CN115097614A

CN115097614A - 光学系统及vr设备

Info

Publication number: CN115097614A
Application number: CN202211016011.XA
Authority: CN
Inventors: 于笑枝; 曾昊杰; 江霞
Original assignee: Jiangxi Lianhao Photoelectric Co ltd
Current assignee: Jiangxi Lianhao Photoelectric Co ltd
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2042-08-24
Also published as: CN115097614B

Abstract

本发明公开了一种光学系统及VR设备，该光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜及复合膜片；显示单元用于提供偏振光光源；第一透镜包括朝向显示单元的第一表面以及背离显示单元的第二表面，第二透镜包括朝向显示单元的第三表面以及背离显示单元的第四表面；第一透镜具有负光焦度，第一表面在近光轴处为凹面，第二表面为凹面且第二表面设置有部分反射器；第二透镜具有正光焦度，第三表面为凸面，第四表面为平面；第一透镜和第二透镜在光轴上的空气间隔CT12动态可调；复合膜片设置或贴附在第四表面，复合膜片沿光线传输方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片。该光学系统具有视场角大、总长短、屈光度可调的优点。

Description

光学系统及VR设备

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种光学系统及VR设备。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实（VR）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VR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。为了实现紧凑的尺寸和较轻的重量，同时保持良好的光学特性，近年来多使用折叠光路技术，VR折叠式光学镜头以轻薄、优秀的成像质量以及逐步成熟的量产工艺，逐渐成为消费级VR设备的发展方向。

为了给用户提供极佳的感官体验，VR设备需要具备较大的视场角、较远的眼距距离、较大的眼动范围以及较高品质的成像，同时为了满足不同近视程度的用户，还需要具备屈光度可调，然而当前折叠式光路光学方案存在视场角度较小、屈光度调节不佳等问题，不能很好的满足市场的需求。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种光学系统及VR设备，具有大视场角、总长短、屈光度可调的优点。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

一方面，本发明实施例提供一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜以及复合膜片；

所述显示单元用于为光学系统提供偏振光光源；

所述第一透镜包括朝向所述显示单元的第一表面以及背离所述显示单元的第二表面，所述第二透镜包括朝向所述显示单元的第三表面以及背离所述显示单元的第四表面；

所述第一透镜具有负光焦度，所述第一表面在近光轴处为凹面，所述第二表面为凹面，且所述第二表面设置有部分反射器；

所述第二透镜具有正光焦度，所述第三表面为凸面，所述第四表面为平面；

所述第一透镜和所述第二透镜在光轴上的空气间隔CT12动态可调；

所述复合膜片设置或贴附在所述第四表面上，且所述复合膜片沿光线传输方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片。

另一方面，本发明还提供一种VR设备，所述VR设备包括如上所述的光学系统。

本发明提供的光学系统及VR设备，采用两个具有特定光焦度的镜片，以及将复合膜片设置在特定的位置，各个透镜通过特定的表面形状搭配及膜层设置实现光路的多次折返，扩大光路总长，使得光学系统具有较大的视场角和较短的总长，有利于VR设备的轻薄化；同时较大的视场角可以提供宽视场的显示效果，提高用户的沉浸感，从而给用户带来更好的体验感。同时由于第一、二透镜间的空气间隔动态可调，通过控制第一、二透镜间的距离即可实现屈光度的调节，而且所述光学系统还具有较大的出瞳距离，能够为用户带来极佳的感官体验。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为0°时的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为700°时的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的光学系统在VR设备中的光线传递示意图；

