頭戴式顯示裝置與其光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及頭戴式顯示裝置與其光學(xué)鏡頭系統(tǒng)，且尤其是與應(yīng)用六片式透鏡的頭 戴式顯示裝置與其光學(xué)鏡頭系統(tǒng)相關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，由于可穿戴電子設(shè)備的興起，使得包含光學(xué)鏡頭系統(tǒng)及微型顯示器等微 小型化的顯示模塊蓬勃發(fā)展，大量應(yīng)用于頭戴式顯示裝置中。頭戴式顯示裝置廣泛應(yīng)用于 軍事、航天、醫(yī)療、娛樂(lè)、模擬訓(xùn)練等領(lǐng)域。在娛樂(lè)方面，合適的視角可以給使用者營(yíng)造一個(gè) 震撼的視覺(jué)效果，令使用者仿佛置身于電影院放映廳中的最佳位置觀看電影一般。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，如CN104570323A提出一種頭戴目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備，是采用4 片式透鏡的目鏡系統(tǒng)，成像清晰度不能滿足消費(fèi)者日益提高的需求。又，CN103765292A提 出目鏡系統(tǒng)及圖像觀察裝置其系統(tǒng)焦距較長(zhǎng)（長(zhǎng)達(dá)19mm) ;CN101609208提出的六片透鏡式 目鏡系統(tǒng)的系統(tǒng)焦距也相對(duì)較長(zhǎng)（16mm)。
[0004]另外，對(duì)于光學(xué)鏡頭系統(tǒng)（目鏡系統(tǒng)）而言，在物體尺寸確定的情況下，焦距越 小，視場(chǎng)角越大，系統(tǒng)的放大倍率越大，但設(shè)計(jì)難度也隨之增加。目前的沉浸式頭戴顯示裝 置，大多數(shù)光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的焦距在18mm-35mm范圍，放大倍率小，不適用于尺寸較小的微顯 示屏作為圖像源。對(duì)于LC0S(Liquid Crystal on Silicon，中文是：液晶附娃）顯示器和 DLP (Digital Light Procession，中文是：數(shù)字光處理）顯示器這類微顯示屏，需在顯示屏 與目鏡之間放置必需的照明系統(tǒng)；而目前目鏡到顯示屏的工作距離大多較小，無(wú)法滿足使 用。對(duì)于應(yīng)用于頭戴顯示系統(tǒng)的大視場(chǎng)角目鏡來(lái)說(shuō)，倍率色差、場(chǎng)曲、象散都是影響成像質(zhì) 量的像差，因此亟需一種合適的光學(xué)設(shè)計(jì)徹底解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 因此，針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種頭戴式顯示裝置與其光學(xué)鏡頭系統(tǒng)，通 過(guò)控制各透鏡的凹凸曲面排列，并輔以其他光學(xué)關(guān)系式控制相關(guān)參數(shù)，使其保證視場(chǎng)角的 同時(shí)，保證成像質(zhì)量?jī)?yōu)良，并具有短焦距、長(zhǎng)工作距離的特性。
[0006] 依據(jù)本發(fā)明，提供一種光學(xué)鏡頭系統(tǒng)，從出光側(cè)至入光側(cè)沿一光軸依序包括一第 一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡及一第六透鏡，每一透鏡都具有 屈光率的球面透鏡，且具有一朝向出光側(cè)且使光線通過(guò)的第一表面及一朝向入光側(cè)且使光 線通過(guò)的第二表面，其中：
[0007] 該第一透鏡是一負(fù)光焦度透鏡，該第一透鏡的第一表面為凹面部；
[0008] 該第二透鏡是一正光焦度透鏡，該第二透鏡第二表面為凸面部；
[0009] 第三透鏡是一正光焦度透鏡，該第三透鏡的第二表面為凸面部；
[0010] 第四透鏡是一正光焦度透鏡，該第四透鏡的第一表面為凸面部，其第二表面為凸 面部；
[0011] 第五透鏡是一正光焦度透鏡，該第五透鏡的第一表面為凸面部，其第二表面為凸 面部；
[0012] 第六透鏡是一負(fù)光焦度透鏡，該第六透鏡的第一表面為凹面部；
[0013] 該第五透鏡與該第六透鏡構(gòu)成一個(gè)組合透鏡；
[0014] 其中，該第一透鏡的焦距為fl，該第二透鏡的焦距為f2,該第三透鏡的焦距為f3， 該第四透鏡的焦距為f4,該組合透鏡的焦距為f56,該光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的系統(tǒng)焦距為fs，并 滿足以下關(guān)系式：
[0015] -2<fl/fs<-l,
[0016] I.5<f2/fs<3,
[0017] 4<f3/fs<7. 5,
[0018] 2<f4/fs<4. 2,
[0019] 2. 5〈f56/fs〈5. 5〇
[0020] 依據(jù)本發(fā)明，還提供一種頭戴式顯示裝置，包括：
[0021] -機(jī)殼；及
[0022] -顯示模塊，安裝于該機(jī)殼內(nèi)，包括：
[0023] 至少一如上所述的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)，
[0024] 至少一顯示屏，位于該第六透鏡的第二表面朝向入光側(cè)的光軸上。
[0025] 本發(fā)明的頭戴式顯示裝置與其光學(xué)鏡頭系統(tǒng)，通過(guò)控制各透鏡的凹凸曲面排列， 并輔以其他光學(xué)關(guān)系式控制相關(guān)參數(shù)，使其保證視場(chǎng)角的同時(shí)，保證成像質(zhì)量?jī)?yōu)良，并具有 短焦距、長(zhǎng)工作距離的特性。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)意圖；
[0027]圖2是該第一實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的場(chǎng)曲隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖（說(shuō)明： x/為子午場(chǎng)曲，x/為弧矢場(chǎng)曲）；
[0028] 圖3是該第一實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的畸變隨歸一化視場(chǎng)變化不意圖；
[0029] 圖4是該第一實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的垂軸色差隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0030]圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)意圖；
[0031]圖6是該第二實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的場(chǎng)曲隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖（說(shuō)明： x/為子午場(chǎng)曲，x/為弧矢場(chǎng)曲）；
