CN116880074A - 虚拟现实装置 - Google Patents

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CN116880074A CN202310980028.5A CN202310980028A CN116880074A CN 116880074 A CN116880074 A CN 116880074A CN 202310980028 A CN202310980028 A CN 202310980028A CN 116880074 A CN116880074 A CN 116880074A
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optical axis
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张晓彬
宋立通
游金兴
金银芳
赵烈烽
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Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种虚拟现实装置，包括：第一光学系统，包括第一元件组和第二元件组；第一元件组具有正光焦度，包括反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜；第二元件组具有正光焦度或负光焦度，包括第三透镜；以及第二光学系统，包括：具有负光焦度的第一透镜，具有正光焦度的第二透镜，具有符号相反的光焦度的第三透镜和第四透镜，具有正光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜；其中，第二光学系统形成的实像以电信号的形式传递至显示器，第一光学系统投射显示器上的实像和虚拟影像。

Description

虚拟现实装置
技术领域
本申请涉及光学元件领域，更具体地，涉及一种虚拟现实装置。
背景技术
随着虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)和增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术的发展，基于VR和AR技术的混合现实(Mixed Reality，简称MR)和扩展现实(Extended Reality，简称XR)等生态系统也正在逐渐建立。
目前，实现虚拟世界与现实世界融合的视频透视(Video See-Through，简称VST)技术，主要是通过透视镜头获取现实景物的实像，并以电信号的形式传递至显示器，在显示器上呈现现实景物的实像和虚拟影像，再通过目镜将显示器上呈现的实像和虚拟影像投射至人眼，以产生透视融合的效果。
然而，透视镜头和目镜两个光学系统由于使用的环境不同通光量存在差异，会导致融合得到的图像对比度异常，同时透视镜头边缘存在余光遮挡，会造成一定的安全隐患，影响使用体验。
发明内容
本申请提供了一种虚拟现实装置，包括第一光学系统和第二光学系统，所述第二光学系统形成的实像以电信号的形式传递至显示器，所述第一光学系统投射所述显示器上的所述实像和虚拟影像；其中，所述第一光学系统沿第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：第一元件组，具有正光焦度，沿所述第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜，或者反射式偏光元件、第一透镜、第二透镜和四分之一波板；以及第二元件组，具有正光焦度或负光焦度，包括第三透镜；所述第二光学系统沿第二光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜，具有负光焦度；第二透镜，具有正光焦度；第三透镜；第四透镜，与所述第三透镜的光焦度符号相反；第五透镜，具有正光焦度；以及第六透镜，具有负光焦度；所述第一光学系统中第一透镜的人眼侧面至第三透镜的显示器侧面在所述第一光轴上的距离TDA、所述第一光学系统的有效焦距fA、所述第二光学系统中第一透镜的物侧面至第六透镜的像侧面在所述第二光轴上的距离TDB与所述第二光学系统的有效焦距fB可满足：0.5<(TDA/fA)*(TDB/fB)<1.5。
本申请提供了一种虚拟现实装置，包括第一光学系统和第二光学系统，所述第二光学系统形成的实像以电信号的形式传递至显示器，所述第一光学系统投射所述显示器上的所述实像和虚拟影像；其中，所述第一光学系统沿第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：第一元件组，具有正光焦度，沿所述第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜，或者反射式偏光元件、第一透镜、第二透镜和四分之一波板；以及第二元件组，具有正光焦度或负光焦度，包括第三透镜；所述第二光学系统沿第二光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜，具有负光焦度；第二透镜，具有正光焦度；第三透镜；第四透镜，与所述第三透镜的光焦度符号相反；第五透镜，具有正光焦度；以及第六透镜，具有负光焦度；所述第一光学系统中第一透镜的人眼侧面至第三透镜的显示器侧面在所述第一光轴上的距离TDA、所述第一光学系统的最大视场角FOVA、所述第二光学系统中第一透镜的物侧面至第六透镜的像侧面在所述第二光轴上的距离TDB与所述第二光学系统的最大视场角FOVB可满足：1.4<(TDA*tan(FOVA/2))/(TDB*tan(FOVB/2))<2.4。
在一个实施方式中，所述第一光学系统中第一透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT1A、所述第一光学系统中第二透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT2A、所述第一光学系统中第三透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT3A与所述第二光学系统中第一透镜至第六透镜在所述第二光轴上的中心厚度之和∑CTB可满足：3.5<(CT1A+CT2A+CT3A)/∑CTB<5.5。
在一个实施方式中，所述第一光学系统中第一元件组的有效焦距FG1A、所述第一光学系统的入瞳直径EPDA、所述第二光学系统中第一透镜的有效焦距f1B与所述第二光学系统的入瞳直径EPDB可满足：-15.2<(FG1A/EPDA)*(f1B/EPDB)<-13.5。
在一个实施方式中，所述第一光学系统中第一透镜的人眼侧面的曲率半径R1A、所述第一光学系统中第一透镜的显示器侧面的曲率半径R2A、所述第一光学系统中第二透镜的人眼侧面的曲率半径R3A与所述第一光学系统中第二透镜的显示器侧面的曲率半径R4A可满足：1.0<(R3A+R4A)/(R1A+R2A)<1.5。
在一个实施方式中，所述第一光学系统中第一元件组的有效焦距FG1A、所述第一光学系统中第一透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT1A、所述第一光学系统中第一透镜与第二透镜在所述第一光轴上的空气间隔T12A、所述第一光学系统中第二透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT2A、所述第一光学系统中反射式偏光元件在所述第一光轴上的中心厚度CTRA与所述第一光学系统中四分之一波板在所述第一光轴上的中心厚度CTQA可满足：1.8<FG1A/(CT1A+T12A+CT2A+CTRA+CTQA)<2.8。
在一个实施方式中，所述第一光学系统中第一透镜的折射率N1A、所述第一光学系统中第三透镜的折射率N3A、所述第一光学系统的有效焦距fA与所述第一光学系统的入瞳直径EPDA可满足：18<(N1A+N3A)*(fA/EPDA)<19。
在一个实施方式中，所述第一光学系统中第三透镜的人眼侧面的曲率半径R5A、所述第一光学系统中第三透镜显示器侧面的曲率半径R6A与所述第一光学系统的有效焦距fA可满足：1.7<|R5A+R6A|/fA<3.5。
在一个实施方式中，所述第二光学系统中第二透镜的有效焦距f2B、所述第二光学系统中第三透镜的有效焦距f3B、所述第二光学系统中第四透镜的有效焦距f4B与所述第二光学系统中第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合焦距f234B可满足：0.7<(f2B+f3B+f4B)*f234B<2.4。
