CN111308709A

CN111308709A - 光学系统及增强现实设备

Info

Publication number: CN111308709A
Application number: CN202010122115.3A
Authority: CN
Inventors: 聂红星; 赵望妮
Original assignee: Goertek Inc
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: CN111308709B

Abstract

本发明公开一种光学系统及增强现实设备，所述光学系统沿光线传输方向依次包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜与所述第四透镜均具有负光焦度，所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第五透镜均具有正光焦度；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为球面透镜，所述第五透镜为非球面透镜，本发明提供一种光学系统及增强现实设备，旨在解决现有技术中AR设备的体积较大，重量较重的问题。

Description

光学系统及增强现实设备

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增强现实设备。

背景技术

可穿戴设备是光电成像领域的新型发展方向，其中增强现实设备作为可穿戴设备中的增强现实设备正在逐渐向轻量化，小型化的方向发展。

现有的AR设备中，光学系统是AR设备中的主要工作部件，其中，光学系统由显示单元与镜组组成，显示单元发出的光线经过镜组作用后传输至人眼，为了提高AR设备的成像质量，AR设备中的镜组通常需要由多个透镜组合使用，当透镜个数较多时，会导致AR设备的体积增加，重量增加。

发明内容

本发明提供一种光学系统及增强现实设备，旨在解决现有技术中AR设备的体积较大，重量较重的问题。

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第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜与所述第四透镜均具有负光焦度，所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第五透镜均具有正光焦度；

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，所述第一表面为凹面结构，所述第二表面为凹面结构；

所述第二透镜包括远离所述显示单元的第三表面以及靠近所述显示单元的第四表面，所述第三表面为凸面结构，所述第四表面为凸面结构；

所述第三透镜包括远离所述显示单元的第五表面以及靠近所述显示单元的第六表面，所述第五表面为凸面结构，所述第六表面为凸面结构；

所述第四透镜包括远离所述显示单元的第七表面以及靠近所述显示单元的第八表面，所述第七表面为凹面结构，所述第八表面为凹面结构；

所述第五透镜包括远离所述显示单元的第九表面以及靠近所述显示单元的第十表面，所述第九表面为凸面非球面结构，所述第十表面为凸面非球面结构。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

-1.5≤f1/f≤-0.5，0.5≤f2/f≤2，1.0≤f3/f≤3，-2≤f4/f≤-0.5，0.5≤f5/f≤5；

其中，所述f为所述光学系统的焦距，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距，所述f5为所述第五透镜的焦距。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

-1≤f1/f3≤-0.5，-1≤f2/f4≤-0.5，0.5≤f3/f5≤3；

其中，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述f3为所述第三透镜的焦距，所述f4为所述第四透镜的焦距，所述f5为所述第五透镜的焦距。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

0.2≤T1/T5≤0.5，1.5≤T2/T4≤5，0.2≤T3/T5≤1，0.02≤T3/TTL≤0.15；

其中，所述T1为所述第一透镜沿光轴方向的镜片厚度，所述T2为所述第二透镜沿光轴方向的镜片厚度，所述T3为所述第三透镜沿光轴方向的镜片厚度，所述T4为所述第四透镜沿光轴方向的镜片厚度，所述T5为所述第五透镜沿光轴方向的镜片厚度，所述TTL为所述光学系统的总长。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

0.2<D1<1，0.09<D2<0.3，0.1<D3<2，0.05<D4<3；

其中，所述D1为所述第二表面与所述第三表面沿光轴方向的距离，所述D2为所述第四表面与所述第五表面沿光轴方向的距离，所述D3为所述第六表面与所述第七表面沿光轴方向的距离，所述D4为所述第八表面与所述第九表面沿光轴方向的距离。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

0.5≤(R21+R22)/(R21-R22)≤1；0.1≤(R41+R42)/(R41-R42)≤2；

其中，

所述R21为所述第三表面的曲率半径，

所述R22为所述第四表面的曲率半径，

所述R41为所述第七表面的曲率半径，

所述R42为所述第八表面的曲率半径。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

Nd1≥1.5，Nd2≥1.78，Nd3≥1.8，Nd4≥1.85，Nd5≥1.49；

其中，所述Nd1为所述第一透镜的折射率，所述Nd2为所述第二透镜的折射率，所述Nd3为所述第三透镜的折射率，所述Nd4为所述第四透镜的折射率，所述Nd5为所述第五透镜的折射率。

