一种折反射式目镜光学系统及头戴显示装置的制作方法

1.本实用新型涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种折反射式目镜光学系统及头戴显示装置。


背景技术：

2.随着头戴显示技术的不断更新进步，在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用，头戴显示产品在保证大视场、高质量的成像效果的同时，也对头戴显示产品的薄型化，轻型化也提出了更高的要求。
3.专利文献1(中国专利公开号cn108957732a)、专利文献2(中国专利公开号cn109313340a)、专利文献3(中国专利公开号cn207946592u)、专利文献4(美国专利公开号us10133074)均是采用折反式光学系统形态。其中，专利文献1的透镜组采用的是正负结构，专利文献2的透镜组采用的是负正结构，专利文献3与专利文献4采用的是单片正透镜和双片正透镜结构，实现了小体积、重量轻，但存在成像质量差、畸变大等缺点。
4.专利文献5(中国专利公开号cn105278109a)虽然采用了正、负、正透镜组组合的光学系统，实现了大视场角、高像质、低畸变，但体积较大，重量重。
5.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。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种折反射式目镜光学系统及头戴显示装置，实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标。
7.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种折反射式目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列的光学偏振片、第一相位延迟片、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第二相位延迟片以及线性偏振片；所述第一透镜组、所述第二透镜组以及所述第三透镜组均包含一个或多个透镜；所述第一相位延迟片与所述第二相位延迟片之间设有唯一的半透半反光学面；所述半透半反光学面设置在所述第一透镜组、所述第二透镜组或所述第三透镜组的其中一个光学面上；
8.所述第一透镜组与所述第三透镜组为正光焦度透镜组；所述第二透镜组为负光焦度透镜组；所述目镜光学系统的光焦度设为f；所述第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的光焦度分别设为f1、f2和f3，且f1、f2和f3之间满足下列关系式(1)：
9.f1 f2 f3≤f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)。
10.进一步地，所述目镜光学系统的光焦度为f；所述第二透镜组的光焦度为 f2，则f
与f2满足下列关系式(2)：
11.0.0396≤
│
f2/f
│
≤2.78
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
12.进一步地，所述目镜光学系统的光焦度为f；所述第一透镜组的光焦度为f1；所述第二透镜组的光焦度为f2，则f、f1与f2满足下列关系式(3)：
13.‑
2.23≤(f1 f2)/f≤0.30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。
14.进一步地，所述第二透镜组以及所述第三透镜组之间的组合光焦度设为 f
23
；所述目镜光学系统的光焦度设为f，则f
23
与f满足下列关系式(4)：
15.0.30≤
│
f
23
/f
│
≤0.703
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
16.进一步地，所述第一透镜组至少包括靠近人眼侧的第一透镜；所述第二透镜组至少包括与所述第一透镜相邻的第二透镜；所述第三透镜组至少包括与所述第二透镜相邻的第三透镜；在所述半透半反光学面位于所述第一透镜、所述第二透镜或所述第三透镜中的其中一个光学面时，所述第一透镜、所述第二透镜或所述第三透镜的焦距为f’，所述半透半反光学面的曲率为r0，则f’与 r0满足下列关系式(5)：
17.‑
0.7433≤r0/f’≤9.91
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)。
18.进一步地，所述第二透镜组以及所述第三透镜组之间的组合光焦度设为 f
23
；所述目镜光学系统的光焦度设为f，则f
23
与f进一步满足下列关系式(6)：
19.0.30≤
│
f
23
/f
│
≤0.703
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)。
20.进一步地，所述第一透镜靠近人眼侧的光学面为平面；所述第一透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
