CN116400481A - 光学模组及vr设备 - Google Patents

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CN116400481A CN202310383881.9A CN202310383881A CN116400481A CN 116400481 A CN116400481 A CN 116400481A CN 202310383881 A CN202310383881 A CN 202310383881A CN 116400481 A CN116400481 A CN 116400481A
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Abstract

本发明涉及虚拟现实技术领域，公开了一种光学模组及VR设备，该光学模组自像侧至物侧依序包含第一透镜，第二透镜以及第三透镜；第一透镜的像侧面贴设有复合膜，复合膜自像侧至物侧依序包括：偏振反射膜层以及四分之一波片膜层；光学模组的焦距为f，第二透镜与第三透镜的组合焦距为f23，光学模组的透镜镜片最大半口径为MAX SD，光学模组的眼盒尺寸为Eyebox，且满足下列关系式：1.00≤f23/f≤1.50；MAX SD≤27.00mm；Eyebox≥12.00*12.00mm。本发明解决了现有的光学模组存在Eyebox小，或FOV小，或者不能实现屈光度可调，或者能够实现屈光度可调，但调节结构复杂，同时屈光度调节范围较小的问题，还满足了VR设备中对光学模组小型化、轻量化的使用需求。

Description

光学模组及VR设备
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别涉及一种适用于智能手机、数码相机等手提终端设备，以及监视器、PC镜头等摄像装置的摄像光学模组。
背景技术
虚拟现实技术(virtual reality，VR)是采用计算机技术为核心结合光电传感技术生成逼真的视、听、触、嗅一体化的特定范围内虚拟的环境。用户使用VR设备可以自然地与虚拟世界中的客体进行实时逼真交互，从而产生身临其境的感受和体验。
为了实现虚拟现实设备的轻量化，通常使用折叠光路系统，利用光路折叠的方式，现有小体积轻便化的VR折叠光路系统，大都存在Eyebox小，或FOV小，或者不能实现屈光度可调，或者能够实现屈光度可调，但调节结构复杂，同时屈光度调节范围较小的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种光学模组及VR设备，解决现有的光学模组存在Eyebox小，或FOV小，或者不能实现屈光度可调，或者能够实现屈光度可调，但调节结构复杂，同时屈光度调节范围较小的问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种光学模组，所述光学模组自像侧至物侧依序包含：第一透镜，第二透镜以及第三透镜；
所述第一透镜的像侧面贴设有复合膜，所述复合膜自像侧至物侧依序包括：偏振反射膜层以及四分之一波片膜层；
所述光学模组的焦距为f，所述第二透镜与所述第三透镜的组合焦距为f23，所述光学模组的透镜镜片最大半口径为MAX SD，所述光学模组的眼盒尺寸为Eyebox，且满足下列关系式：
1.00≤f23/f≤1.50；
MAX SD≤27.00mm；
Eyebox≥12.00*12.00mm。
根据本发明的一个实施例，所述第一透镜的像侧面为平面，所述第二透镜的像侧面和物侧面均为非球面。
根据本发明的一个实施例，所述光学模组的视场角为FOV，且满足下列关系式：
90.00°≤FOV≤110.00°。
根据本发明的一个实施例，所述光学模组的光学总长为TTL，且满足下列关系式：
TTL≤15.00mm；
TTL/f≤0.70。
根据本发明的一个实施例，所述第三透镜的物侧面上镀半透半反膜，所述半透半反膜的透射率为T，所述半透半反膜的反射率为F，且满足下列关系式：
40.00％≤T≤60.00％；
40.00％≤F≤60.00％。
根据本发明的一个实施例，所述偏振反射膜层的透过率大于或等于95％。
根据本发明的一个实施例，所述光学模组的光学畸变小于或等于35％。
根据本发明的一个实施例，所述光学模组的色差小于或等于100μm。
根据本发明的一个实施例，所述光学模组的屈光度调节范围在0-7D。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式还一种VR设备，其包括所述的光学模组。
本发明的有益效果在于：本发明提供的光学模组通过第一透镜的像侧面贴设有复合膜，形成光路折叠结构，减小光学模组的体积；采用三片透镜参与光路折返，极大缩减了光学总长，满足了VR设备中对光学模组小型化、轻量化的使用需求；Eyebox≥12.00*12.00mm，用户不需要繁琐的调整就可以在最佳位置看到好的显示效果，体验感更好，增大了FOV，使FOV可以达到90.00°-110.00°，VR用户沉浸感更好，屈光度可调，为近视用户提供优质显示体验，可应用于2.00-2.30英寸的显示屏上。
