一种具有拼接面型的超轻薄高清目视镜头及设计方法

1.本发明属于光学镜头技术领域，特别是涉及一种具有拼接面型的超轻薄高清目视镜头及设计方法，适用于近眼显示设备。


背景技术：

2.随着光学设计、精密加工、显示技术的飞速发展，用户对虚拟现实(virtual reality，vr)近眼显示设备提出更高的体验需求。在视觉体验方面，vr光学系统应具备尽量大的视场角和细腻的显示画面以营造高度的沉浸感；为适应不同的观察者，vr光学系统还需具备较大的出瞳直径和出瞳距离。在另一方面，为了改善用户的佩戴体验，vr光学系统需要有紧凑的结构和轻巧的重量。因此，大视场、轻薄化、高清晰度以及大出瞳成为该技术的主要发展趋势，但以上指标之间往往相互掣肘，难以同时满足。
3.目前为止主要发展出了三代vr光学方案：非球面直透式光学方案、菲涅尔光学方案和超短焦偏振折反射光学方案。早期的非球面直透式光学方案体积笨重，成像质量不佳，而菲涅尔光学方案虽然能实现更轻的重量和更大的视场角，但系统光学总长仍然较大，且存在环形“伪像”。相较之下，超短焦偏振折反射式光学方案通过调控光线传输过程中的偏振态，使光线在较短的空间内进行多次折反，可将光学模组重量和体积至少压缩至菲涅尔方案的1/2到1/3；光学面的复用减轻了每个光学面的光焦度压力，进而得到平缓的光学面型，可以兼顾大视场、大出瞳、超轻薄、高清晰度等光学指标，成为vr近眼显示设备的主流光学方案。
4.近年来，不少研究者对超短焦偏振折反射式方案进行了偏振技术的改良与结构的创新，但是其中的镜片多采用普通非球面，并未对系统的像质高清化做进一步探索，并且目前市场上流行的超短焦vr眼镜成像质量(尤其是边缘视场成像质量)仍存在较大提升空间，因此亟需新的优化设计方法指导超轻薄高清目视镜头设计，推进近眼显示设备的超高清化、轻量化、市场化发展。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有拼接面型的超轻薄高清目视镜头及设计方法，相较于采用普通非球面的目镜，这种拼接面型可为镜头优化设计提供更高的自由度，使成像质量得到明显提升，有效避免了vr光学系统存在的“纱窗效应”，且由于透镜外围区域的独立性，大视场的成像质量得到提升，全视场像质均匀性好；经过所述面型优化设计，可以得到同时满足大出瞳、大视场角、轻薄结构和超高清像质的目视镜头。
6.一种具有拼接面型的目视镜头，从人眼观察侧到显示器件侧，沿光轴方向共轴依次包括光阑(101)、第一镜片(102)、第二镜片(105)、第三镜片(106)和显示器(108)，光路可在第一镜片(102)的后表面和第三镜片(106)的后表面之间折反；
7.所述第一镜片(102)和第二镜片(105)均为凸透镜，第三镜片(106)为凹透镜；
8.所述第一镜片(102)、第二镜片(105)、第三镜片(106)中至少一个光学面采用环形
拼接非球面，即由中心区域的圆形非球面以及一个或多个外层的环形非球面组成。
9.较佳的，针对采用环形拼接非球面的光学面，从中心到边缘区域，被光线经过的次数从n次逐步减少至1次；拼接面型的分段方式以该光学面上光线经过次数n为依据，光线经过次数为n的孔径范围内划分为拼接区域1，光线经过次数为n-1的孔径范围内划分为拼接区域2，以此类推，直到n＝1；其中，1＜n≤3；所述拼接非球面在各个拼接处满足c1连续条件。
10.较佳的，个光学面上各拼接区域的曲率值ci与该光学面的全孔径值d均满足关系式且0.1≤c
i-1
/ci；其中，i为拼接区域序号，1≤i≤3。
11.较佳的，所述光学面为旋转对称结构，其定义如下：
[0012][0013][0014]
其中，z为轴向距离，r为径向距离，ri为不同拼接区域曲面的最大半径值，ci为不同拼接区域曲面曲率，ki为不同拼接区域曲面二次曲面系数，ai、bi、
…
为不同环形拼接非球面的形变系数，δzi为在相邻拼接区域在交界处矢高的差值，中心区域序号为1，中心到外层区域的序号标逐级递增。
[0015]
较佳的，非球面系数-10≤ki≤10，且只具有偶次幂级数，最高达到30阶。
[0016]
