CN117192777A - 光学系统和头戴显示设备 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种光学系统和头戴显示设备。本公开实施例的光学系统可以包括：沿系统光轴依次布置的显示元件、透镜、分光镜、反射镜；其中，来自显示元件的光线依次经过透镜、分光镜、反射镜，再次经过分光镜后，射入光学系统的眼盒；其中，光学系统的视场角大于等于35°且小于等于55°，并且光学系统的第一比值大于等于1且小于等于1.3，第一比值是指透镜焦距与反射镜的反射面焦距的乘积的平方根和光学系统的系统焦距之间的比值。
Description
技术领域
本公开实施例涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种光学系统和头戴显示设备。
背景技术
增强现实技术是将虚拟场镜与现实场镜进行呈现并互动的技术。通过将虚拟图像以及现实场景同时投射到用户眼中，能够为用户提供虚拟与现实融合的视觉体验。佩戴实现增强现实的装置，例如头戴显示设备、AR眼镜，是用户进行融合体验的常用方式。
随着应用需求的提升，要求头戴显示设备的整体结构更紧凑。然而，光学系统体积、视场角和眼盒(即人眼可移动的区域，在该区域内人眼能够看到全部显示图像)在设计上难于平衡。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种光学系统和头戴显示设备。
根据本公开实施例的第一方面，提供了一种光学系统，包括：沿系统光轴依次布置的显示元件、透镜、分光镜、反射镜；其中，来自显示元件的光线依次经过透镜、分光镜、反射镜，再次经过分光镜后，射入光学系统的眼盒；
光学系统的视场角大于等于35°，且光学系统满足如下关系：
其中，fL表示透镜的焦距，fR表示反射镜的反射面焦距，f表示光学系统的系统焦距，第一比值s1大于等于1且小于等于1.3。
根据本公开实施例的第二方面，提供了一种头戴显示设备，该头戴显示设备包含上述的光学系统。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一光学系统结构示意图。
图2为本公开实施例提供的另一光学系统结构示意图。
图3为图1所示类型光学系统的一种成像光路图。
图4为本公开实施例提供的光学系统的光学传递函数MTF曲线示意图。
图5为本公开示例性实施例的头戴显示设备的结构示意图。
附图标记说明：
100：光学系统
101：显示元件
102：透镜
103：分光镜
104：反射镜
500：头戴显示设备
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本公开实施例中的技术方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开实施例中的实施例，本领域普通技术人员所得到的所有其他实施例，都应当属于本公开实施例保护的范围。需说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合本公开实施例附图进一步说明本公开实施例具体实现。
图1示出了本公开一些实施例提供的光学系统的结构示意图，图2示出了本公开一些实施例提供的光学系统的另一结构示意图。
参见图1、图2，光学系统100包括：沿系统光轴依次布置的显示元件101、透镜102、分光镜103和反射镜104。显示元件101发出的光线依次经透镜102、分光镜103和反射镜104并再次经分光镜103后射入光学系统100的眼盒(eye box)，从而使得位于眼盒的人眼能够看到显示元件101所显示的图像。
显示元件101用于显示需要投放到人眼中的图像。显示元件101可以是但不限于体积较小的显示器，以尽可能地缩小光学系统100的整体体积。例如，显示元件101可以是有机发光二极管(OLED，Organic Light-Emitting Diode)像源、硅基液晶(LCOS，LiquidCrystal on Silicon)像源、液晶(LCD，Liquid Crystal Display)像源、微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)像源、或数字微镜器件(DMD，Digital MicromirrorDevice)像源等。显示元件101显示的图像可以是但不限于2D图像、3D图像、静态图像、动态图像等各种类型。