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模组的结构示意图；
图2是本发明第一实施方式的光学模组的结构示意图；
图3为实施例一的光学模组在0屈光度下的光路图；
图4为实施例一的光学模组在0屈光度下的MTF图；
图5为实施例一的光学模组在0屈光度下的场曲图和畸变图；
图6为实施例一的光学模组在0屈光度下的垂轴色差图；
图7为实施例一的光学模组在0屈光度下的点列图；
图8为实施例一的光学模组在眼动±4时的光路图；
图9为实施例一的光学模组在眼动±4时的MTF图；
图10为实施例一的光学模组在眼动±4时的场曲图和畸变图；
图11为实施例一的光学模组在眼动±4时的垂轴色差图；
图12为实施例一的光学模组在眼动±4时的点列图；
图13为实施例一的光学模组在4D屈光度下的光路图；
图14为实施例一的光学模组在4D屈光度下的MTF图；
图15为实施例一的光学模组在4D屈光度下的场曲图和畸变图；
图16为实施例一的光学模组在4D屈光度下的垂轴色差图；
图17为实施例一的光学模组在4D屈光度下的点列图；
图18为实施例一的光学模组在7D屈光度下的光路图；
图19为实施例一的光学模组在7D屈光度下的MTF图；
图20为实施例一的光学模组在7D屈光度下的场曲图和畸变图；
图21为实施例一的光学模组在7D屈光度下的垂轴色差图；
图22为实施例一的光学模组在7D屈光度下的点列图。
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)
如图1所示，本发明的第一实施例提供了一种光学模组10。该光学模组10包括三个透镜。具体地，该光学模组10自像侧至物侧依序包含：第一透镜P1、第二透镜P2以及第三透镜P3。
第一透镜P1的像侧面贴设有复合膜11，复合膜10自像侧至物侧依序包括：偏振反射膜层(图中未示出)以及四分之一波片膜层(图中未示出)。本实施例的光学模组10通过第一透镜P1的像侧面贴设有复合膜11，形成光路折叠结构，减小光学模组10的体积；采用三片透镜参与光路折返，极大缩减了光学总长，满足了VR设备中对光学模组10小型化、轻量化的使用需求。
第三透镜P3的物侧面上镀半透半反膜12。光线经过半透半反膜12的反射后形成的反射光束更容易在第三透镜P3上发生反射，从而避免光线损失，提高反射效率，保证成像亮度。
如图2所示，提供了一种光学模组10，该光学模组10自像侧至物侧依序包含：像侧101、偏振反射膜层102、四分之一波片膜层103、第一透镜P1、第二透镜P2以及第三透镜P3、半透半反膜12以及物侧104，本实施例的光路折返原理为物侧104的光线依次穿过第三透镜P3、第二透镜P2、第一透镜P1以及四分之一波片膜层103，被偏振反射膜层102反射形成反射光；反射光依次穿过四分之一波片膜层103、第一透镜P1、第二透镜P2以及第三透镜P3，被第三透镜P3物侧面上的半透半反膜12反射形成二次反射光，二次反射光依次穿过第三透镜P3、第二透镜P2、第一透镜P1、四分之一波片膜层103以及偏振反射膜层102，到达像侧101。实际上，在光线的传播路径上，通过第一透镜P1的像侧面上贴合四分之一波片膜层103以及偏振反射膜层102，对第一透镜P1和偏振反射膜层102之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到偏振反射膜层102的偏振光为对应的线偏振光，能够有效的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，第一透镜P1，第二透镜P2以及第三透镜P3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，第一透镜P1，第二透镜P2以及第三透镜P3至少其中之一的材质为塑料材质.在另一实施例中，第一透镜P1，第二透镜P2以及第三透镜P3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长、玻璃为易碎品，在外力的作用下容易破裂。
在本实施例中，第一透镜P1的像侧面为平面，第二透镜P2的像侧面和物侧面均为非球面。非球面设计能够调整显示图像地聚焦位置，从而减小显示图像地色差和畸变，提高成像质量。
在本实施例中，定义半透半反膜12的透射率为T，半透半反膜12的反射率为F，且满足下列关系式：40.00％≤T≤60.00％；40.00％≤F≤60.00％。在条件式规定范围内，有利于提高光线反射效率，保证成像亮度。
在本实施例中，偏振反射膜层的透过率大于或等于95％。在改范围内，有利于提高光纤反射效率，提高成像质量。