在一个实施方式中，所述第二光学系统中第三透镜和第四透镜的组合焦距f34B、所述第二光学系统中第三透镜在所述第二光轴上的中心厚度CT3B、所述第二光学系统中第三透镜与第四透镜在所述第二光轴上的空气间隔T34B与所述第二光学系统中第四透镜在所述第二光轴上的中心厚度CT4B可满足：9.6<|f34B|/(CT3B+T34B+CT4B)<17.3。
在一个实施方式中，所述第二光学系统中第一透镜的有效焦距f1B与所述第二光学系统中第六透镜的有效焦距f6B2可满足：3.1<(f1B+f6B)/(f1B-f6B)<4.7。
在一个实施方式中，所述第二光学系统的最大视场角FOVB、第二光学系统的有效焦距fB与所述第二光学系统的入瞳直径EPDB可满足：3.5<tan(FOVB/2)*(fB/EPDB)<4。
在一个实施方式中，所述第二光学系统中第一透镜与第二透镜在所述第二光轴上的空气间隔T12B、所述第二光学系统中第二透镜与第三透镜在所述第二光轴上的空气间隔T23B、所述第二光学系统中第三透镜与第四透镜在所述第二光轴上的空气间隔T34B、所述第二光学系统中第四透镜与第五透镜在所述第二光轴上的空气间隔T45B与所述第二光学系统中第五透镜与第六透镜在所述第二光轴上的空气间隔T56B可满足：1.0<T12B/(T23B+T34B+T45B+T56B)<1.4。
本申请的虚拟现实装置，通过合理配置第一光学系统和第二光学系统的组成元件，使第一光学系统实现光路折叠，使第二光学系统扩大视场，并控制第一光学系统中透镜的第一面至最后一面的距离与第一光学系统的有效焦距之间的关系，以及第二光学系统中透镜的第一面至最后一面的距离与第二光学系统的有效焦距之间的关系，使其满足0.5<(TDA/fA)*(TDB/fB)<1.5，便于对第一光学系统和第二光学系统的焦距进行合理的分配和衔接，也有利于间接控制第一光学系统和第二光学系统的通光量，使两个光学系统的通光量度均衡，避免异常对比度，可以更好的实现两个光学系统的影像传递与结合，并且通过将上述关系限制在一个合理的范围内，有利于在维持较小的光学总长的基础上实现短焦广角，可以增强对现实景物的摄取能力，削弱余光遮挡的现象，减小安全隐患，提高使用体验。
附图说明
结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
图1A至图1C示出了根据本申请示例性实施方式的虚拟现实装置的内部结构示意图、主视图和后视图；
图2示出了根据本申请第一光学系统的实施例1的结构示意图；
图3A至图3C分别示出了第一光学系统的实施例1的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；
图4示出了根据本申请第一光学系统的实施例2的结构示意图；
图5A至图5C分别示出了第一光学系统的实施例2的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；
图6示出了根据本申请第一光学系统的实施例3的结构示意图；
图7A至图7C分别示出了第一光学系统的实施例3的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；
图8示出了根据本申请第二光学系统的实施例1的结构示意图；
图9A至图9C分别示出了第二光学系统的实施例1的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；
图10示出了根据本申请第二光学系统的实施例2的结构示意图；
图11A至图11C分别示出了第二光学系统的实施例2的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；
图12示出了根据本申请第二光学系统的实施例3的结构示意图；
图13A至图13C分别示出了第二光学系统的实施例3的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线；
图14示出了根据本申请第二光学系统的实施例4的结构示意图；以及
图15A至图15C分别示出了第二光学系统的实施例4的轴上色差曲线、象散曲线和畸变曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一光学系统也可被称作第二光学系统，第二光学系统也可被称作第一光学系统。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若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于近轴区域为凸面；若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于近轴区域为凹面。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度形式化意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
以下对本申请的特征、原理和其他方面进行详细描述。
图1A至图1C示出了根据本申请示例性实施方式的虚拟现实装置的内部结构示意图、主视图和后视图。如图1A至图1C所示，根据本申请示例性实施方式的虚拟现实装置100可包括第一光学系统110和第二光学系统120。第一光学系统110可为目镜，第二光学系统120可为透视镜头。第二光学系统120获取现实景物的实像，所形成的实像以电信号的形式传递至显示器130，第一光学系统110投射显示器130上的实像和虚拟影像至人眼200。
第一光学系统110可包括沿着第一光轴由人眼侧至显示器侧依序排列的第一元件组和第二元件组。其中，第一元件组可具有正光焦度，可包括沿着第一光轴由人眼侧至显示器侧依序排列的反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜，或者反射式偏光元件、第一透镜、第二透镜和四分之一波板。第二元件组可具有正光焦度或负光焦度，可包括第三透镜。
第二光学系统120可包括沿着第二光轴由物侧至像侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜。其中，第一透镜可具有负光焦度，第二透镜可具有正光焦度，第三透镜与第四透镜的光焦度可符号相反，第五透镜可具有正光焦度，第六透镜可具有负光焦度。
在示例性实施方式中，第一光学系统110的第一透镜的人眼侧面可为凹面，显示器侧面可为凸面，第一光学系统110的第二透镜的人眼侧面可为凹面，显示器侧面可为凸面，第一光学系统110的第三透镜的人眼侧面可为凹面，显示器侧面可为凸面或凹面。
在示例性实施方式中，第一光学系统110的第一透镜至第三透镜中的至少一个透镜可为非球面透镜。非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，进而改善成像质量。
在示例性实施方式中，第二光学系统120的第一透镜至第六透镜中的至少一个透镜可为非球面透镜。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式0.5<(TDA/fA)*(TDB/fB)<1.5，其中，TDA为第一光学系统110中第一透镜的人眼侧面至第三透镜的显示器侧面在第一光轴上的距离，fA为第一光学系统110的有效焦距，TDB为述第二光学系统120中第一透镜的物侧面至第六透镜的像侧面在第二光轴上的距离，fB为第二光学系统120的有效焦距。
根据本申请示例性实施方式的虚拟现实装置100，通过合理配置第一光学系统110和第二光学系统120的组成元件，使第一光学系统110实现光路折叠，使第二光学系统120扩大视场，并控制第一光学系统110中透镜的第一面至最后一面的距离与第一光学系统110的有效焦距之间的关系，以及第二光学系统120中透镜的第一面至最后一面的距离与第二光学系统120的有效焦距之间的关系，使其满足0.5<(TDA/fA)*(TDB/fB)<1.5，便于对第一光学系统110和第二光学系统120的焦距进行合理的分配和衔接，也有利于间接控制第一光学系统110和第二光学系统120的通光量，使两个光学系统的通光量度均衡，避免异常对比度，可以更好的实现两个光学系统的影像传递与结合，并且通过将上述关系限制在一个合理的范围内，有利于在维持较小的光学总长的基础上实现短焦广角，可以增强对现实景物的摄取能力，削弱余光遮挡的现象，减小安全隐患，提高使用体验。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式1.4<(TDA*tan(FOVA/2))/(TDB*tan(FOVB/2))<2.4，其中，TDA为第一光学系统110中第一透镜的人眼侧面至第三透镜的显示器侧面在第一光轴上的距离，FOVA为第一光学系统110的最大视场角，TDB为第二光学系统120中第一透镜的物侧面至第六透镜的像侧面在第二光轴上的距离，FOVB为第二光学系统120的最大视场角。
