大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置，其中大视场角高像质的目镜光学系统包括从人眼到像源沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且满足一定的焦距关系。第一透镜组有效焦距为负值，由靠近人眼的第一透镜和远离人眼的第二透镜构成，第二透镜组有效焦距为正值，由一片或两片透镜构成。第一透镜为双凸形状，第二透靠近人眼的光学表面凹向人眼方向，且为非球面面型。第一透镜和第二透镜之间的间隔、第二透镜组内镜片的焦距关系、各镜片的材料特性满足一定关系，第二透镜组还包含第四透镜和第五透镜。本发明专利技术的目镜光学系统具有大孔径、大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等优点，适用于头戴显示器及类似装置。

Large field of view high image quality eyepiece optical system and head mounted display device

The invention relates to a large field of view, high quality image eyepiece optical system and head mounted display device, including a large viewing angle and high quality image eyepiece optical system including the human eye to the image source along the optical axis coaxial arranged the first and the second lens group, and the relationship between focal length. The effective focal length of the first lens set is negative, consisting of a first lens near the human eye and a second lens far from the human eye, and the effective focal length of the second lens set is positive, consisting of one or two lenses. The first lens is biconvex shape, second lens by optical surface of the human eye to eye concave direction, and aspheric surface. The spacing between the first lens and the second lens, the focal length relation of the lenses in the second lens group and the material characteristics of each lens satisfies a certain relationship, and the second lens group also comprises a fourth lens and a fifth lens. The ocular optical system of the invention has the advantages of large aperture, large field of view, high resolution, low distortion, small size, etc., and is suitable for head mounted displays and similar devices.

【技术实现步骤摘要】
大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置
本专利技术涉及光学
，尤其涉及一种适用于头戴显示器或类似装置的大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置。
技术介绍
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系统架构中，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。目镜光学系统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，需要目镜光学系统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系统的设计和像差优化是很大挑战。分别具有正焦距、负焦距和正焦距的三片共轴透镜组合(简称“正负正”)构成常见的目镜光学系统，很多文献基于该结构提出各自的设计。专利文献1(中国专利公开号CN101887166B)、专利文献2(中国专利公开号CN103217782A)、专利文献3(中国专利公开号CN104730706A)、专利文献4(中国专利公开号CN103988111A)、专利文献5(中国专利公开号CN104685402A)、专利文献6(中国专利公开号CN104603669A)、专利文献7(美国专利公开号US7978417B2)、专利文献8(美国专利公开号US8345139B2)分别提供采用共轴正负正三片透镜形态构成的目镜光学系统，实现了低畸变(<3％)、高像质的效果。但上述目镜系统的有效视场角较小，分别从16°～37°，没有实现大视场角效果。专利文献9(美国专利公开号US5815317A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，由单片正透镜、双胶合负透镜、单片正透镜构成，整体上可看作正负正的光学结构，该目镜系统能够实现大视场角的效果(>50°)，但其场曲和像散等像差残留较大，边缘视场像质难以实现高分辨率的光学效果，不利于长时间舒适的视觉体验。正正负作为另一种共轴三片透镜的光学结构，可实现较大的视场角，应用于目镜光学系统。专利文献10(中国专利公开号CN104635333A)提采用了正正负结构供了一种目镜光学系统，可实现大视场角(>50°)的光学效果，但该目镜系统的轴外慧差较大，同时残留较大色差，降低了轴外视场的光学分辨能力，不利于舒适的视觉体验。专利文献11(中国专利公开号CN104536130A)提供了一种目镜光学系统，在正正负共轴三片透镜的光学结构基础上加入了正光焦度的第四透镜，构成了正正负正的光学结构；专利文献12(美国专利公开号US5877900A)提供了一种目镜光学系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列单片正透镜、单片正透镜、双胶合负透镜、单片正透镜，整体上看构成了正正负正的光学结构。上述两篇文献所述的目镜光学系统皆可实现大视场角(>50°)的光学效果，同时具有更好的轴外慧差、系统色差等光学指标，但场曲和像散等像差有残留，导致中心视场和边缘视场的像质存在明显差异，越到边缘越视场光学分辨率越低，没有实现全画幅范围内的高分辨率的光学效果。专利文献13(中国专利公开号CN104570323A)提供了一种目镜光学系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列单片正透镜、单片正透镜、单片负透镜、单片负透镜，构成正正负负的光学结构，该目镜系统可实现超大视场角的光学效果(>70度)，但其畸变过大(>25％),造成图像显示较严重失真。专利文献14(美国专利公开号US2014/0218806A1)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列正透镜组和负透镜组，其正透镜组由2～3片正透镜构成，负透镜组由正负双胶合透镜或正负双胶合透镜及单片弯月正透镜构成，其基础结构可看作为正正负(双胶合)的光学结构，其进一步优选设计采用了正正正负(双胶合)正的光学结构。该目镜光学系统，通过增加透镜数(5片或以上)，实现大视场角(>50°)并校正光学系统残余像差，但透镜件数过多，增大了产品的外型尺寸和重量，不利于舒适的穿戴体验，且透镜面型复杂，不利于批量生产。专利文献15(中国专利公开号CN101609208B)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列单片正透镜、单片正透镜、正负双胶合负透镜、单片正透镜、单片透镜，同样构成了较为复杂的光学结构，可实现大视场角的光学效果(>50度)，但上述目镜光学系统皆存在较大的像散，同时应用多片透镜原件构成光学系统(大于5片)，导致光学系统的外型尺寸和重量过大，不利于舒适的穿戴体验。专利文献16(中国专利公开号CN104965306A)提供了一种大视场角目镜光学系统，其中公开了从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列第一透镜、第二透镜、第三透镜。该目镜光学系统可以实现超大视场角的光学效果(>75度)，但其边缘视场相对于中心视场的图像质量有所下降，全画幅像质不够均匀，同时，其需要使用折射率较大的光学材料，在现有已知的光学材料中，高折射率的材料导致产品的制造成本和重量增加，提升相应光学元件的制造难度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大视场角高像质的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为f1，f1为负值，所述第二透镜组的有效焦距为f2，f2为正值，所述目镜光学系统的有效焦距为fw，满足以下关系式(1)和(2)：-50<f1/fw<-0.6(1)；0.3<f2/fw<0.8(2)；其中：所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜，且所述第一透镜是双凸形状的正透镜，所述第二透镜是负透镜；所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第三透镜，所述第三透镜为正透镜；所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜材料特性满足以下关系式(11)、(12)和(13)：1.50<Nd11<1.82(11)；1.55<Nd12<1.75(12)；1.50<Nd23<1.78(13)；其中，上述Nd11、Nd12、Nd23分别为所述第一透镜、所述第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大视场角高像质的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为f

