CN116125668A - 光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学镜头领域，公开了一种光学系统，自前侧至后侧依次包含：影像面，具有贴设于所述影像面的后侧的圆起偏器，用于发射光线；第三透镜，可沿光轴前后移动以改变所述光学系统的屈光度，且所述第三透镜的前侧表面上设有部分反射元件；第二透镜；第一透镜，其前侧表面设有复合膜，所述复合膜包括偏振反射膜和四分之一波片，所述偏振反射膜贴设于所述第一透镜的前侧表面，所述四分之一波片贴设于所述偏振反射膜的前侧；光圈，位于所述光学系统的后侧；所述光学系统的最大可视直径为VD，所述光学系统中各透镜的最大有效半径为SDmax，且满足以下条件式：VD≥10.00毫米，SDmax≤22.25毫米。

Description

光学系统

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，特别涉及一种光学系统。

背景技术

随着智能头戴装置的相关科技于今年来快速发展，配备光学镜头的电子装置的应用更加广泛，对于光学镜头的要求也更加多样化，在虚拟现实、增强现实与混合现实等领域的应用快速成长，从用户体验出发，对兼具小体积和优良成像方式的光学系统的需求十分迫切。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种光学系统，其具有良好光学性能的同时，满足较小体积、较轻重量的设计要求。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种光学系统，自前侧至后侧依次包含：

影像面，具有贴设于所述影像面的后侧的圆起偏器，用于发射光线；

第三透镜，可沿光轴前后移动以改变所述光学系统的屈光度，且所述第三透镜的前侧表面上设有部分反射元件；

第二透镜；

第一透镜，其前侧表面设有复合膜，所述复合膜包括偏振反射膜和四分之一波片，所述偏振反射膜贴设于所述第一透镜的前侧表面，所述四分之一波片贴设于所述偏振反射膜的前侧；

光圈，位于所述光学系统的后侧；

所述光学系统的最大可视直径为VD，所述光学系统中各透镜的最大有效半径为SDmax，且满足以下条件式：

VD≥10.00毫米，SDmax≤22.25毫米。

优选地，所述第一透镜的后侧表面为非球面。

优选地，所述第二透镜的前侧表面、所述第二透镜的后侧表面、所述第三透镜的前侧表面及所述第三透镜的后侧表面均为非球面。

优选地，所述光学系统的视场角为FOV，满足95.00°≤FOV≤115.00°。

优选地，所述光学系统的光学总长为TTL，满足TTL≤18.60毫米。

优选地，所述部分反射元件为半透半反膜，其透过率和反射率均为50％。

优选地，所述偏振反射膜的反射率大于等于95％。

优选地，所述光学系统的光学畸变为DIST，在0D屈光度状态下所述光学畸变满足DIST≤30.25％。

优选地，所述光学系统的色差小于等于185.00μm。

优选地，所述光学系统的光学总长为TTL，所述光学系统的焦距为f，满足TTL/f≤0.85。

优选地，所述影像面为显示器，尺寸为2.1英寸。

本发明的有益效果在于：通过在第三透镜的前侧表面上设有部分反射元件，并在第一透镜上设置依次包括偏振反射膜和四分之一波片的复合膜，实现三片透镜光路折叠结构，并控制透镜的半口径，减小光学系统的体积，增加了设计的自由度，能得到更高的性能，从而提高成像品质；最大可视直径大于等于10.00毫米，使用户不需要繁琐的调整即可得到最佳显示效果，兼具了小体积和高成像性能。同时，通过第三镜片可自由前后移动，通过改变第三镜片的位置可以实现不同程度屈光度(0D～8D)，适配不同的近视程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式中的技术方案，下面将对实施方式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方式，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它的附图，其中：

图1是本发明第一实施方式的光学系统的结构示意图；

图2是图1所示光学系统的点列图；

图3是图1所示光学系统的倍率色差示意图；

图4是图1所示光学系统的场曲及畸变示意图；

图5是图1所示光学系统的包含膜层结构的示意图；

图6是本发明第二实施方式的光学系统的部分结构示意图；

图7是图6所示摄像光学镜头的点列示意图；

图8是图6所示摄像光学镜头的倍率色差示意图；

图9是图6所示摄像光学镜头的场曲及畸变示意图；

图10是图6所示光学系统的包含膜层结构的示意图；

图11是本发明第三实施方式的光学系统的部分结构示意图；

图12是图11所示摄像光学镜头的点列示意图；

图13是图11所示摄像光学镜头的倍率色差示意图；

图14是图11所示摄像光学镜头的场曲及畸变示意图；

图15是图11所示光学系统的包含膜层结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。

(第一实施方式)