21.所述第二透镜靠近人眼侧的光学面凹向人眼方向；所述第二透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
22.所述第三透镜靠近人眼侧的光学面凹向人眼方向；所述第三透镜远离人眼侧的光学面为凸向微型图像显示器的光学面或平面。
23.进一步地，所述第一透镜靠近人眼侧的光学面为平面；所述第一透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
24.所述第二透镜为双凹透镜；所述第三透镜为双凸透镜。
25.进一步地，所述第一透镜靠近人眼侧的光学面为平面；所述第一透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
26.所述第二透镜为双凹透镜；
27.所述第三透镜靠近人眼侧的光学面凸向人眼方向；所述第三透镜远离人眼侧的光学面为凹向微型图像显示器的光学面或平面。
28.进一步地，所述第三透镜组还包括第四透镜；所述第四透镜位于所述第二相位延迟片与所述第三透镜之间；所述第四透镜靠近人眼侧的光学面为平面或者凹向人眼的光学面；所述第四透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向。
29.进一步地，所述半透半反光学面凸向微型图像显示器方向。
30.进一步地，所述第一透镜组、所述第二透镜组以及所述第三透镜组中各透镜的材质为玻璃材质或塑胶材质。
31.进一步地，所述透镜还包括普通光学面；所述普通光学面为平面面型、球面面型或非球面面型。
32.本实用新型还提供一种头戴显示装置，包括两个分别与人左右眼位置对应的微型图像显示器，包含如前述中任一项所述目镜光学系统。
33.进一步地，所述微型图像显示器为有机电致发光器件或透射式液晶显示器。
34.本实用新型的有益效果在于：利用光的偏振性，实现对光路进行折反射，缩短光学系统的总长，配合“正、负、正”组合的透镜组，光学系统能够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，观察者可以通过该目镜光学系统，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，头戴显示装置体积紧凑，重量轻，便于头戴。
附图说明
35.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：
36.图1是本实用新型第一实施例的目镜光学系统的结构示意图；
37.图2是本实用新型第一实施例的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；
38.图3是本实用新型第一实施例的目镜光学系统的畸变示意图；
39.图4是本实用新型第一实施例的目镜光学系统的光学传递函数mtf示意图；
40.图5是本实用新型第二实施例的目镜光学系统的结构示意图；
41.图6是本实用新型第二实施例的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；
42.图7是本实用新型第二实施例的目镜光学系统的畸变示意图；
43.图8是本实用新型第二实施例的目镜光学系统的光学传递函数mtf示意图；
44.图9是本实用新型第三实施例的目镜光学系统的结构示意图；
45.图10是本实用新型第三实施例的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；
46.图11是本实用新型第三实施例的目镜光学系统的畸变示意图；
47.图12是本实用新型第三实施例的目镜光学系统的光学传递函数mtf示意图；
48.图13是本实用新型第四实施例的目镜光学系统的结构示意图；
49.图14是本实用新型第四实施例的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；
50.图15是本实用新型第四实施例的目镜光学系统的畸变示意图；
51.图16是本实用新型第四实施例的目镜光学系统的光学传递函数mtf示意图；
52.图17是本实用新型第五实施例的目镜光学系统的结构示意图；
53.图18是本实用新型第五实施例的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；
54.图19是本实用新型第五实施例的目镜光学系统的畸变示意图；
55.图20是本实用新型第五实施例的目镜光学系统的光学传递函数mtf示意图；
56.图21是本实用新型第六实施例的目镜光学系统的结构示意图；
57.图22是本实用新型第六实施例的目镜光学系统的弥散斑阵列示意图；
58.图23是本实用新型第六实施例的目镜光学系统的畸变示意图；
59.图24是本实用新型第六实施例的目镜光学系统的光学传递函数mtf示意图。
具体实施方式
60.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。
