1.本发明涉及一种虚拟成像显示光学系统，特别涉及一种能够应用于教育、医疗的超大视野虚拟成像显示光学系统。
背景技术：
2.近年来虚拟成像显示系统发展迅速，尤其是在各类头戴式显示技术的推进下，虚拟显示成像系统技术日渐完善。各类头戴式显示装置通过光学系统将微型图像显示器发出的视频图像引导到人眼的瞳孔位置，在使用者的近目范围内实现虚拟、放大的图像，为使用者提供可视化的信息。最初此类技术主要应用于科研和军事领域，随着电子技术的普及和制造业的成熟，头戴式虚拟成像显示逐步进入人们的生活，应用于工业、医疗、教育、消费等领域。目镜光学成像系统是虚拟成像显示的的核心，实现将显示屏幕上的图像信息在人眼前形成虚拟放大的图像。
3.各类头戴式显示的目镜系统主要针对于较小的显示器，体积较小，视场角较大(一般120
°
，增强体验感)。但对于一些特殊的使用场景，如一些教育和医疗领域，要求实现4k的超高清分辨率，且满足现实场景与虚拟场景随时任意切换需要。而现有头戴式显示的目镜系统无法满足需求。主要受两方面影响：
4.1.受现有电子技术显示屏分辨率的影响，现有的面积较小的显示屏(一般1英寸以下)无法满足超高清分辨率的要求，而现有的4k大显示屏的尺寸较大(一般5英寸左右)。
5.2.特殊使用场景，使用者人眼与目镜成像系统有不固定的相对移动，此时要求成像依然清晰，以免造成使用者眩晕的感觉。这要求入瞳尺寸较大，而现有的头戴式显示系统的目镜系统一般在2～6mm左右。
6.在公开号为cn113341558a的中国专利申请的技术方案中，显示屏(像高)约16mm～19mm(约一英寸)，且入瞳尺寸也只有4～6mm，无法满足以上两种特殊需求。专利cn104765151a中，系统的入瞳直径扩大到了8mm，但是无法满足大屏幕尺寸的要求。
技术实现要素：
7.本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较大入瞳直径、大视场角和小畸变，能够满足市场对超高清镜头4k清晰度的需求(大显示屏)的超大视野虚拟成像显示光学系统。
8.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超大视野虚拟成像显示光学系统，包括具有虚像放大功能的目镜前
透镜组elg和具有缩小功能的物镜后透镜组olg，
所述的目镜前透镜组elg和所述的物镜后透镜组olg之间设置有中间透镜组mlg，所述的目镜前组焦距f1满足：30mm≤f1≤44mm，所述的物镜后透镜组焦距f3满足：50mm≤f3≤80mm，所述的中间透镜组焦距f2满足：100mm≤f3≤250mm，总焦距f满足：-90mm≤f≤-84mm。
9.优选地，所述的目镜前透镜组elg由四片球面镜片组成，所述的中间透镜组mlg由三片球面镜片组成，所述的物镜后透镜组olg由一组大视野收光球面透镜组成。
10.优选地，所述的目镜前透镜组elg由第一透镜组和第二透镜组构成，所述的第一透镜组由光焦度为正，靠近入瞳侧为
凹面，另一侧为凸面的第一透镜l1构成，所述的第二透镜组由双凸的第二透镜l2、双凹的第三透镜l3和双凸的第四透镜l4组成，所述的第二透镜l2和所述的第四透镜l4具有高散，所述的第三透镜l3具有低散。
11.优选地，所述的第二透镜l2、所述的第三透镜l3和所述的第四透镜l4相互胶合，或所述的第二透镜l2为非胶合方式，所述的第三透镜l3和所述的第四透镜l4相互胶合。
12.优选地，所述的中间透镜组mlg由第五透镜l5、第六透镜l6和第七透镜l7以胶合或者非胶合方式组成，所述的第七透镜l7的光焦度为正或负，所述的第七透镜l7靠近像面的一侧为凸面。
13.优选地，所述的物镜后透镜组olg由正光焦度的第八透镜l8、正光焦度的第九透镜l9、负光焦度的第十透镜l10和由第十一透镜l11与第十二透镜l12采用双胶合方式构成的第一胶合透镜gl1组成，所述的第十透镜l10为负光焦度且靠近像侧为凹面，所述的第一胶合透镜gl1光焦度为正或负，靠近像侧为凸面，靠近物侧为凹面。
14.优选地，所述的第一透镜l1具有正光焦度，为物侧面凹面，像侧凸面的弯月结构；所述的第二透镜l2为具有正光焦度,所述的第三透镜l3具有负光焦度，所述的第四透镜l4具有正光焦度，所述的第五透镜l5是光焦度为正或负的弯月透镜，所述的第六透镜l6光焦度为正或负，所述的第七透镜l7为弯月透镜，所述的第八透镜l8为双凸透镜，所述的第九透镜l9物侧为凸面，所述的第十透镜l10像侧为凹面，所述的第十一透镜l11是具有负光焦度的双凸透镜，所述的第十二透镜l12是具有正光焦度的双凸透镜。
