目鏡的製作方法

2023-07-28 09:15:36 1

專利名稱：目鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學技術領域，更具體地說，涉及一種適用於頭戴顯示器或類似裝置 的目鏡。
背景技術：
頭戴顯示器(或稱頭盔顯示器、視頻眼鏡)無論在多媒體娛樂還是在軍事、工業、 醫療等領域都具有巨大的應用價值和市場。對頭戴顯示器的要求為佩戴舒適、結構緊湊體 積小、高成像質量和儘可能大的視場。頭戴顯示器主要由三部分組成顯示部件、光學系統、連接前兩者的機械結構。光 學系統決定了頭戴顯示器的成像質量、視場大小、體積大小，即光學系統是頭戴顯示器的核 心部分，其性能參數決定了產品整體系統參數。對於頭戴顯示器應用，要求光學系統儘量大的視場以保證有足夠的沉浸感；要求 光學系統較大的出瞳尺寸，以保證不同瞳孔距的人可以在轉動眼球的同時不會丟失圖像； 要求光學系統儘量小的焦距，以保證系統緊湊型和足夠的放大倍率。而視場、出瞳尺寸、焦 距這三個參數對於光學系統而言是相互制約的。目前，傳統的以共軸球面透鏡組的目鏡結 構已經無法滿足高像質、大視場和小體積的要求，光學系統緊湊性和光學系統成像質量要 求存在一定的矛盾。另一方面，共軸目鏡光學系統有加工工藝成熟、成本低廉、性能穩定等 優點。克服共軸光學系統的缺點，發揮其優勢是良好可用光學系統的內在要求。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有頭戴顯示器的目鏡無法滿足高像質、大 視場和小體積的要求的缺陷，提供一種適用於頭戴顯示器或類似裝置的目鏡，其出瞳距離 長、視場角大且體積相對較小。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種目鏡，包括三片全塑料透 鏡，像方遠心；所述目鏡從人眼觀察一側到顯示器件一側，沿共軸方向共軸依次排列著光
闌、第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡；其中，所述第一透鏡的焦距為fl，第二透鏡的焦距為f2，第三透鏡的焦距為f3，系 統總焦距為fV，光闌到第一透鏡的中心距離為df，第三透鏡到顯示器件的顯示晶片的中心 距離為db，且滿足以下關係式1)0. 6 < fl/fw < 0. 85,2)0. 4 < |f2/fw| < 0. 6,3)0. 5 < f3/fw < 0. 75,4)0. 78 < df/fw <0.82，5) 0. 28 < db/fw 1. 48，Nd3 > 1. 48，Ndl、Nd3分別表示第一透鏡、第三透鏡在d線的折射率；
Vdl > 56，Vd3 > 56，Vdl、Vd3分別表示第一透鏡、第三透鏡在d線的阿貝數；Nd2 > 1. 55，Vd2 < 30，Nd2、Vd2分別表示第二透鏡在d線的折射率和阿貝數。在本發明的一些優選實施例中，所述第一透鏡和第三透鏡均為正透鏡，第二透鏡 為負透鏡。在本發明更進一步的優選實施例中，所述第一透鏡為雙凸透鏡，所述第三透鏡為 彎月形透鏡，且第三透鏡的兩個曲面曲率半徑均為正值。在本發明的一些優選實施例中，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的焦距進一 步滿足以下關係式，以獲得更好的成像效果6)0. 7 < fl/fw < 0. 8 ；7) 0. 45 < I f2/fw | <0.55;8)0. 6 < f3/fw < 0. 73 ο在本發明的一些優選實施例中，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡為光學塑料。 例如，所述第一透鏡和第三透鏡可以採用聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate， PMMA)製成，即Ndl = Nd3 = 1. 492，Vdl = Vd3 = 57. 3274。第二透鏡可以採用聚碳酸酯 (Polycarbonate, PC)製成，即Nd2 = 1. 586，Vd2 = 29. 9309。本發明中的透鏡不僅限於上 述兩種材料，還可以選用其它符合折射率和阿貝數範圍的光學塑料。在本發明的一些優選實施例中，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡中至少有一 個光學面為軸對稱非球面，以校正系統像差，如場曲和畸變。在本發明進一步的一些實施例 中，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的光學面皆為軸對稱非球面，從而更好地校正系統 像差。優選地，所述非球面的表達式為
「00241 ζ =-1 ^ = + a2r2 +a4r4 +a6r6 +......
