一种可叠加光路的目镜光学系统及头戴显示装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种可叠加光路的目镜光学系统及头戴显示装置。

背景技术

随着科学技术的不断提高，人们对一些高端光学仪器仪表的使用也越加频繁，但是目前市场的很多光学仪器仪表对使用者有着特殊的要求，需要使用者自身具有相关知识储备才能够熟悉使用，这就大大收小了使用人群。

例如，在对于光学行业的业余爱好者使用望远镜、夜视仪等光学成像仪器的过程中，使用者往往对其所观测到的物体有所陌生，需要不停借助书籍或者上网设备进行查询才能得知所观测的物体的信息，甚至可能存在查询不到对应物体信息的情况出现。这种情况导致使用者在使用过程中需要花费大量时间去查询资料，大大降低了使用者对高端仪器的使用兴趣。

随着使用高端光学仪器仪表的人群增加，高端光学仪器仪表的入门门槛需要得到降低。如何在不改变仪器原有的使用功能的同时，又能便于使用者熟悉使用成为主要的挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有的光学系统均为定焦光学系统，难以满足大部分消费者的需求，同时光学系统的重量偏重体积偏大，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可叠加光路的目镜光学系统及头戴显示装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可叠加光路的目镜光学系统，包括依次相接的像面、辅助光路、分光镜以及主光路；所述像面的光轴与所述辅助光路的光轴重合；所述主光路的光轴与所述辅助光路的光轴相互垂直；所述主光路的光轴经所述分光镜反射并与经所述分光镜透射的辅助光路叠加；

所述主光路包括从所述分光镜至微型图像显示器沿光轴方向依次排列的第一透镜、第二透镜以及第三透镜组；所述第一透镜为正透镜；所述第二透镜为负透镜；所述第三透镜组为正透镜组；所述第三透镜组包括从所述分光镜至微型图像显示器沿光轴方向依次排列的第三透镜、第四透镜以及第五透镜；

所述辅助光路包括从所述像面至所述分光镜沿光轴方向依次排列的第六透镜、第七透镜以及第八透镜；

所述光学系统的有效焦距设为F，所述主光路的有效焦距设为F

0.558≤F

2.265≤F

进一步地，所述主光路的有效焦距为F

1.413≤F

进一步地，所述像面的像高设为H，所述微型图像显示器的像高设为h，且H、h满足下列关系式(4)：

0.346≤h/H≤0.716 (4)。

进一步地，所述分光镜的光线反射率设为μ，所述分光镜的透射率为n，且μ、n足下列关系式(5)：

80％≤μ+n≤100％ (5)。

进一步地，所述主光路与所述辅助光路的光轴夹角设为θ，且θ满足下列关系式(6)：

θ＜180° (6)。

进一步地，所述第一透镜远离所述微型图像显示器侧的光学面凹向微型图像显示器方向，且该光学面为球面面型。

进一步地，所述第二透镜靠近微型图像显示器侧的光学面凹向微型图像显示器方向，且该光学面为球面面型。

进一步地，所述第六透镜为负透镜；所述第七透镜和所述第八透镜为正透镜。

进一步地，所述第六透镜远离像面侧的光学面与所述第七透镜的相邻光学面胶合。

进一步地，非球面面型计算公式为：

进一步地，所述第三透镜为双凸透镜；所述第四透镜远离微型图像显示器侧的光学面凸向微型图像显示器方向；所述第三透镜靠近微型图像显示器侧的光学面与所述第四透镜的相邻光学面胶合。

进一步地，所述第三透镜靠近微型图像显示器侧的光学面以及远离微型图像显示器侧的光学面均凹向微型图像显示器；所述第四透镜远离微型图像显示器侧的光学面凹向微型图像显示器方向。