根据本申请示例性实施方式的虚拟现实装置100，通过合理配置第一光学系统110和第二光学系统120的组成元件，使第一光学系统110实现光路折叠，使第二光学系统120扩大视场，并控制第一光学系统110中透镜的第一面至最后一面的距离与第一光学系统110的最大半视场角之间的关系，以及第二光学系统120中透镜的第一面至最后一面的距离与第二光学系统120的最大半视场角之间的关系，使其满足1.4<(TDA*tan(FOVA/2))/(TDB*tan(FOVB/2))<2.4,有利于在控制光学总长的基础上对第一光学系统110和第二光学系统120的视场角进行合理的分配和衔接，可以提高对现实场景的获取范围和虚拟影像的投影大小，使两个光学系统的通光量度均衡，避免异常对比度，削弱余光遮挡的现象，减小安全隐患，提高使用体验。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式3.5<(CT1A+CT2A+CT3A)/∑CTB<5.5，其中，CT1A为第一光学系统110中第一透镜在第一光轴上的中心厚度，CT2A为第一光学系统110中第二透镜在第一光轴上的中心厚度，CT3A为第一光学系统110中第三透镜在第一光轴上的中心厚度，∑CTB为第二光学系统120中第一透镜至第六透镜在第二光轴上的中心厚度之和。通过控制第一光学系统110中全部透镜的中心厚度之和与第二光学系统120中全部透镜的中心厚度之和的比值，一方面有利于保证透镜的基础加工，保证组装强度，避免结合线等成型风险，另一方面第一光学系统110中的透镜厚较大有利于大投影透镜的设计，可以提高设计性能与优化空间，增加投影的沉浸感，第二光学系统120中的透镜厚较小有利于透视镜头的小型化，便于平衡整体的体积和重量，适合轻便化的实际使用需求。
在示例性实施方式中,本申请的虚拟现实装置100可满足条件式-15.2<(FG1A/EPDA)*(f1B/EPDB)<-13.5，其中，FG1A为第一光学系统110中第一元件组的有效焦距，EPDA为第一光学系统110的入瞳直径，f1B为第二光学系统120中第一透镜的有效焦距，EPDB为第二光学系统120的入瞳直径。通过控制第一光学系统110中第一元件组有效焦距与第一光学系统110的入瞳直径之比，以及第二光学系统120中第一透镜的有效焦距与第二光学系统120的入瞳直径之比，并将两个比值的乘积限制在一个合理的范围内，有利于合理的分配第一光学系统110和第二光学系统120的通光孔径，使光线的亮度合适，以达到在还原外界实物明暗的情况下避免与虚拟影像产生过于强烈的亮度冲突，影响虚拟与现实的交互体验。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式1.0<(R3A+R4A)/(R1A+R2A)<1.5，其中，R1A为第一光学系统110中第一透镜的人眼侧面的曲率半径，R2A为第一光学系统110中第一透镜的显示器侧面的曲率半径，R3A为第一光学系统110中第二透镜的人眼侧面的曲率半径，R4A为第一光学系统110中第二透镜的显示器侧面的曲率半径。通过控制第一光学系统110中第一透镜和第二透镜两个面的曲率半径之和的比值，一方面使第一光学系统110中的第一透镜和第二透镜的曲率较小，有利于反射式偏光元件及四分之一波板的贴附，增加工艺的可行性，另一方面通过上式建立两个透镜曲率半径的联系，有利于边缘光效的调控，以减小像差。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式1.8<FG1A/(CT1A+T12A+CT2A+CTRA+CTQA)<2.8，其中，FG1A为第一光学系统110中第一元件组的有效焦距，CT1A为第一光学系统110中第一透镜在第一光轴上的中心厚度，T12A为第一光学系统110中第一透镜与第二透镜在第一光轴上的空气间隔，CT2A为第一光学系统110中第二透镜在第一光轴上的中心厚度，CTRA为第一光学系统110中反射式偏光元件在第一光轴上的中心厚度，CTQA为第一光学系统中四分之一波板在第一光轴上的中心厚度。通过控制第一光学系统110中第一元件组的有效焦距与其各组成元件的中心厚度及透镜的空气间隔之和的比值，有利于平衡第一光学系统110的焦距与光学总长，在保证其视场等光学性能的基础上控制第一光学系统110的体积，避免体积过大影响实际使用体验。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式18<(N1A+N3A)*(fA/EPDA)<19，其中，N1A为第一光学系统110中第一透镜的折射率，N3A为第一光学系统110中第三透镜的折射率，fA为第一光学系统110的有效焦距，EPDA为第一光学系统的入瞳直径。通过控制第一光学系统110中第一透镜和第三透镜的折射率之和与第一光学系统110的F数的乘积，一方面有利于对第一光学系统110的通光亮的控制，可以保证虚拟影像投射的亮度与高度，间接追溯显示器130有利于显示器130的选型，另一方面有利于第一透镜和第三透镜选择低应力的材料制造。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式1.7<|R5A+R6A|/fA<3.5,其中，R5A为第一光学系统110中第三透镜的人眼侧面的曲率半径，R6A为第一光学系统110中第三透镜显示器侧面的曲率半径，fA为第一光学系统110的有效焦距。通过控制第一光学系统110中第三透镜两个面的曲率半径之和与第一光学系统110的焦距的比值，一方面有利于补偿和调控第一元件组因光路折叠与膜层贴附而产生的像差，另一方面有利于合理分配第一光学系统110的焦距实现短焦广角，增加第一光学系统110成像的质量与范围。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式0.7<(f2B+f3B+f4B)*f234B<2.4，其中，f2B为第二光学系统120中第二透镜的有效焦距，f3B为第二光学系统120中第三透镜的有效焦距，f4B为第二光学系统120中第四透镜的有效焦距，f234B为第二光学系统120中第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合焦距。通过控制第二光学系统120中第二透镜、第三透镜和第四透镜单个透镜的有效焦距之和与第二透镜至第四透镜的组合焦距的乘积，并将该乘积限制在一个合理的范围内，有利于第二光学系统120中相邻正负透镜焦距的合理分配以及相邻元件组焦距的传递，便于实现中间范围内较小的焦距，并配合第一透镜和第六透镜的负光焦度，有利于实现广角，增加第二光学系统120的视野范围，扩大真实景物信息获取能力。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式9.6<|f34B|/(CT3B+T34B+CT4B<17.3，其中，f34B为第二光学系统120中第三透镜和第四透镜的组合焦距，CT3B为第二光学系统120中第三透镜在第二光轴上的中心厚度，T34B为第二光学系统120中第三透镜与第四透镜在第二光轴上的空气间隔，CT4B为第二光学系统120中第四透镜在第二光轴上的中心厚度。通过控制第二光学系统120中第三透镜和第四透镜的组合焦距的绝对值与第三透镜和第四透镜的中心厚度及空气间隔之和的比值，并将该比值限制在一个合理的范围内，有利于在保证第二光学系统120中第三透镜和第四透镜的成型强度与组装间隔的基础上进一步扩大焦距，有利于第二光学系统120的小型化与实现广角。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式3.1<(f1B+f6B)/(f1B-F6B)<4.7，其中，f1B为第二光学系统120中第一透镜的有效焦距，f6B2为第二光学系统120中第六透镜的有效焦距。通过控制第二光学系统120中第一透镜和第六透镜的有效焦距之和与之差的比值，有利于合理衔接和分配现实景物获取的视野与虚拟影像的视场，减少现实影像与虚拟影像融合时的比例或视觉冲突，提升使用体验。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式3.5<tan(FOVB/2)*(fB/EPDB)<4，其中，FOVB为第二光学系统120的最大视场角，fB为第二光学系统120的有效焦距，EPDB为第二光学系统120的入瞳直径。通过控制第二光学系统120的最大半视场角与F数的乘积，有利于平衡第二光学系统120的视场角与通光量，一方面避免小视场余光遮挡造成安全隐患，另一方面控制现实影像的亮度避免与虚拟影像产生强烈的冲突而影响沉浸感。
