CN110161696B - 补偿镜组及具有其的虚拟现实设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种补偿镜组及具有其的虚拟现实设备，所述补偿镜组应用于折叠光路系统，所述折叠光路系统沿光轴方向依次包括显示单元、第一镜组以及光阑；所述补偿镜组设于所述第一镜组与所述显示单元之间，所述补偿镜组包括第一补偿透镜，所述第一补偿透镜包括第一表面以及第二表面，所述第一镜组包括第三表面以及第四表面；所述显示单元发出的入射光线从所述第一表面进入所述第一补偿透镜，并从所述第二表面射出所述第一补偿透镜，所述入射光线经过所述第一镜组后传输至所述光阑。本发明提供一种补偿镜组及具有其的虚拟现实设备，解决现有技术中折叠光路系统的像差较大，用户观察到的图像出现弯曲或变形，影响用户对虚拟现实设备使用的问题。

Description

补偿镜组及具有其的虚拟现实设备
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种补偿镜组及具有其的虚拟现实设备。
背景技术
现有技术中，为了实现虚拟现实设备的轻量化，通常使用折叠光路系统，利用光路折叠的方式实现。目前的虚拟现实设备采用折叠光路系统时，为了实现虚拟现实设备尺寸的减小，通常缺少相应的光学补偿，从而导致折叠光路系统的像差较大，导致用户从虚拟现实设备观察到的图像出现弯曲或变形的情况，影响用户对虚拟现实设备的使用体验。
发明内容
本发明提供一种补偿镜组及具有其的虚拟现实设备，旨在解决现有技术中折叠光路系统的像差较大，用户观察到的图像出现弯曲或变形，影响用户对虚拟现实设备使用的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种补偿镜组，所述补偿镜组应用于折叠光路系统，所述折叠光路系统沿光轴方向依次包括显示单元、第一镜组以及光阑；
所述补偿镜组设于所述第一镜组与所述显示单元之间，所述补偿镜组包括第一补偿透镜，所述第一补偿透镜包括靠近所述显示单元的第一表面以及远离所述显示单元的第二表面，所述补偿镜组用于消除所述折叠光路系统的球差；
所述第一镜组包括靠近所述显示单元的第三表面以及远离所述显示单元的第四表面；所述显示单元发出的入射光线在所述第三表面与所述第四表面发生反射；
所述入射光线从所述第一表面进入所述第一补偿透镜，并从所述第二表面射出所述第一补偿透镜，所述入射光线经过所述第一镜组后传输至所述光阑。
可选地，所述第一表面与所述第二表面为非球面结构。
可选地，所述补偿镜组还包括第二补偿透镜，所述第二补偿透镜设于所述第一补偿透镜与所述第一镜组之间，所述第二补偿透镜具有靠近所述第一补偿透镜的第五表面以及远离所述第一补偿透镜的第六表面。
可选地，所述第一表面、所述第二表面、所述第五表面以及所述第六表面均为球面，所述补偿镜组的光焦度与所述第一镜组的光焦度相反。
可选地，所述第一补偿透镜与所述第二补偿透镜相分离或通过胶合或密接的方式连接。
可选地，所述第一表面、所述第二表面、所述第五表面以及所述第六表面均为非球面结构。
可选地，所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离小于或等于 25mm。
可选地，所述补偿镜组为光学塑料材质。
为实现上述目的，本申请提出一种虚拟现实设备，所述虚拟现实设备包括折叠光路系统以及补偿镜组，所述补偿镜组包括如上述任一项实施方式所述的补偿镜组。
本申请提出的技术方案中，所述补偿镜组应用于折叠光路系统，所述折叠光路系统包括显示单元、第一镜组以及光阑，所述第一镜组包括靠近所述显示单元的第三表面以及远离所述显示单元的第四表面，使所述显示单元发出的入射光线在所述第三表面与所述第四表面发生反射；所述显示单元发出的所述入射光线从所述第一表面进入所述第一补偿透镜，并从所述第二表面射出所述第一补偿透镜，所述入射光线经过所述第一镜组后传输至所述光阑。通过所述补偿透镜与所述折叠光路系统组合使用，在不影响所述折叠光路系统总长的情况下，降低所述折叠光路系统的球差，从而解决了现有技术中折叠光路系统的球差较大，用户观察到的图像出现弯曲或变形，影响用户对虚拟现实设备使用的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明补偿镜组第一实施例的光学结构示意图；
图2是本发明补偿镜组第一实施例的点列图；
图3是本发明补偿镜组第一实施例的调制传递函数图；
图4是本发明补偿镜组第二实施例的光学结构示意图；
图5是本发明补偿镜组第二实施例的点列图；
图6是本发明补偿镜组第二实施例的调制传递函数图；
图7是本发明补偿镜组第三施例的光学结构示意图；
图8是本发明补偿镜组第三实施例的点列图；
图9是本发明补偿镜组第三实施例的调制传递函数图；
图10是本发明补偿镜组第四实施例的光学结构示意图；
图11是本发明补偿镜组第四实施例的点列图；
图12是本发明补偿镜组第四实施例的调制传递函数图；
图13是本发明补偿镜组第五实施例的光学结构示意图；
图14是本发明补偿镜组第五实施例的点列图；
