CN116009126A - Vr光学系统及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种VR光学系统及近眼显示装置，所述VR光学系统沿光轴从人眼侧到显示侧依次包括：平板玻璃、光学透镜和至少一个微透镜阵列；所述平板玻璃的第一表面或者第二表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧至显示侧依次包括反射式偏振片和相位延迟片；所述光学透镜具有正光焦度，所述光学透镜的第一表面和第二表面均为凸面，所述光学透镜的第二表面设置或贴附有部分反射器；所述微透镜阵列具有多个微透镜单元，多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距。通过在平板玻璃和光学透镜上设置膜层，可实现光路在系统内的多次折返，减小系统厚度；同时搭配微透镜阵列，可以建立多重视场，对每个小范围内的视场进行优化，提高整体解像力。

Description

VR光学系统及近眼显示装置

技术领域

本发明属于显示技术领域，尤其涉及一种VR光学系统及近眼显示装置。

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，如近眼显示器、头戴式显示设备等。其中，头戴显示设备通过光学技术，将显示器发出的图像光传送到用户的瞳孔，在用户的近目范围实现虚拟、放大图像，为用户提供直观可视的图像、视频信息，其中近眼光学系统是头戴显示设备的核心，实现将显示器上的图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。

为了给用户提供极佳的感官体验，近眼光学系统通常需要具备较小的总长、较大的视场角以及较高品质的成像，目前市面上的近眼光学系统由之前的单一透镜结构向多透镜组合或菲涅尔透镜阵列结构方向演变；菲涅尔透镜阵列实际上可以看作一个微透镜的阵列，每个微透镜都可以起到聚光的效果，同时又节省了大量的材料。由于菲涅尔透镜削减了透镜的厚度，但是会出现成像质量低的问题，而且微透镜阵列中的每个微透镜的曲率都是一致的，会导致不同的视场经过同样曲率的微透镜时产生很严重的像散，尤其是当视场角增加时，微透镜阵列无法将大角度的像差消除，这会造成边缘影像模糊，从而导致整个光学系统的分辨率低。因此，如何降低近眼光学系统的体积并提高视场角及成像品质，是本领域相关人员所关注的焦点。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种VR光学系统及近眼显示装置，至少具有总长小、视场角大、分辨率高的特点。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

一方面，本发明提供一种VR光学系统，沿光轴从人眼侧到显示侧依次包括：

平板玻璃，所述平板玻璃具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述平板玻璃的第一表面或者第二表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧至显示侧依次包括反射式偏振片和相位延迟片；

具有正光焦度的光学透镜，所述光学透镜具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述光学透镜的第一表面为凸面，所述光学透镜的第二表面为凸面，所述光学透镜的第二表面设置或贴附有部分反射器；

具有正光焦度的至少一个微透镜阵列，所述微透镜阵列具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面；所述微透镜阵列的第一表面上具有多个微透镜单元，所述多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距；所述微透镜阵列的第二表面为平面；

其中，所述VR光学系统满足以下条件式：1.5<TTL/(f×tanθ)<3，TTL表示所述平板玻璃的第一表面至所述显示侧在光轴上的距离，f表示所述VR光学系统的有效焦距，θ表示所述VR光学系统的最大半视场角。

另一方面，本发明还提供一种近眼显示装置，包括：显示元件、如上所述的VR光学系统；其中所述显示元件用于为VR光学系统提供偏振光信号；所述VR光学系统设置于所述显示元件的出光方向上，其中所述微透镜阵列相较于所述光学透镜更靠近所述显示元件的出光面；所述VR光学系统用于对所述显示元件发出的光信号进行调制，以使人眼可以接收到经过调制的图像信息。

基于上述，本发明提供的VR光学系统及近眼显示装置，通过靠近人眼侧的光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列的光焦度的合理分配，尤其是微透镜阵列中的各微透镜单元具有相同或者不同焦距，可以建立多重视场，对每个小范围内的视场进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质，提高VR系统的解析力；同时通过在平板玻璃上设置复合膜层，并在光学透镜表面设置部分反射器，可实现光路在光学系统内的多次折返，不仅可以大大减小VR光学系统的整体厚度，同时使各视场上的成像品质得到大幅提升，能够使所搭载的近眼显示装置具有更大的视场角、更加紧凑的结构且在整个视场内的解像更加清晰，有效提升了用户的视觉体验。平板玻璃的设置可用来调整光线入眼时聚焦的焦距，可以让近视的用户摘掉眼睛去体验VR设备，提升用户的体验感，同时提高镀膜良率，降低加工难度，市场应用前景更好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1是本发明中实施例中提供的微透镜阵列的截面结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的VR光学系统的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的VR光学系统的MTF曲线图；