图4是本发明第一实施例提供的光学系统的象散曲线图；

图5是本发明第一实施例提供的光学系统的f-tanθ畸变曲线图；

图6是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为0°时的MTF曲线图；

图7是本发明第一实施例提供的光学系统在屈光度为700°时的MTF曲线图；

图8是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为0°时的结构示意图；

图9是本发明第二实施例提供的光学系统的象散曲线图；

图10是本发明第二实施例提供的光学系统的f-tanθ畸变曲线图；

图11是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为0°时的MTF曲线图；

图12是本发明第二实施例提供的光学系统在屈光度为700°时的MTF曲线图；

图13是本发明第三实施例提供的光学系统在屈光度为0°时的结构示意图；

图14是本发明第三实施例提供的光学系统的象散曲线图；

图15是本发明第三实施例提供的光学系统的f-tanθ畸变曲线图；

图16是本发明第三实施例提供的光学系统在屈光度为0°时的MTF曲线图；

图17是本发明第三实施例提供的光学系统在屈光度为700°时的MTF曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明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，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

本发明提供一种光学系统，所述光学系统能够对入射的光路进行折叠，以有效减小光学系统的厚度，具体地，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜以及复合膜片。

所述显示单元用于为光学系统提供偏振光光源，可以是圆偏振光或者线偏振光。

所述第一透镜包括朝向所述显示单元的第一表面以及背离所述显示单元的第二表面，所述第二透镜包括朝向所述显示单元的第三表面以及背离所述显示单元的第四表面。

所述第一透镜具有负光焦度，所述第一表面在近光轴处为凹面，所述第二表面为凹面，且所述第二表面设置有部分反射器，该部分反射器是部分反射的，以反射接收光的一部分。在一些实施例中，部分反射器被配置成透射约50%的入射光、并反射约50%的入射光，具体可以是在第二表面镀设或贴附半透半反射膜。

所述第二透镜具有正光焦度，所述第三表面为凸面，所述第四表面为平面。

所述第一透镜和所述第二透镜在光轴上的空气间隔CT12动态可调，通过调节第一、二透镜间的空气间隔，使光学系统实现屈光度可调，能够更好满足不同近视程度的用户需求。

所述复合膜片设置或贴附在所述第四表面，且所述复合膜片沿光线传输方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片；所述反射式偏振片具有透光轴，对入射的光线具有反射和透光作用，作为一种实施方式，所述反射式偏振片可以是通过镀膜方式形成的反射式偏振膜，并被配置为允许偏振方向平行于透光轴的偏振光通过，并将偏振方向与透光轴垂直的偏振光反射。所述相位延迟片可以为1/4波片膜，能够实现线偏振光和圆偏振光的互相转换。

在一些实施方式中，所述复合膜片还包括偏振片，所述偏振片设置在所述反射式偏振片远离所述相位延迟片的一侧，所述偏振片能够进一步过滤掉其它方向偏振态的入射光，仅使偏振方向平行于透光轴的偏振光通过。

本发明还提供一种VR设备，所述VR设备包括如上所述的光学系统。

为了更好实现光学系统的屈光度可调，所述光学系统满足以下条件式：

1.5mm<CT12<8.0mm；（1）

其中，CT12表示第一透镜和第二透镜在光轴上的空气间隔。满足条件式（1），通过合理调整第一、二透镜间的空气间隔，能够有效调节光学系统的屈光度，从而更好满足不同近视程度的用户需求。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

0°≤P≤700°；（2）

其中，P表示所述光学系统的屈光度。满足上述条件式（2），表明所述光学系统能够实现0~700度的近视可调，不同近视程度的用户佩戴均具有良好的感官体验。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

10mm<ED<11.5mm；（3）

其中，ED表示所述光学系统的出瞳距离。满足上述条件式（3），表明所述光学系统具有较大的眼动范围，能够为用户提供更好的体验。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

-4<f1/f<-1.5；（4）

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，f1表示所述第一透镜的有效焦距。满足条件式（4），通过合理地控制第一透镜的有效焦距在整个光学系统中的占比，有利于校正镜头在不同屈光度时的像差，提高所述光学系统的成像质量。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

2<f2/f<4；（5）

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，f2表示所述第二透镜的有效焦距。满足条件式（5），通过控制第二透镜的有效焦距占比，有利于降低光线在第二透镜上多次透射产生的像差，进而实现光路的折叠，有利于缩短所述光学系统的总长，实现VR设备的轻薄化。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

