一種光學鏡頭的制作方法
【專利摘要】一種光學鏡頭，用作虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備用的光學系統(tǒng)，從眼睛側(cè)到屏幕側(cè)依次包括具有正光焦度的第一鏡片L1、具有正光焦度的第二鏡片L2、具有正光焦度的第三鏡片L3、具有負光焦度的第四鏡片L4；所述第三鏡片L3與第四鏡片L4的光焦度組合是前正后負。第四鏡片L4采用雙反曲的結(jié)構。
【專利說明】
一種光學鏡頭
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備用光學系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備，也有VR頭顯、VR眼鏡、眼鏡VR等諸多稱呼，它是利用仿 真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網(wǎng)絡技術等多種技術集合 而成的產(chǎn)品，同樣是借助計算機及最新傳感器技術創(chuàng)造的一種嶄新的人機交互手段。
[0003] 虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器利用人的左右眼獲取信息差異，引導用戶產(chǎn)生一種身在虛擬 環(huán)境中的感覺。其顯示原理是左右眼屏幕分別顯示左右眼的圖像，人眼獲取這種帶有差異 的信息后在腦海中產(chǎn)生立體感。虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器作為虛擬現(xiàn)實的顯示設備，具有小巧 和封閉性強的特點，在軍事訓練，虛擬駕駛，虛擬城市等項目中具有廣泛的應用。
[0004] 虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備由外殼機構、光學系統(tǒng)、屏幕三個部分組成。而其中最關 鍵的是光學系統(tǒng)。目前市面上幾乎所有的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備用的光學系統(tǒng)，都采用 單片光學元件(如塑料非球面，或者單片玻璃球面，或者單片菲涅爾透鏡)作為光學系統(tǒng)。因 物理原理、光學設計、鏡片加工能力等多方面的限制，使其具有諸多缺點和不足，整體體驗 感覺不佳。
[0005] 1.重量大、體積大
[0006] 傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備，采用的均為單片光學元件作為其顯示的光學系 統(tǒng)。單片光學元件在大視場角度的情況下，偏折角度小，導致了最后一個透鏡到像面的距離 很大，因此光學系統(tǒng)的整體距離在l〇cm左右，加上外殼結(jié)構等其他部分造成了虛擬現(xiàn)實頭 戴顯示器設備的整體結(jié)構過大，從而使得整個顯示器設備體積和重量都很大。VR眼鏡裝置 厚度對于佩戴感受有很大的影響：在佩戴VR眼鏡時，由于VR眼鏡的厚度較厚，其重心離人眼 較遠。此時根據(jù)力矩公式可知其佩戴在頭部產(chǎn)生的力矩是很大的，因此會大大降低佩戴的 舒適度，用戶無法長期佩戴使用。
[0007] 2.成像質(zhì)量低
[0008] 影響虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備顯示質(zhì)量的關鍵因素是像差。像差是所有光學系統(tǒng) 都存在的一種現(xiàn)象，因為鏡片的面型和材料的原因，實際工作中光學系統(tǒng)所成的像與近軸 光學所獲得的結(jié)果不同，有一定的偏離，光學成像相對近軸成像的偏離稱像差。市面上幾乎 所有的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備用的光學系統(tǒng)，都采用單片光學元件作為光學系統(tǒng)，雖然 非球面的面型設計可以在一定程度上減少球差、場曲等常見單色像差，但它不能避免位置 色差。因此普通的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備畫質(zhì)都較差，影響用戶體驗。