透镜102用于为光学系统100提供屈光度，能够放大显示元件101所显示的图像，能够在显示元件101所显示的图像较小的情况下，对显示元件101所显示的图像进行放大。
分光镜103用于将入射光分束。分光镜103具有第一表面和第二表面，第一表面或第二表面均可作为分光镜103的分光面。分光面是部分透射、部分反射的。
反射镜104用于对入射的光线进行反射，以使光线转折以射入眼盒，反射镜104可以是部分透射、部分反射的，也可以是全反射的。
需要说明的是，对于整个光学系统而言，系统光轴为光学系统中各个光学元件的光学中心的连线，各个光学元件沿着系统光轴排列；对于单个光学元件而言(例如，反射镜的光轴)，光学元件的光轴穿过光学元件的光学中心，入射光线与出射光线之间不发生偏折。可以理解的是，由于制造、装配误差，系统光轴和单个光学元件的光轴可能不是一条完美的直线。
在一些可能的实施方式中，参见图1，显示元件101、透镜102与反射镜104位于分光镜103的同一侧。显示元件101的法线方向与透镜102的光轴一致或平行。透镜102具有靠近分光镜103第一表面和靠近显示元件101的第二表面。分光镜103具有靠近透镜102的第二表面和远离透镜102的第一表面。分光镜103的第二表面为分光面。分光镜103的分光面与透镜102的光轴呈一定的倾角。反射镜104的光轴与分光镜103的分光面呈一定的倾角。反射镜104可以是半透半反透镜。
如图1所示，显示元件101发出的光线进入透镜102，经过透镜102的第二表面和第一表面后入射至分光镜103的第二表面。部分光线经分光镜103的第二表面和第一表面透射而出，部分光线经分光镜103的第二表面(即，分光面)反射至反射镜104的反射面，经反射镜104的反射面反射后的光线再次透过分光镜103，之后射入眼盒。来自真实世界的自然光线可通过反射镜104、分光镜103后进入眼盒，从而使得位于眼盒的人眼能够同时看到放大的显示元件101所显示的清晰图像以及真实世界。
在一些可能的实施方式中，参见图2，显示元件101、透镜102与反射镜104可以分设于分光镜103的两侧。换言之，显示元件101、透镜102可以设置在分光镜103的一侧，反射镜104可以设置在分光镜103的另一侧。显示元件101的法线方向与透镜102的光轴一致或平行。透镜102具有靠近显示元件101第二表面和靠近分光镜103的第一表面。分光镜103具有靠近透镜102的第二表面和靠近反射镜104的第一表面。分光镜103的第二表面为透射面，分光镜103的第一表面为分光面。分光镜103的分光面与透镜102的光轴呈一定的倾角。反射镜104的光轴与分光镜103的分光面呈一定的倾角。
如图2所示，显示元件101发出的光线进入透镜102，经过透镜102的第二表面和第一表面后入射至分光镜103，由分光镜103的第二表面和第一表面透射后，入射至反射镜104的反射面，再经反射镜104的反射面反射至分光镜103的第一表面，其中部分光线被分光镜103的第一表面(即分光面)反射，最后射入眼盒。来自真实世界的自然光线可通过分光镜103后进入眼盒，从而使得位于眼盒的人眼能够同时看到放大的显示元件101所显示的清晰图像以及真实世界。
图3示出了图1所示类型光学系统100的一种成像光路图。显示元件101发出的光线进入透镜102，经过透镜102的第二表面和第一表面折射后入射至分光镜103的第二表面，其中，部分光线经分光镜103的第二表面(即，分光镜103的分光面)反射至反射镜104的反射面，经反射镜104的反射面反射后的光线透过分光镜103，最终射入眼盒。使位于眼盒的人眼能够看到经放大的显示元件101所显示的清晰图像。
图2所示类型的光学系统100的成像原理与图1所述的光学系统近似，此处不再赘述。
在本公开的一些实施例中，光学系统100的第一比值大于等于1、小于等于1.3，第一比值是指透镜102焦距与反射镜104焦距乘积的平方根和光学系统100的系统焦距之间的比值；光学系统100具有大于等于35°且小于等于55°的视场角。换言之，光学系统100满足如下式(1)所示的关系。由此，能够使得人眼在设定的眼盒内能够观看到具有大于或等于35°且小于等于55°的视场范围的清晰图像。
其中，fL表示透镜102的焦距，fR表示反射镜104的反射面焦距，f表示光学系统100的系统焦距，第一比值s1的取值范围为[1,1.3]，也即，第一比值s1可以大于等于1且小于等于1.3。
