CN114675419A - 一种近眼型虚拟现实光学模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近眼型虚拟现实光学模组，包括沿光线传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜、第三透镜和孔径光阑，各透镜均为塑料非球面透镜，其中：第一透镜，入光面为凸面，出射面为凹面，且第一透镜的入光面镀有半透半反膜；第二透镜，入光面为凸面，出射面为凸面；第三透镜，入光面为平面，出射面为凸面，且第三透镜的入光面还设有膜层组件，膜层组件包括沿光线传播方向依次设置的抗反射膜、四分之一波片、反射式偏振膜和偏振模；并合理设置各透镜的焦距。该装置可实现大视场角、高分辨率和小型轻量化，并具有调焦功能，适用范围广，客户佩戴舒适性和沉浸体验感好。

Description

一种近眼型虚拟现实光学模组
技术领域
本发明属于成像技术领域，具体涉及一种近眼型虚拟现实光学模组。
背景技术
虚拟现实技术是一种通过光学模组组件将图像信息呈现在人眼前，并通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是人们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来，为计算机技术模拟出来的现实中的世界。近年来随着人工智能、算法等技术的发展，虚拟现实产业正迎来新机遇，且随着元宇宙概念的提出，更加激发了虚拟现实产业在消费市场的需求。鉴于人们对虚拟现实系统中的要求越来越高，光学模组作为虚拟现实系统的核心器件，其性能的提升显得更加重要。
目前市场上所见的光学模组主要采用菲涅尔透镜组或双曲面多透镜组，性能上具有边缘成像清晰度差、视场角相对较小的缺点，且体积大、重量大，因此，会严重影响客户佩戴舒适性和实际沉浸体验感。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种近眼型虚拟现实光学模组，可实现大视场角、高分辨率和小型轻量化，并具有调焦功能，适用范围广，客户佩戴舒适性和沉浸体验感好。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种近眼型虚拟现实光学模组，包括沿光线传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜、第三透镜和孔径光阑，各透镜均为塑料非球面透镜，其中：
第一透镜，入光面为凸面，出射面为凹面，且第一透镜的入光面镀有半透半反膜；
第二透镜，入光面为凸面，出射面为凸面；
第三透镜，入光面为平面，出射面为凸面，且第三透镜的入光面还设有膜层组件，膜层组件包括沿光线传播方向依次设置的抗反射膜、四分之一波片、反射式偏振膜和偏振模；
近眼型虚拟现实光学模组还满足如下条件：
92mm<f1<115mm，80mm<f2<100mm，-180mm<f3<-150mm
其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距。
优选地，显示像源为Micro LED、OLED、LCD、LCOS其中一种。
优选地，各透镜的非球面面型满足如下公式：
Figure BDA0003549841080000021
其中，z为矢高，Y为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第i次的非球面系数。
优选地，第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为1.65、1.54、1.55，阿贝数依次对应为21.2、54.4、56.5。
优选地，近眼型虚拟现实光学模组的光学总长TTL<20mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
该光学模组用于虚拟现实显示，仅采用三片塑料非球面透镜，并通过在第一透镜的入光面镀半透半反膜以及在第三透镜的入光面设置膜层组件，完成光路的折叠实现整个光路的成像，具有大视场角、高分辨率，且镜头的光学总长不超过20mm，大大减小了体积和重量，该光学模组还具有调焦功能，近视眼的人群摘取眼镜即可进行佩戴体验，适用范围广，客户的佩戴舒适性和沉浸体验感良好。
附图说明
图1为本发明的近眼型虚拟现实光学模组结构示意图；
图2为本发明实施例的MTF图；
图3为本发明实施例的弥散斑图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-3所示，一种近眼型虚拟现实光学模组，包括沿光线传播方向依次设置的显示像源IMA、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和孔径光阑STOP，各透镜均为塑料非球面透镜，其中：
第一透镜L1，入光面为凸面，出射面为凹面，且第一透镜L1的入光面镀有半透半反膜；
第二透镜L2，入光面为凸面，出射面为凸面；
第三透镜L3，入光面为平面，出射面为凸面，且第三透镜L3的入光面还设有膜层组件，膜层组件包括沿光线传播方向依次设置的抗反射膜、四分之一波片、反射式偏振膜和偏振模；
近眼型虚拟现实光学模组还满足如下条件：
92mm<f1<115mm，80mm<f2<100mm，-180mm<f3<-150mm
其中，f1为第一透镜L1的焦距，f2为第二透镜L2的焦距，f3为第三透镜L3的焦距。
该光学模组用于虚拟现实显示，仅采用三片塑料非球面透镜，并通过在第一透镜L1的入光面镀半透半反膜以及在第三透镜L3的入光面设置膜层组件，膜层组件包括沿光线传播方向依次设置的抗反射膜、四分之一波片、反射式偏振膜和偏振模，完成光路的折叠实现整个光路的成像，具有大视场角、高分辨率，且镜头的光学总长不超过20mm，大大减小了体积和重量，该光学模组还可实现调焦功能，如采用以下两种方式：1)整体调焦，通过调节显示像源IMA相对于透镜的距离实现调焦功能；2)内部调焦：调节第二透镜L2相对于第一透镜L1和第三透镜L3的相对位置，实现调焦，近视眼的人群摘取眼镜即可进行佩戴体验，适用范围广，客户的佩戴舒适性和沉浸体验感良好。
在一实施例中，显示像源IMA为Micro LED、OLED、LCD、LCOS其中一种。或还可采用现有技术中的其他显示像源。
