CN110262038B - 光学系统及具有其的虚拟现实设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，光学系统沿光轴方向依次包括第一透镜、折叠镜组以及显示单元；第一透镜包括远离显示单元的第一表面以及靠近显示单元的第二表面；第一透镜的有效孔径小于折叠镜组的有效孔径，第一透镜用于减小光学系统的有效孔径；折叠镜组包括第三表面以及第四表面；显示单元发出的入射光线从第四表面进入折叠镜组，并在第三表面以及第四表面之间发生反射，入射光线在第二次经过第三表面时射出第三表面并从第二表面进入第一透镜，入射光线从第一表面射出第一透镜后传输至瞳孔。本发明提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，旨在解决现有技术中虚拟现实设备尺寸较大，视场角较小的问题。

Description

光学系统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，尤其涉及一种光学系统及具有其的虚拟现实装置。
背景技术
在虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术领域中，虚拟现实设备逐渐向着小型化、轻量化、大视场的方向发展。现有的VR光学系统，通常由显示单元以及单透镜进行组合，这种情况下为了避免VR设备的尺寸过大，通常VR设备的视场角在110度以下，而人眼的最佳视场角通常为120度左右，从而导致VR设备无法满足人眼观察的最佳需求，当为了增大VR设备的视场角时，需要对应增大显示单元与透镜的尺寸，从而增大了VR设备的尺寸。
发明内容
本发明提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，旨在解决现有技术中虚拟现实设备尺寸较大，视场角较小的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种光学系统，所述光学系统沿光轴方向依次包括第一透镜、折叠镜组以及显示单元；
所述第一透镜包括远离所述显示单元的第一表面以及靠近所述显示单元的第二表面；
所述第一透镜的有效孔径小于所述折叠镜组的有效孔径，所述第一透镜用于减小所述光学系统的有效孔径；
所述折叠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四表面进入所述折叠镜组，并在所述第三表面以及所述第四表面之间发生反射，所述入射光线在第二次经过所述第三表面时射出所述第三表面并从所述第二表面进入所述第一透镜，所述入射光线从所述第一表面射出所述第一透镜后传输至瞳孔。
可选地，所述第一表面与所述瞳孔的距离大于或等于6mm并且小于或等于7mm。
可选地，所述第一表面的曲率半径大于或等于30mm并且小于或等于50mm。
可选地，所述第一透镜的焦距大于或等于180mm并且小于或等于240mm。
可选地，所述第一表面凹向所述瞳孔，所述第二表面凸向所述折叠镜组。
可选地，所述第一表面与所述第二表面均为球面结构。
可选地，所述折叠镜组沿光轴方向依次包括第二透镜与第三透镜，所述第二透镜靠近所述第一透镜一侧设置，所述第三透镜靠近所述显示单元一侧设置；
所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第五表面以及远离所述第一透镜的第六表面；
所述第三透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面以及远离所述第一透镜的第四表面；
所述第六表面与所述第四表面均为非球面；
所述入射光线从所述第四表面进入所述第三透镜后，依次在所述第三表面与所述第四表面发生反射，所述入射光线在第二次经过所述第三表面时射出所述第三透镜，并从所述第六表面进入所述第二透镜，所述入射光线从所述第五表面射出所述第二镜头后，从所述第二表面进入所述第一透镜，所述入射光线从所述第一表面射出所述第一透镜后传输至瞳孔。
可选地，所述第二透镜与所述第三透镜为胶合连接。
可选地，所述光学系统的视场角为150度。
为实现上述目的，本申请提出一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括如上述任一项实施方式所述的光学系统。
本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光轴方向依次包括第一透镜、折叠镜组以及显示单元，所述第一透镜包括远离所述显示单元的第一表面以及靠近所述显示单元的第二表面，所述折叠光路系统包括靠近所述第一透镜的第三表面以及靠近所述显示单元的第四表面，由于所述第一透镜的有效孔径小于所述折叠镜组的有效孔径，所述显示单元发出的入射光线在经过所述折叠镜组后传输至所述第一透镜后，增了所述第一透镜的所述光学系统的有效孔径相比所述折叠镜组的有效孔径更小，从而解决了现有技术中虚拟现实设备尺寸较大，视场角较小的问题。
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是本发明第一光学光学系统的结构示意图；
图2是本发明第一光学系统一实施例的光路示意图；
图3是本发明第二光学系统又一实施例的结构示意图；
图4是本发明第二光学系统又一实施例的光路示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 第一透镜 31 第五表面
11 第一表面 32 第六表面
12 第二表面 40 第三透镜
20 显示单元 41 第三表面
30 第二透镜 42 第四表面
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。
