CN115616779A - 光学系统以及vr眼镜 - Google Patents

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CN115616779A CN202211171173.0A CN202211171173A CN115616779A CN 115616779 A CN115616779 A CN 115616779A CN 202211171173 A CN202211171173 A CN 202211171173A CN 115616779 A CN115616779 A CN 115616779A
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龚俊强
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Abstract

本发明公开一种光学系统以及VR眼镜，所述光学系统具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括从所述像侧至所述物侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中：所述第一透镜靠近所述像侧的端面上镀半反半透膜，靠近所述物侧的端面上镀AR透膜；所述第二透镜靠近所述像侧的一端面上镀AR增透明，靠近所述物侧的端面上胶合有四分之一波片膜，所述四分之一波片膜背离所述第二透镜的端面上胶合线偏振膜；所述第三透镜的靠近所述物侧和所述像侧的两个端面上均镀AR增透膜。本发明旨在提供一种高像质、大视场、大光圈且杂光少的光学系统，使用户获得较佳的观看效果。

Description

光学系统以及VR眼镜
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及VR眼镜技术领域，具体涉及一种光学系统以及VR眼镜。
背景技术
随着显示技术的发展，虚拟现实(VirtualReality，VR)显示技术受到了广泛的关注，逐渐出现在了人们的生活和工作中。在VR显示领域，为使得VR设备更轻更薄，多数技术人员均选择采用pancake式的折叠光路结构，传统pancake折叠光路结构的工作原理为：屏幕发出的第一线偏振光，经过第一1/4波片QWP1，变为圆偏振光；然后经过单个透镜或多个透镜组成的透镜组，其中一片透镜的一个表面上设置有部分反射膜；部分光线透过透镜，由于透镜的双折射效应，光线由圆偏振光退偏为椭圆偏振光，但比较接近圆偏振光；然后经过第二1/4波片QWP2，变为比较接近第二线偏振光的椭圆偏振光；在此过程中，如果光线没有退偏，此时应为与偏振反射片PBS透光轴垂直的第二线偏振光，则光线会被PBS全部反射，但光线退偏为椭圆偏振光后，将有部分光线透过PBS形成鬼影；剩余光线反射回来，同时变为第二线偏振光；然后，被PBS反射回来的第二线偏振光，经过QWP2，变为圆偏振光；接着经过透镜并被部分反射膜反射，并再次经过透镜，变为比较接近圆偏振光的椭圆偏振光，再经过QWP2，变为比较接近第三线偏振光的椭圆偏振光，此时大部分光线能够透过PBS形成主像，剩余光线被PBS反射回来，造成有效光的损失；此结构可大大减小VR光学结构的厚度，但也带来了较为严重的杂散光，形成鬼影等不良，影响用户的观看效果。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种光学系统以及VR眼镜，旨在提供一种高像质、大视场、大光圈且杂光少的光学系统，使用户获得较佳的观看效果。
为实现上述目的，本发明提出的一种光学系统，所述光学系统具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括从所述像侧至所述物侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中：
所述第一透镜靠近所述像侧的端面上镀半反半透膜，靠近所述物侧的端面上镀AR透膜；
所述第二透镜靠近所述像侧的一端面上镀AR增透明，靠近所述物侧的端面上胶合有四分之一波片膜，所述四分之一波片膜背离所述第二透镜的端面上胶合线偏振膜；
所述第三透镜的靠近所述物侧和所述像侧的两个端面上均镀AR增透膜。
可选地，所述第一透镜的光焦度为正；和/或，
所述第二透镜的光焦度为负；和/或，
所述第三透镜的光焦度为正。
可选地，所述第一透镜的膨胀系数为P1，50<P1<70；和/或，
所述第二透镜的膨胀系数为P2，50<P2<70；和/或，
所述第三透镜的膨胀系数为P3，50<P3<70。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为非球面镜；和/或，
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜至少其中之一的材质为塑料材质。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中任意一个的非球面的表面形状满足公式I，公式I为
Figure BDA0003862201040000021
其中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，a1至a8分别为各径向坐标所对应的系数。
可选地，所述像侧的光线依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜和所述四分之一波片膜，被所述线偏振膜反射形成反射光；
所述反射光依次穿过所述四分之一波片膜、所述第二透镜和所述第一透镜，被所述第一透镜靠近所述像侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；
所述二次反射光依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜、所述四分之一波片膜、所述线偏振膜和所述第三透镜，到达所述物侧。
可选地，所述四分之一波片膜与所述像侧之间的偏振态为顺时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜之间的偏振态为竖直线偏振。
可选地，所述线偏振膜与所述第一透镜之间的偏振态为逆时针圆偏振。