1.2<D/f<2；（6）

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，D表示所述光学系统的有效口径。满足条件式（6），通过合理地控制光学系统的有效口径与有效焦距的比值，有利于增大所述光学系统的视场角，同时使所述光学系统的体积小型化。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

-11<f_S2/f<-7；（7）

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，f_S2表示第二表面的有效焦距。满足条件式（7），通过合地控制第二表面的有效焦距占比，有利于校正光线在第二表面反射过程中产生的像差，使所述光学系统具有较大的视场角，同时有利于缩短所述光学系统的总长。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

0.1<R_S3/R_S2<0.5；（8）

其中，R_S2表示所述第二表面的曲率半径，R_S3表示所述第三表面的曲率半径。满足条件式（8），通过合理地控制两个相邻表面的曲率半径比值，有利于校正轴外视场的像差，使所述光学系统在不同屈光度时均具有较高的成像质量。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

-0.5<R_S1/R_S2<-0.1；（9）

其中，R_S1表示所述第一表面的曲率半径，R_S2表示所述第二表面的曲率半径。满足条件式（9）时，能够合理的控制所述第一透镜的面型，可有效减缓光线的转折度，能够使所述光学系统在不同屈光度时均具有较好的成像质量，提高VR设备的整体成像质量。

在一些可选的实施例中，所述光学系统满足以下条件式：

1.1<CT1/ET1<1.5；（10）

2.2<CT2/ET2<3.0；（11）

其中，CT1表示第一透镜的中心厚度，CT2表示第二透镜的中心厚度，ET1表示第一透镜在最大有效口径处的厚度，ET2表示第二透镜在最大有效口径处的厚度。满足条件式（10）和（11），能够合理控制第一透镜和第二透镜的厚薄比，降低透镜的成型难度，从而降低透镜的加工敏感度，提高生产良率。

作为一种实施方式，第一透镜和第二透镜可以采用球面镜片或者非球面镜片，可选的，第一透镜的第一表面、第二表面以及第二透镜的第三表面均为非球面结构，非球面结构相比于球面结构，能够有效减小所述光学系统的像差，从而减少透镜的个数及减小透镜的尺寸，更好实现镜头的小型化。

作为一种实施方式，当光学系统中的透镜表面为非球面透镜时，非球面面型可以满足下列方程：

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数conic，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

本发明提供的光学系统及VR设备，通过合理搭配两个具有特定光焦度的镜片形状，并将复合膜片设置在特定的位置，使光线在第二透镜内进出三次，从而很好地实现了光路的折叠，使搭载该光学系统的VR设备具有比较紧凑的尺寸和较轻的重量，同时还具有较高的成像质量；由于第一、二透镜间的空气间隔动态可调，通过控制第一、二透镜间的距离即可实现屈光度的调节，同时所述光学系统还具有较大的视场角和眼动范围，能够为用户带来极佳的感官体验。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下各个实施例中，光学系统中各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。

第一实施例

请参阅图1至图2，所示为本发明第一实施例提供的光学系统100的结构图，沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一透镜20、第二透镜30以及复合膜片40。

其中，显示单元10用于为光学系统提供偏振光光源，具体在本实施例中，显示单元10可以是显示屏，其发射用于成像显示的光线，其发出的光线可以是左旋圆偏振光LCP。

第一透镜20包括朝向所述显示单元10的第一表面S1以及背离所述显示单元10的第二表面S2，第二透镜30包括朝向所述显示单元10的第三表面S3以及背离所述显示单元10的第四表面S4。

第一透镜20具有负光焦度，第一表面S1在近光轴处为凹面且存在反曲点，第二表面S2为凹面，且第二表面S2上设置有部分反射器21，具体的，部分反射器21可以是镀设或贴附在第二表面S2的半透半反射膜。