[0009] 而且因為普通的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備成像質(zhì)量低，清晰度不夠高，因此無法 使用更高分辨率的屏幕。普通單片式只能對應1080P屏幕，因此在觀看的時候，低于眼睛的 分辨率，影響沉浸感。
[0010] 3.視場角小
[0011] 在顯示系統(tǒng)中，視場角就是顯示器邊緣與觀察點（眼睛)連線的夾角。視場角的大 小決定了光學系統(tǒng)可以顯示的視野范圍，視場角越大，視野就越大。在虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器 設備中，視場角、屏幕尺寸和沉浸感之間是相互關聯(lián)又相互制約的，三者是個動態(tài)平衡的三 角關系，一般來說屏幕越大對視場角的要求越高，其沉浸感越明顯。隨著大屏手機的普及， 對于虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備的視場角的要求也在逐漸提高，然而市面上的虛擬現(xiàn)實頭戴 顯示器設備實際視場角一般在90°左右，即使標明100°，也因其周邊視場成像質(zhì)量太差而無 法看清顯示內(nèi)容，而且更嚴重的是因為看周邊時模糊不清，用戶極易產(chǎn)生眩暈，導致虛擬現(xiàn) 實頭戴顯示器設備的體驗感大幅下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術的上述缺點，提供一種體態(tài)輕薄、成像質(zhì)量好、視場角大的 虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備用光學系統(tǒng)。
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0014] 一種光學鏡頭，從眼睛側(cè)到屏幕側(cè)依次包括具有正光焦度的第一鏡片L1、具有正 光焦度的第二鏡片L2、具有正光焦度的第三鏡片L3、具有負光焦度的第四鏡片L4。
[0015] 所述第一鏡片L1與第二鏡片L2都具有正光焦度，搭配合理的非球面系數(shù)，能有效 地減小光學系統(tǒng)的各種像差，特別是球差和位置色差。
[0016] 特別的，第一鏡片L1與第二鏡片L2滿足以下的條件式：
[0017] (l)Vdl>45
[0018] (2)Vd2>45
[0019 ] 其中Vd 1表示L1的阿貝數(shù)，Vd2表示L2的阿貝數(shù)。
[0020] 所述第三鏡片L3與第四鏡片L4的光焦度組合是前正后負，這樣的結(jié)構，能有效地 減小各類像差。另外，第三鏡片L3與第四鏡片L4都采用高折射率低阿貝數(shù)的材料，在消除軸 向色差的同時顯著減小了鏡片的外徑和肉厚，實現(xiàn)了小型化。
[0021] 特別的，第四鏡片L4滿足以下的條件式：
[0022] (3)Nd4>1.5
[0023] (6)Vd4<30
[0024] 其中Nd4表示L4的d線折射率，Vd4表示L4的阿貝數(shù)。
[0025] 基于此類光學系統(tǒng)的特殊設計要求，既要將光學系統(tǒng)的總長限制到最小，又要最 大限度的消除各種像差，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，需要將透鏡的面型盡可能多的設置為非球 面，增加優(yōu)化的自由度，然后進行像差的校正。非球面為旋轉(zhuǎn)對稱多項式形式，并用關于球 面的偏移量多項式來表不。
[0026] 所述四個鏡片的非球面面型滿足以下方程：
[0027] 偶次非球面：
[0029]其中，c為各點半徑所對應的曲率，r是以透鏡長度單位為單位的徑向坐標，k是圓 錐系數(shù)，也叫二次曲面常數(shù)(k = 0時即為球面），(^，(^，(^…為非球面高次項系數(shù)^^處， α3…都為0時方程即為二次曲面。對于偶次非球面來說，此方程在歐美國家成為標準的加工 方程，國內(nèi)大多數(shù)光學廠商和研究所也都以此方程為加工標準方程。因此，本發(fā)明的光學系 統(tǒng)也采用了偶次非球面，實現(xiàn)了較好的可加工性和量產(chǎn)性。