可选地，所述第一透镜与所述四分之一波片膜之间的偏振态为逆时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述物侧之间的偏振态为水平线偏振。
此外，本发明还提出了一种VR眼镜，包括光学系统，所述光学系统具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括从所述像侧至所述物侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中：
所述第一透镜靠近所述像侧的端面上镀半反半透膜，靠近所述物侧的端面上镀AR透膜；
所述第二透镜靠近所述像侧的一端面上镀AR增透明，靠近所述物侧的端面上胶合有四分之一波片膜，所述四分之一波片膜背离所述第二透镜的端面上胶合线偏振膜；
所述第三透镜的靠近所述物侧和所述像侧的两个端面上均镀AR增透膜。
在本发明提供的技术方案中，所述像侧的光线依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜和所述四分之一波片膜，被所述线偏振膜反射形成反射光；所述反射光依次穿过所述四分之一波片膜、所述第二透镜和所述第一透镜，被所述第一透镜靠近所述像侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；所述二次反射光依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜、所述四分之一波片膜、所述线偏振膜和所述第三透镜，到达所述物侧，实际上，在光线的传播路径上，通过在透镜模组(即第一透镜、第二透镜和第三透镜)与线偏振膜之间的光路上增设相位补偿元件，对透镜模组与线偏振膜之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到线偏振膜的偏振光为对应的线偏振光；这样能够有效地补偿因透镜的双折射效应导致的光线退偏，有利于消除鬼影，且保证光效，从而提高成像质量，改善用户的观看效果。
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为本发明提供的光学系统的一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的光学系统的MTF曲线图；
图3为本发明提供的光学系统的畸变曲线图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 光学系统 6 顺时针圆偏振
1 第一透镜 7 竖直线偏振
2 第二透镜 8 水平线偏振
3 第三透镜 9 逆时针圆偏振
4 四分之一波片膜 10 物侧
5 线偏振膜 20 像侧
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，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示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，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，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。
随着显示技术的发展，虚拟现实(VirtualReality，VR)显示技术受到了广泛的关注，逐渐出现在了人们的生活和工作中。在VR显示领域，为使得VR设备更轻更薄，多数技术人员均选择采用pancake式的折叠光路结构，此结构可大大减小VR光学结构的厚度，但也带来了较为严重的杂散光，形成鬼影等不良，影响用户的观看效果。
鉴于此，本发明提供光学系统，图1为本发明提供的光学系统一实施例，以下结合具体的附图主要对所述光学系统进行说明。
请参阅图1，一种光学系统100，具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统100包括从所述像侧至所述物侧依次设置的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3，其中：所述第一透镜1靠近所述像侧的端面上镀半反半透膜，靠近所述物侧的端面上镀AR透膜；所述第二透镜2靠近所述像侧的一端面上镀AR增透明，靠近所述物侧的端面上胶合有四分之一波片膜，所述四分之一波片膜背离所述第二透镜2的端面上胶合线偏振膜5；所述第三透镜3的靠近所述物侧和所述像侧的两个端面上均镀AR增透膜。
在本发明提供的技术方案中，所述像侧的光线依次穿过所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述四分之一波片膜，被所述线偏振膜5反射形成反射光；所述反射光依次穿过所述四分之一波片膜、所述第二透镜2和所述第一透镜1，被所述第一透镜1靠近所述像侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；所述二次反射光依次穿过所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述四分之一波片膜、所述线偏振膜5和所述第三透镜3，到达所述物侧，实际上，在光线的传播路径上，通过在透镜模组(即所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3)与线所述偏振膜之间的光路上增设四分之一波片，对透镜模组与所述线偏振膜5之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到所述线偏振膜5的偏振光为对应的线偏振光；这样能够有效地补偿因透镜的双折射效应导致的光线退偏，有利于消除鬼影，且保证光效，从而提高成像质量，改善用户的观看效果。
进一步地，在本实施例中，为了保证光线能够顺利在所述光学系统100中传递，所述第一透镜1的光焦度为正；所述第二透镜2的光焦度为负；所述第三透镜3的光焦度为正。