61.本实用新型构造一种折反射式目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列的光学偏振片、第一相位延迟片、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第二相位延迟片以及线性偏振片；第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组均包含一个或多个透镜；第一相位延迟片与第二相位延迟片之间设有唯一的半透半反光学面；半透半反光学面设置在第一透镜组、第二透镜组或第三透镜组的其中一个光学面上；
62.第一透镜组与第三透镜组为正光焦度透镜组；第二透镜组为负光焦度透镜组；目镜光学系统的光焦度设为f；第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的光焦度分别设为f1、f2和f3，且f1、f2和f3之间满足下列关系式(1)：
63.f1 f2 f3≤f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)。
64.光线从微型图像显示器射出经线性偏振片起偏，使光线呈线性偏振光p 光，偏振光p光经过1/4λ第二相位延迟片，使线性偏振光呈p方向圆偏振，经过第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组进行折射，在经过1/4λ第一相位延迟片后呈线性偏振光s光，光学偏振片是一种根据部件轴对称的旋转方向的不同来反射s光透射p光，s光经光学偏振片反射，光线再次经过1/4λ第一相位延迟片呈现s方向圆偏振光，到达半透半反光学面时进行部分反射和透射，反射光线再次经过1/4λ第一相位延迟片呈p方向线性偏振光经光学偏振片透射出去，到达人眼，利用光的偏振性，实现对光路进行折反射，缩短光学系统的总长，使得头戴显示装置体积紧凑，重量轻，便于头戴。
65.更重要的是，在上述特征的基础上，通过采用“正、负、正”组合的透镜组，有效改善了现有技术的缺陷，使微型图像显示器射出的光线到达人眼时成全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验，光学系统能够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，观察者可以通过该目镜光学系统，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。本产品适用于头戴显示器及其类似装置。
66.在另一实施例中，光线从微型图像显示器经线性偏振片起偏，使光线呈线性偏振光s光，偏振光s光经过1/4λ第二相位延迟片，使线性偏振光呈s方向圆偏振，经过第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组进行折射，在经过 1/4λ第一相位延迟片后呈线性偏振光p光，光学偏振片是一种根据部件轴对称的旋转方向的不同来反射p光透射s光，p光经光学偏振片反射，光线再次经过1/4λ第一相位延迟片呈现p方向圆偏振光，到达半透半反光学面时进行部分反射和透射，反射光线再次经过1/4λ第一相位延迟片呈s方向线性偏振光经光学偏振片透射出去，到达人眼，成全画幅高清、无失真、像质均匀的大幅画面，达到高临场感的视觉体验，本产品适用于头戴显示器及其类似装置。
67.上述实施例中，光学偏振片透射出的光线为s光或者p光取决于线性偏振片、第一相位延迟片、第二相位延迟片以及光学偏振片的旋转方向。其中，线性偏振片只对光线有起偏作用，将普通光线过滤成线性偏振光p光或s光，起过滤作用。光学偏振片能够根据旋转方
向，选择性地对线性偏振光p光或s 光进行透射，反射对应的s光或p光。
68.在进一步的实施例中，目镜光学系统的光焦度为f；第二透镜组的光焦度为f2，则f与f2满足下列关系式(2)：
69.0.0396≤
│
f2/f
│
≤2.78
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
70.其中，
│
f2/f
│
可取值为0.0396、0.0557、0.073、0.15、0.78、1.22、 1.57、2.01、1.56、1.78等等。
71.在进一步的实施例中，目镜光学系统的光焦度为f；第一透镜组的光焦度为f1；第二透镜组的光焦度为f2，则f、f1与f2满足下列关系式(3)：
72.‑
2.23≤(f1 f2)/f≤0.30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。
73.(f1 f2)/f可取值为
‑
2.23、
‑
2.12、
‑
1.88、
‑
1.35、
‑
0.57、
‑
0.28、0.12、 0.30等等。
74.在进一步的实施例中，第二透镜组以及第三透镜组之间的组合光焦度设为 f
23
；目镜光学系统的光焦度设为f，则f
23
与f满足下列关系式(4)：
75.0.30≤
│
f
23
/f
│
≤0.703
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
76.其中，
│
f
23
/f
│