图4是本发明第二实施例提供的VR光学系统的结构示意图；

图5是本发明第二实施例中不同微透镜单元对应视场处的光线图；

图6a是本发明第二实施例中微透镜单元Z1对应视场处的MTF曲线图；

图6b是本发明第二实施例中微透镜单元Z2对应视场处的MTF曲线图；

图6c是本发明第二实施例中微透镜单元Z3对应视场处的MTF曲线图；

图6d是本发明第二实施例中微透镜单元Z4对应视场处的MTF曲线图；

图7是本发明第三实施例提供的VR光学系统的结构示意图；

图8是本发明第三实施例中不同微透镜单元对应视场处的光线图；

图9a是本发明第三实施例中微透镜单元Z1对应视场处的MTF曲线图；

图9b是本发明第三实施例中微透镜单元Z2对应视场处的MTF曲线图；

图9c是本发明第三实施例中微透镜单元Z3对应视场处的MTF曲线图；

图9d是本发明第三实施例中微透镜单元Z4对应视场处的MTF曲线图；

图10是本发明第四实施例提供的近眼显示装置的结构示意图。

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。

在本文中，近光轴处是指光轴附近的区域。如透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少在近光轴区域为凸面；如透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少在近光轴区域为凹面。

本发明实施例提供一种VR光学系统，沿光轴从人眼侧到显示侧依次包括：一平板玻璃、一光学透镜、至少一个微透镜阵列。

所述平板玻璃具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述平板玻璃的第一表面或者第二表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧至显示侧依次包括反射式偏振片和相位延迟片。所述相位延迟片可以是镀设在第一表面或第二表面上的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。所述平板玻璃可以是盖板玻璃或者液晶玻璃。平板玻璃的设置可用来调整光线入眼时聚焦的焦距，可以让近视的用户摘掉眼睛去体验VR设备，提升用户的体验感；同时平板玻璃的两表面均为平面，在平面上设置或贴附膜层，在实际加工制造中难度较小，膜层贴合的良率更高，可加工性更强。

所述光学透镜具有正光焦度，所述光学透镜具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述光学透镜的第一表面和第二表面为凸面，所述光学透镜的第二表面设置或贴附有部分反射器，具体地，部分反射器可以是镀设或者贴附在第二表面上的半透半反射膜。

上述在平板玻璃的第一或第二表面设置复合膜层，并在光学透镜的第二表面设置部分反射器，通过在光学系统中的特定表面上设置膜层可以实现光路的多次折返，有效扩大光路总长，从而可大大减小VR光学系统的总长。

所述微透镜阵列具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面；所述微透镜阵列的第一表面上具有多个微透镜单元，所述多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距；所述微透镜阵列的第一表面上的微透镜单元可以为凸面或者凹面，并不局限为凸面；所述多个微透镜单元可以均为球面，还可以均为非球面，本发明并不以此为限制。所述微透镜阵列的第二表面为平面。

至少一个所述微透镜阵列包括一个第一微透镜阵列，所述第一微透镜阵列设置于所述光学透镜和所述显示侧之间。

进一步地，为更好平衡系统的像差，所述VR光学系统中至少一个微透镜阵列包括靠近所述光学透镜的第一微透镜阵列和靠近显示侧的第二微透镜阵列。

进一步地，所述第一微透镜阵列的微透镜单元和所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距可以相同或者不同。

进一步地，所述第一微透镜阵列的微透镜单元的焦距为正，所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距为正；或者所述第一微透镜阵列的微透镜单元的焦距为正，所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距为负。第一、二微透镜阵列采用不同的焦距搭配，能够更好优化每个小范围内的视场，从而使VR光学系统在整个视场内具有清晰的解像力。