本发明提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备。
请参照图3，所述光学系统沿光轴方向依次包括第一透镜10、折叠镜组以及显示单元20；
所述第一透镜10包括远离所述显示单元20的第一表面11以及靠近所述显示单元20的第二表面12；
所述第一透镜10用于减小所述折叠镜组的有效孔径；
所述折叠镜组包括靠近所述第一透镜10的第三表面41以及靠近所述显示单元20的第四表面42；
所述显示单元20发出的入射光线从所述第四表面42进入所述折叠镜组，并在所述第三表面41以及所述第四表面42之间发生反射，所述入射光线在第二次经过所述第三表面41时射出所述第三表面41并从所述第二表面12进入所述第一透镜10，所述入射光线从所述第一表面11射出所述第一透镜10后传输至瞳孔。
本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光轴方向依次包括第一透镜10、折叠镜组以及显示单元20，所述第一透镜10包括远离所述显示单元20的第一表面11以及靠近所述显示单元20的第二表面12，所述折叠光路系统包括靠近所述第一透镜10的第三表面41以及靠近所述显示单元20的第四表面42，由于所述第一透镜10的有效孔径小于所述折叠镜组的有效孔径，所述显示单元20发出的入射光线在经过所述折叠镜组后传输至所述第一透镜10后，增了所述第一透镜10的所述光学系统的有效孔径相比所述折叠镜组的有效孔径更小，从而解决了现有技术中虚拟现实设备尺寸较大，视场角较小的问题。
在一些可选的实施方式中，所述第第一表面11与所述瞳孔之间的距离为h，其中6mm≤h≤7mm，具体的，为了保证进入所述瞳孔的所述入射光线能够以较大的视场角能够具有较大视场角的光学系统，在所述瞳孔与所述折叠镜组之间设置所述第一透镜10，并且使所述第第一透镜10靠近所述瞳孔，从而在使通过所述折叠镜组的光全部进入所述第一透镜10的前提下，有效地减少所述光学系统的有效孔径。
在一些可选的实施方式中，所述第一表面11的曲率半径为R，其中30mm≤R≤50mm。
在一些可选的实施方式中，所述第一透镜10的焦距为F，其中180mm≤F≤240mm。
在一些可选的实施方式中，所述第一表面11凹向所述瞳孔，所述第二表面12凸向所述折叠镜组，所述第一透镜10为凹凸透镜。
在一些可选的实施方式中，所述第一透镜10的所述第一表面11与所述第二表面12均为球面结构。
在一些可选的实施方式中，所述折叠镜组包括第二透镜30以及第三透镜40，所述第二透镜30包括靠近所述第一透镜10的第五表面31以及远离所述第一透镜10的第六表面32；所述第三透镜40包括靠近所述第一透镜10的第三表面41以及远离所述第一透镜10的第四表面42；具体的，所述入射光线从所述第四表面42进入所述第三透镜40后，依次在所述第三表面41与所述第四表面42发生反射，所述入射光线在第二次经过所述第三表面41时射出所述第三透镜40，并从所述第六表面32进入所述第二透镜30，所述入射光线从所述第五表面31射出所述第二镜头后，从所述第二表面12进入所述第一透镜10，所述入射光线从所述第一表面11射出所述第一透镜10后传输至瞳孔。
在一些可选的实施方式中，所述第二透镜30与所述第三透镜40为胶合连接，所述第二透镜30的所述第五表面31与所述第三透镜40的所述第六表面32进行胶合。可以理解的是，所述第二透镜30与所述第三透镜40的位置关系不限于此，所述第二透镜30与所述第三透镜40可以为相分离或密接连接。
在一些可选的实施方式中，所述光学系统的视场角为150度，具体的，通过所述第一透镜10与所述第二透镜30，使所述显示单元20边缘发出的入射光线在经过所述第一透镜10与所述第二透镜30后，能够被瞳孔接收，当所述光学系统的视场角为150度时，能够保证用户在对所述光学系统观察时，不会被所述光学系统限制观察角度，从而影响用户的观察体验。
在一些可选的实施方式中，所述第三表面41为凹面，具体的，为了保证所述入射光线在从所述第四表面42进入所述第三透镜40后，在所述第三表面41与所述第四表面42发生发射，所述第二透镜30与所述第三透镜40均为弯月形凹凸透镜，所述第三表面41为凹面，从而使所述入射光线在传输至所述第三表面41时，能够在所述第三表面41发生反射，使所述光学系统的光路进行折叠。
在第一实施例中，请参照图1与图2，所述第一光学系统包括所述显示单元20与所述折叠镜组，该光学系统的设计数据如下表1所示：
表1
Figure BDA0002087828170000071
其中，所述第一光学系统中的各参数如下所述：
所述第一光学系统的视场角(Field of view，FOV)为150度，成像圆直径(Imagecircle)为52mm，所述光学系统的有效孔径为85.72mm。
其中，所述第五表面31、所述第六表面32以及所述第四表面42为非球面结构，其中A2、A4、A8、A10、A12为非球面透镜的非球面高次项系数，具体如表2所示。
表2
表面编号 A2 A4 A6 A8 A10 A12
第五表面31 0.000 -4.114E-06 1.909E-09 0.000 0.000 0.000
第六表面32 0.000 -2.114E-06 1.366E-09 -9.980E-14 0.000 0.000
第四表面42 0.000 5.219E-08 -1.285E-09 1.031E-12 0.000 0.000
在上述仅包括所述显示单元20与所述折叠镜组的所述第一光学系统中，所述第一光学系统设计的视场角为150度，但是由于所述折叠镜组的镜片口径较大，导致了所述折叠镜组的重量较大，所述第一光学系统的有效孔径较大。