进一步地，所述分光镜、所述主光路以及所述辅助光路内各透镜的基底材质均为光学玻璃材质。

本发明还提供一种头戴显示装置，包括微型图像显示器以及物体外形观测摄像设备，还包括如前述中任一项所述的目镜光学系统。

进一步地，所述微型图像显示器包括有机电致发光发光器件、透射式液晶显示器或反射式液晶显示器。

进一步地，所述物体外形观测摄像设备包括但不限于显微镜或望远镜。

本发明的有益效果在于：采用通过半透半反的方式进行成像光线的叠加，主光路的光轴通过分光镜反射后与经分光镜投射的辅助光路的光轴叠加，将微型图像显示器所显示的图像与物体外形观测摄像设备摄取的实物图像进行叠加显示，通过正、负、正的透镜组合以及各光学部件之间的特征关系，达到高清重合度高效果，成像更为清晰，畸变小，成像质量高的特点，使微型图像显示器的成像与双光路成像重叠更为完美逼真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1是本发明第一实施例的目镜光学系统光路图；

图2a是本发明第一实施例的目镜光学系统场曲图，图2b是本发明第一实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图3是本发明第一实施例的目镜光学系统弥散斑阵列示意图；

图4是本发明第一实施例的目镜光学系统光学传递函数MTF示意图；

图5是本发明第二实施例的目镜光学系统光路图；

图6a是本发明第二实施例的目镜光学系统场曲图，图6b是本发明第二实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图7是本发明第二实施例的目镜光学系统弥散斑阵列示意图；

图8是本发明第二实施例的目镜光学系统光学传递函数MTF示意图；

图9是本发明第三实施例的目镜光学系统光路图；

图10a是本发明第三实施例的目镜光学系统场曲图，图10b是本发明第三实施例的目镜光学系统畸变曲线图；

图11是本发明第三实施例的目镜光学系统弥散斑阵列示意图；

图12是本发明第三实施例的目镜光学系统光学传递函数MTF示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明构造一种可叠加光路的目镜光学系统，包括依次相接的像面、辅助光路、分光镜以及主光路；像面的光轴与辅助光路的光轴重合；主光路的光轴与辅助光路的光轴相互垂直；主光路的光轴经分光镜反射并与经分光镜透射的辅助光路叠加；

主光路包括从分光镜至微型图像显示器沿光轴方向依次排列的第一透镜、第二透镜以及第三透镜组；第一透镜为正透镜；第二透镜为负透镜；第三透镜组为正透镜组；第三透镜组包括从分光镜至微型图像显示器沿光轴方向依次排列的第三透镜、第四透镜以及第五透镜；

辅助光路包括从像面至分光镜沿光轴方向依次排列的第六透镜、第七透镜以及第八透镜；

光学系统的有效焦距设为F，主光路的有效焦距设为F

0.558≤F

2.265≤F

其中，F

上述关系式(1)、(2)中F

上述实施例采用分光镜半透半反的特性，其中，主光路的光轴通过分光镜反射后与经分光镜投射的辅助光路的光轴叠加，将微型图像显示器所显示的图像与物体外形观测摄像设备摄取的实物图像进行叠加显示，通过正、负、正的透镜组合以及各光学部件之间的特征关系，达到高清重合度高效果，成像更为清晰，畸变小，成像质量高的特点，使微型图像显示器的成像与双光路成像重叠更为完美逼真。

在进一步的实施例中，主光路的有效焦距为F

1.413≤F

其中，F

在进一步的实施例中，像面的像高设为H，微型图像显示器的像高设为h，且H、h满足下列关系式(4)：

0.346≤h/H≤0.716 (4)。

其中，h/H可取值为0.346、0.461、0.478、0.557、0.578、0.613、0.655、0.689、0.716等等。

在进一步的实施例中，分光镜的光线反射率设为μ，分光镜的透射率为n，且μ、n足下列关系式(5)：

80％≤μ+n≤100％ (5)。

其中，μ+n可取值为80％、85％、88.5％、89.1％、91.2％、99％、100％等。

在进一步的实施例中，主光路与辅助光路的光轴夹角设为θ，且θ满足下列关系式(6)：

θ＜180° (6)。

在进一步的实施例中，第一透镜远离微型图像显示器侧的光学面凹向微型图像显示器方向，且该光学面为球面面型。

在进一步的实施例中，第二透镜靠近微型图像显示器侧的光学面凹向微型图像显示器方向，且该光学面为球面面型。

进一步改善了系统的像散和场曲等像差，有利于目镜系统实现全画幅均匀像质的高分辨率光学效果。

在进一步的实施例中，第六透镜为负透镜；第七透镜和第八透镜为正透镜。

在进一步的实施例中，第六透镜远离像面侧的光学面与第七透镜的相邻光学面胶合。

在进一步的实施例中，第三透镜为双凸透镜；第四透镜远离微型图像显示器侧的光学面凸向微型图像显示器方向；第三透镜靠近微型图像显示器侧的光学面与第四透镜的相邻光学面胶合。

