CN117425847A - 用于头戴显示设备的检测镜头和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于头戴显示设备的检测镜头和检测方法。该检测镜头具有入光端，检测镜头被配置为从入光端接收光线；检测镜头包括透镜组，透镜组整体的入瞳与自身的孔径光阑重合；透镜组第一透镜组和第二透镜组，沿着检测镜头的轴向，第一透镜组相对于第二透镜组靠近入光端，第一透镜组的有效焦距的范围为20mm‑40mm，第二透镜组的放大倍数范围为0.5‑2倍，第二透镜组的有效焦距范围为195mm‑285mm；第二透镜组包括双高斯透镜组，双高斯透镜组在第二透镜组中位于靠近入光端的位置，双高斯透镜组在靠近入光端的一侧配置至少三片光焦度为正的高斯镜片；检测镜头的横向视场角小于或等于120度，检测镜头的纵向视场角小于或等于80度。

Description

用于头戴显示设备的检测镜头和检测方法 技术领域

本发明涉及光学领域，具体地，本发明涉及用于头戴显示设备的检测镜头和检测方法。

背景技术

近年来消费类电子产品风靡市场，其中虚拟现实设备(VR)、增强现实设备(AR)由于其特殊的显示效果，能够让用户沉浸在特别的视听效果中，这类设备广受消费者的青睐。在实际应用中，VR和AR设备因为其显示位置离人眼非常近，因此其成像效果不同于传统的电视、显示屏。VR和AR设备的显示效果需要采用特别的检测镜头进行检测。

现有的显示器检测镜头往往不能满足这种近距离显示的检测功能，这种检测形式需要模拟人眼的近距离目视方式。

因此，有必要对用于检测的检测镜头进行改进。

发明内容

本公开实施例的一个目的是提供一种用于检测头戴显示设备的显示效果的新技术方案。

为实现本公开的目的，本公开提供了如下的技术方案：

根据本公开的一个方面，提供了一种用于头戴显示设备的检测镜头，

所述检测镜头具有入光端，所述检测镜头被配置为从所述入光端接收光线；

所述检测镜头包括透镜组，所述透镜组整体的入瞳与自身的孔径光阑重合；

所述透镜组第一透镜组和第二透镜组，沿着所述检测镜头的轴向，所述第一透镜组相对于所述第二透镜组靠近所述入光端，所述第一透镜组的有效焦距的范围为20mm-40mm，所述第二透镜组的放大倍数范围为0.5-2倍，所述第二透镜组的有效焦距范围为195mm-285mm；

所述第二透镜组包括双高斯透镜组，所述双高斯透镜组在所述第二透镜组中位于靠近所述入光端的位置，所述双高斯透镜组在靠近所述入光端的一侧配置至少三片光焦度为正的高斯镜片；

所述检测镜头的横向视场角小于或等于120度，所述检测镜头的纵向视场角小于或等于80度。

可选地，所述第一透镜组的有效焦距的范围为22mm-25mm。

可选地，所述第二透镜组的放大倍数范围为0.6-1.0倍。

可选地，所述第一透镜组包括三片聚光透镜，三片所述聚光透镜分别为第一聚光透镜、第二聚光透镜和第三聚光透镜，所述第一聚光透镜相对于所述第二聚光透镜靠近所述入光端，所述第二聚光透镜相对于所述第三聚光透镜靠近所述入光端；

所述第一聚光透镜的入光面的曲率半径的范围为-20.5mm至-21.9mm，所述第一聚光透镜的出光面的曲率半径的范围为-17.7mm至-18.5mm，所述第一聚光透镜的厚度范围为10.4mm至11.3mm；

所述第一聚光透镜与第二聚光透镜之间的间距为0.3mm；

所述第二聚光透镜的入光面的曲率半径范围为-50.3mm至-51.8mm，所述第二聚光透镜的出光面曲率半径范围为-34.1mm至-34.9mm，所述第二聚光透镜的厚度范围为8.5mm至8.8mm；

所述第二聚光透镜与第三聚光透镜之间的间距范围为0.3mm至0.7mm；

所述第三聚光透镜的入光面的曲率半径范围为-160mm至-300mm，所述第三聚光透镜的出光面的曲率半径范围为-60mm至-80mm，所述第三聚光透镜的厚度范围为8.0mm至8.7mm。