请参照图3与图4，所述第二光学系统沿光轴方向依次包括所述第一透镜10、所述折叠镜组以及所述显示单元20，所述第二光学系统的设计数据如下表3所示：
表3
表面编号 表面类型 曲率 厚度 有效孔径 圆锥系数
瞳孔 球面 infinity 6 4 0.000
第一表面11 球面 -35 4.000 16.74 0.000
第二表面12 球面 -27.73 0.999 16.74 0.000
第五表面31 球面 -300 7.002 28.02 0.000
第六表面32 非球面 -68.966 \ 34.50 0.881
第三表面41 非球面 -68.966 12.001 34.5 0.881
第四表面42 非球面 -50.944 \ 34.5 -5.399
显示单元20 球面 Infinity 4.547 \ \
所述第二光学系统中中，各参数如下所述：
所述第二光学系统的视场角(Field of view，FOV)为150度，成像圆直径(Imagecircle)为50mm，所述第三透镜40的最小有效孔径为56mm，所述光学系统的有效孔径为79mm。相比于第一光学系统，通过增加所述第三透镜40的方式，减小了所述光学系统的有效孔径。
其中，所述第六表面32以及所述第四表面42为非球面结构，其中A2、A4、A8、A10、A12为非球面透镜的非球面高次项系数，具体如表4所示。
表4
表面编号 A2 A4 A6 A8 A10 A12
第六表面32 0.000 1.874E-06 0.000 0.000 0.000 0.000
第四表面42 0.000 -3.925E-06 -3.925E-06 8.735E-10 0.000 0.000
其中，所述第六表面32与所述第四表面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 BDA0002087828170000081
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，所述第六表面32与所述第四表面42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 BDA0002087828170000091
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。
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)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光轴方向依次包括第一透镜、折叠镜组以及显示单元；
所述第一透镜包括远离所述显示单元的第一表面以及靠近所述显示单元的第二表面；
所述第一透镜的有效孔径小于所述折叠镜组的有效孔径，所述第一透镜用于减小所述光学系统的有效孔径；
所述第一透镜为凹凸透镜，所述第一表面凹向瞳孔的位置，所述第二表面凸向所述折叠镜组的位置；
所述折叠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四表面进入所述折叠镜组，并在所述第三表面以及所述第四表面之间发生反射，所述入射光线在第二次经过所述第三表面时射出所述第三表面并从所述第二表面进入所述第一透镜，所述入射光线从所述第一表面射出所述第一透镜后传输至瞳孔。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面与所述瞳孔的距离大于或等于6mm并且小于或等于7mm。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面的曲率半径大于或等于30mm并且小于或等于50mm。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的焦距大于或等于180mm并且小于或等于240mm。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面与所述第二表面均为球面结构。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述折叠镜组沿光轴方向依次包括第二透镜与第三透镜，所述第二透镜靠近所述第一透镜一侧设置，所述第三透镜靠近所述显示单元一侧设置；
所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第五表面以及远离所述第一透镜的第六表面；
所述第三透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面以及远离所述第一透镜的第四表面；
所述第六表面与所述第四表面均为非球面；
所述入射光线从所述第四表面进入所述第三透镜后，依次在所述第三表面与所述第四表面发生反射，所述入射光线在第二次经过所述第三表面时射出所述第三透镜，并从所述第六表面进入所述第二透镜，所述入射光线从所述第五表面射出所述第二透镜后，从所述第二表面进入所述第一透镜，所述入射光线从所述第一表面射出所述第一透镜后传输至瞳孔。
7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜与所述第三透镜为胶合连接。
8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的视场角为150度。
9.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括如权利要求1-8任一项所述的光学系统。
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