阅读说明：本技术 一种目镜镜头及目镜光学系统 (Eyepiece lens and eyepiece optical system ) 是由 王景 宋强 马国斌 汪涛 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明实施例涉及光学技术领域,特别涉及一种目镜镜头及目镜光学系统。所述目镜镜头包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜,其中,除第三透镜具有负光焦度外,其他透镜具有正光焦度,除第一透镜和第二透镜外,其他透镜为凹凸透镜,本发明实施例提供的目镜镜头尺寸小、质量轻、结构简单且便携性好。(The embodiment of the invention relates to the technical field of optics, in particular to an eyepiece lens and an eyepiece optical system. The eyepiece lens comprises a first lens, a second lens, a third lens and a fourth lens which are arranged in sequence from an image side to an object side in a coaxial mode, wherein the third lens has negative focal power, the other lenses have positive focal power, and the other lenses are concave-convex lenses except the first lens and the second lens.)

一种目镜镜头及目镜光学系统

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种目镜镜头及目镜光学系统。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术是使真实世界信息和虚拟世界信息内容综合在一起的较新的技术内容，用于增强现实的头戴式显示器采用近眼显示技术，可以让人们在查看周围环境的同时，观看正在放映的虚拟图像，虚拟图像叠加在用户感知的真实世界上，能够营造更逼真的体验，用户沉浸感更强。近年来，随着头戴式显示设备越来越广泛应用与军事、航天等领域，对其的成像质量要求也越来越高，而成像质量的好坏主要取决于目镜光学系统。

为了提高目镜光学系统的光学性能和成像质量，现有技术中，经常采用多片透镜组合来实现，采用多片透镜组合的目镜光学系统虽然可以具有较好的光学性能和成像质量，但其尺寸较大、便携性不强、结构复杂且产品较重，影响用户体验。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种目镜镜头及目镜光学系统，能够适用于AR显示，该投影镜头尺寸小、质量轻。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种目镜镜头，包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜为双凸透镜，具有正光焦度；

所述第二透镜为双凸透镜，具有正光焦度；

所述第三透镜为凹凸透镜，具有负光焦度，其凹面靠近所述像侧，其凸面靠近所述物侧；

所述第四透镜为凸凹透镜，具有正光焦度，其凸面靠近所述第三透镜，其凹面靠近所述物侧。

在一些实施例中，所述第一透镜相对孔径大于1∶3.5，所述第二透镜相对孔径大于1∶1.5，所述第三透镜相对孔径大于1∶1,所述第四透镜相对孔径大于1∶1。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜皆为非球面透镜。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的半径均小于或等于10mm。

在一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的材料为光学玻璃或光学树脂。

在一些实施例中，所述目镜镜头的有效焦距为14.3mm。

在一些实施例中，所述目镜镜头的出瞳距离大于或等于20mm，所述目镜镜头的出瞳直径大于或等于4mm。

在一些实施例中，所述目镜镜头的对角全视场角大于或等于40°。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种目镜光学系统，包括：显示芯片以及权利要求1-8中任一项所述的目镜镜头，其中，所述显示芯片设置于所述目镜镜头的物侧方向且与所述目镜镜头共光轴，且所述显示芯片尺寸小于或等于0.39英寸。

在一些实施例中，所述显示芯片尺寸为0.39英寸。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供了一种目镜镜头及目镜光学系统，该目镜镜头包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，其中，除第三透镜具有负光焦度外，其他透镜具有正光焦度，除第一透镜和第二透镜外，其他透镜为凹凸透镜，本发明实施例提供的目镜镜头尺寸小、质量轻、结构简单且便携性好。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明一实施例提供的目镜光学系统的结构示意图；

图2是图1所示目镜光学系统的MTF图；

图3是图1所示目镜光学系统的离焦MTF图；

图4是图1所示目镜光学系统的场曲与畸变图；

图5是图1所示目镜光学系统的轴向像差图；

图6是图1所示目镜光学系统的点列图；

图7是本发明另一实施例提供的目镜光学系统的结构示意图；

图8是图7所示目镜光学系统的MTF图；

图9是图7所示目镜光学系统的离焦MTF图；

图10是图7所示目镜光学系统的场曲与畸变图；

图11是图7所示目镜光学系统的轴向像差图；

图12是图7所示目镜光学系统的点列图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

此外，本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

为了便于连接结构限定，本发明以光路行进/光轴的出射方向为参考进行部件的位置限定。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