在进一步的实施例中，第三透镜靠近微型图像显示器侧的光学面以及远离微型图像显示器侧的光学面均凹向微型图像显示器；第四透镜远离微型图像显示器侧的光学面凹向微型图像显示器方向。

在进一步的实施例中，分光镜、主光路以及辅助光路内各透镜的基底材质均为光学玻璃材质。

使得所述目镜光学系统的各级像差得到充分校正的同时，又控制了光学元件的制造成本和光学系统的重量。

在进一步的实施例中，非球面面型计算公式为：

其中，z为光学面的矢高，c为非球面顶点处曲率，k为非球面系数,α2,4,6…为各阶系数，r为曲面上点到透镜系统光轴的距离坐标。

使所述光学系统的像差(包括球差、慧差、畸变、场曲、像散、色差和其它高阶像差)得到充分的校正，有利于所述目镜光学系统在实现大视场角、大孔径的同时，进一步提升中心视场和边缘视场的图像质量、缩小中心视场和边缘视场图像质量的差别，实现更均匀的图像质量和低畸变。

下面通过更加具体的实施例对上述目镜光学系统的原理、方案及显示结果进行更进一步的阐述。

以下实施例中，如图1所示，包括依次相接的像面103、辅助光路T、分光镜101以及主光路A；所述像面103的光轴与所述辅助光路T的光轴重合；所述主光路A的光轴与所述辅助光路T的光轴相互垂直；所述主光路A的光轴经所述分光镜101反射并与经所述分光镜101透射的辅助光路T叠加；所述主光路A包括从所述分光镜101至微型图像显示器102沿光轴方向依次排列的第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114、第五透镜115；所述第一透镜111为正透镜；所述第二透镜112为负透镜；所述辅助光路T包括从所述像面103至所述分光镜101沿光轴方向依次排列的第四透镜109、第五透镜108以及第六透镜107；像面103可以为目镜光学系统成像的出瞳，为一个虚拟的出光孔径，可以观察到最佳的成像效果。微型图像显示器102发出的光，依次经过第五透镜115、第四透镜114、第三透镜113、第二透镜112和第一透镜111后，经过分光镜101反射。物体外形观测摄像设备110发出的光线经过分光镜101透射，与经分光镜101反射的微型图像显示器102的光线叠加，并依次经过第六透镜107、第五透镜108和第四透镜109后，到达像面103。

第一实施例

所述第一实施例目镜设计数据如下表一所示：

表一

表一

附图1为第一实施例目镜光学系统的2D结构图，包括依次相接的像面103、辅助光路T、分光镜101以及主光路A；所述像面103的光轴与所述辅助光路T的光轴重合；所述主光路A的光轴与所述辅助光路T的光轴相互垂直；所述主光路A的光轴经所述分光镜101反射并与经所述分光镜101透射的辅助光路T叠加；所述主光路A包括从所述分光镜101至微型图像显示器102沿光轴方向依次排列的第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114和第五透镜115；所述第一透镜111为正透镜；所述第二透镜112为负透镜；所述辅助光路T包括从所述像面103至所述分光镜101沿光轴方向依次排列的第四透镜109、第五透镜108以及第六透镜107；所述主光路A与所述辅助光路T的光轴夹角设为θ，θ角小于180°。第一透镜111远离微型图像显示器102侧的光学面为凹向微型图像显示器102方向，且该光学面为偶次非球面面型；第二透镜112靠近微型图像显示器102侧的光学面为凹向微型图像显示器102，且该光学面为球面面型。本光学系统光学透镜和分光镜101基底为光学玻璃材质，其中光学系统的焦距F为79.47mm，主光路A的焦距F

附图2a、附图2b、附图3、附图4分别为该光学系统场曲图、畸变曲线图、弥散斑阵列图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学场曲畸变，单位周期每10mm分辨率达到0.8以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