较佳的，第一镜片(102)和第二镜片(105)中心厚度与边缘厚度的比值为1.5≤t/t≤5.0；第三镜片(106)中心厚度与边缘厚度的比值为0.5≤t/t≤0.6；所述第二镜片(105)的阿贝数a＞50，第三镜片(106)的阿贝数a＜50。
[0017]
较佳的，所述目视镜头总长不大于22mm，出瞳距离不小于12mm，出瞳直径不小于8mm，折反射光学腔的厚度占系统总长的0.6倍至1倍。
[0018]
进一步的，还包括反射偏振器(103)、四分之一波片(104)以及输入滤光器(107)；第三镜片(106)靠近显示屏侧表面上贴合的半透半反膜；四分之一波片(104)设置在第一镜片(102)与第二镜片(105)之间；反射偏振器(103)设置在第一透镜(102)靠近显示屏表面
侧；所述输入滤光器(107)位于显示器(108)的前侧；
[0019]
输入滤光器(107)接收图像光，将其转化为左旋圆偏振光；在通过四分之一波片(104)后变为垂直线偏光，然后第一次到达此时光线偏振方向与反射偏振器(103)的偏振方向垂直，被反射回镜组内，并保持偏振态不变；再次通过四分之一波片(104)后变成lcp光，到达半透半反膜后被反射，偏振态变为右旋偏振光，第三次经过四分之一波片(104)后变成水平线偏光并从反射偏振器(103)透射，最终到达出瞳(101)进入人眼(100)。
[0020]
一种具有拼接面型的目视镜头的设计方法，其特征在于，根据如下面型转换评估选择部分光学面设计为拼接非球面面型：
[0021]
s1，获取最大视场光线在各个光学面处的入射角值、各个光学面的反射/透射次数、各个光学面的曲率值和口径值；
[0022]
s2，对各个类型的输入值进行归一化处理，然后将各光学面对应的所有类型输入值求和，将和值作为对应光学面下的转换优先级；
[0023]
s3，对各个光学面的转换优先级进行排序，将优先级高的部分光学面设计为拼接非球面面型。
[0024]
本发明具有如下有益效果：
[0025]
本发明提供了一种具有拼接面型的超轻薄高清目视镜头及设计方法，从人眼观察侧到显示器件侧，沿光轴方向共轴依次排列着光阑、第一镜片、偏振片、偏振反射膜、四分之一波片、第二镜片、第三镜片、半透半反膜、输入滤光片和显示器，光路可在第一镜片的后表面和第三镜片的后表面之间折反；采用环形拼接非球面，具有基于超短焦光学成像特性的转换方式和拼接条件，由中心区域的圆形非球面以及一个或多个外层的环形非球面组成；结构上采用三片透镜以及多种偏振元件，镜片光焦度分配均匀，面型平缓，可以获得较低的应力；所述目镜拥有大出瞳直径、大视场角、小f数、低畸变、轻薄结构和超高清像质，可以使近眼显示器实现具有墨镜形态外观，较采用普通非球面的传统虚拟现实光学系统而言，自由度成倍增加，可极大程度提升目视光学系统的成像质量，具有更高的佩戴舒适度和更具沉浸感的视觉体验。
附图说明
[0026]
图1为实施例一的超轻薄高清目视镜头的结构示意图；
[0027]
图2为实施例一的普通非球面超轻薄目视镜头的结构示意图；
[0028]
图3为实施例一的普通非球面超轻薄目视镜头的mtf曲线示意图；
[0029]
图4为实施例一的普通非球面超轻薄目视镜头的畸变网格示意图；
[0030]
图5为实施例一的普通非球面超轻薄目视镜头的垂轴色差示意图；
[0031]
图6为实施例二的环形拼接非球面的结构示意图；
[0032]
图7为实施例三的面型转换评估程序流程图；
[0033]
图8为实施例三的拼接非球面超轻薄高清目视镜头的结构示意图；
[0034]
图9为实施例三的拼接非球面超轻薄高清目视镜头的mtf曲线示意图；
[0035]
图10为实施例三的拼接非球面超轻薄高清目视镜头的畸变网格示意图；
[0036]
图11为实施例三的拼接非球面超轻薄高清目视镜头的垂轴色差示意图；
[0037]
图12为实施例四的普通非球面超轻薄大视场角目视镜头结构示意图；
[0038]
图13为实施例四的普通非球面超轻薄大视场角目视镜头mtf曲线示意图；
[0039]
图14为实施例四的拼接非球面超轻薄大视场角高清目视镜头的结构示意图；
[0040]
图15为实施例四的拼接非球面超轻薄大视场角高清目视镜头的mtf曲线示意图；
[0041]
图16为实施例五的曲面贴膜的拼接非球面超轻薄高清目视镜头的结构示意图；
[0042]