L 」l + ^l-(l + k)c2r2；其中，ζ為光學面的矢高，c為曲率，k為非球面係數，α2,4,6，...為各階係數。實施本發明的目鏡，具有以下有益效果本發明的目鏡採用三片具有不同特性的 透鏡，將顯示器件顯示的圖像通過該目鏡構成的光學系統放大，並經位於光闌處的人眼成 像，該目鏡出瞳直徑大於一般的目鏡，其像方遠心，照度均勻、結構緊湊、大視場、低畸變。此 外，本發明可以採用非球面的設計，從而利用光學非球面對光學系統消像差，保證了大出瞳 距離、大視場角、低畸變。同時，本發明還採用光學塑料製成的鏡片，相對於玻璃鏡片而言， 其質量輕、成本低，能夠實現玻璃難以實現的高階多項式的非球面。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1示出了根據本發明第一實施例的目鏡的光學系統圖；圖2示出了根據本發明第一實施例的目鏡的光學系統傳函圖；圖3(a)和圖3(b)分別示出了根據本發明第一實施例的目鏡的場曲和畸變曲線；圖4示出了根據本發明第二實施例的目鏡的光學系統圖；圖5示出了根據本發明第二實施例的目鏡的光學系統傳函圖；圖6(a)和圖6(b)分別示出了根據本發明第二實施例的目鏡的場曲和畸變曲線；圖7示出了根據本發明第三實施例的目鏡的光學系統圖；圖8示出了根據本發明第三實施例的目鏡的光學系統傳函圖9(a)和圖9(b)分別示出了根據本發明第三實施例的目鏡的場曲和畸變曲線。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。請參閱圖1，為根據本發明第一實施例的目鏡的光學系統圖。如圖1所示，從人眼 觀察側到顯示器件I側(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透鏡L3 和顯示器件I。在本實施例中，第一透鏡Ll和第三透鏡為正透鏡，第二透鏡為負透鏡以校正 系統色差。且第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透鏡L3皆採用非球面以校正系統像差包括場 曲和畸變。在此，以光闌E表面序號為1，依次類推，顯示器件I表面為8。所述第一實施例目鏡設計數據如下表1所示表 1 第一實施例中各個表面的非球面參數如下表面 2 (Surface 2)類型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 46.1412944e-005
Coeffonr 62.5580088e-006
Coeffonr 8-1.1230122e-007
Coeffon r108.9015252e-010
表面3 (Surface 3)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :_3· 309314e_005Coeff on r 6 :9·3557479e_007Coeff on r 8 ·~9. 0216008e_008Coeff on r 10 :8.8576475e_010表面4 (Surface 4)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :~9. 6376876e_005Coeff on r 6 :2.6558718e_006Coeff on r 8 -l. 7473741e_007Coeff on r 10 :1.545018e_009表面5 (Surface 5)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :4. 4542079e_005Coeff on r 6 :1.2197471e_005Coeff on r 8 -l. 473328e_007Coeff on r 10 :_3. 1703855e_009表面6 (Surface 6)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :_3. 8892206e_006Coeff on r 6 :8.4908171e-006Coeff on r 8 :_4. 6741251e_008Coeff on r 10 :3.9082855e_009表面7 (Surface 7)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :~9.6742694e_006Coeff on r 6 :2·5950192e_006Coeff on r 8 :_3. 1095373e_008Coeff on r 10 1111381e_008請參閱圖2，示出了根據本發明第一實施例的目鏡的光學系統傳函圖；圖3(a)和 圖3(b)分別示出了根據本發明第一實施例的目鏡的場曲和畸變曲線。如圖所示，表徵出本 實施例的光學系統的成像質量高，且出瞳距離大、視場角大和畸變低。請參閱圖4，為根據本發明第二實施例的目鏡的光學系統圖。如圖4所示，從人眼 觀察側到顯示器件I側(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透鏡L3 和顯示器件I。在本實施例中，第一透鏡Ll和第三透鏡為正透鏡，第二透鏡為負透鏡以校正 系統色差。且第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透鏡L3皆採用非球面以校正系統像差包括場 曲和畸變。在此，以光闌E表面序號為1，依次類推，顯示器件I表面為8。所述第二實施例目鏡設計數據如下表2所示
6
表 2
第二實施例中各個表面的非球面參!