参考图1和图5，提供了一种光学系统10自前侧至后侧依次包含：影像面11、圆起偏器12、部分反射元件13、第三透镜14、第二透镜15、四分之一波片16、偏振反射膜17、第一透镜18、光圈19。

影像面11，发射光线，影像面11具有贴设于所述影像面11的后侧的圆起偏器12，本实施方式中，影响面11为显示器，尺寸为2.1英寸，显示器发出的光线经圆起偏器12后，形成左旋圆偏振光LCP。

第三透镜14可沿光轴前后移动以改变所述光学系统10的屈光度。通过沿光轴前后移动第三透镜14可以改变第三透镜14在光轴上的位置，从而可以使光学系统10实现不同程度屈光度，以适配不同的近视程度。

第三透镜14的前侧表面141上设有部分反射元件13，一部分光线被反射，一部分光线入射至第三透镜14，此时光线为左旋圆偏振光LCP。

入射至第三透镜14的左旋圆偏振光LCP经第三透镜14折射后出射至第二透镜15，且经第二透镜15折射后出射至所述第一透镜18。

第一透镜18的前侧表面181上设有复合膜，所述复合膜包括偏振反射膜17和四分之一波片16，所述偏振反射膜17贴设于所述第一透镜18的前侧表面181，所述四分之一波片16贴设于所述偏振反射膜17的前侧，左旋圆偏振光LCP第一次经过四分之一波片16后转变成线偏振S光，随后在偏振反射膜17处又被反射至四分之一波片16，此时的反射光线仍为线偏振S光，第二次经过四分之一波片16后转变为左旋圆偏振光LCP第二次入射至第二透镜15，且在依次经第二透镜15和所述第三透镜14折射后入射至部分反射元件13，并在部分反射元件13处发生部分被反射，经反射的光线转变为右旋圆偏振光RCP第三次入射第三透镜14，且在依次经所述第三透镜14和第二透镜15折射后入射至四分之一波片16，经过四分之一波片16转变为线偏振P光入射至偏振反射膜17，由于偏振反射膜17具有反射线偏振S光和透射线偏振P光的特性，线偏振P光入射第一透镜18，经第一透镜18折射后进入光圈19。

光圈19的位置为模拟人眼表面的位置，所述光圈19的直径为10.00mm，定义光学系统10的最大可视直径为VD，VD为10毫米，满足VD≥10毫米，即，人眼在直径为至少10mm的范围内移动时均可看到清晰的图像，使用户不需要繁琐的调整就可以在最佳位置看到最好的显示效果，增大了FOV，使FOV可以达到90°以上。

本实施方式中，光学系统10的屈光度为0D。需要说明的是，光线由一种物体射入到另一种光密度不同的物质时，其光线的传播方向产生偏折，这种现象称为屈光现象，表示这种屈光现象大小(屈光力)的单位是屈光度(缩写为“D”)。1屈光度或1D等于常说的100近视度数。

第一透镜18的有效半径为22.25mm，第二透镜15的有效半径为22.25mm第三透镜14的有效半径为22.25mm，定义光学系统10中各透镜的最大有效半径为SDmax，满足SDmax≤22.25毫米，有利于减小光学系统的体积。

本实施方式中，第一透镜18的后侧表面183为非球面，至少设置一个非球面有利于缩减光学总长。在其他可选的实施方式中，也可以使用自由曲面。

本实施方式中，所述第二透镜15的前侧表面151、所述第二透镜15的后侧表面153、所述第三透镜14的前侧表面141，所述第三透镜14的后侧表面143均为非球面，非球面的应用有利于修正光学系统的像差。在其他可选的实施方式中，也可以使用自由曲面。

本实施方式中，第一透镜18的前侧表面181为平面，第一透镜18的后侧表面183为凸面；所述第二透镜15的前侧表面151为凹面，所述第二透镜15的后侧表面153为凸面，第三透镜14的前侧表面141为凸面，第三透镜14的后侧表面143为凸面。

本实施方式中，定义光学系统10的视场角为FOV，FOV为96.65°，满足95.00°≤FOV≤115.00°，较大的视场角带来更好的用户体验。

定义光学系统的光学总长(影像面11至第一透镜18的后侧表面183的轴上距离)为TTL，本实施方式中，TTL为18.534毫米，满足TTL≤18.60毫米，有利于减小光学系统的体积。

本实施方式中，部分反射元件为半透半反膜，其透过率和反射率均为50％；其他可选的实施方式中，部分反射元件的反射透射比例可以根据具体设计需求做调整，也可以为55：45、60：40等。

