本發明涉及光學設計的技術領域，具體地涉及一種頭戴顯示設備的目鏡光學系統。

背景技術：

近年來，隨著VR、AR頭戴顯示設備重新回歸資本和消費市場，與其相關的硬件、軟件開發技術也日趨成熟。光學目鏡系統作為硬件端最能直觀反映設備性能的結構，其技術的先進性直接決定了消費者的體驗感受。目前，國際上Oculus、HTC、三星連續推出了多款VR大視場角眼鏡，國內的3Glass、暴風、樂相、蟻視緊隨其后。但上述提到的所有VR眼鏡基本采用了相同的光學目鏡方案，即單片非球面或者單片菲涅爾透鏡。無論是單片非球面或者更先進的單片菲涅爾透鏡都會存在邊緣視場模糊、色散/畸變嚴重、影像過于貼近人眼的問題。雖然VR設備商普遍通過優化硬件底層并結合各種算法對上述問題進行了矯正，但矯正方案不僅增加了硬件底層的設計復雜程度，而且對光學效果的改善有限。

Oculus在今年推出的CV1版眼鏡里對光學目鏡做出了優化，采用非球面和菲涅爾平面耦合的目鏡，很大程度上解決了色散、畸變嚴重的問題，但其邊緣視場模糊、影像過于貼近人眼的問題依舊沒有完美解決。另外，暴風推出了一款主打觀影體驗的眼鏡，但其視場角較小，分辨率較低，目鏡系統光線追跡路程過長，這些都不能促使其實現高清極致的觀影效果。

而且隨著4K分辨率高清顯示屏的推出，對頭戴顯示設備的目鏡系統提出了更高的光學分辨率要求。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種頭戴顯示設備的目鏡光學系統，該目鏡系統適用于屏幕尺寸為4.5英寸到5.5英寸，分辨率為2K或4K的顯示屏，其具有很高的圖像解析能力，不僅能夠充分發揮4K顯示屏的高分辨率和DPI優勢，而且視場角高達64°，全畫幅清晰且接近無畸變，光線追跡路程小于75mm，極大的減小了整個眼鏡的體積和重量。

本發明的技術解決方案是：這種頭戴顯示設備的目鏡光學系統，其包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負透鏡、鏡筒、顯示屏；正透鏡的材料為光學級PMMA，負透鏡的材料為光學級PC，正負透鏡分離放置，且負透鏡靠近顯示屏端。

由于該頭戴顯示設備的目鏡光學系統包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負透鏡；正透鏡的材料為PMMA，負透鏡的材料為PC，正負透鏡分離放置、且負透鏡靠近顯示屏端；正透鏡的作用在于會聚成像光束，實現大視場角；負透鏡用于縮短光線追跡路程、補償色散、校正場曲和畸變；非球面用于校正大孔徑和大視場角帶來的各種像差，實現極高的光學分辨率；因此不僅能夠充分發揮4K顯示屏的高分辨率和DPI優勢，而且視場角高達64°，全畫幅清晰且接近無畸變，光線追跡路程小于75mm，極大的減小了整個眼鏡的體積和重量。

附圖說明

圖1是根據本發明的頭戴顯示設備的目鏡光學系統(單目)的結構示意圖。

圖2是根據本發明的頭戴顯示設備的目鏡光學系統(單目)的光線追跡示意圖；

圖3是根據本發明的頭戴顯示設備的目鏡光學系統的場曲/畸變示意圖。

圖4是根據本發明的頭戴顯示設備的目鏡光學系統的像差曲線示意圖。

圖5是根據本發明的頭戴顯示設備的目鏡光學系統的色散曲線示意圖。

圖6是根據本發明的頭戴顯示設備的目鏡光學系統的點列圖。

具體實施方式

如圖1所示，這種頭戴顯示設備的目鏡光學系統，從左至右包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負透鏡、鏡筒、顯示屏；正透鏡的材料為光學級PMMA，負透鏡的材料為光學級PC，正負透鏡分離放置。

由于該頭戴顯示設備的目鏡光學系統包括：一片雙凸非球面正透鏡、一片雙凹非球面負透鏡、鏡筒、顯示屏；正透鏡的材料為光學級PMMA，負透鏡的材料為光學級PC，正負透鏡分離放置，且負透鏡靠近顯示屏端；正透鏡的作用在于會聚成像光束，實現大視場角；負透鏡用于縮短光線追跡路程、補償色散、校正場曲和畸變；非球面用于校正大孔徑和大視場角帶來的各種像差，實現極高的光學分辨率；因此不僅能夠充分發揮4K顯示屏的高分辨率和DPI優勢，而且視場角高達64°，全畫幅清晰且接近無畸變，光線追跡路程小于75mm，極大的減小了整個眼鏡的體積和重量。

