一种头戴目镜系统和头戴显示设备技术方案

本发明专利技术公开了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，所述头戴目镜系统包括：发光屏幕和左右眼的两组目镜；从光路光阑处至所述发光屏幕之间每组目镜依次设置第一正透镜和第二负透镜，所述第一正透镜具有正光焦度，包括凸向光阑的第一表面和凸向发光屏幕的第二表面；所述第二负透镜具有负光焦度，包括凹向光阑的第三表面和凹向发光屏幕的第四表面。本技术方案对光学系统的焦距和长度进行合理设计，并对采用偶次非球面的塑料透镜进行合理排列，校正了系统像差，在保证系统的成像质量的情况下，同时实现小型化、轻量化以及大视场角的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种头戴目镜系统和头戴显示设备
本专利技术涉及光学
，特别涉及一种头戴目镜系统和头戴显示设备。
技术介绍
以往的头戴显示HMD(headmounteddisplay)系统都有视场角小(一般不超过45度)的缺点，大大降低了观察系统的体验效果，难以给人沉浸的观影感觉，然而一般的光学设计在增大视角的同时会加大畸变和色差这个光学系统的像差，难以校正，只能通过后期软件去处理图像的办法，这样就提高了整机系统的设计难度和成本，这也是为什么头戴影院市场一直不温不火的原因。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。
技术实现思路
本专利技术提供了一种头戴目镜系统和头戴显示设备，能够在获得大视场角的同时校正像差，保证大视角的观影体验。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，所述头戴目镜系统包括：发光屏幕和左右眼的两组目镜；从系统光阑处至所述发光屏幕之间每组目镜依次设置第一正透镜和第二负透镜，所述第一正透镜具有正光焦度，包括凸向光阑的第一表面和凸向发光屏幕的第二表面；所述第二负透镜具有负光焦度，包括凹向光阑的第三表面和凹向发光屏幕的第四表面。优选地，所述头戴目镜系统的焦距f，所述第一正透镜的焦距f1，第二负透镜的焦距f2满足下述关系式：f1＞0、f2＜0，f1+f2＜0，进一步优选地，所述头戴目镜系统的总长ttl，所述第一正透镜的厚度t1，第二负透镜的厚度t2满足下述关系式：0.35<t1+t2ttl<0.45;]]>其中头戴目镜系统的总长ttl为所述第一正透镜的第一表面与发光屏幕之间的距离。进一步优选地，所述头戴目镜系统的焦距为f＝50mm，所述第一正透镜的焦距为f1＝28mm，第二负透镜的焦距为f2＝-36mm；所述头戴目镜系统的总长为ttl＝59mm，所述第一正透镜的厚度为t1＝18mm，第二负透镜的厚度为t2＝8mm。优选地，所述第一透镜的第一表面和第二表面，所述第二透镜的第三表面和第四表面均为偶次非球面。优选地，所述第一正透镜和所述第二负正透镜为塑料材质；所述第一正透镜的折射率范围为1.4＜n1＜1.6，色散范围为50＜v1＜75；所述第二负透镜的折射率范围为1.55＜n2＜1.8，色散范围为20＜v2＜30。优选地，所述第一正透镜为PMMA型号的塑料材质，其折射率n1＝1.491786，色散v1＝57.327362；所述第二负透镜为H-LAK12型号的玻璃材质，其折射率n2＝1.59，色散v2＝29.9。优选地，所述头戴目镜系统的发光屏幕为1440P、5.5英寸薄膜晶体管液晶显示器TFT-LCD。进一步优选地，所述头戴目镜系统的发光屏幕通过分屏技术分为两个子屏幕，分别显示相应于左右眼的2D图像或3D图像。本技术方案的头戴目镜系统通过在光路光阑处至发光屏幕之间的每组目镜中依次设置第一正透镜和第二负透镜，由于该第一正透镜具有正光焦度，使光线汇聚同时让轴外主光线弯向光轴，且其后的第二负透镜具有负的光焦度，可以校正前一片正透镜所产生的残余像差和色差，这样正负透镜的组合刚好能校正像差达到一个比较好的图像质量，在保证了大视角的同时又能校正像差。另一方面，本专利技术提供了一种头戴显示设备，包括上述技术方案的头戴目镜系统。本技术方案的头戴显示设备能够实现72°对角视场角、63°水平视场角、并且光学系统总长小于59mm、总重量小于34g，因此能够满足轻量化、小型化、大视角的市场需求。附图说明图1为头戴显示设备的工作原理示意图；图2为本专利技术实施例提供的头戴目镜系统的单组目镜结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的头戴目镜系统的光学传递函数曲线示意图；图4为本专利技术实施例提供的头戴目镜系统的场曲曲线示意图；图5为本专利技术实施例提供的头戴目镜系统的畸变像差曲线示意图；图6为本专利技术实施例提供的头戴目镜系统的点列图；图7为本专利技术实施例提供的头戴目镜系统的倍率色差曲线示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。