更近一步地，所述第一透镜1的膨胀系数为P1，50<P1<70，所述第一透镜1的膨胀系数可以是50、可以是55、可以60、可以是65、还可以是70；所述第二透镜2的膨胀系数为P2，50<P2<70，所述第二透镜2的膨胀系数可以是50、可以是55、可以60、可以是65、还可以是70；所述第三透镜3的膨胀系数为P3，50<P3<70；所述第三透镜3的膨胀系数可以是50、可以是55、可以60、可以是65、还可以是70。需要说明是，在上述膨胀系数范围内能够保证光线顺利地在所述光学系统100中传递，有利于消除鬼影，且保证光效，从而提高成像质量，改善用户的观看效果，作为本实施例的一个优选实施例，所述第一透镜1的膨胀系数P1为60，所述第二透镜2的膨胀系数P2为60，所述第三透镜3的膨胀系数P3为60。
此外，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3的材质不做限定，只要是透明且能够传递光线即可，在本实施例中所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3至少其中之一的材质为塑料材质；在另外一实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3至少其中之一的材质为玻璃材质；相较于玻璃材质的设置，塑料材质更为优选，塑料材质的使用寿命更叫长，玻璃为易碎品，在外力的作用下容易破裂。
同时，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3为非球面镜片，因非球面镜片比球面镜片更平、更薄、视物更逼真。大部分的VR镜片都采用非球面镜片，如此可以更加真实的还原我们所看到的画面不会发生局部变形扭曲的现象。而球面镜片在边缘视野范围会产生物象轻微的扭曲变形。并且弯月形非球面透镜能极大减少球面像差。
在本实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3中任意一个的非球面的表面形状满足公式I，公式I为：
Figure BDA0003862201040000071
其中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a1至a8分别为各径向坐标所对应的系数。
在本实施例中，以F3.58为例，焦距为28.7mm，FOV为94°的VR-pancake实际设计参数如表1所述，为了便于描述，第一透镜1的两个相对的端面分别为第一透镜S1和第一透镜S2；第二透镜2的两个相对的端面分别为第二透镜S1和第二透镜S2；第三透镜3的两个相对的端面分别为第三透镜S1和第三透镜S2。
表1设计参数
Figure BDA0003862201040000072
Figure BDA0003862201040000081
进一步地，在本实施例中，所述第三透镜S2和第三透镜S1的系数如表2和表3所示。
表2第三透镜S2系数
系数
k 2.97
a1 0
a2 -1.68974E-05
a3 6.46205E-08
a4 -9.61367E-11
a5 -4.23802E-14
a6 -3.2982E-18
a7 1.85927E-21
a8 0
表3第三透镜S1系数
系数
k 20.30
a1 0
a2 -2.02966E-05
a3 2.8861E-08
a4 8.94054E-12
a5 5.71897E-15
a6 -1.16079E-16
a7 -3.39817E-19
a8 0
进一步地，在本实施例中，所述第二透镜S2和第二透镜S1的系数如表4和表5所示。
表4第二透镜S2系数
Figure BDA0003862201040000082
Figure BDA0003862201040000091
表5第二透镜S1系数
系数
k 11.85
a1 0
a2 5.47347E-06
a3 -3.45391E-09
a4 1.14936E-12
a5 -3.38447E-15
a6 2.24154E-17
a7 -1.22243E-20
a8 0
进一步地，在本实施例中，所述第一透镜S2和第一透镜S1的系数如表4和表5所示。
表4第一透镜S2系数
Figure BDA0003862201040000092
Figure BDA0003862201040000101
表5第一透镜S1系数
系数
k -1.13
a1 0
a2 -1.49987E-07
a3 4.65592E-11
a4 -4.063E-13
a5 -7.48582E-16
a6 -1.99338E-19
a7 1.08621E-21
a8 0
在本实施例中，光线的传递路线为：
S100、所述像侧的光线依次穿过所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述四分之一波片膜，被所述线偏振膜5反射形成反射光；
S200、所述反射光依次穿过所述四分之一波片膜、所述第二透镜2和所述第一透镜1，被所述第一透镜1靠近所述像侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；
S300、所述二次反射光依次穿过所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述四分之一波片膜、所述线偏振膜5和所述第三透镜3，到达所述物侧。
进一步地，所述四分之一波片膜与所述像侧之间的偏振态为顺时针圆偏振6，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜5之间的偏振态为竖直线偏振77；所述线偏振膜5与所述第一透镜1之间的偏振态为逆时针圆偏振9；所述第一透镜1与所述四分之一波片膜之间的偏振态为逆时针圆偏振9，所述四分之一波片膜与所述物侧之间的偏振态为水平线偏振88。
具体地，在本实施例中，在所述像侧的光线依次穿过所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述四分之一波片膜的传递路径上，所述第一透镜S1与所述像侧之间的偏振态为顺时针圆偏振6，所述第一透镜S2与所述第二透镜S1之间的偏振态为顺时针圆偏振6，所述第二透镜S2与所述四分之一波片膜之间的偏振态为顺时针圆偏振6，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜5之间的偏振态为竖直线偏振77。