在示例性实施方式中，本申请的虚拟现实装置100可满足条件式1.0<T12B/(T23B+T34B+T45B+T56B)<1.4，其中，T12B为第二光学系统120中第一透镜与第二透镜在第二光轴上的空气间隔，T23B为第二光学系统120中第二透镜与第三透镜在第二光轴上的空气间隔，T34B为第二光学系统120中第三透镜与第四透镜在第二光轴上的空气间隔，T45B为第二光学系统120中第四透镜与第五透镜在第二光轴上的空气间隔，T56B为第二光学系统120中第五透镜与第六透镜在第二光轴上的空气间隔。通过控制第二光学系统120中第一透镜与第二透镜的空气间隔与第二透镜至第六透镜中各透镜的空气间隔之和的比值，一方面有利于保证第二光学系统120中各透镜的基本成型条件与组装间隙，增加工艺可行性，另一方面压缩限制第二光学系统120的光学总长，有利于第二光学系统120的小型化与轻量化。
在示例性实施方式中，第一光学系统110还可包括光阑，光阑可设置在第一光学系统110的适当位置，例如，光阑可位于人眼侧与第一元件组之间。光阑可约束光路，控制光强大小。
在示例性实施方式中，第二光学系统120还可包括光阑，光阑可设置在第二光学系统120的适当位置，例如，光阑可位于第二光学系统120中的第一透镜与第二透镜之间。
在示例性实施方式中，第一光学系统110还可包括部分反射元件，部分反射元件可以是镀设在第三透镜人眼侧面或显示器侧面上的半透半反射膜层。
在示例性实施方式中，第二光学系统120还可包括用于校正色彩偏差的滤光片和/或用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。
本领域的技术人员应当理解，在上述实施方式只是以两个光学系统为例进行了描述，但是在未背离本申请要求保护的技术方案的情况下，构成本申请的虚拟现实装置100的光学系统的数量可不限于两个，例如，如图1A所示，该虚拟现实装置100包括三个光学系统，其中，两个第一光学系统110，一个第二光学系统120。如果需要，本申请的虚拟现实装置100还可包括四个光学系统或者其它数量的光学系统。
下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的第一光学系统110的具体实施例。
实施例1
以下参照图2至图3C描述根据本申请第一光学系统110的实施例1。图2示出了根据本申请第一光学系统110的实施例1的结构示意图。
如图2所示，第一光学系统110沿着第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E'1、第二透镜E'2、四分之一波板QWP、部分反射元件BS、第三透镜E'3和影像面IMG。其中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第三透镜E'3、部分反射元件BS、四分之一波板QWP、第二透镜E'2、第一透镜E'1、到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处被反射并再次穿过第一透镜E'1、第二透镜E'2、四分之一波板QWP、到达部分反射元件BS，之后，光束在部分反射元件BS处再次被反射并依次穿过四分之一波板QWP、第二透镜E'2、第一透镜E'1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。
在该实施例中，第一透镜E'1的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面，第二透镜E'2的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面，第三透镜E'3的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面。
表1示出了第一光学系统110的实施例1的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。
表1
在实施例1中，第一透镜E'1的人眼侧面S3和显示器侧面S4、第二透镜E'2的人眼侧面S5和显示器侧面S6、第三透镜E'3的人眼侧面S18和显示器侧面S19均为非球面，各非球面透镜的面型x可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
其中，x为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径R的倒数)；k为圆锥系数；Ai是非球面第i-th阶的修正系数。下表2给出了可用于第一光学系统110的实施例1中各非球面镜面S3、S4、S5、S6、S18和S19的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A18和A20。
系数\表面 S3 S4 S5 S6 S18 S19
A4 -2.7489E-01 -1.4357E-01 1.2660E-01 -4.6460E-03 -2.7538E-01 2.5378E-01
A6 1.8851E-01 -2.4887E-01 -2.6008E-01 3.0416E-01 8.3673E-02 -2.3184E-02
A8 -6.9259E-03 2.8843E-02 -4.6801E-03 -1.2011E-01 5.0863E-03 -1.7813E-01
A10 -1.5349E-03 5.1097E-03 -1.0853E-02 2.0978E-02 -7.2813E-03 8.6813E-03
A12 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A14 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A16 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A18 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A20 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
表2
图3A示出了第一光学系统110的实施例1的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第一光学系统110后的汇聚焦点偏离。图3B示出了第一光学系统110的实施例1的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图3C示出了第一光学系统110的实施例1的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图3A至图3C可知，第一光学系统110的实施例1能够实现良好的成像品质。
实施例2
以下参照图4至图5C描述根据本申请第一光学系统110的实施例2。在本实施例及以下实施例中，为简洁起见，将省略部分与第一光学系统110的实施例1相似的描述。图4示出了根据本申请第一光学系统110的实施例2的结构示意图。
如图4所示，第一光学系统110沿着第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E'1、四分之一波板QWP、第二透镜E'2、部分反射元件BS、第三透镜E'3和影像面IMG。其中，从影像面IMG发出的光束依次穿过第三透镜E'3、部分反射元件BS、第二透镜E'2、四分之一波板QWP、第一透镜E'1、到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处被反射并再次穿过第一透镜E'1、四分之一波板QWP、第二透镜E'2、到达部分反射元件BS，之后，光束在部分反射元件BS处再次被反射并依次穿过第二透镜E'2、四分之一波板QWP、第一透镜E'1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。
在该实施例中，第一透镜E'1的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面，第二透镜E'2的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面，第三透镜E'3的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凹面。
