CN210835439U

CN210835439U - 一种大视场角高像质的目镜光学***及设备

Info

Publication number: CN210835439U
Application number: CN201922064414.1U
Authority: CN
Inventors: 曹鸿鹏; 郭健飞; 彭华军
Original assignee: Shenzhen Ned Optics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Ned Optics Co Ltd
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2029-11-26

Abstract

本实用新型涉及一种大视场角高像质的目镜光学***及设备，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组以及第二透镜组；第一透镜组由一片或者多片透镜构成，第二透镜组包括菲涅尔透镜；菲涅尔透镜包括菲涅尔面；通过采用了新型光学面型菲涅尔面型与传统光学球面及非球面面型的组合，并且各透镜及透镜组的焦距在满足特定的条件的情况下实现***像差的大幅消除，降低各光学部件的感度，易于部件的加工及组装，特别是同时实现了大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标，观察者可以通过本实用新型目镜光学***，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验。

Description

一种大视场角高像质的目镜光学***及设备

技术领域

本实用新型涉及头戴显示设备光学***，更具体地说，涉及一种大视场角高像质的目镜光学***及设备。

背景技术

随着电子器件不断向超微型化发展，以及新的计算机、微电子、光电器件和通信理论和技术的发展，可穿戴计算这种基于“以人为本”“人机合一”的新型模式已经成为可能。在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用。在一个典型的可穿戴计算***架构中，头戴式显示装置是关键的组成部分。头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息。目镜光学***是头戴显示装置的核心，实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。

头戴显示装置向着体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载等方向发展。同时，大视场角和视觉舒适体验也逐渐成为衡量头戴显示装置优劣的关键因素，大视场角决定了高临场感的视觉体验效果，高像质、低畸变决定了视觉体验的舒适度。满足这些要求，需要目镜光学***尽可能地实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标，同时满足上述光学性能对***的设计和像差优化是很大挑战。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于现有的光学结构像质不高、存在畸变以及视场角不够大，针对现有技术的上述缺陷，提供一种目镜光学结构、***及设备。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：采用新型的菲涅尔面型与传统的球面及非球面面型进行创造性的合理的搭配，构造一种高像质、大视场、易加工的目镜光学***。

构造一种大视场角高像质的目镜光学***，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组以及第二透镜组；所述第一透镜组由一片或者多片透镜构成，所述第二透镜组包括菲涅尔透镜；所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面；

所述菲涅尔面从中心到边缘范围可分为N段，其中，第n段内的频率为fn，N与n满足下列关系式(1)、(2)：

N≥1 (1)；

1≤n≤N (2)；

所述菲涅尔透镜的焦距为F4，光学***的总焦距为F，F4与F满足下列关系式(3)：

0.3≤|F4/F| (3)。

作为本实用新型的进一步方案：所述菲涅尔透镜的通光口径为D4，且D4与F4满足下列关系式(4)：

|D4/F4|≤2.5 (4)。

作为本实用新型的进一步方案：所述菲涅尔透镜靠近微型显示器件一侧的光学面到微型显示器件的距离为fd，且fd与F满足下列关系式(5)：

0.05≤fd/F≤1.0 (5)。

作为本实用新型的进一步方案：所述F4与F进一步满足下列关系式(6)：

0.3455≤|F4/F| (6)。

作为本实用新型的进一步方案：所述D4与F4进一步满足下列关系式(7)：

|D4/F4|≤2.05 (7)。

作为本实用新型的进一步方案：所述fd与F进一步满足下列关系式(8)：

0.095≤fd/F≤0.89 (8)。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜组和所述第二透镜组的各透镜均由玻璃材料或塑胶材料构成。

作为本实用新型的进一步方案：所述菲涅尔透镜还包括普通光学面；所述普通光学面为平面、球面或非球面面型。

作为本实用新型的进一步方案：所述第一透镜组中的各透镜的面型为球面面型、偶次非球面面型或菲涅尔面型，且所述第一透镜组和所述第二透镜组中至少存在一个轴对称非球面透镜。