15.优选地，整个系统的近轴工作f#满足：9≤f#≤10，光学总长ttl满足：350mm≤ttl≤460mm，系统的像面尺寸img：系统明视距离虚像放大倍率
ɑ
为:3.1＜
ɑ
＜3.5。
16.优选地，所述第一透镜l1的散系数为vd1,所述第二透镜l2的散系数为vd2,所述第三透镜l3的散系数为vd3,所述第四透镜l4的散系数为vd4,所述第五透镜l5的散系数为vd5,所述第六透镜l6的散系数为vd6，所述第七透镜l7的散系数为vd7，所述第八透镜l8的散系数为vd8，所述第九透镜l9的散系数为vd9，所述第十透镜l10的散系数为vd10，所述第十一透镜l11的散系数为vd11，所述第十二透镜l12的散系数为vd12，透镜散系数间满足：vd2、vd4、vd8、vd9、vd12＞40，vd1、vd3、vd10、vd11＜30，vd5、vd6、vd7根据不同的结构方案匹配不同的散系数。
17.与现有技术相比，本发明的优点在于搭配合理的光焦度，并通过合理的参数匹配，实现超高分辨率，大像高，低畸变的虚拟成像显示的光学系统设计。
附图说明
18.图1是本发明实施例1的光学结构图；
19.图2是本发明实施例1的传递函数曲线图；
20.图3是本发明实施例1的场曲畸变图；
21.图4是本发明实施例1的点列图；
22.图5是本发明实施例2的光学结构图；
23.图6是本发明实施例2的传递函数曲线图；
24.图7是本发明实施例2的场曲畸变图；
25.图8是本发明实施例2的点列图；
26.图9是本发明实施例3的光学结构图；
27.图10是本发明实施例3的传递函数曲线图；
28.图11是本发明实施例3的场曲畸变图；
29.图12是本发明实施例3的点列图。
具体实施方式
30.下面结合附图，具体阐明本发明的实施方式，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制。
31.实施例1：
32.在实施案例中，为了便于设计建模，我们把明视距离形成的虚像作为设计建模中的物面位置sobj，把人眼入瞳位置作为系统的视场光阑位置ipd，把显示屏位置作为系统的像面位置simg。在光学设计系统中光线从虚像明视距离处往右传播直至系统像面(显示屏)位置。
33.本实施例1中：如图1所示，从物面到像面依次为光焦度为正的目镜前透镜组elg、光焦度为正的中间透镜组mlg和光焦度为正的物镜后透镜组olg。
34.其中目镜前透镜组elg包括光焦度为正的第一透镜l1，光焦度为正的第二透镜l2，光焦度为负的第三透镜l3和光焦度为正的第四透镜l4，第一透镜l1为物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜，第二透镜l2为双凸透镜，第三透镜l3为双凹透镜，第四透镜l4为双凸透镜，第三透镜l3与第四透镜l4胶合。
35.中间透镜组mlg由光焦度为正的第五透镜l5，光焦度为正的第六透镜l6，光焦度为负的第七透镜l7组成，第五透镜l5是物侧为凸面，像侧为凹面的弯月透镜，第六透镜l6为双凸透镜，第七透镜l7是物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜。
36.物镜后透镜组olg由光焦度为正的第八透镜l8，光焦度为正的第九透镜l9，光焦度为负的第十透镜l10，光焦度为负的第十一透镜l11，光焦度为正的第十二透镜l12组成，第八透镜l8、第十二透镜l12均为双凸透镜，第九透镜l9是物侧为凸面，像侧为凹面的正透镜，第十透镜l10是物侧为凸面，像侧为凹面的负透镜，第十一透镜l11为双凹透镜，第十一透镜l11与第十二透镜l12胶合组成第一胶合透镜gl1。
37.本实施例1中，整个镜头的物理光学参数如下表示：
[0038][0039]
本发明实施例1采用十二片式结构，实现焦距-84mm左右，最大视场角可达到85度，像面画幅约可满足像元尺寸约30um的4k超高清虚拟系统显示。
[0040]
从图2～图4可以看出，本实施例1可以达到mtf﹥25％@16lp/mm，畸变﹤4％，在85
°
视场内实现像幅左右。
[0041]
实施例2：
[0042]
本实施2例中：如图5所示，从物面到像面依次为光焦度为正的目镜前透镜组elg、光焦度为正中间透镜组mlg和光焦度为正的物镜后透镜组olg。
[0043]
其中目镜前透镜组elg包括光焦度为正的第一透镜l1，光焦度为正的第二透镜l2，光焦度为负第三透镜l3，光焦度为正的第四透镜l4，第一透镜l1是物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜，第二透镜l2为双凸透镜，第三透镜l3为双凹透镜，第四透镜l4为双凸透镜，第二透镜l2、第三透镜l3与第四透镜l4胶合。