表面 2 (Surface 2)類型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 40.0001745316
Coeffonr 6-5.2971102e-006
Coeffonr 8-2.1845734e-008
Coeffonr 10:-6. 5191306e-011
表面 3 (Surface 3)類型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 44.9511029e-005
Coeffonr 6-9.2132981e-006
Coeffonr 81.3727281e-007
Coeffon r10-1.3061152e-009
表面 4 (Surface 4)類型EVENASPH
Coeffonr 20
Coeffonr 4-0.00012965859
Coeffonr 67.9030145e-006
Coeff on r 8 -l. 0006347e-007Coeff on r 10 :6.9167038e_010表面5 (Surface 5)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 0. 00028663084Coeff on r 6 :6. 519007e_006Coeff on r 8 :_5. 9855651e_009Coeff on r 10 :_9. 1306036e_009表面6 (Surface 6)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :0. 00090713675Coeff on r 6 :2.2296566e_006Coeff on r 8 :-l. 8815219e_007Coeff on r 10 :1.4724701e_008表面7 (Surface 7)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :0.00059319234Coeff on r 6 :4. 0858718e-006Coeff on r 8 1. 4863469e-006Coeff on r 10 :_4. 0050924e_009請參閱圖5，示出了根據本發明第二實施例的目鏡的光學系統傳函圖；圖6(a)和 圖6(b)分別示出了根據本發明第二實施例的目鏡的場曲和畸變曲線。如圖所示，表徵出本 實施例的光學系統的成像質量高，且出瞳距離大、視場角大和畸變低。請參閱圖7，為根據本發明第三實施例的目鏡的光學系統圖。如圖7所示，從人眼 觀察側到顯示器件I側(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透鏡L3 和顯示器件I。在本實施例中，第一透鏡Ll和第三透鏡為正透鏡，第二透鏡為負透鏡以校正 系統色差。且第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透鏡L3皆採用非球面以校正系統像差包括場 曲和畸變。在此，以光闌E表面序號為1，依次類推，顯示器件I表面為8。所述第三實施例目鏡設計數據如下表3所示表3
0128]第三實施例中各個表面的非球面參!0129]表面 2 (Surface 2)類型EVENASPH0130]Coeffon ι-2 00131]Coeffon ι-4 1.8244971e-0050132]Coeffon ι^ 6 3.1538296e-0070133]Coeffon ι-8 -9.6275999e-0090134]Coeffon ι-10:4.0616455e-0110135]表面 3 (Surface 3)類型EVENASPH0136]Coeffon ι-2 00137]Coeffon ι-4 -9.9131785e-0060138]Coeffon ι^ 6 1.1435686e-0070139]Coeffon ι-8 -8.2047549e-0090140]Coeffon ι-10:4.0336685e-0110141]表面 4 (Surface 4)類型EVENASPH0142]Coeffon ι-2 00143]Coeffon ι-4 -3.6208325e-0050144]Coeffon ι^ 6 4.3831507e-0070145]Coeffon ι-8 -1.3845781e-0080146]Coeffon ι-10:6.000235e-0110147]表面 5 (Surface 5)類型EVENASPH0148]Coeffon ι-2 00149]Coeffon ι-4 1.0301347e-005
