本申請涉及一種目視光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及目視光學(xué)系統(tǒng)及頭戴式顯示裝置。

背景技術(shù)：

近年來，由于可穿戴電子設(shè)備的興起，使得包含目視光學(xué)系統(tǒng)及微型顯示器等微小型化的顯示模塊蓬勃發(fā)展，大量應(yīng)用于頭戴式顯示設(shè)備中。頭戴式顯示設(shè)備廣泛應(yīng)用于軍事、航天、醫(yī)療、娛樂、模擬訓(xùn)練等領(lǐng)域。隨著頭戴式顯示設(shè)備越來越廣泛地被應(yīng)用，對其的成像質(zhì)量和使用舒適度要求也越來越高，而成像質(zhì)量的好壞以及使用舒適度的高低主要取決于光學(xué)目鏡系統(tǒng)的設(shè)計。

目前市面上提出一些頭戴目鏡系統(tǒng)和頭戴顯示設(shè)備，是采用4片式透鏡的目鏡系統(tǒng)，雖然體積較小，重量較輕，但其畸變較大，出瞳較小，用戶體驗較差，不能滿足消費(fèi)者日益提高的需求；另外一些光學(xué)鏡頭，是采用六片透鏡組合而成，雖然具有較好的光學(xué)性能和成像質(zhì)量，但其全部采用玻璃透鏡，重量大，降低了用戶使用舒適度。

另外，對于目鏡系統(tǒng)而言，在物體尺寸確定的情況下，焦距越小，視場角越大，系統(tǒng)的放大倍率越大，設(shè)計難度也隨之增加。市面上頭戴系統(tǒng)雖然不少，但大部分產(chǎn)品的視場角、出瞳直徑和出瞳距離較小，降低用戶使用舒適度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供目視光學(xué)系統(tǒng)及頭戴式顯示裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本申請實施例公開了一種目視光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光線入射方向依次設(shè)置的第五透鏡、第四透鏡、第三透鏡、第二透鏡、第一透鏡，所述第一透鏡為光焦度為正的雙凸透鏡，所述第二透鏡為光焦度為負(fù)的彎月形透鏡，所述第三透鏡為光焦度為正的雙凸透鏡，所述第四透鏡為光焦度為正的雙凸透鏡，所述第五透鏡為光焦度為負(fù)的彎月形透鏡。

優(yōu)選的，在上述的目視光學(xué)系統(tǒng)中，所述第一透鏡與第二透鏡膠合成膠合件透鏡。

更優(yōu)選的，在上述的目視光學(xué)系統(tǒng)中，所述膠合件透鏡焦距f12、第三透鏡焦距f3、第四透鏡焦距f4、第五透鏡焦距f5、目視光學(xué)系統(tǒng)焦距fs分別滿足以下條件：

1.4<f12/fs<3.8；

1.5<f3/fs<3.5；

1.1<f4/fs<2.7；

-2.0<f5/fs<-0.7。

優(yōu)選的，在上述的目視光學(xué)系統(tǒng)中，所述第三透鏡、第四透鏡為光學(xué)塑膠透鏡。

優(yōu)選的，在上述的目視光學(xué)系統(tǒng)中，所述第三透鏡、第四透鏡為雙面非球面結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，在上述的目視光學(xué)系統(tǒng)中，所述光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的出瞳距離lep與目視光學(xué)系統(tǒng)焦距fs滿足：0.8≤lep/fs≤1.5。

優(yōu)選的，在上述的目視光學(xué)系統(tǒng)中，所述光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的出瞳距離lep與所述第一透鏡至第五透鏡之間光學(xué)間隙總和AGa滿足：55≤lep/AGa≤85。

本申請實施例還空開了一種頭戴式顯示裝置，包括所述的目視光學(xué)系統(tǒng)、顯示屏、機(jī)殼，所述目視光學(xué)系統(tǒng)、顯示屏安裝于所述機(jī)殼內(nèi)部，所述顯示屏位于所述目視光學(xué)系統(tǒng)入光側(cè)光軸上。

優(yōu)選的，在上述的頭戴式顯示裝置中，觀測點與所述目視光學(xué)系統(tǒng)的距離大于等于21mm。

優(yōu)選的，在上述的頭戴式顯示裝置中，還包括光闌與保護(hù)玻璃，所述光闌設(shè)置于所述目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳面，所述保護(hù)玻璃設(shè)置于所述目視光學(xué)系統(tǒng)與所述顯示屏之間的光軸上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：通過控制各透鏡的凹凸曲面排列，并輔以其他光學(xué)關(guān)系式控制相關(guān)參數(shù)和搭配使用玻璃與塑膠透鏡，使其具有重量較輕，結(jié)構(gòu)緊湊，出瞳直徑和出瞳距離大，提高用戶體驗，成像質(zhì)量優(yōu)良，分辨率高等特性。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發(fā)明具體實施例中目視光學(xué)系統(tǒng)及頭戴式顯示裝置光線傳播示意圖；

圖2所示為本發(fā)明具體實施例一中目視光學(xué)系統(tǒng)的場曲隨歸一化視場變化示意圖(x’_t為子午場曲，x’_s為弧矢場曲)；

圖3所示為本發(fā)明具體實施例一中目視光學(xué)系統(tǒng)的畸變隨歸一化視場變化示意圖；

圖4所示為本發(fā)明具體實施例一中目視光學(xué)系統(tǒng)的垂軸色差隨歸一化視場變化示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參圖1，目視光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光線入射方向依次設(shè)置的第五透鏡5、第四透鏡4、第三透鏡3、第二透鏡2、第一透鏡1，第一透鏡1為光焦度為正的雙凸透鏡，第二透鏡2為光焦度為負(fù)的彎月形透鏡，第三透鏡3為光焦度為正的雙凸透鏡，第四透鏡4為光焦度為正的雙凸透鏡，第五透鏡5為光焦度為負(fù)的彎月形透鏡。