可选的，所述光学系统的光圈数小于或等于2.5。

可选的，所述光学系统还包括反射镜，所述反射镜设于所述第一透镜远离所述显示单元的一侧。

可选的，所述光学系统还包括分光棱镜，所述分光棱镜设于所述第一透镜与所述显示单元之间。

为实现上述目的，本申请提出一种增强现实设备，其特征在与，所述增强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内。

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、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜以及第一透镜，其中，所述第一透镜与所述第四透镜均具有负光焦度，所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第五透镜均具有正光焦度，所述第一透镜包括凹向所述显示单元的第二表面以及远离所述显示单元的第一表面，所述第二透镜包括凸向所述显示单元的第四表面以及远离所述显示单元的第三表面，所述第三透镜包括凸向所述显示单元的第六表面以及远离所述显示单元的第五表面，所述第四透镜包括凹向所述显示单元的第八表面以及远离所述显示单元的第七表面，所述第三透镜包括凸向所述显示单元的第十表面以及远离所述显示单元的第九表面，所述显示单元发出的光线依次经过所述第五透镜、所述第四透镜、所述第三透镜、所述第二透镜以及所述第一透镜后射出所述光学系统，在所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的组合作用下，使所述光学系统具有较大视场角的同时，减少所述光学系统使用的透镜个数，从而解决现有技术中AR设备的体积较大，重量较重的问题。

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是本发明光学系统的结构示意图；

图2是本发明光学系统第一实施例的轴向球差图；

图3是本发明光学系统第一实施例的垂轴色差图；

图4是本发明光学系统第一实施例的调制传递函数图；

图5是本发明光学系统第一实施例的场曲与畸变图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	42	第六表面
20	第一透镜	50	第四透镜
				21	第一表面	51	第七表面
22	第二表面	52	第八表面
				30	第二透镜	60	第五透镜
31	第三表面	61	第九表面
				32	第四表面	62	第十表面
40	第三透镜	70	反射镜
				41	第五表面	80	分光棱镜

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增强现实设备。

请参照图1，所述光学系统沿光线传输方向依次包括第一透镜20、第二透镜30以及第三透镜40，所述第一透镜20与所述第四透镜50均具有负光焦度，所述第二透镜30、所述第三透镜40以及所述第五透镜60均具有正光焦度；

其中，光焦度用于表示光学系统偏折光线的能力，其中，当透镜为正光焦度透镜时，透镜具有汇聚光线的能力，当透镜为负光焦度透镜时，透镜具有发散光线的能力。

所述第一透镜20包括远离所述显示单元10的第一表面21以及靠近所述显示单元10的第二表面22，所述第一表面21为凹面结构，所述第二表面22为凹面结构；

所述第二透镜30包括远离所述显示单元10的第三表面31以及靠近所述显示单元10的第四表面32，所述第三表面31为凸面结构，所述第四表面32为凸面结构；

所述第三透镜40包括远离所述显示单元10的第五表面41以及靠近所述显示单元10的第六表面47，所述第五表面41为凸面结构，所述第六表面47为凸面结构；

所述第四透镜50包括远离所述显示单元10的第七表面51以及靠近所述显示单元10的第八表面52，所述第七表面51为凹面结构，所述第八表面52为凹面结构；

所述第五透镜60包括远离所述显示单元10的第九表面61以及靠近所述显示单元10的第十表面62，所述第九表面61为凸面非球面结构，所述第十表面62为凸面非球面结构。

其中，当透镜表面为非球面结构时，能够有效的减小镜片的边缘像差，提高所述投影镜头的性能。通过非球面结构，有效地实现多个球面透镜校正像差的效果，有利于实现所述投影镜头的小型化。

其中，所述显示单元10为显示屏或显示芯片，具体的，所述显示芯片为数字微镜晶片(Digital Micro-mirror Device，DMD)显示芯片，可以理解的是，所述显示芯片不限于此，所述显示芯片还可以为液晶附硅(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)芯片或激光束扫描(Laser Beam Scanning，LBS)芯片或有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)芯片或迷你发光二极管(mini Light Emitting Diode，Mini LED)芯片或微型发光二极管(Micro Light Emitting Diode，Micro LED)芯片。