图15是本发明补偿镜组第五实施例的调制传递函数图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 显示单元 21 第三表面
20 第一镜组 22 第四表面
30 光阑 50 第二补偿透镜
40 第一补偿透镜 51 第五表面
41 第一表面 52 第六表面
42 第二表面
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种补偿镜组及具有其的虚拟现实设备。
请参照图1，所述补偿镜组应用于折叠光路系统，所述折叠光路系统沿光轴方向依次包括显示单元10、第一镜组20以及光阑30；
所述补偿镜组设于所述第一镜组20与所述显示单元10之间，所述补偿镜组包括第一补偿透镜40，所述第一补偿透镜40包括靠近所述显示单元10 的第一表面41以及远离所述显示单元10的第二表面42，所述补偿镜组用于消除所述折叠光路系统的球差；
所述第一镜组20包括靠近所述显示单元10的第三表面21以及远离所述显示单元10的第四表面22；所述显示单元10发出的入射光线在所述第三表面21与所述第四表面22发生反射；
所述入射光线从所述第一表面41进入所述第一补偿透镜40，并从所述第二表面42射出所述第一补偿透镜40，所述入射光线经过所述第一镜组20后传输至所述光阑30。
本申请提出的技术方案中，所述补偿镜组应用于折叠光路系统，所述折叠光路系统包括显示单元10、第一镜组20以及光阑30，所述第一镜组20包括靠近所述显示单元10的第三表面21以及远离所述显示单元10的第四表面 22，使所述显示单元10发出的入射光线在所述第三表面21与所述第四表面 22发生反射；所述显示单元10发出的所述入射光线从所述第一表面41进入所述第一补偿透镜40，并从所述第二表面42射出所述第一补偿透镜40，所述入射光线经过所述第一镜组20后传输至所述光阑30。通过所述补偿透镜与所述折叠光路系统组合使用，在不影响所述折叠光路系统总长的情况下，降低所述折叠光路系统的球差，从而解决了现有技术中折叠光路系统的球差较大，用户观察到的图像出现弯曲或变形，影响用户对虚拟现实设备使用的问题。
可以理解的是，所述补偿镜组除了用于消除所述折叠光路系统的球差，在光学设计的可行范围内，还可以消除或减小所述折叠光路系统的其他像差，所述像差包括但不限于慧差、像散、场曲、畸变以及其他影响光学成像的成像缺陷。
优选实施方式中，所述第一表面41与所述第二表面42为非球面结构。具体的，非球面结构相比球面结构，能够有效地减小所述光学系统的球差与畸变，从而减少所述光学系统中透镜的个数以及减小透镜的尺寸。
在一些可选的实施方式中，所述补偿镜组还包括第二补偿透镜50，具体的，所述第二补偿透镜50设于所述第一补偿透镜40与所述第一镜组20之间，所述第二补偿透镜50具有靠近所述第一补偿透镜40的第五表面51以及远离所述第一补偿透镜40的第六表面52。所述显示单元10发出的所述入射光线在从所述第一表面41进入所述第一补偿透镜40，从所述第二表面42射出所述第一补偿透镜40后，经由所述第五表面51进入所述第二补偿透镜50，并从所述第六表面52射出所述第二补偿透镜50后，进入所述折叠光路系统，通过所述第一补偿透镜40与所述第二补偿透镜50组合使用的方式，进一步减小所述折叠光路系统的球差。
优选实施方式中，所述第一表面41、所述第二表面42、所述第五表面51 以及所述第六表面52均为球面，所述补偿镜组的光焦度与所述第一镜组20 的光焦度相反。其中，光焦度为像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，用于表示光学系统对入射平行光束的屈折能力。
在一些可选的实施方式中，所述第一补偿透镜40与所述第二补偿透镜50 相分离或通过胶合或密接的方式连接。
在一些可选的实施方式中，所述第一表面41、所述第二表面42、所述第五表面51以及所述第六表面52均为非球面。具体的，非球面结构相比球面结构，能够有效地减小所述光学系统的球差与畸变，从而减少所述光学系统中透镜的个数以及减小透镜的尺寸。
优选实施方式中，所述显示单元10的中心到所述第四表面的中心的距离小于或等于25mm。
在一些可选的实施方式中，所述补偿镜组为光学塑料材质。具体的，光学塑料相比于光学玻璃，具有良好的可塑成型工艺特性、重量轻、成本低廉等优点，因此能够有效地降低所述补偿镜组的尺寸与成本。
请参照图1至图3，在第一实施例中，所述折叠光路系统为单透镜结构，所述补偿透镜为单透镜结构，光学系统设计数据如下表1所示：
表1
Figure BDA0002083077600000071
所述第一实施例中，所述折叠光路系统的参数如下所述：
所述折叠光路系统的最大视场角为70度，所述折叠光路系统的系统长度小于13mm，其中所述折叠光路系统的系统长度是指所述显示单元10到所述折叠光路系统远离所述显示单元10的一侧表面的距离。所述折叠光路系统的透镜直径小于40mm，所述折叠光路系统在频率20lp/mm下的光学传递函数值大于或等于0.5，所述折叠光路系统的系统焦距为16.19mm，所述折叠光路系统的球差(spherical aberration，SPHA)为0.27。
