一種目鏡鏡頭和頭戴光學系統的製作方法
2023-12-02 15:47:36
技術領域
本發明涉及鏡頭設計領域，尤其涉及一種目鏡鏡頭和頭戴光學系統。
背景技術：
頭戴光學系統是一個基於微顯示屏的圖像放大系統，微顯示屏所產生的影像藉由光學系統放大，在人眼前一定距離處呈現一個放大的虛像，使用戶可以完全沉浸在虛擬的情景之中，不受外界信息的幹擾。在許多應用領域中，頭戴光學系統的使用者為移動作業，這就要求光學系統在保證成像質量的基礎上結構緊湊、重量輕，並且擁有較大的視場。傳統的解決方案多為旋轉對稱的目鏡結構，雖然光學性能可以接近衍射極限並較好地校正畸變，但是其結構複雜，裝調和加工要求精度高，體積重量大，長時間佩戴會引起使用者頸部疲勞。此外，傳統的微顯示屏由於像元尺寸較大，經過目鏡放大後會產生顆粒化的現象，用戶體驗很差。
因此，如何解決頭戴光學系統的大視場與高像質、輕型化的矛盾，並進一步消除微顯示屏的顆粒化現象，是當前頭戴光學系統發展道路上亟待解決的問題。
技術實現要素：
鑑於上述問題，本發明提供了一種目鏡鏡頭和頭戴光學系統，以解決上述問題或者至少部分地解決上述問題。
依據本發明的一個方面，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，採用塑料材質，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，採用玻璃材質，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；
第三負透鏡，採用玻璃材質，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；
第四負透鏡，採用塑料材質，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。
依據本發明的另一個方面，提供了一種頭戴光學系統，該頭戴光學系統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，與現有技術相比，本發明提供的技術方案具有以下有益效果：1、選取正正負負結構的目鏡鏡頭，有效消除了色差；2、採用非球麵塑料透鏡和球面玻璃透鏡相結合的目鏡鏡頭，成本較低，利於大批量生產；3、將第二正透鏡與第三負透鏡膠合在一起，二者光學性能相互補償，起到消色差的作用；4、體積小，重量輕，減輕用戶負擔。
附圖說明
圖1示出了根據本發明一個實施例的一種頭戴光學系統的示意圖；
圖2示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的30線對下的MTF曲線圖；
圖3示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的場曲和畸變曲線圖；
圖4示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的點列圖；
圖5示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的倍率色差圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
圖1示出了根據本發明一個實施例的一種頭戴光學系統的示意圖。如圖1所示，該頭戴光學系統採用倒追光路設計，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採用PMMA型號的塑料材質，其折射率和色散係數分別為：n1＝1.491786，v1＝57.327362；第二正透鏡122採用H-BAK3型號的玻璃材質，其折射率和色散係數分別為：n2＝1.546780，v2＝62.741102；第三負透鏡123採用ZF14型號的玻璃材質，其折射率和色散係數分別為：n3＝1.9176130，v3＝21.510740；第四負透鏡124採用PC型號的塑料材質，其折射率和色散係數分別為：n4＝1.585470，v4＝29.909185。其中，第二正透鏡122和第三負透鏡123採用玻璃材質的原因是：1、光學玻璃種類較多，不同種玻璃之間的色散相差較大；2、光學玻璃可以加工成雙膠合型而塑料材質不可以。第一正透鏡121和第四負透鏡124採用塑料材質的原因是：1、塑料材質價格較低；2、塑料材質易於加成成非球面型。
反向追蹤光線軌跡，可以看到，第一正透鏡121使發散的軸外主光線匯聚，其後，第二正透鏡122使軸外主光線進一步彎曲，此時第一正透鏡121和第二正透鏡122產生了巨大的色差，需要由第三負透鏡123來校正。在本實施例中，第二正透鏡122採用低色散的冕牌玻璃材質，第三負透鏡123採用高色散的火石玻璃材質，將第二正透鏡122與第三負透鏡123膠合在一起，二者光學性能相互補償，起到消色差的作用。第四負透鏡採用非球面的高色散的PC塑料材質，與第三負透鏡123相分離且靠近微顯示屏130，一方面可以進一步補償色差，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採用0.7英寸的1080p OLED顯示屏，與傳統的微顯示屏相比，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放大後產生顆粒化的現象，提高用戶體驗。
基於上文所述各參數，光闌110至微顯示屏130的距離小於25mm，頭戴光學系統實現了73度的視場角。當頭戴光學系統的使用者將眼睛放在光闌110所在位置，微顯示屏130發出的光經過目鏡鏡頭120後在人眼前5米處形成一個放大的虛像。
圖2示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的30線對下的MTF曲線圖，MTF(光學傳遞函數)可以綜合反映光學系統的成像質量，其曲線形狀越平滑，且相對X軸高度越高，證明系統的成像質量越好。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，可以看到，MTF曲線較為平滑緊湊，曲線所表徵的MTF值很高，基本在0.6以上，說明頭戴光學系統的像差得到了良好的校正。
圖3示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的場曲和畸變曲線圖，其中左側為場曲曲線(FIELD CURVATURE)，右側為畸變曲線(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徵，如圖3所示，場曲曲線中T線為子午場曲，S線為弧矢場曲，二者之差即為光學系統的象散，場曲和象散是影響光學系統軸外視場光線的重要像差，二者過大會嚴重影響光學系統的軸外光線成像質量，可以看到，光學系統的場曲和象散均被校正到極小的範圍內。
畸變不影響光學系統的清晰度，但是會引起系統的圖像變形，對於廣角鏡頭來說，校正畸變是極為困難的，可由後期圖像處理來解決。
圖4示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的點列圖。點列圖忽略衍射效應，反映的是光學系統成像的幾何結構。在大像差系統的點列圖中，點的分布能近似地代表點像的能量分布。因此，在像質評價中，可用點列圖的密集程度更加直觀反映和衡量系統成像質量的優劣，點列圖的RMS半徑越小，證明系統的成像質量越好。如圖4所示，頭戴光學系統的點列圖RMS半徑均小於10um，可見各視場的光斑很小，表明系統能量分布得到很好的優化，像差校正比較好。
圖5示出了根據本發明一個實施例的頭戴光學系統的倍率色差圖，倍率色差是由於不同波長在相同材料中折射率不同而導致的光學系統放大倍率的差別。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，即不同視場下綠光光斑的高度曲線與縱軸重合，縱軸左側的曲線代表不同視場下藍光光斑與綠光光斑的高度差，縱軸右側的曲線代表不同視場下紅光光斑與綠光光斑的高度差，藍光曲線與紅光曲線之差為光學系統的倍率色差，可以看到，各個視場下倍率色差均小於5um，說明色差得到良好的校正。
綜上所述，本發明提供的技術方案通過對目鏡鏡頭和微顯示屏的合理配置與選型，實現了大視場、微顯示、高像質的頭戴光學系統，與現有技術相比，具有以下有益效果：1、選取正正負負結構的目鏡鏡頭，並通過對透鏡材料的合理選擇，有效消除了色差，提高成像質量；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系統在觀看時出現的顆粒化現象；3、軸向尺寸短，體積小，重量輕，減輕用戶負擔；4、採用非球麵塑料透鏡和球面玻璃透鏡相結合的目鏡鏡頭，成本較低，利於大批量生產；5、將第二正透鏡與第三負透鏡膠合在一起，二者光學性能相互補償，起到消色差的作用。基於以上特點，本發明提供的頭戴光學系統給用戶帶來質量更高、更舒適的觀看體驗，符合用戶需求。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍內。