本实用新型还提供一种大视场角高像质的目镜光学设备，包括两个分别与人左右眼位置对应的微型显示器件，还包括如前述中任一项所述的光学***，所述光学***设置在人眼与所述微型显示器件中间的位置，将微型显示器件所显示的画面以高像质，低畸变，大视场角的特点投射到人眼中。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型由于采用了新型的菲涅尔面型与传统光学球面及非球面面型的组合，并且各透镜及透镜组的焦距在满足特定的条件的情况下实现***像差的大幅消除，降低各光学部件的感度，易于部件的加工及组装，特别是同时实现了大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标，观察者可以通过本实用新型所述目镜光学***，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，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附图：

图1为本实用新型的菲涅尔面的面型示意图；

图2为本实用新型的图1中A-A处的剖视放大图；

图3为本实用新型实施例一的目镜光学***的结构示意图；

图4为本实用新型实施例一的目镜光学***的弥散斑阵列示意图；

图5为本实用新型实施例一的目镜光学***的畸变示意图；

图6为本实用新型实施例一的目镜光学***的光学传递函数MTF示意图；

图7为本实用新型实施例二的目镜光学***的结构示意图；

图8为本实用新型实施例二的目镜光学***的弥散斑阵列示意图；

图9为本实用新型实施例二的目镜光学***的畸变示意图；

图10为本实用新型实施例二的目镜光学***的光学传递函数MTF示意图；

图11为本实用新型实施例三的目镜光学***的结构示意图；

图12为本实用新型实施例三的目镜光学***的弥散斑阵列示意图；

图13为本实用新型实施例三的目镜光学***的畸变示意图；

图14为本实用新型实施例三的目镜光学***的光学传递函数MTF示意图；

图15为本实用新型实施例四的目镜光学***的结构示意图；

图16为本实用新型实施例四的目镜光学***的弥散斑阵列示意图；

图17为本实用新型实施例四的目镜光学***的畸变示意图；

图18为本实用新型实施例四的目镜光学***的光学传递函数MTF示意图；

图19为本实用新型实施例五的目镜光学***的结构示意图；

图20为本实用新型实施例五的目镜光学***的弥散斑阵列示意图；

图21为本实用新型实施例五的目镜光学***的畸变示意图；

图22为本实用新型实施例五的目镜光学***的光学传递函数MTF示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型的一种大视场角高像质的目镜光学***如图1与图2所示，提供一种大视场角高像质的目镜光学***，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组A1以及第二透镜组A2；第一透镜组A1由一片或者多片透镜构成，第二透镜组A2包括菲涅尔透镜；菲涅尔透镜包括菲涅尔面；

菲涅尔面从中心到边缘范围可分为N段，其中，第n段内的频率为fn，N与n满足下列关系式(1)、(2)：

N≥1 (1)；

1≤n≤N (2)；

上述关系式(2)中，n的取值为1,2,3,4,5……N。其中，不同段内的频率fn可以不相同。如表一所示，菲涅尔面的组合数据如下：

表一菲涅尔面的组合数据

菲涅尔透镜的焦距为F4，光学***的总焦距为F，F4与F满足下列关系式(3)：

0.3≤|F4/F| (3)；

上述关系式(3)中，|F4/F|的取值可为0.3、0.3455、1.193、0.3479、0.3787、0.472、10.61。

上述实施例中，采用了新型的菲涅尔面型与传统光学球面及非球面面型的组合，并且各透镜及透镜组的焦距在满足特定的条件的情况下实现***像差的大幅消除，降低各光学部件的感度，易于部件的加工及组装，实现了大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标。