[0044]
中间透镜组mlg由光焦度为负第五透镜l5，光焦度为正的第六透镜l6，光焦度为负的第七透镜l7组成，第五透镜l5是物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜。第六透镜l6是物侧为凸面，像侧为凹面的弯月透镜，第七透镜l7是物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜。
[0045]
物镜后透镜组olg由光焦度为正的第八透镜l8，光焦度为正的第九透镜l9，光焦度
为负的第十透镜l10，光焦度为负的第十一透镜l11，光焦度为正的第十二透镜l12组成，第八透镜l8、第十二透镜l12均为双凸透镜，第九透镜l9是物侧为凸面，像侧为凹面的正透镜，第十透镜l10、第十一透镜l11为双凹透镜，第十一透镜l11与第十二透镜l12胶合组成第一胶合透镜gl1。
[0046]
本实施例2中，整个镜头的物理光学参数如下表示：
[0047][0048][0049]
本发明实施例2采用十二片式结构，实现焦距-91mm左右，最大视场角可达到85度，像面画幅约可满足像元尺寸约30um的4k超高清虚拟系统显示。
[0050]
从图6～图8可以看出，本实施例2可以达到mtf﹥15％@16lp/mm，畸变﹤4％，在85
°
视场内实现像幅左右。
[0051]
实施例3：
[0052]
本实施例3中：如图9所示，从物面到像面依次为光焦度为正的目镜透镜前组elg、光焦度为正的中间透镜组mlg和光焦度为正的物镜透镜后组olg。
[0053]
其中目镜前透镜组elg包括光焦度为正的第一透镜l1，光焦度为正的第二透镜l2，光焦度为负第三透镜l3，光焦度为正的第四透镜l4，第一透镜l1是物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜，第二透镜l2为双凸透镜，第三透镜l3为双凹透镜，第四透镜l4为双凸透镜，第
三透镜l3与第四透镜l4胶合。
[0054]
中间透镜组mlg由光焦度为正第五透镜l5，光焦度为负的第六透镜l6，光焦度为正的第七透镜l7组成，第五透镜l5是物侧为凸面，像侧为凹面的弯月透镜，第六透镜l6是物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜，第七透镜l7是物侧为凹面，像侧为凸面的弯月透镜，第六透镜l6与第七透镜l7胶合。
[0055]
物镜后透镜组olg由光焦度为正的第八透镜l8，光焦度为正的第九透镜l9，光焦度为负的第十透镜l10，光焦度为负的第十一透镜l11，光焦度为正的第十二透镜l12组成。第八透镜l8、第十二透镜l12均为双凸透镜，第九透镜l9是物侧为凸面，像侧为凹面的正透镜，第十透镜l10是像侧为凹面的平凹透镜，第十一透镜l11为双凹透镜。第十一透镜l11与第十二透镜l12胶合组成第一胶合透镜gl1。
[0056]
本实施例3中，整个镜头的物理光学参数如下表示：
[0057][0058][0059]
本发明实施例3采用十二片式结构，实现焦距-91mm左右，最大视场角可达到85度，像面画幅约可满足像元尺寸约30um的4k超高清虚拟系统显示。
[0060]
从图10～图12可以看出，本实施例3可以达到mtf﹥30％@16lp/mm，畸变﹤3.2％，在85
°
视场内实现像幅左右。
[0061]
上述实施例的主要技术参数见下表：
[0062][0063][0064]
以上所展示的仅为本发明的个别实施例，不能限定本发明的权利保护范围，因此，依据本发明申请专利范围所做的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。
技术特征：
1.一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：包括具有虚像放大功能的目镜前透镜组elg和具有缩小功能的物镜后透镜组olg，所述的目镜前透镜组elg和所述的物镜后透镜组olg之间设置有中间透镜组mlg，所述的目镜前组焦距f1满足：30mm≤f1≤44mm，所述的物镜后透镜组焦距f3满足：50mm≤f3≤80mm，所述的中间透镜组焦距f2满足：100mm≤f3≤250mm，总焦距f满足：-90mm≤f≤-84mm。2.