CN106019567A - 一种目镜系统和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目镜系统和头戴显示设备。该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的：球面显示屏和菲涅尔透镜；球面显示屏的中心线与菲涅尔透镜的光轴所在的水平线相互重合，球面显示屏凸向所述菲涅尔透镜；菲涅尔透镜具有凸向光路光阑的第一表面和凸向球面显示屏的第二表面。本发明的技术方案采用菲涅尔透镜和球面显示屏相结合的技术手段，通过合理设置菲涅尔透镜的面型，来分担目镜系统的光焦度，减少系统的象散；以及，通过合理设置球面显示屏，减少系统的场曲，达到改善边缘成像画质的目的。

Description

一种目镜系统和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种目镜系统和头戴显示设备。

背景技术

目前，虚拟现实(Virtual Reality，VR)的光学系统大部分为单镜片组成，存在无法校正边缘产生的色差、象散和场曲的问题，尤其在VR光学系统视场角越大时，由此导致的边缘成像越不清晰。由于色差可以用软件来补偿，因而象散和场曲是造成边缘成像质量下降的主要原因。

基于上述描述，亟需一种新型的目镜系统。以满足VR光学系统大视场角下的边缘成像

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种目镜系统和头戴显示设备，以解决单镜片构成的光学系统边缘成像不清晰的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种目镜系统，该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的：球面显示屏和菲涅尔透镜；

球面显示屏的中心线与菲涅尔透镜的光轴所在的水平线相互重合，球面显示屏凸向所述菲涅尔透镜；

菲涅尔透镜具有凸向光路光阑的第一表面和凸向球面显示屏的第二表面。

优选地，菲涅尔透镜的第一表面为非球面，菲涅尔透镜的第二表面为曲面基底的菲涅尔面。

优选地，第一表面的非球面系数满足下述公式：

$z_1=\frac{C_1{Y_1}^2}{1+\sqrt{1-{C_1}^2{Y_1}^2}}+\underset{i=2}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{Y_1}^{2i};$

其中，z1是沿目镜系统的光轴方向的坐标，Y1为菲涅尔透镜长度单位为单位的径向坐标，C1为菲涅尔透镜第一表面的曲率，α_i是各高次项的系数，N＝4。

优选地，第二表面的菲涅尔面系数满足下述公式：

$z_2=\frac{C_2{Y_2}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){C_2}^2{Y_2}^2}};$

其中，z2是沿目镜系统的光轴方向的坐标，Y2为菲涅尔透镜长度单位为单位的径向坐标，C2为菲涅尔透镜第二表面的曲率，k为菲涅尔透镜第二表面的圆锥系数。

优选地，第一表面的半口径为26mm，第一表面的半径为383.75mm，第一表面的4次项系数为3.13681E-6，第一表面的6次项系数为-2.398043E-9，第一表面的8次项系数为1.00577E-12。

优选地，第二表面的半口径为26mm，第二表面的曲面基底的半径为-163.7335mm，第二表面的圆锥系数为11.0057。

优选地，目镜系统的焦距为38mm、轴向长度为44mm、像圆直径为72mm。

优选地，菲涅尔透镜为COC-K26R型号的塑料材质。

优选地，球面显示屏为3.8英寸。

另一方面，本发明实施例还提供了一种头戴显示设备，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，所述左眼目镜系统和右眼目镜系统采用上述技术方案提供的目镜系统。

本发明实施例的有益效果是：本发明的目镜系统采用菲涅尔透镜和球面显示屏相结合的技术手段，通过合理设置菲涅尔透镜的面型，分担目镜系统的光焦度，减少系统的象散；以及，通过合理设置球面显示屏，减少系统的场曲，达到改善边缘成像画质的目的。

附图说明

图1为目镜系统的成像示意图；

图2为本发明提供的目镜系统的光路示意图；

图3为采用平面显示屏的目镜系统的场曲曲线示意图；

图4本发明提供的采用球面显示屏的目镜系统的场曲曲线示意图；

图5为采用平面基底的菲涅尔透镜的目镜系统的场曲曲线示意图；

图6为本发明提供的采用曲面基底的菲涅尔透镜的目镜系统的场曲曲线示意图；

图7为现有技术中的目镜系统的点列图；

图8为本发明提供的目镜系统的点列图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

图1为目镜系统的成像示意图，显示屏发出的光经过透镜成像后在人眼前2m处形成一个巨大的虚像，再由人眼接收，从而给人以震撼的感觉。本发明中透镜的作用与放大镜相似，放大显示屏上的信息，然后在远处成虚像。

