CN110764266B

CN110764266B - 光学系统及虚拟现实设备

Info

Publication number: CN110764266B
Application number: CN201911111403.2A
Authority: CN
Inventors: 杨春; 孙琦
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2039-11-13
Also published as: CN110764266A

Abstract

本发明公开一种光学系统及虚拟现实设备，所述光学系统沿光线传输方向依次包括光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为平凸透镜，所述光源与所述第一透镜之间还设有分光器；所述第二透镜与所述第三透镜之间还设有第一相位延迟器与反射式偏振片。本发明提供一种光学系统及虚拟现实设备，旨在解决现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴的舒适度低的问题。

Description

光学系统及虚拟现实设备

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虚拟现实设备。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实设备的形态与种类也日益繁多，并且应用领域也愈加广泛，目前的虚拟现实设备，通常将设备中的显示屏通过光学系统的传递和放大后，将输出的图像传递至人眼，因此人眼接收到的是显示屏经过放大后的虚像，从而通过虚拟现实设备实现大屏观看的目的，而为了实现图像的放大，光学系统通常需要多个透镜组合的方式实现，由于多个透镜组合使用时体积较大，进而导致虚拟现实设备的体积较大，降低了用户佩戴的舒适度。

发明内容

本发明提供一种光学系统及虚拟现实设备，旨在解决现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴的舒适度低的问题。

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光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜，

所述第一透镜为平凸透镜，所述第一透镜包括朝向所述光源设置的第一表面以及远离所述光源设置的第二表面；

所述第二透镜为双凹透镜，所述第二透镜包括朝向所述光源设置的第三表面以及远离所述光源设置的第四表面；

所述第三透镜为平凸透镜，所述第三透镜包括朝向所述光源设置的第五表面以及远离所述光源设置的第六表面；

所述光源与所述第一透镜之间还设有分光器；

所述第二透镜与所述第三透镜之间还设有第一相位延迟器与反射式偏振片。

可选的，所述第一表面凸向所述光源设置，所述第六表面凸向远离所述光源的一侧设置。

可选的，所述第一透镜的入光面与出光面均为非球面结构，所述第二透镜的入光面与出光面均为非球面结构，所述第三透镜的入光面与出光面均为非球面结构。

可选的，所述光学系统还包括第二相位延迟器，所述第二相位延迟器设于所述光源与所述第一透镜之间。

可选的，所述光学系统还包括如下关系：

50mm<ABS(R_S1)<60mm；ABS(Conic_S1)<1；

其中，所述R_S1用于表示所述第一表面的曲率半径，所述Conic_S1用于表示所述第一表面的圆锥系数。

可选的，所述光学系统还包括如下关系：

400mm<ABS(R_S4)<500mm；

110mm<ABS(R_S3)<150mm；

ABS(Conic_S4)<1；

其中，所述R_S4用于表示所述第四表面的曲率半径，所述R_S3用于表是所述第三表面的曲率半径，所述Conic_S4用于表示所述第四表面的圆锥系数。

可选的，所述光学系统还包括如下关系：

55mm<ABS(R_S5)<60mm；ABS(Conic_S5)<2；

其中，所述R_S5用于表示所述第五表面的曲率半径，所述Conic_S5用于表示所述第五表面的圆锥系数。

可选的，所述光学系统还包括如下关系：

5mm<T1<7mm；2mm<T2≤2.5mm；3mm<T3<3.5mm；

其中，所述T1用于表示所述第一透镜的厚度，所述T2用于表示所述第二透镜的厚度，所述T3用于表示所述第三透镜的厚度。

可选的，所述光学系统还包括如下关系：

1mm<L1<2mm；1mm<L2<1.5mm；0.5mm<L3<1mm；

其中，所述L1用于表示所述光源与所述第一表面的间距，所述L2用于表示第二表面与所述第三表面的间距，所述L3用于表示所述第四表面与所述第五表面的间距。

可选的，所述光学系统还包括如下关系：

5*f<f1<f3<6*f；9*f<ABS(f2)<10*f；

其中，所述f用于表示所述光学系统的焦距，所述f1用于表示所述第一透镜的焦距，所述f2用于表示所述第二透镜的焦距，所述f3用于表示所述第三透镜的焦距。

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壳体与如上述任一项实施方式所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体中。