在本申请的实施方式中，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元10、第五透镜60、第四透镜50、第三透镜40、第二透镜30以及第一透镜20，其中，所述第一透镜20与所述第四透镜50均具有负光焦度，所述第二透镜30、所述第三透镜40以及所述第五透镜60均具有正光焦度，所述第一透镜20包括凹向所述显示单元10的第二表面22以及远离所述显示单元10的第一表面21，所述第二透镜30包括凸向所述显示单元10的第四表面32以及远离所述显示单元10的第三表面31，所述第三透镜40包括凸向所述显示单元10的第六表面47以及远离所述显示单元10的第五表面41，所述第四透镜50包括凹向所述显示单元10的第八表面52以及远离所述显示单元10的第七表面51，所述第三透镜40包括凸向所述显示单元10的第十表面62以及远离所述显示单元10的第九表面61，所述显示单元10发出的光线依次经过所述第五透镜60、所述第四透镜50、所述第三透镜40、所述第二透镜30以及所述第一透镜20后射出所述光学系统，在所述第一透镜20、所述第二透镜30以及所述第三透镜40的组合作用下，使所述光学系统具有较大视场角的同时，减少所述光学系统使用的透镜个数，从而解决现有技术中AR设备的体积较大，重量较重的问题。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

其中，所述f为所述光学系统的焦距，所述f1为所述第一透镜20的焦距，所述f2为所述第二透镜30的焦距，所述f3为所述第三透镜40的焦距，所述f4为所述第四透镜50的焦距，所述f5为所述第五透镜60的焦距。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

-1≤f1/f3≤-0.5，-1≤f2/f4≤-0.5，0.5≤f3/f5≤3；

其中，所述f1为所述第一透镜20的焦距，所述f2为所述第二透镜30的焦距，所述f3为所述第三透镜40的焦距，所述f4为所述第四透镜50的焦距，所述f5为所述第五透镜60的焦距。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

0.2≤T1/T5≤0.5，1.5≤T2/T4≤5，0.2≤T3/T5≤1，0.02≤T3/TTL≤0.15；

其中，所述T1为所述第一透镜20沿光轴方向的镜片厚度，所述T2为所述第二透镜30沿光轴方向的镜片厚度，所述T3为所述第三透镜40沿光轴方向的镜片厚度，所述T4为所述第四透镜50沿光轴方向的镜片厚度，所述T5为所述第五透镜60沿光轴方向的镜片厚度，所述TTL为所述光学系统的总长。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

0.2<D1<1，0.09<D2<0.3，0.1<D3<2，0.05<D4<3；

其中，所述D1为所述第二表面22与所述第三表面31沿光轴方向的距离，所述D2为所述第四表面32与所述第五表面41沿光轴方向的距离，所述D3为所述第六表面47与所述第七表面51沿光轴方向的距离，所述D4为所述第八表面52与所述第九表面61沿光轴方向的距离。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

0.5≤(R21+R22)/(R21-R22)≤1；0.1≤(R41+R42)/(R41-R42)≤2；

其中，所述R21为所述第三表面31的曲率半径，所述R22为所述第四表面32的曲率半径，所述R41为所述第七表面51的曲率半径，所述R42为所述第八表面52的曲率半径。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

Nd1≥1.5，Nd2≥1.78，Nd3≥1.8，Nd4≥1.85，Nd5≥1.49；

其中，所述Nd1为所述第一透镜20的折射率，所述Nd2为所述第二透镜30的折射率，所述Nd3为所述第三透镜40的折射率，所述Nd4为所述第四透镜50的折射率，所述Nd5为所述第五透镜60的折射率。

在可选的实施方式中，所述光学系统的光圈数小于或等于2.5。具体的，光圈数是指所述光学系统的焦距与所述光学系统的通广孔径的比值。当所述光圈数越小时，所述光学系统的通光孔径越大。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括反射镜70，所述反射镜70设于所述第一透镜20远离所述显示单元10的一侧，所述显示单元10发出的光线依次经过所述第三透镜40、所述第二透镜30以及所述第一透镜20之后，在所述反射镜70发生反射并传输至人眼。在一具体的实施方式中，所述反射镜70可以为反射平面镜或反射镜70，所述反射镜70用于改变从所述第一表面21出射光线的方向。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括分光棱镜80，所述分光棱镜80设于所述第一透镜20与所述显示单元10之间，优选的，所述分光棱镜8080为偏振分光棱镜80，具体的，所述显示单元10发出的光线在经过所述分光棱镜80时分为两束光线，其中一束光线透过所述分光棱镜80后，依次经过所述第三透镜40、所述第二透镜30以及所述第一透镜20后射出所述光学系统，另一束光线在所述分光棱镜80发生反射后进入照明系统或其他光学系统中。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括保护玻璃，其中，所述保护玻璃设于所述显示单元10与所述分光棱镜80之间，用于保护所述显示单元10受到外界环境或其他元件的冲击影响。

