CN104280877A - 一种用于视频眼镜的折衍混合目镜 - Google Patents

Abstract

一种用于视频眼镜的折衍混合目镜，包括三个透镜，即第一透镜L1、第二透镜L2和第三个透镜L3，三个透镜从像方至物方依次排列；其中第一透镜L1为双凸透镜，面向物方为平面，面向像方为凸面；第二透镜L2为平面衍射透镜，面向物方为平面，面向像方为衍射面；第三透镜L3为凹面透镜，面向物方为凹面，面向像方为凸面。本发明的折衍混合目镜能够将物方显示的内容进行放大，并直接成像在人眼中。本发明所采用的折衍混合目镜具有重量轻、体积小、可规模量产的特点。

Description

一种用于视频眼镜的折衍混合目镜

技术领域

本发明为一种折衍混合目镜，特别涉及应用于视频眼镜的光学目镜。

背景技术

视频眼镜是将电子设备或摄像头中的信息反馈给人眼的一种装置/设备，它广泛应用于虚拟现实、专业领域图像辅助及消费娱乐等诸多领域。视频眼镜往往是通过一组光学系统放大超微显示屏上的图像，将影像投射于视网膜上，进而呈现于观看者眼中大屏幕图像，其中光学系统是决定了头戴显示器性能的关键因素，它通常为具有放大作用的目镜或同类型反射镜。

视频眼镜在虚拟现实方面，需要增大图像画面提高沉浸感；在影音娱乐方面，需要降低重量、佩戴舒适，并需要高画质提高用户感受。因而在技术上，就需要进一步的提高现有视频眼镜的放大倍率、成像质量，同时降低重量、减小体积，这就对光学系统提出了更高的要求。

目前，用于视频眼镜的光学系统主要分三类，一类是传统的凯涅尔型目镜，该类型目镜成像质量好、放大倍率足够，但由于采用玻璃材料，因此体积大、重量重；第二类是反射棱镜或反射镜面的光学系统，该类型体积可以做小，但主要问题是无法做到大的放大倍率，也无法满足市场需求；第三类是自由曲面棱镜；该光学系统元件数量少(仅一片)，但体积偏大，放大倍率仍然不够理想。

衍射光学元件作为一种成像光学元件，具备任意相位分布性质、特殊色散性质、平像场性质、温度稳定性质以及薄型元件性质。衍射光学元件的光焦度与光波长成正比，具有强烈的色散作用，衍射光学元件的等效阿贝数大约为-3.452，而光学玻璃的阿贝数都在20以上，因此在一个正透镜表面上形成的衍射光学元件可以起到负透镜的作用，给它以适当的光焦度就可以消色差，同时衍射光学元件还具有平像场的性质、温度不敏感等特性。可以看到，将衍射光学元件引入目镜光学系统，可以为目镜光学系统带来好处，能够在保证放大倍率不变的情况下，降低重量，减小体积，以符合市场的进一步需求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于视频眼镜的折衍混合式的目镜光学系统，以达到降低重量、减小体积、降低成本的预期。

为达到上述光学性能，本发明中采用的目镜系统包含三个透镜，从像方至物方依次排列，第一透镜L1为双凸透镜，第二透镜L2为衍射透镜，第三透镜L3为凹面透镜。

其中：

第一透镜L1为双凸透镜，面向物方为平面，面向像方为凸面。该透镜的两面为球面或者非球面。透镜材料可以为光学玻璃或光学塑料。

第二透镜L2为平面衍射透镜，面向物方为平面，面向像方为衍射面。该透镜衍射面的参数由以下公式决定：

$\mathrm{\φ}=M\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\ρ}}^{2i}$

式中φ为衍射面的位相，N是多项式的项数，M为衍射级次，A为衍射面各项的系数，ρ为孔径坐标。

L2透镜材料可以为光学玻璃或光学塑料。

第三透镜L3为凹面透镜，面向物方为凹面，面向像方为凸面。该透镜的两面为球面或者非球面。透镜材料可以为光学玻璃或光学塑料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在保证放大倍率和成像质量的情况下，目镜的体积可以缩小；