可选地，所述第一聚光透镜的入光面的曲率半径为-21.69mm，所述第一聚光透镜的出光面的曲率半径为-18.24mm，所述第一聚光透镜的厚度为11.13mm；

所述第二聚光透镜的入光面的曲率半径为-50.44mm，所述第二聚光透镜的出光面曲率半径为-34.70mm，所述第二聚光透镜的厚度为8.72mm；

所述第二聚光透镜与第三聚光透镜之间的间距为0.62mm；

所述第三聚光透镜的入光面的曲率半径为-171.77mm，所述第三聚光透镜的出光面的曲率半径为-67.35mm，所述第三聚光透镜的厚度为8.25mm。

可选地，所述第一聚光透镜的入光面的曲率半径为-20.74mm，所述第一聚光透镜的出光面的曲率半径为-17.87mm，所述第一聚光透镜的厚度为10.53mm；

所述第二聚光透镜的入光面的曲率半径为-51.62mm，所述第二聚光透镜的出光面曲率半径为-34.26mm，所述第二聚光透镜的厚度为8.65mm；

所述第二聚光透镜与第三聚光透镜之间的间距为0.30mm；

所述第三聚光透镜的入光面的曲率半径为-287.14，所述第三聚光透镜的出光面的曲率半径为-74.95mm，所述第三聚光透镜的厚度为8.51mm。

可选地，所述聚光透镜为弯月形透镜。

可选地，所述第二透镜组包括准直透镜组，所述双高斯透镜组相对于所述准直透镜组靠近所述入光端。

可选地，所述第一透镜组和第二透镜组的直径小于或等于65mm。

可选地，所述双高斯透镜组包括三片高斯镜片，分别为第一高斯镜片、第二高斯镜片、第三高斯镜片；

所述第一高斯镜片的入光面的曲率半径范围为59.5mm至62.5mm，所述第一高斯镜片的出光面的曲率半径范围为-165.5mm至-156.7mm，所述第一高斯镜片的厚度范围为14.0mm至15.0mm；

所述第一高斯镜片与第二高斯镜片之间的距离为0.3mm；

所述第二高斯镜片的入光面的曲率半径范围为36.0mm至39.0mm，所述第二高斯镜片的出光面的曲率半径范围为60.0mm至66.0mm，所述第而高斯镜片的厚度范围为13.0mm至14.0mm；

所述第二高斯镜片与第三高斯镜片之间的距离范围为3.0mm至3.2mm；

所述第三高斯镜片的入光面的曲率半径范围为153.0mm至156.9mm，所述第三高斯镜片的出光面的曲率半径范围为23.5mm至25.3mm，所述第三高斯镜片的厚度范围为7.8mm至8.3mm。

可选地，所述第一透镜组被配置为能够沿着所述检测镜头的轴向整体移动。

本发明还提供了一种用于头戴显示设备的检测方法，包括：

采用上述检测镜头；

将检测镜头的入光端对准待测头戴显示设备；

沿着所述检测镜头的轴向，将检测镜头的入光端调节至与待测头戴显示设备所投射的出瞳重合的位置处；

采用所述检测镜头采集待测头戴显示设备投射的图像。

本公开实施例的一个技术效果在于，该检测镜头模拟人眼近距离目视的形式，能够对近距离显示的头戴显示设备进行检测。该检测镜头通过透镜组的配置将横向视场角控制在120度、纵向视场角控制在80度，可以对具有宽屏显示效果的头戴显示设备进行检测。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本方案提供的一种具体实施方式的透镜组示意图；

图2(a)至图2(c)为图1所示实施方式的检测镜头的成像参数示意图；

图3是本方案提供的另一种具体实施方式的透镜组示意图；

图4(a)至图4(c)为图3所述实施方式的检测镜头的成像参数示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施方式中的附图，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。

本发明提供了一种用于头戴显示设备的检测镜头，该检测镜头包括透镜组，透镜组包括第一透镜组和第二透镜组。

所述检测镜头具有入光端，在实际应用时，检测镜头的入光端朝向待检测的显示设备，光线从入光端射入检测镜头。所述透镜组整体的入瞳与其自身的孔径光阑重合。在实际应用时，待测显示器的投射的像的位置与所述检测镜头的入光端位置对应，待测显示器发出的图像光线从所述入光端射入检测镜头。本技术方案提供的检测镜头能够模拟人眼的近距离目视特点，待测显示器的出光孔与检测镜头的入光端沿着光轴方向重合，这种设计方式符合人眼观看的特点。

所述检测镜头内设有透镜组，所述透镜组整体的入瞳与自身的孔径光阑重合，这种光学***形式符合人眼的光学形式，能够更好的模拟人眼的观测情况。所述透镜组包括第一透镜组和第二透镜组。如图1所示，所述检测镜头的入光端用于接收光线，光线从出光端一侧射出，出光端处则可以设置光学传感器，用于接收像。沿着从所述入光端向出光端的方向，所述第一透镜组与第二透镜组依次排列。也即，第一透镜组位于第二透镜组的靠近入光端的一侧。

所述第一透镜组主要用于对头戴显示设备发射出的光线起到收集、收束的作用。可选地，第一透镜组包括至少两片聚光透镜，聚光透镜的光焦度为正值，其能够将从入射端射入的光线汇聚到一定范围内，如图1所示，所述聚光透镜的光焦度为正值，位于入射端一侧的分散光线在经过所述聚光透镜的处理后能够汇聚到检测镜头内向出光端传播。被汇聚进入检测镜头的光线能够得到后续镜片的光学处理，进而实现在光学传感器上的成像。

所述第二透镜组用于对射入检测镜头的光线进行光学处理，矫正显示设备投射的图像的像差。如图1和图2所示，所述第二透镜组通过多个镜片对球面像差、像散等像差进行处理。

可选地，所述第二透镜组可以包括双高斯透镜组和准直透镜组，所述双高斯透镜组和准直透镜组综合对上述像差形成调节作用，所述双高斯透镜可以主要用于对光学***的不对称造成的像差进行调节，而准直透镜则用于对光线起到趋于平行光的矫正作用。

