一種2P結構鏡頭、頭戴顯示光學系統及頭戴設備的製作方法

2023-05-17 20:04:31 2

本發明涉及目鏡鏡頭
技術領域：
，具體涉及一種2P結構鏡頭、頭戴顯示光學系統及頭戴設備。
背景技術：
：近年來，隨著科技工業的進步，3D技術得以迅速和廣泛的發展，越來越多的影視和遊戲都是基於VR(VatualReality，虛擬實境)技術的模擬真實場景，並且要求效果逼真震撼；使得頭戴顯示器作為一種新興的技術，首先在娛樂領域有了很好的發展前景，其把二維平面的畫面以更加立體的形象展現給用戶，使得用戶產生身臨其境的真實感受。現有的VR設備用的目鏡鏡頭，多局限於小視場的成像系統，其鏡頭FOV(FieldofView，視場)小於100°，用戶使用設備觀察場景時，會感覺到存在明顯的邊界，無法滿足遊戲領域一些高端用戶追求VR的沉浸感的要求，而用戶體驗則主要取決於目鏡的視場角，因此，現有的VR設備用的目鏡鏡頭存在視場角小、用戶體驗不佳的問題。技術實現要素：本發明提供了一種2P(2pieces，兩片)結構鏡頭、頭戴顯示光學系統及頭戴設備，以解決採用小視場的成像系統其鏡頭的視場角小、用戶體驗不佳的問題。根據本發明的一個方面，提供了一種2P結構鏡頭，包括逆著光線入射方向依次設置的第一凸透鏡和第二凸透鏡，第一凸透鏡為平凸透鏡，第二凸透鏡為雙凸透鏡；第一凸透鏡包括第一表面和第二表面，第一表面為靠近光闌的平面，光闌位於人眼瞳孔處；第二表面為凸向物方的非球面；第一表面的曲率半徑R1與第二表面的曲率半徑R2分別滿足以下關係式：R1＝0，R2<0；第二凸透鏡包括第三表面和第四表面，第三表面和第四表面均為非球面，第三表面靠近第一凸透鏡的第二表面並凸向光闌，第四表面凸向物方；第三表面的曲率半徑R3與第四表面的曲率半徑R4滿足以下關係式：R3<-R4。根據本發明的另一個方面，提供了一種頭戴顯示光學系統，該頭戴顯示光學系統逆著光線入射方向依次包括：光闌、如本發明的一個方面的2P結構鏡頭，以及顯示器，光闌位於人眼瞳孔處，顯示器位於物方。根據本發明的又一個方面，提供了一種頭戴設備，包如本發明的另一個方面的頭戴顯示光學系統。本發明的有益效果是：本發明的這種2P結構鏡頭，首先，整組鏡頭包括兩片透鏡，其中一片為非球面的平凸透鏡，另一片為非球面的雙凸透鏡，且平凸透鏡上第一表面的曲率半徑R1與第二表面的曲率半徑R2分別滿足以下關係式：R1＝0，R2<0，雙凸透鏡上第三表面的曲率半徑R3與第四表面的曲率半徑R4滿足以下關係式：R3<-R4，該2P結構使得鏡頭模組單片鏡片的面型更易於控制成型，對於MTF(ModulationTransferFunction，調製傳遞函數)、SPOT(光斑)等像差的校正更好，同時能夠獲得120°的大視場角，能夠作為高性能版本的頭戴顯示器目鏡；其次，其製造成本和重量都大大降低。另外，本發明還提供了一種頭戴顯示光學系統及頭戴設備，其不僅可以滿足大視場角VR的需要，更能夠使得用戶獲得更好的沉浸感，從而提供較佳的用戶體驗，提高產品的競爭力。附圖說明圖1是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的結構示意圖；圖2是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的工作狀態光學原理圖；圖3是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的初始結構示意圖；圖4是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的接收者偏離光軸0mm時的光學結構圖；圖5是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的場曲圖；圖6是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的畸變圖；圖7是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的點列圖；圖8是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的色差圖；圖9是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的接收者偏離光軸-2mm時的示意圖；圖10是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的接收者偏離光軸2mm時的示意圖。