[发明专利]大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置

说明书

本发明涉及大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置，其中大视场角高像质的目镜光学系统包括从人眼到像源沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组和第二透镜组，且满足一定的焦距关系。由靠近人眼的第一透镜和远离人眼的第二透镜构成,由一片或两片透镜构成。第一透镜为双凸形状，第二透靠近人眼的光学表面凹向人眼方向，且为非球面面型。第一透镜和第二透镜之间的间隔、第二透镜组内镜片的焦距关系、各镜片的材料特性满足一定关系，第二透镜组还包含分开设置的第四透镜和第五透镜。本发明的目镜光学系统具有大孔径、大视场、高分辨率、低畸变、小尺寸等优点，适用于头戴显示器及类似装置。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种适用于头戴显示器或类似装置的大视场角高像质的目镜光学系统及头戴显示装置。

背景技术

随着电子器件不断向超微型化发展，以及新的计算机、微电子、光电器件和通信理论和技术的发展，可穿戴计算这种基于“以人为本”“人机合一”的新型模式已经成为可能。在军事、工业、医疗、教育、消费等领域不断涌现应用。在一个典型的可穿戴计算系统架构中，头戴式显示装置是关键的组成部分。头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息。目镜光学系统是头戴显示装置的核心，实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。

头戴显示装置向着体积紧凑，重量轻，便于头戴，减轻负载等方向发展。同时，大视场角和视觉舒适体验也逐渐成为衡量头戴显示装置优劣的关键因素，大视场角决定了高临场感的视觉体验效果，高像质、低畸变决定了视觉体验的舒适度。满足这些要求，需要目镜光学系统尽可能地实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标，同时满足上述光学性能对系统的设计和像差优化是很大挑战。

分别具有正焦距、负焦距和正焦距的三片共轴透镜组合(简称“正负正”)构成常见的目镜光学系统，很多文献基于该结构提出各自的设计。专利文献1(中国专利公开号CN101887166B)、专利文献2(中国专利公开号CN103217782A)、专利文献3(中国专利公开号CN104730706A)、专利文献4(中国专利公开号CN103988111A)、专利文献5(中国专利公开号CN104685402A)、专利文献6(中国专利公开号CN104603669A)、专利文献7(美国专利公开号US7978417B2)、专利文献8(美国专利公开号US8345139B2)分别提供采用共轴正负正三片透镜形态构成的目镜光学系统，实现了低畸变(<3％)、高像质的效果。但上述目镜系统的有效视场角较小，分别从16°～37°，没有实现大视场角效果。

专利文献9(美国专利公开号US5815317A)提供了一种用于头戴显示的目镜系统，由单片正透镜、双胶合负透镜、单片正透镜构成，整体上可看作正负正的光学结构，该目镜系统能够实现大视场角的效果(>50°)，但其场曲和像散等像差残留较大，边缘视场像质难以实现高分辨率的光学效果，不利于长时间舒适的视觉体验。

正正负作为另一种共轴三片透镜的光学结构，可实现较大的视场角，应用于目镜光学系统。专利文献10(中国专利公开号CN104635333A)提采用了正正负结构供了一种目镜光学系统，可实现大视场角(>50°)的光学效果，但该目镜系统的轴外慧差较大，同时残留较大色差，降低了轴外视场的光学分辨能力，不利于舒适的视觉体验。