在本技术方案中，如图1所示，沿着从入光端到出光端的方向，所述双高斯透镜组位于更靠近入光端的位置。也即，双高斯透镜组相对于所述准直透镜组更靠近入光端。双高斯透镜组中至少包括三片光焦度为正的高斯镜片，这三片高斯镜片位于双高斯透镜组中更靠近入光端的位置。上述三片高斯镜片可以为第一高斯镜片、第二高斯镜片和第三高斯镜片。三片高斯镜片用于对第一透镜组投射的光线向光轴中心汇聚。

可选地，所述第一透镜组的整体有效焦距的范围可选为20mm至40mm，所述第二透镜组的整体有效焦距的范围可选为50mm-500mm。优选地，该范围可以在195mm-285mm内。第一透镜组与第二透镜组整体的有效焦距配合使得检测镜头的横向视场角小于或等于120度，纵向视场角小于或等于80度。这种设计方式使得检测镜头的检测视场相对较宽，适合用于对具有宽屏显示效果的头戴显示设备进行拍摄。其可以近距离的对头戴显示设备的显示像进行效果检测。所述第二透镜组的放大倍数范围可选控制在0.5-2倍之间。第二透镜组通过该放大范围能够在减轻图像像差的情况下，对图像起到一定程度的缩放作用，达到恰当的检测效果。

本方案首先通过将透镜组的入瞳与孔径光阑设计成重合形式，有效的模仿人眼实际观测头戴显示检测镜头时的光学状态。在实际进行测试时，可以将头戴显示设备投射的像的位置调节至与所述入光端重合的位置上，头戴显示设备在显像时为了使人眼能够观察，会通过内部的镜片将像投射在预定的位置。将该位置与所述入光端重合，能够很好的模拟人眼的观察状态。使用本方案提供的检测镜头进行测试时，可以将检测镜头的入光端靠近至头戴显示设备并处在与投射的像的位置。这样，检测镜头在拍摄图像时的状态能够与人眼观察图像的状态吻合。

进一步地，本方案的检测镜头的入瞳与自身的孔径光阑重合，这会造成沿着从入光端到出光端的方向，仅在孔径光阑的一侧设置有镜片。这种位置关系致使光学***在孔径光阑两侧是不对称的，这种成像方式更容易产生像差。对此，本方案在检测镜头中布设了第一透镜组，该第一透镜组还能够起到为第二透镜组提供中间像的作用。也即，如图1所示，经过第一透镜组的光学处理，第一透镜组能够将AR或VR设备之像成像在第一透镜组与第二透镜组之间。第二透镜组接收第一透镜组与第二透镜组之间的实像，进一步进行像差处理。在第一透镜组与第二透镜组之间进行一次实像成像，有助于解决光学***不对称的问题。在第一透镜组与第二透镜组之间的实像成像相当于第二透镜组的入瞳。

采用本方案提供的检测镜头，能够更准确的模拟人眼的观看状态，有效、准确的对头戴显示设备进行近距离显示的检测。并且，该检测镜头具有较宽的视场角范围，其能够对具有宽屏显示效果的VR、AR头戴显示设备一次完成显示效果的检测，无需对显示设备和检测镜头的相对位置进行调整。

本方案中提及的头戴显示设备可以为虚拟现实设备(VR)、增强现实设备(AR)等需要用户佩戴于头部，并且近距离观看的设备。这类设备都存在检测时无法有效模拟人眼观察形式的问题。本方案提供的检测镜头能够解决模拟问题。

可选地，所述第一透镜组的有效焦距范围可以在22mm至25mm范围内。这使得检测镜头更容易形成较大的视场角，使视场角接近120度。如果第 一透镜组的有效焦距长度过小，则会收集过大角度范围的光线，致使后续镜头对场像差的处理难度陡增，并且，也会影响到第一透镜组与第二透镜组的镜片数量以及沿着检测镜头方向的长度。如果第一透镜组的有效叫焦距长度过大，则需要调整第一透镜组以及检测镜头的直径，以使视场角达到合适的范围。而且，过长的焦距使得检测镜头难以达到接近120度的视场角。在第一透镜组的有效焦距符合上述范围的实施方案中，配合有效焦距范围在195mm-285mm的第二透镜组，能够对视场角小于或等于120*80度范围内的图像实现准确的采集和成像，第二透镜组与第一透镜组的有效焦距范围匹配在上述范围区间内时，其成像准确度更高，能够更有效的对头戴显示设备的成像效果进行检测。

可选地，所述第二透镜组的放大倍数范围可以在0.6-1.0倍之间。在这个范围内，第二透镜组能够更可靠的对第一透镜组形成的具有大视场角的实像进行像差补正。如果第二透镜组的放大倍数过大，则需要补正的像差大小也会增大，这会增大像差补正的难度。为了补正更大的像差，第二透镜组的直径可能需要增大，包含的镜片数量也可能需要增多。如果第二透镜组的放大倍数过小，需要调整、补正的像差过于细微，这会提高对第二透镜组中镜片的精度要求。如果第二透镜组中的镜片成型精度不够，则有可能无法对细微的像差进行调节。由此，本方案优选采用放大倍数在0.7-1.3倍之间的第二透镜组，以便更好的实现像差的补正。

可选地，在一种具体的实施方式中，所述第一透镜组的有效焦距为23.4mm，所述第二透镜组的有效焦距为235mm，所述第二透镜组的放大倍数为0.72倍。在该实施方式中，所述检测镜头能够准确检测横向视场角为120度、纵向视场角为80度范围内的、头戴显示设备投射的光线影像，并且对自身图像采集产生的像差进行补正。