所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列在垂直于光轴方向的宽度均相等。

所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列之间设置有玻璃基板或者空气间隙。

为便于理解本发明实施例中微透镜阵列的结构，请参阅图1，所示为本发明实施例提供的微透镜阵列40的结构示意图，在本发明实施例中的微透镜阵列40具有相同或者相似的结构，具体地，微透镜阵列40具有相对设置的第一表面41和第二表面42，微透镜阵列的第一表面41朝向人眼侧，微透镜阵列的第二表面42朝向显示侧(显示元件一侧)。微透镜阵列40具有多个微透镜单元401构成，多个微透镜单元401可以矩阵方式排列，也可以是其它阵列方式排列，具体以实际需求为准。各微透镜单元401分别具有第一光学面和第二光学面，各微透镜单元401的第一光学面形成微透镜阵列的第一表面41，各微透镜单元401的第二光学面形成微透镜阵列的第二表面42。每一个微透镜单元401的焦距可以是相同的，也可以是不同的。当各微透镜单元401上的焦距不同时，例如，在通过位于微透镜阵列40中心的微透镜单元401的水平线或垂直线上的多个微透镜单元401中，焦距的变化可以是由中心的微透镜单元往左右两侧或上下两侧逐渐改变；在一些实施例中，焦距的变化可以是从中心往左右两侧或上下两侧变大，或者焦距的变化可以是从中心往左右两侧或上下两侧变小，具体根据需求作出选择。在各微透镜单元401具有不同焦距的实施例中，可以建立多重视场(如Z1对应中心视场，Z2对应中心向边缘视场过渡的视场，Z3对应边缘视场等等，具体视场区域的划分可以按照微透镜阵列中微透镜单元焦距变化幅度来定，在此处不作限定)，对每个小范围内的视场进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质。

所述光学透镜的第一表面和第二表面中至少一个为非球面，当光学系统中的透镜或微透镜单元的某些表面为非球面时，各个非球面面型均满足下列方程：

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con i c，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

在一些实施例中，所述VR光学系统满足以下条件式：

1.5<TTL/(f×tanθ)<3；

其中，TTL表示所述平板玻璃的第一表面至所述显示侧在光轴上的距离，f表示所述VR光学系统的有效焦距，θ表示所述VR光学系统的最大半视场角。满足上述条件，能够使VR系统获得更小的光学总长，同时实现更大的视场角，能够更好满足近眼显示装置的发展方向。

在一些实施例中，所述VR光学系统满足以下条件式：

2<f1/f<10；

其中，f1表示所述光学透镜的焦距。焦距的大小与视场角的大小成反比，整个VR系统是由一个光学透镜和至少一个微透镜阵列搭配组合，在VR系统中光学透镜的焦距f1是比较稳定的，满足上述条件，通过合理设置比值使得VR系统的焦距f控制在一定的范围内，保证系统获得足够大的视场角，增强系统的透视感，同时也可有效控制系统的加工成本。

在一些实施例中，所述VR光学系统满足以下条件式：

-2<R3/R4<-1.1；

其中，R3表示所述光学透镜的第一表面的曲率半径，R4表示所述光学透镜的第二表面的曲率半径。满足上述条件，通过合理设置光学透镜的表面形状，可使光学透镜的第一表面具有更好的聚光能力，第二表面的曲率相对于第一表面的曲率较大使得第二面具有一些光学性能的增益，能够使光路在系统内部折叠效果更好，扩大光路总长，降低整个系统的厚度。

在一些实施例中，所述VR光学系统满足以下条件式：

-0.1<f/R4<-0.01；

其中，R4表示所述光学透镜的第二表面的曲率半径。满足上述条件，通过合理设置光学透镜的表面形状，使第二表面具有较为平缓的趋势，在第二表面上镀设膜层时，可加工性更好，减小了工艺的制造难度，利于产品的量产实现；同时可以更好矫正系统的球差和像差，提高成像的清晰度和均匀性。

在一些实施例中，所述VR光学系统满足以下条件式：

3<f1/f2<6；

其中，f1表示所述光学透镜的焦距，f2表示所述第一微透镜阵列上微透镜单元的焦距。满足上述条件，通过合理设置光学透镜和微透镜阵列的焦距关系，能够使不同视场处的微透镜单元中的光线更平缓的进入后续光学透镜中，从而更好矫正每个小范围视场的像差，进而对每个小范围内的视场进行优化，提升整个视场内的成像品质。

在一些实施例中，所述VR光学系统满足以下条件式：

0.6<f2/f<2；

其中，f2表示所述第一微透镜阵列上微透镜单元的焦距。满足上述条件式，通过使f2/f的比值在一定的范围内，可以让第一微透镜单元获得合理的焦距，从而获得更好的光线聚焦能力，并且有利于微透镜单元的加工成型。