在所述反射光依次穿过所述四分之一波片膜、所述第二透镜2和所述第一透镜1的传递路径上，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜5之间的偏振态为竖直线偏振77，所述第二透镜S2与所述四分之一波片膜之间的偏振态为逆时针偏振，所述第二透镜S1与所述第一透镜S1之间的偏振态为逆时针偏振态。
在所述二次反射光依次穿过所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述四分之一波片膜、所述线偏振膜5和所述第三透镜3，到达所述物侧的传递路径上所述第一透镜S1与所述第二透镜S1之间的偏振态为逆时针偏振，所述第二透镜S2与所述四分之一波片膜之间的偏振态为逆时针偏振，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜5之间的偏振态为水平偏振，所述线偏振膜5与所述第三透镜S1之间的偏振态为水平偏振，所述第三透镜S2与物侧之间的偏振态为水平偏振。
在一实施例中，所述像侧为显示屏，物侧为人的眼睛(或者瞳孔)，需要说明的是，在本实施例中本实施例对于显示屏200的类型不做限定，例如，该显示屏可以是LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示器)显示屏、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)显示屏、Micro OLED微显示屏、Mini LED微显示屏中的任一种；还可以是DLP(Digital Light Processing，数字光处理)显示屏；还可以是LCOS(Liquid CrystalonSilicon，硅基液晶)显示屏等。另外，该显示屏可以是柔性屏，也可以是刚性屏(即非柔性屏)。实际应用中，可以根据用户需求选择。
此外，本发明还提出了一种VR眼镜，包括上述的光学系统100。所述光学系统100的具体结构参考上述实施例；由于本VR眼镜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的有益效果，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，具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括从所述像侧至所述物侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中：
所述第一透镜靠近所述像侧的端面上镀半反半透膜，靠近所述物侧的端面上镀AR透膜；
所述第二透镜靠近所述像侧的一端面上镀AR增透明，靠近所述物侧的端面上胶合有四分之一波片膜，所述四分之一波片膜背离所述第二透镜的端面上胶合线偏振膜；
所述第三透镜的靠近所述物侧和所述像侧的两个端面上均镀AR增透膜。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的光焦度为正；和/或，
所述第二透镜的光焦度为负；和/或，
所述第三透镜的光焦度为正。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的膨胀系数为P1，50<P1<70；和/或，
所述第二透镜的膨胀系数为P2，50<P2<70；和/或，
所述第三透镜的膨胀系数为P3，50<P3<70。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为非球面镜；和/或，
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜至少其中之一的材质为塑料材质。
5.如权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中任意一个的非球面的表面形状满足公式I，公式I为
Figure FDA0003862201030000021
其中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，a1至a8分别为各径向坐标所对应的系数。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述像侧的光线依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜和所述四分之一波片膜，被所述线偏振膜反射形成反射光；
所述反射光依次穿过所述四分之一波片膜、所述第二透镜和所述第一透镜，被所述第一透镜靠近所述像侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；
所述二次反射光依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜、所述四分之一波片膜、所述线偏振膜和所述第三透镜，到达所述物侧。
7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述四分之一波片膜与所述像侧之间的偏振态为顺时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜之间的偏振态为竖直线偏振。
8.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述线偏振膜与所述第一透镜之间的偏振态为逆时针圆偏振。
9.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述四分之一波片膜之间的偏振态为逆时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述物侧之间的偏振态为水平线偏振。
10.一种VR眼镜，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的光学系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI823809B (zh) * 2023-04-13 2023-11-21 新鉅科技股份有限公司 光學透鏡組和頭戴式電子裝置

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