一种目镜光学组件、系统及设备技术方案

本发明专利技术涉及目镜光学组件、系统及设备，组件包括从人眼观察侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的第一光学组、第二光学组和第三光学组，第一光学组包含第一透镜组、第一偏光片组和第一玻片组，第二光学组包含第二透镜组和半透半反光学面，第三光学组包含第三透镜组、第二玻片组和第二偏光片组；成像光线从微型显示器件发出在第一光学组和第二光学组间来回反射折射，最终从第一光学组靠人眼观察侧射出达到人眼进行成像，通过本发明专利技术的目镜光学组件有效改善了现有技术的缺陷，实现了大视场角、低畸变、高光学分辨率等性能指标，降低了目镜光学组件的制造难度、制造成本和产品重量，大大提升了系统的光学性能与产品的用户体验。大大提升了系统的光学性能与产品的用户体验。大大提升了系统的光学性能与产品的用户体验。

【技术实现步骤摘要】
一种目镜光学组件、系统及设备


[0001]本专利技术涉及头戴显示设备光学系统，更具体地说，涉及一种目镜光学组件、系统及设备。

技术介绍

[0002]头戴显示装置通过一些光学成像技术，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，可以应用于户外、模拟驾驶、训练、演示、教学、培训、医疗、飞行等场景中。
[0003]随着光学技术的不断进步，光学材料的日新月异，在各种光学成像技术更迭下，以偏光控制材料迭代技术更为突出，衍生出了本专利技术的pancake光学技术，头戴显示装置的目镜光学组件对大视场、轻便、高清晰度等硬性能指标的要求也不断提升，目镜光学组件也需要尽可能地实现高性价比、易量产、高品质等特点，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。
[0004]分别具有多个透镜组合构成pancake光学系统常见的目镜光学组件，很多文献基于该结构提出各自的设计，例如专利文献1（中国专利公开号CN214311096U）、专利文献2（中国专利公开号CN108957732A）分别采用了折反pancake光学系统构成的光学系统，实现了较好的加工性，但上述光学系统未能运用本专利技术所述的各种偏光膜与偏光膜，偏光膜与光学系统间的各种配合关系，因此无法达到理想的光学效果，所产生的杂散光也是无法接受的，大大降低了光学系统的对比度和用户体验。
[0005]专利文献3（中国专利公开号CN112731666A）公开了一种采用多片透镜构成的目镜光学组件，实现了大视场角、高像质、低畸变等性能指标，但该目镜光学组件很大程度依赖较为复杂的菲涅尔光学面型，加工性不佳，量产难度大。
[0006]专利文献4（中国专利公开号CN101609208A）公开了一种采用多片透镜构成的目镜光学组件，实现了大视场角的效果，但其像差矫正不佳，厚度和质量偏大，性能指标不佳。
[0007]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，需要目镜光学组件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。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题在于现有的光学系统像质不高、存在畸变以及视场角不够大，针对现有技术的上述缺陷，提供一种目镜光学组件，还提供了一种目镜光学系统及一种目镜光学设备。
[0009]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种目镜光学组件，其中，包括从人眼观察侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的第一光学组、第二光学组和第三光学组；所述第一光学组包含第一透镜组、第一偏光片组和第一玻片组，所述第二光学组包含第二透镜组和半透半反光学面，所述第三光学组包含第三透镜组、第二玻片组和第二偏光片组；所述目镜光学组件的光学焦距为F，所述目镜光学组件的第一光学面到微型显示器长为D，第一光学组和第二光学组组合光学焦距为F12，第一光学组和第二光学组组合中心厚度为D1，第三光学组光学焦距为F3，第三光学组中心厚度为D2；F、F12、D1、F3、D2满足下列关系式：1.1 ≤ F12/F ≤ 1.8；1.13 ≤ F3/F ≤ 1.98；0.56 ≤ F12/F3 ≤ 1.59；0.47 ≤ D1/D ≤ 0.73；0.2 ≤ D2/D ≤ 0.53；0.28 ≤ D1/D2≤ 1.12。
[0010]本专利技术所述的目镜光学组件，其中，所述第一透镜组光学焦距为f1，第二透镜组光学焦距为f2，第三透镜组光学焦距为f3；f1、f2和f3满足下列关系式：
‑
3.05 ≤ f1/f2 ≤33.21；0.13 ≤ f3/f2 ≤0.42；
‑
11.88 ≤ f1/f3 ≤ 79.84。
[0011]本专利技术所述的目镜光学组件，其中，所述第二光学组中的远离人眼的最后一个光学面的曲率半径为R6，第三光学组靠近人眼的第一个光学面的曲率半径为R7；R6和R7满足下列关系式：
‑
6.13 ≤ R6/R7 ≤5.85。
[0012]本专利技术所述的目镜光学组件，其中，所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中的光学透镜材料为玻璃材质或塑胶树脂材质。
[0013]本专利技术所述的目镜光学组件，其中，所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中的光学面包含光学球面、光学平面和光学偶次非球面中一种或多种；所述偶次非球面面型公式满足以下关系式：；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,α为2,4,6