表3示出了第一光学系统110的实施例2的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E'1的人眼侧面S3和显示器侧面S4、第二透镜E'2的人眼侧面S6和显示器侧面S7、第三透镜E'3的人眼侧面S18和显示器侧面S19均为非球面，表4示出了可用于第一光学系统110的实施例2中各非球面镜面S3、S4、S6、S7、S18和S19的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A18和A20，其中，各非球面面型可由上述第一光学系统110的实施例1中给出的公式(1)限定。
表3
系数\表面 S3 S4 S6 S7 S18 S19
A4 1.8893E-01 -1.8304E-01 2.2651E-01 -4.9459E-02 2.6486E-01 -2.2202E-01
A6 1.3928E-01 -4.0576E-02 -1.3412E-01 2.8080E-01 6.8482E-02 -1.5744E-01
A8 -3.6731E-02 -1.3979E-01 2.0174E-02 8.9056E-02 -2.3321E-02 -6.7708E-02
A10 -6.2311E-03 -2.9494E-03 1.3503E-04 2.9133E-04 -2.8361E-03 6.8875E-03
A12 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A14 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A16 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A18 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A20 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
表4
图5A示出了第一光学系统110的实施例2的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第一光学系统110后的汇聚焦点偏离。图5B示出了第一光学系统110的实施例2的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图5C示出了第一光学系统110的实施例2的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图5A至图5C可知，第一光学系统110的实施例2能够实现良好的成像品质。
实施例3
以下参照图6至图7C描述根据本申请第一光学系统110的实施例3。图6示出了根据本申请第一光学系统110的实施例3的结构示意图。
如图6所示，第一光学系统110沿着第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：光阑STO、反射式偏光元件RP、第一透镜E'1、四分之一波板QWP、第二透镜E'2、第三透镜E'3、部分反射元件BS和影像面IMG。其中，从影像面IMG发出的光束依次穿过部分反射元件BS、第三透镜E'3、第二透镜E'2、四分之一波板QWP、第一透镜E'1、到达反射式偏光元件RP，在反射式偏光元件RP处被反射并再次穿过第一透镜E'1、四分之一波板QWP、第二透镜E'2、第三透镜E'3、到达部分反射元件BS，之后，光束在部分反射元件BS处再次被反射并依次穿过第三透镜E'3、第二透镜E'2、四分之一波板QWP、第一透镜E'1和反射式偏光元件RP以朝向人眼侧出射。
在该实施例中，第一透镜E'1的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面，第二透镜E'2的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面，第三透镜E'3的人眼侧面为凹面，显示器侧面为凸面。
表5示出了第一光学系统110的实施例3的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E'1的人眼侧面S3和显示器侧面S4、第二透镜E'2的人眼侧面S6和显示器侧面S7、第三透镜E'3的人眼侧面S8和显示器侧面S9均为非球面，表6示出了可用于第一光学系统110的实施例3中各非球面镜面S3、S4、S6、S7、S8和S9的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A18和A20，其中，各非球面面型可由上述第一光学系统110的实施例1中给出的公式(1)限定。
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表5
系数\表面 S3 S4 S6 S7 S8 S9
A4 -3.7851E-02 -1.4285E-01 2.4411E-01 5.6199E-02 -1.3414E-01 -2.8145E-02
A6 1.0873E-01 -2.0271E-01 1.2509E-02 2.4299E-01 -1.9244E-01 -1.5688E-03
A8 -2.6907E-02 1.2802E-01 7.1883E-02 -8.7751E-02 1.2306E-01 -1.2098E-02
A10 -4.2128E-03 -2.3350E-03 -3.2997E-02 -4.8852E-03 8.4233E-03 1.4049E-02
A12 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A14 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A16 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A18 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
A20 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00 0.0000E+00
表6
图7A示出了第一光学系统110的实施例3的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第一光学系统110后的汇聚焦点偏离。图7B示出了第一光学系统110的实施例3的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图7C示出了第一光学系统110的实施例3的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图7A至图7C可知，第一光学系统110的实施例3能够实现良好的成像品质。
此外，在第一光学系统110的实施例1至实施例3中，第一光学系统110中第一元件组的有效焦距FG1A、第一光学系统110的最大视场角FOVA、第一光学系统110的入瞳直径EPDA、第一光学系统110的有效焦距fA、第一光学系统110中第一透镜的人眼侧面至第三透镜的显示器侧面在第一光轴上的距离TDA、第一光学系统110中反射式偏光元件在第一光轴上的中心厚度CTRA以及第一光学系统110中四分之一波板在第一光轴上的中心厚度CTQA如表
7中所示。
参数/实施例 1 2 3
FG1A(mm) 25.49 24.30 25.98
FOVA(°) 106.0 106.0 106.0
EPDA(mm) 4.75 4.75 4.75
fA(mm) 25.97 27.60 27.01
TDA(mm) 14.54 12.07 14.91
CTRA(mm) 0.19 0.19 0.19
CTQA(mm) 0.19 0.19 0.285
表7
下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的第二光学系统120的具体实施例。
实施例1
以下参照图8至图9C描述了根据本申请第二光学系统120的实施例1。图8示出了根据本申请第二光学系统120的实施例1的结构示意图。
如图8所示，第二光学系统120沿着第二光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜E1、光阑STO、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、第五透镜E5、第六透镜E6、滤光片E7和成像面S15。
