CN110320668B - 光学系统及具有其的虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、分光器、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜、偏振反射器以及出瞳面；所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一表面与靠近所述第二透镜的第二表面；所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面与靠近所述出瞳面的第四表面；所述光学系统满足以下关系：

其中，Φ1表示所述第一透镜的透射光焦度，Φ2表示所述第二透镜的透射光焦度；本发明提供一种投影光学系统及具有其的投影装置，用于解决投影光学系统尺寸较大，影响用户携带与使用的问题。

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设备。

背景技术

虚拟现实技术领域中，为了实现大视场，小体积的设计要求，通常采用折叠光路形式的设计虚拟现实设备的光学系统，但是在折叠光路的光学系统中，由于光线在光学系统的透镜表面多次发生反射，实际光路中光学元件的参数与理论值存在差异，并且实际光路中的入射角度和光线波长差异均会对光学元件的特性产生影响，因此光学系统会出现严重的鬼像问题，从而影响用户对虚拟现实设备中的图像进行观察。

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中鬼像对成像影响大，影响用户对虚拟现实设备中的图像进行观察的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、分光器、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜、偏振反射器以及出瞳面；

所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一表面与靠近所述第二透镜的第二表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面与靠近所述出瞳面的第四表面；

所述光学系统满足以下关系：

其中，Φ1表示所述第一透镜的透射光焦度，Φ2表示所述第二透镜的透射光焦度；

所述显示单元发出的入射光线依次经过所述分光器，所述第一透镜，所述第一相位延迟器、所述第二透镜后，被所述偏振反射器反射，被反射的所述入射光线依次经过所述第三表面、所述第一相位延迟器以及所述第一透镜后，在所述分光器发生反射，再次被反射的所述入射光线依次经过所述第一透镜，所述第一相位延迟器、所述第二透镜以及所述偏振反射器后，传输至所述出瞳面。

可选地，所述第一表面为凸面，所述第二表面为凹面，所述第三表面为凸面。

可选地，所述第一透镜的光焦度Φ1为负值，所述第二透镜的光焦度Φ2为正值。

可选地，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T11表示所述第一表面的透射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R12表示所述第二表面的反射光焦度。

可选地，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R21表示所述第三表面的反射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，(-Φ_T12)表示所述第二表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度。

可选地，所述第一表面为凸面，所述第二表面为凸面，所述第三表面为凹面。

可选地，所述第一透镜的光焦度Φ1为正值，所述第二透镜的光焦度Φ2为负值。

可选地，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T11表示所述第一表面的透射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R12表示所述第二表面的反射光焦度；

Φ_T21表示所述第三表面的透射光焦度，Φ_R22表示所述第四表面的反射光焦度，(-Φ_T21)表示所述第三表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度，(-Φ_T12)表示所述第二表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度。

可选地，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，Φ_T21表示所述第三表面的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R22表示所述第四表面的反射光焦度，Φ_R21表示所述第三表面的反射光焦度；

(-Φ_T12)表示所述第二表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度，(-Φ_T21)表示所述第三表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度。

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，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、分光器、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜、偏振反射器以及出瞳面；所述第一透镜的透射光焦度为Φ1，所述第二透镜的透射光焦度为Φ2，所述第一透镜与所述第二透镜的透射的合成光焦度为

并且

从而使鬼像对应的光学路径无法在人眼可视的深度范围内成清晰像，从而减小或避免鬼像对成像的影响，解决了现有技术中虚拟现实设备中鬼像对成像影响大，影响用户对虚拟现实设备中的图像进行观察的问题。

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是本发明光学系统一实施例的结构示意图；

图2是本发明光学系统一实施例的成像光路示意图；

图3是本发明光学系统一实施例的鬼像光路示意图；

图4是本发明光学系统又一实施例的结构示意图；

图5是本发明光学系统又一实施例的成像光路示意图；

图6是本发明光学系统又一实施例的鬼像光路示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	50	第二透镜
20	分光器	51	第三表面
				30	第一透镜	52	第四表面
31	第一表面	60	偏振反射器
				32	第二表面	70	出瞳面
40	第一相位延迟器

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1，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元10、分光器20、第一透镜30、第一相位延迟器40、第二透镜50、偏振反射器60以及出瞳面70；