第二实施例

所述第二实施例目镜设计数据如下表二所示：

表二

附图5为第二实施例目镜光学系统的2D结构图，包括依次相接的像面103、辅助光路T、分光镜101以及主光路A；所述像面103的光轴与所述辅助光路T的光轴重合；所述主光路A的光轴与所述辅助光路T的光轴相互垂直；所述主光路A的光轴经所述分光镜101反射并与经所述分光镜101透射的辅助光路T叠加；所述主光路A包括从所述分光镜101至微型图像显示器102沿光轴方向依次排列的第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114和第五透镜115；所述第一透镜111为正透镜；所述第二透镜112为负透镜；所述辅助光路T包括从所述像面103至所述分光镜101沿光轴方向依次排列的第四透镜109、第五透镜108以及第六透镜107；所述主光路A与所述辅助光路T的光轴夹角设为θ，θ角小于180°。第一透镜111远离微型图像显示器102侧的光学面为凹向微型图像显示器102方向，且该光学面为偶次非球面面型；第二透镜112靠近微型图像显示器102侧的光学面为凹向微型图像显示器102方向，且该光学面为球面面型。本光学系统光学透镜和分光镜101基底为光学玻璃材质，其中光学系统的焦距F为77.48mm，主光路A的焦距F

附图6a、附图6b、附图7、附图8分别为该光学系统的场曲图、畸变曲线图、弥散斑阵列图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学场曲畸变，单位周期每20mm分辨率达到0.9以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

第三实施例

所述第三实施例目镜设计数据如下表三所示：

表三

附图9为第三实施例目镜光学系统的2D结构图，包括依次相接的像面103、辅助光路T、分光镜101以及主光路A；所述像面103的光轴与所述辅助光路T的光轴重合；所述主光路A的光轴与所述辅助光路T的光轴相互垂直；所述主光路A的光轴经所述分光镜101反射并与经所述分光镜101透射的辅助光路T叠加；所述主光路A包括从所述分光镜101至微型图像显示器102沿光轴方向依次排列的第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114和第五透镜115；所述第一透镜111为正透镜；所述第二透镜112为负透镜；所述辅助光路T包括从所述像面103至所述分光镜101沿光轴方向依次排列的第四透镜109、第五透镜108以及第六透镜107；所述主光路A与所述辅助光路T的光轴夹角设为θ，θ角小于180°。第一透镜111远离微显示屏侧的光学面为凹向微型图像显示器102，且该光学面为偶次非球面面型；第二透镜112靠近微型图像显示器102侧的光学面为凹向微型图像显示器102，且该光学面为球面面型。本光学系统光学透镜和分光镜101基底为光学玻璃材质，其中光学系统的焦距F为65.17mm，主光路A的焦距F

附图10a、附图10b、附图11、附图12分别为该光学系统的场曲图、畸变曲线图、弥散斑阵列图及光学传递函数MTF图，反映出了本实施例各个视场光线在像平面(显示器件I)的单位像素内有着很高的分辨率及很小的光学场曲畸变，单位周期每20mm分辨率达到0.9以上，光学系统像差得到良好校正，通过所述目镜光学系统可观察到均匀、高光学性能的显示画像。

上述实施例一至三的各项数据均满足发明内容中所记录的参数要求，结果如下表四所示：

表四

本发明还提供一种头戴显示装置，包括微型图像显示器以及物体外形观测摄像设备，还包括如前述中任一项的目镜光学系统。

优选地，微型图像显示器包括有机电致发光发光器件、透射式液晶显示器或反射式液晶显示器。

优选地，物体外形观测摄像设备包括但不限于显微镜或望远镜。

上述头戴显示装置采用一种可叠加光路的目镜光学系统，该系统采用通过半透半反的方式进行成像光线的叠加，主光路的光轴通过分光镜反射后与经分光镜投射的辅助光路的光轴叠加，将微型图像显示器所显示的图像与物体外形观测摄像设备摄取的实物图像进行叠加显示，通过正、负、正的透镜组合以及各光学部件之间的特征关系，达到高清重合度高效果，成像更为清晰，畸变小，成像质量高的特点，使微型图像显示器的成像与双光路成像重叠更为完美逼真。

在具体实际应用中，使用者通过多重成像叠加显示，对光学仪器仪表所成像进行讲解分析处理，让对该光学仪器仪表不精通的人员也能更好的进行操作做出判断。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。