第二透镜30具有正光焦度，第三表面S3为凸面，第四表面S4为平面。

第一透镜20和第二透镜30采用塑胶非球面镜片。

复合膜片40设置或贴附在第四表面S4上，且复合膜片40沿光线传输方向依次包括相位延迟片41和反射式偏振片42。所述相位延迟片41可以是镀设在第四表面S4上的1/4波片膜，能够实现线偏振光和圆偏振光的互相转换；所述反射式偏振片42可以是通过镀膜方式形成的反射式偏振膜，并被配置为对S线偏振光全反射和P线偏振光全透过。

将本实施例的光学系统100应用在VR设备中，请参阅图3，图3是VR设备中光学系统的光线传递示意图，其中，物面为VR设备中人眼所观察到的虚像面，像面为VR设备中的显示单元。所述光学系统100的光线传递过程为：从显示单元10发出左旋圆偏振光LCP光（leftCircular Polarized），LCP光依次透射经过第一透镜20和第二透镜30，然后第一次经过1/4波片膜后，转换为S线偏振光；S线偏振光传播到反射式偏振片42时发生全反射，被反射为沿反方向行进的S线偏振光；S线偏振光第二次经过1/4波片膜后，再次转换为LCP光；LCP光经过第二透镜30后传播到第一透镜20的第二表面S2，由于第二表面S2镀设有半透半反射膜，LCP光被第二表面S2反射为右旋圆偏振光RCP（Right Circular Polarized）；RCP光经过第二透镜30后，第三次经过1/4波片膜后，被转换为P线偏振光；该P线偏振光经过反射式偏振片42后，传播进入人眼。为更好过滤掉其它方向偏振态的光，只透过P线偏振光，复合膜片40还可以包括偏振片43，所述偏振片43设置在反射式偏振片42远离所述相位延迟片41一侧。

请参照表1，所示为本发明第一实施例提供的光学系统100中各个镜片的相关参数如表1所示。

表1

请参照表2，所示为第一实施例提供的光学系统100的各非球面的面型系数。

表 2

第一透镜20和第二透镜30在光轴上的空气间隔CT12可根据需要进行动态调节，且CT12的调节范围在1.814~6.528mm，可实现0~700度的近视可调，从而使不同近视程度的用户佩戴均具有良好的感官体验。如图1所示，为光学系统100在屈光度为0°时的结构示意图，此时CT12为6.528mm，视场角为90°；如图2所示，为光学系统100在屈光度为700°时的结构示意图，此时CT12为1.814mm，视场角为109°。

请参照图4，所示为光学系统100的象散曲线图，图中横轴表示偏移量（单位：mm），纵轴表示视场角（单位：度）。从图4可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±0.3mm以内，说明光学系统100的象散得到良好的校正。

请参照图5，所示为光学系统100的f-tanθ畸变曲线图，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示视场角（单位：度）。从图5可以看出，成像面上不同像高处的f-tanθ畸变控制在±30%以内且为负值，说明光学系统100的畸变得到良好的校正。

请参照图6和图7，所示分别表示光学系统在屈光度0°和屈光度700°时的MTF曲线图，图中横轴表示空间频率（单位：线对/毫米），纵轴表示MTF值。从图6和图7可以看出，在屈光度0°和屈光度700°时，镜头的MTF值均大于0.4，说明该光学系统100在不同的屈光度下均具有良好的解像品质。

第二实施例

请参照图8，本发明第二实施例提供的光学系统200与第一实施例提供的光学系统100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、材料选择不同，以及第一透镜20和第二透镜30在光轴上的空气间隔CT12的调节范围为2.141~7.369mm。

请参照表3，所示为本发明第二实施例提供的光学系统200中各个镜片的相关参数。

表 3

请参照表4，所示为本发明第二实施例提供的光学系统200的各非球面的面型系数。

表 4

请参照图9，所示为光学系统200的象散曲线图，从图9可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±0.5mm以内，说明光学系统200的象散得到良好的校正。

请参照图10，所示为光学系统200的f-tanθ畸变曲线图，从图10可以看出，成像面上不同像高处的f-tanθ畸变控制在±30%以内且为负值，说明光学系统200的畸变得到良好的校正。

