目視光學系統及頭戴式顯示裝置的制作方法

本申請涉及一種目視光學系統，尤其涉及目視光學系統及頭戴式顯示裝置。

背景技術：

近年來，由于可穿戴電子設備的興起，使得包含目視光學系統及微型顯示器等微小型化的顯示模塊蓬勃發展，大量應用于頭戴式顯示設備中。頭戴式顯示設備廣泛應用于軍事、航天、醫療、娛樂、模擬訓練等領域。隨著頭戴式顯示設備越來越廣泛地被應用，對其的成像質量和使用舒適度要求也越來越高，而成像質量的好壞以及使用舒適度的高低主要取決于光學目鏡系統的設計。

目前市面上提出一些頭戴目鏡系統和頭戴顯示設備，是采用4片式透鏡的目鏡系統，雖然體積較小，重量較輕，但其畸變較大，出瞳較小，用戶體驗較差，不能滿足消費者日益提高的需求；另外一些光學鏡頭，是采用六片透鏡組合而成，雖然具有較好的光學性能和成像質量，但其全部采用玻璃透鏡，重量大，降低了用戶使用舒適度。

另外，對于目鏡系統而言，在物體尺寸確定的情況下，焦距越小，視場角越大，系統的放大倍率越大，設計難度也隨之增加。市面上頭戴系統雖然不少，但大部分產品的視場角、出瞳直徑和出瞳距離較小，降低用戶使用舒適度。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供目視光學系統及頭戴式顯示裝置，以克服現有技術中的不足。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

本申請實施例公開了一種目視光學系統，包括沿光線入射方向依次設置的第五透鏡、第四透鏡、第三透鏡、第二透鏡、第一透鏡，所述第一透鏡為光焦度為正的雙凸透鏡，所述第二透鏡為光焦度為負的彎月形透鏡，所述第三透鏡為光焦度為正的雙凸透鏡，所述第四透鏡為光焦度為正的雙凸透鏡，所述第五透鏡為光焦度為負的彎月形透鏡。

優選的，在上述的目視光學系統中，所述第一透鏡與第二透鏡膠合成膠合件透鏡。

更優選的，在上述的目視光學系統中，所述膠合件透鏡焦距f12、第三透鏡焦距f3、第四透鏡焦距f4、第五透鏡焦距f5、目視光學系統焦距fs分別滿足以下條件：

1.4<f12/fs<3.8；

1.5<f3/fs<3.5；

1.1<f4/fs<2.7；

-2.0<f5/fs<-0.7。

優選的，在上述的目視光學系統中，所述第三透鏡、第四透鏡為光學塑膠透鏡。

優選的，在上述的目視光學系統中，所述第三透鏡、第四透鏡為雙面非球面結構。

優選的，在上述的目視光學系統中，所述光學鏡頭系統的出瞳距離lep與目視光學系統焦距fs滿足：0.8≤lep/fs≤1.5。

優選的，在上述的目視光學系統中，所述光學鏡頭系統的出瞳距離lep與所述第一透鏡至第五透鏡之間光學間隙總和AGa滿足：55≤lep/AGa≤85。

本申請實施例還空開了一種頭戴式顯示裝置，包括所述的目視光學系統、顯示屏、機殼，所述目視光學系統、顯示屏安裝于所述機殼內部，所述顯示屏位于所述目視光學系統入光側光軸上。

優選的，在上述的頭戴式顯示裝置中，觀測點與所述目視光學系統的距離大于等于21mm。

優選的，在上述的頭戴式顯示裝置中，還包括光闌與保護玻璃，所述光闌設置于所述目視光學系統的出瞳面，所述保護玻璃設置于所述目視光學系統與所述顯示屏之間的光軸上。

與現有技術相比，本發明的優點在于：通過控制各透鏡的凹凸曲面排列，并輔以其他光學關系式控制相關參數和搭配使用玻璃與塑膠透鏡，使其具有重量較輕，結構緊湊，出瞳直徑和出瞳距離大，提高用戶體驗，成像質量優良，分辨率高等特性。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發明具體實施例中目視光學系統及頭戴式顯示裝置光線傳播示意圖；

圖2所示為本發明具體實施例一中目視光學系統的場曲隨歸一化視場變化示意圖(x’_t為子午場曲，x’_s為弧矢場曲)；

圖3所示為本發明具體實施例一中目視光學系統的畸變隨歸一化視場變化示意圖；

圖4所示為本發明具體實施例一中目視光學系統的垂軸色差隨歸一化視場變化示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參圖1，目視光學系統，包括沿光線入射方向依次設置的第五透鏡5、第四透鏡4、第三透鏡3、第二透鏡2、第一透鏡1，第一透鏡1為光焦度為正的雙凸透鏡，第二透鏡2為光焦度為負的彎月形透鏡，第三透鏡3為光焦度為正的雙凸透鏡，第四透鏡4為光焦度為正的雙凸透鏡，第五透鏡5為光焦度為負的彎月形透鏡。

