透鏡、包括該透鏡的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴式顯示器的制作方法

本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種透鏡、包括該透鏡的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴式顯示器。

背景技術(shù)：

頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)基于顯示屏的圖像放大系統(tǒng)，顯示屏所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大，在人眼前一定距離處呈現(xiàn)一個(gè)放大的虛像，使用戶(hù)可以完全沉浸在虛擬的情景之中，不受外界信息的干擾。在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，頭戴顯示光學(xué)業(yè)系統(tǒng)的使用者為移動(dòng)作業(yè)，這就要求光學(xué)系統(tǒng)在保證成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，并且擁有較大的視場(chǎng)。

現(xiàn)有的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角小，視野狹窄且不可佩戴眼鏡，降低了使用者虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)效果，而且使近視人群無(wú)法很好的使用。現(xiàn)有技術(shù)為增大視場(chǎng)角，需要觀察者的眼睛十分靠近目視鏡片，這樣大大降低用戶(hù)人群適應(yīng)范圍，影響用戶(hù)體驗(yàn)，并且妨礙頭戴式顯示器的推廣普及。透鏡作為頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件主要存在以下缺點(diǎn)：(1)透鏡視場(chǎng)角偏小和透鏡的直徑尺寸偏??；(2)透鏡的直徑尺寸大卻使得整個(gè)透鏡厚度偏厚；(3)設(shè)計(jì)出的透鏡不易批量加，失去生產(chǎn)上的可行性。

因此，有必要針對(duì)以上頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的透鏡和頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種透鏡、包括該透鏡的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴式顯示器，用于解決視場(chǎng)角不足、不可佩戴近視眼鏡和批量加工不方便的缺點(diǎn)，具有大口徑和大視場(chǎng)角的優(yōu)點(diǎn)，且可佩戴近視眼鏡使用。

本發(fā)明提供一種透鏡，所述透鏡適用于頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的鏡頭，所述透鏡具有凸向光出射方向的第一表面及凸向光入射方向的第二表面，其特征在于，所述第一表面為球面，所述第二表面為非球面，且所述第二表面的形狀符合公式(1)：

$Z=\frac{\left(\frac{1}{R_0}\right)r^2}{1+\sqrt{1-(K+1){\left(\frac{1}{R_0}\right)}^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{\mathrm{\γ}}^4+{\mathrm{\α}}_6{\mathrm{\γ}}^6---\left(1\right)$

其中，Z表示第二表面在矢高的坐標(biāo)，r表示第二表面的頂點(diǎn)為中心垂直矢高的坐標(biāo)，R₀表示第二表面的頂點(diǎn)曲率半徑，K表示圓錐系數(shù)，α₄表示四次非球面系數(shù)，α₆表示六次非球面系數(shù)。

在本發(fā)明提供的透鏡一較佳實(shí)施例中，所述第一表面的曲率半徑R滿(mǎn)足條件式(2)：

0＜R＜200 (2)。

在本發(fā)明提供的透鏡一較佳實(shí)施例中，所述第二表面的參數(shù)K、R₀、α₄和α₆滿(mǎn)足條件式(3)：

K＜0，R₀＜0，α₄＜0，α₆＞0 (3)。

在本發(fā)明提供的透鏡一較佳實(shí)施例中，所述透鏡的直徑L＝45mm，所述透鏡的厚度d＝15mm，所述透鏡的最大視場(chǎng)角為90°。

在本發(fā)明提供的透鏡一較佳實(shí)施例中，所述透鏡由塑料材質(zhì)或玻璃材質(zhì)制成。

本發(fā)明同時(shí)提供一種頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)，其包括如上所述的透鏡及顯示屏，所述顯示屏靠近所述第二表面設(shè)置。

在本發(fā)明提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)一較佳實(shí)施例中，所述顯示屏為液晶顯示屏、發(fā)光二極管顯示屏或有機(jī)發(fā)光二級(jí)管顯示屏。

在本發(fā)明提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)一較佳實(shí)施例中，所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)裸眼情況下的目視距離M的范圍為：15mm≤M≤20mm，所述目視距離M為人的眼睛至所述第一表面的最小距離。

在本發(fā)明提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)一較佳實(shí)施例中，所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的后截距距離bf的范圍為：38mm≤bf≤45mm，所述后截距距離bf為所述顯示屏至所述第二表面的最小距離。