…
各阶系数，r为曲面上点到透镜系统光轴的距离坐标。
[0014]本专利技术所述的目镜光学组件，其中，所述第一偏光片组含有一片对自然光P光和S光中的一种偏振态光反射，另一种偏振态光透射的偏光片a，含有N片对自然光P光和S光中的一种偏振态光吸收，另一种偏振态光透射的偏光片bN，N为自然数；所述第一玻片组含有K片对偏振光具有四分之一个相位延迟效果的波片cK，含J片对偏振光具有二分之一个相位延迟效果的玻片dJ，K为大于等于1的正整数，J为自然数；
所述第二玻片组含有Z片对偏振光具有四分之一个相位延迟效果的波片eZ，含Y片对偏振光具有二分之一个相位延迟效果的玻片fY，Z为大于等于1的正整数，Y为自然数；所述第二偏光片组含有M片对自然光P光和S光中的一种偏振态光吸收，另一种偏振态光透射的偏光片gM，含X片对偏振光具有二分之一个相位延迟效果的玻片hX，M为大于等于1的正整数，X为自然数，M为大于等于1的正整数；所述偏光片a偏振角为θa，θa为基准，偏光片b0、b1、b2、b3
……
bN相对偏光片a偏振角为θb0、θb1、θb2、θb3
……
θbN，玻片c1、c2、c3
……
cK相对偏光片a偏振角为θc1、θc2、θc3
……
θcK，玻片d0、d1、d2、d3
……
dJ相对偏光片a偏振角为θd0、θd1、θd2、θd3
……
θdJ，玻片e1、e2、e3
……
eZ相对偏光片a偏振角为θe1、θe2、θe3
……
θeZ，玻片f0、f1、f2、f3
……
fY相对偏光片a偏振角为θf0、θf1、θf2、θf3
……
θfY，偏光片g1、g2、g3
……
gM相对偏光片a偏振角为θg1、θg2、θg3
……
θgM，玻片h0、h1、h2、h3
……
hX相对偏光片a偏振角为θh0、θh1、θh2、θh3
……
θhX，其中θbN、θcK、θdJ、θeZ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种目镜光学组件，其特征在于，包括从人眼观察侧到微型显示器件之间沿光轴方向依次排列的第一光学组、第二光学组和第三光学组；所述第一光学组包含第一透镜组、第一偏光片组和第一玻片组，所述第二光学组包含第二透镜组和半透半反光学面，所述第三光学组包含第三透镜组、第二玻片组和第二偏光片组；所述目镜光学组件的光学焦距为F，所述目镜光学组件的第一个光学面到微型显示器长为D，第一光学组和第二光学组组合光学焦距为F12，第一光学组和第二光学组组合中心厚度为D1，第三光学组光学焦距为F3，第三光学组中心厚度为D2；F、F12、D1、F3、D2满足下列关系式：1.1 ≤ F12/F ≤ 1.8；1.13 ≤ F3/F ≤ 1.98；0.56 ≤ F12/F3 ≤ 1.59；0.47 ≤ D1/D ≤ 0.73；0.2 ≤ D2/D ≤ 0.53；0.28 ≤ D1/D2≤ 1.12。2.根据权利要求1所述的目镜光学组件，其特征在于，所述第一透镜组光学焦距为f1，第二透镜组光学焦距为f2，第三透镜组光学焦距为f3；f1、f2和f3满足下列关系式：
‑
3.05 ≤ f1/f2 ≤ 33.21；0.13 ≤ f3/f2 ≤ 0.42；
‑
11.88 ≤ f1/f3 ≤ 79.84。3.根据权利要求1所述的目镜光学组件，其特征在于，所述第二光学组中的远离人眼的最后一个光学面的曲率半径为R6，第三光学组靠近人眼的第一个光学面的曲率半径为R7；R6和R7满足下列关系式：
‑
6.13 ≤ R6/R7 ≤ 5.85。4.根据权利要求1所述的目镜光学组件，其特征在于，所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中的光学透镜材料为玻璃材质或塑胶树脂材质。5.根据权利要求1所述的目镜光学组件，其特征在于，所述第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中的光学面包含光学球面、光学平面和光学偶次非球面中一种或多种；所述偶次非球面面型公式满足以下关系式：；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,α为2,4,6
…
各阶系数，r为曲面上点到透镜系统光轴的距离坐标。6.根据权利要求1所述的目镜光学组件，其特征在于，所述第一偏光片组含有一片对自然光P光和S光中的一种偏振态光反射，另一种偏振态光透射的偏光片a，含有N片对自然光P光和S光中的一种偏振态光吸收，另一种偏振态光透射的偏光片bN，N为自然数；所述第一玻片组含有K片对偏振光具有四分之一个相位延迟效果的波片cK，含J片对偏振光具有二分之一个相位延迟效果的玻片dJ，K为大于等于1的正整数，J为自然数；
所述第二玻片组含有Z片对偏振光具有四分之一个相位延迟效果的波片eZ，含Y片对偏振光具有二分之一个相位延迟效果的玻片fY，Z为大于等于1的正整数，Y为自然数；所述第二偏光片组含有M片对自然光P光和S光中的一种偏振态光吸收，另一种偏振态光透射的偏光片gM，含X片对偏振光具有二分之一个相位延迟效果的玻片hX，M为大于等于1的正整数，X为自然数，M为大于等于1的正整数；所述偏光片a偏振角为θa，θa为基准，偏光片b0、b1、b2、b3
……
bN相对偏光片a偏振角为θb0、θb1、θb2、θb3
……
θbN，玻片c1、c2、c3
……
cK相对偏光片a偏振角为θc1、θc2、θc3
……
θcK，玻片d0、d1、d2、d3
……
dJ相对偏光片a偏振角为θd0、θd1、θd2、θd3
……
θdJ，玻片e1、e2、e3

【专利技术属性】
技术研发人员：彭华军，曹鸿鹏，郭健飞，
申请(专利权)人：深圳纳德光学有限公司，
类型：发明
国别省市：