第一实施例

在第一实施例中，光学系统设计数据如下表1所示：

表1

其中，所述第一表面21至所述第六表面47均为非球面结构，其中A4，A6，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

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7.6mm；

所述第一透镜20的焦距f1为-5.56mm；

所述第二透镜30的焦距f2为6.63mm；

所述第三透镜40的焦距f3为9.29mm；

所述第四透镜50的焦距f4为-8.69mm；

所述第五透镜60的焦距f5为13.59mm；

f1/f＝-0.732；f2/f＝0.872；f3/f＝1.222；f4/f＝-1.143；f5/f＝1.788；

f1/f3＝-0.598；f2/f4＝-0.763；f3/f5＝0.684；

所述光学系统的光圈数为2.5；

所述第一透镜20沿光轴方向的镜片厚度T1为0.82mm；

所述第二透镜30沿光轴方向的镜片厚度T2为2.97mm；

所述第三透镜40沿光轴方向的镜片厚度T3为2.01mm；

所述第四透镜50沿光轴方向的镜片厚度T4为0.80mm；

所述第五透镜60沿光轴方向的镜片厚度T5为2.90mm；

所述光学系统的总长TTL为31mm；

T1/T5＝0.283；T2/T4＝3.7125；T3/T5＝0.693；T3/TTL＝0.065；

所述第二表面22与所述第三表面31沿光轴方向的距离D1为0.39mm；

所述第四表面32与所述第五表面41沿光轴方向的距离D2为0.1mm；

所述第六表面47与所述第七表面51沿光轴方向的距离D3为0.4mm；

所述第八表面52与所述第九表面61沿光轴方向的距离D4为0.4mm；

所述第三表面31的曲率半径R21为83.0mm；

所述第四表面32的曲率半径R22为-6.2mm；

所述第七表面51的曲率半径R41为-13.2mm；

所述第八表面52的曲率半径R42为22.3mm；

(R21+R22)/(R21-R22)＝0.861；

(R31+R32)/(R31-R32)＝0.256；

所述第一透镜20的折射率Nd1为1.52；

所述第二透镜30的折射率Nd2为1.85；

所述第三透镜40的折射率Nd3为1.83；

所述第二透镜30的折射率Nd2为1.92；

所述第三透镜40的折射率Nd3为1.5；

所述光学系统的最大视场角为55度。

请参照图2，图2为第一实施例的轴向球差图，其中，具体的，轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，用于评价轴上物点的成像质量。

请参照图3，图3为第一实施例的所述投影光学系统的垂轴色差图，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。

请参照图4，图4为第一实施例的所述投影光学系统的调制传递函数图，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5，图5为第一实施例的所述投影光学系统的场曲与畸变图，其中，场曲是指像场弯曲，主要用于表示光学系统中，整个光束的交点与理想像点的不重合程度。畸变是指物体通过光学系统成像时，物体不同部分有不同的放大率的像差，畸变会导致物像的相似性变坏，但不影响像的清晰度。

本申请还提出一种增强现实设备，所述增强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第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜以及第一透镜，所述第一透镜与所述第四透镜均具有负光焦度，所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第五透镜均具有正光焦度；

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

-1.5≤f1/f≤-0.5；0.5≤f2/f≤2；1.0≤f3/f≤3；-2≤f4/f≤-0.5；0.5≤f5/f≤5；

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

-1≤f1/f3≤-0.5；-1≤f2/f4≤-0.5；0.5≤f3/f5≤3；

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

0.2≤T1/T5≤0.5；1.5≤T2/T4≤5；0.2≤T3/T5≤1；0.02≤T3/TTL≤0.15；

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

0.2<D1<1；0.09<D2<0.3；0.1<D3<2；0.05<D4<3；

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

0.5≤(R21+R22)/(R21-R22)≤1；0.1≤(R41+R42)/(R41-R42)≤2；

其中，

所述R21为所述第三表面的曲率半径，

所述R22为所述第四表面的曲率半径，

所述R41为所述第七表面的曲率半径，

所述R42为所述第八表面的曲率半径。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

Nd1≥1.5；Nd2≥1.78；Nd3≥1.8；Nd4≥1.85；Nd5≥1.49；

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的光圈数小于或等于2.5。

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反射镜，所述反射镜设于所述第一透镜远离所述显示单元的一侧。

10.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分光棱镜，所述分光棱镜设于所述第一透镜与所述显示单元之间。

11.一种增强现实设备，其特征在与，所述增强现实设备包括壳体与如权利要求1-10任一项所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。