本發(fā)明同時(shí)提供一種頭戴式顯示器，其包括如上所述的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的透鏡、包括該透鏡的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴式顯示器，具有以下有益效果：

一、采用單個(gè)正透鏡作目鏡鏡頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，可減輕用戶(hù)負(fù)擔(dān)；

二、所述透鏡的第一表面設(shè)計(jì)為球面型，第二表面設(shè)計(jì)為非球面型且滿(mǎn)足特定的面型設(shè)計(jì)公式，再通過(guò)結(jié)合特定的目視距離和特定的后截距離，獲得90°的大視場(chǎng)角，有效平衡了頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角和輕量化的要求，而且相對(duì)同樣視場(chǎng)角的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)畸變小，可以控制在16％左右；

三、所述透鏡的直徑擴(kuò)大到45mm、視場(chǎng)角為90°、中心厚度為15mm，具有大口徑、大視場(chǎng)角和易加工的優(yōu)點(diǎn)；

四、在保證視場(chǎng)角為90°的情況下，目視距離M的范圍為：15mm≤M≤20mm，使用者可以佩戴近視眼睛觀看，為使用者帶來(lái)更好的體驗(yàn)；

五、所述透鏡可采用塑料材料制作，重量輕、成本較低，利于大批量生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1是本發(fā)明提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)一較佳實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線示意圖；

圖4是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲曲線圖；

圖5是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的畸變像差曲線圖；

圖6是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)結(jié)合參閱圖1和圖2，其中，圖1是本發(fā)明提供的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)一較佳實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明提供一種頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100，所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100包括透鏡110及與所述透鏡110間隔設(shè)置的顯示屏130。

所述透鏡110為所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100設(shè)計(jì)的光學(xué)元件。所述透鏡110包括遠(yuǎn)離所述顯示屏130的第一表面S1及靠近所述顯示屏130的第二表面S2。

所述第一表面S1凸向光出射方向。所述第一表面S1為球面，其曲率半徑R滿(mǎn)足條件式(1)：

0＜R＜200 (1)。

所述第二表面S2凸向光入射方向。所述第二表面S2為非球面，包括頂點(diǎn)150，且所述第二表面的形狀符合公式(2)：

$Z=\frac{\left(\frac{1}{R_0}\right)r^2}{1+\sqrt{1-(K+1){\left(\frac{1}{R_0}\right)}^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{\mathrm{\γ}}^4+{\mathrm{\α}}_6{\mathrm{\γ}}^6---\left(2\right)$

其中，Z表示第二表面在矢高的坐標(biāo)，r表示第二表面的頂點(diǎn)為中心垂直矢高的坐標(biāo)，R₀表示第二表面的頂點(diǎn)曲率半徑，K表示圓錐系數(shù)，α₄表示四次非球面系數(shù)，α₆表示六次非球面系數(shù)。

所述第二表面S2的參數(shù)K、R₀、α₄和α₆滿(mǎn)足條件式(3)：

K＜0，R₀＜0，α₄＜0，α₆＞0 (3)。

具體地，所述頂點(diǎn)150為所述第二表面S2上最靠近所述顯示屏130的點(diǎn)，Z可以理解為第二表面S2上的點(diǎn)至邊緣水平線170(實(shí)際上為將所述透鏡剖切形成的面)的垂直距離，r表示第二表面S2上的點(diǎn)至光軸180所在面的距離。

所述透鏡110由塑料材質(zhì)或玻璃材質(zhì)制成，優(yōu)選聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)。

所述透鏡的直徑L＝45mm，所述透鏡的厚度d＝15mm，所述透鏡的最大視場(chǎng)角為90°，具有大口徑、大視場(chǎng)角和易加工的優(yōu)點(diǎn)。

所述顯示屏130為液晶顯示屏、發(fā)光二極管顯示屏或有機(jī)發(fā)光二級(jí)管顯示屏。

所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100裸眼情況下的目視距離M的范圍為：15mm≤M≤20mm，所述目視距離M為人的眼睛至所述第一表面S1的最小距離。在保證視場(chǎng)角為90°的情況下，目視距離M的范圍為：15mm≤M≤20mm，使用者可以佩戴近視眼睛觀看，為使用者帶來(lái)更好的體驗(yàn)。

