技術領域

本發(fā)明涉及光學技術領域，特別涉及一種頭戴目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設備。

背景技術：

以往的頭戴顯示HMD(head mounted display)系統(tǒng)都有視場角小(一般不超過45度)的缺點，大大降低了觀察系統(tǒng)的體驗效果，難以給人沉浸的觀影感覺，然而一般的光學設計在增大視角的同時會加大畸變和色差這個光學系統(tǒng)的像差，難以校正，只能通過后期軟件去處理圖像的辦法，這樣就提高了整機系統(tǒng)的設計難度和成本，這也是為什么頭戴影院市場一直不溫不火的原因。

對于應用于頭戴顯示系統(tǒng)的大視場角目鏡來說，倍率色差、場曲、象散都是影響成像質量的像差，因此亟需一種合適的光學設計徹底解決上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種頭戴目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設備，能夠在獲得大視場角的同時校正像差，保證大視角的觀影體驗。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

一方面，所述頭戴目鏡系統(tǒng)包括：發(fā)光屏幕和左右眼的兩組目鏡；從系統(tǒng)光闌處至所述發(fā)光屏幕之間每組目鏡依次設置第一正透鏡和第二負透鏡，所述第一正透鏡和所述第二負正透鏡均為塑料材質；

所述第一正透鏡具有正光焦度，包括凸向光闌的第一表面和凸向發(fā)光屏幕的第二表面；

所述第二負透鏡具有負光焦度，包括凹向光闌的第三表面和凹向發(fā)光屏幕的第四表面；

所述第一正透鏡的第一表面和第二表面，所述第二負透鏡的第三表面和第四表面均為偶次非球面。

本技術方案的頭戴目鏡系統(tǒng)通過在光路光闌處至發(fā)光屏幕之間的每組目鏡中依次設置第一正透鏡和第二負透鏡，由于該第一正透鏡具有正光焦度，使光線匯聚同時讓軸外主光線彎向光軸，且其后的第二負透鏡具有負的光焦度，可以校正前一片正透鏡所產生的殘余像差和色差，這樣正負透鏡的組合剛好能校正像差達到一個比較好的圖像質量，在保證了大視角的同時又能校正像差；以及采用塑料材質的偶次非球面的透鏡校正系統(tǒng)的像差，保證了頭戴目鏡系統(tǒng)能夠在獲得大視場角的同時，徹底校正倍率色差、場曲、象散等像差。

另一方面，本發(fā)明提供了一種頭戴顯示設備，包括上述技術方案的頭戴目鏡系統(tǒng)。

本技術方案的頭戴顯示設備能夠實現(xiàn)72°對角視場角、63°水平視場角、并且光學系統(tǒng)總長小于59mm、總重量小于34g，因此能夠滿足輕量化、小型化、大視角的市場需求。

附圖說明

圖1為頭戴顯示設備的工作原理示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的單組目鏡結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)曲線示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的畸變像差曲線示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的點列圖；

圖7為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的倍率色差曲線示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

圖1為頭戴顯示設備的工作原理示意圖，人眼透過目鏡觀看顯示屏，顯示屏發(fā)出的光線通過該目鏡，并在距離人眼19米處形成一個巨大的虛像，再由人眼接收。

設計該頭戴顯示設備的光學系統(tǒng)時，采用反向追跡，使頭戴顯示設備的顯示屏位于光學系統(tǒng)的像面位置，人眼觀察瞳孔位于光闌處；其中顯示屏采用TFT-LCD顯示屏(Thin Film Transistor-Liquid Crystal，薄膜晶體管液晶顯示器)，用來減少系統(tǒng)體積。

該光學系統(tǒng)包括發(fā)光屏幕和相應于左右眼的兩組目鏡，發(fā)光屏幕上顯示的圖像通過左右眼目鏡進入左右眼，達到3D或2D的大視場視覺體驗。其中每組目鏡包括一正透鏡和一負透鏡：