图1为头戴显示设备的工作原理示意图，人眼透过目镜观看显示屏，显示屏发出的光线通过该目镜，并在距离人眼19米处形成一个巨大的虚像，再由人眼接收。设计该头戴显示设备的光学系统时，采用反向追迹，使头戴显示设备的显示屏位于光学系统的像面位置，人眼观察瞳孔位于光阑处；其中显示屏采用TFT-LCD显示屏(ThinFilmTransistor-LiquidCrystal，薄膜晶体管液晶显示器)，用来减少系统体积。该光学系统包括发光屏幕和相应于左右眼的两组目镜，发光屏幕上显示的图像通过左右眼目镜进入左右眼，达到3D或2D的大视场视觉体验。其中每组目镜包括一正透镜和一负透镜：所述第一正透镜靠近系统的光阑处，由于其具有正光焦度，可以使光线汇聚同时使轴外主光线弯向光轴；所述第一负透镜靠近系统的发光屏幕，具有负光焦度，采用高色散光学树脂校正前一片正透镜所产生的残余像差和色差；这样通过正负透镜的组合刚好能校正所有的像差，并达到一个比较好的图像质量。基于上述设计思想，本专利技术提供了一种头戴目镜系统，该头戴目镜系统包括：发光屏幕和左右眼的两组目镜。本专利技术的头戴目镜系统的工作原理是：将系统的发光屏幕通过分屏技术分为两个子屏幕，分别显示相应于左右眼的2D图像或3D图像，使子屏幕上的图像通过左右眼目镜进入左右眼，实现2D或3D的大视角视觉体验。其中，本专利技术实施例中的发光屏幕优选1440P、5.5英寸TFT-LCD显示屏，通过分屏显示后，两个子屏幕的大小分别为60.48mm*68.04mm，优选地，在实际应用中可以在两个子屏幕之间添加遮光板，避免漏光影响用户体验。TFT-LCD是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品，是21世纪全球经济增长的一个亮点。如图2所示，为本专利技术实施例提供的头戴目镜系统的单组目镜结构示意图，从系统的光阑处至发光屏幕之间每组目镜依次设置第一正透镜L1和第二负透镜L2。第一正透镜L1具有正光焦度，包括凸向光阑的第一表面和凸向发光屏幕的第二表面；第二负透镜L2具有负光焦度，包括凹向光阑的第三表面和凹向发光屏幕的第四表面。在本专利技术的一优选实施例中，上述头戴目镜系统的焦距f，第一正透镜L1的焦距f1，第二负透镜L2的焦距f2满足下述关系式：f1＞0、f2＜0，f1+f2＜0，头戴目镜系统的总长ttl，第一正透镜L1的厚度t1，第二负透镜L2的厚度t2满足下述关系式：其中头戴目镜系统的总长ttl为第一正透镜L1的第一表面21与发光屏幕之间的距离。具体的，该头戴目镜系统的焦距为f＝50mm，第一正透镜L1的焦距为f1＝28mm，第二负透镜L2的焦距为f2＝-36mm；该头戴目镜系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统包括：发光屏幕和左右眼的两组目镜；从光路光阑处至所述发光屏幕之间每组目镜依次设置第一正透镜和第二负透镜，所述第一正透镜具有正光焦度，包括凸向光阑的第一表面和凸向发光屏幕的第二表面；所述第二负透镜具有负光焦度，包括凹向光阑的第三表面和凹向发光屏幕的第四表面。

【技术特征摘要】
1.一种头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统包括：发光屏幕和左右眼的两组目镜；从光路光阑处至所述发光屏幕之间每组目镜依次设置第一正透镜和第二负透镜，所述第一正透镜具有正光焦度，包括凸向光阑的第一表面和凸向发光屏幕的第二表面；所述第二负透镜具有负光焦度，包括凹向光阑的第三表面和凹向发光屏幕的第四表面；所述头戴目镜系统的焦距f，所述第一正透镜的焦距f1，第二负透镜的焦距f2满足下述关系式：f1＞0、f2＜0，f1+f2＜0，2.根据权利要求1所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的总长ttl，所述第一正透镜的厚度t1，第二负透镜的厚度t2满足下述关系式：其中头戴目镜系统的总长ttl为所述第一正透镜的第一表面与发光屏幕之间的距离。3.根据权利要求2所述的头戴目镜系统，其特征在于，所述头戴目镜系统的焦距为f＝50mm，所述第一正透镜的焦距为f1＝28mm，第二负透镜的焦距为f2＝-36mm；所述头戴目镜系统的总长为ttl＝59mm，所述第一正透镜的厚度为t1＝18mm，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨春，
申请(专利权)人：青岛歌尔声学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37