一種目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備。該目鏡系統(tǒng)包括沿著光線入射的方向依次設(shè)置的：球面顯示屏和菲涅爾透鏡；球面顯示屏的中心線與菲涅爾透鏡的光軸所在的水平線相互重合，球面顯示屏凸向所述菲涅爾透鏡；菲涅爾透鏡具有凸向光路光闌的第一表面和凸向球面顯示屏的第二表面。本發(fā)明的技術(shù)方案采用菲涅爾透鏡和球面顯示屏相結(jié)合的技術(shù)手段，通過合理設(shè)置菲涅爾透鏡的面型，來分擔(dān)目鏡系統(tǒng)的光焦度，減少系統(tǒng)的象散；以及，通過合理設(shè)置球面顯示屏，減少系統(tǒng)的場曲，達到改善邊緣成像畫質(zhì)的目的。
【專利說明】
-種目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)的光學(xué)系統(tǒng)大部分為單鏡片組成，存在無 法校正邊緣產(chǎn)生的色差、象散和場曲的問題，尤其在VR光學(xué)系統(tǒng)視場角越大時，由此導(dǎo)致的 邊緣成像越不清晰。由于色差可W用軟件來補償，因而象散和場曲是造成邊緣成像質(zhì)量下 降的主要原因。
[0003] 基于上述描述，亟需一種新型的目鏡系統(tǒng)。W滿足VR光學(xué)系統(tǒng)大視場角下的邊緣 成像

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備，W解決單鏡片構(gòu)成 的光學(xué)系統(tǒng)邊緣成像不清晰的問題。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是運樣實現(xiàn)的：
[0006] -方面，本發(fā)明實施例提供了一種目鏡系統(tǒng)，該目鏡系統(tǒng)包括沿著光線入射的方 向依次設(shè)置的:球面顯示屏和菲涅爾透鏡；
[0007] 球面顯示屏的中屯、線與菲涅爾透鏡的光軸所在的水平線相互重合，球面顯示屏凸 向所述菲涅爾透鏡；
[000引菲涅爾透鏡具有凸向光路光闊的第一表面和凸向球面顯示屏的第二表面。
[0009] 優(yōu)選地，菲涅爾透鏡的第一表面為非球面，菲涅爾透鏡的第二表面為曲面基底的 菲涅爾面。
[0010] 優(yōu)選地，第一表面的非球面系數(shù)滿足下述公式：
[0011]
[0012] 其中，Zl是沿目鏡系統(tǒng)的光軸方向的坐標(biāo)，Yl為菲涅爾透鏡長度單位為單位的徑 向坐標(biāo)，Cl為菲涅爾透鏡第一表面的曲率，Qi是各高次項的系數(shù)，N=4。
[0013] 優(yōu)選地，第二表面的菲涅爾面系數(shù)滿足下述公式：
[0014]
[0015] 其中，z2是沿目鏡系統(tǒng)的光軸方向的坐標(biāo)，Y2為菲涅爾透鏡長度單位為單位的徑 向坐標(biāo)，C2為菲涅爾透鏡第二表面的曲率，k為菲涅爾透鏡第二表面的圓錐系數(shù)。
[0016] 優(yōu)選地，第一表面的半口徑為26mm，第一表面的半徑為383.75mm，第一表面的4次 項系數(shù)為3.13681E-6,第一表面的6次項系數(shù)為-2.398043E-9,第一表面的8次項系數(shù)為 1.00577E-12。
[0017] 優(yōu)選地，第二表面的半口徑為26mm，第二表面的曲面基底的半徑為-163.7335mm， 第二表面的圓錐系數(shù)為11.0057。
[001引優(yōu)選地，目鏡系統(tǒng)的焦距為38mm、軸向長度為44mm、像圓直徑為72mm。
[0019] 優(yōu)選地，菲涅爾透鏡為C0C-K26R型號的塑料材質(zhì)。
[0020] 優(yōu)選地，球面顯示屏為3.8英寸。
[0021] 另一方面，本發(fā)明實施例還提供了一種頭戴顯示設(shè)備，包括對稱的左眼目鏡系統(tǒng) 和右眼目鏡系統(tǒng)，所述左眼目鏡系統(tǒng)和右眼目鏡系統(tǒng)采用上述技術(shù)方案提供的目鏡系統(tǒng)。
[0022] 本發(fā)明實施例的有益效果是:本發(fā)明的目鏡系統(tǒng)采用菲涅爾透鏡和球面顯示屏相 結(jié)合的技術(shù)手段，通過合理設(shè)置菲涅爾透鏡的面型，分擔(dān)目鏡系統(tǒng)的光焦度，減少系統(tǒng)的象 散；W及，通過合理設(shè)置球面顯示屏，減少系統(tǒng)的場曲，達到改善邊緣成像畫質(zhì)的目的。