(2)该目镜材料可以由同一种材料构成，L2透镜承担了降低色差的作用；

(3)该目镜的三片透镜，均可以由光学塑料构成，可以大大降低重量；

(4)L2透镜的衍射面被设计在平面上，极大的方便了生产加工。

附图说明

图1是本发明的目镜结构示意图；

图2是本发明实施例的目镜中心视场和边缘视场光学传递函数(MTF)图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明的一种用于视频眼镜的折衍混合目镜包含三个透镜，从像方至物方依次排列，第一透镜L1为双凸透镜，第二透镜L2为衍射透镜，第三透镜L3为凹面透镜。

上述三个透镜L1-L3共有六个镜面，第一透镜L1的凸面为第一镜面，第一透镜L1的凸面为第二镜面，第二透镜L2的平面为第三镜面，第二透镜L2的平面为第四镜面，第三透镜L3的凸面为第五镜面，第三透镜L3的凹面为第六镜面。

六个镜面的参数见表1及表2。

表1.镜面参数

镜面号	曲率半径(mm)	镜面距离(mm)	镜面直径(mm)	材料
					1	53.88186	6.65	21	PMMA
2	-50.09486	0.145	21
					3	∞	3.69	20.6	PMMA
4	∞	0.1	20.6
					5	17.32105	3.562	17.2	PMMA
6	6.082674	10.236	13.6

表1中，镜面号1至6分别为图1中L1、L2、L3从左至右的各个面。曲率半径为各个面的弯曲程度；镜面距离为两个相邻面之间的中心距离，即透镜的中心厚度；镜面直径为透镜的直径；材料为该透镜所采用的光学材料种类，在本实施例中，所采用的光学材料均为PMMA(亚克力)。

表2.衍射面参数

表2中，各个项的值为下述公式中的对应值：

$\mathrm{\φ}=M\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\ρ}}^{2i}$

在本具体实施例中，衍射元件参数由表2决定，衍射级次M为1，系数项为4，系数值为表中所列值，所得相位值可由上式展开为：

φ＝A₁×ρ²+A₂×ρ⁴+A₃×ρ⁶+A₄×ρ⁸

其中ρ的取值范围为表1中镜面号4的镜面直径决定，即0≤ρ≤20.6。

将各值代入上式中，即可得到衍射面的位相分布值。

由于本目镜应用于视频眼镜，因此该衍射面的针对波长为400nm至700nm范围。

图2是本发明实施例的目镜中心视场和边缘视场光学传递函数(MTF)图。其中，纵向坐标为调制传递函数值归一化0至1，横向坐标为空间频率(线对数)，范围为0-40lp/mm。图中3条曲线分别为：中心视场(0度视场)的MTF曲线(较深的曲线)以及边缘视场(18.5度视场)的MTF曲线(较浅的两条曲线，子午与弧矢方向)。

总之，本发明的折衍混合目镜能够将物方显示的内容进行放大，并直接成像在人眼中；且具有重量轻、体积小、可规模量产的特点。

Claims (4)

1.一种用于视频眼镜的折衍混合目镜，其特征在于：包括三个透镜，即第一透镜L1、第一透镜L2和第三个透镜L3，三个透镜从像方至物方依次排列；其中：

第一透镜L1为双凸透镜，面向物方为平面，面向像方为凸面；

第二透镜L2为平面衍射透镜，面向物方为平面，面向像方为衍射面；

第三透镜L3为凹面透镜，面向物方为凹面，面向像方为凸面；

所述第一透镜L1、第一透镜L2和第三个透镜L3共有六个镜面，第一透镜L1的一个凸面为第一镜面，第一透镜L1的另一凸面为第二镜面，第二透镜L2的一个平面为第三镜面，第二透镜L2的另一平面为第四镜面，第三透镜L3的凸面为第五镜面，第三透镜L3的凹面为第六镜面。

2.根据权利要求1所述的用于视频眼镜的折衍混合目镜，其特征在于：所述第一透镜L1的两个凸面为球面或者非球面。

3.根据权利要求1所述的用于视频眼镜的折衍混合目镜，其特征在于：所述第一透镜L1、第一透镜L2和第三个透镜L3的材料均为光学塑料或光学玻璃。

4.根据权利要求1所述的用于视频眼镜的折衍混合目镜，其特征在于：所述第二透镜L2中，衍射面是平面，衍射波长针对可见光波段。