在进一步的实施例中，菲涅尔透镜的通光口径为D4，且D4与F4满足下列关系式(4)：

|D4/F4|≤2.5 (4)；

上述关系式(4)中，|D4/F4|的取值可为2.05、0.073、0.338、0.45、1.45、2.5。

在进一步的实施例中，菲涅尔透镜靠近微型显示器件一侧的光学面到微型显示器件的距离为fd，且fd与F满足下列关系式(5)：

0.05≤fd/F≤1.0 (5)；

上述关系式(5)中，fd/F的值可为0.05、0.095、0.2、0.355、0.499、0.87、0.89、1.0。

在进一步的实施例中，F4与F进一步满足下列关系式(6)：

0.3455≤|F4/F| (6)。

在进一步的实施例中，D4与F4进一步满足下列关系式(7)：

|D4/F4|≤2.05 (7)。

在进一步的实施例中，fd与F进一步满足下列关系式(8)：

0.095≤fd/F≤0.89 (8)。

通过进一步优选菲涅尔透镜有效焦距的取值范围，更好地平衡了光学***的光学性能和加工制造难度。

在进一步的实施例中，第一透镜组A1和第二透镜组A2的各透镜均由玻璃材料或塑胶材料构成；使得所述目镜光学***的各级像差得到充分校正的同时，又控制了光学元件的制造成本和光学***的重量。

在进一步的实施例中，菲涅尔透镜还包括普通光学面；普通光学面为平面、球面或非球面面型。

在进一步的实施例中，第一透镜组A1中的各透镜的面型为球面面型、偶次非球面面型或菲涅尔面型，且第一透镜组A1和第二透镜组A2中至少存在一个轴对称非球面透镜；采用了新型的菲涅尔面型与传统光学球面及非球面面型的组合，并且各透镜及透镜组的焦距在满足特定的条件的情况下实现***像差的大幅消除，降低各光学部件的感度，易于部件的加工及组装，实现了大视场角、低畸变、低色差、低场曲、低像散等光学指标。

上述实施例中，非球面的表达式为

其中，z为光学面的矢高，c为非球面顶点处曲率，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。

下面结合附图说明及具体实施方式，对本实用新型进一步说明：在下述各实施例的光路图中，从微型显示器发出的光，依次经菲涅尔透镜和第一透镜组A1后，进入人员，光阑可以为目镜光学***成像的出瞳，为一个虚拟的出光孔径，人眼EYE的瞳孔在光阑位置时，可以观察到最佳的成像效果。

实施例一

实施例一的目镜设计数据如下表所示：

表二实施例一的目镜设计数据

附图3为实施例一目镜光学***的2D结构图，该光学结构由四片光学透镜组成，第一透镜组A1由第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3组成，其中第一透镜L1和第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，第一光学面1、第三光学面3、第四光学面4、第五光学面5和第六光学面6为凸向人眼的球面或非球面面型，第二光学面2为凹向人眼的偶次非球面面型；第二透镜组A2中的菲涅尔透镜为L4，第七光学面7为偶次非球面，第八光学面8为菲涅尔面；其中，第八光学面8的菲涅尔面的参数第四次项系数为1.57e-06，第六次项系数为6.9e-10，第八次项系数为-7.75e-13，第十次项系数为4.4e-16。菲涅尔透镜的焦距为F4，菲涅尔面的通光口径为D4，光学结构的***总焦距为F，第八光学面8到微型显示器件的距离为fd，其|F4/F|为1.193，|D4/F4|为1.425，fd/F为0.605。

附图4、附图5、附图6分别为该光学***的弥散斑阵列图、畸变图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学畸变，单位周期每10mm分辨率达到0.78以上，光学***像差得到良好校正，通过目镜光学***可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

实施例二

实施例二的目镜设计数据如下表所示：

表三实施例二的目镜设计数据

附图7为实施例二的目镜光学***的2D结构图，较实施例一，实施例二的主要特点在于该光学结构由两片光学透镜组成，其中第一透镜组A1由第一透镜L1组成，其中，第一透镜L1为负透镜；第一光学面1与第二光学面2的面型为凸向人眼的偶次非球面面型，第二透镜组A2中的菲涅尔透镜为第二透镜L2，其中，第三光学面3为偶次非球面，第四光学面4为菲涅尔面；第四光学面4的菲涅尔面的参数第四次项系数为-4.1467078e-05，第六次项系数为2.5702072e-07，第八次项系数为-1.1292358e-09，第十次项系数为2.4473554e-12。菲涅尔透镜的焦距为F4，菲涅尔面的通光口径为D4，光学结构的***总焦距为F，第四光学面4到微型显示器件的距离为fd，其|F4/F|为0.3479，|D4/F4|为1.993，fd/F为0.941。