设计该目镜系统时，采用反向追迹，使目镜系统的像面为显示屏，物面为目镜系统产生的虚像，人眼瞳孔位于光路光阑处，透镜位于光路光阑和显示屏中间。

由于单镜片组成的光学系统的色差可以用软件来补偿，而象散和场曲是造成边缘成像质量下降的主要原因，因此，本发明将曲面基底的菲涅尔透镜和球面显示屏相结合来改善边缘画质，使边缘成像质量和中心成像质量几乎相同。

基于上述设计思想，本实施例提供了一种目镜系统，如图2所示，图2为本发明提供的目镜系统的光路示意图，该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的：球面显示屏101和菲涅尔透镜102；

球面显示屏101的中心线与菲涅尔透镜102的光轴所在的水平线相互重合，球面显示屏101凸向菲涅尔透镜102；

菲涅尔透镜102具有凸向光路光阑103的第一表面S1和凸向球面显示屏101的第二表面S2。

本实施例通过设置菲涅尔透镜的面型，合理分担目镜系统的光焦度以减少系统的象散；以及，通过合理设置球面显示屏减少系统的场曲，从而改善边缘画质。

为了进一步减少目镜系统的象散，设置菲涅尔透镜102的第一表面S1为非球面，菲涅尔透镜102的第二表面S2为曲面基底的菲涅尔面。

本实施例优选地，菲涅尔透镜为COC-K26R型号的塑料材质。本优选方案通过设置菲涅尔透镜为塑料材质，保证目镜系统的轻量化。

其中，COC是新型的具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚分子材料，其具有作为光学部件非常重要的低双折射率、低吸水性和高刚性等优良性能。

在本实施例的一个具体实现方案中，菲涅尔透镜102第一表面S1的非球面系数满足下述公式：

$z_1=\frac{C_1{Y_1}^2}{1+\sqrt{1-{C_1}^2{Y_1}^2}}+\underset{i=2}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{Y_1}^{2i};$

其中，z1是沿目镜系统的光轴方向的坐标，Y1为菲涅尔透镜长度单位为单位的径向坐标，C1为菲涅尔透镜第一表面的曲率，α_i是各高次项的系数，N＝4。

菲涅尔透镜102第二表面S2的菲涅尔面系数满足下述公式：

$z_2=\frac{C_2{Y_2}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){C_2}^2{Y_2}^2}};$

其中，z2是沿目镜系统的光轴方向的坐标，Y2为菲涅尔透镜长度单位为单位的径向坐标，C2为菲涅尔透镜第二表面的曲率，k为菲涅尔透镜第二表面的圆锥系数。

在本具体实现方案中，第一表面S1的半口径为26mm，第一表面S1的半径为383.75mm，第一表面S1的4次项系数为3.13681E-6，第一表面S1的6次项系数为-2.398043E-9，第一表面S1的8次项系数为1.00577E-12。

第二表面S2的半口径为26mm，第二表面S2的曲面基底的半径为-163.7335mm，第二表面S2的圆锥系数为11.0057。

本具体实现方案中的目镜系统的焦距为38mm、轴向长度为44mm、像圆直径为72mm。

在上述技术方案中，本具体实现方案中的目镜系统能够达到110°的最大视场角，人眼有效活动区域EYEBox的直径为8mm的技术指标，并且该目镜系统的球面显示屏为3.8英寸。

如图3和图4所示，图3为采用平面显示屏的目镜系统的场曲曲线示意图，图4为本发明提供的采用球面显示屏的目镜系统的场曲曲线示意图，场曲曲线示意图中t线为子午场曲，s线为弧矢场曲，子午场曲和弧矢场曲的差为系统的象散，场曲和象散影响着光学系统轴外视场光线的像差，差值过大会严重的影响到系统轴外光线的成像质量。图3和图4为相同视场角条件下的场曲曲线示意图，对比图3和图4，可以直观的看出平面显示屏的场曲更大，边缘位置的场曲已经达到5mm，严重影响成像清晰度，而本发明具有球面显示屏的目镜系统的场曲要小很多。