進(jìn)一步地，第一透鏡1與第二透鏡2膠合成膠合件透鏡。

進(jìn)一步地，膠合件透鏡焦距f12、第三透鏡3焦距f3、第四透鏡4焦距f4、第五透鏡焦距f5、目視光學(xué)系統(tǒng)焦距fs分別滿足以下條件：

1.4<f12/fs<3.8；

1.5<f3/fs<3.5；

1.1<f4/fs<2.7；

-2.0<f5/fs<-0.7。

進(jìn)一步地，第三透鏡3、第四透鏡4為光學(xué)塑膠透鏡。第三透鏡3、第四透鏡4為雙面非球面結(jié)構(gòu)。

采用該技術(shù)方案，為了使鏡頭系統(tǒng)更輕薄，成本更低并具有更好的光學(xué)性能。

非球面表達(dá)式為：

其中，Y為非球面曲線上的點與光軸的距離；Z為非球面的深度(非球面上距離光軸為Y的點，與相切于非球面光軸上頂點的切面，兩者間的垂直距離)；R為透鏡表面的曲率半徑；K為錐面系數(shù)(conic constant)；a_2i為第2i階非球面系數(shù)。

進(jìn)一步地，光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的出瞳距離lep與目視光學(xué)系統(tǒng)焦距fs滿足：0.8≤lep/fs≤1.5。光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的出瞳距離lep與第一透鏡至第五透鏡之間光學(xué)間隙總和AGa滿足：55≤lep/AGa≤85。

在該技術(shù)方案中，滿足該限定條件為了使該目視光學(xué)系統(tǒng)更為薄型輕巧，視場角、出瞳直徑和出瞳距離較大，同時還具有更好的光學(xué)性能。

參圖1所示，頭戴式顯示裝置，包括上述的目視光學(xué)系統(tǒng)、顯示屏7、機(jī)殼，目視光學(xué)系統(tǒng)、顯示屏7安裝于機(jī)殼內(nèi)部，顯示屏7位于目視光學(xué)系統(tǒng)入光側(cè)光軸上。

進(jìn)一步地，觀測點8與目視光學(xué)系統(tǒng)的距離大于等于21mm。

進(jìn)一步地，還包括光闌與保護(hù)玻璃6，光闌設(shè)置于目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳面，保護(hù)玻璃6設(shè)置于目視光學(xué)系統(tǒng)與顯示屏7之間的光軸上。

實施例一：

5個透鏡光學(xué)參數(shù)(曲率R、厚度、折射率及阿貝數(shù))如表所示：

第三透鏡及第四透鏡的非球面參數(shù)如表所示：

第一透鏡和第二透鏡之間的光學(xué)間隙0mm，第二透鏡和第三透鏡之間的光學(xué)間隙是0.1mm，第三透鏡和第四透鏡之間的光學(xué)間隙是0.1mm，第四透鏡和第五透鏡之間的光學(xué)間隙是0.1mm，從而計算該第一透鏡至第五透鏡之間在光軸I上的所有光學(xué)間隙總和AGa＝0.1+0.1+0.1＝0.3mm，該膠合件透鏡的焦距f12是40.6mm，第三透鏡的焦距f3是50.4mm，該第四透鏡的焦距f4是30.5mm，該第五透鏡的焦距f5是-19.2mm，該目視光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)焦距fs是18.3mm，該目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳距離Lep是21.2mm。

經(jīng)過簡單計算可知：f12/fs＝2.2，f3/fs＝2.8，f4/fs＝1.7，f5/fs＝-1.1，Lep/AGa＝70.7，Lep/fs＝1.2。

采用參數(shù)目視光學(xué)系統(tǒng)的頭戴式顯示裝置，顯示屏設(shè)置于該目視光學(xué)系統(tǒng)的入光側(cè)，位于保護(hù)玻璃的入光側(cè)的光軸上。顯示屏選用0.6英寸微顯示屏。

本實施例中，視場角達(dá)到46°，便于觀察，出瞳直徑達(dá)到7.5mm，可輕易調(diào)節(jié)瞳距，出瞳距離達(dá)到21.2mm，近遠(yuǎn)視者可配戴眼鏡觀看，從提高了用戶體驗感。同時根據(jù)圖2至圖4可知，該目視光學(xué)系統(tǒng)校正了場曲、象散、倍率色差等像差，成像質(zhì)量較好，畸變小于2％，在人眼可接受范圍之內(nèi)，表現(xiàn)出該目視光學(xué)系統(tǒng)具有較高的光學(xué)性能，能提供較佳的成像質(zhì)量。

綜上可知，本申請通過控制各透鏡的凹凸曲面排列，并輔以其他光學(xué)關(guān)系式控制相關(guān)參數(shù)和搭配使用玻璃與塑膠透鏡，使頭戴式顯示裝置具有重量較輕，結(jié)構(gòu)緊湊，視場角、出瞳直徑和出瞳距離較大的優(yōu)勢，提高了用戶體驗，具有成像質(zhì)量優(yōu)良、分辨率高、成本低的特性。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本申請的具體實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本申請的保護(hù)范圍。