其中，100-人眼，101-出瞳，103-反射偏振器，104-四分之一波片，105-第二镜片，106-第三镜片，107-输入滤光器，108-显示器。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0044]
实施例一：
[0045]
如图1说明了该超短焦偏振折反射目视镜头具体的光线偏振态调控原理。显示器(假设为oled)108发出图像光，照射到输入滤光器107；输入滤光器107接收图像光，将其转化为左旋圆偏振光，照射到第三镜片106的靠近显示屏侧表面上贴合的半透半反膜(黑色加粗实线标出)，此时依然为lcp光，依次透过第三镜片106、第二镜片105，接着在通过四分之一波片104后变为垂直线偏光(s光)，然后第一次到达第一镜片102靠近显示屏表面侧的反射偏振器103，此时光线偏振方向与反射偏振器的偏振方向垂直，故无法透射，而是被反射回镜组内，并保持偏振态不变；再次通过四分之一波片104后变成lcp光，到达半透半反膜后被反射，此时偏振态变为右旋偏振光(rcp)，第三次经过四分之一波片104后变成水平线偏光(p光)并从反射偏振器103透射，最终到达出瞳101进入人眼100。该偏振光学系统能有效阻挡杂散光的直接透射。理想情况下，能量利用率可以达到25％。
[0046]
为了突出拼接非球面的优势，首先设计了一款普通非球面的超轻薄目视镜头用于后续对比参考，如图2所示，该系统厚度仅为10mm，视场角为47
°
，出瞳直径8mm，出瞳距离12mm，采用0.36英寸显示屏，具体结构包括：人眼100、出瞳101、第一镜片102、反射偏振器103、四分之一波片104、第二镜片105、第三镜片106、输入滤光器107、显示屏108。
[0047]
第一镜片102为平凸透镜，远离人眼一侧为平面，便于和反射偏振器103进行贴合；曲面的面型可以是球面、非球面或拼接非球面；透镜采用低应力、低双折射率、均一性好的光学塑料，可以通过注塑成型的方式实现超轻薄、低成本、大批量生产。
[0048]
四分之一波片104胶合在反射偏振器103的靠近显示屏一侧，二者面型一致，可以是平面、球面、非球面或拼接非球面。
[0049]
第三镜片106的靠近屏幕一侧贴合有半透半反膜，该膜层具有一定的预定透射率与反射率，面型可以是球面或非球面。
[0050]
输入滤光器107，贴合于显示屏108的靠近人眼一侧，可以将显示器发出的自然光变为圆偏振光。
[0051]
具体的，输入滤光器107，包括但不限于起偏器和四分之一波片，只要可以实现将显示器发出的图像光变为圆偏振光，并达到一定的光能利用率即可。
[0052]
具体的，显示屏108，其型号范围为0.36英寸～2.1英寸，类型可以是lcd显示屏、lcos显示屏、oled显示屏等，但需要相应地调整输入滤光器107的组件。
[0053]
表1示出了普通非球面超轻薄目视镜头实施例1的各元件的表面类型、曲率半径、厚度、材料及圆锥系数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。
[0054]
表1
[0055][0056][0057]
如图3所示，是普通非球面超轻薄目视镜头一个实施例的mtf曲线示意图，各个视场的mtf值由不同线形描绘，其值越高，系统成像质量越好。可以看到，在截止频率(30线对/毫米)处全视场mtf大于0.07。由于系统需要在维持一定视场角的条件下尽可能压缩总体厚度，而各个表面的自由度都是有限的，很难在实现短焦的同时保证各个视场成像质量极佳，
故该镜头的边缘视场像质较低。
[0058]
如图4所示，是普通非球面超轻薄目视镜头一个实施例的畸变网格示意图，实线表示理想成像高度，虚线表示实际成像高度。由设计结果，该系统最大视场的光学畸变值小于3％，肉眼几乎察觉不出明显畸变，可以节省软件畸变校正的步骤，提高图像加载效率。
[0059]
如图5所示，是普通非球面超轻薄目视镜头一个实施例的垂轴色差示意图，全视场垂轴色差小于0.013mm。
[0060]
实施例二：
[0061]
从图2至图5可以看出，采用普通非球面设计时，由于表面自由度的限制，采用偏振折反射方案的超轻薄目视镜头的边缘视场像质较低。为了更好地满足大出瞳、小畸变和高像质的要求，考虑引入环形拼接非球面，提高镜头设计的灵活性。