在一些实施例中，所述VR光学系统满足以下条件式：

0.3<Lm/TTL<0.5；

其中，Lm表示所述平板玻璃上的复合膜层至所述光学透镜的第二表面在光轴上的距离。通过在平板玻璃的表面上设置复合膜层，并在光学透镜的第二表面设置部分反射器，可实现光路在光学系统内的多次折返，扩大光路总长，满足上述条件，通过合理设置折返光路在系统中的位置，可有效平衡系统的像差矫正和厚度，从而在保证系统具有较小总长的前提下获得较高的成像品质。

本发明实施例还提供一种近眼显示装置，包括显示元件和上述的VR光学系统；其中,显示元件用于为VR光学系统提供偏振光信号。所述VR光学系统设置于所述显示元件的出光方向上，其中所述微透镜阵列相较于所述光学透镜更靠近所述显示元件的出光面；所述VR光学系统用于对所述显示元件发出的光信号进行调制，以使人眼侧可以接收到经过调制的图像信息。所述近眼显示装置中的光线传播路径为：显示元件发出的偏振光光源信号(图像信息)依序经由微透镜阵列、光学透镜、透射至平板玻璃上的复合膜层，光线经过第一次反射后再次进入光学透镜内，在光学透镜的第二表面处发生第二次反射，光线二次折返后透射出平板玻璃，并传递至人的眼睛(人眼侧)，人的眼睛可在远方(瞳孔前方较远处)形成虚拟、放大图像，因此，佩戴近眼显示装置的用户可看到直观可视的图像、视频信息。

在一些实施例中，所述显示元件可以是平面显示屏。在一些实施例中，所述显示元件还可以是曲面显示屏，由于人的眼球是凸起有弧度的，曲面屏幕的弧度可以保证发出的光线到人眼睛的距离均等，从而曲面屏幕可以带来更好的感官体验。

本发明提供的近眼显示装置通过在平板玻璃上设置复合膜层，并在光学透镜的第二表面设置部分反射器，可实现光路在光学系统内的多次折返，扩大光路总长，可以大大减小VR光学系统的整体厚度，同时使各视场上的成像品质得到大幅提升，能够使所搭载的近眼显示装置具有更大的视场角、更加紧凑的结构且在整个视场内的解像更加清晰，有效提升了用户的视觉体验。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

图2是本发明第一实施例提供的VR光学系统100的结构示意图，所述VR光学系统100从人眼侧S0至显示侧S7依次包含平板玻璃G1、光学透镜L1、第一微透镜阵列L2。

平板玻璃G1的设置可用来调整光线入眼时聚焦的焦距，可以让近视的用户摘掉眼睛去体验VR设备，提升用户的体验感。在本实施例中，所述平板玻璃G1是盖板玻璃，如近眼显示装置中的保护玻璃或者盖板玻璃，在其他实施例中，所述平板玻璃G1还可以是液晶玻璃或者其它材质，根据实际生产中近眼显示装置中所搭载的盖板决定，本发明不作限定。

平板玻璃G1具有靠近人眼侧的第一表面S1和远离人眼侧的第二表面S2，平板玻璃G1的第二表面S2上设置或贴附有复合膜层，在其他实施例中，复合膜层可以设置在平板玻璃G1的第一表面S1上，本发明不作限定。平板玻璃的两表面均为平面，在平面上设置或贴附膜层，在实际加工制造中难度较小，膜层贴合的良率更高。

所述复合膜层从人眼侧S0至显示侧S7依次包括反射式偏振片和相位延迟片，所述相位延迟片是镀设在第二表面S2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。

光学透镜L1具有正光焦度，其焦距为20mm，光学透镜L1具有靠近人眼侧的第一表面S3和远离人眼侧的第二表面S4，其第一表面S3和第二表面S4均为凸面，采用双凸面型能够实现更好的聚光能力、更短的光学总长，获得更大的视场角。第三表面S3和第四表面S4可以是球面或者非球面,其中，采用非球面镜片有利于控制光线的折射方向，从而增大进入人眼的观察视角，以获得足够的沉浸感。