图2示出了该实施方式对不通波长光线形成的场像差图。图2(a)为纵向球面像差图，体现检测镜头整体对光线形成的纵向球面像差的效果，该实施方式的第一透镜组和第二透镜组将球面像差限制在有限的范围内。图2(b)为像散场曲线图，体现检测镜头整体对光线形成的像散的效果。该实施方式的第一透镜组和第二透镜组将像散限制在较小程度。图2(c) 为畸变图，用于体检测镜头整体对图像形成的畸变效果。在该实施方式中，第一透镜组和第二透镜组以形成桶形畸变的形式投射图像光线，以便能够在图像传感器4上投射整个视场角范围内的图像光线。

图2(a)至(c)中不同的线条代表波长不同的光线。

可选地，所述检测镜头包括图像传感器4，图像传感器4设置在所述检测镜头的出光端，其用于接收经过检测镜头处理的光线、图像。图像传感器4将头戴显示设备投射的影像进行成像，以便分析显示效果。

在上述实施方式中，所述图像传感器4可选具有小于或等于4.5微米的像素，其颜色配准可以被控制为小于或等于7.9微米。采用小于或等于4.5微米的像素的图像传感器4，通常能够对该微距显示的图像进行清晰的采集，便于对显示效果进行分析检测。在实际应用中，也可以采用像素点更小的图像传感器4。

可选地，所述聚光透镜优选呈弯月形透镜。聚光透镜在具有正光焦度的情况下，进一步成型为弯月形透镜，这种设计方式能够进一步提高聚光透镜的聚光作用，使得预定视场角范围内的光线尽可能被聚光透镜汇聚到检测镜头中。弯月形透镜的边缘部位相对于中心部位弯折延伸，由此更容易实现对大角度光线的收集、汇聚作用。另外，具有正光焦度的弯月形透镜由于边缘处的厚度相对较薄，并且入光面与出光面的曲率半径相对接近，因此透镜的色差相对较小，光线穿过后产生的像差相对较小。这种设计方式为后续透镜组进行像差补正降低了难度。

可选地，所述第一透镜组与第二透镜组可以组成平场透镜组“f-tan(theta)lens”，也可以组成鱼眼透镜组“f-theta lens”。平场透镜组最终的成像效果畸变较低，图像呈平铺状态，这种透镜组能够均匀利用图像传感器4的像素点，对头戴显示设备的投射效果进行展示，以便后续的分析。

鱼眼透镜组最终的成像效果畸变较高，图像呈桶形畸变。图像的中心区域正常成像，周围则呈现出弯曲、环形变形的图像。鱼眼透镜组的这种畸变形式有助于增大检测镜头的整体视场角，其可以用于检测更大视场角范围内的图像。待检测的头戴显示设备投射的像相对于观测位置的人眼所 占据的视场角可能较大，为了能够对较大视场角内的显示图像都进行检测，检测镜头也存在需要具备大视场角的检测性能。

可选地，对于采用鱼眼透镜组“f-theta lens”的实施方式，本技术方案共提供了两套实施方案。

在第一套实施方案中，所述第一透镜组可以包括三片聚光透镜，分别为第一聚光透镜11、第二聚光透镜12和第三聚光透镜13。如图1所示，所述第一聚光透镜11、第二聚光透镜12和第三聚光透镜13沿着从所述入光端到所述出光端的方向依次排布。所述第一聚光透镜11位于第二聚光透镜的靠近入光端的一侧。

以下以如图1所示的鱼眼透镜组对本技术方案进行说明。

第一聚光透镜11、第二聚光透镜12和第三聚光透镜13将视场角小于或等于120*80度范围内的光线汇聚到检测镜头中，实现对这些光线的采集。

可选地，所述第一聚光透镜11的入光面的曲率半径的范围为-20.5mm mm至-21.9mm，所述第一聚光透镜11的出光面的曲率半径的范围为-17.7mm至-18.5mm，所述第一聚光透镜11的厚度范围为10.4mm至11.3mm。

例如，在一种实施方式中，所述第一聚光透镜11的入光面的曲率半径为-21.69mm，所述第一聚光透镜11的出光面的曲率半径为-18.24mm，所述第一聚光透镜11的厚度为11.13mm。

可选地，所述第二聚光透镜12的入光面的曲率半径的范围为-50.3mm至-51.8mm，所述第二聚光透镜12的出光面曲率半径的范围为-34.1mm至-34.9mm，所述第二聚光透镜12的厚度范围为8.5mm至8.8mm。

例如，在一种实施方式中，所述第二聚光透镜12的入光面的曲率半径为-50.44mm，所述第二聚光透镜12的出光面曲率半径为-34.70mm，所述第二聚光透镜12的厚度为8.72mm。

可选地，所述第三聚光透镜13的入光面的曲率半径的范围为-160mm至-300mm，所述第三聚光透镜13的出光面曲率半径的范围为-60mm至-80mm，所述第三聚光透镜13的厚度范围为8.0mm至8.7mm。

例如，在一种实施方式中，所述第三聚光透镜13的入光面的曲率半径为-171.77mm，所述第三聚光透镜13的出光面曲率半径为-67.35mm，所 述第三聚光透镜13的厚度为8.25mm。

