头显的中继光学***,用以解决传统头显的中继光学***体积和重量较大和结构复杂的问题。
为实现上述目的,本发明的方案包括一种用于头显的中继光学***,包括从像方到物方依次同光轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜,其中,第三透镜和第四透镜组成胶合透镜组;
该光学***的参数指标为:焦距F=28.5mm,FNO=1,视场角为24°×19.2°,成像光谱范围为425nm~650nm;
所述第一透镜具有正的光焦度并凸向像方,所述第二透镜具有负的光焦度并凸向像方,所述胶合透镜组具有负的光焦度,第五透镜为具有正的光焦度的双凸透镜,第六透镜具有负的光焦度;
第一透镜和第二透镜满足:-1≤F1/F2≤-0.69,第三透镜和第四透镜满足:-1.5≤F3/F4≤-1,第五透镜和第六透镜满足:-1≤F5/F6≤-0.4,其中,F1为第一透镜的焦距值,F2为第二透镜的聚焦值,F3为第三透镜的焦距值,F4为第四透镜的聚焦值,F5为第五透镜的焦距值,F6为第六透镜的聚焦值。
所述第一透镜满足:Nd1≥1.7,Vd1≤55;所述第二透镜满足:Nd2≥1.9,Vd2≤21;所述第五透镜满足:Nd5≥1.9,Vd5≤32;
其中,Nd1为第一透镜材料的d光折射率,Vd1为第一透镜材料的d光阿贝常数,Nd2为第二透镜材料的d光折射率,Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常数,Nd5为第五透镜材料的d光折射率,Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。
所述第一透镜靠近像方的表面为非球面,所述第二透镜靠近物方的表面为非球面,所述第五透镜靠近物方的表面为非球面,所述第六透镜靠近像方的表面为非球面。
所述第一透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.49mm,所述第一透镜靠近物方的表面的曲率半径为80.2mm,所述第二透镜靠近像方的表面的曲率半径为51.16mm,所述第二透镜靠近物方的表面的曲率半径为21.66mm,所述第三透镜靠近像方的表面的曲率半径为17.87mm,所述第三透镜靠近物方的表面的曲率半径为91.75mm,所述第四透镜靠近像方的表面的曲率半径为91.75mm,所述第四透镜靠近物方的表面的曲率半径为13.59mm,所述第五透镜靠近像方的表面的曲率半径为23.46mm,所述第五透镜靠近物方的表面的曲率半径为-24.09mm,所述第六透镜靠近像方的表面的曲率半径为-13.34mm,所述第六透镜靠近物方的表面的曲率半径为无穷大。
所述第一透镜靠近像方的表面的中心厚度为8.9mm,所述第一透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm,所述第二透镜靠近像方的表面的中心厚度为2mm,所述第二透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.44mm,所述第三透镜靠近像方的表面的中心厚度为4.3mm,所述第三透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.7mm,所述第四透镜靠近像方的表面的中心厚度为1.7mm,所述第四透镜靠近物方的表面的中心厚度为3.9mm,所述第五透镜靠近像方的表面的中心厚度为8mm,所述第五透镜靠近物方的表面的中心厚度为1.8mm,所述第六透镜靠近像方的表面的中心厚度为1.7mm,所述第六透镜靠近物方的表面的中心厚度为2mm。
所述第一透镜材料的d光折射率为1.729,第一透镜材料的d光阿贝常数为54.669,第二透镜材料的d光折射率为1.922,第二透镜材料的d光阿贝常数为20.882,第三透镜材料的d光折射率为1.755,第三透镜材料的d光阿贝常数为52.329,第四透镜材料的d光折射率为1.784,第四透镜材料的d光阿贝常数为25.754,第五透镜材料的d光折射率为1.903,第五透镜材料的d光阿贝常数为31.318,第六透镜材料的d光折射率为1.664,第六透镜材料的d光阿贝常数为35.475。
所述第一透镜的口径为21.8mm×17.5mm,第二透镜的口径为20mm×15.7mm,第三透镜的口径为18mm×14mm,第四透镜的口径为18mm×14mm,第五透镜的口径为18mm×14mm,第六透镜的口径为18mm×14mm。
所述第一透镜的材料为H-LAK52,第二透镜的材料为H-ZF62,第三透镜的材料为H-LAK53A,第四透镜的材料为ZF13,第五透镜的材料为H-LAF75A,第六透镜的材料为ZBAF4。
所述中继光学***的总长TTL为=40.4mm。
