技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鏡頭設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種目鏡鏡頭和頭戴光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

頭戴光學(xué)系統(tǒng)是一個基于微顯示屏的圖像放大系統(tǒng)，微顯示屏所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大，在人眼前一定距離處呈現(xiàn)一個放大的虛像，使用戶可以完全沉浸在虛擬的情景之中，不受外界信息的干擾。在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，頭戴光學(xué)系統(tǒng)的使用者為移動作業(yè)，這就要求光學(xué)系統(tǒng)在保證成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，并且擁有較大的視場。傳統(tǒng)的解決方案多為旋轉(zhuǎn)對稱的目鏡結(jié)構(gòu)，雖然光學(xué)性能可以接近衍射極限并較好地校正畸變，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝調(diào)和加工要求精度高，體積重量大，長時間佩戴會引起使用者頸部疲勞。此外，傳統(tǒng)的微顯示屏由于像元尺寸較大，經(jīng)過目鏡放大后會產(chǎn)生顆?；默F(xiàn)象，用戶體驗很差。

因此，如何解決頭戴光學(xué)系統(tǒng)的大視場與高像質(zhì)、輕型化的矛盾，并進(jìn)一步消除微顯示屏的顆?；F(xiàn)象，是當(dāng)前頭戴光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展道路上亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種目鏡鏡頭和頭戴光學(xué)系統(tǒng)，以解決上述問題或者至少部分地解決上述問題。

依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種目鏡鏡頭，該目鏡鏡頭包括四片透鏡，逆著光線入射方向依次為：

第一正透鏡，采用塑料材質(zhì)，具有為平面的第一表面和凸向光入射方的第二表面；

第二正透鏡，采用玻璃材質(zhì)，具有凸向光出射方的第三表面和凸向光入射方的第四表面；

第三負(fù)透鏡，采用玻璃材質(zhì)，具有凹向光出射方的第四表面和凹向光入射方的第五表面；

第四負(fù)透鏡，采用塑料材質(zhì)，具有為平面的第六表面和凹向光入射方的第七表面；

其中，所述第四表面為所述第二正透鏡和所述第三負(fù)透鏡的膠合面，所述第二表面和所述第七表面為非球面，所述第三表面、所述第四表面和所述第五表面為球面。

依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種頭戴光學(xué)系統(tǒng)，該頭戴光學(xué)系統(tǒng)逆著光線入射方向依次包括：光闌，上述的目鏡鏡頭，以及微顯示屏。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下有益效果：1、選取正正負(fù)負(fù)結(jié)構(gòu)的目鏡鏡頭，有效消除了色差；2、采用非球面塑料透鏡和球面玻璃透鏡相結(jié)合的目鏡鏡頭，成本較低，利于大批量生產(chǎn)；3、將第二正透鏡與第三負(fù)透鏡膠合在一起，二者光學(xué)性能相互補(bǔ)償，起到消色差的作用；4、體積小，重量輕，減輕用戶負(fù)擔(dān)。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的一種頭戴光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的30線對下的MTF曲線圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的場曲和畸變曲線圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的點列圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的一種頭戴光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。如圖1所示，該頭戴光學(xué)系統(tǒng)采用倒追光路設(shè)計，包括：光闌110、目鏡鏡頭120和微顯示屏130。

目鏡鏡頭120包括四片透鏡，逆著光線入射方向依次為：

第一正透鏡121，具有為平面的第一表面S1和凸向光入射方的第二表面S2；第二正透鏡122，具有凸向光出射方的第三表面S3和凸向光入射方的第四表面S4；第三負(fù)透鏡123，具有凹向光出射方的第四表面S4和凹向光入射方的第五表面S5；第四負(fù)透鏡124，具有為平面的第六表面S6和凹向光入射方的第七表面S7。其中，第四表面S4為第二正透鏡122和第三負(fù)透鏡123的膠合面，且第二表面S2和第七表面S7為非球面，第三表面S3、第四表面S4和第五表面S5為球面。

在本實施例中，第一正透鏡121采用PMMA型號的塑料材質(zhì)，其折射率和色散系數(shù)分別為：n1＝1.491786，v1＝57.327362；第二正透鏡122采用H-BAK3型號的玻璃材質(zhì)，其折射率和色散系數(shù)分別為：n2＝1.546780，v2＝62.741102；第三負(fù)透鏡123采用ZF14型號的玻璃材質(zhì)，其折射率和色散系數(shù)分別為：n3＝1.9176130，v3＝21.510740；第四負(fù)透鏡124采用PC型號的塑料材質(zhì)，其折射率和色散系數(shù)分別為：n4＝1.585470，v4＝29.909185。其中，第二正透鏡122和第三負(fù)透鏡123采用玻璃材質(zhì)的原因是：1、光學(xué)玻璃種類較多，不同種玻璃之間的色散相差較大；2、光學(xué)玻璃可以加工成雙膠合型而塑料材質(zhì)不可以。第一正透鏡121和第四負(fù)透鏡124采用塑料材質(zhì)的原因是：1、塑料材質(zhì)價格較低；2、塑料材質(zhì)易于加成成非球面型。