[0062]
如图6环形拼接非球面的结构示意图，补充说明了该面型的拼接形式和约束条件。以含有两个区域的环形拼接非球面为例进行讨论，中心区域为区域1，其半径值为r1，外围区域为区域2，其半径值为r2，二者拼接处交线用虚线表示。假定两个区域在相交处的矢高分别为z＝z1和z＝z2，选取拼接点x＝0，y＝y1。当两个区域拼接处存在矢高的差值δz1且导数不相等时，如图6所示，整个光学面不平滑，存在棱角，这对于生产加工而言是不利的。由c
11
连续的数学定义可以得到，曲面拼接处光滑的条件为：
[0063][0064]
上式即为确保环形拼接非球面c1连续的数学表达式。这种光滑的表面在生产加工时，计算机数控工具可以产生没有间断点的合理路径，因而可以提高加工精度和效率。
[0065]
具体的，本技术中的拼接非球面是以圆形非球面和环形非球面为基础的曲面，仍为旋转对称，其定义如下：
[0066][0067]
[0068]
其中，z为轴向距离，r为xoy平面上的径向距离，ri(i＝1,2,3，
…
)为不同拼接区域曲面的最大半径值，拼接区域1(中心区域)的最大径向距离为r1，拼接区域2(次中心区域)的最大径向距离为r2，拼接区域3的最大径向距离为r3，
…
，以此类推，ci(i＝1,2,3，
…
)为曲率，ki(i＝1,2,3，
…
)为不同拼接区域曲面二次曲面系数，ai、bi、
…
(i＝1,2,3，
…
)为不同环形拼接非球面的形变系数，δzi(i＝1,2,3，
…
)为在相邻拼接区域在交界处矢高的差值，中心区域参数下标为1，中心到外层区域的参数下标逐级递增。
[0069]
这种环形拼接非球面是由中心区域的圆形非球面以及一个或多个外层的环形非球面组成的，自由度较普通非球面有成倍的增加，且表面加工难度低于自由曲面，可以使设计的光学系统具有更高的数值孔径和更高的成像质量，适合用于超短焦偏振折反射式目视镜头的优化设计。
[0070]
特别的，在超短焦偏振折反射式目镜中，由于光线在特定光学面不同孔径处的经过次数不同，每个光学面从中心到边缘区域，被光线经过的次数从n(1《n≤3)次逐步减少至1次。拼接面型的分段方式以该光学面上光线经过次数n为依据，光线经过次数为n的孔径范围内划分为拼接区域1(中心区域)，光线经过次数为n-1的孔径范围内划分为拼接区域2，以此类推，直到n＝1。拼接位置即为光学面上光线经过次数从n变为n-1的孔径处。
[0071]
优化过程中，由于是在采用普通非球面的超短焦偏振折反射式vr镜头的基础上进行优化，初始拼接面型的各个区域由同一个非球面公式定义，已然满足c0连续的条件，但仍要保证拼接曲面在设计优化时始终符合c1连续条件，需要施加特殊的约束，以含有两个区域的拼接非球面为例，伪代码如下：
[0072][0073][0074]
式中z1和z2分别表示中心和外层区域曲面在拼接处的全局z坐标，c
oe1
＝0则保证了两个区域彼此相接；dz1和dz2别表示中心和外层区域曲面在拼接处的一阶导数值，c
oe2
＝0则保证了两个相邻区域在交线处的导数相等。在超轻薄高清目视镜头的设计中，对采用自定义面型的表面引入上式的特殊约束，可以实现具有高自由度且平滑的环形拼接非球面优化设计。此外，应限制两个拼接区域的非球面系数不过大，一般为-10至10之间。
[0075]
优选的，为了进一步保证光学面型平缓，每个光学面上各拼接区域的曲率值ci与该光学面的全孔径值d均满足关系式且0.1≤c
i-1
/ci；其中，i为拼接区域序号，1≤i≤3。
[0076]
实施例三：
[0077]
图7为本发明采用的面型转换评估方法的流程图，包括：
[0078]
s1，获取最大视场光线在各个光学面处的入射角值、各个光学面的反射/透射次数、各个光学面的曲率值和口径值；
[0079]
s2，对各个类型的输入值进行归一化处理，然后将各光学面对应的所有类型输入值求和，将和值作为对应光学面下的转换优先级qk(k＝1,2,
…
,k,k为输光学面的总个数)。
[0080]
s3，对各个光学面的转换优先级qk进行排序，将优先级高的部分光学面设计为拼
接非球面面型。
[0081]
为了更清晰明了地显示各个步骤，一个实施例在进行面型转换评估过程中产生的数据如下：