[0030] 本發(fā)明的第四個鏡片采用雙反曲的結(jié)構，這樣的結(jié)構特征是:從第四鏡片L4中心 經(jīng)過一條直線L和光軸重合，L和兩個非球面表面交點距離為d，隨著該直線從光軸沿徑向向 外側(cè)移動(L始終平行于光軸），d先變大后變小。這樣的設計能有效提升整個光學系統(tǒng)的成 像質(zhì)量，是單片非球面結(jié)構性能的兩倍。做到了畫面周邊能擁有和中心媲美的清晰度和畫 質(zhì)。通過像差優(yōu)化，本發(fā)明的顯示設備是國內(nèi)首款可以達到1.6K屏的分辨率需求的顯示設 備，像素達到了 500萬像素，是傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備的兩倍。
[0031] 本發(fā)明的特殊的面型設計，顯著減小了鏡片的外徑和肉厚，結(jié)合特別的光線路徑 設計，使得光學系統(tǒng)的總長縮短為同類產(chǎn)品的1/3,控制在3cm左右(如附圖1所示），實現(xiàn)了 顯示設備的輕薄化、小型化。而傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備，采用的均為單片光學元件 作為其顯示的光學系統(tǒng)。單片光學元件在大視場角度的情況下，偏折角度小，導致了最后一 個透鏡到像面的距離很大，因此光學系統(tǒng)的整體距離在l〇cm左右(如附圖2所示)使得整個 顯示設備體積大、質(zhì)量大。
[0032]本發(fā)明的視場角可達110°。更大的視場角可以顯著沉浸感和3D立體感，使用戶在 查看周圍場景的時候具有更好地代入感。特別地，本發(fā)明做到了即使在最大視場的周邊，亦 保證了跟中心一樣的清晰度和成像質(zhì)量，避免了用戶在看周邊時模糊不清以及產(chǎn)生的眩 暈，極大地提升了用戶體驗。
[0033]本發(fā)明的優(yōu)點是:體態(tài)輕薄、成像質(zhì)量好、視場角大。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明的光學結(jié)構示意圖
[0035] 圖2是市面上其他虛擬現(xiàn)實設備光學系統(tǒng)結(jié)構示意圖
[0036] 圖3是實施例1中光學系統(tǒng)軸向色差示意圖以及像面彎曲圖。
[0037]圖4是實施例1中光學系統(tǒng)MTF示意圖。
[0038]圖5是實施例2中光學系統(tǒng)軸向色差示意圖以及像面彎曲圖。
[0039]圖6是實施例2中光學系統(tǒng)MTF示意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明：
[0041 ] 實施例1 [0042] 參照附圖1、3、4:
[0043]本發(fā)明采用的技術方案為：
[0044] 一種虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備用的光學系統(tǒng)，從眼睛側(cè)到屏幕側(cè)依次包括具有正 光焦度的第一鏡片L1、具有正光焦度的第二鏡片L2、具有正光焦度的第三鏡片L3、具有負光 焦度的第四鏡片L4。
[0045]所述第一鏡片L1與第二鏡片L2都具有正光焦度，搭配合理的低色散材料鏡片，能 有效地減小光學系統(tǒng)的各種像差，特別是位置色差。
[0046]所述第三鏡片L3與第四鏡片L4的光焦度組合是前正后負，這樣的結(jié)構，能有效地 減小各類像差，包括球差和色差。另外，第三鏡片L3與第四鏡片L4都采用高折射率低色散的 材料，顯著減小了鏡片的外徑和肉厚，實現(xiàn)了小型化。
[0047]所述第四個鏡片采用雙反曲的結(jié)構設計，這樣的設計能有效提升整個光學系統(tǒng)的 成像質(zhì)量，是單片非球面結(jié)構性能的兩倍。做到了畫面周邊能擁有和中心媲美的清晰度和 畫質(zhì)。通過像差優(yōu)化，本發(fā)明的顯示設備可以達到1.6K屏的分辨率需求，像素達到了 500萬 像素，是傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備的兩倍。