本实施方式中，偏振反射膜17的反射率大于等于95％，更高的反射率提高光学系统10的光线效能，增加显示亮度。

在本实施方式中，第三透镜14在光轴上处于0D屈光度的位置。此状态下可以实现RMS radius≤30.00μm。其中，RMS radius(均方根半径)越小证明系统的成像质量越好。

定义光学系统的光学畸变为DIST，本实施方式中，在0D屈光度状态下的光学畸变DIST满足DIST≤30.25％，畸变较小，给用户提供更真实的VR环境。

本实施方式中，所述光学系统10的色差小于等于185.00μm。

定义光学系统10的焦距为f，本实施方式中，f为25.343毫米，TTL/f为0.731，满足TTL/f≤0.85，有利于减小光学系统的体积。优选地，满足TTL/f≤0.82。

本实施方式中，第一透镜18的后侧表面183、第二透镜15的前侧表面151、第二透镜15的后侧表面153及第三透镜14的后侧表面143上均设有增透膜，以提高光学系统10的光线效能，提高亮度。

下面将用实例进行说明本发明的光学系统10。各实例中所记载的符号如下所示。焦距、轴上距离、中心曲率半径、轴上厚度、反曲点位置、驻点位置的单位为mm。

表1、表2示出本发明第一实施方式的光学系统10的设计数据。

【表1】

其中，各符号的含义如下。

R：光学面中心处的曲率半径；

R1：第一透镜18的后侧表面的中心曲率半径；

R2：第一透镜18的前侧表面的中心曲率半径；

R3：第二透镜15的后侧表面的中心曲率半径；

R4：第二透镜15的前侧表面的中心曲率半径；

R5：第三透镜14的后侧表面的中心曲率半径；

R6：第三透镜14的前侧表面的中心曲率半径；

d：透镜的轴上厚度、透镜之间的轴上距离(为便于理解光路，将光线从后侧向前侧传播设为正值，将光线从前侧向后侧传播设为负值)；

d0：光圈19到第一透镜18的后侧表面183的轴上距离；

d1：第一透镜18的轴上厚度；

d2：第一透镜18的前侧表面181到第二透镜15的后侧表面151的轴上距离；

d3：第二透镜15的轴上厚度；

d4：第二透镜15的前侧表面153到第三透镜14的后侧表面143的轴上距离；

d5：第三透镜14的轴上厚度；

d6：第三透镜14的轴上厚度的负值；

d7：第二透镜15的前侧表面153到第三透镜14的后侧表面143的轴上距离的负值；

d8：第二透镜15的轴上厚度的负值；

d9：第一透镜18的前侧表面181到第二透镜15的后侧表面151的轴上距离的负值；

d10：第三透镜14的前侧表面141到影像面11的轴上距离；

nd：d线的折射率(d线为波长为540nm的绿光)；

nd1：第一透镜18的d线的折射率；

nd2：第二透镜15的d线的折射率；

nd3：第三透镜14的d线的折射率；

vd：阿贝数；

v1：第一透镜18的阿贝数；

v2：第二透镜15的阿贝数；

v2：第三透镜14的阿贝数。

表2示出本发明第一实施方式的光学系统10中各透镜的非球面数据。

【表2】

为方便起见，各个透镜面的非球面使用下述公式(1)中所示的非球面。但是，本发明不限于该公式(1)表示的非球面多项式形式。

z＝(cr²)/{1+[1-(k+1)(c²r²)]^1/2}+A4r⁴+A6r⁶+A8r⁸+A10r¹⁰+A12r¹²+A14r¹⁴+A

16r¹⁶+A18r¹⁸+A20r²⁰+A22r²²+A24r²⁴+A26r²⁶+A28r²⁸+A30r³⁰(1)

其中,k是圆锥系数,A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A18、A20、A22、A24、A26、A28、A30是非球面系数，c是光学面中心处的曲率，r是非球面曲线上的点与光轴的垂直距离，z是非球面深度(非球面上距离光轴为r的点，与相切于非球面光轴上顶点的切面两者间的垂直距离)。

图2、图3分别示出了波长为470nm、540nm、630nm的光经过第一实施方式的光学系统10后的点列图以及倍率色差示意图。图4则示出了波长为540nm的光经过第一实施方式的光学系统10后的场曲及畸变示意图，图4的场曲S是弧矢方向的场曲，T是子午方向的场曲。

本实施方式中，所述光学系统10的入瞳直径ENPD为10.000mm，全视场像高IH为19.152mm，对角线方向的视场角FOV为96.65°，光学系统10满足小体积、最大可视直径大于等于10.00mm的设计要求，其轴上、轴外色像差被充分补正，且具有优秀的光学特性。

