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CN106405820A - 目镜 - Google Patents

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CN106405820A
CN106405820A CN201610898436.6A CN201610898436A CN106405820A CN 106405820 A CN106405820 A CN 106405820A CN 201610898436 A CN201610898436 A CN 201610898436A CN 106405820 A CN106405820 A CN 106405820A
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annulus
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宋立通
戴付建
金银芳
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Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
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Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种目镜，该目镜由一片镜片组成，包含相对的第一表面和第二表面，其特征在于第一表面为曲面，第二表面为菲涅尔结构面；所述菲涅尔结构面由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面，每一该环带由一工作面和一非工作面组成，工作面为非球面，非工作面为一直斜面；该目镜满足下列条件式：85°<FOV<130°，0°≤θi≤5°；其中，FOV为目镜的最大视场角，θi为第i个环带非工作面与光轴之间的夹角。本发明所述的小型目镜，采用单片镜片，一面采用曲面，另一面采用菲涅尔透镜结构，具有较大的视场角，有效矫正像差，提高成像品质，并获得较大的相对镜目距。

Description

目镜
技术领域
本发明涉及一种目镜，特别是一种用于头戴显示器中的目镜。
背景技术
近年来，虚拟现实和增强现实技术进入高速发展阶段，应用于此的头戴显示器也成为近年来显示领域的热门产品。头戴显示器要求结构紧凑、重量轻，便于头戴。同时，视场角要尽可能的大，以此增加观察范围。此外，还需重点考虑图像的质量，控制光学成像系统的各类像差。因此，目镜光学系统是头戴显示器的核心。
专利号为“CN104823079A”的专利提出了一种菲涅尔透镜及光学器件。该折射型菲涅尔透镜可减少因光在侧壁反射和/或折射引起的噪声，提高成像品质。但是该折射型菲涅尔透镜的广角化的特点仍有可以进一步优化的空间，来满足市场，特别是头戴式显示器对于光学成像系统的更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种。
本发明所述的目镜由一片镜片组成，包含相对的第一表面和第二表面，第一表面为曲面，第二表面为菲涅尔结构面；所述菲涅尔结构面由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面，每一该环带由一工作面和一非工作面组成；该目镜满足下列条件式：85°＜FOV＜130°；其中，FOV为目镜的最大视场角。第一表面采用曲面，能够提高镜片的解像力，使得画质更加清晰；同时配合菲涅尔结构面，可以使人眼能观察到的画面大于敏感视觉区域，获得较好的沉浸感。
进一步的，本发明所述的目镜，在其第二表面的菲涅尔结构面中，定义自近光轴处朝向边缘计数第i个环带中，工作面为非球面；非工作面为一直斜面，定义其与光轴之间的一夹角为θi，并满足条件式：0°≤θi≤5°。工作面采用非球面，提升了设计的自由度，更利于扩大视场角；同时搭配非工作面的直斜面，可以使镜片具有较好的可加工性，减少杂散光，提高镜片性能。
进一步的，本发明所述的目镜，第二表面的菲涅尔结构面中的多个环带排列在一个基底面上，该基底面是平面。当该基底面为平面时，有益于减小镜片厚度，满足轻薄化要求。
进一步的，本发明所述的目镜，第二表面的菲涅尔结构面中的多个环带排列在一个基底面上，该基底面是曲面。当该基底面为曲面时有益于周边视场像质，提升画面整体清晰度。