【附圖說明】
[0023] 圖1為目鏡系統(tǒng)的成像示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明提供的目鏡系統(tǒng)的光路示意圖；
[0025] 圖3為采用平面顯示屏的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖；
[0026] 圖4本發(fā)明提供的采用球面顯示屏的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖；
[0027] 圖5為采用平面基底的菲涅爾透鏡的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明提供的采用曲面基底的菲涅爾透鏡的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖；
[0029] 圖7為現(xiàn)有技術(shù)中的目鏡系統(tǒng)的點列圖；
[0030] 圖8為本發(fā)明提供的目鏡系統(tǒng)的點列圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方 式作進一步地詳細(xì)描述。
[003^ 實施例一：
[0033] 圖1為目鏡系統(tǒng)的成像示意圖，顯示屏發(fā)出的光經(jīng)過透鏡成像后在人眼前2m處形 成一個巨大的虛像，再由人眼接收，從而給人W震撼的感覺。本發(fā)明中透鏡的作用與放大鏡 相似，放大顯示屏上的信息，然后在遠(yuǎn)處成虛像。
[0034] 設(shè)計該目鏡系統(tǒng)時，采用反向追跡，使目鏡系統(tǒng)的像面為顯示屏，物面為目鏡系統(tǒng) 產(chǎn)生的虛像，人眼瞳孔位于光路光闊處，透鏡位于光路光闊和顯示屏中間。
[0035] 由于單鏡片組成的光學(xué)系統(tǒng)的色差可W用軟件來補償，而象散和場曲是造成邊緣 成像質(zhì)量下降的主要原因，因此，本發(fā)明將曲面基底的菲涅爾透鏡和球面顯示屏相結(jié)合來 改善邊緣畫質(zhì)，使邊緣成像質(zhì)量和中屯、成像質(zhì)量幾乎相同。
[0036] 基于上述設(shè)計思想，本實施例提供了一種目鏡系統(tǒng)，如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供 的目鏡系統(tǒng)的光路示意圖，該目鏡系統(tǒng)包括沿著光線入射的方向依次設(shè)置的：球面顯示屏 101和菲涅爾透鏡102;
[0037] 球面顯示屏101的中屯、線與菲涅爾透鏡102的光軸所在的水平線相互重合，球面顯 示屏101凸向菲涅爾透鏡102;
[0038] 菲涅爾透鏡102具有凸向光路光闊103的第一表面Sl和凸向球面顯示屏101的第二 表面S2。
[0039] 本實施例通過設(shè)置菲涅爾透鏡的面型，合理分擔(dān)目鏡系統(tǒng)的光焦度W減少系統(tǒng)的 象散；W及，通過合理設(shè)置球面顯示屏減少系統(tǒng)的場曲，從而改善邊緣畫質(zhì)。
[0040] 為了進一步減少目鏡系統(tǒng)的象散，設(shè)置菲涅爾透鏡102的第一表面Sl為非球面，菲 涅爾透鏡102的第二表面S2為曲面基底的菲涅爾面。
[0041] 本實施例優(yōu)選地，菲涅爾透鏡為C0C-K26R型號的塑料材質(zhì)。本優(yōu)選方案通過設(shè)置 菲涅爾透鏡為塑料材質(zhì)，保證目鏡系統(tǒng)的輕量化。
[0042] 其中，COC是新型的具有環(huán)狀締控結(jié)構(gòu)的非晶性透明共聚分子材料，其具有作為光 學(xué)部件非常重要的低雙折射率、低吸水性和高剛性等優(yōu)良性能。
[0043] 在本實施例的一個具體實現(xiàn)方案中，菲涅爾透鏡102第一表面Sl的非球面系數(shù)滿 足下述公式：
[0044]
[0045] 其中，Zl是沿目鏡系統(tǒng)的光軸方向的坐標(biāo)，Yl為菲涅爾透鏡長度單位為單位的徑 向坐標(biāo)，Cl為菲涅爾透鏡第一表面的曲率，Qi是各高次項的系數(shù)，N=4。
[0046] 菲涅爾透鏡102第二表面S2的菲涅爾面系數(shù)滿足下述公式：
[0047]