[0032]圖7是該第二實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的畸變隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0033] 圖8是該第二實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的垂軸色差隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0034] 圖9是本發(fā)明的第三實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)意圖；
[0035]圖10是該第三實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的場(chǎng)曲隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖（說(shuō)明： x/為子午場(chǎng)曲，x/為弧矢場(chǎng)曲）；
[0036] 圖11是該第三實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的畸變隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0037] 圖12是該第三實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的垂軸色差隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0038]圖13是本發(fā)明的第四實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)意圖；
[0039]圖14是該第四實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的場(chǎng)曲隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖（說(shuō)明： x/為子午場(chǎng)曲，x/為弧矢場(chǎng)曲）；
[0040] 圖15是該第四實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的畸變隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0041] 圖16是該第四實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的垂軸色差隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0042] 圖17是本發(fā)明的第五實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)意圖；
[0043] 圖18是該第五實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的場(chǎng)曲隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖（說(shuō)明： x/為子午場(chǎng)曲，x/為弧矢場(chǎng)曲）；
[0044] 圖19是該第五實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的畸變隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖；
[0045] 圖20是該第五實(shí)施例的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的垂軸色差隨歸一化視場(chǎng)變化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 為進(jìn)一步說(shuō)明各實(shí)施例，本發(fā)明提供有附圖。這些附圖為本發(fā)明揭露內(nèi)容的一部 分，其主要用以說(shuō)明實(shí)施例，并可配合說(shuō)明書(shū)的相關(guān)描述來(lái)解釋實(shí)施例的運(yùn)作原理。配合參 考這些內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)能理解其他可能的實(shí)施方式以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。圖中 的組件并未按比例繪制，而類似的組件符號(hào)通常用來(lái)表示類似的組件。
[0047] 本篇說(shuō)明書(shū)所說(shuō)的「一透鏡具有正光焦度（或負(fù)光焦度）」，是指所述透鏡以高斯 光學(xué)理論計(jì)算出來(lái)的光軸上的屈光率為正（或?yàn)樨?fù)）。透鏡的第一表面、第二表面定義為用 于成像的光線通過(guò)的范圍，其中成像光線包括了主光線（chief ray)及邊緣光線（marginal ray)，以I為光軸，且透鏡是以該光軸I為對(duì)稱軸徑向地相互對(duì)稱。此外，透鏡還包含一延 伸部（即圓周附近區(qū)域徑向上向外的區(qū)域），用以供該透鏡組裝于一鏡筒內(nèi)，理想的成像光 線并不會(huì)通過(guò)該延伸部。以下的實(shí)施例為求附圖簡(jiǎn)潔均省略了部分的延伸部。
[0048] 更詳細(xì)的說(shuō)，判定透鏡的凹、凸面形的方法如下：透鏡的面型形狀的凹、凸是以平 行通過(guò)該區(qū)域的光線（或光線延伸線）與光軸的交點(diǎn)在出光側(cè)Al或入光側(cè)A2來(lái)決定（光 線焦點(diǎn)判定方式）。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)光線通過(guò)該區(qū)域后，光線會(huì)朝出光側(cè)Al聚焦，與光軸I的 焦點(diǎn)會(huì)位在出光側(cè)A1，則該區(qū)域?yàn)橥姑娌?。反之，若光線通過(guò)該某區(qū)域后，光線會(huì)發(fā)散，其 延伸線與光軸I的焦點(diǎn)在入光側(cè)A2,則該區(qū)域?yàn)榘济娌?。另外，透鏡的面形判斷也可依該 領(lǐng)域中普通技術(shù)人員的判斷方式，以R值（指光軸的曲率半徑，通常指光學(xué)軟件中的透鏡數(shù) 據(jù)庫(kù)（lens data)上的R值）正負(fù)判斷凹凸。以朝向出光側(cè)Al的第一表面來(lái)說(shuō)，當(dāng)R值為 正時(shí)，判定為凸面部，當(dāng)R值為負(fù)時(shí)，判定為凹面部；而以朝向入光側(cè)A2的第二表面來(lái)說(shuō)，當(dāng) R值為正時(shí)，判定為凹面部，當(dāng)R值為負(fù)時(shí)，判定為凸面部，此方法判定出的凹凸和光線焦點(diǎn) 判定方式相同。
[0049] 為了便于表示本發(fā)明所指的參數(shù)，在本說(shuō)明書(shū)及附圖中定義：
[0050] 該第一透鏡Ll的第一表面Sll的曲率半徑為Rl，該第一透鏡Ll的第二表面S12 的曲率半徑為R2,該第一透鏡Ll的第一表面Sll至第二表面S12在光軸上的厚度為Dl，該