在本实施例中，光学模组10的焦距为f，第二透镜P2与第三透镜P3的组合焦距为f23，光学模组10的透镜镜片最大半口径为MAX SD，光学模组10的眼盒尺寸为Eyebox，且满足下列关系式：1.00≤f23/f≤1.50；MAX SD≤27.00mm；Eyebox≥12.00*12.00mm。在条件式规定范围内，用户不需要繁琐的调整就可以在最佳位置看到好的显示效果，体验感更好，并可增大视场角，提高视觉效果。该实施例的眼盒尺寸为光学模组10的入瞳直径与眼动范围之和，由于镜片设计的限制，随着眼动范围的增加，成像也会下降，在本实施例中，当眼动为±4时，光学模组10的全视场的性能良好，提高了用户因VR设备位置调整不佳时的显示体验。
在本实施例中，光学模组10的视场角为FOV，且满足下列关系式：90.00°≤FOV≤110.00°。在条件式规定范围内，VR用户沉浸感更好。
在本实施例中，光学模组10的光学总长为TTL，且满足下列关系式：TTL≤15.00mm；TTL/f≤0.70。在条件式规定范围内，有利于实现超薄化。
在本实施例中，光学模组10的光学畸变小于或等于35％。
在本实施例中，光学模组10的色差小于或等于100μm。
在本实施例中，光学模组10的屈光度调节范围在0-7D，为近视用户提供优质显示体验。
当满足上述关系时，光学模组10可应用于2.00-2.30英寸的显示屏上。
本发明第一实施方式中，一实施例的光学模组10的设计参数如下：Eyebox为12.00*12.00mm，f23/f为1.26，MAX SD为26.20mm，TTL为14.695mm，TTL/f为0.61，FOV为105°，光学畸变为35％，色差为100μm，显示屏尺寸为2.1英寸。
表1、表2以及表3示出本发明第一实施方式的光学模组10的设计数据。
表1为本发明第一实施方式的光学模组10中各光学组件的设计值。
Figure BDA0004175219730000081
其中，各符号的含义如下。
R：光学面的曲率半径、透镜时为中心曲率半径；
R1：第一透镜P1的像侧面的曲率半径；
R2：第一透镜P1的物侧面的曲率半径；
R3：第二透镜P2的像侧面的曲率半径；
R4：第二透镜P2的物侧面的曲率半径；
R5：第三透镜P3的像侧面的曲率半径；
R6：第三透镜P3的物侧面的曲率半径；
d：透镜的轴上厚度以及透镜之间的轴上距离；
d0：像面到第一透镜P1的物侧面的轴上距离；
d1：第一透镜P1的轴上厚度；
d2：第一透镜P1的物侧面到第二透镜P2的像侧面的轴上距离；
d3：第二透镜P2的轴上厚度；
d4：第二透镜P2的物侧面到第三透镜P3的像侧面的轴上距离；
d5：第三透镜P3的轴上厚度；
d6：第三透镜P3的物侧面到物面的轴上距离；
d7：第三透镜P3的轴上厚度；
d8：第二透镜P2的物侧面到第三透镜P3的像侧面的轴上距离；
d9：第二透镜P2的轴上厚度；
d10：第一透镜P1的物侧面到第二透镜P2的像侧面的轴上距离；
d11：第一透镜P1的轴上厚度；
d12：第一透镜P1的物侧面到第二透镜P2的像侧面的轴上距离；
d13：第二透镜P2的轴上厚度；
d14：第二透镜P2的物侧面到第三透镜P3的像侧面的轴上距离；
d15：第三透镜P3的轴上厚度；
d16：第三透镜P3的物侧面到物面的轴上距离；
TTL：第一透镜P1的像侧面到第三透镜P3物侧面的轴上距离；SD：透镜半口径；
nd：d线的折射率；
nd1：第一透镜P1的d线的折射率；
nd2：第二透镜P2的d线的折射率；
vd：阿贝数；
v1：第一透镜P1的阿贝数；
v2：第二透镜P2的阿贝数。
表2为本发明第一实施方式的光学模组10中非球面系数的设计值。
Figure BDA0004175219730000101
表3为本发明第一实施方式的光学模组10中非球面系数的设计值。
Figure BDA0004175219730000102
Figure BDA0004175219730000111
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，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)。
z＝(cr2)/[1+{1-(k+1)(c2r2)}1/2]+A4x4+A6x6+A8x8+A10x10+A12x12+
A14x14+A16x16+A18x18+A20x20(1)
为方便起见，各个透镜面的非球面使用上述公式(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。
图4、9、14、19分别为第一实施方式的光学模组10在0屈光度、眼动±4时、4D屈光度以及7D屈光度的MTF图，T为子午方向在25线对/毫米下测量的MTF曲线，S为弧矢方向在25线对/毫米下测量的MTF曲线。
