CN114236825A - 光学系统及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学系统及头戴显示设备，光学系统沿光线传输方向依次包括分光件、第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中，第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，第三透镜具有正光焦度，第三透镜的入光面设有偏振反射膜，定义第一透镜的折射率为n₁，第二透镜的折射率为n₂，第三透镜的折射率为n₃，第一透镜的色散系数为v₁，第二透镜的色散系数为v₂，第三透镜的色散系数为v₃，则n₁<n₂，n₂>n₃，v₁>v₂，v₂<v₃。本申请的技术方案能够有效减少色差，提高成像分辨率。

Description

光学系统及头戴显示设备

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种光学系统及头戴显示设备。

背景技术

随着科学技术的发展，头戴显示设备逐渐向着体积小、重量轻、便携性高的方向发展。

为了满足小体积的要求，头戴显示设备内的显示器的尺寸越来越小，且视场越来越大。这要求头戴显示设备在满足大视场、小像高的同时，需要保证成像的高分辨率、低色差。

发明内容

基于此，针对头戴显示设备在大视场、小像高时，成像分辨率较低、色差较大的问题，有必要提供一种光学系统及头戴显示设备，以提高成像的分辨率，降低成像的色差。

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分光件、第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中，

所述第一透镜具有正光焦度，

所述第二透镜具有负光焦度，

所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜的入光面设有偏振反射膜，

定义所述第一透镜的折射率为n₁，所述第二透镜的折射率为n₂，所述第三透镜的折射率为n₃，所述第一透镜的色散系数为v₁，所述第二透镜的色散系数为v₂，所述第三透镜的色散系数为v₃，则n₁<n₂，n₂>n₃，v₁>v₂，v₂<v₃。

可选地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的折射率均大于1.45且小于1.8，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的色散系数均大于25且小于75。

可选地，所述第一透镜的入光面为凸面，曲率半径大于20mm且小于100mm，所述第三透镜的入光面为凸面，曲率半径大于20mm且小于100mm。

可选地，所述第一透镜的入光面的曲率半径和所述第三透镜的入光面的曲率半径之间的差值不大于10mm。

可选地，所述第一透镜的入光面和出光面均为非球面结构，所述第三透镜的入光面和出光面均为非球面结构。

可选地，所述第一透镜的出光面、所述第二透镜的入光面、所述第二透镜的出光面、所述第三透镜的入光面中任一表面设有四分之一波片。

可选地，所述光学系统满足以下关系：3mm<T₁<8mm，3mm<T₂<5mm，3mm<T₃<8mm，其中，T₁为所述第一透镜的中心厚度，T₂为所述第二透镜的中心厚度，T₃为所述第三透镜的中心厚度。

可选地，所述光学系统的有效焦距大于15mm且小于20mm。

可选地，所述光学系统还包括显示单元、保护玻璃，所述显示单元设于所述分光件远离所述第一透镜的一侧；所述保护玻璃设于所述显示单元和所述分光件之间。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如上任一项所述的光学系统。

本发明提出的技术方案中，光学系统沿光线传输方向依次包括分光件、具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的入光面设有偏振反射膜。第一透镜的折射率较低、色散系数较高，第二透镜的折射率较高、色散系数较低，第三透镜的折射率较低、色散系数较高。光线经过上述各透镜形成的折叠光路后射入人眼，能够有效降低色差，提高分辨率和成像的清晰度，实现高分辨率成像。

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为本发明光学系统的结构示意图；

图2为本发明光学系统的显示单元发散角示意图；

图3为本发明光学系统的主光线入射角度与像高的关系示意图；

图4为本发明光学系统第一实施例的调制传递函数图；

图5为本发明光学系统第一实施例的点列图；

图6为本发明光学系统第一实施例的色差图；

图7为本发明光学系统第二实施例的调制传递函数图；

图8为本发明光学系统第二实施例的点列图；

图9为本发明光学系统第二实施例的色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	40	第二透镜
20	保护玻璃	50	第三透镜
				30	第一透镜	60	人眼

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头戴显示设备。

请参照图1，所述光学系统沿光线传输方向依次包括分光件(图1中未示出)、第一透镜30、第二透镜40、第三透镜50，其中，

第一透镜30具有正光焦度，

第二透镜40具有负光焦度，

第三透镜50具有正光焦度，第三透镜50的入光面设有偏振反射膜，

定义所述第一透镜30的折射率为n₁，所述第二透镜40的折射率为n₂，所述第三透镜50的折射率为n₃，所述第一透镜30的色散系数为v₁，所述第二透镜40的色散系数为v₂，所述第三透镜50的色散系数为v₃，则n₁<n₂，n₂>n₃，v₁>v₂，v₂<v₃。