在一实施例中，该光学系统的任一透镜表面均为偶次非球面面型，各透镜的非球面面型满足如下公式：
Figure BDA0003549841080000041
其中，z为矢高，Y为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第i次的非球面系数。
在一实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3的折射率依次对应为1.65、1.54、1.55，阿贝数依次对应为21.2、54.4、56.5。
具体地，折射率用于表示在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，色散系数用于衡量透镜的成像品质，并且通常情况下，色散系数(阿贝数)与透镜的折射率成反比，折射率越高，表示入射光发生折射的能力越强。当透镜的折射率越大时，色散系数越小，色散越明显，成像质量越差，反之，则成像质量越好。该光学模组通过合理设置各透镜的折射率和阿贝数进行像差校正，保证成像高解析度。
在一实施例中，近眼型虚拟现实光学模组的光学总长TTL<20mm。采用3片塑料非球面透镜实现高分辨率的设计，且整个镜头的光学总长仅有20mm，大大减小了体积和重量。
以下通过具体实施例进行详细说明。
本实施例中光学模组包括沿光线传播方向依次设置的显示像源IMA、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和孔径光阑STOP，各透镜均为塑料非球面透镜，塑胶材料的选择为本领域技术人员熟知的常规材料。第一透镜L1的入光面镀有半透半反膜，第三透镜L3的入光面沿光线传播方向依次设置的抗反射膜(TAC膜)、四分之一波片(QWP膜)、反射式偏振膜(RP膜)和偏振模(Polarizer膜)。抗反射膜起抗反射作用，偏振膜起补强反射式偏振膜(RP)漏光的作用，均不会影响光线偏振态状态转变。
各结构光学参数如表1所示：
表1
Figure BDA0003549841080000051
其中，Nd为折射率，Vd为阿贝数，面号S1、S3、S5依次为第三透镜L3、第二透镜L2和第一透镜L1的出射面，面号S2、S4、S6依次为第三透镜L3、第二透镜L2和第一透镜L1的入光面。
各结构光学参数如表2所示：
表2
Figure BDA0003549841080000052
Figure BDA0003549841080000061
根据上述数据，本实施例中f1＝95.33mm，f2＝83.62mm，f3＝-168.7mm，TTL＝19.8mm。图2为光学模组的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)图，图中显示光学模组在各个视场的MTF值均在0.5以上，具有良好的分辨率。图3为光学模组的弥散斑图，各个视场的弥散斑均已接近高斯极限，成像质量好。
该光学模组工作原理如下：
显示像源IMA发出圆偏振光线，经过第一透镜L1入射到第二透镜L2，然后从第二透镜L2的出射面出射后，向第三透镜L3的入光面传射，然后在第三透镜L3上发生反射再次入射到第二透镜L2，通过第二透镜L2进入到第一透镜L1，并在第一透镜L1的入光面再一次发生反射完成光路的折叠，最终穿过第三透镜L3进入人眼，实现整个光路的成像。
具体地，在第三透镜L3发生反射的原理是在第三透镜L3的入光面贴有复合膜材的膜层组件，该膜层组件包括沿光线反向传播方向依次设置的Polarizer膜、RP膜、QWP膜和TAC膜，四个膜片通过光学胶胶合在一起，组成四合一膜系，显示像源IMA发出第一圆偏振光经过QWP膜后转变为第一线偏振光，第一线偏振光的方向与RP膜的透射轴方向相垂直，因此第一线偏振光会在RP上发生反射，再经过QWP膜，转变成第二圆偏振光，再通过第二透镜L2的入光面后，入射进入到第一透镜L1，并通过第一透镜L1的入光面所镀的半透半反膜，再一次发生反射完成光路的折叠，然后从第一透镜L1的出射面出射，入射到第二透镜L2，再透过第三透镜L3的入光面的膜层组件，先经过QWP膜，第二圆偏振光转变成第二线偏振光，这时第二线偏振光的方向与RP膜的方向一致，第二线偏振光透过RP膜最终穿过第三透镜L3进入人眼，实现整个光路的成像。其中TAC膜起抗反射作用，Polarizer膜起补强RP膜的漏光的作用，均不会影响光线偏振态状态转变。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种近眼型虚拟现实光学模组，其特征在于：所述近眼型虚拟现实光学模组包括沿光线传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜、第三透镜和孔径光阑，各所述透镜均为塑料非球面透镜，其中：
所述第一透镜，入光面为凸面，出射面为凹面，且所述第一透镜的入光面镀有半透半反膜；
所述第二透镜，入光面为凸面，出射面为凸面；
所述第三透镜，入光面为平面，出射面为凸面，且所述第三透镜的入光面还设有膜层组件，所述膜层组件包括沿光线传播方向依次设置的抗反射膜、四分之一波片、反射式偏振膜和偏振模；
所述近眼型虚拟现实光学模组还满足如下条件：
92mm＜f1＜115mm，80mm＜f2＜100mm，-180mm＜f3＜-150mm
其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的近眼型虚拟现实光学模组，其特征在于：所述显示像源为MicroLED、OLED、LCD、LCOS其中一种。
3.如权利要求1所述的近眼型虚拟现实光学模组，其特征在于：各所述透镜的非球面面型满足如下公式：
Figure FDA0003549841070000011
其中，z为矢高，Y为透镜中心高度，k为圆锥系数，C为曲率，ai为第i次的非球面系数。
4.如权利要求1所述的近眼型虚拟现实光学模组，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的折射率依次对应为1.65、1.54、1.55，阿贝数依次对应为21.2、54.4、56.5。
5.如权利要求1所述的近眼型虚拟现实光学模组，其特征在于：所述近眼型虚拟现实光学模组的光学总长TTL＜20mm。
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