[发明专利]一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置

说明书

本发明涉及一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置，该系统包括从人眼观察侧到微型图像显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，且第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的有效焦距为正、负、正组合；第一透镜组包括靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜；第一透镜组包括至少两个菲涅耳光学面；第一透镜包括至少一个菲涅耳光学面；第二透镜组包括与第一透镜组相邻的第三透镜；第三透镜为负透镜；第三透镜组包括与第二透镜组相邻的第四透镜；第四透镜为正透镜；该系统在实现其所具有的大视场角、高像质、低畸变、小场曲、小体积等指标优势的同时，也极大的减小光学系统的重量，系统像差得到大幅消除。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种大视场角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。

专利文献1(中国专利公开号CN109416469A)、专利文献2(中国专利公开号CN105759424B)、专利文献3(中国专利公开号CN107015361B)、专利文献4(中国专利公开号CN111381371A)分别采用的菲涅尔结构在光学系统中虽然都可以实现很好的聚焦效果，但是专利文献1和专利文献3完全依赖菲涅尔透镜，专利文献2和专利文献4则是菲涅尔透镜与单片、双片正透镜组合，其不可避免的在光学系统的像差上难以有所建树，存在很大的畸变及球差。

专利文献5(中国专利公开号CN105278109A)提供的是采用了正、负、正透镜组组合的光学系统，提供的是采用了正、负、正透镜组组合的光学系统，但专利文献5采用的是传统的球面、偶次非球面的光学系统，虽然其在像差的校正上具有很大的优势，但在相同的光学系统参数下就显得极其笨重。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种大视场角的目镜光学系统及头戴显示装置，实现大视场角、高图像分辨力、低畸变、小场曲、小体积等指标。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种大视场角的目镜光学系统，其特征在于：包括从人眼观察侧到微型图像显示器侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，且所述第一透镜组、所述第二透镜组以及所述第三透镜组的有效焦距为正、负、正组合；所述第一透镜组由两片光学透镜构成，分别是靠近人眼侧的第一透镜和远离人眼侧的第二透镜；所述第一透镜组包括至少两个菲涅耳光学面；所述第一透镜包括至少一个所述菲涅耳光学面；

所述光学系统的有效焦距设为F，第一透镜组的有效焦距设为f₁，则F与f₁满足下列关系式(1)：

0.50≤f₁/F≤1.33 (1)；

所述第二透镜组由一片光学透镜构成；其中所述第二透镜组包括与所述第一透镜组相邻的第三透镜；所述第三透镜为负透镜；