反向追蹤光線軌跡，可以看到，第一正透鏡121使發(fā)散的軸外主光線匯聚，其后，第二正透鏡122使軸外主光線進(jìn)一步彎曲，此時第一正透鏡121和第二正透鏡122產(chǎn)生了巨大的色差，需要由第三負(fù)透鏡123來校正。在本實施例中，第二正透鏡122采用低色散的冕牌玻璃材質(zhì)，第三負(fù)透鏡123采用高色散的火石玻璃材質(zhì)，將第二正透鏡122與第三負(fù)透鏡123膠合在一起，二者光學(xué)性能相互補(bǔ)償，起到消色差的作用。第四負(fù)透鏡采用非球面的高色散的PC塑料材質(zhì)，與第三負(fù)透鏡123相分離且靠近微顯示屏130，一方面可以進(jìn)一步補(bǔ)償色差，另一方面可以有效地校正場曲、象散等像差。

在本實施例中，微顯示屏130采用0.7英寸的1080p OLED顯示屏，與傳統(tǒng)的微顯示屏相比，1080p OLED顯示屏的像元尺寸小得多，可以有效減小被目鏡鏡頭120放大后產(chǎn)生顆?；默F(xiàn)象，提高用戶體驗。

基于上文所述各參數(shù)，光闌110至微顯示屏130的距離小于25mm，頭戴光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了73度的視場角。當(dāng)頭戴光學(xué)系統(tǒng)的使用者將眼睛放在光闌110所在位置，微顯示屏130發(fā)出的光經(jīng)過目鏡鏡頭120后在人眼前5米處形成一個放大的虛像。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的30線對下的MTF曲線圖，MTF(光學(xué)傳遞函數(shù))可以綜合反映光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，其曲線形狀越平滑，且相對X軸高度越高，證明系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。如圖2所示，圖中各種灰度分別代表各個視場光線，曲線的虛實分別代表弧矢和子午方向的像質(zhì)，可以看到，MTF曲線較為平滑緊湊，曲線所表征的MTF值很高，基本在0.6以上，說明頭戴光學(xué)系統(tǒng)的像差得到了良好的校正。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的場曲和畸變曲線圖，其中左側(cè)為場曲曲線(FIELD CURVATURE)，右側(cè)為畸變曲線(DISTORTION)。

場曲是物平面形成曲面像的一種像差，需要以子午場曲和弧矢場曲來表征，如圖3所示，場曲曲線中T線為子午場曲，S線為弧矢場曲，二者之差即為光學(xué)系統(tǒng)的象散，場曲和象散是影響光學(xué)系統(tǒng)軸外視場光線的重要像差，二者過大會嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的軸外光線成像質(zhì)量，可以看到，光學(xué)系統(tǒng)的場曲和象散均被校正到極小的范圍內(nèi)。

畸變不影響光學(xué)系統(tǒng)的清晰度，但是會引起系統(tǒng)的圖像變形，對于廣角鏡頭來說，校正畸變是極為困難的，可由后期圖像處理來解決。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的點列圖。點列圖忽略衍射效應(yīng)，反映的是光學(xué)系統(tǒng)成像的幾何結(jié)構(gòu)。在大像差系統(tǒng)的點列圖中，點的分布能近似地代表點像的能量分布。因此，在像質(zhì)評價中，可用點列圖的密集程度更加直觀反映和衡量系統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣，點列圖的RMS半徑越小，證明系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。如圖4所示，頭戴光學(xué)系統(tǒng)的點列圖RMS半徑均小于10um，可見各視場的光斑很小，表明系統(tǒng)能量分布得到很好的優(yōu)化，像差校正比較好。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頭戴光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差圖，倍率色差是由于不同波長在相同材料中折射率不同而導(dǎo)致的光學(xué)系統(tǒng)放大倍率的差別。如圖5所示，橫軸表示像面上的高度差，縱軸代表視場角，以像面上的綠光光斑的高度為基準(zhǔn)，即不同視場下綠光光斑的高度曲線與縱軸重合，縱軸左側(cè)的曲線代表不同視場下藍(lán)光光斑與綠光光斑的高度差，縱軸右側(cè)的曲線代表不同視場下紅光光斑與綠光光斑的高度差，藍(lán)光曲線與紅光曲線之差為光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差，可以看到，各個視場下倍率色差均小于5um，說明色差得到良好的校正。

綜上所述，本發(fā)明提供的技術(shù)方案通過對目鏡鏡頭和微顯示屏的合理配置與選型，實現(xiàn)了大視場、微顯示、高像質(zhì)的頭戴光學(xué)系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：1、選取正正負(fù)負(fù)結(jié)構(gòu)的目鏡鏡頭，并通過對透鏡材料的合理選擇，有效消除了色差，提高成像質(zhì)量；2、選取1080p OLED顯示屏，從根本上消除了大視場微顯示頭戴光學(xué)系統(tǒng)在觀看時出現(xiàn)的顆?；F(xiàn)象；3、軸向尺寸短，體積小，重量輕，減輕用戶負(fù)擔(dān)；4、采用非球面塑料透鏡和球面玻璃透鏡相結(jié)合的目鏡鏡頭，成本較低，利于大批量生產(chǎn)；5、將第二正透鏡與第三負(fù)透鏡膠合在一起，二者光學(xué)性能相互補(bǔ)償，起到消色差的作用?；谝陨咸攸c，本發(fā)明提供的頭戴光學(xué)系統(tǒng)給用戶帶來質(zhì)量更高、更舒適的觀看體驗，符合用戶需求。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。