具体地，分光件对入射的光线进行分光，允许一部分光透射，并使一部分光反射，具体可以是半透半反膜，可通过贴附或镀膜的方式设置于第一透镜30的入光面一侧。

本申请提出的技术方案中，光线从第一透镜30的入光面射入，经过第一透镜30、第二透镜40的透射，再经过第三透镜50的入光面的偏振反射，经过第二透镜40的透射，再从第一透镜30的入光面处反射，经过第一透镜30的出光面、第二透镜40的透射，再经过第三透镜50的透射，射入人眼60。

光线经过上述各透镜形成的折叠光路，能够通过若干次反射增加光程，从而减小光学系统的体积，并且结合各透镜的结构、材料，能够有效降低色差，提高分辨率和成像的清晰度，实现高分辨率成像。

在可选的实施方式中，第一透镜30的出光面、第二透镜40的入光面和出光面、第三透镜50的出光面均可设抗反射膜，以用于加强相应光学面对光线的透射。

在可选的实施方式中，第一透镜30、第二透镜40、第三透镜50的折射率均大于1.45且小于1.8。具体的，折射率是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。

在可选的实施方式中，第一透镜30、第二透镜40、第三透镜50的色散系数均大于25且小于75。具体的，色散系数是衡量镜片成像品质的重要指标，通常用阿贝数表示，色散系数越大，色散越不明显，表示透镜的成像品质越好；色散系数越小，色散越明显，镜片的成像品质就差。

由上述折射率、色散系数范围内的透镜组成的光学系统，能够有效减少成像色差，提高成像分辨率。

在可选的实施方式中，第一透镜30的入光面为凸面，第三透镜50的入光面为凸面。第一透镜30的入光面的曲率半径大于20mm且小于100mm，第三透镜50的入光面的曲率半径大于20mm且小于100mm。

进一步地，第一透镜30的入光面的曲率半径和第三透镜50的入光面的曲率半径之间的差值不大于10mm，这样有利于实现光学系统的无色差、高分辨率成像。

请参照图2和图3，图2为光学系统的显示单元发散角示意图，图3为光学系统的主光线入射角度与像高的关系示意图。

将本光学系统应用至头戴显示设备中，头戴显示设备中还包括显示单元，如显示屏幕，用于发射光线。

在图2中，假设显示屏幕的发散角为30°，第一透镜的入光面和第三透镜的入光面对光线进行凸面反射，在这两个面趋于平行的情况下，可以使显示屏幕的主光线入射角度趋于0，小于显示屏幕的发散角，由此可以提升显示单元的光效利用率。因此，将第一透镜的入光面和第三透镜的入光面的曲率半径的差值设置为不大于10mm，有利于提高光效利用率，也有利于缩小光学系统的体积。

在可选的实施方式中，第一透镜30的入光面和出光面均为非球面结构，第三透镜50的入光面和出光面均为非球面结构。其中，非球面是在镜片的中心至边缘曲率逐渐变化的表面，这种曲率逐渐变化可以是逐渐升高，也可以是逐渐降低。通过这种连续的曲率变化可以减少光轴附近和远离光轴成像差异的情况，即可以减少边缘成像像差，提高光学系统的性能，并有利于实现光学系统的小型化。

在可选的实施方式中，第一透镜30的出光面、第二透镜40的入光面、第二透镜40的出光面、第三透镜50的入光面中任一表面设有四分之一波片。四分之一波片可使偏振光两个振动方向相互垂直的偏振分量间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振特性，即可实现平面偏振光和椭圆偏振光之间的转换。

比如，在第二透镜40的出光面设置四分之一波片，则光线的变化情况如下：光线(如圆偏振光)从第一透镜30的入光面射入，经过第一透镜30、第二透镜40的透射，变为线偏振光，再经过第三透镜50的入光面的偏振反射，经过第二透镜40的透射，变为圆偏振光，再从第一透镜30的入光面处反射，经过第一透镜30的出光面、第二透镜40的透射，变为线偏振光，再经过第三透镜50的透射，投射入人眼60。