其中，所述第一表面41与所述第二表面42可以为偶次非球面结构，其中，所述偶次非球面满足以下关系：
Figure BDA0002083077600000072
其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；αi表示第i次的非球面系数。
于另一实施例中，所述第二表面42与所述第四表面22也可以为奇次非球面结构，其中，所述奇次非球面满足以下关系：
Figure BDA0002083077600000081
其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；βi表示第i次的非球面系数。
请参照图2，图2为第一实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。在所述第一实施例中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值为小于8.703mm。
请参照图3，图3为第一实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。
请参照图4至图6，在第二实施例中，所述折叠光路系统为单透镜结构，所述补偿透镜为双胶合球面透镜结构，光学系统设计数据如下表2所示：
表2
Figure BDA0002083077600000082
所述第二实施例中，所述折叠光路系统的参数如下所述：
所述折叠光路系统的最大视场角为70度，所述折叠光路系统的系统长度小于13mm，其中所述折叠光路系统的系统长度是指所述显示单元10到所述折叠光路系统远离所述显示单元10的一侧表面的距离。所述折叠光路系统的透镜直径小于40mm，所述折叠光路系统在频率20lp/mm下的光学传递函数值大于或等于0.5，所述折叠光路系统的系统焦距为16.19mm，所述折叠光路系统的球差为0.27。
请参照图5，图5为第二实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。在所述第一实施例中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值为小于8.990mm。
请参照图6，图6为第二实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。
请参照图7至图9，在第三实施例中，所述折叠光路系统为单透镜结构，所述补偿透镜为分离式球面透镜组合，光学系统设计数据如下表3所示：
表3
Figure BDA0002083077600000091
Figure BDA0002083077600000101
所述第三实施例中，所述折叠光路系统的参数如下所述：
所述折叠光路系统的最大视场角为70度，所述折叠光路系统的系统长度小于13mm，其中所述折叠光路系统的系统长度是指所述显示单元10到所述折叠光路系统远离所述显示单元10的一侧表面的距离。所述折叠光路系统的透镜直径小于40mm，所述折叠光路系统在频率20lp/mm下的光学传递函数值大于或等于0.5，所述折叠光路系统的系统焦距为16.19mm，所述折叠光路系统的球差为0.27。
请参照图8，图8为第三实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。在所述第一实施例中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值为8.936mm。
请参照图9，图9为第三实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。
请参照图10至图12，在第四实施例中，所述折叠光路系统为单透镜结构，所述补偿透镜为双胶合非球面透镜结构，光学系统设计数据如下表4所示：
表4
Figure BDA0002083077600000102
Figure BDA0002083077600000111
所述第四实施例中，所述折叠光路系统的参数如下所述：
所述折叠光路系统的最大视场角为70度，所述折叠光路系统的系统长度小于13mm，其中所述折叠光路系统的系统长度是指所述显示单元10到所述折叠光路系统远离所述显示单元10的一侧表面的距离。所述折叠光路系统的透镜直径小于40mm，所述折叠光路系统在频率20lp/mm下的光学传递函数值大于或等于0.5，所述折叠光路系统的系统焦距为16.19mm，所述折叠光路系统的球差为0.27。
其中，所述第一表面41与所述第二表面42可以为偶次非球面结构，其中，所述偶次非球面满足以下关系：
Figure BDA0002083077600000112
其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；αi表示第i次的非球面系数。
于另一实施例中，所述第二表面42与所述第四表面22也可以为奇次非球面结构，其中，所述奇次非球面满足以下关系：
Figure BDA0002083077600000113