[0082]
如图8所示，为本发明实施例提供的一个拼接非球面超轻薄高清目视镜头的结构示意图，该系统视场角仍为47
°
，厚度仅为9.5mm。
[0083]
根据面型转换评估结果，第二镜片105的靠近人眼侧表面改为采用环形拼接非球面，拼接段数为两段，每段非球面多项式阶数均达到30阶，中间加粗实线区域为拼接区域l2-1，其半径绝对值r
l2-1
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l2-1
/d＝1.3，外围虚线框出部分为拼接区域l2-2，其半径绝对值r
l2-2
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l2-2
/d＝1.1。第三镜片106的靠近显示屏侧表面也改为环形拼接非球面，拼接段数为两段，中间加粗实线区域为拼接区域l3-1，其半径绝对值r
l3-1
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l3-1
/d＝4.8，外围虚线框出部分为拼接区域l3-2，其半径绝对值r
l3-2
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l3-2
/d＝1.7。
[0084]
表2示出了图8对应的拼接非球面超轻薄高清目视镜头实施例的各元件的表面类型、曲率半径、厚度、材料及圆锥系数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。
[0085]
表2
[0086]
[0087][0088]
第一镜片102的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝2.0，第二镜片105的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝3.4，第三镜片106的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝0.5，第一镜片102的阿贝数a＝30，第二镜片105的阿贝数a＝52，第三透镜806的阿贝数a＝24。
[0089]
如图9所示，是本发明实施例提供的一个拼接非球面超轻薄高清目视镜头的mtf曲线示意图，在截止频率(30lps/mm)处全视场的mtf均达到0.5及以上，且各个视场像质均匀性好。
[0090]
如图10所示，是本发明实施例提供的一个拼接非球面超轻薄高清目视镜头的畸变网格示意图，最大视场的畸变小于3％。
[0091]
如图11所示，是本发明实施例提供的一个拼接非球面超轻薄高清目视镜头的垂轴色差示意图，全视场垂轴色差小于0.007mm，约减小至普通非球面系统的1/2。
[0092]
实施例四：
[0093]
为了进一步验证拼接非球面在超短焦目视镜头中的可行性，我们沿用同样的材料和结构，设计了具有更大视场角的目视镜头，并对比了采用拼接非球面前后的系统像质。
[0094]
如图12所示，是普通非球面大视场角目视镜头一个实施例的结构示意图，该系统视场角为96
°
，采用2.1寸显示屏，总体厚度为22mm，出瞳直径8mm，出瞳距离15mm。
[0095]
表3示出了如图12对应的普通非球面大视场角目视镜头实施例的各元件的表面类型、曲率半径、厚度、材料及圆锥系数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。
[0096]
表3
[0097]
[0098][0099]
如图13所示为普通非球面大视场角目视镜头一个实施例的mtf曲线示意图，在截止频率(30线对/毫米)处全视场mtf大于0.04。由于总长限制在22mm以内，故该系统成像质量不高。
[0100]
如图14所示，为本发明实施例提供的一个拼接非球面大视场角高清目视镜头的结构示意图，系统结构参数与前者相同，但根据面型转换评估程序，第三镜片106的靠近显示屏侧曲面采用了拼接非球面，拼接段数为两段，每段非球面多项式阶数均达到30阶，中间加粗实线区域为拼接区域l3-1，其半径绝对值r
l3-1
