專利名稱：目鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種目鏡，特別是一種用于頭盔式顯示器中的目鏡，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頭盔式顯示器(Head Mounted Display)是近年來顯示領(lǐng)域的熱門產(chǎn)品，用于虛擬現(xiàn)實和增強顯示的頭盔圖像顯示裝置取得了長足的發(fā)展。由于頭盔顯示裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以減輕觀察者的負(fù)載。頭盔顯示器主要由三個部分構(gòu)成顯示部件、光學(xué)鏡頭和頭盔，要減輕重量，光學(xué)系統(tǒng)是關(guān)鍵，但光學(xué)系統(tǒng)的緊湊型與頭盔顯示器對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求之間存在一定的矛盾。對于頭盔顯示器而言，要求光學(xué)系統(tǒng)可以做到比較大的視場和出瞳直徑，因為觀察視場的增加，觀察范圍也會增加，觀察者才能更全神貫注的觀察優(yōu)質(zhì)的動態(tài)圖像，出瞳直徑增加可以保證頭盔適應(yīng)不同瞳距的觀察者，而不必調(diào)整頭盔的瞳距，同時允許觀察者在觀察過程中眼珠能隨意轉(zhuǎn)動而不至于丟失圖像。但光學(xué)系統(tǒng)的視場、出瞳直徑、焦距三者之間有相互制約的關(guān)系，同時達到大視場，大出瞳直徑和短焦(即系統(tǒng)的緊湊化)并不容易。另外，像面的照度的均勻性也對使用頭盔顯示器觀看時的觀看質(zhì)量有明顯影響，光學(xué)系統(tǒng)需要兼顧上述多種需求。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述要求，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)非常緊湊、質(zhì)量很輕的目鏡，用于頭盔顯示器中，將頭盔微型顯示器件顯示的圖像放大并經(jīng)位于光闌處的人眼成像。該目鏡出瞳直徑大于一般的目鏡，出瞳距離長，視場角大，采用微型顯示器保證結(jié)構(gòu)緊湊，因此焦距小和F/#??；并且本發(fā)明的目鏡像方遠心，所有視場主光線在像面上的入射角均小于4度，可以保證像面照度比較均勻，利于人眼觀看。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 本發(fā)明的目鏡，包括六片透鏡，像方遠心；所述目鏡從人眼觀察側(cè)到顯示器件側(cè)，沿光軸方向共軸依次排列著光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡； 其中第一透鏡和第二透鏡的組合焦距為f12，第三透鏡和第四透鏡的組合焦距為f34，所述系統(tǒng)總焦距為fw，第一到第五透鏡的組合焦距為f15，各焦距滿足以下(1)～(3)關(guān)系式 (1)0.8＜f12/fw＜3 (2)0.9＜|f34/fw|＜6 (3)0.8＜f15/fw＜1.9 并且所述透鏡的材料滿足如下要求 Nd4＞1.8，Nd6＞1.8，Vd1，2，3，5＞40 Nd4、Nd6分別表示第四透鏡、第六透鏡在d線的折射率， Vd1、Vd2、Vd3、Vd5分別表示第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第五透鏡在d線的阿貝數(shù)，均大于40。
優(yōu)選的，所述目鏡系統(tǒng)各焦距還滿足以下(4)～(6)關(guān)系式，以獲得更好的成像效果。
(4)1.2＜f12/fw＜1.5 (5)2＜|f34/fw|＜3.5 (6)0.85＜f15/fw＜1.3 優(yōu)選的，上述目鏡的第一透鏡和第二透鏡可以為正透鏡，第三和第四透鏡構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡。
優(yōu)選的，第五透鏡為正透鏡，第六透鏡可以為正透鏡或負(fù)透鏡。
優(yōu)選的，所述目鏡系統(tǒng)的出瞳小于8或等于8。
本發(fā)明還涉及一種使用上述目鏡的頭盔顯示器，將液晶顯示器上顯示的圖像成像于人眼，人眼位于光闌處觀察，其中液晶顯示器為微型顯示器的對角長不大于3英寸，通常小于1英寸。
有益效果 本發(fā)明的目鏡具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的優(yōu)點；目鏡出瞳直徑大于一般的目鏡，出瞳距離長，視場角大，焦距小和F/#小；目鏡像方遠心，所有視場主光線在像面上的入射角均小于4度，可以保證像面照度比較均勻，利于人眼觀看。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖10示出了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖13示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖15示出了根據(jù)本發(fā)明第八實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖16示出了根據(jù)本發(fā)明第八實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線； 圖17示出了根據(jù)本發(fā)明第九實施例的光學(xué)系統(tǒng)圖； 圖18示出了根據(jù)本發(fā)明第九實施例的光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線。
具體實施例方式 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的目鏡，如圖1所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，校正系統(tǒng)的色差，第五透鏡L5為正透鏡，第六透鏡L6為負(fù)透鏡，L5，L6校正視場相關(guān)的像差，包括畸變和場曲，良好的控制了系統(tǒng)的像方遠心特性。以光闌表面序號為1，依次類推，顯示器件的表面序號為13，所述第一實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表1所示。
表1
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的目鏡，如圖3所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，其中第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，校正系統(tǒng)的色差，第五透鏡L5為正透鏡，第六透鏡L6為負(fù)透鏡，L5，L6校正視場相關(guān)的像差，包括畸變和場曲，沿用如第一實施例所述的表面序號順序，所述第二實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表2所示。
表2
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的目鏡，如圖5所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，其中第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，第五透鏡L5為正透鏡，第六透鏡L6為負(fù)透鏡，沿用如第一實施例所述的表面序號順序，所述第三實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表3所示。
表3
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的目鏡，如圖7所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第一透鏡L1朝向光闌側(cè)的面近似于一平面，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，校正系統(tǒng)的色差，第五透鏡L5為正透鏡，第六透鏡L6為負(fù)透鏡，L5，L6校正視場相關(guān)的像差，包括畸變和場曲，良好的控制了系統(tǒng)的像方遠心特性。以光闌表面序號為1，依次類推，顯示器件的表面序號為13，所述第四實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表4所示。
