CN112612135B - 一种目镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镜头技术领域。本发明公开了一种目镜光学系统，从目侧至显示侧沿一光轴依次包括第一透镜至第四透镜，第一透镜和第三透镜为具正屈光率的凸凸透镜，第二透镜为具正屈光率的凹凸透镜，第四透镜为具负屈光率的凹凹透镜，第一透镜和第二透镜的目侧面和显示侧面均为非球面；第三透镜与第四透镜相互胶合，第三透镜与第四透镜均为玻璃透镜。本发明具有视场角大，岀瞳距离大，分辨率高，成像质量好，镜片数少，小型化，量产良率好的优点。

Description

一种目镜光学系统

技术领域

本发明属于镜头技术领域，具体地涉及一种手持相机的目镜光学系统。

背景技术

随着科学技术的不断进步和社会的不断发展，近年来，光学成像镜头也得到了迅猛发展，光学成像镜头被广泛地应用在智能手机、平板电脑、视频会议、车载监控、无人机航拍、机器视觉、安防监控、相机等各个领域，因此，对于光学成像镜头的要求也越来越高。

但目前市场上用于手持相机的目镜镜头还存在许多不足，如视场角小，无法适用大视场情况；岀瞳距离小，通常小于20mm，不适合带眼镜人群使用；镜片数量较多，体积较大，产品化性能较差等，已无法满足消费者日益提高的要求，急需进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种目镜光学系统用于解决上述存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种目镜光学系统，用于将成像光线从一显示画面经该目镜光学系统进入一观察者眼睛成像，朝向该眼睛的方向为目侧，朝向该显示画面的方向为显示侧，该目镜光学系统从目侧至显示侧沿一光轴依次包括第一透镜至第四透镜；第一透镜至第四透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的目侧面以及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面；

第一透镜具正屈光率，第一透镜的目侧面为凸面，第一透镜的显示侧面为凸面；

第二透镜具正屈光率，第二透镜的目侧面为凹面，第二透镜的显示侧面为凸面；

第三透镜具正屈光率，第三透镜的目侧面为凸面，第三透镜的显示侧面为凸面；

第四透镜具负屈光率，第四透镜的目侧面为凹面，第四透镜的显示侧面为凹面；

第一透镜和第二透镜的目侧面和显示侧面均为非球面；第三透镜与第四透镜相互胶合，第三透镜与第四透镜均为玻璃透镜；

该目镜光学系统具有屈光率的透镜只有上述第一透镜至第四透镜。

进一步的，第一透镜和第二透镜均采用塑料材料制成。

进一步的，该目镜光学系统更满足：nd4-nd3≤0.07，其中，nd3为第三透镜的折射率，nd4为第四透镜的折射率。

更进一步的，该目镜光学系统更满足：1.88≤nd3≤nd4≤2.00。

进一步的，该目镜光学系统更满足：vd3-vd4≥20，其中，vd3为第三透镜的色散系数，vd4为第四透镜的色散系数。

进一步的，该目镜光学系统更满足：1.54≤nd1，其中，nd1为第一透镜的折射率。

进一步的，该目镜光学系统更满足：1.64≤nd2，其中，nd2为第二透镜的折射率。

进一步的，该目镜光学系统更满足：TTL≤35.1mm，其中，TTL为第一透镜的目侧面至显示画面在光轴上的距离。

本发明的有益技术效果：

本发明采用四片透镜，并通过对各个透镜进行相应设计，具有视场角大，水平视场角>44°；岀瞳距离大，可达25mm；像质好，成像质量优良；镜片数少，小型化，具有产品化性能；镜片敏感度好，量产良率好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的0.4861-0.6563μm的MTF图；

图3为本发明实施例一的场曲和畸变曲线图；

图4为本发明实施例二的结构示意图；

图5为本发明实施例二的0.4861-0.6563μm的MTF图；

图6为本发明实施例二的场曲和畸变曲线图；

图7为本发明实施例三的结构示意图；

图8为本发明实施例三的0.4861-0.6563μm的MTF图；

图9为本发明实施例三的场曲和畸变曲线图；

图10为本发明实施例四的结构示意图；

图11为本发明实施例四的0.4861-0.6563μm的MTF图；

图12为本发明实施例四的场曲和畸变曲线图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

所说的「一透镜具有正屈光率(或负屈光率)」，是指所述透镜以高斯光学理论计算出来的近轴屈光率为正(或为负)。透镜的面形凹凸判断可依该领域中通常知识者的判断方式，即通过曲率半径(简写为R值)的正负号来判断透镜面形的凹凸。R值可常见被使用于光学设计软件中，例如Zemax或CodeV。R值亦常见于光学设计软件的透镜资料表(lens datasheet)中。以目侧面来说，当R值为正时，判定为目侧面为凸面；当R值为负时，判定目侧面为凹面。反之，以显示侧面来说，当R值为正时，判定显示侧面为凹面；当R值为负时，判定显示侧面为凸面。