如此，可以使光学系统100在具有大于等于35°且小于等于55°的视场角的同时，具有紧凑的系统体积。
可选地，第一比值s1还可以设置为：大于等于1.05且小于等于1.2。如此，可以使光学系统100在具有大于等于35°且小于等于55°的视场角的同时，进一步缩小系统体积。
本公开的一些实施例中，光学系统100的高度小于等于27mm，且厚度小于等于20mm。由此，本公开实施例中的光学系统100的体积紧凑，能够满足头戴显示设备佩戴舒适的需求。可选地，光学系统100的高度还可以小于等于24mm，且厚度小于等于16mm。光学系统100的体积可以进一步减小，从而更好地满足头戴显示设备的佩戴舒适度的需求。
本公开的一些实施例中，光学系统100的第二比值大于等于0.75且小于等于0.985，第二比值是指反射镜104与分光镜103沿系统光轴的间距和透镜102与分光镜103沿系统光轴的间距之和与光学系统100的系统焦距的比值。换言之，光学系统100可以满足如下式(2)所示的关系：
(L1+L2)/f＝s2 (2)
其中，L1表示反射镜104与分光镜103沿系统光轴的间距，L2表示透镜102与分光镜103沿系统光轴的间距，第二比值s2大于等于0.75且小于等于0.985。
可以理解的是，反射镜104与分光镜103沿系统光轴的间距可以指反射镜104的光学中心与分光镜103的光学中心在系统光轴上的距离，透镜102与分光镜103在光轴方向上的间距是指透镜102的光学中心与分光镜103的光学中心在系统光轴方向上的距离。
可选地，第二比值s2可以大于等于0.825且小于等于0.925。
由于大视场的光学系统100通常对应小的系统焦距，而小的系统焦距则要求光学系统100中反射镜104和透镜102具有小的间距。对于图1所示类型的光学系统，若实现大视场范围，意味着反射镜104和透镜102的空间距离小，当空间距离过近时容易产生光学元件之间的干涉(即距离过近时，反射镜104的边缘与透镜102的边缘相互干扰)。对于图2所示的光学系统，若实现大视场范围，意味着反射镜104和透镜102的空间距离小，那么反射镜104和分光镜103的空间距离、分光镜103和透镜102的空间距离也要小，当反射镜104和分光镜103之间、分光镜103和透镜102之间的空间距离过近时也容易产生光学元件的干涉。通过式(2)可以优化反射镜104与分光镜103的间距，以及透镜102与分光镜103的间距，使得光学系统100在系统焦距为f时反射镜104和透镜102的空间距离更加合理，从而避免发生光学元件之间的干涉。
本公开的一些实施例中，透镜102可以为满足下式(3)所示方程的非球面透镜，非球面的透镜能够进行球面像差校正，可以提升光学系统100在设定眼盒中的成像质量。
其中，r表示非球面沿光轴方向在高度为h的位置时距离非球面定点的距离矢高，c表示非球面的曲率，即c＝1/R(R为非球面的曲率半径)，k表示圆锥系数，Ai表示非球面第i阶的系数。
本公开的一些实施例中，光学系统100的第三比值可以大于等于0.2且小于1，第三比值是指透镜102的第一表面(即靠近分光镜103的表面)在最大有效口径处的矢高与透镜102的第二表面(即靠近显示元件101的表面)在最大有效口径处的矢高之差和透镜102第一表面在最大有效口径处的矢高与透镜102的第二表面在最大有效口径处的矢高之和之间的比值。换言之，光学系统100可以满足如下式(4)所示的关系：
(SGL1-SGL2)/(SGL1+SGL2)＝s3 (4)
其中，SGL1表示透镜102上靠近分光镜103的表面在最大有效口径处的矢高，SGL2表示透镜102上靠近显示元件101的表面在最大有效口径处的矢高，，第三比值s3大于等于0.2且小于1。
可选地，光学系统100的第三比值s3可以大于等于0.4且小于等于0.8。
需要说明的是，透镜102通常包括有效口径部分和边缘的用于安装、固定的部分，其中，有效口径部分参与成像。
通过式(4)能够兼顾光学系统100的中心视场和边缘视场，更好地平衡光学系统100中心视场和边缘视场的解像力、场曲，同时可以有效地减小透镜的加工、制造难度。
本公开的一些实施例中，光学系统100的第四比值可以大于等于5且小于等于7，第四比值是指透镜102的中心厚度与透镜102焦距的乘积与光学系统100的系统焦距的比值。换言之，光学系统100还可以满足如下式(5)所示的关系；