实施例一：

请参阅图1，其示出了本发明一实施例提供的目镜光学系统的结构示意图，该目镜光学系统的目镜镜头包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的：第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4。

所述第一透镜E1为双凸透镜，具有正光焦度，其凸面S1靠近所述像侧、凸面S2靠近所述物侧。

所述第二透镜E2为双凸透镜，具有正光焦度，其凸面S3靠近所述像侧和所述第一透镜E1、凸面S4靠近所述物侧。

所述第三透镜E3为凹凸透镜，具有负光焦度，其凹面S5靠近所述像侧和所述第二透镜E2、凸面S6靠近所述物侧。

所述第四透镜E4为凸凹透镜，具有正光焦度，其凸面S7靠近所述像侧和所述第三透镜E3、凹面S8靠近所述物侧。

在一些实施例中，所述第一透镜E1的相对孔径大于1∶3.5，所述第二透镜E2的相对孔径大于1∶1.5，所述第三透镜E3的相对孔径大于1∶1,所述第四透镜E4的相对孔径大于1∶1，以保证所述目镜光学系统的通光量。

例如，在本发明实施例中，所述第一透镜E1的相对孔径为1∶3.02，所述第二透镜E2的相对孔径为1∶1.13，所述第三透镜E3的相对孔径为1∶0.52,所述第四透镜E4的相对孔径1∶0.64。

在一些实施例中，所述目镜镜头的各透镜可为独立透镜或双胶合透镜。

在本发明实施例中，所述第一透镜E1、所述第二透镜E2、所述第三透镜E3、所述第四透镜E4的材料均为光学树脂，质量轻且便携性强。

在其他一些实施例中，所述目镜镜头的各透镜的材料可为光学玻璃。

其中，所述目镜镜头的各透镜的表面参数可设置为合适的数值。在本发明实施例中，所述目镜镜头的各透镜的表面参数如下表1所示。

表1目镜镜头中各透镜的表面参数

其中，所述第一透镜E1、所述第二透镜E2、所述第三透镜E3、所述第四透镜E4皆为非球面透镜。

各透镜的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数可设置为合适的数值。本发明实施例中各透镜的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数如下表2所示，其中K为非球面圆锥系数，a1、a2、a3、a4、a5分别对应2、4、6、8、10阶非球面系数。

在其他一些实施例中，所述第一透镜E1、所述第二透镜E2、所述第三透镜E3、所述第四透镜E4可为球面镜。

表2目镜镜头中各透镜的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数

面号

K

a1

a2

a3

a4

a5

S1

-14.03

0

-3.285210E-05

-1.730702E-06

1.973515E-08

0

S2

-26.62

0

-4.182380E-04

8.290133E-07

2.127755E-08

0

S3

-0.30

0

-6.132080E-05

2.432163E-08

-2.299657E-08

0

S4

15.14

0

2.032052E-04

-4.858835E-06

2.182754E-08

0

S5

-2.38

0

6.327115E-04

-6.182617E-06

3.368128E-08

0

S6

-3.97

0

6.839881E-04

-7.362250E-06

4.242462E-08

0

S7

-4.41

0

5.450853E-04

-1.960775E-06

-2.712114E-07

0

S8

16.76

0

1.555421E-03

-3.511109E-05

2.129971E-07

0

基于上述结构，所述目镜镜头的光学性能参数如下表3所示

表3目镜镜头的光学性能参数

视场角	有效焦距	出瞳距离	出瞳直径	眼动范围-eyebox
					40°	14.3mm	22mm	≥4mm	8×8mm<sup>2</sup>

从表3可知，所述目镜镜头的有效焦距为14.3mm、出瞳距离为22mm，即所述目镜镜头的有效焦距和出瞳距离较小，能有效缩短人眼到图像源之间的距离，从而可以减小应用此目镜镜头的设备体积，实现小型化设计；所述目镜镜头的对角全视场角为40°、出瞳直径大于或等于4mm以及眼动范围在8×8mm²，可达到人眼观察的范围，从而可以充分发挥人眼的分辨本领。

在其他一些实施例中，所述目镜光学系统还包括显示芯片P1，所述显示芯片P1设置于所述目镜镜头的物侧方向且与所述目镜镜头共光轴，所使用的显示芯片P1可小于或等于0.39英寸，用于提供目镜光学系统的图像源。