在该实施例中，第一透镜E1具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第二透镜E2具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第三透镜E3具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第四透镜E4具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第五透镜E5具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第六透镜E6具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凹面。
表8示出了第二光学系统120的实施例1的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1至第六透镜E6的物侧面和像侧面均为非球面，表9示出了可用于第二光学系统120的实施例1中各非球面镜面S1-S12的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16，其中，各非球面面型可由上述第一光学系统110的实施例1中给出的公式(1)限定。
表8
表面\系数 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S1 1.6475E-02 -2.9418E-02 1.3356E-02 3.2498E-03 -5.5989E-03 2.0234E-03 -2.4563E-04
S2 4.5711E-02 -3.9262E-02 4.1752E-01 -1.4360E+00 2.7160E+00 -2.4698E+00 9.1195E-01
S3 -3.0185E-02 1.0407E-01 -8.0902E-01 2.4370E+00 -4.2066E+00 3.7463E+00 -1.4124E+00
S4 -1.3840E-01 9.5095E-02 -4.5605E-01 1.3010E+00 -1.6499E+00 9.5701E-01 -2.1147E-01
S5 -3.1067E-01 8.5990E-01 -3.2537E+00 6.6652E+00 -7.4875E+00 4.4153E+00 -1.0706E+00
S6 -2.6168E-01 1.5311E+00 -4.2902E+00 6.8184E+00 -6.2683E+00 3.1374E+00 -6.6039E-01
S7 -1.5930E-01 4.9473E-01 -7.8950E-01 6.0076E-01 -2.1069E-01 6.8242E-02 -2.4392E-02
S8 -1.2153E-01 -2.3707E-01 4.6005E-01 -2.7571E-01 -1.0469E-01 2.0333E-01 -6.2846E-02
S9 1.2199E-01 -4.2744E-01 4.8123E-01 -1.7487E-01 -9.2124E-02 1.0441E-01 -2.7607E-02
S10 -4.2938E-02 9.7784E-02 -3.3794E-01 5.9023E-01 -4.8967E-01 1.9692E-01 -3.1103E-02
S11 -1.3601E-01 -1.3130E-01 3.8923E-01 -3.2419E-01 1.1775E-01 -1.2560E-02 -1.1759E-03
S12 -2.5364E-01 1.2568E-01 -2.2101E-02 -1.5392E-02 8.9876E-03 -1.4715E-03 4.9850E-07
表9
图9A示出了第二光学系统120的实施例1的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图9B示出了第二光学系统120的实施例1的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图9C示出了第二光学系统120的实施例1的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图9A至图9C可知，第二光学系统120的实施例1能够实现良好的成像品质。
实施例2
以下参照图10至图11C描述了根据本申请第二光学系统120的实施例2。图10示出了根据本申请第二光学系统120的实施例2的结构示意图。
如图10所示，第二光学系统120沿着第二光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜E1、光阑STO、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、第五透镜E5、第六透镜E6、滤光片E7和成像面S15。
在该实施例中，第一透镜E1具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第二透镜E2具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第三透镜E3具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第四透镜E4具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第五透镜E5具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第六透镜E6具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凹面。
表10示出了第二光学系统120的实施例2的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1至第六透镜E6的物侧面和像侧面均为非球面，表11示出了可用于第二光学系统120的实施例2中各非球面镜面S1-S12的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16，其中，各非球面面型可由上述第一光学系统110的实施例1中给出的公式(1)限定。
表10
表面\系数 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S1 1.9148E-02 -2.7769E-02 7.8505E-03 6.4953E-03 -6.1509E-03 1.9591E-03 -2.2629E-04
S2 8.9940E-03 1.1417E-01 -1.0871E-01 -4.0774E-01 1.7844E+00 -2.2748E+00 1.0847E+00
S3 -2.7367E-02 9.6631E-02 -8.3434E-01 2.6383E+00 -4.6587E+00 4.2075E+00 -1.5837E+00
S4 -1.3157E-01 5.1854E-02 -4.4191E-01 1.4787E+00 -2.0125E+00 1.2534E+00 -3.0177E-01
S5 -2.9236E-01 8.1080E-01 -3.1915E+00 6.6097E+00 -7.3968E+00 4.3036E+00 -1.0232E+00
S6 -2.6548E-01 1.5373E+00 -4.2813E+00 6.7295E+00 -6.0756E+00 2.9684E+00 -6.0777E-01
S7 -1.6551E-01 5.1091E-01 -7.9355E-01 5.5945E-01 -1.4156E-01 1.7841E-02 -9.6757E-03
S8 -1.1761E-01 -2.4183E-01 4.8083E-01 -3.2036E-01 -5.2476E-02 1.6609E-01 -5.0943E-02
S9 1.2184E-01 -4.6127E-01 5.5739E-01 -2.6243E-01 -3.3659E-02 8.3198E-02 -2.4343E-02
S10 -4.7643E-02 1.3275E-01 -4.1622E-01 6.9424E-01 -5.6626E-01 2.2478E-01 -3.5021E-02
S11 -1.4284E-01 -9.2956E-02 2.9412E-01 -2.1082E-01 4.2042E-02 1.4448E-02 -5.0986E-03