所述第一透镜30包括靠近所述显示单元10的第一表面31与靠近所述第二透镜50的第二表面32；

所述第二透镜50包括靠近所述第一透镜30的第三表面51与靠近所述出瞳面70的第四表面52；

所述光学系统满足以下关系：

其中，Φ1表示所述第一透镜30的透射光焦度，Φ2表示所述第二透镜50的透射光焦度；

所述显示单元10发出的入射光线依次经过所述分光器20，所述第一透镜30，所述第一相位延迟器40、所述第二透镜50后，被所述偏振反射器60反射，被反射的所述入射光线依次经过所述第三表面51、所述第一相位延迟器40以及所述第一透镜30后，在所述分光器20发生反射，再次被反射的所述入射光线依次经过所述第一透镜30，所述第一相位延迟器40、所述第二透镜50以及所述偏振反射器60后，传输至所述出瞳面70。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿入射光线传输方向依次包括显示单元10、分光器20、第一透镜30、第一相位延迟器40、第二透镜50、偏振反射器60以及出瞳面70；所述第一透镜30的透射光焦度为Φ1，所述第二透镜50的透射光焦度为Φ2，所述第一透镜30与所述第二透镜50的透射的合成光焦度为

并且

从而使鬼像对应的光学路径无法在人眼可视的深度范围内成清晰像，从而减小或避免鬼像对成像的影响，解决了现有技术中虚拟现实设备中鬼像对成像影响大，影响用户对虚拟现实设备中的图像进行观察的问题。具体的，所述第一透镜30与所述第二透镜50的透射合成光焦度

其中d表示所述第一透镜30的主面与所述第二透镜50的主面之间的距离。

具体的，所述显示单元10发出的入射光线在传输至所述出瞳面70的过程中，会由于所述光学系统中的光学元件的误差而产生鬼像，其中，所述鬼像产生的路径可能包括第一光线路径，其中，

所述第一光线路径为：从所述显示单元10发出的第一光线依次经过所述分光器20、所述第一透镜30、所述第一相位延迟器40、所述第二透镜50以及所述偏振反射器60后，传输至所述出瞳面70。

当所述第一透镜30与所述第二透镜50的透射合成光焦度

时，使沿第一光线路径的鬼影无法形成于所述出瞳面70，从而减小或避免所述鬼像的产生。

优选实施方式中，分光器20可以为分光膜或分光装置，当所述分光器20为分光膜时，所述分光膜可以通过镀膜或贴附的方式设于所述第一表面31，同理，所述偏振反射膜可以通过镀膜或贴附的方式设于所第一表面31，进一步的，所述分光膜为半反半透膜，所述半反半透膜的透射率与反射率的比例为1:1，可以理解的是，所述分光膜分光比例不限于此，于其他实施方式中，所述分光膜的透射率与反射率的比例还可以为4:6或3:7。

优选实施方式中，所述第一相位延迟器40为1/4波片，所述1/4波片的中心波长与所述入射光线的波长相同。

优选实施方式中，所述偏振反射器60为偏振反射片，所述偏振反射片贴附于所述第四表面52。

优选实施方式中，所述显示单元10发出的入射光线为线偏振光，当所述显示单元发出的入射光线为圆偏振光时，所述光学系统还包括偏振片(未标示)与第二相位延迟器(未标示)，所述偏振片设于所述显示单元靠近所述第一透镜的一侧，所述第二相位延迟器设于所述偏振片靠近所述第一透镜的一侧，从而保证所述显示单元发出的入射光线在经过所述偏振片与所述第二相位延迟器后转变为线偏振光。

在一些可选的实施方式中，所述第一表面31为凸面，所述第二表面32为凹面，所述第三表面51为凸面。具体的，所述第一表面31凸向所述显示单元10，所述第二表面32凹向所述第二透镜50；所述第三表面51凸向所述第一透镜30，所述第四表面52为凸面或凹面。

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜30的光焦度Φ1为负值，所述第二透镜50的光焦度Φ2为正值。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T11表示所述第一表面31的透射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面32的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面31的反射光焦度，Φ_R12表示所述第二表面32的反射光焦度。具体的，

表示入射光线依次在经过第一表面31透射，第二表面32反射，第一表面31反射，第二表面32透射，第二透镜50透射后的合成光焦度，当

时，表示入射光线在依次经过第一表面31透射，第二表面32反射，第一表面31反射，第二表面32透射，第二透镜50透射后，相比于入射光线呈发散状态。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_R11表示所述第一表面31的反射光焦度，Φ_R21表示所述第三表面51的反射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面32的透射光焦度，(-Φ_T12)表示所述第二表面32沿入射光线传输的相反方向的透射光焦度。