为了更好减小光学系统的总长，在光学系统中的特定表面上设置膜层以实现光路的多次折返，扩大光路总长，具体的，在光学透镜L1的第二表面S4上设置或贴附有部分反射器，在本实施例中，部分反射器可以是镀设或者贴附在第二表面S4上的半透半反射膜。

微透镜阵列(MLA，Micro l ens Array)是由数个通光孔径及浮雕深度为微米级的微透镜单元按照特定的排列而成的阵列。通过调整微透镜阵列中微透镜单元的形状、焦距、排布结构方式、占空比等，可实现一定光学功能，提高光学系统的集成度和性能。微透镜阵列和传统透镜一样，最小功能单元-微透镜单元可以是球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜等，同样能在微光学角度实现聚焦、成像，光束变换等功能，而且因为单元尺寸小、集成度高，使得它能构成许多新型的光学系统，完成传统光学元件无法完成的功能。微透镜阵列的结构从最小功能单元的排列方法可分为单排式、M*N排列、满布式等，同时可分为单面阵列和双面阵列，其中满布式排列可以无限拓展，没有明显的边界，可以灵活地设置不同尺寸，以满足产品功能需求。如图1所示，为满布式排列的微透镜阵列二维平面示意图，微透镜阵列在X轴方向和Y轴方向均设置有多个微透镜单元，其中X轴和Y轴上的微透镜单元数量和微透镜阵列宽度根据成像需要进行设置。

具体到本发明的实施例中，所述第一微透镜阵列L2为单面阵列，具体地，第一微透镜阵列L2的第一表面S5有多个微透镜单元组成，为了更好实现对每个视场角的入射光线的汇聚，本实施例中的第一微透镜阵列L2在X轴和Y轴上的微透镜单元分别有10个，也即10*10的微透镜阵列，在X轴和Y轴上的宽度均为5mm；居于中间位置的7*7个微透镜单元参与光学成像，在其它实施例中，也可以是居于中间位置的5*5个微透镜单元，还可以是其它数量排布，本发明不作限定，采用此种设置可以减少由于过多的微透镜单元之间的边缘导致成像拼接时出现的串色现象，也在一定程度上也减小了工艺的制造难度。

微透镜阵列中每个微透镜单元的曲率半径可以相同也可以不同，具体到本实施例中，第一微透镜阵列L2具有靠近人眼侧的第一表面S5以及远离人眼侧的第二表面S6；第一微透镜阵列L2中的各微透镜单元焦距相同且焦距值为5.035mm，第一微透镜阵列L2的第一表面S5上的微透镜单元均为凸面，且每个微透镜单元均为球面，第二表面S6为平面，曲率半径为无穷。第一微透镜阵列L2中居于中间位置的7*7个微透镜单元参与光学成像。

在VR光学系统中，光学透镜L1可选用树脂材料或者玻璃材料，微透镜阵列可采用玻璃材料，光学透镜L1和微透镜阵列可以采用高折射率的玻璃材质，这样可以使得VR光学系统做得更薄，在保证VR系统光学性能的前提下，有利于减轻模组的厚度和重量，具有更好的市场应用优势。

具体地，本实施例中VR光学系统100中的参数如下表1所示，表中的间距为两相邻表面在光轴上的距离。

表1

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S3和第二表面S4均为非球面，则各个非球面的面型系数如下表2所示。

表2

面号	k	<![CDATA[A<sub>4</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>6</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>8</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>10</sub>]]>
						S3	-21.406	8.415E-004	3.937E-006	4.450E-009	-3.216E-011
S4	16.084	-6.386E-004	-1.433E-006	7.483E-010	3.206E-011

根据表1和表2设置获得VR光学系统100具有单眼90°的大视场角，通过在平板玻璃上设置复合膜层，并在光学透镜的第二表面设置部分反射器，可实现光路在光学系统内的多次折返，在增大光路总长的同时大大减小了VR光学系统的整体厚度，使光学总长TTL(从平板玻璃G1的第一表面至显示侧在光轴上的距离)可减小至9.317mm，而且使各视场上的成像品质得到大幅提升，如图3所示为本发明提供的VR光学系统100的MTF曲线，从MTF性能图中可以看出：VR光学系统100的中心视场在全频率21l p/mm的MTF值接近于55％，最边缘的视场成像的MTF在10％左右，中心视场至0.7F视场成像清晰度尚可，边缘视场的MTF有所掉落但是人眼还是可以识别的。因此本发明提供的VR光学系统100在应用时，具有合适的视场角、较为紧凑的结构，有效的提升了用户的视觉体验感，对于厂商来说结构简单、易生产、易加工、易推广，市场应用前景更好。

