目镜光学系统及头戴显示设备的制作方法

1.本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种目镜光学系统及头戴显示设备。


背景技术：

2.随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实（vr）设备的形态与种类也日益繁多，并且应用领域也愈加广泛，目前头戴显示设备由于体积小、重量轻等特点受到广大消费者欢迎，头戴显示设备通过光学技术，将显示器发出的视频图像光传送到用户的瞳孔，在用户的近目范围实现虚拟、放大图像，为用户提供直观、可视的图像、视频信息、目镜光学系统是头戴显示设备的核心，实现将显示器上的图像显示在人眼前形成的虚拟放大图像的功能。
3.为了给用户提供极佳的感官体验，目镜光学系统需要具备较大的视场角、较远的眼距距离以及较高品质的成像，同时为了满足不同近视或远视程度的用户，还需要具备屈光度可调，然而当前目镜光学系统存在视场角度较小、畸变较大及屈光度调节不佳等不足，不能很好的满足市场的需求。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的是提供一种目镜光学系统及头戴显示设备，至少具有大视场角、总长短、屈光度可调的优点。
5.本发明实施例通过以下技术方案实现上述的目的。
6.一方面，本发明实施例提供一种目镜光学系统，用于成像光线从显示单元经目镜光学系统进入用户眼睛成像，朝向用户眼睛的方向为目侧，朝向所述显示单元的方向为显示侧，所述目镜光学系统从显示侧到目侧沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜以及第三透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜各自包括一目侧面及一显示侧面；所述显示单元用于为目镜光学系统提供图像光源；所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜的目侧面为凸面，所述第一透镜的显示侧面为凹面；所述第二透镜具有负光焦度，所述第二透镜的目侧面为凸面，所述第二透镜的显示侧面为凹面；所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜的目侧面为凸面，所述第三透镜的显示侧面为凸面；所述第一透镜与所述显示单元在光轴上的空气间隔ctw动态可调；其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中至少一个为玻璃镜片。
7.另一方面，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括如上所述的目镜光学系统，所述目镜光学系统位于用户眼睛和所述显示单元之间。
8.相比于现有技术，本发明提供的目镜光学系统及头戴显示设备采用三片具有特定屈折力的镜片，通过特定的表面形状搭配，在满足小畸变的同时结构更加紧凑，同时具有较
大的视场角可以提供宽视场的显示效果，提高用户的沉浸感，从而给用户带来更好的体验感。通过调节镜头系统与显示单元在光轴上的空气间隔距离，可实现不同屈光度的调节，满足不同视力用户的佩戴需求；同时所述目镜光学系统还具有较大的出瞳距离，能够为用户带来极佳的感官体验。
附图说明
9.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
10.图1示出了本发明第一实施例提供的目镜光学系统100在屈光度0d时的结构示意图；图2示出了本发明第一实施例提供的目镜光学系统100在屈光度0d时的场曲曲线图；图3示出了本发明第一实施例提供的目镜光学系统100在屈光度0d时的畸变曲线图；图4示出了本发明第一实施例提供的目镜光学系统100在屈光度0d时的垂轴色差曲线图；图5示出了本发明第二实施例提供的目镜光学系统200在屈光度0d时的结构示意图；图6示出了本发明第二实施例提供的目镜光学系统200在屈光度0d时的场曲曲线图；图7示出了本发明第二实施例提供的目镜光学系统200在屈光度0d时的畸变曲线图；图8示出了本发明第二实施例提供的目镜光学系统200在屈光度0d时的垂轴色差曲线图；图9示出了本发明第三实施例提供的目镜光学系统300在屈光度0d时的结构示意图；图10示出了本发明第三实施例提供的目镜光学系统300在屈光度0d时的场曲曲线图；图11示出了本发明第三实施例提供的目镜光学系统300在屈光度0d时的畸变曲线图；图12示出了本发明第三实施例提供的目镜光学系统300在屈光度0d时的垂轴色差曲线图；图13示出了本发明第四实施例中提供的头戴显示设备中的光路示意图。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不
同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
12.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
13.本发明实施例提供一种目镜光学系统，用于成像光线从显示单元经目镜光学系统进入用户眼睛成像，朝向用户眼睛的方向为目侧，朝向所述显示单元的方向为显示侧，所述目镜光学系统从显示侧到目侧沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜以及第三透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜各自包括一目侧面及一显示侧面；所述显示单元用于为目镜光学系统提供图像光源。