具体的，

表示入射光线在依次经过第一透镜30透射，第三表面51反射，第二表面32透射，第一表面31反射，第二表面32透射，第二透镜50透射后的合成光焦度，当

时，表示入射光线在依次经过第一透镜30透射，第三表面51反射，第二表面32透射，第一表面31反射，第二表面32透射，第二透镜50透射后，相比于入射光线呈发散状态。

请参照图2与图3，在第一实施例中，在所述光学系统中除了存在可能产生鬼像的第一光线路径外，还包括第二光线路径以及第三光线路径，其中，

所述第二光线路径为：从所述显示单元10发出的第二光线从所述第一表面31透射进入所述第一透镜30，并在所述第二表面32发生反射，所述第二光线在所述第一表面31再次发生反射后，从所述第二表面32射出所述第一透镜30，并依次经过所述第三表面51以及所述第四表面52后传输至所述出瞳面70。

所述第三光线路径为：从所述显示单元10发出的第三光线从所述第一表面31透射进入所述第一透镜30并从所述第二表面32射出所述第一透镜30，在所述第三表面51发生反射以后，透射穿过所述第二表面32，并在所述第一表面31再次发生反射，然后依次经过所述第二表面32、第三表面51后，从所述第四表面52射出所述第二透镜50，并传输至所述出瞳面70。

所述光学系统中，所述第一表面31为凸面，所述第二表面32为凹面，所述第三表面51为凸面，所述第四表面52为凸面或凹面；所述第一透镜30的光焦度Φ1为负值，所述第二透镜50的光焦度Φ2为正值，并且满足如下关系：

其中，

为所述第一光线路径的限定条件，

为所述第二光线路径的限定条件，

为所述第三光线路径的限定条件，所述第一光线路径、所述第二光线路径以及所述第三光线路径的光线在经过所述第一透镜30与所述第二透镜50后均为发散状态，从而使鬼像对应的光学路径无法在人眼可视的深度范围内成清晰像，减小或避免鬼像对成像的影响。

请参照图4，在一些可选的实施方式中，所述第一表面31为凸面，所述第二表面32为凸面，所述第三表面51为凹面。具体的，所述第一表面31凸向所述显示单元10，所述第二表面32凸向所述第二透镜50；所述第三表面51凸向所述第一透镜30，所述第四表面52为凸面或凹面。

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜30的光焦度Φ1为正值，所述第二透镜50的光焦度Φ2为负值。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T11表示所述第一表面31的透射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面32的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面31的反射光焦度，Φ_R12表示所述第二表面32的反射光焦度；Φ_T21表示所述第三表面51的透射光焦度，Φ_R22表示所述第四表面52的反射光焦度，(-Φ_T21)表示所述第三表面51沿入射光线传输的相反方向的透射光焦度，(-Φ_T12)表示所述第二表面32沿入射光线传输的相反方向的透射光焦度。

具体的，设置参数

Φ_ghost1表示第一光线路径的合成光焦度，设置参数

Φ_image表示所述光学系统的成像路径的合成光焦度，当所述Φ_ghost1≥2*Φ_image时，所述光学系统中沿所述第一光线路径形成的鬼像会聚程度大于所述成像路径形成的像，从而保证用户无法观察到鬼像，减轻或避免了鬼像对用户观察的影响。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T12表示所述第二表面32的透射光焦度，Φ_T21表示所述第三表面51的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面31的反射光焦度，Φ_R22表示所述第四表面52的反射光焦度，Φ_R21表示所述第三表面51的反射光焦度；(-Φ_T12)表示所述第二表面32沿入射光线传输的相反方向的透射光焦度，(-Φ_T21)表示所述第三表面51沿入射光线传输的相反方向的透射光焦度。

具体的，设置参数

Φ_ghost1表示第二光线路径的合成光焦度，设置参数

Φ_image表示所述光学系统的成像路径的合成光焦度，当所述Φ_ghost1≥2*Φ_image时，所述光学系统中沿所述第二光线路径形成的鬼像会聚程度大于所述成像路径形成的像，从而保证用户无法观察到鬼像，减轻或避免了鬼像对用户观察的影响。

请参照图5与图6，在第二实施例中，在所述光学系统中除了存在可能产生鬼像的第一光线路径外，还包括第二光线路径以及第三光线路径，其中，所述第二光线路径为：从所述显示单元10发出的第二光线从所述第一表面31透射进入所述第一透镜30，并在所述第二表面32发生反射，所述第二光线在所述第一表面31再次发生反射后，从所述第二表面32射出所述第一透镜30，并依次经过所述第三表面51以及所述第四表面52后传输至所述出瞳面70。