第二实施例

图4是本发明第二实施例提供的VR光学系统200的结构示意图，所述VR光学系统200从人眼侧S0至显示侧S7依次包含平板玻璃G1、光学透镜L1、第一微透镜阵列L2。图5示出了VR光学系统200中不同微透镜单元对应视场处的光线图，如微透镜单元Z1、Z2、Z3、Z4，从图中可以看出，每个小视场范围内的光线均得到了优化。

本实施例中的VR光学系统200与第一实施例中的VR光学系统100具有相似的结构与功能，不同之处主要在于：

(1)光学透镜L1的焦距为19.048mm；

(2)第一微透镜阵列L2的各微透镜单元具有不同的焦距，具体地，假设第一微透镜阵列L2上从系统光轴中心处到透镜边缘的微透镜单元标号依次为Z1、Z2、Z3、Z4，具体每个微透镜单元的曲率半径及对应焦距如表5所示，如在第一微透镜阵列L2的光轴中心处的微透镜单元Z1的曲率半径为5.046mm,对应该处微透镜单元Z1的焦距为5.607mm；微透镜单元Z2的曲率半径为5.044mm,对应该处微透镜单元Z2的焦距为5.604mm；微透镜单元Z3的曲率半径为5.504mm,对应该处微透镜单元Z3的焦距为5.616mm；微透镜单元Z4的曲率半径为5.045mm,对应该处微透镜单元Z4的焦距为5.606mm。

表3

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S3、第二表面S4均为非球面，各非球面的面型系数如下表4所示。

表4

面号	k	<![CDATA[A<sub>4</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>6</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>8</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>10</sub>]]>
						S3	-343.441	7.446E-004	3.370E-007	4.425E-009	-1.434E-011
S4	16.641	-7.919E-004	-1.108E-006	-8.813E-010	1.972E-011

表5

根据表3和表4、表5设置获得VR光学系统200具有单眼94°的大视场角，且具有较小的整体厚度(光学总长TTL为9.772mm)，而且各视场上的成像品质得到大幅提升。如图6a至6d所示为本发明提供的VR光学系统200在不同微透镜单元对应视场处的MTF曲线，从各视场对应的MTF性能图中可以看出：VR光学系统200的中心视场在全频率21l p/mm的MTF值大于70％，能够获得更清晰的成像质量，中间视场的成像质量也相对较高，边缘的成像质量会有所下降，但足够满足其成像要求。通过优化不同视场对应的小微透镜单元，可以提高其成像质量，尤其是边缘视场的成像质量也会得到优化，其像差也会得到改善。因此本发明提供的VR光学系统200在应用时，可以具有较大的视场角、更好的成像质量，可有效提升用户的视觉体验。

第三实施例

图7是本发明第三实施例提供的VR光学系统300的结构示意图，所述VR光学系统300从人眼侧S0至显示侧S9依次包含平板玻璃G1、光学透镜L1、第一微透镜阵列L2及第二微透镜阵列L3。图8示出了VR光学系统300中不同微透镜单元对应视场处的光线图，如微透镜单元Z1、Z2、Z3、Z4，从图中可以看出，每个小视场范围内的光线均得到了优化。

本实施例中的VR光学系统300与第二实施例中的VR光学系统200具有相似的结构与功能，不同之处主要在于：

(1)光学透镜L1的焦距为19.031mm；

(2)第一微透镜阵列L2为微凸微透镜、第二微透镜阵列L3为微凸微透镜，第一微透镜阵列L2和第二微透镜阵列L3中各微透镜单元具有不同的焦距，且第一微透镜阵列L2和第二微透镜阵列L3每个微透镜单元的焦距也各不相同。具体地，假设微透镜阵列上从系统光轴中心处到透镜边缘的微透镜单元标号依次为Z1、Z2、Z3、Z4，具体每个微透镜单元的曲率半径及对应焦距如表8所示。

具体地，本实施中VR光学系统300的各项参数如下表6所示。

表6

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S3和第二表面S4的非球面面型系数如下表7所示。

表7

面号	k	<![CDATA[A<sub>4</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>6</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>8</sub>]]>	<![CDATA[A<sub>10</sub>]]>
						S1	-26.681	5.647E-004	1.635E-007	4.456E-009	-2.725E-011
S2	12.508	-1.095E-003	-7.431E-007	7.204E-010	2.717E-011