T×fL/f＝s4 (5)
其中，T表示透镜102的中心厚度，第四比值s4大于等于5且小于等于7。
可选地，第四比值可以大于等于5.5且小于等于6.5。
通过式(5)能够有效地减小透镜102的加工、制造难度，同时能够调整透镜的体积，从而减少整个系统的重量和尺寸。
此外，通过合理优化透镜102的中心厚度和透镜102的焦距，可以使得光学系统100在系统焦距为f时透镜102的尺寸更加合理，有利于提高光学系统100在设定眼盒和规定视场范围内的成像质量，从而便于更好地平衡光学系统100的体积、视场和眼盒范围。
本公开的一些实施例中，光学系统100的第五比值可以大于等于0.02且小于等于0.2，第五比值是指透镜102的第二表面(即靠近显示元件101的表面)与显示元件101的显示面的间距和光学系统100的系统焦距的比值。换言之，光学系统100还可以满足如下式(6)所示的关系：
BFL/f＝s5 (6)
其中，BFL表示透镜102的第二表面与显示元件101的显示面沿系统光轴的间距，第五比值s5大于等于0.02且小于等于0.2。
需要说明的是，本公开实施例中，透镜102靠近显示元件101的表面与显示元件101的间距BFL以在空气中的等效距离计算。
通过式(6)合理化设计光学系统100的系统焦距和透镜第二表面至显示元件101的间距，可以使得光学系统100的CRA(Chief Ray Angle,主光角)与显示元件的CRA更好地匹配。
本公开的一些实施例中，透镜102的折射率可以大于等于1.4且小于等于1.7。可选地，透镜102的折射率可以大于等于1.4且小于等于1.6。
本公开的一些实施例中，透镜102的阿贝数可以大于等于18且小于等于65。可选地，透镜102的阿贝数可以大于等于30且小于等于60。
通过选用折射率和阿贝数比较合理的透镜102，有利于提高光学系统100在设定眼盒和规定视场范围内的成像质量，同时平衡光学系统100的体积、视场和眼盒范围。
参见图1和图2，分光镜103可以相对于透镜102倾斜设置。在一些可能的实施方式中，显示元件101的法线和分光镜103的分光面之间的夹角为β，分光镜103的分光面和反射镜104的光轴之间的夹角为α，分光镜103相对于透镜102倾斜设置可以是：β大于等于40°且小于等于50°，α大于等于β-10°且小于等于β+10°，由此，确保光学系统100能够达到设计的视场角及眼盒，并确保光学系统100的成像质量。
本公开的一些实施例中，光学系统100的第六比值可以大于等于0.2且小于等于0.385，第六比值是指反射镜104与分光镜103沿系统光轴的间距与反射镜104焦距的比值。换言之，光学系统100满足如下式(7)所示的关系：
L1/fR＝s6 (7)
其中，L1表示反射镜104与分光镜103沿系统光轴的间距，第六比值s6大于等于0.2且小于等于0.385。通过式(7)可以控制反射镜104与分光镜103的间距，使反射镜104与分光镜103的间距更加合理，有利于提高光学系统100在设定眼盒和规定视场角的成像质量，有利于调整眼盒的尺寸。
可选地，第六比值s6可以大于等于0.3且小于等于0.35。
本公开的一些实施例中，眼盒在预设的适眼距(Eye relief,ER)处尺寸满足：眼盒的长度大于等于8mm、小于等于25mm，眼盒的高度大于等于3mm、小于等于10mm，即，眼盒可以设置为满足如下式(8)所示关系的尺寸。
8mm*3mm＜EB＜25mm*10mm (8)
其中，EB表示眼盒，mm表示毫米，*表示相乘，长度指沿着左右眼方向的尺寸，高度指垂直于左右眼方向的尺寸。
在本公开的一些实施例中，眼盒在预设的适眼距处的直径可以大于等于6mm。
本公开的一些实施例中，光学系统100的视场角还可以达到大于等于40°且小于等于55°。由此，本公开实施例的光学系统100能够在较大的视场范围内对显示元件101所显示的图像进行高质量成像，使得位于设定的眼盒中的人眼能够看到显示元件101所显示图像的清晰像。
表1示出了本公开一些实施例的光学系统100中各光学元件的光学参数参照表，表2示出了表1所示光学系统100中透镜102的非球面系数示例。光学系统100的视场角为43°，系统焦距f为16.75mm，第一比值为1.16，第二比值为0.896，第三比值为0.44，第四比值为5.97，第五比值为0.09，第六比值为0.36。
表1
| 参数 | S5 | S7 | S8 |
