[發(fā)明專利]用于近眼顯示的目鏡光學(xué)系統(tǒng)及頭戴顯示裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680073515.1
• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN108604007B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹鴻鵬;彭華軍
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳納德光學(xué)有限公司
• 主分類號: G02B25/00
• 分類號: G02B25/00;G02B27/01;G02B3/02
• 代理公司: 深圳市多智匯新知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44472
• 代理人: 魯華

用于近眼顯示的目鏡光學(xué)系統(tǒng)及頭戴顯示裝置。目鏡光學(xué)系統(tǒng)包括第一透鏡(L1)、反射單元(P)、第二透鏡(L2)和第三透鏡組(G3)；第二透鏡和第三透鏡組的光軸共軸，且垂直于微型圖像顯示器(I)；第二透鏡和第三透鏡組的光軸經(jīng)過反射單元反射后與第一透鏡的光軸共軸；第三透鏡組至少包括第三透鏡(L3)；第二透鏡和第三透鏡為光學(xué)非球面面型，第一透鏡為設(shè)置于反射單元與人眼觀察側(cè)之間的唯一透鏡；第一透鏡的有效焦距f₁₁、第二透鏡的有效焦距f₂₁，第三透鏡組的有效焦距f₃和目鏡光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距f_w滿足關(guān)系式0.87f₁₁/f_w3.8、f₂₁/f_w0.48和f₃/f_w?0.29。這種目鏡光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、小尺寸、高光學(xué)分辨率的優(yōu)點，可使頭戴顯示裝置達(dá)到最佳的視覺體驗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及用于近眼顯示的目鏡光學(xué)系統(tǒng)及頭戴顯示裝置。

背景技術(shù)

頭戴顯示裝置通過光學(xué)技術(shù)，將微型圖像顯示器(例如透射式或反射式液晶顯示屏，有機(jī)電致發(fā)光器件，DMD器件)發(fā)出的視頻圖像光引導(dǎo)到使用者的瞳孔，在使用者的近目范圍實現(xiàn)虛擬、放大圖像，為使用者提供直觀、可視的圖像、視頻、文字信息，可以應(yīng)用于戶外、模擬駕駛、訓(xùn)練、演示、教學(xué)、培訓(xùn)、醫(yī)療、飛行等場景中。

目鏡光學(xué)系統(tǒng)是頭戴顯示裝置的核心，其實現(xiàn)將微型圖像顯示在人眼前形成虛擬放大圖像的功能。目鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計直接影響頭戴顯示裝置的體積、視覺體驗等關(guān)鍵因素。尤其是對于應(yīng)用在光學(xué)非透視頭戴顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)，其要求在小尺寸的情況下，盡量實現(xiàn)大視場，且要求高的光學(xué)分辨率，使其能看到足夠多的畫面細(xì)節(jié)，同時要求利于長時間觀看而不產(chǎn)生視覺疲勞。然而，在目前已公開的已有頭戴顯示裝置相關(guān)技術(shù)中，未發(fā)現(xiàn)適合用于光學(xué)非透視頭戴顯示裝置的光學(xué)系統(tǒng)。

專利US7180675B2公開了一種取景器的光學(xué)系統(tǒng)，由正負(fù)兩組光學(xué)元件和折反裝置構(gòu)成，該目鏡系統(tǒng)僅實現(xiàn)了約18°視場角的顯示效果，且色差嚴(yán)重，C-line和F-line的色差大于0.5mm，無法實現(xiàn)較高分辨率的光學(xué)顯示效果，因此無法應(yīng)用于光學(xué)非透視頭戴顯示裝置中。

專利US8531774B2公開了一種取景器的光學(xué)系統(tǒng)，由兩片正透鏡、一片負(fù)透鏡和反射單元構(gòu)成，在觀察者眼睛到反射單元之間放置了正負(fù)兩片透鏡，該光學(xué)系統(tǒng)雖然可實現(xiàn)26°的視場角，但其出瞳位置較短(＜11mm)、沿觀察視線方向的尺寸較大。如應(yīng)用于光學(xué)非透視頭戴顯示裝置，則無法滿足產(chǎn)品的舒適穿戴要求，且同時光學(xué)像散像差殘留較大，邊緣視場像質(zhì)難以實現(xiàn)高分辨率的光學(xué)效果，不利于長時間舒適的視覺體驗。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種用于近眼顯示的目鏡光學(xué)系統(tǒng)及頭戴顯示裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

構(gòu)造一種用于近眼顯示的目鏡光學(xué)系統(tǒng)，包括從人眼觀察側(cè)到微型圖像顯示器件側(cè)沿光軸方向共軸依次排列的第一透鏡、反射單元、第二透鏡和第三透鏡組；所述第二透鏡和第三透鏡組的光軸共軸，且垂直于微型圖像顯示器；所述第二透鏡和第三透鏡組的光軸經(jīng)過反射單元反射后與第一透鏡的光軸共軸；所述第三透鏡組至少包括第三透鏡；

所述第二透鏡和所述第三透鏡為光學(xué)非球面面型；所述第一透鏡為設(shè)置于所述反射單元與人眼觀察側(cè)之間的唯一透鏡；所述第一透鏡的有效焦距f₁₁、所述第二透鏡的有效焦距f₂₁，所述第三透鏡組的有效焦距f₃和所述目鏡光學(xué)系統(tǒng)的有效焦距f_w滿足以下關(guān)系式(1)、(4)和(5)：

0.87＜f₁₁/f_w＜3.8 (1)；