一种用于光学测量的像方远心镜头

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种用于光学测量的像方远心镜头。

背景技术

目前的虚拟显示设备主要以头戴显示器为主，头戴显示器是根据人眼特点来进行设计的，人眼可以通过头戴显示器看到虚拟场景，但却只能通过自己的主观感受去大致的评估虚拟显示设备(头戴显示器)的显示性能，而无法对虚拟场景的深度与视场角做精确的测量。视场角、角分辨率以及场景深度是评价头戴式显示器显示性能非常重要的指标，但该领域目前缺乏一种定量检测这些性能指标的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于光学测量的像方远心镜头，能够与一些机械部件结合，对头戴式显示器显示性能做定量的检测。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案，具体如下：

本发明的一种用于光学测量的像方远心镜头，包括光阑、前镜头组、中镜头组以及后镜头组；

其中，前镜头组为正折射率透镜组，包括第一透镜；中镜头组为负折射率透镜组，包括第二透镜和第三透镜；后镜头组为正折射率透镜组，包括第四透镜和第五透镜；

光阑放在第一透镜之前；光阑大小可在2mm～10mm内调节；

镜头中各个透镜的焦距有如下关系式：

1≤|f1/f|≤1.5,且1≤|f23/f|≤1.5，0.5≤|f45/f|≤1；有1≤|f1/f|≤1.5，0.5≤|f2/f|≤1，0<|f3/f|≤1，1≤|f4/f|≤2，0<|f5/f|≤1；

其中，f表示所述镜头的焦距，f1～f5分别表示第一透镜到第五透镜的焦距，f23表示中镜头组的焦距，f45表示后镜头组的焦距。

其中，第三透镜和第四透镜为负透镜，第二透镜和第五透镜为正透镜。

其中，所述第三透镜和第四透镜的阿贝数均小于40，所述第一透镜、第二透镜和第五透镜的阿贝数均大于40。

其中，所述镜头的F数小于2.2。

其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的表面类型均为球面，材质为玻璃。

其中，所述镜头最大视场主光线在像面上的入射角为3.76°。

其中，所述镜头采用无渐晕的视场设计。

有益效果：

本发明用于光学测量的像方远心镜头，采用5片玻璃球面透镜的设计，光阑放在镜头第一个表面之前，镜头近似像方远心设计，入瞳直径大小可在2mm～10mm范围内调节，与人眼瞳孔调节范围类似，系统有效焦距为21.092mm，F数为2.1，系统的半视场角为10°，并在全视场范围内具有较好的MTF。通过传统的光学设计方法，设计出一个具有部分人眼特性、成本较低、加工简单的镜头，从而用该镜头来代替人眼进行光学测量。该镜头与一些机械部件的结合，后续可对头戴式显示器的视场角、角分辨率以及场景深度等性能指标做定量检测，且整个镜头中的镜片全采用玻璃球面的设计，加工成本低、难度小，可进行大规模生产。

附图说明

图1为本发明的镜头结构示意图。

图2为本发明光阑直径为2mm时的镜头结构示意图。

图3为本发明镜头20°视场(全视场角)内的MTF曲线分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明涉及的术语：

1、MTF：调制传递函数，是镜头成像品质的重要参考标准；

2、F数：光圈数，是系统的有效焦距f’与入瞳直径D(光阑直径)之比(f'/D)。

本发明的镜头结构如图1所示，其中编号1～6分别表示光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，编号7为系统像面。

本发明镜头包括光阑1、前镜头组、中镜头组以及后镜头组。

其中，前镜头组为正折射率透镜组，包括第一透镜2(正透镜)；中镜头组为负折射率透镜组，包括第二透镜3(正透镜)和第三透镜4(负透镜)；后镜头组为正折射率透镜组，包括第四透镜5(负透镜)和第五透镜6(正透镜)。

光阑1放在第一透镜2之前，有2mm≤D≤10mm，即光阑最大直径为10mm，最小直径为2mm。

第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5和第五透镜6的表面类型均为球面，材质为玻璃。

以f表示所述镜头的焦距，以f1～f5分别表示每个透镜的焦距，f23表示中镜头组的焦距(第二透镜、第三透镜的组合焦距)，f45表示后镜头组的焦距(第四透镜、第五透镜的组合焦距)，其中f1表示前镜头组的焦距(第一透镜的焦距)，镜头中各个透镜的焦距有如下关系式：

1≤|f1/f|≤1.5,且1≤|f23/f|≤1.5，0.5≤|f45/f|≤1；有1≤|f1/f|≤1.5，0.5≤|f2/f|≤1，0<|f3/f|≤1，1≤|f4/f|≤2，0<|f5/f|≤1。

所述第三透镜、第四透镜的阿贝数小于40，所述第一透镜、第二透镜、第五透镜的阿贝数大于40。

所述镜头的F数小于2.2。

光阑直径为2mm时的镜头结构如图2所示。设计时采用的波长为486.1mm，546.1mm，587.6mm，656.3mm，全视场角为20°，整个镜头的有效焦距为21.092mm，F数为2.1。将如图1所示的镜头的参数进行归一化，可以得到该镜头的归一化有效焦距为f’＝1mm，视场角为2ω＝20°。以光阑1作为第一个表面，面序号为1，依次类推，像面序号为12，镜头各表面类型及表面曲率半径等如表1所示。

表1镜头参数

该镜头采用无渐晕的视场设计，使得各视场的光线在成像面上有着均匀的照度。

该镜头最大视场主光线在像面上的入射角为3.76°，小于4°，因此整个镜头为近似像方远心设计。

图3为本发明镜头20°视场(全视场角)内的MTF曲线分布，图中的频率范围为0～225lp/mm，可以看出在20°视场内，该镜头在100lp/mm处的MTF可达0.3以上，在225lp/mm处的MTF可达0.1以上。

为了模拟人眼瞳孔大小的变化，本发明将光阑放在镜头第一个表面之前，系统光阑大小可在2mm～10mm内调节，通过前、中、后透镜组的组合，使整个系统的像差得到了较好的矫正，并达到了近似像方远心的效果，这使得该镜头对显示设备光电性能的测量更为准确。且该镜头在全采用玻璃球面的情况下以及F数为2.1的设计下，在全视场范围内具有很好的MTF，分辨率高于人眼中心凹区域分辨率，因此该镜头具有人眼的部分特性，可代替人眼去检测头戴显示器的性能指标。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。