本发明提供的中继光学***中,只包含六个透镜,其中不涉及其他的设备和装置,结构简单和紧凑,***整体体积较小,进而***重量较轻,有利于整机***的小型化设计;并且该光学***具有大相对孔径、宽光谱和较大视场的优点,其可靠性更高,能够有效校正光学***的像差,成像质量优良。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供的中继光学***用于头盔显示器。如图1中所示,像方处于该中继光学***的左方,物方处于该光学***的右方。该中继光学***包括从像方到物方依次同光轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6,其中,第三透镜L3和第四透镜L4组成胶合透镜组。所以,该光学***中,透镜中的靠近像方的表面为第一面,靠近物方的表面为第二面,而且,该光学***中的透镜的顺序是按照从像方到物方的方向依次布置的。另外,该光学***还包括设置在第一透镜L1的第一面(靠近像方的表面)上的孔径光阑(在图1中未示出)。图1中的flat glass相当于微显示器。
本发明提供的光学***的参数为:焦距F=28.5mm,FNO=1,视场角为24°×19.2°,成像光谱范围为425nm~650nm。
第一透镜L1,选取折射率相对较高的材料,并满足:Nd1≥1.7,Vd1≤55,这样设置有利于减小后面透镜的口径,形成一个第一片透镜口径最大的光学***,其中,Nd1为第一透镜材料的d光折射率,Vd1为第一透镜材料的d光阿贝常数,
第二片透镜L2的折射率较高,并满足:Nd2≥1.9,Vd2≤21,这样设置有利于校正整个***的像差,其中,Nd2为第二透镜材料的d光折射率,Vd2为第二透镜材料的d光阿贝常数。
第五透镜L5,选取折射率相对较高的材料,并满足:Nd5≥1.9,Vd5≤32,这样设置能快速会聚前两个负光焦度透镜过来的光线,且高色散材料能有效的补偿光学***的色差值,其中,Nd5为第五透镜材料的d光折射率,Vd5为第五透镜材料的d光阿贝常数。
第一透镜L1和第二透镜L2满足下面的条件公式:
-1≤F1/F2≤-0.69
其中F1表示的是第一透镜L1的焦距值,F2表示的是第二透镜L2的聚焦值,这样设置的原因是:如果当F1/F2<-0.69,第一透镜光焦度过大,使得第一透镜曲率半径过小,增加了高级像差;当F1/F2>-1,此时进入第二透镜元件的口径过大,满足不了第一片透镜口径最大的使用要求。
第三透镜L3和第四透镜L4满足下面的条件公式:
-1.5≤F3/F4≤-1
其中F3表示的是第三透镜L3的焦距值,F4表示的是第三透镜L4的聚焦值,这样设置有利于校正像差,第三透镜L3和第四透镜L4采用双胶合的形式可以补偿色散,校正色差。
第五透镜L5和第六透镜L6满足下面的条件公式:
-1≤F5/F6≤-0.4
其中F5表示的是第五透镜L5的焦距值,F6表示的是第六透镜L6的聚焦值,这样设置的原因是:如果当F5/F6<-1,影响远心特性和像差特性劣化,且增加了第四透镜L4的敏感度;当F5/F6>-0.4,影响入射到第五透镜L5的光线高度,从而产生高级像差,增加第五透镜L5的敏感度。
本实施例中,
如图1所示,第一透镜L1具有正的光焦度(光焦度也称为屈光力)并凸向像方,具体为:透镜L1的表面1凸出,表面2凹进;第二透镜L2具有负的光焦度并凸向像方,具体为:透镜L2的表面3凸出,表面4凹进;第三透镜L3和第四透镜L4组成的胶合透镜组具有负的光焦度;第五透镜L5为具有正的光焦度的双凸透镜,其两个表面8和9均凸出;第六透镜L6具有负的光焦度,表面10凹进,表面11为平面。
所以,在该光学***构造中,从像方到物方的顺序,透镜设置的顺序依次为:具有正屈光力、负屈光力、负屈光力(这里是指胶合透镜组)、正屈光力和负屈光力,通过适当地分配屈光力,能够使得该光学***紧凑。
另外,第一透镜L1的表面1、第二透镜L2的表面4、第五透镜L5的表面9及第六透镜L6的表面10为非球面,以改善***的分辨率并减小畸变像差和球面像差,因此可以实现具有优良光学特性的紧凑的光学***。其余的表面可以是球面、非球面或者自由曲面。
关于第二透镜L2,在表面4处采用高次的非球面面型,第二透镜L2出射的光以小的角度输出,并扩展光束在透镜表面的口径,从而在每个场中光束彼此不重叠,因此可以改善像差。
由于第三透镜L3和第四透镜L4为胶合透镜组,第三透镜L3的第二面与第四透镜L4的第一面重合,所以,第三透镜L3的第二面与第四透镜L4的第一面的参数相同,同为表面6。
由像方开始,将各个透镜的表面依次编号,表面n的曲率半径为rn,即第一透镜L1的镜面曲率为r1、r2,第二透镜L2的镜面曲率半径为r3、r4,第三透镜L3的镜面曲率半径为r5,r6,第四透镜L4的镜面曲率半径为r6,r7,第五透镜L5的镜面曲率半径为r8,r9,第六透镜L6的镜面曲率半径为r10,r11。