附图8、附图9、附图10分别为该光学***的弥散斑阵列图、畸变图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学畸变，单位周期每10mm分辨率达到0.15以上，光学***像差得到良好校正，通过目镜光学***可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

实施例三

实施例三的目镜设计数据如下表所示：

表四实施例三的目镜设计数据

附图11为实施例三的目镜光学***的2D结构图，较实施例一、实施例二，实施例三主要特点在于该光学结构由三片光学透镜组成，其中第一透镜组A1由第一透镜L1和第二透镜L2组成，其中，第一透镜L1为正透镜，第二透镜L2为负透镜；第一光学面1与第四光学面4的面型为凸向人眼的偶次非球面面型，第二光学面2和第三光学面3的面型为凹向人眼的偶次非球面；第二透镜组A2中的菲涅尔透镜为第三透镜L3，第五光学面5为偶次非球面，第六光学面6为菲涅尔面。菲涅尔透镜的焦距为F4，菲涅尔面的通光口径为D4，光学结构的***总焦距为F，第六光学面到微型显示器件的距离为fd，其|F4/F|为0.3787，|D4/F4|为2.0，fd/F为0.791。

附图12、附图13、附图14分别为该光学***的，弥散斑阵列图、畸变图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学畸变，单位周期每10mm分辨率达到0.50以上，光学***像差得到良好校正，通过目镜光学***可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

实施例四

实施例四的目镜设计数据如下表所示：

表五实施例四的目镜设计数据

附图15为实施例四的目镜光学***的2D结构图，较实施例一、实施例二、实施例三，实施例四的主要特点在于该光学结构由三片光学透镜组成，且第一透镜组A1中包含一个菲涅尔透镜，其中第一透镜组A1由第一透镜L1、第二透镜L2组成，且第一透镜L1为正透镜，第二透镜L2为菲涅尔透镜；其中，第一光学面1的面型为凸向人眼的偶次非球面面型，第二光学面2的面型为凹向人眼的球面,第三光学面3的面型为凹向人眼的偶次非球面；第二透镜组A2中的菲涅尔透镜为第三透镜L3，且第五光学面5为偶次非球面，第六光学面6为菲涅尔面。第六光学面6的菲涅尔面的参数第四次项系数为-4.8396642e-05，第六次项系数为9.6819004e-08，第八次项系数为-1.60209e-10，第十次项系数为1.294112e-13。菲涅尔透镜的焦距为F4，菲涅尔面的通光口径为D4，光学结构的***总焦距为F，第六光学面6到微型显示器件的距离为fd，其|F4/F|为0.472，|D4/F4|为1.45，fd/F为0.93。

附图16、附图17、附图18分别为该光学***的，弥散斑阵列图、畸变图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学畸变，单位周期每10mm分辨率达到0.30以上，光学***像差得到良好校正，通过目镜光学***可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

实施例五

实施例五的目镜设计数据如下表所示：

表六实施例五的目镜设计数据

附图19为实施例五的目镜光学***的2D结构图，相较其他实施例，实施例五主要特点在于该光学结构由四片光学透镜组成，且其中第一透镜组A1由第一透镜L1、第二透镜L2及第三透镜L3组成，其中，第一透镜L1与第三透镜L3为正透镜，第二透镜L2为负透镜，且第一光学面1的面型为凸向人眼的球面面型，第三光学面3、第四光学面4、第五光学面5的面型为凸向人眼的偶次非球面面型，第二光学面2、第六光学面6的面型为凹向人眼的偶次非球面面型；第二透镜组A2中的菲涅尔光学透镜为L4，且第七光学面7为偶次非球面，第八光学面8为菲涅尔面。第八光学面的菲涅尔面的参数第四次项系数为-1.6683367e-06，第六次项系数为1.3777189e-10，第八次项系数为-1.2996377e-11，第十次项系数为6.9607322e-15。菲涅尔透镜的焦距为F4，菲涅尔面的通光口径为D4，光学结构的***总焦距为F，第六光学面6到微型显示器件的距离为fd，其|F4/F|为10.61，|D4/F4|为0.073，fd/F为0.62。