图5、10、15、20示出了波长540nm的光分别经过第一实施方式的光学模组10在0屈光度、眼动±4时、4D屈光度以及7D屈光度的场曲图和畸变图，其中，T为子午方向的场曲，S为弧矢方向的场曲。
图6分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组10在0屈光度的垂轴色差；图11分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组10在眼动±4时的垂轴色差；图16分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组10在4D屈光度的垂轴色差；图21分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组7D屈光度的垂轴色差。
图7分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组10在0屈光度的点列图；图12分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组10在眼动±4时的点列图；图17分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组10在4D屈光度的点列图；图22分别示出波长为630nm、540nm、450nm的光经过第一实施方式的光学模组7D屈光度的点列图。
本发明还针对实施例一的光学模组10在不同屈光度下进行光学性能测试。如图2至图21所示，本发明实施例一提供的光学模组10不仅能够较好地校正场曲和畸变，提升像质，还能实现较高分辨率，满足高质量成像要求。在Eyebox边缘，即Eye Shift＝±4时，镜头全视场的性能良好，能够提高用户因VR设备位置调整不加时的显示体验；支持0-7D屈光度调整，为近视用户提供优质显示体验。
(第二实施方式)
本发明的第二实施例提供一种VR设备，包括上述的光学模组10。光学模组10的具体结构参考上述实施例，由于本VR设备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有益效果，在此不再一一赘述。
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 (10)

1.一种光学模组，应用于VR设备，其特征在于，所述光学模组自像侧至物侧依序包含：第一透镜，第二透镜以及第三透镜；
所述第一透镜的像侧面贴设有复合膜，所述复合膜自像侧至物侧依序包括：偏振反射膜层以及四分之一波片膜层；
所述光学模组的焦距为f，所述第二透镜与所述第三透镜的组合焦距为f23，所述光学模组的透镜镜片最大半口径为MAX SD，所述光学模组的眼盒尺寸为Eyebox，且满足下列关系式：
1.00≤f23/f≤1.50；
MAX SD≤27.00mm；
Eyebox≥12.00*12.00mm。
2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜的像侧面为平面，所述第二透镜的像侧面和物侧面均为非球面。
3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的视场角为FOV，且满足下列关系式：
90.00°≤FOV≤110.00°。
4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的光学总长为TTL，且满足下列关系式：
TTL≤15.00mm；
TTL/f≤0.70。
5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述第三透镜的物侧面上镀半透半反膜，所述半透半反膜的透射率为T，所述半透半反膜的反射率为F，且满足下列关系式：
40.00％≤T≤60.00％；
40.00％≤F≤60.00％。
6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述偏振反射膜层的透过率大于或等于95％。
7.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的光学畸变小于或等于35％。
8.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的色差小于或等于100μm。
9.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组的屈光度调节范围在0-7D。
10.一种VR设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的光学模组。
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