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光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜为平凸透镜，所述光源与所述第一透镜之间设有分光器，所述第二透镜与所述第三透镜之间还设有第一相位延迟器与反射式偏振片，

具体的，所述光源发出的光线为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光经过所述分光器后，依次经过所述第一透镜、所述第二透镜后，在通过所述第一相位延迟器后所述圆偏振光变为第一线偏振光；

所述第一线偏振光被所述反射式偏振片反射，再次经过所述第一相位延迟器，所述第一线偏振光在所述相位延迟器的作用下变为第一圆偏振光；

所述第一圆偏振光经过所述第二透镜与所述第一透镜后，在所述分光器再次发生反射，并且从所述第一圆偏振光转变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光的偏转方向与所述第一圆偏振光的旋性相反；

所述第二圆偏振光一次经过所述第一透镜与所述第二透镜后，再次经过所述第一相位延迟器，并从所述第二圆偏振光转变为第二线偏振光；

所述第二线偏振光通过所述反射式偏振片后再经过所述第三透镜后传输至人眼，并且光线经过反射后，所述光源发出的光线在所述第一透镜与所述第二透镜之间发生两次反射，通过反射的方式增加了所述入射光线在所述光学系统内的光程，从而减小所述光学系统的体积，进而减小所述虚拟现实设备的体积，解决现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴的舒适度低的问题。

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光路示意图；

图3是本发明光学系统一实施例的点列图；

图4是本发明光学系统一实施例的场曲与光学畸变图；

图5是本发明光学系统一实施例的垂轴色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	光源	32	第四表面
20	第一透镜	40	第三透镜
				21	第一表面	41	第五表面
22	第二表面	42	第六表面
				30	第二透镜
31	第三表面

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光源10、第一透镜20、第二透镜30、第三透镜40，

所述第一透镜20为平凸透镜，所述第一透镜20包括朝向所述光源10设置的第一表面21以及远离所述光源10设置的第二表面22；

所述第二透镜30为双凹透镜，所述第二透镜30包括朝向所述光源10设置的第三表面31以及远离所述光源10设置的第四表面32；

所述第三透镜40为平凸透镜，所述第三透镜40包括朝向所述光源10设置的第五表面41以及远离所述光源10设置的第六表面42；

所述光源10与所述第一透镜20之间设有分光器，具体的，所述分光器为所述分光膜，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21。优选实施方式中，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。

所述第二透镜30与所述第三透镜40之间还设有第一相位延迟器与反射式偏振片。其中，所述第一相位延迟器用于调整光线的偏振态，所述反射式偏振片用于对光线进行透射或反射，当光线的偏振方向与所述反射式偏振片的透射方向相同时，光线透过所述反射式偏振片，当光线的偏振方向与所述反射式偏振片的反射方向相同时，光线在所述发射式偏振片发生发射。具体的，所述第一相位延迟器为第一1/4波片，优选实施方式中，所述第一1/4波片贴附与所述第四表面32或所述第五表面41设置，并且所述第一1/4波片的中心波长与所述光源10发出的光线的波长相同。当光线第一次通过所述第一1/4波片时，光线的偏振态或偏振方向发生改变，光线的偏振方向变为与所述反射式偏振片的反射方向相同，光线被所述反射式偏振片反射，当光线第二次通过所述第一1/4波片时，光线的偏振方向变为与所述反射式偏振片的透射方向相同，光线从所述反射式偏振片通过。优选实施方式中，所述第一1/4波片的快轴或慢轴与所述反射式偏振片的透射方向或反射方向呈45度夹角。

在一具体实施方式中，所述光源10发出的光线为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光经过所述分光器后，依次经过所述第一透镜20、所述第二透镜30后，在通过所述第一相位延迟器后所述圆偏振光变为第一线偏振光；