如图5和图6所示，图5为采用平面基底的菲涅尔透镜的目镜系统的场曲曲线示意图，图6为本发明提供的采用曲面基底的菲涅尔透镜的目镜系统的场曲曲线示意图，图5和图6为相同视场角条件下的场曲曲线示意图，对比图5和图6，可以直观的看出平面基底的菲涅尔透镜的场曲和象散更大，边缘位置的场曲已经达到3mm，严重影响成像清晰度，而本发明具有曲面基底的菲涅尔透镜的目镜系统的场曲和象散要小很多。

如图7和图8所示，图7为现有技术中的目镜系统的点列图，图8为本发明提供的目镜系统的点列图，对比图7和图8，可以直观的看出现有技术中的目镜系统的弥散斑直径较大，本发明的目镜系统的弥散斑直径相对较小；由于弥散斑越小证明系统的成像质量越好，可见，本发明的目镜系统在边缘处所成像的质量远远高于现有技术中的目镜系统。

其中，上述现有技术中的目镜系统为由普通球面透镜和平面显示屏构成的光学系统。

实施例二：

基于与实施例一相同的发明构思，本实施例提供了一种头戴显示设备，该头戴显示设备，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，左眼目镜系统和右眼目镜系统采用实施例一中的目镜系统。

综上所述，本发明的目镜系统采用菲涅尔透镜和球面显示屏相结合的技术手段，通过合理设置菲涅尔透镜的面型，分担目镜系统的光焦度，减少系统的象散；以及，通过合理设置球面显示屏，减少系统的场曲，达到改善边缘成像画质的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种目镜系统，其特征在于，该目镜系统包括沿着光线入射的方向依次设置的：球面显示屏和菲涅尔透镜；

所述球面显示屏的中心线与所述菲涅尔透镜的光轴所在的水平线相互重合，所述球面显示屏凸向所述菲涅尔透镜；

所述菲涅尔透镜具有凸向光路光阑的第一表面和凸向球面显示屏的第二表面。

2.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜的第一表面为非球面，所述菲涅尔透镜的第二表面为曲面基底的菲涅尔面。

3.根据权利要求2所述的头戴目镜的光学系统，其特征在于，所述第一表面的非球面系数满足下述公式：

$z_1=\frac{C_1{Y_1}^2}{1+\sqrt{1-{C_1}^2{Y_1}^2}}+\underset{i=2}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{Y_1}^{2i};$

其中，z1是沿所述目镜系统的光轴方向的坐标，Y1为菲涅尔透镜长度单位为单位的径向坐标，C1为菲涅尔透镜第一表面的曲率，α_i是各高次项的系数，N＝4。

4.根据权利要求2所述的目镜系统，其特征在于，所述第二表面的菲涅尔面系数满足下述公式：

$z_2=\frac{C_2{Y_2}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){C_2}^2{Y_2}^2}};$

其中，z2是沿所述目镜系统的光轴方向的坐标，Y2为菲涅尔透镜长度单位为单位的径向坐标，C2为菲涅尔透镜第二表面的曲率，k为菲涅尔透镜第二表面的圆锥系数。

5.根据权利要求3所述的目镜系统，其特征在于，所述第一表面的半口径为26mm，所述第一表面的半径为383.75mm，所述第一表面的4次项系数为3.13681E-6，所述第一表面的6次项系数为-2.398043E-9，所述第一表面的8次项系数为1.00577E-12。

6.根据权利要求4所述的目镜系统，其特征在于，所述第二表面的半口径为26mm，所述第二表面的曲面基底的半径为-163.7335mm，所述第二表面的圆锥系数为11.0057。

7.根据权利要求1所述的目镜系统，其特征在于，所述目镜系统的焦距为38mm、轴向长度为44mm、像圆直径为72mm。

8.根据权利要求1至7任一项所述的目镜系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜为COC-K26R型号的塑料材质。

9.根据权利要求8所述的目镜系统，其特征在于，所述球面显示屏为3.8英寸。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，包括对称的左眼目镜系统和右眼目镜系统，所述左眼目镜系统和右眼目镜系统采用如权利要求1至9任一项所述的目镜系统。