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l3-1
/d＝1.4，外围虚线框出部分为拼接区域l3-2，其半径绝对值r
l3-2
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l3-2
/d＝1.3。
[0101]
此外，第一镜片102的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝3.4，第二镜片镜105的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝5.0，第三镜片106的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t
＝0.5，第一镜片102的阿贝数a＝56，第二镜片105的阿贝数a＝56，第三镜片106的阿贝数a＝22。
[0102]
表4示出了图14对应的拼接非球面大视场角高清目视镜头实施例的各元件的表面类型、曲率半径、厚度、材料及圆锥系数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。
[0103]
表4
[0104]
[0105][0106]
如图15所示，为本发明实施例提供的一个大视场角高清目视镜头的mtf曲线示意图，采用了拼接非球面后，可以看到全视场mtf值在截止频率(30线对/毫米)处高于0.45，相较于普通非球面系统有显著的提升。
[0107]
该设计结果具有大出瞳、大视场角、高清像质和轻薄结构，验证了环形拼接非球面对于超短焦偏振折反射目视镜头的成像质量具有显著的改善作用，且在大视场镜头中的像质优化效果比在小视场镜头中的优化效果具有更明显的提升效果。
[0108]
实施例五：
[0109]
如图16为本发明实施例提供的一个曲面贴膜的拼接非球面高清目视镜头的结构示意图。该系统视场角为96
°
，采用2.1寸显示屏，总体厚度为22mm，出瞳直径8mm，出瞳距离15mm，与图14不同的是，第一镜片102的远离人眼侧表面为曲面，四分之一波片104与反射偏振器103也为曲面。根据面型转换评估，第三镜片106的靠近显示屏侧曲面采用了拼接非球面，拼接段数为两段，每段非球面多项式阶数均达到30阶，中间加粗实线区域为拼接区域l3-1，其半径绝对值r
l3-1
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l3-1
/d＝1.1，外围虚线框出部分为拼接区域l3-2，其半径绝对值r
l3-2
与该光学面的全孔径值d的比值为r
l3-2
/d＝1.0。
[0110]
此外，第一镜片102的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝3.8，第二镜片105的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝4.6，第三镜片106的中心厚度与边缘厚度的比值为t/t＝0.5。
[0111]
表5示出了图16对应的拼接非球面大视场角高清目视镜头实施例的各元件的表面类型、曲率半径、厚度、材料及圆锥系数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。
[0112]
表5
[0113]
[0114][0115]
[0116]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有拼接面型的目视镜头，其特征在于，从人眼观察侧到显示器件侧，沿光轴方向共轴依次包括光阑(101)、第一镜片(102)、第二镜片(105)、第三镜片(106)和显示器(108)，光路可在第一镜片(102)的后表面和第三镜片(106)的后表面之间折反；所述第一镜片(102)和第二镜片(105)均为凸透镜，第三镜片(106)为凹透镜；所述第一镜片(102)、第二镜片(105)、第三镜片(106)中至少一个光学面采用环形拼接非球面，即由中心区域的圆形非球面以及一个或多个外层的环形非球面组成。2.如权利要求1所述的一种具有拼接面型的目视镜头，其特征在于，针对采用环形拼接非球面的光学面，从中心到边缘区域，被光线经过的次数从n次逐步减少至1次；拼接面型的分段方式以该光学面上光线经过次数n为依据，光线经过次数为n的孔径范围内划分为拼接区域1，光线经过次数为n-1的孔径范围内划分为拼接区域2，以此类推，直到n＝1；其中，1＜n≤3；所述拼接非球面在各个拼接处满足c1连续条件。3.如权利要求2所述的一种具有拼接面型的目视镜头，其特征在于，每个光学面上各拼接区域的曲率值c