[0048] 其中，z2是沿目鏡系統(tǒng)的光軸方向的坐標(biāo)，Y2為菲涅爾透鏡長度單位為單位的徑 向坐標(biāo)，C2為菲涅爾透鏡第二表面的曲率，k為菲涅爾透鏡第二表面的圓錐系數(shù)。
[0049]在本具體實現(xiàn)方案中，第一表面Sl的半口徑為26mm，第一表面Sl的半徑為 383.75mm，第一表面Sl的4次項系數(shù)為3.1368化-6，第一表面Sl的6次項系數(shù)為-2.398043E- 9,第一表面Sl的8次項系數(shù)為1.00577E-12。
[(K)加]第二表面S2的半口徑為26mm，第二表面S2的曲面基底的半徑為-163.7335mm，第二 表面S2的圓錐系數(shù)為11.0057。
[0051] 本具體實現(xiàn)方案中的目鏡系統(tǒng)的焦距為38mm、軸向長度為44mm、像圓直徑為72mm。
[0052] 在上述技術(shù)方案中，本具體實現(xiàn)方案中的目鏡系統(tǒng)能夠達到110°的最大視場角， 人眼有效活動區(qū)域EYEBox的直徑為8mm的技術(shù)指標(biāo)，并且該目鏡系統(tǒng)的球面顯示屏為3.8英 寸。
[0053] 如圖3和圖4所示，圖3為采用平面顯示屏的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖，圖4為本 發(fā)明提供的采用球面顯示屏的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖，場曲曲線示意圖中t線為子午 場曲，S線為弧矢場曲，子午場曲和弧矢場曲的差為系統(tǒng)的象散，場曲和象散影響著光學(xué)系 統(tǒng)軸外視場光線的像差，差值過大會嚴(yán)重的影響到系統(tǒng)軸外光線的成像質(zhì)量。圖3和圖4為 相同視場角條件下的場曲曲線示意圖，對比圖3和圖4,可W直觀的看出平面顯示屏的場曲 更大，邊緣位置的場曲已經(jīng)達到5mm，嚴(yán)重影響成像清晰度，而本發(fā)明具有球面顯示屏的目 鏡系統(tǒng)的場曲要小很多。
[0054] 如圖5和圖6所示，圖5為采用平面基底的菲涅爾透鏡的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意 圖，圖6為本發(fā)明提供的采用曲面基底的菲涅爾透鏡的目鏡系統(tǒng)的場曲曲線示意圖，圖5和 圖6為相同視場角條件下的場曲曲線示意圖，對比圖5和圖6,可W直觀的看出平面基底的菲 涅爾透鏡的場曲和象散更大，邊緣位置的場曲已經(jīng)達到3mm，嚴(yán)重影響成像清晰度，而本發(fā) 明具有曲面基底的菲涅爾透鏡的目鏡系統(tǒng)的場曲和象散要小很多。
[0055] 如圖7和圖8所示，圖7為現(xiàn)有技術(shù)中的目鏡系統(tǒng)的點列圖，圖8為本發(fā)明提供的目 鏡系統(tǒng)的點列圖，對比圖7和圖8,可W直觀的看出現(xiàn)有技術(shù)中的目鏡系統(tǒng)的彌散斑直徑較 大，本發(fā)明的目鏡系統(tǒng)的彌散斑直徑相對較??；由于彌散斑越小證明系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好， 可見，本發(fā)明的目鏡系統(tǒng)在邊緣處所成像的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)中的目鏡系統(tǒng)。
[0056] 其中，上述現(xiàn)有技術(shù)中的目鏡系統(tǒng)為由普通球面透鏡和平面顯示屏構(gòu)成的光學(xué)系 統(tǒng)。
[0057] 實施例二：
[005引基于與實施例一相同的發(fā)明構(gòu)思，本實施例提供了一種頭戴顯示設(shè)備，該頭戴顯 示設(shè)備，包括對稱的左眼目鏡系統(tǒng)和右眼目鏡系統(tǒng)，左眼目鏡系統(tǒng)和右眼目鏡系統(tǒng)采用實 施例一中的目鏡系統(tǒng)。
[0059] 綜上所述，本發(fā)明的目鏡系統(tǒng)采用菲涅爾透鏡和球面顯示屏相結(jié)合的技術(shù)手段， 通過合理設(shè)置菲涅爾透鏡的面型，分擔(dān)目鏡系統(tǒng)的光焦度，減少系統(tǒng)的象散；W及，通過合 理設(shè)置球面顯示屏，減少系統(tǒng)的場曲，達到改善邊緣成像畫質(zhì)的目的。