本发明公开了一种目镜光学系统，用于将成像光线从一显示画面经该目镜光学系统进入一观察者眼睛成像，朝向该眼睛的方向为目侧，朝向该显示画面的方向为显示侧，该目镜光学系统从目侧至显示侧沿一光轴依次包括第一透镜至第四透镜；第一透镜至第四透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的目侧面以及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面。

第一透镜具正屈光率，第一透镜的目侧面为凸面，第一透镜的显示侧面为凸面。

第二透镜具正屈光率，第二透镜的目侧面为凹面，第二透镜的显示侧面为凸面。

第三透镜具正屈光率，第三透镜的目侧面为凸面，第三透镜的显示侧面为凸面。

第四透镜具负屈光率，第四透镜的目侧面为凹面，第四透镜的显示侧面为凹面。

第一透镜和第二透镜的目侧面和显示侧面均为非球面；第三透镜与第四透镜相互胶合，第三透镜与第四透镜均为玻璃透镜。

第一透镜用于减小像差(特别是球差)初级量，且也可降低其高级量，矫正部分像差，减轻后组的负担，使用一片非球面透镜达到使用多片球面透镜的效果，在结构上更加简单，更容易实现系统总长较短化；第二透镜用于减小像差(特别是球差)初级量，且也可降低其高级量，与第一透镜共同矫正系统轴外像差，使用一片非球面透镜达到使用多片球面透镜的效果，在结构上更加简单，更容易实现系统总长较短化；第三透镜进一步矫正像差，有效降低初级像差；第四透镜与第三透镜胶合使用，校正系统色差。

该目镜光学系统具有屈光率的透镜只有上述第一透镜至第四透镜。本发明采用四片透镜，并通过对各个透镜进行相应设计，具有视场角大，水平视场角>44°；岀瞳距离大，可达25mm；像质好，成像质量优良；镜片数少，小型化，具有产品化性能；镜片敏感度好，量产良率好的优点。

优选的，第一透镜和第二透镜均采用塑料材料制成，进一步减轻重量，降低成本，提升产品化性能。

优选的，该目镜光学系统更满足：nd4-nd3≤0.07，其中，nd3为第三透镜的折射率，nd4为第四透镜的折射率，进一步优化系统色差。

更优选的，该目镜光学系统更满足：1.88≤nd3≤nd4≤2.00，进一步优化MTF和畸变，提升成像质量。

优选的，该目镜光学系统更满足：vd3-vd4≥20，其中，vd3为第三透镜的色散系数，vd4为第四透镜的色散系数，进一步优化系统色差。

优选的，该目镜光学系统更满足：1.54≤nd1，其中，nd1为第一透镜的折射率，进一步优化MTF和畸变，提升成像质量。

优选的，该目镜光学系统更满足：1.64≤nd2，其中，nd2为第二透镜的折射率，进一步优化MTF和畸变，提升成像质量。

优选的，该目镜光学系统更满足：TTL≤35.1mm，其中，TTL为第一透镜的目侧面至显示画面在光轴上的距离，进一步缩短系统总长，实现小型化。

下面将以具体实施例来对本发明的目镜光学系统进行详细说明，以下实施例均采用反向设计(光线方向逆追迹)方法来对本发明的目镜光学系统的性能进行详细说明，即将人眼出瞳作为光阑，显示画面作为成像面，光线从人眼出瞳射出经该目镜光学系统到显示画面聚焦成像。

实施例一

如图1所示，一种目镜光学系统，用于将成像光线从一显示画面6经该目镜光学系统及观察者的人眼出瞳5进入一观察者眼睛成像，朝向该眼睛的方向为目侧A1，朝向该显示画面6的方向为显示侧A2，该目镜光学系统从目侧A1至显示侧A2沿一光轴I依次包括人眼出瞳5(作为光阑)、第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和显示画面6(作为成像面)；第一透镜1至第四透镜4各自包括一朝向目侧A1且使成像光线通过的目侧面以及一朝向显示侧A2且使成像光线通过的显示侧面。