可取值为0.30、0.45、0.50、0.53、0.61、0.63、0.69、 0.703等等。
77.上述
│
f2/f
│
、(f1 f2)/f以及
│
f
23
/f
│
的取值范围对系统像差的校正、光学元件的加工难度、以及光学元件装配偏差的灵敏度密切相关，关系式(2) 中
│
f2/f
│
的取值大于0.0396，使系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，其取值小于2.78，改善了所述系统中光学元件的可加工性；关系式(3)中(f1 f2)/f的取值大于
‑
2.23，使系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，其取值小于0.30，改善了所述系统中光学元件的可加工性；关系式(4)中
│
f
23
/f
│
的取值大于0.30，使系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，其取值小于0.703，改善了所述系统中光学元件的可加工性。使得系统像差得以充分校正，从而实现优质的光学效果，并改善了所述系统中光学元件的可加工性。
78.如图1所示，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列的光学偏振片、第一相位延迟片、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第二相位延迟片以及线性偏振片；其中，以靠近人眼e侧的光学表面序号为1，依此类推(从左至右为2、3、4、5、6)，从微型图像显示器发出的光，依次经线性偏振片、第二相位延迟片、第三透镜组、第二透镜组、第一透镜组、第一相位延迟片，经过光学偏振片部分反射后再次经过第一相位延迟片，经透镜组折射，在到达半透半反光学面时进行部分反射部分投射，被反射的光线再次经过第一相位延迟片，并由光学偏振片透射后，进入人眼。
79.在进一步的实施例中，第一透镜组至少包括靠近人眼侧的第一透镜；第二透镜组至少包括与第一透镜相邻的第二透镜；第三透镜组至少包括与第二透镜相邻的第三透镜；在半透半反光学面位于第一透镜、第二透镜或第三透镜中的其中一个光学面时，第一透镜、第二透镜或第三透镜的焦距为f’，半透半反光学面的曲率为r0，则f’与r0满足下列关系式(5)：
80.‑
0.7433≤r0/f’≤9.91
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)。
81.其中，r0/f’可取值为
‑
0.7433、
‑
0.55、
‑
0.31、
‑
0.20、
‑
0.13、0.35、 1.5、3.78、6.35、7.98、8.59、9.91等等。
82.其中关系式(5)中r0/f’的下限取值条件大于
‑
0.7433，使对应透镜可以提供足够的负光焦度，从而可以更好地平衡校正系统像差，实现良好的光学效果，其取值小于9.91，
降低了球差的校正难度，便于实现大光学孔径。
83.在进一步的实施例中，第二透镜组以及第三透镜组之间的组合光焦度设为 f
23
；目镜光学系统的光焦度设为f，则f
23
与f进一步满足下列关系式(6)：
84.0.30≤
│
f
23
/f
│
≤0.703
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)。
85.通过进一步优选第二透镜组、第三透镜组和目镜光学系统光焦度的取值范围，更好地平衡了所述光学系统的光学性能和加工制造难度。
86.在进一步的实施例中，第一透镜靠近人眼侧的光学面为平面；第一透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
87.第二透镜靠近人眼侧的光学面凹向人眼方向；第二透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
88.第三透镜靠近人眼侧的光学面凹向人眼方向；第三透镜远离人眼侧的光学面为凸向微型图像显示器的光学面或平面。
89.在另一实施例中，第一透镜靠近人眼侧的光学面为平面；第一透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
90.第二透镜为双凹透镜；第三透镜为双凸透镜。
91.在另一实施例中，第一透镜靠近人眼侧的光学面为平面；第一透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向；
92.第二透镜为双凹透镜；
93.第三透镜靠近人眼侧的光学面凸向人眼方向；第三透镜远离人眼侧的光学面为凹向微型图像显示器的光学面或平面。
94.在进一步的实施例中，第三透镜组还包括第四透镜；第四透镜位于第二相位延迟片与第三透镜之间；第四透镜靠近人眼侧的光学面为平面或者凹向人眼的光学面；第四透镜远离人眼侧的光学面凸向微型图像显示器方向。其中，第三透镜组由两枚光学透镜构成，利用第四透镜可更好的校正场曲和像散，更加有利于实现更大的视场角和更高的光学分辨率。
95.在进一步的实施例中，半透半反光学面凸向微型图像显示器方向。