请参照图11和图12，所示分别表示光学系统在屈光度0°和屈光度700°时的MTF曲线图，从图11和图12可以看出，在屈光度0°和屈光度700°时，镜头的MTF值均大于0.4，说明该光学系统200在不同的屈光度下均具有良好的解像品质。

第三实施例

请参照图13，本发明第三实施例提供的光学系统300与第一实施例提供的光学系统100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、材料选择不同，以及第一透镜20和第二透镜30在光轴上的空气间隔CT12的调节范围为2.131~7.227mm。

请参照表5，所示为本发明第三实施例提供的光学系统300中各个镜片的相关参数。

表 5

请参照表6所示，本发明第三实施例提供的光学系统300的各非球面的面型系数。

表 6

请参照图14，所示为光学系统300的象散曲线图，从图14可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±0.3mm以内，说明光学系统300的象散得到良好的校正。

请参照图15，所示为光学系统300的f-tanθ畸变曲线图，从图15可以看出，成像面上不同像高处的f-tanθ畸变控制在±30%以内且为负值，说明光学系统300的畸变得到良好的校正。

请参照图16和图17，所示分别表示光学系统在屈光度0°和屈光度700°时的MTF曲线图，从图16和图17可以看出，在屈光度0°和屈光度700°时，镜头的MTF值均大于0.4，说明该光学系统300在不同的屈光度下均具有良好的解像品质。

请参照表7，所示是上述三个实施例提供的光学系统分别对应的光学特性，主要包括光学系统的视场角FOV、有效焦距f、出瞳距离ED、入瞳直径EPD、光学总长TTL（表示复合膜片到显示屏的距离）及像高IH（表示显示单元的对角线长度）等，以及与前述每个条件式对应的相关数值。其中，出瞳距离ED表示眼睛到复合膜片的距离，光学总长TTL表示复合膜片的眼侧面到显示屏的距离。

表7

综上，本发明提供的光学系统及VR设备具有以下的优点：

（1）采用两个具有特定光焦度的镜片，以及将复合膜片设置在特定的位置，各个透镜通过特定的表面形状搭配及膜层设置实现光路的多次折返，扩大光路总长，使得光学系统具有较大的视场角（FOV可达90°~110°）和较短的总长（TTL不大于18mm）；所述光学系统具有较短的光学总长从而缩短了整个VR设备系统的总长，有利于VR设备的轻薄化；光学系统具有较大的视场角可以提高用户的沉浸感，从而给用户带来更好的体验感。

（2）通过调节第一、二透镜间的距离可实现不同屈光度的调节（0~700°），且均具有较高的成像质量，同时所述光学系统还具有较大的出瞳距离（ED≥10.5mm），能够为用户带来极佳的感官体验。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

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显示单元、第一透镜、第二透镜以及复合膜片；

所述显示单元用于为光学系统提供偏振光光源；

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

1.5mm<CT12<8.0mm。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述复合膜片还包括偏振片，所述偏振片设置在所述反射式偏振片远离所述相位延迟片的一侧。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

-4<f1/f<-1.5；

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，f1表示所述第一透镜的有效焦距。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

2<f2/f<4；

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，f2表示所述第二透镜的有效焦距。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

1.2<D/f<2；

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，D表示所述光学系统的有效口径。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

0.1<R_S3/R_S2<0.5；

其中，R_S2表示所述第二表面的曲率半径，R_S3表示所述第三表面的曲率半径。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

-0.5<R_S1/R_S2<-0.1；

其中，R_S1表示所述第一表面的曲率半径，R_S2表示所述第二表面的曲率半径。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

-11<f_S2/f<-7；

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，f_S2表示所述第二表面的有效焦距。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

1.1<CT1/ET1<1.5；

2.2<CT2/ET2<3.0；

其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，ET1表示所述第一透镜在最大有效口径处的厚度，ET2表示所述第二透镜在最大有效口径处的厚度。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

0°≤P≤700°；

其中，P表示所述光学系统的屈光度。

12.一种VR设备，其特征在于，所述VR设备包括如权利要求1-11任一项所述的光学系统。