第一透镜1具正屈光率，第一透镜1的目侧面11为凸面，第一透镜1的显示侧面12为凸面。

第二透镜2具正屈光率，第二透镜2的目侧面21为凹面，第二透镜2的显示侧面22为凸面。

第三透镜3具正屈光率，第三透镜3的目侧面31为凸面，第三透镜3的显示侧面32为凸面。

第四透镜4具负屈光率，第四透镜4的目侧面41为凹面，第四透镜4的显示侧面42为凹面。

第一透镜1和第二透镜2的目侧面11、21和显示侧面12、22均为非球面。

第三透镜3与第四透镜4相互胶合，第三透镜3与第四透镜4均为玻璃球面透镜。

本具体实施例中，第一透镜1和第二透镜2优选均采用塑料材料制成，但并不限于此，在一些实施例中，也可以采用玻璃等其它光学材料制成。

本具体实施例的详细光学数据如表1-1所示。

表1-1实施例一的详细光学数据

本具体实施例中，目侧面11、21和显示侧面12、22依下列非球面曲线公式定义：

其中：

r为光学表面上一点到光轴的距离。

z为该点沿光轴方向的矢高。

c为该表面的曲率。

K为该表面的二次曲面常数。

A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄分别为：四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶的非球面系数。

各个非球面的参数详细数据请参考下表：

本具体实施例的相关条件表达式的数值请参考表5。

本具体实施例的MTF传递函数曲线图详见图2，可以看出分辨率高，30lp/mm空间频率的中心MTF值大于0.8，边缘MTF值大于0.3，像质好；场曲及畸变图请参阅图3的(A)和(B)，可以看出场曲和畸变小，成像质量好。

本具体实施例中，该目镜光学系统的焦距f＝19.53mm；水平视场角FOV＝45.0°；出瞳距离为25.0mm；第一透镜1的目侧面11至显示画面6在光轴I上的距离TTL＝35.00mm。

实施例二

如图4所示，本实施例与实施例一的各个透镜的面型凹凸和屈光率相同，仅各透镜表面的曲率半径、透镜厚度等光学参数有所不同。

本具体实施例的详细光学数据如表2-1所示。

表2-1实施例二的详细光学数据

本具体实施例的各个非球面的参数详细数据请参考下表：

表面

K

A4

A6

A8

A10

A12

11

20.849

-1.25E-05

4.95E-08

-4.06E-11

-2.48E-13

0.00E+00

12

-0.741

2.24E-05

1.58E-07

-1.04E-10

-4.52E-13

0.00E+00

21

4.462

8.54E-06

1.06E-07

1.68E-10

-3.39E-13

1.68E-15

22

-2.201

-6.90E-06

-5.90E-08

1.64E-10

1.21E-12

-1.36E-15

本具体实施例的相关条件表达式的数值请参考表5。

本具体实施例的MTF传递函数曲线图详见图5可以看出分辨率高，30lp/mm空间频率的中心MTF值大于0.7，边缘MTF值大于0.3，像质好；场曲及畸变图请参阅图6的(A)和(B)，可以看出场曲和畸变小，成像质量好。

本具体实施例中，该目镜光学系统的焦距f＝19.68mm；水平视场角FOV＝44.8°；出瞳距离为25.0mm；第一透镜1的目侧面11至显示画面6在光轴I上的距离TTL＝34.96mm。

实施例三

如图7所示，本实施例与实施例一的各个透镜的面型凹凸和屈光率相同，仅各透镜表面的曲率半径、透镜厚度等光学参数有所不同。

本具体实施例的详细光学数据如表3-1所示。

表3-1实施例三的详细光学数据

本具体实施例的各个非球面的参数详细数据请参考下表：

表面

K

A4

A6

A8

A10

A12

11

15.922

-1.44E-05

4.64E-08

-6.75E-12

-1.40E-13

0.00E+00

12

-0.754

2.40E-05

1.63E-07

-1.35E-10

-6.19E-13

0.00E+00

21

4.106

5.67E-06

1.11E-07

1.59E-10

-3.78E-13

1.30E-15

22

-1.243

-1.02E-05

-5.25E-08

1.60E-10

1.22E-12

-8.05E-16

本具体实施例的相关条件表达式的数值请参考表5。

本具体实施例的MTF传递函数曲线图详见图8，可以看出分辨率高，30lp/mm空间频率的中心MTF值大于0.8，边缘MTF值大于0.25，像质好；场曲及畸变图请参阅图9的(A)和(B)，可以看出场曲和畸变小，成像质量好。