可选地，所述第一聚光透镜11与第二聚光透镜12之间的间距为0.3mm。可选地，所述第二聚光透镜11与第三聚光透镜12之间的间距为0.62mm。

在上述实施方式中，三个聚光透镜能够将视场角在约120度*80度范围内的光线准确的收束至检测镜头内，并且对光线的照射方向进行平行处理，使得光线在尽量产生较小像差的情况下照射至后续的透镜上。如果第一聚光透镜11、第二聚光透镜12、第三聚光透镜13的入光面、出光面曲率半径与上述范围相差较大，有可能出现图像光线穿过聚光透镜后产生的像差增大，进而造成后续消除像差的难度增大。所述第一聚光透镜11的焦距小于第二聚光透镜12的焦距，所述第二聚光透镜12的焦距小于第三聚光透镜13的焦距。光线从入光端射入后能够逐渐向靠近检测镜头的轴线的方向传播，光线趋于平行。这种缓和的折光效果有助于减小不同波长的光线之间产生像差的情况。

所述第一透镜组除了包括第一聚光透镜11、第二聚光透镜12、第三聚光透镜13之外，还可以包括多个镜片，以使光线经过第一透镜组后能够形成中间实像。

在一种可选的实施方式中，所述第一透镜组包括上述的第一聚光透镜11、第二聚光透镜12和第三聚光透镜13，以及两片一次准直透镜，两片片一次准直透镜沿着从入光端到出光端的方向依次为下表中的镜片14、镜片15。

如下表1中呈现了在该实施方式中第一透镜组中各个镜片的参数：

表1

表1中呈现的是本方案中一种采用鱼眼透镜组“f-theta lens”的实施方式，如图1所示。其中，镜片15的出光端一侧为第一透镜组在检测镜头中所呈的实像，镜片15距离该实像的沿光轴的距离为9.584532mm。在第一聚光透镜11的入光端一侧，为头戴显示设备投射的实像(出瞳)，该实像距离第一聚光透镜11的沿光轴的距离为8.041887mm。特别地，在本技术方案中，所述入光端与头戴显示设备投射的实像处在同一位置，也即入光端与第一聚光透镜11之间的距离也可以是8.041887mm。如图1所示，该可选的具体实施方式的视场角趋近为120度*80度。

如上所述，所述第二透镜组用于对整体成像过程中产生的像差进行补偿，最终在位于出光端上的图像传感器4上成像。可选地，所述第二透镜组可以包括双高斯透镜组和准直透镜组。

可选地，所述双高斯透镜组包括至少三片高斯镜片，这前三片高斯镜片分别为第一高斯镜片21、第二高斯镜片22、第三高斯镜片23。这三片高斯镜片沿着从所述入光端到出光端的方向依次排布。

可选地，所述第一高斯镜片21的入光面的曲率半径范围为59.5mm至62.5mm，所述第一高斯镜片21的出光面的曲率半径范围为-165.5mm至-156.7mm，所述第一高斯镜片21的厚度范围为14.0mm至15.0mm。

例如，在一种实施方式中，所述第一高斯镜片21的入光面的曲率半径为60.8mm，所述第一高斯镜片21的出光面曲率半径为-164.1mm，所述第一高斯镜片21的厚度为14.5mm。

可选地，所述第二高斯镜片22的入光面的曲率半径范围为36.0mm至39.0mm，所述第二高斯镜片22的出光面的曲率半径范围为60.0mm至66.0mm，所述第二高斯镜片22的厚度范围为13.0mm至14.0mm。

例如，在一种实施方式中，所述第二高斯镜片22的入光面的曲率半径为37.5mm，所述第二高斯镜片22的出光面曲率半径为61.5mm，所述第二高斯镜片22的厚度为13.6mm。

可选地，所述第三高斯镜片23的入光面的曲率半径范围为153.0mm至156.9mm，所述第三高斯镜片23的出光面的曲率半径范围为23.5mm至25.3mm，所述第三高斯镜片23的厚度范围为7.8mm至8.3mm。

例如，在一种实施方式中，所述第三高斯镜片23的入光面的曲率半径为154.5mm，所述第三高斯镜片23的出光面曲率半径为24.3mm，所述第三高斯镜片23的厚度为7.9mm。

可选地，所述第一高斯镜片21与第二高斯镜片22之间的距离为0.3mm。可选地，所述第二高斯镜片22与第三高斯镜片23之间的距离范围为3.0mm至3.2mm。例如，所述第二高斯镜片22与第三高斯镜片23之间的距离为3.1mm。

在如图1所示的技术方案中，所述双高斯透镜组可以包括8片镜片，其中前五片镜片将光线汇聚，后三片镜进一步对光线进行调节，形成分散、相对平行的光线。该8片镜片沿着从入光端到出光端的方向依次为高斯镜片21、高斯镜片22、高斯镜片23、高斯镜片24、高斯镜片25、高斯镜片26、高斯镜片27、高斯镜片28。

如下表2中呈现了在该实施方式中双高斯透镜组的各个镜片的参数：

表2

表2中呈现的是如图1所示方案中鱼眼透镜组“f-theta lens”的双高斯透镜组的各镜片参数。如图1所示。其中，镜片15的出光端一侧为第二透镜组在检测镜头中其它镜片，高斯镜片28距离下一个镜片的沿光轴的距离为23.180907mm。在高斯镜片21的入光端一侧，为第一透镜组在检测镜头中所成的实像(出瞳)，该实像距离高斯镜片21的沿光轴的距离为8.695056mm。在本技术方案中，双高斯透镜组对图像的各色光线进行汇聚再分散，用于对不通波长的光线实现像差补偿，降低像差对成像检测的干扰。