所述第三光线路径为：从所述显示单元10发出的第三光线从所述第一表面31透射进入所述第一透镜30并从所述第二表面32射出所述第一透镜30，在所述第三表面51发生反射以后，透射穿过所述第二表面32，并在所述第一表面31再次发生反射，然后依次经过所述第二表面32、第三表面51后，从所述第四表面52射出所述第二透镜50，并传输至所述出瞳面70。

所述光学系统中，所述第一表面31为凸面，所述第二表面32为凸面，所述第三表面51为凹面，所述第四表面52为凸面或凹面；所述第一透镜30的光焦度Φ1为正值，所述第二透镜50的光焦度Φ2为负值，并且满足如下关系：

其中，

为所述第一光线路径的限定条件，

为所述第二光线路径的限定条件；

为所述第三光线路径的限定条件；

所述第一光线路径、所述第二光线路径以及所述第三光线路径的光线在经过所述第一透镜30与所述第二透镜50后均为会聚状态，并且所述第一光线路径与所述第二光线路径的会聚程度远大于所述成像路径的光线会聚程度，从而使鬼像对应的光学路径无法在人眼可视的深度范围内成清晰像，减小或避免鬼像对成像的影响。

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 (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、分光器、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜、偏振反射器以及出瞳面；

所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一表面与靠近所述第二透镜的第二表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面与靠近所述出瞳面的第四表面；

所述光学系统满足以下关系：

其中，Φ1表示所述第一透镜的透射光焦度，Φ2表示所述第二透镜的透射光焦度，所述

为所述第一透镜与所述第二透镜的透射的合成光焦度；

所述显示单元发出的入射光线依次经过所述分光器，所述第一透镜，所述第一相位延迟器、所述第二透镜后，被所述偏振反射器反射，被反射的所述入射光线依次经过所述第三表面、所述第一相位延迟器以及所述第一透镜后，在所述分光器发生反射，再次被反射的所述入射光线依次经过所述第一透镜，所述第一相位延迟器、所述第二透镜以及所述偏振反射器后，传输至所述出瞳面。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面为凸面，所述第二表面为凹面，所述第三表面为凸面。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的光焦度Φ1为负值，所述第二透镜的光焦度Φ2为正值。

4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T11表示所述第一表面的透射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R12表示所述第二表面的反射光焦度，所述

为所述入射光线依次经过所述第一表面透射，所述第二表面反射，所述第一表面反射，所述第二表面透射，所述第二透镜透射后的合成光焦度。

5.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R21表示所述第三表面的反射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，(-Φ_T12)表示所述第二表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度，所述

为所述入射光线依次经过所述第一透镜透射，所述第三表面反射，所述第二表面透射，所述第一表面反射，所述第二表面透射，所述第二透镜透射后的合成光焦度。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面为凸面，所述第二表面为凸面，所述第三表面为凹面。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的光焦度Φ1为正值，所述第二透镜的光焦度Φ2为负值。

8.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T11表示所述第一表面的透射光焦度，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R12表示所述第二表面的反射光焦度；

Φ_T21表示所述第三表面的透射光焦度，Φ_R22表示所述第四表面的反射光焦度，(-Φ_T21)表示所述第三表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度，(-Φ_T12)表示所述第二表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度，所述

为第一光线路径的合成光焦度，所述

为所述光学系统的成像路径的合成光焦度，所述第一光线路径为从所述显示单元发出的第一光线依次经过所述分光器、所述第一透镜、所述第一相位延迟器、所述第二透镜以及所述偏振反射器后，传输至所述出瞳面。

9.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：

其中，Φ_T12表示所述第二表面的透射光焦度，Φ_T21表示所述第三表面的透射光焦度，Φ_R11表示所述第一表面的反射光焦度，Φ_R22表示所述第四表面的反射光焦度，Φ_R21表示所述第三表面的反射光焦度；

(-Φ_T12)表示所述第二表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度，(-Φ_T21)表示所述第三表面沿光线传输的相反方向的透射光焦度，所述

为第二光线路径的合成光焦度，所述

为所述光学系统的成像路径的合成光焦度，所述第二光线路径为从所述显示单元发出的第二光线从所述第一表面透射进入所述第一透镜，并在所述第二表面发生反射，所述第二光线在所述第一表面再次发生反射后，从所述第二表面射出所述第一透镜，并依次经过所述第三表面以及所述第四表面后传输至所述出瞳面。

10.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括如权利要求1-9任一项所述的光学系统。

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