其中，所使用的显示芯片P1可为Lcos、Micro-LED或DLP。当显示芯片P1使用Lcos或DLP等不可自发光的芯片时，因所述目镜镜头工作波长为可见光波段，故目镜光学系统需附加照明部分，照明部分可使用LED或激光光源。

在本实施例中，显示芯片P1尺寸为0.39英寸、分辨率为1920×1080P的OLED，芯片像素大小为4.5μm、则极限分辨率为111Ip/mm。使用0.39英寸的显示芯片可消除颗粒化现象、得到更大的对角全视场角以及更小的畸变，从而充分发挥目镜光学系统的光学性能。

下面对所述目镜光学系统的成像质量进行检测。

图2为图1所示目镜光学系统的MTF图，MTF(调制传递函数)可以综合反映光学系统的成像质量，其曲线形状越平滑，且相对X轴高度越高，证明系统的成像质量越好。从图2中可以看出，MTF曲线较为平滑，且该目镜光学系统在空间频率为100lp/mm下的MTF＞0.2，远高于0.5倍的极限分辨率。而对于目镜光学系统，分辨率大于0.5倍的极限分辨率便可认为目镜光学系统具有良好的成像效果，即本实施例中的目镜光学系统的像差得到良好的校正，成像质量优良。

图3为图1所示目镜光学系统的离焦MTF图，从图3中可以看出，该目镜光学系统在空间频率55lp/mm下的MTF≥0.2、且支持±0.3mm的焦深，即本实施例中的目镜光学系统成像效果好。

图4为图1所示目镜光学系统的场曲与畸变图，其中左侧为场曲曲线，右侧为畸变曲线。场曲是物平面形成曲面像的一种像差，以子午场曲和弧矢场曲来表征，二者过大会严重影响光学系统的轴外光线成像质量。从图4可以看到，场曲在±0.08mm范围内，即所述目镜光学系统的场曲被校正到较小的范围内。同时当系统的畸变小于4％时，人眼很难察觉，从图4可以看出，该目镜光学系统的最大畸变小于3％，即本实施例中的目镜光学系统场曲和畸变小，成像效果好。

图5为图1所示目镜光学系统的轴向像差图，由图5可知，该目镜光学系统的轴向像差很小。

图6为图1所示目镜光学系统的点列图，点列图反应的是光学系统成像的几何结构，在像质评价中，可用点列图的密集程度更加直观反映和衡量系统成像质量的优劣，点列图的RMS半径越小，证明像差越小、系统的成像质量越好。如图所示，RMS半径控制在4.5μm以内，即该目镜系统各视场光斑大小均小于一个像素，可见，各视场的光斑很小，像差校正比较好，该目镜光学系统的成像质量好。

由以上数据可知，所述目镜光学系统的不仅结构简单、尺寸较小，而且像差校正较好，成像质量优良。

实施例二：

请参阅图7，其示出了本发明另一实施例提供的目镜光学系统的结构示意图，该目镜光学系统的目镜镜头为包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的：第一透镜E5、第二透镜E6、第三透镜E7、第四透镜E8。

所述第一透镜E5为双凸透镜，具有正光焦度，其凸面S9靠近所述像侧、凸面S10靠近所述物侧。

所述第二透镜E6为双凸透镜，具有正光焦度，其凸面S11靠近所述像侧和所述第一透镜E5、凸面S12靠近所述物侧。

所述第三透镜E7为凹凸透镜，具有负光焦度，其凹面S13靠近所述像侧和所述第二透镜E7、凸面S14靠近所述物侧。

所述第四透镜E8为凸凹透镜，具有正光焦度，其凸面S15靠近所述像侧和所述第三透镜E3、凹面S16靠近所述物侧。

在本发明实施例中，所述第一透镜E1的相对孔径为1∶3.0，所述第二透镜E2的相对孔径为1∶1.13，所述第三透镜E3的相对孔径为1∶0.52,所述第四透镜E4的相对孔径1∶0.63。

在本发明实施例中，所述第一透镜E5、所述第二透镜E6、所述第三透镜E7、所述第四透镜E8的材料均为光学树脂，质量轻、便携性强。

在本发明实施例中，所述目镜镜头的各透镜的表面参数如下表4所示。

表4目镜镜头中各透镜的表面参数

其中，所述第一透镜E1、所述第二透镜E2、所述第三透镜E3、所述第四透镜E4皆为非球面透镜，其非球面圆锥系数值及各阶非球面系数如下表5所示，K为非球面圆锥系数，a1、a2、a3、a4、a5分别对应2、4、6、8、10阶非球面系数。