i
与该光学面的全孔径值d均满足关系式且0.1≤c
i-1
/c
i
；其中，i为拼接区域序号，1≤i≤3。4.如权利要求1、2或3所述的一种具有拼接面型的目视镜头，其特征在于，所述光学面为旋转对称结构，其定义如下：其中，z为轴向距离，r为径向距离，r
i
为不同拼接区域曲面的最大半径值，c
i
为不同拼接区域曲面曲率，k
i
为不同拼接区域曲面二次曲面系数，a
i
、b
i
、
…
为不同环形拼接非球面的形变系数，δz
i
为在相邻拼接区域在交界处矢高的差值，中心区域序号为1，中心到外层区域的序号标逐级递增。5.如权利要求4所述的一种具有拼接面型的目视镜头其特征在于，非球面系数-10≤k
i
≤10，且只具有偶次幂级数，最高达到30阶。
6.如权利要求1、2或3所述的一种具有拼接面型的目视镜头，其特征在于，第一镜片(102)和第二镜片(105)中心厚度与边缘厚度的比值为1.5≤t/t≤5.0；第三镜片(106)中心厚度与边缘厚度的比值为0.5≤t/t≤0.6；所述第二镜片(105)的阿贝数a＞50，第三镜片(106)的阿贝数a＜50。7.如权利要求1、2或3所述的一种具有拼接面型的目视镜头，其特征在于，所述目视镜头总长不大于22mm，出瞳距离不小于12mm，出瞳直径不小于8mm，折反射光学腔的厚度占系统总长的0.6倍至1倍。8.如权利要求1、2或3所述的一种具有拼接面型的目视镜头，其特征在于，还包括反射偏振器(103)、四分之一波片(104)以及输入滤光器(107)；第三镜片(106)靠近显示屏侧表面上贴合的半透半反膜；四分之一波片(104)设置在第一镜片(102)与第二镜片(105)之间；反射偏振器(103)设置在第一透镜(102)靠近显示屏表面侧；所述输入滤光器(107)位于显示器(108)的前侧；输入滤光器(107)接收图像光，将其转化为左旋圆偏振光；在通过四分之一波片(104)后变为垂直线偏光，然后第一次到达此时光线偏振方向与反射偏振器(103)的偏振方向垂直，被反射回镜组内，并保持偏振态不变；再次通过四分之一波片(104)后变成lcp光，到达半透半反膜后被反射，偏振态变为右旋偏振光，第三次经过四分之一波片(104)后变成水平线偏光并从反射偏振器(103)透射，最终到达出瞳(101)进入人眼(100)。9.一种对于权利要求1、2或3所述的具有拼接面型的目视镜头的设计方法，其特征在于，根据如下面型转换评估选择部分光学面设计为拼接非球面面型：s1，获取最大视场光线在各个光学面处的入射角值、各个光学面的反射/透射次数、各个光学面的曲率值和口径值；s2，对各个类型的输入值进行归一化处理，然后将各光学面对应的所有类型输入值求和，将和值作为对应光学面下的转换优先级；s3，对各个光学面的转换优先级进行排序，将优先级高的部分光学面设计为拼接非球面面型。

技术总结
本发明提供了一种具有拼接面型的超轻薄高清目视镜头及设计方法，采用环形拼接非球面，具有基于超短焦光学成像特性的转换方式和拼接条件，由中心区域的圆形非球面以及一个或多个外层的环形非球面组成；结构上采用三片透镜以及多种偏振元件，镜片光焦度分配均匀，面型平缓，可以获得较低的应力；所述目镜拥有大出瞳直径、大视场角、小F数、低畸变、轻薄结构和超高清像质，可以使近眼显示器实现具有墨镜形态外观，较采用普通非球面的传统虚拟现实光学系统而言，自由度成倍增加，可极大程度提升目视光学系统的成像质量，具有更高的佩戴舒适度和更具沉浸感的视觉体验。和更具沉浸感的视觉体验。和更具沉浸感的视觉体验。


技术研发人员：程德文 黄逸伦 李阳 侯起超 王涌天
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/20