如图1所示，所述准直透镜组可以包括7片镜片，在该实施方式中，各个准直透镜沿着从入光端到出光端的方向依次为准直镜片31、准直镜片32、准直镜片33、准直镜片34、准直镜片35、准直镜片36、准直镜片37。准直透镜组用于将双高斯透镜组处理的分散的光线汇聚成区域平行的光束，不通波长的各个颜色光线再次汇聚成区域平行的图像，以便于在出光端的图像传感器4上成像。

如下表3中呈现了在该实施方式中准直透镜组的各个镜片的参数：

表3

表3中呈现的是如图1所示方案中鱼眼透镜组“f-theta lens”的准直透镜组的各镜片参数。如图1所示。其中，准直镜片37的出光端一侧为图像传感器4，准直镜片37距离图像传感器4的沿光轴的距离为77.035957mm。特别地，准直镜片37的入光面和出光面平缓，曲率半径较大，其尽量减少光线射入准直镜片37后再次产生像差，准直镜片37的作用是对图像光线进行方向校正，使其以趋于平行的形式照射在图像传感器4上。在准直镜片31的入光端一侧，为第二透镜组的最后一个高斯镜片，也即高斯镜片28。

可选地，本方案中对于不同的镜片，可以采用不同的玻璃材质以达到更好的光学效果。不同的玻璃材质在折射率、对不通波长光线的像散效果不同。玻璃材质可以在已有的规范玻璃材质中选择。以图1所示的技术方案为例，对于第一透镜组，第一聚光透镜11的玻璃编号为946179，第二聚光透镜12的玻璃编号为805255，第三聚光透镜13的玻璃编号为835427，镜片14的玻璃编号为805255，镜片15的玻璃编号为438945。

对于双高斯透镜组，高斯镜片21的玻璃编号为438945，高斯镜片22和高斯镜片23的玻璃编号为805255，高斯镜片24的玻璃编号为717295，和高斯镜片25的玻璃编号为946179，高斯镜片26的玻璃编号为518590， 高斯镜片27的玻璃编号为805255，高斯镜片28的玻璃编号为835427。

对于准直透镜组，准直镜片31的玻璃编号为438945，准直镜片32的玻璃编号为923209，准直镜片33的玻璃编号为805255，准直镜片34的玻璃编号为438945，准直镜片35的玻璃编号为593683，准直镜片36的玻璃编号为805255，准直镜片37的玻璃编号为593683。

图2示出了图1所示的实施方式对图像像差的限制作用。图2(a)为纵向球面像差的示意图；图2(b)为场像散的示意图；图2(c)为畸变示意图。该实施方式的畸变量较大，第一透镜组与第二透镜组组成鱼眼透镜组。

可选地，所述第一透镜组能够沿着检测镜头的轴向，其通过轴向移动能够实现检测镜头的对焦检测，使待检测的头戴显示设备投射的图像准确对焦成像在图像传感器4上。

在一种优选的实施方式中，所述第二透镜组整体能够沿着检测镜头的轴向移动。第二透镜组相对而言具有更长的整体焦距，其通过轴向移动能够更精确的实现检测镜头的对焦，便于检测镜头精确的拍摄头戴显示设备投射的图像。这种设计方式能够尽量减小检测镜头自身的成像误差，进而精准的反应待测头戴显示设备的成像效果。

可选地，在本技术方案中，透镜组自身的孔径光阑孔径范围为3.8mm-4.2mm，优选为4mm。一方面，所述孔径光阑的大小模拟人眼瞳孔的正常大小；另一方面，通过对孔径光阑大小的控制，也可以对检测镜头的视场角进行辅助限定，模拟头戴显示设备实际使用时的工况。

可选地，所述第一透镜组和第二透镜组整体的口径小于或等于40mm，例如可以为35mm或38mm。这种设计方式保证了检测镜头的直径不会过大，否则会导致在实际应用中无法使入光端靠近到头戴显示设备的出瞳位置，头戴显示设备往往具有特定的形状，供检测镜头放置的空间有限。而由于检测镜头的口径相对较小，所以如果想达到相对较大的视场角是比较困难的。在这种情况下，本技术方案通过配置具有聚光透镜的第一透镜组和双高斯透镜组的镜片实现了小直径下的大视场角。

在本技术方案的另一种具体实施方式中，图3示出了另一种采用鱼眼 透镜组的实施方式，以下以如图3所示的该实施方式对本方案进行说明。

在第二套实施方案中，所述第一透镜组可以包括三片聚光透镜，分别为第一聚光透镜11、第二聚光透镜12和第三聚光透镜13。如图1所示，所述第一聚光透镜11、第二聚光透镜12和第三聚光透镜13沿着从所述入光端到所述出光端的方向依次排布。所述第一聚光透镜11位于第二聚光透镜的靠近入光端的一侧。

可选地，在该实施方式中，所述第一聚光透镜11的入光面的曲率半径为-20.74mm，所述第一聚光透镜11的出光面的曲率半径为-17.87mm，所述第一聚光透镜11的厚度为10.53mm；