(第二实施方式)

图6所示为本发明第二实施方式的光学系统20。第二实施方式与第一实施方式基本相同，符号含义与第一实施方式相同，以下只列出不同点。

在本实施方式中，第三透镜14在光轴上处于4D屈光度的位置。此状态下可以实现RMS radius≤30.00μm。

在本实施方式中，光学系统20在4D屈光度状态下的光学畸变DIST满足DIST≤36.62％，畸变较小，给用户提供更真实的VR环境。

在本实施方式中，光学系统20形成的虚像距离为250mm，其适合4D(近视400度)的人群在不佩戴眼镜的情况下观看图像。

表3、表4示出本发明第二实施方式的光学系统20的设计数据。

【表3】

表4示出本发明第二实施方式的光学系统20中各透镜的非球面数据。

【表4】

图7、图8分别示出了波长为470nm、540nm、630nm的光经过第二实施方式的光学系统20后的点列图以及倍率色差示意图。图9则示出了波长为540nm的光经过第二实施方式的光学系统20后的场曲及畸变示意图。图9的场曲S是弧矢方向的场曲，T是子午方向的场曲。

本实施方式中，所述光学系统10的入瞳直径ENPD为10.000mm，TTL为18.387mm，焦距f为23.909mm，TTL/f为0.769，全视场像高IH为19.152mm，对角线方向的视场角FOV为103.75°，光学系统20满足小体积、最大可视直径大于等于10.00mm的设计要求，其轴上、轴外色像差被充分补正，且具有优秀的光学特性。

(第三实施方式)

图11所示为本发明第三实施方式的光学系统30。第三实施方式与第一实施方式基本相同，符号含义与第一实施方式相同，以下只列出不同点。

在本实施方式中，第三透镜14在光轴上处于8D屈光度的位置。此状态下可以实现RMS radius≤80.00μm。

在本实施方式中，光学系统30在8D屈光度状态下的光学畸变DIST满足DIST≤42.37％，畸变较小，给用户提供更真实的VR环境。

在本实施方式中，光学系统30形成的虚像距离为125mm，其适合8D(近视800度)的人群在不佩戴眼镜的情况下观看图像。

表5、表6示出本发明第三实施方式的光学系统30的设计数据。

【表5】

表6示出本发明第三实施方式的光学系统30中各透镜的非球面数据。

【表4】

图12、图13分别示出了波长为470nm、540nm、630nm的光经过第三实施方式的光学系统30后的点列图以及倍率色差示意图。图14则示出了波长为540nm的光经过第三实施方式的光学系统20后的场曲及畸变示意图。图14的场曲S是弧矢方向的场曲，T是子午方向的场曲。

本实施方式中，所述光学系统10的入瞳直径ENPD为10.000mm，TTL为18.409mm，焦距f为22.636mm，TTL/f为0.813，全视场像高IH为19.152mm，对角线方向的视场角FOV为112.39°，光学系统30满足小体积、最大可视直径大于等于10.00mm的设计要求，其轴上、轴外色像差被充分补正，且具有优秀的光学特性。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，自前侧至后侧依次包含：

影像面，具有贴设于所述影像面的后侧的圆起偏器，用于发射光线；

第三透镜，可沿光轴前后移动以改变所述光学系统的屈光度，且所述第三透镜的前侧表面上设有部分反射元件；

第二透镜；

第一透镜，其前侧表面设有复合膜，所述复合膜包括偏振反射膜和四分之一波片，所述偏振反射膜贴设于所述第一透镜的前侧表面，所述四分之一波片贴设于所述偏振反射膜的前侧；

光圈，位于所述光学系统的后侧；

所述光学系统的最大可视直径为VD，所述光学系统中各透镜的最大有效半径为SDmax，且满足以下条件式：

VD≥10.00毫米，SDmax≤22.25毫米。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的后侧表面为非球面。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜的前侧表面、所述第二透镜的后侧表面、所述第三透镜的前侧表面及所述第三透镜的后侧表面均为非球面。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的视场角为FOV，满足95.00°≤FOV≤115.00°。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的光学总长为TTL，满足TTL≤18.60毫米。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述部分反射元件为半透半反膜，其透过率和反射率均为50％。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振反射膜的反射率大于等于95％。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的光学畸变为DIST，在0D屈光度状态下所述光学畸变满足DIST≤30.25％。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的色差小于等于185.00μm。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的光学总长为TTL，所述光学系统的焦距为f，满足TTL/f≤0.85。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述影像面为显示器，尺寸为2.1英寸。

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