所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100的后截距距離bf的范圍為：38mm≤bf≤45mm，所述后截距距離bf為所述顯示屏130至所述第二表面S2的最小距離。

基于上文所述各項(xiàng)參數(shù)，所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100實(shí)現(xiàn)了90°的大視場(chǎng)角，有效平衡了頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100的視場(chǎng)角和輕量化的要求，而且相對(duì)同樣視場(chǎng)角的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)畸變小，可以控制在16％左右。當(dāng)頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的使用者將眼睛置于圖中瞳孔所在位置190時(shí)，所述顯示屏發(fā)出的光經(jīng)過(guò)所述透鏡110后在人眼前2.5米處形成一個(gè)放大的虛像，2.5米是個(gè)比較舒適的視覺(jué)距離。

請(qǐng)參閱圖3、圖4、圖5和圖6，其中，圖3是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線示意圖，圖4是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲曲線圖，圖5是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的畸變像差曲線圖，圖6是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。圖3、圖4、圖5和圖6中詳細(xì)說(shuō)明了所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。具體地，

圖3說(shuō)明所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)。光學(xué)傳遞函數(shù)MTF是10線對(duì)下的MTF。圖中橫軸代表每毫米的線對(duì)數(shù)，單位lp/mm，縱軸代表成像的像質(zhì)達(dá)到實(shí)際的百分比，范圍0～1，光學(xué)傳遞函數(shù)是對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的綜合反應(yīng)，曲線越平滑、且數(shù)值越接近1，表明系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好；圖中分別繪出0°、9°、18°、27°、36°、45°視場(chǎng)的曲線，傳遞函數(shù)曲線比較平滑，像差得到較好校正。

圖4是場(chǎng)曲曲線圖，場(chǎng)曲是物平面形成曲面像的一種像差，需要以子午場(chǎng)曲和弧失場(chǎng)曲來(lái)表征，如圖4所示，場(chǎng)曲曲線中T線為子午場(chǎng)曲，S為弧矢場(chǎng)曲，二者之場(chǎng)即為光學(xué)系統(tǒng)的象散，場(chǎng)曲和像散影響系統(tǒng)軸外視場(chǎng)光線的像差，差值過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)外軸外光線的成像質(zhì)量。從圖4可以看，所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和像散被控制在合適范圍之內(nèi)。

圖5說(shuō)明所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的畸變像差?；儾粫?huì)影響系統(tǒng)的清晰度，只會(huì)引起系統(tǒng)圖像變形，畸變可由軟件圖像進(jìn)行反畸變處理。

請(qǐng)參圈圖6，是圖1所示頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。點(diǎn)列圖顯示的是所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)視場(chǎng)光線在像面處匯聚而形成的彌散斑，是所述頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)的各種像差的綜合表現(xiàn)，點(diǎn)列圖中的RMS RADIUS(均方根半徑)越小證明系統(tǒng)成像質(zhì)量越好。可以看出，彌散斑半徑大小在合理的成像質(zhì)量范圍內(nèi)。

本發(fā)明同時(shí)提供一種頭戴式顯示器，所述頭戴顯示器包括如上所述的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的透鏡、包括該透鏡的頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)和頭戴式顯示器，具有以下有益效果：

一、采用單個(gè)正透鏡作目鏡鏡頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，可減輕用戶(hù)負(fù)擔(dān)；

二、所述透鏡110的第一表面S1設(shè)計(jì)為球面型，第二表面S2設(shè)計(jì)為非球面型且滿(mǎn)足特定的面型設(shè)計(jì)公式，再通過(guò)結(jié)合特定的目視距離和特定的后截距離，獲得90°的大視場(chǎng)角，有效平衡了頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)100的視場(chǎng)角和輕量化的要求，而且相對(duì)同樣視場(chǎng)角的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)畸變小，可以控制在16％左右；

三、所述透鏡110的直徑擴(kuò)大到45mm、視場(chǎng)角為90°、中心厚度為15mm，具有大口徑、大視場(chǎng)角和易加工的優(yōu)點(diǎn)；

四、在保證視場(chǎng)角為90°的情況下，目視距離M的范圍為：15mm≤M≤20mm，使用者可以佩戴近視眼睛觀看，為使用者帶來(lái)更好的體驗(yàn)；

五、所述透鏡110可采用塑料材料制作，重量輕、成本較低，利于大批量生產(chǎn)。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍內(nèi)。