所述第二聚光透镜12的入光面的曲率半径为-51.62mm，所述第二聚光透镜12的出光面曲率半径为-34.26mm。所述第二聚光透镜12的厚度为8.65mm；所述第二聚光透镜12与第三聚光透镜之间的间距为0.30mm。所述第三聚光透镜13的入光面的曲率半径为-287.14，所述第三聚光透镜13的出光面的曲率半径为-74.95mm，所述第三聚光透镜13的厚度为8.51mm。

在上述聚光透镜的实施方式中，第一、第二、第三聚光透镜能够将横向视场角在约120度、纵向视场角在约80度的范围内的光线准确的收束至检测镜头内，并且对光线的照射方向进行汇聚处理，使得光线整体照射到后续的透镜上，这一过程中可以产生桶形像差。在后续镜片的光学处理中，也会进一步形成桶形像差，进而最终形成有畸变的成像。这种实施方式的优点在于，使用较少的聚光透镜就可以达到预期的视场角，或者，采用更多数量的聚光透镜，可以获得极大的视场角。在所成图像的边缘区域，为了容纳下更多的光线，一个像素点相对于采用平场透镜的实施方式要接收更多光线。这也就造成了对于图像边缘区域的像差检测相对有所变化。

所述第一透镜组除了包括第一、第二、第三聚光透镜之外，还可以包括多个镜片，以使光线经过第一透镜组后能够形成中间实像。

在该实施方式中，所述第一透镜组包括上述的聚光透镜以及两片一次准直透镜，两片一次准直透镜沿着从入光端到出光端的方向依次为下表中的镜片14、镜片15。

如下表4中呈现了在该实施方式中第一透镜组中各个镜片的参数：

表4

表4中呈现的是本方案中另一种鱼眼透镜组“f-theta lens”的实施方式，如图3所示。其中，镜片15的出光端一侧为第一透镜组在检测镜头中所呈的实像，镜片15距离该实像的沿光轴的距离为10.372304mm。在聚光透镜的入光端一侧，为头戴显示设备投射的实像(出瞳)，该实像距离聚光透镜的沿光轴的距离为8.302543mm。特别地，在本技术方案中，所述入光端与头戴显示设备投射的实像处在同一位置，也即入光端与聚光透镜之间的距离也可以是8.302543mm。如图3所示，该可选的具体实施方式的视场角趋近为120度*60度。

如上所述，所述第二透镜组用于对整体成像过程中产生的像差进行补偿，最终在位于出光端上的图像传感器4上成像。所述第二透镜组可以包括双高斯透镜组和准直透镜组。

如图3所示，所述双高斯透镜组可以包括8片镜片，其中前五片镜片将光线汇聚，后三片镜进一步对光线进行调节，形成分散、相对平行的光线。该8片镜片沿着从入光端到出光端的方向依次为高斯镜片21、高斯镜片22、高斯镜片23、高斯镜片24、高斯镜片25、高斯镜片26、高斯镜片 27、高斯镜片28。

如下表5中呈现了在该实施方式中双高斯透镜组的各个镜片的参数：

表5

表5中呈现的是如图3所示方案中鱼眼透镜组“f-theta lens”的双高斯透镜组的各镜片参数。如图3所示。其中，高斯镜片28的出光端一侧为第二透镜组在检测镜头中其它镜片，高斯镜片28距离下一个镜片的沿光轴的距离为34.865381mm。在高斯镜片21的入光端一侧，为第一透镜组在检测镜头中所成的实像(出瞳)，该实像距离高斯镜片21的沿光轴的距离为17.789416mm。在本技术方案中，双高斯透镜组对图像的各色光线进行汇聚再分散，用于对不通波长的光线实现像差补偿，降低像差对成像检测的干扰。

如图3所示，所述准直透镜组可以包括7片镜片，在该实施方式中，各个准直透镜沿着从入光端到出光端的方向依次为准直镜片31、准直镜片32、准直镜片33、准直镜片34、准直镜片35、准直镜片36、准直镜片37。准直透镜组用于将双高斯透镜组处理的分散的光线汇聚成区域平行的光束，不通波长的各个颜色光线再次汇聚成区域平行的图像，以便于在出光端的图像传感器4上成像。

如下表6中呈现了在该实施方式中准直透镜组的各个镜片的参数：

表6

表6中呈现的是如图3所示方案中鱼眼透镜组“f-theta lens”的准直透镜组的各镜片参数。如图3所示。其中，准直镜片37的出光端一侧为图像传感器4，准直镜片37距离图像传感器4的沿光轴的距离为68.942486mm。特别地，准直镜片37的出光面趋近于平面，其尽量减少光线射出准直镜片37后再次产生像差，准直镜片37的作用是对图像光线进 行方向校正，使其以汇聚的形式照射在图像传感器4上。在准直镜片31的入光端一侧，为第二透镜组的最后一个高斯镜片，也即高斯镜片25。

可选地，本方案中对于不同的镜片，可以采用不同的玻璃材质以达到更好的光学效果。不同的玻璃材质在折射率、对不通波长光线的像散效果不同。玻璃材质可以在已有的规范玻璃材质中选择。以图3所示的技术方案为例，对于第一透镜组，第一聚光透镜11的玻璃编号为946179，第二聚光透镜12的玻璃编号为805255，第三聚光透13的玻璃编号为835427，镜片14的玻璃编号为805255，镜片15的玻璃编号为438945。