96.上述实施例进一步改善了系统的像散和场曲等像差，有利于目镜系统实现全画幅均匀像质的高分辨率光学效果。
97.在进一步的实施例中，第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组中各透镜的材质为玻璃材质或塑胶材质。使得所述目镜光学系统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系统的重量。
98.在进一步的实施例中，透镜还包括普通光学面；普通光学面为平面面型、球面面型或非球面面型。普通光学面位于第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组内一个或多个透镜的非半透半反光学面上，使所述光学系统的像差(包括球差、慧差、畸变、场曲、像散、色差和其它高阶像差)得到充分的校正，有利于所述目镜光学系统在实现大视场角、大孔径的同时，进一步提升中心视场和边缘视场的图像质量、缩小中心视场和边缘视场图像质量的差别，实现全画幅内更均匀的图像质量和低畸变。
99.下面通过更加具体的实施例对上述目镜光学系统的原理、方案及显示结果进行更进一步的阐述。
100.以下实施例中，光阑e可以为目镜光学系统成像的出瞳，为一个虚拟的出光孔径，人眼的瞳孔在光阑位置时，可以观察到最佳的成像效果。
101.实施例一：
102.附图1为第一实施例目镜光学系统的2d结构图，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列着光学偏振片l5、第一相位延迟片l4、第一透镜组a1、第二透镜组a2、第三透镜组a3、第二相位延迟片l4以及线性偏振片l5；其中，光学偏振片l5可选择性投射线性偏振光p光，反射线性偏振光s光；或者，可选择性投射线性偏振光s光，反射线性偏振光p光；第一透镜组a1、第二透镜组a2以及第三透镜组a3之间包括一个半透半反光学面l3。光学系统中的第一透镜组a1由第一透镜d1组成，第一透镜d1为平凸透镜；第二透镜组a2由第二透镜d2组成，第二透镜d2为双凹透镜，第三透镜组a3由第三透镜d3组成，第三透镜d3为双凸透镜。其中光学系统的光焦度f为0.0667，第一透镜组a1的光焦度f1为0.0198，第二透镜组a2的光焦度f2为
‑
0.0784，第三透镜组a3的光焦度f3为0.0746，第二透镜组a2和第三透镜组a3的组合光焦度f
23
为0.0203，则
│
f2/f
│
为1.176，(f1 f2)/f为
‑
0.88，
│
f
23
/f
│
为0.304，半透半反光学面l3位于第二透镜组a2中第二透镜d2靠近人眼的第4光学面上，第二透镜d2的光焦度f’为
‑
12.75，半透半反光学面l3的曲率半径r0为
‑
66.12，则r0/f’为5.1859。
103.附图2、附图3、附图4分别为该光学系统的畸变图、弥散斑阵列图及光学传递函数mtf图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(微型图像显示器件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0.8以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。
104.第一实施例目镜设计数据如下表一所示：
105.表一
[0106][0107]
实施例二：
[0108]
附图5为第二实施例目镜光学系统的2d结构图，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列着光学偏振片l5、第一相位延迟片l4、第一透镜组a1、第二透镜组a2、第三透镜组a3、第二相位延迟片l4以及线性偏振片l5；其中，光学偏振片l5可选择性投射线性偏振光p光，反射线性偏振光s光；或者，可选择性投射线性偏振光s光，反射线性
偏振光p光；第一透镜组a1、第二透镜组a2以及第三透镜组a3之间包括一个半透半反光学面l3。光学系统中的第一透镜组a1由第一透镜d1组成，第一透镜d1为平凸透镜；第二透镜组a2由第二透镜d2组成，第二透镜d2为双凹透镜；第三透镜组a3由第三透镜d3组成，第三透镜d3为双凸透镜。其中光学系统的光焦度f为0.0615，第一透镜组a1的光焦度f1为0.0147，第二透镜组a2的光焦度f2为
‑
0.0359，第三透镜组a3的光焦度f3为0.0492，第二透镜组a2和第三透镜组a3的组合光焦度f
23
为0.0243，则
│
f2/f
│
为0.5846，(f1 f2)/f为
ꢀ‑
0.3455，
│
f
23
/f
│
为0.395，半透半反光学面l3位于第二透镜组a2中第二透镜d2靠近人眼的第4光学面上，第二透镜d2的光焦度f’为
‑
27.83，半透半反光学面l3的曲率半径r0为
‑
66.12，则r0/f’为2.3757。
[0109]
附图6、附图7、附图8分别为该光学系统的畸变图、弥散斑阵列图及光学传递函数mtf图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(微型图像显示器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0.8以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。