附图20、附图21、附图22分别为该光学***的，弥散斑阵列图、畸变图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学畸变，单位周期每10mm分辨率达到0.50以上，光学***像差得到良好校正，通过目镜光学***可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

上述实施例一至实施例五的各项数据均满足实用新型内容中所记录的参数要求，结果如下表七所示：

表七实施例一至实施例五的各项数据

	F4/F	D4/F4	fd/F
				实施例一	1.193	1.425	0.605
实施例二	0.3479	1.993	0.941
				实施例三	0.3787	2.0	0.791
实施例四	0.472	1.45	0.93
				实施例五	10.61	0.073	0.62

在另一实施例中，本实用新型还提供一种大视场角高像质的目镜光学设备，该目镜光学设备包括两个分别与人左右眼位置对应的微型显示器件，还包括前述中的光学***，光学***设置在人眼与微型显示器件中间的位置，通过第一透镜组A1与菲涅尔透镜A2通过各个正负透镜的组合充分地校正了***的像差，以及采用凸向人眼的第一透镜L1和能够提供足够的正光焦度的菲涅尔透镜，将微型显示器件所显示的画面以高像质，低畸变，大视场角的特点投射到人眼中；观察者可以通过目镜光学设备，观看到全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验。其中，微型显示器件为有机电致发光器件或透射式液晶显示器。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种大视场角高像质的目镜光学***，其特征在于，包括从人眼观察侧到微型显示器之间沿光轴方向依次排列的第一透镜组以及第二透镜组；所述第一透镜组由一片或者多片透镜构成，所述第二透镜组包括菲涅尔透镜；所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面；

N≥1 (1)；

1≤n≤N (2)；

0.3≤|F4/F| (3)。

2.根据权利要求1所述的目镜光学***，其特征在于，所述菲涅尔透镜的通光口径为D4，且D4与F4满足下列关系式(4)：

|D4/F4|≤2.5 (4)。

3.根据权利要求1所述的目镜光学***，其特征在于，所述菲涅尔透镜靠近微型显示器件一侧的光学面到微型显示器件的距离为fd，且fd与F满足下列关系式(5)：

0.05≤fd/F≤1.0 (5)。

4.根据权利要求1所述的目镜光学***，其特征在于，所述F4与F进一步满足下列关系式(6)：

0.3455≤|F4/F| (6)。

5.根据权利要求2所述的目镜光学***，其特征在于，所述D4与F4进一步满足下列关系式(7)：

|D4/F4|≤2.05 (7)。

6.根据权利要求3所述的目镜光学***，其特征在于，所述fd与F进一步满足下列关系式(8)：

0.095≤fd/F≤0.89 (8)。

7.根据权利要求1所述的目镜光学***，其特征在于，所述第一透镜组和所述第二透镜组的各透镜均由玻璃材料或塑胶材料构成。

8.根据权利要求1所述的目镜光学***，其特征在于，所述菲涅尔透镜还包括普通光学面；所述普通光学面为平面、球面或非球面面型。

9.根据权利要求1所述的目镜光学***，其特征在于，所述第一透镜组中的各透镜的面型为球面面型、偶次非球面面型或菲涅尔面型，且所述第一透镜组和所述第二透镜组中至少存在一个轴对称非球面透镜。

10.一种大视场角高像质的目镜光学设备，包括两个分别与人左右眼位置对应的微型显示器件，其特征在于，还包括如权利要求1-9中所述的光学***，所述光学***设置在人眼与所述微型显示器件中间的位置，将微型显示器件所显示的画面以高像质，低畸变，大视场角的特点投射到人眼中。