14.所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜的目侧面为凸面，所述第一透镜的显示侧面为凹面。
15.所述第二透镜具有负光焦度，所述第二透镜的目侧面为凸面，所述第二透镜的显示侧面为凹面。
16.所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜的目侧面为凸面，所述第三透镜的显示侧面为凸面。
17.所述第一透镜与所述显示单元在光轴上的空气间隔ctw动态可调，通过调节所述显示单元与所述第一、二、三透镜组间的空气间隔，可实现目镜光学系统的屈光度可调，从而能够满足不同近视或者远视程度的用户需求；优选地，所述第一透镜与所述显示单元在光轴上的空气间隔ctw满足：1.5mm《ctw《8.0mm，通过调节ctw的值，可实现不同屈光度的调节，满足不同视力用户的佩戴需求。
18.其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中至少一个为玻璃镜片，采用玻璃镜片能够更好矫正系统的像差，提高目镜光学系统的解像力。
19.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：1.2《ttl/f《1.6；（1）其中，f表示所述目镜光学系统的有效焦距，ttl表示所述目镜光学系统的光学总长。满足条件式（1），能够合理控制所述光学系统的总长与有效焦距的比值，有利于实现较短的光学总长。
20.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：0.5《f/f1《1；（2）-2.0《f/f2《-0.5；（3）其中，f表示所述目镜光学系统的有效焦距，f1表示所述第一透镜的有效焦距，f2表示所述第二透镜的有效焦距。满足条件式（2）和（3），通过合理地控制第一透镜和第二透镜的焦距占比，有利于校正光学系统在不同屈光度时的像差，提高所述目镜光学系统的成像质量。
21.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：1《r
s1
/f《2；（4）-5《(r
s2
r
s1
)/(r
s2-r
s1
)《-1；（5）
其中，f表示所述目镜光学系统的有效焦距，r
s1
表示所述第一透镜的显示侧面的曲率半径，r
s2
表示所述第一透镜的目侧面的曲率半径。满足条件式（4）和（5），能够合理控制第一透镜的面型，有利于校正轴外视场的畸变，提高所述目镜光学系统的解像品质。
22.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：0.7《r
s3
/ r
s2
《2；（6）其中，r
s2
表示所述第一透镜的目侧面的曲率半径，r
s3
表示所述第二透镜的显示侧面的曲率半径。满足条件式（6），使光线出入射第一、二透镜时具有较小的角度，有利于校正所述目镜光学系统的垂轴色差，提高所述目镜光学系统的解像品质。
23.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：0.5《f/f3《1.5；（7）其中，f表示所述目镜光学系统的有效焦距，f3表示所述第三透镜的有效焦距。满足条件式（7），通过合理地控制第三透镜的焦距占比，能够使所述目镜光学系统具有较大的出瞳距离，同时有利于缩短所述目镜光学系统的光学总长。
24.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：0.5《r
s6
/ f《1；（8）其中，r
s6
表示所述第三透镜的目侧面的曲率半径，f表示所述目镜光学系统的有效焦距。满足条件式（8），通过合理设置第三透镜目侧表面的曲率，减小光线进入第三透镜目侧表面的入射角，使所述目镜光学系统具有较大的视场范围，同时有利于校正所述目镜光学系统的光学畸变。
25.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：25《v1《57；（9）1.6《n1《2.0；（10）15《v2《25；（11）1.7《n2《2.0；（12）其中，v1表示所述第一透镜的阿贝数，v2表示所述第二透镜的阿贝数，n1表示所述第一透镜的折射率，n2表示所述第二透镜的折射率。满足条件式（9）至（12），能够合理搭配选取第一透镜和第二透镜的材质，有利于校正所述目镜光学系统的色差，提高所述光学镜头的成像质量。
26.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：-4d≤p≤5d；（13）其中，p表示所述目镜光学系统的屈光度。满足条件式（13），表明所述目镜光学系统能够实现-4d~5d的屈光度，使不同近视或者远视程度的用户佩戴均具有良好的感官体验。需要说明的是，光线由一种物体射入到另一种光密度不同的物质时，其光线的传播方向产生偏折，这种现象称为屈光现象，表示这种屈光现象大小（屈光力）的单位是屈光度（缩写为“d”）。 1 屈光度或 1d 等于常说的 100 度。