[0110]
第二实施例目镜设计数据如下表二所示：
[0111]
表二
[0112][0113][0114]
实施例三：
[0115]
附图9为第三实施例目镜光学系统的2d结构图，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列着光学偏振片l5、第一相位延迟片l4、第一透镜组a1、第二透镜组a2、第三透镜组a3、第二相位延迟片l4以及线性偏振片l5；其中，光学偏振片l5可选择性投射线性偏振光p光，反射线性偏振光s光；或者，可选择性投射线性偏振光s光，反射线性偏振光p光；第一透镜组a1、第二透镜组a2以及第三透镜组a3之间包括一个半透半反光学面l3。光学系统中的第一透镜组a1由第一透镜d1组成，第一透镜d1为平凸透镜；第二透镜组a2由第二透镜d2组成，第二透镜d2为双凹透镜；第三透镜组a3由第三透镜d3和第四透镜d4组成，第三透镜d3和第四透镜d4为平凸透镜。其中光学系统的光焦度f为0.0459，第一透镜组a1的光焦度f1为 0.0255，第二透镜组a2的光焦度f2为
‑
0.1277，第三透镜组a3的光焦度f3为 0.0524，第二透镜组a2和第三透镜组a3的组合光焦度f
23
为
‑
0.029，则
│
f2/f
ꢀ│
为2.78，(f1
f2)/f为
‑
2.23，
│
f
23
/f
│
为0.63，半透半反光学面l3位于第二透镜组a2中第二透镜d2靠近人眼的第4光学面上，第二透镜d2的光焦度 f’为
‑
7.83，半透半反光学面l3的曲率半径r0为
‑
77.60，则r0/f’为9.91。
[0116]
附图10、附图11、附图12分别为该光学系统的畸变图、弥散斑阵列图及光学传递函数mtf图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(微型图像显示器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0.5以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。
[0117]
第三实施例目镜设计数据如下表三所示：
[0118]
表三
[0119][0120]
实施例四：
[0121]
附图13为第四实施例目镜光学系统的2d结构图，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列着光学偏振片l5、第一相位延迟片l4、第一透镜组a1、第二透镜组a2、第三透镜组a3、第二相位延迟片l4以及线性偏振片l5；其中，光学偏振片l5可选择性投射线性偏振光p光，反射线性偏振光s光；或者，可选择性投射线性偏振光s光，反射线性偏振光p光；第一透镜组a1、第二透镜组a2以及第三透镜组a3之间包括一个半透半反光学面l3。光学系统中的第一透镜组a1由第一透镜d1组成，第一透镜d1为平凸透镜；第二透镜组a2由第二透镜d2组成，第二透镜d2为凸向微型图像显示器的弯月透镜，第三透镜组a3由第三透镜d3组成，第三透镜d3为凸向微型图像显示器的弯月透镜，其中光学系统的光焦度f为0.0641，第一透镜组a1 的光焦度f1为0.0142，第二透镜组a2的光焦度f2为0.0047，第三透镜组a3 的光焦度f3为0.0399，第二透镜组a2和第三透镜组a3的组合光焦度f
23
为
ꢀ‑
0.045，则
│
f2/f
│
为0.0733，(f1 f2)/f为0.295，
│
f
23
/f
│
为0.703，半透半反光学面l3位于第二透镜组a2中第二透镜d2靠近人眼的第4光学面上，第二透镜d2的光焦度f’为212.87，半透半反光学面
l3的曲率半径r0为
ꢀ‑
66.12，则r0/f’为
‑
0.311。
[0122]
附图14、附图15、附图16分别为该光学系统的畸变图、弥散斑阵列图及光学传递函数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0.8以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。
[0123]
第四实施例目镜设计数据如下表四所示：
[0124]
表四
[0125][0126][0127]
实施例五：
[0128]
附图17为第五实施例目镜光学系统的2d结构图，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列着光学偏振片l5、第一相位延迟片l4、第一透镜组a1、第二透镜组a2、第三透镜组a3、第二相位延迟片l4以及线性偏振片l5；其中，光学偏振片l5可选择性投射线性偏振光p光，反射线性偏振光s光；或者，可选择性投射线性偏振光s光，反射线性偏振光p光；第一透镜组a1、第二透镜组a2以及第三透镜组a3之间包括一个半透半反光学面l3。光学系统中的第一透镜组a1由第一透镜d1组成，第一透镜d1为平凸透镜；第二透镜组a2由第二透镜d2组成，第二透镜d2为凸向微型图像显示器的弯月透镜，第三透镜组a3由第三透镜d3组成，第三透镜d3为凹向微显示屏的平凸透镜。其中光学系统的光焦度f为0.0607，第一透镜组a1的光焦度f1为0.0144，第二透镜组a2的光焦度f2为
