[发明专利]用于近眼显示的目镜光学系统及头戴显示装置

说明书

一种用于近眼显示的目镜光学系统及头戴显示装置，其中目镜光学系统包括第一透镜(L1)、反射单元(P)、第二透镜(L2)和第三透镜组(G3)；第二透镜(L2)和第三透镜组(G3)的光轴共轴；第二透镜(L2)和第三透镜组(G3)的光轴经过反射单元(P)反射后与第一透镜(L1)的光轴共轴；第三透镜组(G3)至少包括第三透镜(L3)；第一透镜(L1)为设置于反射单元(P)与人眼观察侧之间的唯一透镜；第一透镜(L1)靠近人眼观察侧的光学表面(I)凸向人眼观察方向；第二透镜(L2)靠近微型图像显示器(I)侧的光学表面(6)凹向微型图像显示器(I)方向；第三透镜(L3)为双凸透镜；第三透镜组(G3)进一步包括靠近微型图像显示器(I)的第四透镜(L4)。该目镜光学系统结构紧凑、出瞳直径大，可使头戴显示装置达到更好的视觉体验。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及用于近眼显示的目镜光学系统及头戴显示装置。

背景技术

头戴显示装置通过光学技术，将微型图像显示器(例如透射式或反射式液晶显示屏，有机电致发光器件，DMD器件)发出的视频图像光引导到使用者的瞳孔，在使用者的近目范围实现虚拟、放大图像，为使用者提供直观、可视的图像、视频、文字信息，可以应用于户外、模拟驾驶、训练、演示、教学、培训、医疗、飞行等场景中。

目镜光学系统是头戴显示装置的核心，其实现将微型图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。目镜光学系统的设计直接影响头戴显示装置的体积、视觉体验等关键因素。尤其是对于应用在光学非透视头戴显示装置的光学系统，其要求在小尺寸的情况下，尽量实现大视场，且要求高的光学分辨率，使其能看到足够多的画面细节，同时要求利于长时间观看而不产生视觉疲劳。然而，在目前已公开的已有头戴显示装置相关技术中，未发现适合用于光学非透视头戴显示装置的光学系统。

专利US7180675B2公开了一种取景器的光学系统，由正负两组光学元件和折反装置构成，该目镜系统仅实现了约18°视场角的显示效果，且色差严重，C-line和F-line的色差大于0.5mm，无法实现较高分辨率的光学显示效果，因此无法应用于光学非透视头戴显示装置中。

专利US8531774B2公开了一种取景器的光学系统，由两片正透镜、一片负透镜和反射单元构成，在观察者眼睛到反射单元之间放置了正负两片透镜，该光学系统虽然可实现26°的视场角，但其出瞳位置较短(11mm)、沿观察视线方向的尺寸较大。如应用于光学非透视头戴显示装置，则无法满足产品的舒适穿戴要求，且同时光学像散像差残留较大，边缘视场像质难以实现高分辨率的光学效果，不利于长时间舒适的视觉体验。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于近眼显示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：

构造一种用于近眼显示的目镜光学系统，包括从人眼观察侧到微型图像显示器件侧沿光轴方向共轴依次排列的第一透镜、反射单元、第二透镜和第三透镜组；所述第二透镜和第三透镜组的光轴共轴，且垂直于微型图像显示器；所述第二透镜和第三透镜组的光轴经过反射单元反射后与第一透镜的光轴共轴；所述第三透镜组至少包括第三透镜；

所述第二透镜和所述第三透镜为光学非球面面型；所述第一透镜为设置于所述反射单元与人眼观察侧之间的唯一透镜；所述第一透镜的有效焦距f₁₁、所述第二透镜的有效焦距f₂₁和所述第三透镜的有效焦距f₃₁分别与所述目镜光学系统的有效焦距f_w之间满足以下关系式(1)、(2)和(3)：

0.75f₁₁/f_w4.5 (1)；

f₂₁/f_w-0.28 (2)；