表5目镜镜头中各透镜的非球面圆锥系数值及各阶非球面系数

面号

K

a1

a2

a3

a4

a5

S9

-14.22

0

-3.299607E-05

-1.726575E-06

1.978966E-08

0

S10

-25.27

0

-4.179282E-04

8.242829E-07

2.120817E-08

0

S11

-0.31

0

-6.029895E-05

2.154466E-08

-2.301311E-08

0

S12

14.78

0

2.034771E-04

-4.854566E-06

2.197225E-08

0

S13

-2.38

0

6.327752E-04

-6.183659E-06

3.357352E-08

0

S14

-3.99

0

6.845644E-04

-7.361062E-06

4.241132E-08

0

S15

-4.42

0

5.457052E-04

-1.953133E-06

-2.708517E-07

0

S16

16.79

0

1.555382E-03

-3.513574E-05

2.122163E-07

0

基于上述结构，所述目镜镜头的光学性能参数如下表6所示

表6目镜系统的光学性能参数

视场角	有效焦距	出瞳距离	出瞳直径	眼动范围-eyebox
					40°	14.3mm	22mm	≥4mm	8×8mm<sup>2</sup>

从表6可知，所述目镜镜头的有效焦距为14.3mm、出瞳距离为22mm，即所述目镜镜头的有效焦距和出瞳距离较小，能有效缩短眼睛到图像源之间的距离，从而可以减小应用此目镜系统的设备体积，实现小型化设计；所述目镜镜头的对角全视场角为40°、出瞳直径大于等于4mm以及眼动范围在8×8mm²，可达到人眼观察的范围，从而充分发挥人眼的分辨本领。

在本实施例中，所述目镜光学系统还包括显示芯片P2，所述显示芯片P2设置于所述目镜镜头的物侧方向且与所述目镜镜头共光轴，用于提供目镜光学系统的图像源。

在本实施例中，显示芯片P2为尺寸为0.39英寸、分辨率为1920×1080P、可弯曲的OLED，芯片像素大小为4.5μm、则极限分辨率为111Ip/mm。使用0.39英寸的显示芯片可消除颗粒化现象、得到更大的对角全视场角以及更小的畸变，同时可弯曲的显示芯片可进行一定角度的表面弯曲，从而具有校正系统场曲的能力，充分发挥目镜光学系统的光学性能。

下面对所述目镜系统的性能进行检测。

图8是图7所示目镜光学系统的MTF图，从图8中可以看出，MTF曲线较为平滑，且该目镜光学系统在空间频率为100lp/mm下的MTF＞0.2，远高于0.5倍的极限分辨率，即本实施例中的目镜光学系统的像差得到良好的校正，成像质量优良。

图9是图7所示目镜光学系统的离焦MTF图，从图9中可以看出，该目镜光学系统在空间频率55lp/mm下的MTF≥0.2、且支持±0.3mm的焦深，即本实施例中的目镜光学系统成像效果好。

图10是图7所示目镜光学系统的场曲与畸变图，从图10可以看出，场曲在±0.01mm范围内，从而可看出当使用可弯曲的显示芯片P2时，所述目镜光学系统的场曲被校正到极小的范围内。同时图10也可看出该目镜系统的最大畸变小于3％，即本实施例中的目镜光学系统的场曲和畸变较小，成像效果好。

图11是图7所示目镜光学系统的轴向像差图，由图11可知，该目镜光学系统的轴向像差很小。

图12是图7所示目镜系统的点列图，如图12所示，RMS半径控制在4.5μm以内，即该目镜系统各视场光斑大小均小于一个像素，可见，各视场的光斑很小，像差校正比较好，该目镜光学系统的成像质量好。

由以上数据可知，所述目镜光学系统的不仅结构简单、尺寸较小，而且像差校正较好，成像质量优良。

本发明实施例提供了一种目镜镜头及目镜光学系统，该目镜镜头包括从像侧到物侧之间共光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，其中，除第三透镜具有负光焦度外，其他透镜具有正光焦度，除第一透镜和第二透镜外，其他透镜为凹凸透镜，本发明实施例提供的目镜镜头尺寸小、质量轻、结构简单且便携性好。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。