Coeff on r 6 1. 8357947e-006Coeff on r 8 -l. 6625861e-008Coeff on r 10 2036801e_010孑L徑(Aperture)浮動孑L徑(Floating Aperture)最大曲率半徑(MaximumRadius) 8. 235294表面6 (Surface 6)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :_2· 1447272e_006Coeff on r 6 1. 4611758e-006Coeff on r 8 :-3. 915728e_009Coeff on r 10 :1.207144e_010表面7 (Surface 7)類型EVENASPHCoeff on r 2 OCoeff on r 4 :6.3635648e_006Coeff on r 6 :4.0540057e-007Coeff on r 8 :-4. 0568124e-009Coeff on r 10 :4.3656109e_010請參閱圖8，示出了根據本發明第三實施例的目鏡的光學系統傳函圖；圖9(a)和 圖9(b)分別示出了根據本發明第三實施例的目鏡的場曲和畸變曲線。如圖所示，表徵出本 實施例的光學系統的成像質量高，且出瞳距離大、視場角大和畸變低。從上述發明實施例的各項數據，可以得到本發明實施例滿足前述關係要求，結果 如下表所示 本發明是根據特定實施例進行描述的，但本領域的技術人員應明白在不脫離本發 明範圍時，可進行各種變化和等同替換。此外，為適應本發明技術的特定場合或材料，可對 本發明進行諸多修改而不脫離其保護範圍。因此，本發明並不限於在此公開的特定實施例， 而包括所有落入到權利要求保護範圍的實施例。
權利要求
一種目鏡，其特徵在於，包括從人眼觀察側到顯示器件側沿光軸方向共軸依次排列的光闌、第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡；所述第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，第三透鏡的焦距為f3，系統總焦距為fw，光闌到第一透鏡的中心距離為df，第三透鏡到顯示器件的顯示晶片的中心距離為db，且滿足以下關係式1)0.6＜f1/fw＜0.85，2)0.4＜|f2/fw|＜0.6，3)0.5＜f3/fw＜0.75，4)0.78＜df/fw＜0.82，5)0.28＜db/fw＜0.45；且所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的材料滿足以下要求Nd1＞1.48，Nd3＞1.48，Nd1、Nd3分別表示第一透鏡、第三透鏡在d線的折射率；Vd1＞56，Vd3＞56，Vd1、Vd3分別表示第一透鏡、第三透鏡在d線的阿貝數；Nd2＞1.55，Vd2＜30，Nd2、Vd2分別表示第二透鏡在d線的折射率和阿貝數。
2.根據權利要求1所述的目鏡，其特徵在於，所述第一透鏡和第三透鏡均為正透鏡，第 二透鏡為負透鏡。
3.根據權利要求2所述的目鏡，其特徵在於，所述第一透鏡為雙凸透鏡，所述第三透鏡 為彎月形透鏡，且第三透鏡的兩個曲面曲率半徑均為正值。
4.根據權利要求1所述的目鏡，其特徵在於，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的焦 距進一步滿足以下關係式6)0.7 < fl/fw < 0. 8 ；7)0.45 < f2/fw < 0. 55 ；8)0.6 < f3/fw < 0. 73。
5.根據權利要求1所述的目鏡，其特徵在於，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡為光 學塑料。
6.根據權利要求5所述的目鏡，其特徵在於，所述第一透鏡和第三透鏡採用聚甲基丙 烯酸甲酯製成。
7.根據權利要求6所述的目鏡，其特徵在於，所述第二透鏡採用聚碳酸酯製成。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的目鏡，其特徵在於，所述第一透鏡、第二透鏡 和第三透鏡中至少有一個光學面為軸對稱非球面。
9.根據權利要求9所述的目鏡，其特徵在於，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的光 學面皆為軸對稱非球面。
10.根據權利要求9所述的目鏡，其特徵在於，所述非球面的表達式為ζ =-, Cr+ Ct2Y1 + a4r4 + a6r6 +......\ + ^\-(\ + k)c2r2.其中，ζ為光學面的矢高，c為曲率，k為非球面係數，a2』4』6，···為各階係數。全文摘要
本發明涉及一種目鏡，包括從人眼觀察側到顯示器件側沿光軸方向共軸依次排列的光闌、第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，且第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的材料、焦距和位置關係滿足一定的關係，從而使顯示器件上顯示的圖像經目鏡放大後在光闌處的人眼成像。本發明提供的目鏡具有大孔徑、大視場、短焦距、低畸變等優點，適用於頭戴顯示器及類似裝置；且本發明的目鏡可以採用光學塑料製成，質量輕成本低。
文檔編號G02B3/02GK101887166SQ20101022751
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者陳雲亮 申請人:深圳航天科技創新研究院