所述第一圆偏振光经过所述第二透镜30与所述第一透镜20后，在所述分光器再次发生反射，并且从所述第一圆偏振光转变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光的偏转方向与所述第一圆偏振光的旋性相反；

所述第二圆偏振光一次经过所述第一透镜20与所述第二透镜30后，再次经过所述第一相位延迟器，并从所述第二圆偏振光转变为第二线偏振光，所述第二线偏振光的偏振方向与所述第一线偏振光的偏振方向相互垂直；

所述第二线偏振光通过所述反射式偏振片后再经过所述第三透镜40后传输至人眼，并且光线经过反射后，所述光源10发出的光线在所述第一透镜20与所述第二透镜30之间发生两次反射，通过反射的方式增加了所述入射光线在所述光学系统内的光程，从而减小所述光学系统的体积，进而减小所述虚拟现实设备的体积，解决现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴的舒适度低的问题。

优选实施方式中，所述第一表面21凸向所述光源10设置，所述第六表面42凸向远离所述光源10的一侧设置。

在可选实施方式中，所述第一表面21与所述第二表面22均为非球面结构，所述第三表面31为非球面结构，所述第四表面32可以为球面结构或非球面结构，所述第五表面41与所述第六表面42均为非球面结构。具体的，非球面结构相比于球面结构，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。

在可选实施方式中，所述光学系统还包括第二相位延迟器，当所述光源10发出的光线为线偏振光，为了保证光线能够在后续的所述光学系统中正常工作，通过所述第二相位延迟器将线偏振光转变为圆偏振光，优选实施方式中，所述第二相位延迟器的快轴或慢轴方向与与所述光源10发出的线偏振光的偏振方向呈45度夹角。在具体的实施方式中，所述第二相位延迟器为第二1/4波片，所述第二1/4波片的中心波长与所述光源10发出的光线的波长相同，并且所述第二1/4波片的快轴或慢轴与所述光源10发出的线偏振光的偏振方向呈45度夹角。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括如下关系：

50mm<ABS(R_S1)<60mm；

ABS(Conic_S1)<1；

其中，所述R_S1用于表示所述第一表面21的曲率半径，所述Conic_S1用于表示所述第一表面21的圆锥系数。

其中，所述曲率半径用于表示曲面弯曲的程度，所述圆锥系数用于表示非球面结构的曲面函数中的非球面二次曲面系数，具体实施方式中，通过所述曲率半径与所述圆锥系数表示所述非球面结构的形状。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括如下关系：

400mm<ABS(R_S4)<500mm；

110mm<ABS(R_S3)<150mm；

ABS(Conic_S4)<1；

其中，所述R_S4用于表示所述第四表面32的曲率半径，所述R_S3用于表是所述第三表面31的曲率半径，所述Conic_S4用于表示所述第四表面32的圆锥系数。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括如下关系：

55mm<ABS(R_S5)<60mm；

ABS(Conic_S5)<2；

其中，所述R_S5用于表示所述第五表面41的曲率半径，所述Conic_S5用于表示所述第五表面41的圆锥系数。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括如下关系：

5mm<T1<7mm；

2mm<T2≤2.5mm；

3mm<T3<3.5mm；

其中，所述T1用于表示所述第一透镜20沿光轴方向的厚度，所述T2用于表示所述第二透镜30沿光轴方向的厚度，所述T3用于表示所述第三透镜40沿光轴方向的厚度。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括如下关系：

1mm<L1<2mm；

1mm<L2<1.5mm；

0.5mm<L3<1mm；

其中，所述L1用于表示所述光源10与所述第一表面21的间距，所述L2用于表示第二表面22与所述第三表面31的间距，所述L3用于表示所述第四表面32与所述第五表面41的间距。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括如下关系：

