[發明專利]一種大視場角的目鏡光學系統及頭戴顯示裝置

在審

• 申請號: 202011627019.0
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112630977A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 曹鴻鵬;郭健飛;彭華軍
• 申請（專利權）人: 深圳納德光學有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B25/00;G02B3/08;G02B3/02
• 代理公司: 深圳市多智匯新知識產權代理事務所(普通合伙) 44472
• 代理人: 魯華

本發明涉及一種大視場角的目鏡光學系統及頭戴顯示裝置，該系統包括從人眼觀察側到微型圖像顯示器側沿光軸方向共軸依次排列的第一透鏡組、第二透鏡組和第三透鏡組，且第一透鏡組、第二透鏡組以及第三透鏡組的有效焦距為正、負、正組合；第一透鏡組包括靠近人眼側的第一透鏡和遠離人眼側的第二透鏡；第一透鏡組包括至少兩個菲涅耳光學面；第一透鏡包括至少一個菲涅耳光學面；第二透鏡組包括與第一透鏡組相鄰的第三透鏡；第三透鏡為負透鏡；第三透鏡組包括與第二透鏡組相鄰的第四透鏡；第四透鏡為正透鏡；該系統在實現其所具有的大視場角、高像質、低畸變、小場曲、小體積等指標優勢的同時，也極大的減小光學系統的重量，系統像差得到大幅消除。

技術領域

本發明涉及光學技術領域，更具體地說，涉及一種大視場角的目鏡光學系統及頭戴顯示裝置。

背景技術

隨著電子器件不斷向超微型化發展，以及新的計算機、微電子、光電器件和通信理論和技術的發展，可穿戴計算這種基于“以人為本”“人機合一”的新型模式已經成為可能。在軍事、工業、醫療、教育、消費等領域不斷涌現應用。在一個典型的可穿戴計算系統架構中，頭戴式顯示裝置是關鍵的組成部分。頭戴顯示裝置通過光學技術，將微型圖像顯示器(例如透射式或反射式液晶顯示屏，有機電致發光器件，DMD器件)發出的視頻圖像光引導到使用者的瞳孔，在使用者的近目范圍實現虛擬、放大圖像，為使用者提供直觀、可視的圖像、視頻、文字信息。目鏡光學系統是頭戴顯示裝置的核心，實現將微型圖像顯示在人眼前形成虛擬放大圖像的功能。

頭戴顯示裝置向著體積緊湊，重量輕，便于頭戴，減輕負載等方向發展。同時，大視場角和視覺舒適體驗也逐漸成為衡量頭戴顯示裝置優劣的關鍵因素，大視場角決定了高臨場感的視覺體驗效果，高像質、低畸變決定了視覺體驗的舒適度。滿足這些要求，需要目鏡光學系統盡可能地實現大視場角、高圖像分辨力、低畸變、小場曲、小體積等指標，同時滿足上述光學性能對系統的設計和像差優化是很大挑戰。

專利文獻1(中國專利公開號CN109416469A)、專利文獻2(中國專利公開號CN105759424B)、專利文獻3(中國專利公開號CN107015361B)、專利文獻4(中國專利公開號CN111381371A)分別采用的菲涅爾結構在光學系統中雖然都可以實現很好的聚焦效果，但是專利文獻1和專利文獻3完全依賴菲涅爾透鏡，專利文獻2和專利文獻4則是菲涅爾透鏡與單片、雙片正透鏡組合，其不可避免的在光學系統的像差上難以有所建樹，存在很大的畸變及球差。

專利文獻5(中國專利公開號CN105278109A)提供的是采用了正、負、正透鏡組組合的光學系統，提供的是采用了正、負、正透鏡組組合的光學系統，但專利文獻5采用的是傳統的球面、偶次非球面的光學系統，雖然其在像差的校正上具有很大的優勢，但在相同的光學系統參數下就顯得極其笨重。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種大視場角的目鏡光學系統及頭戴顯示裝置，實現大視場角、高圖像分辨力、低畸變、小場曲、小體積等指標。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種大視場角的目鏡光學系統，其特征在于：包括從人眼觀察側到微型圖像顯示器側沿光軸方向共軸依次排列的第一透鏡組、第二透鏡組和第三透鏡組，且所述第一透鏡組、所述第二透鏡組以及所述第三透鏡組的有效焦距為正、負、正組合；所述第一透鏡組由兩片光學透鏡構成，分別是靠近人眼側的第一透鏡和遠離人眼側的第二透鏡；所述第一透鏡組包括至少兩個菲涅耳光學面；所述第一透鏡包括至少一個所述菲涅耳光學面；

所述光學系統的有效焦距設為F，第一透鏡組的有效焦距設為f₁，則F與f₁滿足下列關系式(1)：

0.50≤f₁/F≤1.33 (1)；

所述第二透鏡組由一片光學透鏡構成；其中所述第二透鏡組包括與所述第一透鏡組相鄰的第三透鏡；所述第三透鏡為負透鏡；