所述第一正透鏡靠近系統(tǒng)的光闌處，由于其具有正光焦度，可以使光線匯聚同時使軸外主光線彎向光軸；

所述第一負透鏡靠近系統(tǒng)的發(fā)光屏幕，具有負光焦度，采用高色散光學樹脂校正前一片正透鏡所產生的殘余像差和色差；這樣通過正負透鏡的組合剛好能校正所有的像差，并達到一個比較好的圖像質量。

基于上述設計思想，本發(fā)明提供了一種頭戴目鏡系統(tǒng)，該頭戴目鏡系統(tǒng)包括：發(fā)光屏幕和左右眼的兩組目鏡。

本發(fā)明的頭戴目鏡系統(tǒng)的工作原理是：將系統(tǒng)的發(fā)光屏幕通過分屏技術分為兩個子屏幕，分別顯示相應于左右眼的2D圖像或3D圖像，使子屏幕上的圖像通過左右眼目鏡進入左右眼，實現(xiàn)2D或3D的大視角視覺體驗。其中，本發(fā)明實施例中的發(fā)光屏幕優(yōu)選1440P、5.5英寸TFT-LCD顯示屏，通過分屏顯示后，兩個子屏幕的大小分別為60.48mm*68.04mm，優(yōu)選地，在實際應用中可以在兩個子屏幕之間添加遮光板，避免漏光影響用戶體驗。

TFT-LCD是目前唯一在亮度、對比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過CRT的顯示器件，它的性能優(yōu)良、大規(guī)模生產特性好，自動化程度高，原材料成本低廉，發(fā)展空間廣闊，將迅速成為新世紀的主流產品，是21世紀全球經(jīng)濟增長的一個亮點。

如圖2所示，為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的單組目鏡結構示意圖，從系統(tǒng)的光闌處至發(fā)光屏幕之間每組目鏡依次設置第一正透鏡L1和第二負透鏡L2。

第一正透鏡L1具有正光焦度，包括凸向光闌的第一表面和凸向發(fā)光屏幕的第二表面；

第二負透鏡L2具有負光焦度，包括凹向光闌的第三表面和凹向發(fā)光屏幕的第四表面。

在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，上述頭戴目鏡系統(tǒng)的焦距f，第一正透鏡L1的焦距f₁，第二負透鏡L2的焦距f₂滿足下述關系式：

f₁＞0、f₂＜0，f₁+f₂＜0，

頭戴目鏡系統(tǒng)的總長t_tl，第一正透鏡L1的厚度t₁，第二負透鏡L2的厚度t₂滿足下述關系式：

$0.2\<\frac{t_1}{f}\<0.4,0.25\<\frac{t_1}{t_{tl}}\<0.35,0.35\<\frac{t_1+t_2}{t_{tl}}\<0.45;$

其中頭戴目鏡系統(tǒng)的總長t_tl為第一正透鏡L1的第一表面21與發(fā)光屏幕之間的距離。

具體的，該頭戴目鏡系統(tǒng)的焦距為f＝50mm，第一正透鏡L1的焦距為f₁＝28mm，第二負透鏡L2的焦距為f₂＝-36mm；

該頭戴目鏡系統(tǒng)的總長為t_tl＝59mm，第一正透鏡L1的厚度為t₁＝18mm，第二負透鏡L2的厚度為t₂＝8mm。

在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，第一正透鏡L1的第一表面21和第二表面22、第二負透鏡L2的第三表面23和第四表面24均為偶次非球面；第一正透鏡L1和第二負正透鏡L2為塑料材質。本技術方案通過采用偶次非球面塑料材質透鏡，以保證單組目鏡小型化、輕量化、降低成本，同時提高成像質量。

進一步優(yōu)選地，第一正透鏡L1的折射率范圍為1.4＜n₁＜1.6，色散范圍為50＜v₁＜75；

第二負透鏡L2的折射率范圍為1.55＜n₂＜1.8，色散范圍為20＜v₂＜30。

具體的，第一正透鏡L1為PMMA型號的塑料材質，其折射率n₁＝1.491786，色散v₁＝57.327362；

第二負透鏡L2為H-LAK12型號的塑料材質，其折射率n₂＝1.59，色散v₂＝29.9。

在上述技術方案中，該頭戴目鏡系統(tǒng)能夠達到如下技術指標：

72°對角視場角、63°水平視場角；

系統(tǒng)總長小于59mm，總重量小于34g；

出瞳距離為14mm；

系統(tǒng)校正了倍率色差、場曲、象散等像差，成像質量較好。

本實施例采用正負透鏡結合校正系統(tǒng)的畸變和色差，通過合理設計系統(tǒng)與各個透鏡之間的焦距、長度以及厚度的關系，以及采用塑料材質的偶次非球面的透鏡校正系統(tǒng)的像差，保證了頭戴目鏡系統(tǒng)能夠在獲得大視場角的同時，徹底校正倍率色差、場曲、象散等像差。