優選地，如表1所示，該頭戴顯示設備的目鏡光學系統參數，焦距為60mm，視場角為64°，出瞳直徑為8mm，出瞳距離為20mm。

表1

優選地，如表2所示，該頭戴顯示設備目鏡系統的結構參數，所述正透鏡的第一面曲率為0.016211mm^-1，Conic為0.0285，與所述正透鏡的第二面的間隔為12.3238mm；所述正透鏡的第二面曲率為-0.043304mm^-1，Conic為-1.8613，與所述負透鏡的第一面的間隔為20.0237mm；所述負透鏡的第一面曲率為-0.039718mm^-1，Conic為-0.4368，與所述負透鏡的第二面的間隔為2.5mm；所述負透鏡的第二面曲率為0.012824mm^-1，Conic為-0.4775，與所述顯示屏的間隔為20.246mm。

表2

注：表2里未給出正透鏡和負透鏡的非球面系數；

優選地，該頭戴顯示設備的目鏡光學系統采用4K 5.5”TFT LCD屏。

以下更加詳細地說明本發明。

本發明涉及的目鏡鏡頭光學參數如表1所示：

正透鏡承擔主要屈光度，計算公式如下(空氣中)：

其中，為透鏡屈光度，n透鏡材料折射率，ρ₁，ρ₂分別為透鏡前后表面的曲率，d為透鏡中心厚度；

負透鏡的屈光度計算公式和正透鏡相同；

分離式兩片透鏡的總屈光度為：

其中，為兩片透鏡的總屈光度，分別為第一片透鏡、第二片透鏡的屈光度，d為透鏡之間的間隔；

目鏡系統的焦距為：

其中，f為目鏡系統的焦距，為目鏡系統的總屈光度；

目鏡系統的視場角為：

其中，2θ為目鏡系統的視場角，y為目鏡系統的像面高度，f為目鏡系統的焦距；

當確定顯示屏尺寸后，像面高度y隨即確定，通過上述公式計算目鏡系統的焦距和總屈光度；

對于分離雙薄透鏡，消色差條件為：

其中，h₁，h₂為光線入射到鏡片表面的高度；v₁，v₂分別為正透鏡和負透鏡的阿貝數，分別為正透鏡和負透鏡的屈光度；

對于目鏡系統，h₁是確定的，h₂由下式確定：

目鏡系統的總屈光度另外一種表達形式為：

對于目鏡系統，當選定正透鏡和負透鏡的材料后，其阿貝數v₁，v₂隨即確定；根據目鏡系統要求的視場角確定總屈光度聯立上述三式(5)(6)(7)，即可先后確定和h₂；最后，根據公式(1)確定每個鏡片的初始結構參數。

將上述初始結構參數輸入光學成像仿真軟件，并將正透鏡和負透鏡的表面面型設置為偶次非球面面型，根據像差優化理論進行優化，最終確定目鏡系統的全部結構參數。

偶次非球面面型公式如下：

其中，z為非球面目標點的矢高，Y為目標點的徑向半徑，R為基準球面半徑，k為非球面二次系數，A_i(i＝2、4、6、…16)為i階非球面系數；目鏡系統的相對畸變為：

其中，q為目鏡系統的相對畸變，Y為實際像高，y為理想像高；

目鏡系統的光線追跡路程為：

L＝P₁-P₀ 公式(10)

其中，L為目鏡系統的光線追跡路程，P₁為像面位置，P₀為入瞳位置；

本發明設計的用于超高分辨率顯示的大視場角短程追跡的目鏡鏡頭，視場角達到64°，相當于距離20m遠處觀看約1000英寸的巨幕，全畫幅高清顯示，接近零畸變，由于目鏡系統光線追跡路程約75mm，使得眼鏡整體結構緊湊，重心靠近人眼，提高佩戴舒適度和美觀度。

存在一下三種技術方案可能實現同樣的發明目的：

1)在本發明涉及的目鏡結構基礎上，修改鏡片材料，或者輕微改動鏡片的面型參數，或者輕微調整透鏡之間的間隔。

2)在本發明涉及的目鏡結構基礎上，將某一非球面面型修改為菲涅爾面型，并且適當優化其余表面的面型參數和透鏡之間的間隔。

3)采用單片自由曲面透鏡，或者在本發明涉及的目鏡結構基礎上，將某一非球面面型修改為自由曲面面型，并且適當優化其余表面的面型參數和透鏡之間的間隔。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術方案的保護范圍。