表1给出该光学***的其中一组具体参数。
表1
面序号 |
曲率半径r |
中心厚度d |
折射率Nd |
阿贝数Vd |
*1 |
17.49 |
8.9 |
1.729 |
54.669 |
2 |
80.2 |
3.9 |
|
|
3 |
51.16 |
2 |
1.922 |
20.882 |
*4 |
21.66 |
1.44 |
|
|
5 |
17.87 |
4.3 |
1.755 |
52.329 |
6 |
91.75 |
1.7 |
1.784 |
25.754 |
7 |
13.59 |
3.9 |
|
|
8 |
23.46 |
8 |
1.903 |
31.318 |
*9 |
-24.09 |
1.8 |
|
|
*10 |
-13.34 |
1.7 |
1.664 |
35.475 |
11 |
Infinity |
2 |
|
|
12 |
Infinity |
0.7 |
1.47 |
66 |
表1中的打“*”号的镜面为非球面。
非球面镜面的公式为:
式中:Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时,距非球面定点的距离矢高sag,c=1/r,r表示镜面的曲率半径,k为圆锥系数conic,A,B,C,D,E,F均为高次非球面系数,而表中系数中的E代表科学记号,比如:E-05表示10-5。
高次非球面系数A,B,C,D,E,F具体见表2。
表2
另外,第一片透镜L1的口径为21.8mm×17.5mm,材料为H-LAK52;第二片透镜L2的口径为20mm×15.7mm,材料为H-ZF62;第三片透镜L3的口径为18mm×14mm,材料为H-LAK53A;第四片透镜L4的口径为18mm×14mm,材料为ZF13;第五片透镜L5的口径为18mm×14mm,材料为H-LAF75A;第六片透镜L6的口径为18mm×14mm,材料为ZBAF4。
图2至图7为该光学***的光学性能曲线图,图2为垂轴色差曲线图,采用425nm、560nm、650nm三色光的波长来表示,单位为微米,为***的垂轴色差,在全视场范围内,考虑所有的波长,最大的色差在0.5视场,大小为5微米,;如果只考虑OLED的三个主波长,即453nm、550nm、600nm,色差减小到3.5微米。图3为轴向色差曲线图,最大的轴向色差为40微米,波长为420nm和650nm。图4为畸变曲线图,表示不同视场角情况下的畸变值,单位为%,采用425nm、560nm、650nm三色光的波长来表示,最大的畸变值为0.8视场。图5为网格畸变图,最大的网格畸变为1.01%。图6代表点列图,所设计的光学***全视场的RMS值,其中最大的RMS直径为边缘视场,数值为24.6微米。图7为光学传递函数,代表一个光学***的综合水平,0度视场,7.68度视场,10.86度视场MTF>0.05@53mm/lp。边缘视场出现截止的情况,但此***为目视***,人眼观测时,并不影响实际使用。
另外,在保证大相对孔径的设计要求的同时尽量保证物方的远心特性,以保证照度的均匀性。
本发明提供的中继光学***具有以下特点:相对孔径较大,为1/1.02;视场角较大,为24°×19.2°;部分表面使用非球面,有利于校正像差,减小光学***总长,总长小于或者等于42mm;结构紧凑,有利于整机***的小型化设计;成像光谱范围宽,为425nm~650nm,可得到较宽的光谱特性;宽光谱、较大视场,能够使成像质量优良;总长TTL=40.4mm;与现有传统的头显中的中继光学***相比,视场更大,眼盒更大,可靠性更高,可以有效校正光学***的像差,大相对孔径和小畸变。
另外,该光学***能够进行拼接,如图8所示,利用多个该中继光学***可用于大出瞳显示***,图8中,Ⅰ为像源,即物方,Ⅱ为中继光学***组,通过对该中继光学***的具体设置,能够使出瞳形状为方形,且第一片透镜口径最大,其余透镜口径小于第一片透镜口径,可实现在第一片透镜处的拼接,即出瞳处的拼接,实现结构紧凑、重量轻的大出瞳准直显示***。
以上给出了该光学***的一种具体的实施方式,但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案,对本领域普通技术人员而言,根据本发明的教导,设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动,比如:各个透镜的厚度、大小、形状等均可以根据具体情况进行改变。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。