进一步的，本发明所述的目镜，在第二表面的菲涅尔结构面上，定义自近光轴处朝向边缘计数第i个环带宽度，即第i个环带垂直于光轴方向的间距为zi，并满足0.08mm≤zi≤3.5mm；定义其第i个环带深度为di，并满足0mm＜di≤0.5mm。采用这种设计，可以在保证人眼观看画面晶格舒适度前提下有效降低杂光对成像质量影响。)
进一步的，本发明所述的目镜满足关系式：0≤SAG1/DY≤0.2；其中，SAG为第一表面和光轴的交点至第一表面的有效半径顶点之间的轴上距离；DY为目镜的有效外径。采用这种设计，可以获得较大的视场角，使人眼能观察到的画面大于敏感视觉区域，获得较好的沉浸感。
进一步的，本发明所述的目镜满足关系式：7mm≤ED≤20mm；其中，ED为目镜工作时人眼瞳孔至第一表面的轴上距离。在这个工作距范围内使用，可以保证像质整体均匀性好。
进一步的，本发明所述的目镜满足关系式：25mm≤EFL≤50mm；其中，EFL为目镜的有效焦距。
进一步的，本发明所述的目镜满足关系式：0.02＜CT/DY＜0.4；其中，CT为目镜的中心厚度；DY为目镜的有效外径。满足该条件式，可实现较好的沉浸感和较小的晶格感体验。
进一步的，本发明所述目镜的第一表面上设有周期性衍射相位，由多个周期性相位环带组成，自近光轴处朝向边缘的相邻周期性相位环带之间有一下降台阶，每一下降台阶深度相等并定义其台阶深度为t，并满足下列条件式：0.0005mm＜t＜0.0025mm；采用这种设计，可以有效矫正系统色差，进一步提升目镜的成像品质。
本发明的有益效果为，本发明所述的小型目镜，采用单片镜片，一面采用曲面，另一面采用菲涅尔透镜结构，具有较大的视场角，有效矫正像差，提高成像品质，并获得较大的相对镜目距。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
附图说明
图1是本发明所述目镜的工作原理示意图；
图2是实施例一所述目镜的结构示意图；
图3是本发明所述的目镜中菲涅耳结构面的示意图；
图4是实施例二所述目镜的结构示意图；
图5是实施例三所述目镜的结构示意图；
图6是实施例三所述目镜的相位波带的结构示意图；
图7是实施例四所述目镜的结构示意图；
图8是实施例五所述目镜的结构示意图；
图9是实施例六所述目镜的结构示意图；
图10是本发明所述目镜三维结构示意图；
图11是本发明所述目镜正面三维示意图。
具体实施方式
实施例一：
请参照图2和图3，目镜由一片镜片L1组成，包含相对的第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1为非球面，第二表面S2为菲涅尔结构面。
目镜第二表面S2为菲涅尔结构面，由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带宽度，即第i个环带垂直于光轴方向的间距为zi，每个环带的环带宽度皆相等，并满足：zi＝0.4mm。每一该环带Ci由一工作面Sa和一非工作面Sb组成。其工作面Sa满足条件式：其中，h是工作面Sa上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，Ai是非球面第i阶的修正系数。
该环带中，非工作面Sb为一直斜面，其与光轴呈一夹角θi，并满足条件式：2°＜θi＜5°。目镜第二表面S2的菲涅尔结构面中的环带排列在一个基底面S2’上，该基底面S2’为曲面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带深度为di，并满足0.1mm＜di≤0.5mm。
目镜工作时，人眼瞳孔至第一表面S1的轴上距离为ED，其满足下列条件式：ED＝13mm。
目镜的有效焦距为EFL，其满足下列条件式：EFL＝37.68mm。
目镜的中心厚度为CT，目镜的有效外径为DY，其满足下列条件式：CT/DY＝0.24。
目镜的最大视场角为FOV，其满足下列条件式：FOV＝95.04°。
第一实施例中各条件参数如下表1所示：
表1
FOV(°) 95.04 SAG1/DY 0.03
θi(°) 2～5 ED(mm) 13
zi(mm) 0.4 EFL(mm) 37.68
di(mm) 0.1～0.5 CT/DY 0.24
实施例二：
请参照图4和图3，目镜由一片镜片L1组成，包含相对的第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1为球面，第二表面S2为菲涅尔结构面。