表8

根据表6、表7和表8设置获得VR光学系统300具有单眼92°的超大视场角，且具有较小的整体厚度(光学总长TTL为8.989mm)，而且各视场上的成像品质得到大幅提升。如图9a至9d所示为本发明提供的VR光学系统300在不同微透镜单元对应视场处的MTF曲线，从各视场对应的MTF性能图中可以看出：VR光学系统300的中心视场在全频率的成像质量都得到了改善，尤其是边缘视场的成像质量，能够更好满足人眼的成像要求。

在本实施例中，第一、二微透镜阵列均采用凸微透镜的结构，具有更高的特定性，尤其在涉及高紧凑的元件集成或者需要提高系统的稳定时，双凸微透镜阵列的光路更具有优势。

请参阅表9，所示为上述三个实施例中提供的VR光学系统与前述的每个条件式对应的相关数值。

	第一实施例	第二实施例	第三实施例
				TTL/(f×tanθ)	1.669	1.645	2.345
f1/f	3.584	3.438	5.144
				R3/R4	-1.140	-1.252	-1.261
f/R4	-0.043	-0.045	-0.030
				f1/f2	3.972	3.392～3.399	3.396～3.496
f2/f	0.902	1.012～1.014	1.471～1.515
				Lm/TTL	0.434	0.351	0.465

第四实施例

图10为本发明实施例提供的一种近眼显示装置400的结构示意图，该近眼显示装置400沿光线入射方向OX从显示侧到人眼侧依次包括显示元件10、第二微透镜阵列L3、第一微透镜阵列L2、光学透镜L1和平板玻璃G1，平板玻璃G1的第一表面或第二表面上设置有复合膜层，光学透镜L1的第二表面设置有部分反射器；其中,显示元件10用于为VR光学系统提供偏振光信号，所述偏振光信号包括图像信息。平板玻璃G1、光学透镜L1、第一微透镜阵列L2(和第二微透镜阵列L3)组成VR光学系统20，所述VR光学系统20可以选自上述实施例中的VR光学系统100/200/300中的任意一种。所述VR光学系统20设置于显示元件10的出光方向上，其中微透镜阵列(L3或L2)相较于光学透镜L1更靠近所述显示元件10的出光面；所述VR光学系统200用于对所述显示元件10发出偏振光的光信号进行调制，以使人眼侧可以接收到经过调制的图像信息。所述近眼显示装置400中的光线传播路径为：显示元件10发出的偏振光信号(图像信息)经由微透镜阵列L3和/或L2透射至光学透镜L1，从光学透镜L1出射后射向平板玻璃G1，由于平板玻璃G1的第一表面或第二表面设置有复合膜层(依次是相位延迟片和反射式偏振片)，光线在经过相位延迟片后在反射式偏振片上发生第一次反射，光线折返后依序经过相位延迟片和光学透镜L1；由于光学透镜L1的第二表面设置部分反射器，可使光信号在光学透镜L1的第二表面发生第二次反射，使得光线号再次折返后依序经过光学透镜L1、复合膜层及平板玻璃G1，并最终传递至人的眼睛30(人眼侧)，人的眼睛可在远方(瞳孔前方较远处)形成虚拟、放大图像，因此，佩戴近眼显示装置的用户可看到直观可视的图像、视频信息。由于平板玻璃的表面均为平面，在平面上设置或贴附复合膜层时，可加工性更好，减小了工艺的制造难度，利于产品的量产实现。

平板玻璃G1的第一表面或第二表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层沿光线入射方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片，其中，所述相位延迟片可以是镀设在第一表面上的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。

光学透镜L1的第二表面设置有部分反射器，具体在本实施例中，部分反射器可以是镀设或贴附在第二表面上的半透半反射膜。

上述在平板玻璃的第一或第二表面设置复合膜层，并在光学透镜的第二表面设置部分反射器，通过在光学系统中的特定表面上设置膜层可以实现光路的多次折返，有效扩大光路总长，从而可大大减小VR光学系统的总长，有利于减小所搭配的近眼显示装置的厚度及体积。