本發(fā)明的另一實施例提供給了一種頭戴顯示設備，該頭戴顯示設備包括上述技術方案的頭戴目鏡系統(tǒng)。

由于頭戴顯示設備的光學系統(tǒng)能夠實現(xiàn)72°對角視場角、63°水平視場角、并且光學系統(tǒng)總長小于59mm、總重量小于34g、出瞳距離為14mm，因此能夠使該頭戴顯示設備滿足小型化、輕量化、大視角的市場需求。

圖3為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)曲線示意圖，該光學傳遞函數(shù)MTF為10線對下的MTF。圖中橫軸代表每毫米的線對數(shù)，尺寸單位是lp/mm，縱軸代表成像像質達到實物狀況的百分比，從0到1，光學傳遞函數(shù)MTF可以綜合反映系統(tǒng)的成像質量，其曲線形狀越平滑、且相對橫軸高度越高(即越接近1)，系統(tǒng)的成像質量越好；圖中分別繪出了0.000mm至34.70mm像高下的像質，從圖3中可以看出，傳遞函數(shù)的曲線較為平滑緊湊，曲線所表征的MTF值很高，系統(tǒng)的像差得到了良好的校正。

圖4為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖，圖4中的t線為子午場曲，s線為弧矢場曲，子午場曲和弧矢場曲的差為系統(tǒng)的象散，場曲和象散影響著系統(tǒng)軸外視場光線的像差，差值過大會嚴重的影響到系統(tǒng)軸外光線的成像質量。從圖4中可以看出，本系統(tǒng)的場曲和象散均被校正到極小范圍內。

圖5為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的畸變像差曲線示意圖，畸變不會影響系統(tǒng)的清晰度，僅會引起系統(tǒng)圖像變形，畸變可由后期圖像處理來解決。

圖6為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的點列圖，點列圖顯示的是系統(tǒng)的各個視場光線在像面處匯聚而形成的彌散斑，表征了系統(tǒng)得到各種相差的特性，點列圖中的RMS RADIUS(均方根半徑)越小證明系統(tǒng)的成像質量越好。圖6中三種灰度顏色分別代表三種波段的光線，三種灰度顏色的彌散斑分的越開證明系統(tǒng)的色差越大，從圖6中可以看出色差已得到良好的校正。

圖7為本發(fā)明實施例提供的頭戴目鏡系統(tǒng)的倍率色差曲線示意圖，縱軸為視場角，橫軸為相對綠光光斑的高度差，單位為μm。圖中的R曲線和B曲線分別表示紅光和藍光相對綠光(綠光G線為圖中的縱軸)在像面的投射高度差，R曲線與B曲線的差值即為系統(tǒng)的倍率色差，圖7中相對于縱軸各個位置上倍率色差值遠小于40μm(5.5英寸1440p屏幕單個像素尺寸為50μm)，說明本系統(tǒng)的色差得到良好的校正。

綜上所述，本發(fā)明公開了一種頭戴目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設備，所述頭戴目鏡系統(tǒng)通過在光路光闌處至發(fā)光屏幕之間的每組目鏡中依次設置第一正透鏡和第二負透鏡，由于該第一正透鏡具有正光焦度，使光線匯聚同時讓軸外主光線彎向光軸，且其后的第二負透鏡具有負的光焦度，可以校正前一片正透鏡所產生的殘余像差和色差，這樣正負透鏡的組合剛好能校正像差達到一個比較好的圖像質量，在保證了大視角的同時又能校正像差。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)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(fā)明的保護范圍內。