目镜第二表面S2为菲涅尔结构面，由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面。定义其自近光轴处朝向边缘第i个环带宽度，即第i个环带垂直于光轴方向的间距为zi，每个环带的环带宽度皆相等，并满足：zi＝0.2mm。每一该环带Ci由一工作面Sa和一非工作面Sb组成。其工作面Sa满足条件式：其中，h是工作面Sa上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，Ai是非球面第i阶的修正系数。该环带中，非工作面Sb为一直斜面，其与光轴呈一夹角θi，并满足条件式：1°＜θi＜3°。目镜第二表面S2的菲涅尔结构面中的环带排列在一个基底面S2’上，该基底面S2’为平面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带深度为di，并满足0.0mm＜di≤0.3mm。
第二实施例中各条件参数如下表2所示，其定义皆与第一实施例相同，在此不加以赘述。
表2
FOV(°) 95.04 SAG1/DY 0.07
θi(°) 1～3 ED(mm) 13
zi(mm) 0.2 EFL(mm) 39.67
di(mm) 0～0.3 CT/DY 0.14
实施例三：
请参照图3、图5和图6，目镜由一片镜片L1组成，包含相对的第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1为非球面，第二表面S2为菲涅尔结构面。
在本实施例中，目镜第一表面上设有周期性衍射相位，由多个周期性相位环带组成，定义第i个周期性相位环带Hi与第i+1个周期性相位环带Hi+1之间有一下降台阶，每一下降台阶深度相等并定义其台阶深度为t，并满足ti＝0.001mm。
目镜第二表面S2为菲涅尔结构面，由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带宽度，即第i个环带垂直于光轴方向的间距为zi，每个环带的环带宽度皆相等，并满足：zi＝0.25mm。每一该环带Ci由一工作面Sa和一非工作面Sb组成。其工作面Sa满足条件式：
其中，h是工作面Sa上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，Ai是非球面第i阶的修正系数。
该环带中，非工作面Sb为一直斜面，其与光轴呈一夹角θi，并满足条件式：0°＜θi＜2°。目镜第二表面S2的菲涅尔结构面中的环带排列在一个基底面S2’上，该基底面S2’为曲面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带深度为di，并满足0.0mm＜di≤0.3mm。
第三实施例中各条件参数如下表3所示：
表3
FOV(°) 98.8 ED(mm) 10
θi(°) 0～2 EFL(mm) 36.86
zi(mm) 0.25 CT/DY 0.2
di(mm) 0～0.3 t(um) 1
SAG1/DY 0.01
实施例四：
请参照图7和图3，目镜由一片镜片L1组成，包含相对的第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1为非球面，第二表面S2为菲涅尔结构面。
目镜第二表面S2为菲涅尔结构面，由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带宽度，即第i个环带垂直于光轴方向的间距为zi，每个环带的环带宽度皆相等，并满足：zi＝0.25mm。每一该环带Ci由一工作面Sa和一非工作面Sb组成。其工作面Sa满足条件式：
其中，h是工作面Sa上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，Ai是非球面第i阶的修正系数。该环带中，非工作面Sb为一直斜面，其与光轴呈一夹角θi，并满足条件式：1°＜θ；＜3°。目镜第二表面S2的菲涅尔结构面中的环带排列在一个基底面S2’上，该基底面S2’为平面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带深度为di，并满足0.0mm＜di≤0.3mm。
第四实施例中各条件参数如下表4所示：
表4
FOV(°) 125.76 SAG1/DY 0.03
θi(°) 1～3 ED(mm) 10.29
zi(mm) 0.25 EFL(mm) 25
di(mm) 0～0.3 CT/DY 0.05
实施例五：
请参照图8和图3，目镜由一片镜片L1组成，包含相对的第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1为非球面，第二表面S2为菲涅尔结构面。
目镜第二表面S2为菲涅尔结构面，由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带宽度，即第i个环带垂直于光轴方向的间距为zi，每个环带的环带宽度皆相等，并满足：zi＝0.25mm。每一该环带Ci由一工作面Sa和一非工作面Sb组成。其工作面Sa满足条件式：
其中，h是工作面Sa上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，Ai是非球面第i阶的修正系数。该环带中，非工作面Sb为一直斜面，其与光轴呈一夹角θi，并满足条件式：1°＜θi＜3°。目镜第二表面S2的菲涅尔结构面中的环带排列在一个基底面S2’上，该基底面S2’为平面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带深度为di，并满足0.0mm＜di≤0.3mm。
第五实施例中各条件参数如下表5所示：
表5
FOV(°) 89.98 SAG1/DY 0.04
θi(°) 1～3 ED(mm) 10.29
zi(mm) 0.25 EFL(mm) 50
di(mm) 0～0.3 CT/DY 0.13
实施例六：
请参照图9和图3，目镜由一片镜片L1组成，包含相对的第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1为非球面，第二表面S2为菲涅尔结构面。
目镜第二表面S2为菲涅尔结构面，由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带宽度，即第i个环带垂直于光轴方向的间距为zi，并满足：0.2mm≤zi≤3.1mm。每一该环带Ci由一工作面Sa和一非工作面Sb组成。其工作面Sa满足条件式：其中，h是工作面Sa上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，Ai是非球面第i阶的修正系数。该环带中，非工作面Sb为一直斜面，其与光轴呈一夹角θi，并满足条件式：θi＝0°。目镜第二表面S2的菲涅尔结构面中的环带排列在一个基底面S2’上，该基底面S2’为平面。定义其自近光轴处朝向边缘计数第i个环带深度为di，每两个相邻环带之间的深度皆相等，并满足di＝0.2mm。
第六实施例中各条件参数如下表6所示：
表6
FOV(°) 88 SAG1/DY 0.07
θi(°) 0 ED(mm) 15
zi(mm) 0.2～3.1 EFL(mm) 42.5
di(mm) 0.2 CT/DY 0.14
以上实施例仅是为充分说明本发明所述目镜而所举的较佳具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书记载的内容为准。

Claims (10)

1.一种目镜，由一片镜片组成，包含相对的第一表面和第二表面，其特征在于第一表面为曲面，第二表面为菲涅尔结构面；所述菲涅尔结构面由多个环带依序排列组成，形成锯齿表面，每一该环带由一工作面和一非工作面组成；该目镜满足下列条件式：85°<FOV<130°；其中，FOV为目镜的最大视场角。
2.如权利要求1所述的目镜，其特征在于：第二表面的菲涅尔结构面中，定义自近光轴处朝向边缘计数第i个环带中，工作面为非球面；非工作面为一直斜面，定义其与光轴之间的夹角为θi，并满足条件式：0°≤θi≤5°。
3.如权利要求1所述的目镜，其特征在于：目镜第二表面的菲涅尔结构面中的多个环带排列在一个基底面上，该基底面是平面。
4.如权利要求1所述的目镜，其特征在于：目镜第二表面的菲涅尔结构面中的多个环带排列在一个基底面上，该基底面是曲面。
5.如权利要求1所述的目镜，其特征在于：在目镜第二表面的菲涅尔结构面上，定义自近光轴处朝向边缘计数第i个环带宽度为zi，并满足0.08mm≤zi≤3.5mm；定义其第i个环带深度为di，并满足0mm<di≤0.5mm。
6.如权利要求1所述的目镜，其特征在于满足下列关系式：0≤SAG1/DY≤0.2；其中，SAG为第一表面和光轴的交点至第一表面的有效半径顶点之间的轴上距离；DY为目镜的有效外径。
7.如权利要求1所述的目镜，其特征在于满足下列关系式：7mm≤ED≤20mm；其中，ED为目镜工作时人眼瞳孔至第一表面的轴上距离。
8.如权利要求1所述的目镜，其特征在于满足下列关系式：25mm≤EFL≤50mm；其中，EFL为目镜的有效焦距。
9.如权利要求1所述的目镜，其特征在于满足下列关系式：0.02<CT/DY<0.4；其中，CT为目镜的中心厚度；DY为目镜的有效外径。
10.如权利要求1所述的目镜，其特征在于：目镜第一表面上设有周期性衍射相位，由多个周期性相位环带组成，自近光轴处朝向边缘的相邻周期性相位环带之间有一下降台阶，每一下降台阶深度相等并定义其台阶深度为t，并满足下列条件式：0.0005mm<t<0.0025mm。
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