具体在本实施方式中，显示元件10可以是平面显示屏或者曲面显示屏，其用于为VR光学系统提供偏振光信号，所述偏振光信号包括图像信息，其发出的光线可以是左旋圆偏振光，由于平板玻璃的表面设置有复合膜层、光学透镜L1的第二表面设置有部分反射器膜，左旋圆偏振光信号在依序经过光学透镜L1、平板玻璃G1时，由于膜层的特殊设置，能够更好实现光线在系统内部的两次折返，增加光路总长，更好减小系统的光学总长，从而减小近眼显示装置的整体体积。

综上所述，本发明提供的VR光学系统及近眼显示装置，通过靠近人眼侧的光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列的光焦度的合理分配，尤其是微透镜阵列中的各微透镜单元具有相同或者不同焦距，可以建立多重视场，对每个小范围内的视场进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质，提高VR系统的解析力；同时通过在平板玻璃上设置复合膜层，并在光学透镜表面设置部分反射器，可实现光路在光学系统内的多次折返，有效扩大了光路总长，使光学系统具有较短的光学总长，即实现了光学折叠技术和微透镜阵列的有效组合，不仅可以大大减小VR光学系统的整体厚度，同时使各视场上的成像品质得到大幅提升，能够使所搭载的近眼显示装置具有更大的视场角、更加紧凑的结构且在整个视场内的解像更加清晰，有效提升了用户的视觉体验。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种VR光学系统，其特征在于，沿光轴从人眼侧到显示侧依次包括：

平板玻璃，所述平板玻璃具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述平板玻璃的第一表面或者第二表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧至显示侧依次包括反射式偏振片和相位延迟片；

具有正光焦度的光学透镜，所述光学透镜具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述光学透镜的第一表面为凸面，所述光学透镜的第二表面为凸面，所述光学透镜的第二表面设置或贴附有部分反射器；

具有正光焦度的至少一个微透镜阵列，所述微透镜阵列具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面；所述微透镜阵列的第一表面上具有多个微透镜单元，所述多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距；所述微透镜阵列的第二表面为平面；

其中，所述VR光学系统满足条件式：1.5<TTL/(f×tanθ)<3，TTL表示所述平板玻璃的第一表面至所述显示侧在光轴上的距离，f表示所述VR光学系统的有效焦距，θ表示所述VR光学系统的最大半视场角。

2.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，至少一个所述微透镜阵列包括设置于所述光学透镜和所述显示侧之间的第一微透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，至少一个所述微透镜阵列包括靠近所述光学透镜的第一微透镜阵列和靠近显示侧的第二微透镜阵列。

4.根据权利要求3所述的VR光学系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列的微透镜单元和所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距相同或者不同。

5.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述微透镜阵列的第一表面上的微透镜单元均为凸面。

6.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述平板玻璃可以是盖板玻璃或者液晶玻璃。

7.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述VR光学系统满足条件式：

2<f1/f<10；

其中，f1表示所述光学透镜的焦距。

8.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述VR光学系统满足条件式：

-2<R3/R4<-1.1；

其中，R3表示所述光学透镜的第一表面的曲率半径，R4表示所述光学透镜的第二表面的曲率半径。

9.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述VR光学系统满足条件式：

-0.1<f/R4<-0.01；

其中，R4表示所述光学透镜的第二表面的曲率半径。

10.根据权利要求2或者3所述的VR光学系统，其特征在于，所述VR光学系统满足条件式：

3<f1/f2<6；

其中，f1表示所述光学透镜的焦距，f2表示所述第一微透镜阵列上微透镜单元的焦距。

11.根据权利要求2或者3所述的VR光学系统，其特征在于，所述VR光学系统满足条件式：

0.6<f2/f<2；

其中，f2表示所述第一微透镜阵列上微透镜单元的焦距。

12.根据权利要求1所述的VR光学系统，其特征在于，所述VR光学系统满足条件式：

0.3<Lm/TTL<0.5；

其中，Lm表示所述平板玻璃上的复合膜层至所述光学透镜的第二表面在光轴上的距离。

13.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：

显示元件,所述显示元件用于为VR光学系统提供偏振光信号；

如权利要求1-12任一项所述的VR光学系统，所述VR光学系统设置于所述显示元件的出光方向上，其中所述微透镜阵列相较于所述光学透镜更靠近所述显示元件的出光面；所述VR光学系统用于对所述显示元件发出的光信号进行调制，以使人眼侧可以接收到经过调制的图像信息。

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