本具体实施例中，该目镜光学系统的焦距f＝19.62mm；水平视场角FOV＝44.7°；出瞳距离为25.0mm；第一透镜1的目侧面11至显示画面6在光轴I上的距离TTL＝35.02mm。

实施例四

如图10所示，本实施例与实施例一的各个透镜的面型凹凸和屈光率相同，仅各透镜表面的曲率半径、透镜厚度等光学参数有所不同。

本具体实施例的详细光学数据如表4-1所示。

表4-1实施例四的详细光学数据

本具体实施例的各个非球面的参数详细数据请参考下表：

表面

K

A4

A6

A8

A10

A12

11

15.720

-1.59E-05

3.62E-08

-3.40E-11

-6.06E-14

0.00E+00

12

-0.727

2.37E-05

1.63E-07

-1.62E-10

-6.35E-13

0.00E+00

21

4.230

6.41E-06

1.05E-07

1.59E-10

-3.31E-13

1.46E-15

22

-1.322

-1.02E-05

-5.76E-08

1.52E-10

1.23E-12

-6.33E-16

本具体实施例的相关条件表达式的数值请参考表5。

本具体实施例的MTF传递函数曲线图详见图11，可以看出分辨率高，30lp/mm空间频率的中心MTF值大于0.8，边缘MTF值大于0.25，像质好；场曲及畸变图请参阅图12的(A)和(B)，可以看出场曲和畸变小，成像质量好。

本具体实施例中，该目镜光学系统的焦距f＝19.70mm；水平视场角FOV＝44.7°；出瞳距离为25.0mm；第一透镜1的目侧面11至显示画面6在光轴I上的距离TTL＝35.02mm。

表5本发明四个实施例的相关重要参数的数值

	第一实施例	第二实施例	第三实施例	第四实施例
					nd4-nd3	0.07	0.07	0.07	0.07
vd3-vd4	21.30	22.20	22.80	22.80

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种目镜光学系统，用于将成像光线从一显示画面经该目镜光学系统进入一观察者眼睛成像，朝向该眼睛的方向为目侧，朝向该显示画面的方向为显示侧，其特征在于：该目镜光学系统从目侧至显示侧沿一光轴依次包括第一透镜至第四透镜；第一透镜至第四透镜各自包括一朝向目侧且使成像光线通过的目侧面以及一朝向显示侧且使成像光线通过的显示侧面；

第一透镜具正屈光率，第一透镜的目侧面为凸面，第一透镜的显示侧面为凸面；

第二透镜具正屈光率，第二透镜的目侧面为凹面，第二透镜的显示侧面为凸面；

第三透镜具正屈光率，第三透镜的目侧面为凸面，第三透镜的显示侧面为凸面；

第四透镜具负屈光率，第四透镜的目侧面为凹面，第四透镜的显示侧面为凹面；

第一透镜和第二透镜的目侧面和显示侧面均为非球面；第三透镜与第四透镜相互胶合，第三透镜与第四透镜均为玻璃透镜；

该目镜光学系统具有屈光率的透镜只有上述第一透镜至第四透镜，该目镜光学系统满足：nd4-nd3≤0.07，vd3-vd4≥20，其中，nd3为第三透镜的折射率，nd4为第四透镜的折射率，vd3为第三透镜的色散系数，vd4为第四透镜的色散系数。

2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于：第一透镜和第二透镜均采用塑料材料制成。

3.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，该目镜光学系统更满足：1.88≤nd3≤nd4≤2.00。

4.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，该目镜光学系统更满足：1.54≤nd1，其中，nd1为第一透镜的折射率。

5.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，该目镜光学系统更满足：1.64≤nd2，其中，nd2为第二透镜的折射率。

6.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，该目镜光学系统更满足：TTL≤35.1mm，其中，TTL为第一透镜的目侧面至显示画面在光轴上的距离。