如权利要求1所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：所述的目镜前透镜组elg由四片球面镜片组成，所述的中间透镜组mlg由三片球面镜片组成，所述的物镜后透镜组olg由一组大视野收光球面透镜组成。3.如权利要求1所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：所述的目镜前透镜组olg由第一透镜组和第二透镜组构成，所述的第一透镜组由光焦度为正，靠近入瞳侧为凹面，另一侧为凸面的第一透镜l1构成，所述的第二透镜组由双凸的第二透镜l2、双凹的第三透镜l3和双凸的第四透镜l4组成，所述的第二透镜l2和所述的第四透镜l4具有高散，所述的第三透镜l3具有低散。4.如权利要求2所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：所述的第二透镜l2、所述的第三透镜l3和所述的第四透镜l4相互胶合，或所述的第二透镜l2为非胶合方式，所述的第三透镜l3和所述的第四透镜l4相互胶合。5.如权利要求3所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：所述的中间透镜组mlg由第五透镜l5、第六透镜l6和第七透镜l7以胶合或者非胶合方式组成，所述的第七透镜l7的光焦度为正或负，所述的第七透镜l7靠近像面的一侧为凸面。6.如权利要求5所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：所述的物镜后透镜组olg由正光焦度的第八透镜l8、正光焦度的第九透镜l9、负光焦度的第十透镜l10和由第十一透镜l11与第十二透镜l12采用双胶合方式构成的第一胶合透镜gl1组成，所述的第十透镜l10为负光焦度且靠近像侧为凹面，所述的第一胶合透镜gl1光焦度为正或负，靠近像侧为凸面，靠近物侧为凹面。7.如权利要求6所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：所述的第一透镜l1具有正光焦度，为物侧面凹面，像侧凸面的弯月结构；所述的第二透镜l2为具有正光焦度,所述的第三透镜l3具有负光焦度，所述的第四透镜l4具有正光焦度，所述的第五透镜l5是光焦度为正或负的弯月透镜，所述的第六透镜l6光焦度为正或负，所述的第七透镜l7为弯月透镜，所述的第八透镜l8为双凸透镜，所述的第九透镜l9物侧为凸面，所述的第十透镜l10像侧为凹面，所述的第十一透镜l11是具有负光焦度的双凸透镜，所述的第十二透镜l12是具有正光焦度的双凸透镜。8.如权利要求1所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：整个系统的近轴工作f#满足：9≤f#≤10，光学总长ttl满足：350mm≤ttl≤460mm，系统的像面尺寸img：φ120mm≤img≤φ140mm，系统明视距离虚像放大倍率
ɑ
为:3.1＜
ɑ
＜3.5。9.如权利要求1所述的一种超大视野虚拟成像显示光学系统，其特征在于：所述第一透镜l1的散系数为vd1,所述第二透镜l2的散系数为vd2,所述第三透镜l3的散系数为vd3,所述第四透镜l4的散系数为vd4,所述第五透镜l5的散系数为vd5,所述第六透镜l6的散系数为vd6，所述第七透镜l7的散系数为vd7，所述第八透镜l8的散系数为vd8，所述第九透镜l9的散系数为vd9，所述第十透镜l10的散系数为vd10，所述第十一
透镜l11的散系数为vd11，所述第十二透镜l12的散系数为vd12，透镜散系数间满足：vd2、vd4、vd8、vd9、vd12＞40，vd1、vd3、vd10、vd11＜30，vd5、vd6、vd7根据不同的结构方案匹配不同的散系数。
技术总结
本发明公开了一种超大视野虚拟成像显示光学系统，特点是包括具有虚像放大功能的目镜前透镜组和具有缩小功能的物镜后透镜组，目镜前透镜组和物镜后透镜组之间设置有中间透镜组，目镜前组焦距f1满足：30mm≤f1≤44mm，物镜后透镜组焦距f3满足：50mm≤f3≤80mm，中间透镜组焦距f2满足：100mm≤f3≤250mm，总焦距f满足：-90mm≤f≤-84mm，优点在于搭配合理的光焦度，并通过合理地参数匹配，实现超高分辨率，大像高，低畸变的虚拟成像显示的光学系统设计。低畸变的虚拟成像显示的光学系统设计。低畸变的虚拟成像显示的光学系统设计。
技术研发人员：
张丽芝 毛昊阳 崔志英 俞杰 毛世波 吕威 李世丹
受保护的技术使用者：
宁波永新光学股份有限公司
技术研发日：
2022.06.30
技术公布日：
2022/11/3