[0060] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍 內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種目鏡系統(tǒng)，其特征在于，該目鏡系統(tǒng)包括沿著光線入射的方向依次設(shè)置的:球面 顯示屏和菲涅爾透鏡； 所述球面顯示屏的中心線與所述菲涅爾透鏡的光軸所在的水平線相互重合，所述球面 顯示屏凸向所述菲涅爾透鏡； 所述菲涅爾透鏡具有凸向光路光闌的第一表面和凸向球面顯示屏的第二表面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的目鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述菲涅爾透鏡的第一表面為非球 面，所述菲涅爾透鏡的第二表面為曲面基底的菲涅爾面。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的頭戴目鏡的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一表面的非球面系 數(shù)滿足下述公式：其中，zl是沿所述目鏡系統(tǒng)的光軸方向的坐標(biāo)，Yl為菲涅爾透鏡長度單位為單位的徑 向坐標(biāo)，Cl為菲涅爾透鏡第一表面的曲率，Cti是各高次項的系數(shù)，N=4。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的目鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述第二表面的菲涅爾面系數(shù)滿足下 述公式：其中，z2是沿所述目鏡系統(tǒng)的光軸方向的坐標(biāo)，Y2為菲涅爾透鏡長度單位為單位的徑 向坐標(biāo)，C2為菲涅爾透鏡第二表面的曲率，k為菲涅爾透鏡第二表面的圓錐系數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的目鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述第一表面的半口徑為26mm，所述 第一表面的半徑為383.75mm，所述第一表面的4次項系數(shù)為3.13681E-6,所述第一表面的6 次項系數(shù)為-2.398043E-9，所述第一表面的8次項系數(shù)為1.00577E-12。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的目鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述第二表面的半口徑為26mm，所述 第二表面的曲面基底的半徑為-163.7335mm，所述第二表面的圓錐系數(shù)為11.0057。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的目鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述目鏡系統(tǒng)的焦距為38mm、軸向長 度為44mm、像圓直徑為72mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的目鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述菲涅爾透鏡為COC-K26R型號的塑料材質(zhì)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的目鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述球面顯示屏為3.8英寸。10. -種頭戴顯示設(shè)備，其特征在于，包括對稱的左眼目鏡系統(tǒng)和右眼目鏡系統(tǒng)，所述 左眼目鏡系統(tǒng)和右眼目鏡系統(tǒng)采用如權(quán)利要求1至9任一項所述的目鏡系統(tǒng)。
【文檔編號】G02B25/00GK106019567SQ201610509759
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】王元鵬
【申請人】北京小鳥看看科技有限公司