在可选的实施方式中，光学系统满足以下关系：3mm<T₁<8mm，3mm<T₂<5mm，3mm<T₃<8mm，其中，T₁为第一透镜的中心厚度，T₂为第二透镜的中心厚度，T₃为第三透镜的中心厚度。通过对各透镜的中心厚度范围的限定，使光学系统更加轻薄，有利于缩小光学系统的尺寸。

在可选的实施方式中，光学系统的有效焦距大于15mm且小于20mm。

在可选的实施方式中，光学系统还包括显示单元10、保护玻璃20。显示单元10设于第一透镜30的入光面一侧，发出光线射入第一透镜30，可以是LCD、OLED、Micro-oled等。保护玻璃20设于显示单元10靠近第一透镜30的一侧，用于保护显示单元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，第一透镜的光焦度为0.0066，第二透镜的光焦度为-0.00607，第三透镜的光焦度为0.0138，第一透镜的入光面和第三透镜的入光面的曲率半径之间的差值为10mm，光学系统的设计数据如下表1所示：

表1

其中，厚度表示该光学面距离下一个光学面的距离，材料表示该光学面到下一个光学面之间都是这种材质，a4、a6、a8表示用于进行面型计算的高次项系数。

请参照图4，图4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。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。图中MTF在60lp/mm时大于0.1，表示成像解析度清晰。

请参照图5，图5为第一实施例的点列图，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，用于评价光学系统的成像质量。列图中像点的最大值与最大视场相对应，点列图最大尺寸在边缘最大视场处，小于7.5μm，表示高清成像。

请参照图6，图6为第一实施例的色差图，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。图中最大色差在最大视场处，最大值小于10μm，可以视为无色差。

第二实施例

在第二实施例中，第一透镜的光焦度为0.0066，第二透镜的光焦度为-0.00645，第三透镜的光焦度为0.016，第一透镜的入光面和第三透镜的入光面的曲率半径之间的差值为4.2mm，光学系统的设计数据如下表2所示：

表2

其中，厚度表示该光学面距离下一个光学面的距离，材料表示该光学面到下一个光学面之间都是这种材质，a4、a6、a8表示用于进行面型计算的高次项系数。

请参照图7，图7为第二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。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。图中MTF在60lp/mm时大于0.3，表征高解析度成像。

请参照图8，图8为第二实施例的点列图，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，用于评价光学系统的成像质量。列图中像点的最大值与最大视场相对应，点列图最大尺寸在边缘最大视场处，小于6μm，表示高清成像。

请参照图9，图9为第二实施例的色差图，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。图中色差在艾里斑以内，最大色差在0.45视场附近，最大值小于4μm，可以视为无色差。

本发明还提出一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括壳体和如上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分光件、第一透镜、第二透镜、第三透镜，其中，

所述第一透镜具有正光焦度，

所述第二透镜具有负光焦度，

所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜的入光面设有偏振反射膜，

定义所述第一透镜的折射率为n₁，所述第二透镜的折射率为n₂，所述第三透镜的折射率为n₃，所述第一透镜的色散系数为v₁，所述第二透镜的色散系数为v₂，所述第三透镜的色散系数为v₃，则n₁<n₂，n₂>n₃，v₁>v₂，v₂<v₃。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的折射率均大于1.45且小于1.8，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的色散系数均大于25且小于75。

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为凸面，曲率半径大于20mm且小于100mm，

所述第三透镜的入光面为凸面，曲率半径大于20mm且小于100mm。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的入光面的曲率半径和所述第三透镜的入光面的曲率半径之间的差值不大于10mm。

5.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和出光面均为非球面结构，

所述第三透镜的入光面和出光面均为非球面结构。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的出光面、所述第二透镜的入光面、所述第二透镜的出光面、所述第三透镜的入光面中任一表面设有四分之一波片。

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：

3mm<T₁<8mm，3mm<T₂<5mm，3mm<T₃<8mm，

其中，T₁为所述第一透镜的中心厚度，T₂为所述第二透镜的中心厚度，T₃为所述第三透镜的中心厚度。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的有效焦距大于15mm且小于20mm。

9.如权利要求1～8任一项所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括显示单元、保护玻璃，

所述显示单元设于所述分光件远离所述第一透镜的一侧；

所述保护玻璃设于所述显示单元和所述分光件之间。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括壳体和如权利要求1至9中任一项所述的光学系统。

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