表4
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的目鏡，如圖9所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，校正系統(tǒng)的色差，第五透鏡L5為正透鏡，第六透鏡L6為負(fù)透鏡，L5，L6校正視場相關(guān)的像差，包括畸變和場曲，良好的控制了系統(tǒng)的像方遠心特性。以光闌表面序號為1，依次類推，顯示器件的表面序號為13，所述第五實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表5所示。
表5
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的目鏡，如圖11所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第一透鏡L1朝向光闌側(cè)的面近似于一平面，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，校正系統(tǒng)的色差，第五透鏡L5為正透鏡，第六透鏡L6為負(fù)透鏡，L5，L6校正視場相關(guān)的像差，包括畸變和場曲，良好的控制了系統(tǒng)的像方遠心特性。以光闌表面序號為1，依次類推，顯示器件的表面序號為13，所述第六實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表6所示。
表6
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的目鏡，如圖13所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，其中第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第一透鏡L1朝向光闌側(cè)的面近似于一平面，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，第五透鏡L5為彎月型正透鏡且彎向第四透鏡L4方向，第六透鏡L6為為彎月型正透鏡且彎向第五透鏡L5方向，沿用如第一實施例所述的表面序號順序，所述第七實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表7所示。
表7
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明第八實施例的目鏡，如圖15所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，其中第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，第五透鏡L5為彎月型正透鏡且彎向第四透鏡L4方向，第六透鏡L6為彎月型正透鏡且彎向第五透鏡L5方向，沿用如第一實施例所述的表面序號順序，所述第八實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表8所示。
表8
圖17示出了根據(jù)本發(fā)明第九實施例的目鏡，如圖17所示，從人眼觀察側(cè)到顯示器件I側(cè)(從左至右)，依次為光闌E、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6，第一透鏡L1和第二透鏡L2為正透鏡，第三透鏡L3和第四透鏡L4構(gòu)成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡，校正系統(tǒng)的色差，第五透鏡L5為正透鏡，第六透鏡L6為負(fù)透鏡，L5，L6校正視場相關(guān)的像差，包括畸變和場曲，良好的控制了系統(tǒng)的像方遠心特性。以光闌表面序號為1，依次類推，顯示器件的表面序號為13，所述第九實施例的目鏡設(shè)計數(shù)據(jù)如下表9所示。
表9
從上述本發(fā)明實施例的各項數(shù)據(jù)，可以得出所述第一～第九實施例的目鏡滿足前述關(guān)系式的要求，結(jié)果如表10所示。
表10 雖然已經(jīng)詳細(xì)示出了本發(fā)明的實施例，但是應(yīng)當(dāng)明白，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到對這些實施例的修改和調(diào)整，而不脫離如所附權(quán)利要求所提出的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種目鏡，其特征在于包括六片透鏡，像方遠心；所述目鏡從人眼觀察側(cè)到顯示器件側(cè)，沿光軸方向共軸依次排列著光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡；
其中第一透鏡和第二透鏡的組合焦距f12，第三透鏡和第四透鏡的組合焦距f34，系統(tǒng)總焦距fw以及第一到第五透鏡的組合焦距f15滿足以下關(guān)系式(1)～(3)
(1)0.8＜f12/fw＜3
(2)0.9＜|f34/fw|＜6
(3)0.8＜f15/fw＜1.9
并且所述透鏡的材料滿足如下要求
Nd4＞1.8，Nd6＞1.8，Nd4、Nd6分別表示第四透鏡、第六透鏡在d線的折射率，
Vd1、Vd2、Vd3、Vd5均大于40，Vd1、Vd2、Vd3、Vd5分別表示第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第五透鏡在d線的阿貝數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的目鏡，其特征在于第一透鏡和第二透鏡均為正透鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的目鏡，其特征在于所述第一透鏡朝光闌一側(cè)的面凸向光闌側(cè)，曲率半徑為正值。
4.如權(quán)利要求3所述的目鏡，其特征在于第五透鏡為正透鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的目鏡，其特征在于第三透鏡和第四透鏡組成正-負(fù)形式的雙膠合透鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的目鏡，其特征在于光闌面與第一透鏡朝向光闌面之間的距離為19mm。
7.如權(quán)利要求1所述的目鏡，其特征在于所述焦距還滿足以下關(guān)系式(4)～(6)，
(4)1.2＜f12/fw＜1.5
(5)2＜|f34/fw|＜3.5
(6)0.85＜f15/fw＜1.3。
8.如權(quán)利要求1所述的目鏡，其特征在于所述目鏡的出瞳直徑小于或者等于8mm。
9.一種頭盔顯示器，包括一微型液晶顯示器和如權(quán)利要求1-8所述任一目鏡，其特征在于所述微型液晶顯示器的對角長不大于3英寸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種目鏡，特別是一種用于頭盔式顯示器中的目鏡，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述的目鏡由六片透鏡構(gòu)成，從人眼觀察側(cè)到顯示器件側(cè)，沿光軸方向共軸依次排列著光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡，所述目鏡出瞳直徑大于一般的目鏡，出瞳距離長，視場角大，焦距和F/#小，并且像面照度比較均勻，特別適宜頭盔顯示器的要求。
文檔編號G02B27/01GK101609208SQ20091008942
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者程德文, 王涌天 申請人:北京理工大學(xué)