27.在一些可选的实施例中，所述目镜光学系统满足以下条件式：12《ih/oh《16；（14）其中，oh表示所述显示单元的对角线长度，ih表示用户眼睛观察到像面的最大像高。满足条件式（14），使所述目镜光学系统具有较大的放大倍率，使用户佩戴均具有良好的
感官体验。
28.作为一种实施方式，第一透镜、第二透镜、第三透镜可以分别采用球面镜片或者非球面镜片；优选地，第一透镜和第二透镜均为玻璃球面镜片，第三透镜采用塑胶非球面镜片，通过采用玻塑混合镜片的合理搭配，在减小透镜数量的前提下，能够更好保证光学系统的成像质量，缩短整个光学系统的总长，更好实现镜头的小型化和高像质的均衡。
29.作为一种实施方式，当光学系统中的透镜表面为非球面时，光学系统的各个非球面面型可以均满足下列方程：其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率半径，k为二次曲面系数conic，a
2i
为第2i阶的非球面面型系数。
30.下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下各个实施例中，目镜光学系统中各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。
31.第一实施例如图1所示，为本发明实施例提供的一种目镜光学系统100的结构示意图，朝向用户眼睛20的方向为目侧，朝向所述显示单元10的方向为显示侧，从显示单元10发出的图像信息经所述目镜光学系统100进入用户眼睛20成像；具体地，所述目镜光学系统100从显示侧到目侧沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一透镜l1、第二透镜l2以及第三透镜l3，第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3各自包括一目侧面及一显示侧面；第一透镜l1和第二透镜l2均为玻璃球面镜片，第三透镜l3为塑胶非球面镜片。
32.具体地，第一透镜l1具有正光焦度，第一透镜的目侧面s2为凸面，第一透镜的显示侧面s1为凹面；第二透镜l2具有负光焦度，第二透镜的目侧面s4为凸面，第二透镜的显示侧面s3为凹面；第三透镜l3具有正光焦度，第三透镜的目侧面s6为凸面，第三透镜的显示侧面s5为凸面。
33.请参照表1，所示为本发明第一实施例提供的目镜光学系统100中各个镜片的相关参数如表1所示。
34.表 1
本发明第一实施例提供的目镜光学系统100中第三透镜l3的非球面面型系数如表2所示。
35.表 2为满足不同屈光程度用户的佩戴需求，可通过动态调节第一透镜l1与显示单元10在光轴上的空气间隔ctw来实现目镜光学系统在不同屈光度之间的调节，具体地，在本实施例中空气间隔ctw的调节范围在1.956~4.91mm，可实现-400~500度的屈光度可调，从而使不同近视或者远视程度的用户佩戴均具有良好的感官体验。如图1所示，为目镜光学系统100在屈光度为0d（0
°
）时的结构示意图，此时由第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3组成的整个透镜组30和显示单元10在光轴上的间隔距离为3.596mm；当整个透镜组30和显示单元10在光轴上的间隔距离为4.91mm，此时目镜光学系统100的屈光度为-4d（-400
°
）；当整个透镜组和显示单元10在光轴上的间隔距离为1.956mm，此时目镜光学系统100的屈光度为5d（500
°
）；整个透镜组和显示单元10在光轴上的间隔距离ctw可以在1.956~4.91mm之间动态调节，从而能够很好的满足不同屈光程度用户的佩戴需求。
36.请参照图2，所示为目镜光学系统100的场曲曲线图，图中横轴表示偏移量（单位：mm），纵轴表示用户眼睛接收的像高（单位：毫米）。从图2中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在
±
0.2mm以内，说明目镜光学系统100的场曲得到良好的校正。
37.请参照图3，所示为目镜光学系统100的畸变曲线图，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示用户眼睛接收的像高（单位：毫米）。从图3中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在
±
2%以内，说明目镜光学系统100的畸变得到良好的矫正。
38.请参照图4，所示为目镜光学系统100的垂轴色差曲线图，图中横轴表示各波长相对中心波长（0.54um）的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化用户眼睛接收的像高。从图4中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
10微米以内，说明目镜光学系统100能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
39.第二实施例请参照图5，所示为本发明第二实施例提供的目镜光学系统200的结构示意图，本发明第二实施例提供的目镜光学系统200与第一实施例提供的目镜光学系统100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、材料选择、透镜厚度有所不同，以及整个透镜组和显示单元10在光轴上的空气间隔ctw调节范围为1.998~4.984mm，能够实现目镜光学系统200在-400~500度的屈光度可调。