对于双高斯透镜组，高斯镜片21的玻璃编号为438945，高斯镜片22和高斯镜片23的玻璃编号为805255，高斯镜片24的玻璃编号为717295，高斯镜片25的玻璃编号为946179，高斯镜片26的玻璃编号为518590，高斯镜片27的玻璃编号为805255，高斯镜片28的玻璃编号为835427。

对于准直透镜组，准直镜片31的玻璃编号为438945，准直镜片32的玻璃编号为923209，准直镜片33的玻璃编号为805255，准直镜片34的玻璃编号为438945，准直镜片35的玻璃编号为593683，准直镜片36的玻璃编号为805255，准直镜片37的玻璃编号为593683。

图4示出了图3所示的实施方式对图像像差的限制作用。图4(a)为纵向球面像差的示意图；图4(b)为场像散的示意图；图4(c)为畸变示意图。该实施方式的畸变量较大，第一透镜组与第二透镜组组成鱼眼透镜组。

本技术方案还提供了一种头戴显示设备的检测方法，该方法包括使用上述方案中的检测镜头，将检测镜头的入光单对准待测头戴显示设备的显示区域。优选的，使所述检测镜头的轴线与待测头戴显示设备的显示光轴重合。

沿着所述检测镜头的轴向，将检测镜头的入光端调节至与待测检测镜头显示设备所透射的出瞳(实像)重合的位置处。

采用上述检测镜头对待测头戴显示设备投射的图像进行采集。后续对采集的图像进行分析。

以上所揭露的仅为本公开一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本公 开之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本公开权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1. 一种用于头戴显示设备的检测镜头，其特征在于，

   所述检测镜头具有入光端，所述检测镜头被配置为从所述入光端接收光线；

   所述检测镜头包括透镜组，所述透镜组整体的入瞳与自身的孔径光阑重合；

   所述透镜组第一透镜组和第二透镜组，沿着所述检测镜头的轴向，所述第一透镜组相对于所述第二透镜组靠近所述入光端，所述第一透镜组的有效焦距的范围为20mm-40mm，所述第二透镜组的放大倍数范围为0.5-2倍，所述第二透镜组的有效焦距范围为195mm-285mm；

   所述第二透镜组包括双高斯透镜组，所述双高斯透镜组在所述第二透镜组中位于靠近所述入光端的位置，所述双高斯透镜组在靠近所述入光端的一侧配置至少三片光焦度为正的高斯镜片；

   所述检测镜头的横向视场角小于或等于120度，所述检测镜头的纵向视场角小于或等于80度。
2. 根据权利要求1所述的检测镜头，其特征在于，所述第一透镜组的有效焦距的范围为22mm-25mm。
3. 根据权利要求1所述的检测镜头，其特征在于，所述第二透镜组的放大倍数范围为0.6-1.0倍。
4. 根据权利要求1所述的检测镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括三片聚光透镜，三片所述聚光透镜分别为第一聚光透镜、第二聚光透镜和第三聚光透镜，所述第一聚光透镜相对于所述第二聚光透镜靠近所述入光端，所述第二聚光透镜相对于所述第三聚光透镜靠近所述入光端。
5. 根据权利要求4所述的检测镜头，其特征在于，所述聚光透镜为弯月形透镜。
6. 根据权利要求1所述的检测镜头，其特征在于，所述第二透镜组包括准直透镜组，所述双高斯透镜组相对于所述准直透镜组靠近所述入光端。
7. 根据权利要求1所述的检测镜头，其特征在于，所述第一透镜组和第二透镜组的直径小于或等于65mm。
8. 根据权利要求1所述的检测镜头，其特征在于，所述双高斯透镜组包括三片高斯镜片，分别为第一高斯镜片、第二高斯镜片、第三高斯镜片；

   所述第一高斯镜片的入光面的曲率半径范围为59.5mm至62.5mm，所述第一高斯镜片的出光面的曲率半径范围为-165.5mm至-156.7mm，所述第一高斯镜片的厚度范围为14.0mm至15.0mm；

   所述第一高斯镜片与第二高斯镜片之间的距离为0.3mm；

   所述第二高斯镜片的入光面的曲率半径范围为36.0mm至39.0mm，所述第一高斯镜片的出光面的曲率半径范围为60.0mm至66.0mm，所述第一高斯镜片的厚度范围为13.0mm至14.0mm；

   所述第二高斯镜片与第三高斯镜片之间的距离范围为3.0mm至3.2mm；

   所述第三高斯镜片的入光面的曲率半径范围为153.0mm至156.9mm，所述第三高斯镜片的出光面的曲率半径范围为23.5mm至25.3mm，所述第一高斯镜片的厚度范围为7.8mm至8.3mm。
9. 根据权利要求1所述的检测镜头，其特征在于，所述第一透镜组被配置为能够沿着所述检测镜头的轴向整体移动。
10. 一种用于头戴显示设备的检测方法，其特征在于，包括：

    采用权利要求1至10任意之一所述的检测镜头；

    将检测镜头的入光端对准待测头戴显示设备；

    沿着所述镜头的轴向，将检测镜头的入光端调节至与待测头戴显示设备所投射的出瞳重合的位置处；

    采用所述检测镜头采集待测头戴显示设备投射的图像。