[0048]特殊的面型設計，顯著減小了鏡片的外徑和肉厚，結(jié)合特別的光線路徑設計，使得 光學系統(tǒng)的總長縮短為同類產(chǎn)品的1/3,控制在3cm左右(如附圖1所示），實現(xiàn)了顯示設備的 輕薄化、小型化。而傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器設備，采用的均為單片光學元件(如塑料非 球面，或者單片玻璃球面，或者單片菲涅爾透鏡)作為其顯示的光學系統(tǒng)。單片光學元件在 大視場角度的情況下，偏折角度小，導致了最后一個透鏡到像面的距離很大，因此光學系統(tǒng) 的整體距離在l〇cm以上使得整個顯示設備體積大、質(zhì)量大。
[0049]所述光學系統(tǒng)的視場角可達110°，更大的視場角可以顯著沉浸感和3D立體感，使 用戶在查看周圍場景的時候具有更好地代入感。特別地，本發(fā)明做到了即使在最大視場的 周邊，亦保證了跟中心一樣的清晰度和成像質(zhì)量，避免了用戶在看周邊時模糊不清以及產(chǎn) 生的眩暈，極大地提升了用戶體驗。
[0050] 實施例1滿足以下條件：
[0051] EFL=15.0
[0052] FN0 = 3.0
[0053] 表1顯示了實施例1鏡頭的結(jié)構參數(shù);表2顯示了實施例1的鏡頭非球面系數(shù)。
[0054]表1實施例1鏡頭結(jié)構參數(shù)
[0056]表2實施例1鏡頭非球面系數(shù)

[0058] 實施例2
[0059] 參照附圖1、5、6:
[0060] 實施例2滿足以下條件：
[0061] EFL = 20.0
[0062] FN0 = 4.0
[0063] 表3顯示了實施例2鏡頭的結(jié)構參數(shù);表4顯示了實施例2的鏡頭非球面系數(shù)。 [0064]表3實施例2鏡頭結(jié)構參數(shù)
[0066]表4實施例2鏡頭非球面系數(shù)
[0068]實施例2的其余部分與實施例1相同。
【主權項】
1. 一種光學鏡頭，其特征在于:從眼睛側(cè)到屏幕側(cè)依次包括具有正光焦度的第一鏡片 L1、具有正光焦度的第二鏡片L2、具有正光焦度的第Ξ鏡片L3、具有負光焦度的第四鏡片 L4; 所述第一鏡片L1與第二鏡片L2都具有正光焦度，第一鏡片L1與第二鏡片L2滿足W下的 條件式： (la) Vdl>45 (2a)Vd2>45 其中Vdl表示LI的阿貝數(shù)，Vd2表示L2的阿貝數(shù)； 所述第Ξ鏡片L3具有正光焦度，所述第四鏡片L4具有負光焦度，第四鏡片L4滿足W下 的條件式： (lb) Nd4>1.5 (化)Vd4<30 其中Nd4表示L4的d線折射率，Vd4表示L4的阿貝數(shù)； 第一鏡片L1與第二鏡片L2、第Ξ鏡片L3與第四鏡片L4的非球面面型滿足W下方程：其中，C為各點半徑所對應的曲率，r是W透鏡長度單位為單位的徑向坐標，k是圓錐系 數(shù)，也叫二次曲面常數(shù)，曰1，曰2，曰3。'.為非球面高次項系數(shù)，當曰1，曰2，曰3。'都為0時方程即為二 次曲面。2. 如權利要求1所述的光學鏡頭，其特征在于：第四鏡片L4采用雙反曲的結(jié)構，從第四 鏡片L4中屯、經(jīng)過一條直線1和光軸重合，1和兩個非球面表面交點距離為d，隨著該直線從光 軸沿徑向向外側(cè)移動，1始終平行于光軸，d先變大后變小。
【文檔編號】G02B13/18GK106094169SQ201610646709
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月5日 公開號201610646709.8, CN 106094169 A, CN 106094169A, CN 201610646709, CN-A-106094169, CN106094169 A, CN106094169A, CN201610646709, CN201610646709.8
【發(fā)明人】諸益煒, 徐雄飛, 尚潔陽, 盛亞茗, 張平華
【申請人】嘉興中潤光學科技有限公司