【技术特征摘要】
1.一种大视场角高像质的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且所述第一透镜组的有效焦距为f1，f1为负值，所述第二透镜组的有效焦距为f2，f2为正值，所述目镜光学系统的有效焦距为fw，满足以下关系式(1)和(2)：-50<f1/fw<-0.6(1)；0.3<f2/fw<0.8(2)；其特征在于：所述第一透镜组由两片透镜构成，分别是靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜，且所述第一透镜是双凸形状的正透镜，所述第二透镜是负透镜；所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面凹向人眼侧，曲率半径为负值；所述第二透镜组由一片或多片透镜构成，其中所述第二镜片组至少包括与所述第一透镜组近邻的第三透镜，所述第三透镜为正透镜；所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜材料特性满足以下关系式(11)、(12)和(13)：1.50<Nd11<1.82(11)；1.55<Nd12<1.75(12)；1.50<Nd23<1.78(13)；其中，上述Nd11、Nd12、Nd23分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜在d线的折射率；所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜材料特性还满足以下关系式(21)、(22)和(23)：35<Vd11<60(21)；21<Vd12<35(22)；35<Vd23<60(23)；其中，上述Vd11、Vd12、Vd23分别为所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜在d线的阿贝数；所述第二透镜组还包括第四透镜和第五透镜，第三透镜、第四透镜和第五透镜按从人眼侧到微型显示器侧依次排列；第四透镜位于所述第三透镜与微型图像显示器件之间，同时，所述第四透镜和所述第五透镜组成双胶合透镜，且第三透镜的有效焦距f23与第二透镜组的有效焦距f2满足下面关系式(8)：1≤f23/f2≤1.6(8)。2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜组的有效焦距f2，第三透镜的有效焦距f23，第四透镜的有效焦距f24，满足以下关系式(5)和(6)：1≤f23/f2≤1.4(5)。3.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜靠近人眼侧的光学表面为非球面，且所述第二透镜的两个光学面的曲率半径满足以下关系式(3)：-2.2<(R21+R22)/(R21-R22)<-0.45(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：深圳纳德光学有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44