其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；βi表示第i次的非球面系数。
请参照图11，图11为第四实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。在所述第一实施例中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值为8.782mm。
请参照图12，图12为第四实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。
请参照图13至图15，在第五实施例中，所述折叠光路系统为单透镜结构，所述补偿透镜为分离式非球面透镜组合，光学系统设计数据如下表5所示：
表5
Figure BDA0002083077600000121
所述第五实施例中，所述折叠光路系统的参数如下所述：
所述折叠光路系统的最大视场角为70度，所述折叠光路系统的系统长度小于13mm，其中所述折叠光路系统的系统长度是指所述显示单元10到所述折叠光路系统远离所述显示单元10的一侧表面的距离。所述折叠光路系统的透镜直径小于40mm，所述折叠光路系统在频率20lp/mm下的光学传递函数值大于或等于0.5，所述折叠光路系统的系统焦距为16.19mm，所述折叠光路系统的球差为0.27。
其中，所述第一表面41与所述第二表面42可以为偶次非球面结构，其中，所述偶次非球面满足以下关系：
Figure BDA0002083077600000131
其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；αi表示第i次的非球面系数。
于另一实施例中，所述第二表面42与所述第四表面22也可以为奇次非球面结构，其中，所述奇次非球面满足以下关系：
Figure BDA0002083077600000132
其中，Y为镜面中心高度，Z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；βi表示第i次的非球面系数。
请参照图14，图14为第五实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。在所述第一实施例中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值为8.991mm。
请参照图15，图15为第五实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。
本发明还提出一种虚拟现实设备，所述虚拟现实设备包括如上述任一实施方式所述的光学系统，该光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该光学系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种补偿镜组，其特征在于，所述补偿镜组应用于折叠光路系统，所述折叠光路系统沿光轴方向依次包括显示单元、第一镜组以及光阑；
所述补偿镜组设于所述第一镜组与所述显示单元之间，所述补偿镜组包括第一补偿透镜，所述第一补偿透镜包括靠近所述显示单元的第一表面以及远离所述显示单元的第二表面，所述补偿镜组用于消除所述折叠光路系统的球差；
所述第一镜组包括靠近所述显示单元的第三表面以及远离所述显示单元的第四表面；所述显示单元发的入射光线在所述第三表面与所述第四表面发生反射；
所述入射光线从所述第一表面进入所述第一补偿透镜，并从所述第二表面射出所述第一补偿透镜，所述入射光线经过所述第一镜组后传输至所述光阑。
2.如权利要求1所述的补偿镜组，其特征在于，所述第一表面与所述第二表面为非球面结构。
3.如权利要求1所述的补偿镜组，其特征在于，所述补偿镜组还包括第二补偿透镜，所述第二补偿透镜设于所述第一补偿透镜与所述第一镜组之间，所述第二补偿透镜具有靠近所述第一补偿透镜的第五表面以及远离所述第一补偿透镜的第六表面。
4.如权利要求3所述的补偿镜组，其特征在于，所述第一表面、所述第二表面、所述第五表面以及所述第六表面均为球面，所述补偿镜组的光焦度与所述第一镜组的光焦度相反。
5.如权利要求3所述的补偿镜组，其特征在于，所述第一补偿透镜与所述第二补偿透镜相分离或通过胶合或密接的方式连接。
6.如权利要求3所述的补偿镜组，其特征在于，所述第一表面、所述第二表面、所述第五表面以及所述第六表面均为非球面结构。
7.如权利要求1-6任一项所述的补偿镜组，其特征在于，所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离小于或等于25mm。
8.如权利要求1-6任一项所述的补偿镜组，其特征在于，所述补偿镜组为光学塑料材质。
9.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括折叠光路系统以及补偿镜组，所述补偿镜组为如权利要求1-8任一项所述的补偿镜组。
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