本發(fā)明涉及光學(xué)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著VR、AR頭戴顯示設(shè)備重新回歸資本和消費(fèi)市場(chǎng)，與其相關(guān)的硬件、軟件開發(fā)技術(shù)也日趨成熟。光學(xué)目鏡系統(tǒng)作為硬件端最能直觀反映設(shè)備性能的結(jié)構(gòu)，其技術(shù)的先進(jìn)性直接決定了消費(fèi)者的體驗(yàn)感受。目前，國(guó)際上Oculus、HTC、三星連續(xù)推出了多款VR大視場(chǎng)角眼鏡，國(guó)內(nèi)的3Glass、暴風(fēng)、樂相、蟻視緊隨其后。但上述提到的所有VR眼鏡基本采用了相同的光學(xué)目鏡方案，即單片非球面或者單片菲涅爾透鏡。無論是單片非球面或者更先進(jìn)的單片菲涅爾透鏡都會(huì)存在邊緣視場(chǎng)模糊、色散/畸變嚴(yán)重、影像過于貼近人眼的問題。雖然VR設(shè)備商普遍通過優(yōu)化硬件底層并結(jié)合各種算法對(duì)上述問題進(jìn)行了矯正，但矯正方案不僅增加了硬件底層的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，而且對(duì)光學(xué)效果的改善有限。

Oculus在今年推出的CV1版眼鏡里對(duì)光學(xué)目鏡做出了優(yōu)化，采用非球面和菲涅爾平面耦合的目鏡，很大程度上解決了色散、畸變嚴(yán)重的問題，但其邊緣視場(chǎng)模糊、影像過于貼近人眼的問題依舊沒有完美解決。另外，暴風(fēng)推出了一款主打觀影體驗(yàn)的眼鏡，但其視場(chǎng)角較小，分辨率較低，目鏡系統(tǒng)光線追跡路程過長(zhǎng)，這些都不能促使其實(shí)現(xiàn)高清極致的觀影效果。

而且隨著4K分辨率高清顯示屏的推出，對(duì)頭戴顯示設(shè)備的目鏡系統(tǒng)提出了更高的光學(xué)分辨率要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)，該目鏡系統(tǒng)適用于屏幕尺寸為4.5英寸到5.5英寸，分辨率為2K或4K的顯示屏，其具有很高的圖像解析能力，不僅能夠充分發(fā)揮4K顯示屏的高分辨率和DPI優(yōu)勢(shì)，而且視場(chǎng)角高達(dá)64°，全畫幅清晰且接近無畸變，光線追跡路程小于75mm，極大的減小了整個(gè)眼鏡的體積和重量。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)，其包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負(fù)透鏡、鏡筒、顯示屏；正透鏡的材料為光學(xué)級(jí)PMMA，負(fù)透鏡的材料為光學(xué)級(jí)PC，正負(fù)透鏡分離放置，且負(fù)透鏡靠近顯示屏端。

由于該頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負(fù)透鏡；正透鏡的材料為PMMA，負(fù)透鏡的材料為PC，正負(fù)透鏡分離放置、且負(fù)透鏡靠近顯示屏端；正透鏡的作用在于會(huì)聚成像光束，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角；負(fù)透鏡用于縮短光線追跡路程、補(bǔ)償色散、校正場(chǎng)曲和畸變；非球面用于校正大孔徑和大視場(chǎng)角帶來的各種像差，實(shí)現(xiàn)極高的光學(xué)分辨率；因此不僅能夠充分發(fā)揮4K顯示屏的高分辨率和DPI優(yōu)勢(shì)，而且視場(chǎng)角高達(dá)64°，全畫幅清晰且接近無畸變，光線追跡路程小于75mm，極大的減小了整個(gè)眼鏡的體積和重量。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)(單目)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)(單目)的光線追跡示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲/畸變示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線示意圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)的色散曲線示意圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，這種頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)，從左至右包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負(fù)透鏡、鏡筒、顯示屏；正透鏡的材料為光學(xué)級(jí)PMMA，負(fù)透鏡的材料為光學(xué)級(jí)PC，正負(fù)透鏡分離放置。

由于該頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負(fù)透鏡、鏡筒、顯示屏；正透鏡的材料為光學(xué)級(jí)PMMA，負(fù)透鏡的材料為光學(xué)級(jí)PC，正負(fù)透鏡分離放置，且負(fù)透鏡靠近顯示屏端；正透鏡的作用在于會(huì)聚成像光束，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角；負(fù)透鏡用于縮短光線追跡路程、補(bǔ)償色散、校正場(chǎng)曲和畸變；非球面用于校正大孔徑和大視場(chǎng)角帶來的各種像差，實(shí)現(xiàn)極高的光學(xué)分辨率；因此不僅能夠充分發(fā)揮4K顯示屏的高分辨率和DPI優(yōu)勢(shì)，而且視場(chǎng)角高達(dá)64°，全畫幅清晰且接近無畸變，光線追跡路程小于75mm，極大的減小了整個(gè)眼鏡的體積和重量。

優(yōu)選地，如表1所示，該頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，焦距為60mm，視場(chǎng)角為64°，出瞳直徑為8mm，出瞳距離為20mm。