‑
0.0024，第三透镜组a3的光焦度f3为
‑
0.0119，第二透镜组a2和第三透镜组a3的组合光焦度f
23
为
‑
0.0145，则
│
f2/f
│
为0.0397，(f1 f2)/f为0.197，
│
f
23
/f
│
为0.2397，半透半反光学面l3位于第三透镜组a3中第三透镜d3靠近微显示屏的第6光学面上，第三透镜d3的光焦度f’为
‑
84.16，半透半反光学面l3的曲率半径r0为
‑
46.34，则r0/f’为
‑
0.551。
[0129]
附图18、附图19、附图20分别为该光学系统的畸变图、弥散斑阵列图及光学传递函数mtf图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(微型图像显示器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0.5以上，光学系统像差得
到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。
[0130]
第五实施例目镜设计数据如下表五所示：
[0131]
表五
[0132][0133]
实施例六：
[0134]
附图21为第六实施例目镜光学系统的2d结构图，包括从人眼观察侧到微型图像显示器之间沿光轴方向依次排列着光学偏振片l5、第一相位延迟片l4、第一透镜组a1、第二透镜组a2、第三透镜组a3、第二相位延迟片l4以及线性偏振片l5；其中，光学偏振片l5可选择性投射线性偏振光p光，反射线性偏振光s光；或者，可选择性投射线性偏振光s光，反射线性偏振光p光；第一透镜组a1、第二透镜组a2以及第三透镜组a3之间包括一个半透半反光学面l3。光学系统中的第一透镜组a1由第一透镜d1组成，第一透镜d1为平凸透镜；第二透镜组a2由第二透镜d2组成，第二透镜组a2为凸向微型图像显示器的弯月透镜，第三透镜组a3由第三透镜d3组成，第三透镜d3为凹向微显示屏的平凸透镜。其中光学系统的光焦度f为0.0727，第一透镜组a1的光焦度f1为0.0138，第二透镜组a2的光焦度f2为
‑
0.04897，第三透镜组a3的光焦度f3为
‑
0.0497，第二透镜组a2和第三透镜组a3的组合光焦度f
23
为
ꢀ‑
0.004，则
│
f2/f
│
为0.67，(f1 f2)/f为
‑
0.483，
│
f
23
/f
│
为0.0558，半透半反光学面l3位于第一透镜组a1中第一透镜d1靠近微显示屏的第3光学面上，第一透镜d1的光焦度f’为13.76，半透半反光学面l3的曲率半径r0为
ꢀ‑
53.7，则r0/f’为
‑
0.743。
[0135]
附图22、附图23、附图24分别为该光学系统的畸变图、弥散斑阵列图及光学传递函数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0.7以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。
[0136]
第六实施例目镜设计数据如下表六所示：
[0137]
表六
[0138][0139][0140]
上述实施例一至六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：
[0141]
表七
[0142]
ꢀ│
f2/f
│
(f1 f2)/f
│
f
23
/f
│
r0/f’实施例一1.1758
‑
0.87960.30435.1859实施例二0.5846
‑
0.34550.39542.3757实施例三2.7829
‑
2.22820.63129.91实施例四0.07330.29550.7027
‑
0.3106实施例五0.03970.19740.23970.5506实施例六0.6738
‑
0.48340.0558
‑
0.7434
[0143]
本实用新型还提供一种头戴显示装置，包括两个分别与人左右眼位置对应的微型图像显示器，包含如前述中任一项目镜光学系统；目镜光学系统设置在人眼与所述微型图像显示器之间。
[0144]
优选地，微型图像显示器为有机电致发光器件或透射式液晶显示器。
[0145]
综上，本实用新型的上述各实施例的目镜光学系统利用光的偏振性，实现对光路进行折反射，缩短光学系统的总长，配合“正、负、正”组合的透镜组，光学系统能够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，观察者可以通过该目镜光学系统，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，使得头戴显示装置体积紧凑，重量轻，便于头戴。
[0146]
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。