5*f<f1<f3<6*f；

9*f<ABS(f2)<10*f；

其中，所述f用于表示所述光学系统的焦距，所述f1用于表示所述第一透镜20的焦距，所述f2用于表示所述第二透镜30的焦距，所述f3用于表示所述第三透镜40的焦距。

第一实施例

在第一实施例中，所述光学系统的设计数据如表1所示：

表1

其中，A2与A4用于表示非球面的偶次非球面系数。

所述第一实施例中，各参数如下所述：

所述光学系统的焦距f为19.13mm；

所述光学系统的总长为16.35mm；

所述第一透镜20的焦距f1为101.340mm；

所述第二透镜30的焦距f2为-185.084mm；

所述第三透镜40的焦距f3为106.66mm；

ABS(R_S1)＝55.478；ABS(Conic_S1)＝0.789；

ABS(R_S4)＝410.6415；ABS(R_S3)＝134.7656；ABS(Conic_S4)＝0；

ABS(R_S5)＝58.38952；ABS(Conic_S5)＝1.621；

T1＝6.09mm；T2＝2.2mm；T3＝3.231mm；

L1＝1.7mm；L2＝1.394mm；L3＝0.854mm；

其中，所述第二表面22与所述第四表面32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：

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22与所述第四表面32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：

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3，图3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58μm。

请参照图4，图4为第一实施例的场曲与光学畸变图，其中，场曲用于表示不同视场点的光束像点离开像面的位置变化，光学畸变是指某一视场主波长时的主光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离；在所述第一实施例中，在切线面以及弧矢面的场曲均小于±0.8mm，且切线面与弧矢面的最大场曲差异小于1.2mm，其中最大畸变为最大视场处，最大畸变＜28.3％。

请参照图5，图5为第一实施例的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值；在所述第一实施例中，所述光学系统的最大色散为所述光学系统的视场最大位置，所述光学系统的最大色差值小于105μm，最大视场为83deg，配合后期的软件校正，可满足用户的需求。

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

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光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中，所述光学系统中具有光焦度的透镜为第一透镜、第二透镜及第三透镜；

所述第一透镜为平凸透镜，所述第一透镜包括朝向所述光源设置的第一表面以及远离所述光源设置的第二表面，所述第一透镜的光焦度为正值；

所述第二透镜为双凹透镜，所述第二透镜包括朝向所述光源设置的第三表面以及远离所述光源设置的第四表面，所述第二透镜的光焦度为负值；

所述第三透镜为平凸透镜，所述第三透镜包括朝向所述光源设置的第五表面以及远离所述光源设置的第六表面，所述第三透镜的光焦度为正值；

所述光源与所述第一透镜之间还设有分光器；

所述第二透镜与所述第三透镜之间还设有第一相位延迟器与反射式偏振片；

所述光学系统还包括以下关系：

2mm<T2≤2.5mm，5*f<f1<f3<6*f；9*f<ABS(f2)<10*f，所述光学系统的光焦度为正值；

所述T2用于表示所述第二透镜的厚度，其中，所述f用于表示所述光学系统的焦距，所述f1用于表示所述第一透镜的焦距，所述f2用于表示所述第二透镜的焦距，所述f3用于表示所述第三透镜的焦距。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面凸向所述光源设置，所述第六表面凸向远离所述光源的一侧设置。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的入光面与出光面均为非球面结构，所述第二透镜的入光面与出光面均为非球面结构，所述第三透镜的入光面与出光面均为非球面结构。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括第二相位延迟器，所述第二相位延迟器设于所述光源与所述第一透镜之间。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括如下关系：

50mm<ABS(R_S1)<60mm；ABS(Conic_S1)<1；

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括如下关系：

400mm<ABS(R_S4)<500mm；

110mm<ABS(R_S3)<150mm；

ABS (Conic_S4) <1；

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括如下关系：

55mm<ABS(R_S5)<60mm；ABS(Conic_S5)<2；

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括如下关系：

5mm<T1<7mm；3mm<T3<3.5mm；

其中，所述T1用于表示所述第一透镜的厚度，所述T3用于表示所述第三透镜的厚度。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括如下关系：

1mm<L1<2mm；1mm<L2<1.5mm；0.5mm<L3<1mm；

10.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括壳体与如权利要求1-9任一项所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体中。