具體實施方式VR設備用的目鏡鏡頭的一種現有技術是：沿著光線入射方向依次包括：前組和後組，前組包括第一負透鏡和第二正透鏡，後組包括一個類似膠合透鏡組：第三正透鏡和第四負透鏡，第一負透鏡具有凸向物方的第一表面和凹向像方的第二表面，位於鏡頭的始端，第二正透鏡具有凹向物方的第三表面和凸向像方的第四表面，第三正透鏡具有凸向物方的第五表面和凸向像方的第六表面，第四負透鏡具有凹向物方的第七表面和凹向像方的第八表面。但是，這種技術多局限於小視場的成像系統，其鏡頭FOV較小，用戶使用設備觀察場景時，會感覺到存在明顯的邊界，無法滿足遊戲領域一些高端用戶追求VR的沉浸感的要求，而用戶體驗則主要取決於目鏡的視場角，因此，現有的VR設備用的目鏡鏡頭存在視場角小、用戶體驗不佳的問題，同時，還存在結構複雜，鏡頭模組單片鏡片的面型不易於控制成型，無法實現對MTF、SPOT等像差的校正，製造成本高，以及重量較大的問題。本發明的設計構思是：針對現有的VR設備用的目鏡鏡頭存在視場角小、用戶體驗不佳的問題，同時，還存在結構複雜，鏡頭模組單片鏡片的面型不易於控制成型，無法實現對MTF、SPOT等像差的校正，製造成本高，以及重量較大的問題，本發明的鏡頭採用兩片凸透鏡，其中一片凸透鏡是靠近光闌的平凸透鏡，另外一片凸透鏡是靠近物方的雙凸透鏡；平凸透鏡靠近光闌的表面是平面，其曲率半徑R1＝0，平凸透鏡靠近雙凸透鏡的表面是非球面，其曲率半徑R2<0；雙凸透鏡的兩個表面均為非球面，其兩個表面的曲率半徑分別滿足以下關係式：R3<-R4。這樣，本發明的技術方案不僅可以滿足大視場角VR的需要，能獲得120°大視場角，使得用戶能夠獲得更好的沉浸感，同時使得鏡頭模組單片鏡片的面型易於控制成型，對MTF、SPOT等像差的校正更好，製造成本更低，重量大大減小，能夠改善用戶體驗，提高產品的競爭力。實施例一圖1是本發明一個實施例的一種2P結構鏡頭的工作狀態光學原理圖，參見圖1，該2P結構鏡頭包括逆著光線入射方向依次設置的第一凸透鏡L1和第二凸透鏡L2，第一凸透鏡L1為平凸透鏡，第二凸透鏡L2為雙凸透鏡；第一凸透鏡L1包括第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1為靠近光闌的平面，光闌位於人眼11的瞳孔處；第二表面S2為凸向物方12的非球面；第一表面S1的曲率半徑R1與第二表面S2的曲率半徑R2分別滿足以下關係式：R1＝0，R2<0；第二凸透鏡L1包括第三表面S3和第四表面S4，第三表面S3和第四表面S4均為非球面，第三表面S3靠近第一凸透鏡L1的第二表面S2並凸向光闌，第四表面S4凸向物方12；第三表面S3的曲率半徑R3與第四表面S4的曲率半徑R4滿足以下關係式：R310×f1。需要說明的是，本實施例中，第二凸透鏡L2承擔了大部分的光焦度。這樣，本實施例的技術方案能夠使得鏡頭的結構更加緊湊，減小鏡頭的整體體積，有利於本發明的2P結構鏡頭的現實推廣應用和提升用戶體驗。實施例三本實施例中是重點對2P結構鏡頭的第二凸透鏡L2的焦距的進一步說明，其他內容參見本發明的其他實施例。該2P結構鏡頭的一種具體實現方式如下：第一凸透鏡L1的焦距f1和第二凸透鏡L2的焦距f2還進一步滿足以下關係式：100mm<f2<150mm，12mm<f10，R4<0，-200mm<R3<-R4<200mm。需要說明的是，本實施例中，第二凸透鏡L2進一步承擔更多的光焦度，同時使得第二凸透鏡L2的第三表面S3和第四表面S4更加易於加工和補正，這樣，本實施例的技術方案在進一步使得鏡頭的結構更加緊湊，減小鏡頭的整體體積，同時降低鏡片的加工難度，提高鏡片的加工質量和成品率，從而更加有利於提高本發明的2P結構鏡頭的市場競爭能力。實施例五本實施例中是重點對2P結構鏡頭的兩片凸透鏡的材料和工藝的進一步說明，其他內容參見本發明的其他實施例。該2P結構鏡頭的一種具體實現方式如下：第一凸透鏡L1和第二凸透鏡L2採用COP(Cyclo—olefinpolymer)光學塑料材質和注塑工藝生產製成。