進一步地，第一透鏡1與第二透鏡2膠合成膠合件透鏡。

進一步地，膠合件透鏡焦距f12、第三透鏡3焦距f3、第四透鏡4焦距f4、第五透鏡焦距f5、目視光學系統焦距fs分別滿足以下條件：

1.4<f12/fs<3.8；

1.5<f3/fs<3.5；

1.1<f4/fs<2.7；

-2.0<f5/fs<-0.7。

進一步地，第三透鏡3、第四透鏡4為光學塑膠透鏡。第三透鏡3、第四透鏡4為雙面非球面結構。

采用該技術方案，為了使鏡頭系統更輕薄，成本更低并具有更好的光學性能。

非球面表達式為：

其中，Y為非球面曲線上的點與光軸的距離；Z為非球面的深度(非球面上距離光軸為Y的點，與相切于非球面光軸上頂點的切面，兩者間的垂直距離)；R為透鏡表面的曲率半徑；K為錐面系數(conic constant)；a_2i為第2i階非球面系數。

進一步地，光學鏡頭系統的出瞳距離lep與目視光學系統焦距fs滿足：0.8≤lep/fs≤1.5。光學鏡頭系統的出瞳距離lep與第一透鏡至第五透鏡之間光學間隙總和AGa滿足：55≤lep/AGa≤85。

在該技術方案中，滿足該限定條件為了使該目視光學系統更為薄型輕巧，視場角、出瞳直徑和出瞳距離較大，同時還具有更好的光學性能。

參圖1所示，頭戴式顯示裝置，包括上述的目視光學系統、顯示屏7、機殼，目視光學系統、顯示屏7安裝于機殼內部，顯示屏7位于目視光學系統入光側光軸上。

進一步地，觀測點8與目視光學系統的距離大于等于21mm。

進一步地，還包括光闌與保護玻璃6，光闌設置于目視光學系統的出瞳面，保護玻璃6設置于目視光學系統與顯示屏7之間的光軸上。

實施例一：

5個透鏡光學參數(曲率R、厚度、折射率及阿貝數)如表所示：

第三透鏡及第四透鏡的非球面參數如表所示：

第一透鏡和第二透鏡之間的光學間隙0mm，第二透鏡和第三透鏡之間的光學間隙是0.1mm，第三透鏡和第四透鏡之間的光學間隙是0.1mm，第四透鏡和第五透鏡之間的光學間隙是0.1mm，從而計算該第一透鏡至第五透鏡之間在光軸I上的所有光學間隙總和AGa＝0.1+0.1+0.1＝0.3mm，該膠合件透鏡的焦距f12是40.6mm，第三透鏡的焦距f3是50.4mm，該第四透鏡的焦距f4是30.5mm，該第五透鏡的焦距f5是-19.2mm，該目視光學系統的系統焦距fs是18.3mm，該目視光學系統的出瞳距離Lep是21.2mm。

經過簡單計算可知：f12/fs＝2.2，f3/fs＝2.8，f4/fs＝1.7，f5/fs＝-1.1，Lep/AGa＝70.7，Lep/fs＝1.2。

采用參數目視光學系統的頭戴式顯示裝置，顯示屏設置于該目視光學系統的入光側，位于保護玻璃的入光側的光軸上。顯示屏選用0.6英寸微顯示屏。

本實施例中，視場角達到46°，便于觀察，出瞳直徑達到7.5mm，可輕易調節瞳距，出瞳距離達到21.2mm，近遠視者可配戴眼鏡觀看，從提高了用戶體驗感。同時根據圖2至圖4可知，該目視光學系統校正了場曲、象散、倍率色差等像差，成像質量較好，畸變小于2％，在人眼可接受范圍之內，表現出該目視光學系統具有較高的光學性能，能提供較佳的成像質量。

綜上可知，本申請通過控制各透鏡的凹凸曲面排列，并輔以其他光學關系式控制相關參數和搭配使用玻璃與塑膠透鏡，使頭戴式顯示裝置具有重量較輕，結構緊湊，視場角、出瞳直徑和出瞳距離較大的優勢，提高了用戶體驗，具有成像質量優良、分辨率高、成本低的特性。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本申請的具體實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護范圍。