S12 -2.6446E-01 1.4930E-01 -5.7894E-02 1.4272E-02 -5.3630E-03 2.3216E-03 -4.1956E-04
表11
图11A示出了第二光学系统120的实施例2的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图11B示出了第二光学系统120的实施例2的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图11C示出了第二光学系统120的实施例2的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图11A至图11C可知，第二光学系统120的实施例2能够实现良好的成像品质。
实施例3
以下参照图12至图13C描述了根据本申请第二光学系统120的实施例3。图12示出了根据本申请第二光学系统120的实施例3的结构示意图。
如图12所示，第二光学系统120沿着第二光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜E1、光阑STO、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、第五透镜E5、第六透镜E6、滤光片E7和成像面S15。
在该实施例中，第一透镜E1具有负光焦度，其物侧面可为凸面，像侧面为凹面，第二透镜E2具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第三透镜E3具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面，第四透镜E4具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凹面，第五透镜E5具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第六透镜E6具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凹面。
表12示出了第二光学系统120的实施例3的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜E1至第六透镜E6的物侧和像侧面均为非球面，表13示出了可用于第二光学系统120的实施例3中各非球面镜面S1-S12的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16，其中，各非球面面型可由上述第一光学系统110的实施例1中给出的公式(1)限定。
表12
表面\系数 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
S1 5.3530E-03 5.5944E-03 -5.1516E-02 8.5538E-02 -6.6786E-02 2.5677E-02 -3.9256E-03
S2 6.7215E-02 -9.6751E-02 9.3328E-01 -3.6338E+00 7.6131E+00 -7.8087E+00 3.2575E+00
S3 -3.2741E-02 5.2083E-02 -4.0829E-01 1.3047E+00 -2.3728E+00 2.1906E+00 -8.5286E-01
S4 -2.0206E-01 6.5647E-04 4.3282E-01 -8.2242E-01 8.5986E-01 -5.1282E-01 1.2783E-01
S5 -2.6645E-01 -5.4066E-02 -2.1073E-01 1.4248E+00 -2.3947E+00 1.7886E+00 -5.0080E-01
S6 -9.1744E-02 1.0603E+00 -3.1389E+00 4.5815E+00 -3.6242E+00 1.5133E+00 -2.6515E-01
S7 -1.7928E-01 1.6012E+00 -4.2264E+00 5.5655E+00 -3.9303E+00 1.4426E+00 -2.1762E-01
S8 -1.8054E-01 -7.8645E-02 1.1473E-02 1.8240E-01 -2.1140E-01 1.2065E-01 -2.5802E-02
S9 1.3650E-01 -2.7011E-01 2.7449E-01 -2.3475E-01 1.5100E-01 -5.4015E-02 7.8118E-03
S10 -1.3580E-01 4.9439E-01 -7.3243E-01 5.7346E-01 -2.6691E-01 7.4026E-02 -9.1947E-03
S11 -3.8551E-02 -1.9620E-01 2.7493E-01 -1.7859E-01 7.3786E-02 -1.8022E-02 1.9325E-03
S12 -1.6484E-01 3.0050E-02 3.1251E-02 -2.8981E-02 1.0768E-02 -1.9716E-03 1.2498E-04
表13
图13A示出了第二光学系统120的实施例3的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图13B示出了第二光学系统120的实施例3的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图13C示出了第二光学系统120的实施例3的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图13A至图13C可知，第二光学系统120的实施例3能够实现良好的成像品质。
实施例4
以下参照图14至图15C描述了根据本申请第二光学系统120的实施例4。图14示出了根据本申请第二光学系统120的实施例4的结构示意图。
如图14所示，第二光学系统120沿着第二光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜E1、光阑STO、第二透镜E2、第三透镜E3、第四透镜E4、第五透镜E5、第六透镜E6、滤光片E7和成像面S15。
在该实施例中，第一透镜E1具有负光焦度，其物侧面可为凸面，像侧面为凹面，第二透镜E2具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第三透镜E3具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第四透镜E4具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，第五透镜E5具有正光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凸面，第六透镜E6具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凹面。
表14示出了第二光学系统120的实施例4的基本参数，其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。在该实施例中，第一透镜1至第六透镜E6的物侧面和像侧面均为非球面，表15示出了可用于第二光学系统120的实施例4中各非球面镜面S1、-S12的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16，其中，各非球面面型可由上述第一光学系统110的实施例1中给出的公式(1)限定。
表14
表15
图15A示出了第二光学系统120的实施例4的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的汇聚焦点偏离。图15B示出了第二光学系统120的实施例4的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图15C示出了第二光学系统120的实施例4的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图15A至图15C可知，第二光学系统120的实施例4能够实现良好的成像品质。