需要說明的是，本實施例中，使用COP光學塑料材質相比使用玻璃材質和其他低端PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(樹脂)等材質，使得本實施例的鏡頭重量大幅下降，並且本實施例的塑料鏡片通過採用注塑工藝生產，能夠進行大批量生產，且性能穩定，成本較低。這樣，能夠進一步降低本發明的2P結構鏡頭的成本，提高競爭力。實施例六本實施例中是重點對2P結構鏡頭的兩片凸透鏡的各個表面的進一步說明，其他內容參見本發明的其他實施例。該2P結構鏡頭的一種具體實現方式如下：第一凸透鏡L1的第二表面S2、第二凸透鏡L2的第三表面S3和第四表面S4均滿足以下偶次非球面方程公式:其中，z為沿光軸方向的坐標，Y為以透鏡長度單位為單位的徑向坐標，c＝1/R，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數(CoinConstant)，αi為各高次項的係數，2i為非球面的高次方(theorderofAsphericalCoefficient)，i＝4。需要說明的是，本實施例中，第一凸透鏡L1的第二表面S2、第二凸透鏡L2的第三表面S3和第四表面S4均滿足上述偶次非球面方程公式，且二次項最高到8次方。本實施例的設計方案通過ZEMAX光學設計軟體來完成，同樣的設計思路也可以使用CODEV光學設計軟體完成。首先，先建立初始結構如圖3所示，然後在初始結構的基礎上建立評價函數，通過添加各種操作數約束來達到設計目的，最終優化的結果如圖1所示。本實施例的設計結果如表一所示，表一中分別列有由物方12開始，依序編號的光學表面序號(Surface)，在光軸上各光學面的曲率半徑(R)，從物方12到像方的成像面13的光軸上各面與後一光學表面的距離(T)，如圖4中所示，T即表示第二凸透鏡L2的第四表面S4到後一面(物方12)的距離，圓錐係數(CoinConstant)k，以及非球面係數α1、α2、α3、α4。表一surfaceRTkα1α2α3α4L1-S1Infinity12.67620.000.000.000.000.00L1-S2-30.30981.9943-6.88E-010.002.12E-06-3.41E-09-1.15E-12L2-S1111.227712.29323.33E+000.009.34E-07-5.11E-10-1.90E-13L2-S2-199.249231.30002.33E+010.000.00E+000.00E+000.00E+00以上可見，本實施例的2P結構鏡頭能夠更好的控制MTF、畸變、SPOT等項像差，提高成像質量，提升用戶體驗。實施例七本實施例中是重點對2P結構鏡頭的兩片凸透鏡的各個表面的另一種進一步說明，其他內容參見本發明的其他實施例。該2P結構鏡頭的一種具體實現方式如下：第一凸透鏡的第二表面、第二凸透鏡的第三表面和第四表面滿足以下奇次非球面方程公式：其中，z為沿光軸方向的坐標，Y為以透鏡長度單位為單位的徑向坐標，c＝1/R，c為曲率，R為曲率半徑，k為圓錐係數，βi為各高次項的係數，i為非球面的高次方；i＝2N+1，N為自然數，1≤N≤8。需要說明的是，利用上述奇次非球面方程公式同樣也能夠達到設計目的。本實施例的2P結構鏡頭，其場曲、畸變、點列圖、MTF可依次參見圖5、圖6、圖7和圖8所示，上述各圖中主要針對參考波長綠光(540nm)進行分析。以上可見，本實施例的2P結構鏡頭，其場曲在10mm以內，畸變在50％以內，RMS(均方根)點小於0.3mm。如圖9和圖10分別所示，在光闌處的人眼11作為接收者，分別偏離光軸-2mm和2mm時，RMS點小於0.45mm。該2P結構鏡頭，能夠滿足大視場角VR的需要，能獲得120°大視場角，且具有良好的光學參數性能。實施例八參見圖2，該頭戴顯示光學系統，逆著光線入射方向依次包括：光闌、如實施例一至實施例七中任一項所述的2P結構鏡頭，以及顯示器，光闌位於人眼11的瞳孔處，顯示器位於物方12。需要說明的是，該實施例的頭戴顯示光學系統還可以通過設置頭戴固定部件形成頭戴設備，頭戴固定部件可以優選為固定帶或固定頭盔等，從而方便使用者的操作和使用，提升用戶使用體驗感覺。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。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp