VR装置的目镜光学系统和立体影像观察装置

1.一种目镜光学系统，用于观察显示于显示画面的图像，所述目镜光学系统的特征在于，
由从显示侧至目侧依次配置的具有负的折射力的第一透镜组和具有正的折射力的第二透镜组构成，
所述第一透镜组的透镜由具有负光焦度的第一透镜组成，
所述第二透镜组的透镜由从所述显示侧至所述目侧依次配置的具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜组成，
当将所述显示画面的画面对角长度设为D、将所述显示画面与所述第一透镜之间的光路长度设为a、将所述第一透镜与所述第二透镜之间的光路长度设为b时，满足以下条件式：
a<0.25D，b>D，
当将所述第一透镜的焦距设为f1、将所述第二透镜的焦距设为f2时，满足以下条件式：
|f1/f2|>2。
2.根据权利要求1所述的目镜光学系统，其特征在于，
在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间配置有第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜是从所述显示侧至所述目侧依次配置的，
所述显示画面、所述第一透镜以及所述第一反射镜在第一方向上排列配置，所述第一反射镜和所述第二反射镜在第二方向上排列配置，
所述第二反射镜、所述第二透镜以及所述第三透镜在第三方向上排列配置，所述第二方向和所述第三方向是在与所述第一方向正交的面内的相互正交的两个方向。
3.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其特征在于，
所述第一反射镜相对于所述第一方向及所述第二方向均成45度角倾斜，所述第二反射镜相对于所述第二方向及所述第三方向均成45度角倾斜。
4.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其特征在于，
所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为塑胶非球面透镜。
5.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其特征在于，
所述显示画面位于用户的观察方向的上方，并且与所述观察方向正交。
6.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其特征在于，满足以下条件式：
Vd1＝Vd2，
Vd1>Vd3，
其中，Vd1为所述第一透镜的色散系数，
Vd2为所述第二透镜的色散系数，
Vd3为所述第三透镜的色散系数。
7.根据权利要求2所述的目镜光学系统，其特征在于，满足以下条件式：
TTLy≤D，
TTLx≤D，
TTLz≤D，
其中，TTLy为在所述第一方向上的所述第一反射镜的有效面下端边缘同所述显示画面与光轴的交点的距离，
TTLx为在所述第二方向上的所述第二反射镜的有效面左端边缘与所述第一反射镜的有效面右端边缘的距离，
TTLz为在所述第三方向上的所述第三透镜的目侧面与光轴的交点同所述显示画面的有效面后端边缘的距离。
8.一种立体影像观察装置，其特征在于，
具备两组根据权利要求2～7中的任一项所述的目镜光学系统，
两组所述目镜光学系统对称地配置，
两组所述目镜光学系统中的所述第一反射镜的反射方向为相反方向。
9.根据权利要求8所述的立体影像观察装置，其特征在于，
在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间还配置有第三反射镜，
所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述第三反射镜是从所述显示侧至所述目侧依次配置的。

VR装置的目镜光学系统和立体影像观察装置\n技术领域\n[0001] 本公开涉及一种目镜光学系统，尤其涉及一种混用了折射元件和反射元件的目镜光学系统和使用该目镜光学系统的立体影像观察装置。\n背景技术\n[0002] 虚拟现实(Virtual Reality：VR)是如下的技术：通过计算机技术仿真来产生一个三维空间的虚拟世界，向用户提供与视觉、听觉等感官有关的仿真体验，从而使用户感觉身历其境。目前现有的VR装置都是以视觉体验为主。目前现有的VR装置借由与左右眼对应的两个视角之间略有差异的分割画面来模拟人眼的视差，以达到立体视觉。当前存在缩小VR装置的体积的同时让用户借由较小的显示画面得到放大的视觉感受的需求，因此具有放大功能的目镜光学系统成了VR研究发展的其中一个主题。\n[0003] 市场上销售的VR设备的光学系统通常通过使用多个折射透镜的组合的结构以及使用单个菲涅耳透镜的结构这两种结构来实现画面的放大效果。前者虽然得到了较好的成像质量，但是会导致光学系统体积很大。后者虽然有效地减少了光学系统的体积，但是却严重影响了画面的质感。因此，这两种结构的光学系统都不能给用户良好的体验效果。\n实用新型内容\n[0004] 有鉴于此，本公开提出了一种在保证了成像质量的同时减少了光学系统的体积的目镜光学系统和立体影像观察装置。\n[0005] 根据本公开的一方面，提供了一种目镜光学系统，用于观察显示于显示画面的图像，所述目镜光学系统由从显示侧至目侧依次配置的具有负的折射力的第一透镜组和具有正的折射力的第二透镜组构成，所述第一透镜组的透镜由具有负光焦度的第一透镜组成，所述第二透镜组的透镜由从所述显示侧至所述目侧依次配置的具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜组成。当将所述显示画面的画面对角长度设为D、将所述显示画面与所述第一透镜之间的光路长度设为a、将所述第一透镜与所述第二透镜之间的光路长度设为b时，满足以下条件式：a<0.25D，b>D。当将所述第一透镜的焦距设为f1、将所述第二透镜的焦距设为f2时，满足以下条件式：|f1/f2|>2。\n[0006] 优选地，在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间配置有第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜是从所述显示侧至所述目侧依次配置的，所述显示画面、所述第一透镜以及所述第一反射镜在第一方向上排列配置，所述第一反射镜和所述第二反射镜在第二方向上排列配置，所述第二反射镜、所述第二透镜以及所述第三透镜在第三方向上排列配置，所述第二方向和所述第三方向是在与所述第一方向正交的面内的相互正交的两个方向。\n[0007] 优选地，所述第一反射镜相对于所述第一方向及所述第二方向均成45度角倾斜，所述第二反射镜相对于所述第二方向及所述第三方向均成45度角倾斜。\n[0008] 优选地，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为塑胶非球面透镜。\n[0009] 优选地，所述显示画面位于用户的观察方向的上方，并且与所述观察方向正交。\n[0010] 优选地，满足以下条件式：Vd1＝Vd2，Vd1>Vd3，其中，Vd1为所述第一透镜的色散系数，Vd2为所述第二透镜的色散系数，Vd3为所述第三透镜的色散系数。\n[0011] 优选地，满足以下条件式：TTLy≤D，TTLx≤D，TTLz≤D，\n[0012] 其中，TTLy为在所述第一方向上的所述第一反射镜的有效面下端边缘同所述显示画面与光轴的交点的距离，TTLx为在所述第二方向上的所述第二反射镜的有效面左端边缘与所述第一反射镜的有效面右端边缘的距离，TTLz为在所述第三方向上的所述第三透镜的目侧面与光轴的交点同所述显示画面的有效面后端边缘的距离。\n[0013] 根据本公开的另一方面，提供了一种立体影像观察装置，具备两组上述的目镜光学系统，两组所述目镜光学系统对称地配置，两组所述目镜光学系统中的所述第一反射镜的反射方向为相反方向。\n[0014] 优选地，在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间还配置有第三反射镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述第三反射镜是从所述显示侧至所述目侧依次配置的。\n[0015] 根据本公开的各方面的目镜光学系统和立体影像观察装置能够提供优良的成像质量同时减少了光学系统的体积。因此，当使用应用本实用新型的目镜光学系统的VR设备时，可以给用户带来良好的体验感。\n[0016] 根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。\n附图说明\n[0017] 包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。\n[0018] 图1是实施例的目镜光学系统的光学元件图。\n[0019] 图2是实施例的目镜光学系统的光学元件及光路的3D图。\n[0020] 图3是表示实施例的目镜光学系统的MTF(调制传递函数)的曲线图。\n[0021] 图4是左右对称地配置有目镜光学系统的3D影像观察装置的整体结构图。\n[0022] 图5是在图4的3D影像观察装置中加入了第三反射镜M3所得到的3D影像观察装置的整体结构图。\n[0023] 附图标记列表\n[0024] IP：显示器的显示画面；CG：保护玻璃或者显示屏前的触摸屏；L1：第一透镜；L2：第二透镜；L3：第三透镜；M1：第一反射镜；M2：第二反射镜；M3：第三反射镜；EP：观察者的瞳孔位置。\n具体实施方式\n[0025] 以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。\n[0026] 在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。\n[0027] 另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。\n本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。\n[0028] 在本实用新型中，将朝向眼睛的方向设为目侧，将朝向显示画面的方向为显示侧，将沿着视线的方向设为观察方向。\n[0029] 本公开的一个实施方式提供一种目镜光学系统，用于观察显示于显示画面的图像，所述目镜光学系统由从显示侧至目侧依次配置的具有负的折射力的第一透镜组和具有正的折射力的第二透镜组构成，所述第一透镜组的透镜由具有负光焦度的第一透镜组成，所述第二透镜组的透镜由从所述显示侧至所述目侧依次配置的具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜组成。当将所述显示画面的画面对角长度设为D、将所述显示画面与所述第一透镜之间的光路长度设为a、将所述第一透镜与所述第二透镜之间的光路长度设为b时，满足以下条件式：a<0.25D，b>D。当将所述第一透镜的焦距设为f1、将所述第二透镜的焦距设为f2时，满足以下条件式：|f1/f2|>2。由此，能够提供一种确保了优良的成像质量同时减少了光学系统的体积的目镜光学系统。因此，当使用应用本实用新型的目镜光学系统的VR设备时，可以给用户带来良好的体验感。\n[0030] 在本实施方式的目镜光学系统中，优选的是，在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间配置有第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜是从所述显示侧至所述目侧依次配置的，所述显示画面、所述第一透镜以及所述第一反射镜在第一方向上排列配置，所述第一反射镜和所述第二反射镜在第二方向上排列配置，所述第二反射镜、所述第二透镜以及所述第三透镜在第三方向上排列配置，所述第二方向和所述第三方向是在与所述第一方向正交的面内的相互正交的两个方向。由此，通过运用折射透镜和反射镜的组合，能够在提供优良的成像质量的同时进一步减少光学系统的体积。\n[0031] 在本实施方式的目镜光学系统中，更优选的是，所述第一反射镜相对于所述第一方向及所述第二方向均成45度角倾斜，所述第二反射镜相对于所述第二方向及所述第三方向均成45度角倾斜。由于反射镜的使用，可以转折光学系统的光路，减少相应方向上的光路长度。通过采用上述两个反射镜的设计方式，可以使原来一维方向的光路转折到三维空间上。可以较佳地减少目镜光学系统在三个维度上的长度，从而缩小目镜光学系统的整体体积。\n[0032] 在本实施方式的目镜光学系统中，优选的是，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为塑胶非球面透镜。通过采用上述三个塑胶非球面透镜的设计方式，可以良好地校正目镜光学系统的球差，慧差及像散，保证良好的成像质量。\n[0033] 在本实施方式的目镜光学系统中，优选的是，所述显示画面位于用户的观察方向的上方，并且与所述观察方向正交。通过采用这种设计方式，可以使应用该目镜光学系统的VR设备充分地利用三维空间进行零部件的排布，从而更有效地缩小VR设备的整体体积。\n[0034] 在本实施方式的目镜光学系统中，优选的是，所述目镜光学系统满足以下条件式：\n[0035] Vd1＝Vd2，\n[0036] Vd1>Vd3，\n[0037] 其中，Vd1为所述第一透镜的色散系数，Vd2为所述第二透镜的色散系数，Vd3为所述第三透镜的色散系数。由于设为满足上述关系式，可以良好地校正目镜光学系统的色差，保证良好的成像质量。\n[0038] 在本实施方式的目镜光学系统中，优选的是，所述目镜光学系统满足以下条件式：\n[0039] TTLy≤D，\n[0040] TTLx≤D，\n[0041] TTLz≤D，\n[0042] 其中，TTLy为在所述第一方向上的所述第一反射镜的有效面下端边缘同所述显示画面与光轴的交点的距离，TTLx为在所述第二方向上的所述第二反射镜的有效面左端边缘与所述第一反射镜的有效面右端边缘的距离，TTLz为在所述第三方向上的所述第三透镜的目侧面与光轴的交点同所述显示画面的有效面后端边缘的距离。因此，当将上述三个距离设为画面对角长度以下时，能够极度小型化。\n[0043] 本公开的另一个实施方式提供一种立体影像观察装置，具备两组上述的目镜光学系统，两组所述目镜光学系统对称地配置，两组所述目镜光学系统中的所述第一反射镜的反射方向为相反方向。由此，能够提供一种确保了优良的成像质量同时减少了光学系统的体积的立体影像观察装置，从而能够给用户带来良好的体验感。\n[0044] 在本实施方式的立体影像观察装置中，也可以是，在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间还配置有第三反射镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述第三反射镜是从所述显示侧至所述目侧依次配置的。由此，能够提供一种确保了优良的成像质量同时减少了光学系统的体积的立体影像观察装置，从而能够给用户带来良好的体验感。\n[0045] 下面，使用图1来对实施例的目镜光学系统进行说明。\n[0046] 图1示出实施例的目镜光学系统的基本光学系统。如图1所示，IP是LCD(液晶显示器)的显示画面，相当于该目镜光学系统的像面。另外，EP是观察者的瞳孔位置。因此，IP侧即为显示侧，EP侧即为目侧。\n[0047] 如图1所示，从IP侧至EP侧依次配置有具有负光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2以及具有负光焦度的第三透镜L3。第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3均为塑胶非球面透镜。在第一透镜L1与第二透镜L2之间依次配置有第一反射镜M1和第二反射镜M2，第一透镜L1构成了具有负折射力的第一透镜组，第二透镜L2和第三透镜L3构成了具有正的折射力的第二透镜组。在LCD与第一透镜L1之间配置有保护玻璃CG。\n[0048] 本实施方式所涉及的目镜光学系统能够应用于VR相机设备上，由于采用折射透镜和反射镜的组合，使目镜光学系统既具有良好的光学性能，又能有效地缩小设备体积。\n[0049] 图1中仅以直线示出第一反射镜M1和M2，省略了反射镜的立体结构。\n[0050] 在图1的目镜光学系统中，第一透镜L1的表面接近LCD显示面，通过使第一透镜L1与第二透镜L2隔开间隔，具有放大观察像并且使装置小型化的效果，能够在第一透镜L1与第二透镜L2之间同时配置反射镜M1、M2。\n[0051] 目镜光学系统的透镜满足以下关系。即，当将显示画面IP的画面对角长度设为D、将显示画面IP与第一透镜L1之间的光路长度设为a、将第一透镜L1与第二透镜L2之间的光路长度设为b时，a<0.25D、b>D，当将第一透镜L1的焦距设为f1、将第二透镜L2的焦距设为f2时，|f1/f2|>2。\n[0052] 图2是目镜光学系统的光学元件及光路的3D图。如图2所示，目镜光学系统从显示侧至目侧依次包括相互垂直的光轴Y、光轴X、光轴Z。光轴Y、光轴X、光轴Z分别对应于本申请的第一方向、第二方向、第三方向。\n[0053] 如图2所示，沿光轴Y依次配置显示器LCD、保护玻璃CG、第一透镜L1、第一反射镜M1，沿光轴X依次配置第一反射镜M1、第二反射镜M2，沿光轴Z依次配置第二反射镜M2、第二透镜L2、第三透镜L3。优选的是，第一反射镜M1与光轴Y及光轴X均成45度角倾斜，第二反射镜M2与光轴X及光轴Z均成45度角倾斜。\n[0054] 如图2所示，显示画面IP位于观察方向的上方，与观察方向成90度垂直。\n[0055] 通过采用上述的折射透镜和反射镜组合的结构设计，本实施方式所涉及的目镜光学系统在提供良好的成像质量的同时，极大的缩小了目镜光学系统的体积。相比现在技术的目镜光学系统，很好地提高了用户使用时的体验感。另外，本申请具有小型化、镜片数少、出瞳距离大、分辨率高、成像质量好的优点。\n[0056] 此外，本实施例的目镜光学系统包含有两个反射镜。所述第一反射镜M1与光轴Y以及光轴X均成45度角倾斜。所述第二反射镜M2与光轴X以及光轴Z均成45度角倾斜。由于反射镜的使用，可以转折光学系统的光路，减少该方向上的光路长度。通过采用上述两个反射镜的设计方式，可以使原来一维方向的光路转折到三维空间上。可以良好地减少目镜光学系统在三个维度上的长度，从而缩小整个目镜光学系统的体积。\n[0057] 此外，本实施例的目镜头光学系统也可以满足关系式：Vd1＝Vd2>Vd3。其中，Vd1为第一透镜L1的色散系数，Vd2为第二透镜L2的色散系数，Vd3为第三透镜L3的色散系数。通过满足上述关系式的设计方式，可以良好地校正目镜光学系统的色差，保证良好的成像质量。\n[0058] 此外，本实施例的目镜光学系统满足以下关系式：TTLy≤37.0mm，TTLx≤39.0mm，TTLz≤41.2mm。其中，TTLy为沿光轴Y方向的从第一反射镜M1的有效面下端边缘至显示画面与光轴的交点的距离，TTLx为沿光轴X方向的从第二反射镜M2的有效面左端边缘至第一反射镜M1的有效面右端边缘的距离，TTLz为沿光轴Z方向的从第三透镜L3的目侧面与光轴的交点至显示画面的有效面后端边缘的距离。\n[0059] 实施例的显示画面IP的对角长度＝44.1mm。因此，显示画面IP的对角长基准为D，TTLy≤D，TTLx≤D，TTLz≤D。即，当为有效画面对角长度以下时，能够极度小型化。\n[0060] 通过满足上述关系式的设计方式，可以使目镜光学系统结构紧凑，从而有效地缩小设备体积。\n[0061] 本实施例的目镜光学系统的设计参数可以如下表所示。\n[0062]\n[0063] 本实施例的目镜光学系统的塑胶非球面透镜的系数如下表所示。\n[0064]\n面序号 Conic A4 A6 A8\nS4 0 4.8303E‑05 ‑2.53197E‑07 3.22785E‑10\nS5 0 ‑7.79883E‑06 ‑1.71017E‑07 2.69487E‑10\nS8 0 0.00010614 ‑4.48614E‑07 ‑1.21811E‑08\nS9 0 0.000258753 ‑2.38643E‑06 ‑1.72881E‑09\nS10 0 0.00052071 ‑1.41341E‑06 ‑2.50878E‑10\nS11 0 0.00026437 1.06738E‑06 ‑2.20287E‑08\n[0065] 图3是表示实施例的目镜光学系统的MTF(调制传递函数)的曲线图。\n[0066] 图4示出将两组的在实施例的光学结构中使第一反射镜M1的反射方向为相反方向并使左右光学系统对称的目镜光学系统进行组合而得到3D影像观察装置的实施例。\n[0067] 图5是在图4的3D影像观察装置中加入了第三反射镜M3并且使显示面与观察方向一致的第二实施例的3D影像观察装置的整体结构图。如果基于本实用新型使图1中的b的尺寸增大，则还能够如本实施例那样排列配置，\n[0068] 以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

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