表1

優(yōu)選地，如表2所示，該頭戴顯示設(shè)備目鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所述正透鏡的第一面曲率為0.016211mm^-1，Conic為0.0285，與所述正透鏡的第二面的間隔為12.3238mm；所述正透鏡的第二面曲率為-0.043304mm^-1，Conic為-1.8613，與所述負(fù)透鏡的第一面的間隔為20.0237mm；所述負(fù)透鏡的第一面曲率為-0.039718mm^-1，Conic為-0.4368，與所述負(fù)透鏡的第二面的間隔為2.5mm；所述負(fù)透鏡的第二面曲率為0.012824mm^-1，Conic為-0.4775，與所述顯示屏的間隔為20.246mm。

表2

注：表2里未給出正透鏡和負(fù)透鏡的非球面系數(shù)；

優(yōu)選地，該頭戴顯示設(shè)備的目鏡光學(xué)系統(tǒng)采用4K 5.5”TFT LCD屏。

以下更加詳細(xì)地說明本發(fā)明。

本發(fā)明涉及的目鏡鏡頭光學(xué)參數(shù)如表1所示：

正透鏡承擔(dān)主要屈光度，計(jì)算公式如下(空氣中)：

其中，為透鏡屈光度，n透鏡材料折射率，ρ₁，ρ₂分別為透鏡前后表面的曲率，d為透鏡中心厚度；

負(fù)透鏡的屈光度計(jì)算公式和正透鏡相同；

分離式兩片透鏡的總屈光度為：

其中，為兩片透鏡的總屈光度，分別為第一片透鏡、第二片透鏡的屈光度，d為透鏡之間的間隔；

目鏡系統(tǒng)的焦距為：

其中，f為目鏡系統(tǒng)的焦距，為目鏡系統(tǒng)的總屈光度；

目鏡系統(tǒng)的視場(chǎng)角為：

其中，2θ為目鏡系統(tǒng)的視場(chǎng)角，y為目鏡系統(tǒng)的像面高度，f為目鏡系統(tǒng)的焦距；

當(dāng)確定顯示屏尺寸后，像面高度y隨即確定，通過上述公式計(jì)算目鏡系統(tǒng)的焦距和總屈光度；

對(duì)于分離雙薄透鏡，消色差條件為：

其中，h₁，h₂為光線入射到鏡片表面的高度；v₁，v₂分別為正透鏡和負(fù)透鏡的阿貝數(shù)，分別為正透鏡和負(fù)透鏡的屈光度；

對(duì)于目鏡系統(tǒng)，h₁是確定的，h₂由下式確定：

目鏡系統(tǒng)的總屈光度另外一種表達(dá)形式為：

對(duì)于目鏡系統(tǒng)，當(dāng)選定正透鏡和負(fù)透鏡的材料后，其阿貝數(shù)v₁，v₂隨即確定；根據(jù)目鏡系統(tǒng)要求的視場(chǎng)角確定總屈光度聯(lián)立上述三式(5)(6)(7)，即可先后確定和h₂；最后，根據(jù)公式(1)確定每個(gè)鏡片的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。

將上述初始結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入光學(xué)成像仿真軟件，并將正透鏡和負(fù)透鏡的表面面型設(shè)置為偶次非球面面型，根據(jù)像差優(yōu)化理論進(jìn)行優(yōu)化，最終確定目鏡系統(tǒng)的全部結(jié)構(gòu)參數(shù)。

偶次非球面面型公式如下：

其中，z為非球面目標(biāo)點(diǎn)的矢高，Y為目標(biāo)點(diǎn)的徑向半徑，R為基準(zhǔn)球面半徑，k為非球面二次系數(shù)，A_i(i＝2、4、6、…16)為i階非球面系數(shù)；目鏡系統(tǒng)的相對(duì)畸變?yōu)椋?/p>

其中，q為目鏡系統(tǒng)的相對(duì)畸變，Y為實(shí)際像高，y為理想像高；

目鏡系統(tǒng)的光線追跡路程為：

L＝P₁-P₀ 公式(10)

其中，L為目鏡系統(tǒng)的光線追跡路程，P₁為像面位置，P₀為入瞳位置；

本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于超高分辨率顯示的大視場(chǎng)角短程追跡的目鏡鏡頭，視場(chǎng)角達(dá)到64°，相當(dāng)于距離20m遠(yuǎn)處觀看約1000英寸的巨幕，全畫幅高清顯示，接近零畸變，由于目鏡系統(tǒng)光線追跡路程約75mm，使得眼鏡整體結(jié)構(gòu)緊湊，重心靠近人眼，提高佩戴舒適度和美觀度。

存在一下三種技術(shù)方案可能實(shí)現(xiàn)同樣的發(fā)明目的：

1)在本發(fā)明涉及的目鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，修改鏡片材料，或者輕微改動(dòng)鏡片的面型參數(shù)，或者輕微調(diào)整透鏡之間的間隔。

2)在本發(fā)明涉及的目鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將某一非球面面型修改為菲涅爾面型，并且適當(dāng)優(yōu)化其余表面的面型參數(shù)和透鏡之間的間隔。

3)采用單片自由曲面透鏡，或者在本發(fā)明涉及的目鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將某一非球面面型修改為自由曲面面型，并且適當(dāng)優(yōu)化其余表面的面型參數(shù)和透鏡之間的間隔。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。