此外，在第二光学系统120的实施例1至实施例4中，第二光学系统120中第一透镜的有效焦距f1B、第二光学系统120中第二透镜的有效焦距f2B、第二光学系统120中第三透镜的有效焦距f3B、第二光学系统120中第四透镜的有效焦距f4B、第二光学系统120中第五透镜的有效焦距f2B、第二光学系统120中第六透镜的有效焦距f6B、第二光学系统120的有效焦距fB、第二光学系统120的入瞳直径EPDB、第二光学系统120的最大视场角FOVB、第二光学系统120中第一透镜至第六透镜在第二光轴上的中心厚度之和∑CTB、第二光学系统120中第一透镜的物侧面至第六透镜的像侧面在第二光轴上的距离TDB、第二光学系统120中第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合焦距f234B以及第二光学系统120中第三透镜和第四透镜的组合焦距f34B如表16中所示。
参数/实施例 1 2 3 4
f1B(mm) -3.21 -3.11 -3.13 -3.10
f2B(mm) 2.50 2.50 2.49 2.54
f3B(mm) -3.18 -3.38 8.75 -3.29
f4B(mm) 2.55 2.51 -3.74 2.69
f5B(mm) 2.40 2.42 1.54 2.22
f6B(mm) -1.84 -1.87 -1.62 -1.99
fB(mm) 2.08 2.08 2.08 2.08
EPDB(mm) 1.16 1.16 1.16 1.16
FOVB(°) 130.04 130.03 130.08 126.05
∑CTB(mm) 2.70 2.83 2.85 2.96
TDB(mm) 4.58 4.58 4.52 4.62
f234B(mm) 2.16 2.08 3.17 2.23
f34B(mm) 14.05 10.44 -6.80 15.71
表16
将上述第一光学系统110的实施例1与第二光学系统120的实施例1至4分别组合，形成虚拟现实装置100的实施例1至4。将上述第一光学系统110的实施例2与第二光学系统120的实施例1至4分别组合，形成虚拟现实装置100的实施例5至8。将上述第一光学系统110的实施例3与第二光学系统120的实施例1至4分别组合，形成虚拟现实装置100的实施例9至12。虚拟现实装置100的实施例1至实施例12分别满足表17中所示的条件。
表17
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离本申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种虚拟现实装置，其特征在于，包括第一光学系统和第二光学系统，所述第二光学系统形成的实像以电信号的形式传递至显示器，所述第一光学系统投射所述显示器上的所述实像和虚拟影像；其中，
所述第一光学系统沿第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：
第一元件组，具有正光焦度，包括：反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜；以及
第二元件组，具有正光焦度或负光焦度，包括第三透镜；
所述第二光学系统沿第二光轴由物侧至像侧依序包括：
第一透镜，具有负光焦度；
第二透镜，具有正光焦度；
第三透镜；
第四透镜，与所述第三透镜的光焦度符号相反；
第五透镜，具有正光焦度；以及
第六透镜，具有负光焦度；
所述第一光学系统中第一透镜的人眼侧面至第三透镜的显示器侧面在所述第一光轴上的距离TDA、所述第一光学系统的有效焦距fA、所述第二光学系统中第一透镜的物侧面至第六透镜的像侧面在所述第二光轴上的距离TDB与所述第二光学系统的有效焦距fB满足：
0.5<(TDA/fA)*(TDB/fB)<1.5。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学系统中第一透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT1A、所述第一光学系统中第二透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT2A、所述第一光学系统中第三透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT3A与所述第二光学系统中第一透镜至第六透镜在所述第二光轴上的中心厚度之和∑CTB满足：
3.5<(CT1A+CT2A+CT3A)/∑CTB<5.5。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学系统中第一元件组的有效焦距FG1A、所述第一光学系统的入瞳直径EPDA、所述第二光学系统中第一透镜的有效焦距f1B与所述第二光学系统的入瞳直径EPDB满足：
-15.2<(FG1A/EPDA)*(f1B/EPDB)<-13.5。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学系统中第一透镜的人眼侧面的曲率半径R1A、所述第一光学系统中第一透镜的显示器侧面的曲率半径R2A、所述第一光学系统中第二透镜的人眼侧面的曲率半径R3A与所述第一光学系统中第二透镜的显示器侧面的曲率半径R4A满足：
1.0<(R3A+R4A)/(R1A+R2A)<1.5。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学系统中第一元件组的有效焦距FG1A、所述第一光学系统中第一透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT1A、所述第一光学系统中第一透镜与第二透镜在所述第一光轴上的空气间隔T12A、所述第一光学系统中第二透镜在所述第一光轴上的中心厚度CT2A、所述第一光学系统中反射式偏光元件在所述第一光轴上的中心厚度CTRA与所述第一光学系统中四分之一波板在所述第一光轴上的中心厚度CTQA满足：
1.8<FG1A/(CT1A+T12A+CT2A+CTRA+CTQA)<2.8。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学系统中第一透镜的折射率N1A、所述第一光学系统中第三透镜的折射率N3A、所述第一光学系统的有效焦距fA与所述第一光学系统的入瞳直径EPDA满足：
18<(N1A+N3A)*(fA/EPDA)<19。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光学系统中第三透镜的人眼侧面的曲率半径R5A、所述第一光学系统中第三透镜显示器侧面的曲率半径R6A与所述第一光学系统的有效焦距fA满足：
1.7<|R5A+R6A|/fA<3.5。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光学系统中第二透镜的有效焦距f2B、所述第二光学系统中第三透镜的有效焦距f3B、所述第二光学系统中第四透镜的有效焦距f4B与所述第二光学系统中第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合焦距f234B满足：
0.7<(f2B+f3B+f4B)*f234B<2.4。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光学系统中第三透镜和第四透镜的组合焦距f34B、所述第二光学系统中第三透镜在所述第二光轴上的中心厚度CT3B、所述第二光学系统中第三透镜与第四透镜在所述第二光轴上的空气间隔T34B与所述第二光学系统中第四透镜在所述第二光轴上的中心厚度CT4B满足：
9.6<|f34B|/(CT3B+T34B+CT4B)<17.3。
10.一种虚拟现实装置，其特征在于，包括第一光学系统和第二光学系统，所述第二光学系统形成的实像以电信号的形式传递至显示器，所述第一光学系统投射所述显示器上的所述实像和虚拟影像；其中，
所述第一光学系统沿第一光轴由人眼侧至显示器侧依序包括：
第一元件组，具有正光焦度，包括：反射式偏光元件、第一透镜、四分之一波板和第二透镜；以及
第二元件组，具有正光焦度或负光焦度，包括第三透镜；
所述第二光学系统沿第二光轴由物侧至像侧依序包括：
第一透镜，具有负光焦度；
第二透镜，具有正光焦度；
第三透镜；
第四透镜，与所述第三透镜的光焦度符号相反；
第五透镜，具有正光焦度；以及
第六透镜，具有负光焦度；
所述第一光学系统中第一透镜的人眼侧面至第三透镜的显示器侧面在所述第一光轴上的距离TDA、所述第一光学系统的最大视场角FOVA、所述第二光学系统中第一透镜的物侧面至第六透镜的像侧面在所述第二光轴上的距离TDB与所述第二光学系统的最大视场角FOVB满足：
1.4<(TDA*tan(FOVA/2))/(TDB*tan(FOVB/2))<2.4。
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