40.请参照表3，所示为本发明第二实施例提供的目镜光学系统200中各个镜片的相关参数。
41.表 3本发明第二实施例提供的目镜光学系统200中第三透镜的非球面面型系数如表4所示。
42.表 4请参照图6，所示为目镜光学系统200的场曲曲线图。从图6中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在
±
0.2mm以内，说明目镜光学系统200的场曲得到良好的校正。
43.请参照图7，所示为目镜光学系统200的畸变曲线图。从图7中可以看出，成像面上
不同像高处的光学畸变控制在
±
2%以内，说明目镜光学系统200的畸变得到良好的矫正。
44.请参照图8，所示为目镜光学系统200的垂轴色差曲线图。从图8中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
10微米以内，说明目镜光学系统200能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
45.第三实施例请参照图9，所示为本发明第三实施例提供的目镜光学系统300的结构示意图，本发明第三实施例提供的目镜光学系统300与第一实施例提供的目镜光学系统100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、材料选择、透镜厚度有所不同，以及整个透镜组和显示单元10在光轴上的空气间隔ctw调节范围为3.774~6.761mm，能够实现目镜光学系统300在-400~500度的屈光度可调。
46.请参照表3，所示为本发明第三实施例提供的目镜光学系统300中各个镜片的相关参数。
47.表 5本发明第三实施例提供的目镜光学系统300中第三透镜的非球面面型系数如表4所示。
48.表 6请参照图10，所示为目镜光学系统300的场曲曲线图。从图10中可以看出，在不同屈光度下，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在
±
0.25mm以内，说明目镜光学系统300的场曲得到良好的校正。
49.请参照图11，所示为目镜光学系统300的畸变曲线图。从图11中可以看出，在不同屈光度下，成像面上不同像高处的光学畸变控制在
±
2%以内，说明目镜光学系统300的畸变得到良好的矫正。
50.请参照图12，所示为目镜光学系统300的垂轴色差曲线图。从图12中可以看出，在不同屈光度下，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
10 um以内，说明目镜光学系统300能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
51.请参照表7，所示是上述三个实施例提供的目镜光学系统分别对应的光学特性，主要包括光学系统的有效焦距f、出瞳距离ed、入瞳直径epd、光学总长ttl及用户眼睛观察到像面的最大像高ih等，以及与前述每个条件式对应的相关数值。
52.表7综上，本发明实施例提供的目镜光学系统具有以下的优点：（1）采用三个具有特定屈折力的镜片，并且通过玻塑混合及各个透镜特定的表面形状搭配，使得光学系统具有较短的光学总长，从而缩短了整个头戴显示设备系统的总长，有利于头戴显示设备的小型化和轻量化的实现；整个目镜光学系统的光学畸变均在
±
2%以内，说明光学系统具有很小的光学畸变，图像失真或变形程度基本很小，从而给用户带来更
好的感官体验。
53.（2）通过调节整个透镜组与显示单元在光轴上的空气间隔，可实现不同屈光度的调节（-400~500
°
），并且光学系统在不同的屈光度下均具有较高的成像质量，能够满足不同近视或远视程度用户的佩戴需求；（3）由于各透镜的光焦度及面型设置合理，所述光学系统具有较大的视场角和出瞳距离，能够给用户提供更好的体验感。
54.第四实施例本发明第四实施例提供一种头戴显示设备400，所述头戴显示设备400包括上述任一实施例中的目镜光学系统（例如目镜光学系统100），所述目镜光学系统100位于用户眼睛20和所述显示单元10之间，优选地，所述显示单元10可以为micro led、oled、lcd、lcos、m-oled中的一种，在本实施例中显示单元10可以采用分辨率为1080p的0.39 英寸m-oled 显示屏，能够为所述目镜光学系统100提供高清晰的图像画面信息。请参照图13，所示为头戴显示设备400中的光路示意图，从显示单元10发出的图像信息经所述目镜光学系统100进入用户的眼睛20成像，用户眼中可以观察到高清放大的虚像，具有极为逼真的感官体验。
55.本实施例提供的头戴显示设备400包括目镜光学系统，由于目镜光学系统具有总长短、视场角大、畸变小、屈光度可调的优点，具有目镜光学系统的头戴显示设备400也具有小型化、轻量化、解像力高以及屈光度可调的优点，使不同屈光程度的用户佩戴均具有良好的感官体验。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
57.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。