| K | 1.29 | -22.50 | 2.97 |
| A | 2.21E-06 | 5.34E-04 | 2.63E-04 |
| B | 3.45E-09 | -7.34E-06 | -4.87E-06 |
| C | -4.34E-12 | 8.18E-08 | 6.70E-08 |
| D | 5.93E-14 | -4.63E-10 | -5.06E-10 |
| E | -1.15E-17 | 8.88E-13 | 1.58E-12 |
表2
图4示出了光学系统100调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)的曲线示意图。MTF是描述光学系统性能的一种方式，可以评判光学系统还原对比度的能力。图4中横轴代表空间频率，纵轴代表对比度，实线表示子午方向，虚线表示弧矢方向。如图4所示，光学系统100在不同视场方向都有较好的解析力，整体成像质量较高，满足人眼分辨清晰度的要求。
参照图5，示出了根据本公开实施例的头戴显示设备500的结构示意图。如图5所示，本实施例的头戴显示设备500包括：框架以及前述的光学系统100。
框架用于固定光学系统100。框架例如可以但不限于是，头箍、眼镜框架。
在一些可选的实施例中，头戴显示设备500包括但不限于：VR智能眼镜、AR智能眼镜、XR智能眼镜、MR智能眼镜等。
在一些可选的实施例中，头戴显示设备500包括一体式头戴显示设备或分体式头戴显示设备。分体式头戴显示设备，可包括头戴显示装置与终端装置，其中，头戴显示装置例如为AR眼镜、VR眼镜、MR眼镜等。终端装置例如为手机、平板、电脑等。
需要指出，根据实施的需要，可将本公开实施例中描述的各个部件/步骤拆分为更多部件/步骤，也可将两个或多个部件/步骤或者部件/步骤的部分操作组合成新的部件/步骤，以实现本公开实施例的目的。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。
以上实施方式仅用于说明本公开实施例，而并非对本公开实施例的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本公开实施例的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本公开实施例的范畴，本公开实施例的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (19)
1.一种光学系统，包括：沿系统光轴依次布置的显示元件、透镜、分光镜、反射镜；其中，来自所述显示元件的光线依次经过所述透镜、所述分光镜、所述反射镜，再次经过所述分光镜后，射入所述光学系统的眼盒；
所述光学系统的视场角大于等于35°且小于等于55°；
所述光学系统满足如下关系：
其中，fL表示所述透镜的焦距，fR表示所述反射镜的反射面焦距，f表示所述光学系统的系统焦距，第一比值s1大于等于1且小于等于1.3。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一比值s1大于等于1.05且小于等于1.2。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述光学系统满足以下任一尺寸：
光学系统的高度小于等于27mm，且厚度小于等于20mm。
光学系统的高度小于等于24mm，且厚度小于等于16mm。
4.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述光学系统还满足如下关系：
(L1+L2)/f＝s2
其中，L1表示所述反射镜与所述分光镜沿所述系统光轴的间距，L2表示所述透镜与所述分光镜沿所述系统光轴的间距，第二比值s2大于等于0.75且小于等于0.985。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述第二比值s2大于等于0.825且小于等于0.925。
6.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述透镜满足如下关系：
(SGL1-SGL2)/(SGL1+SGL2)＝s3
其中，SGL1表示所述透镜的靠近所述分光镜的表面在最大有效口径处的矢高，SGL2表示所述透镜的靠近所述显示元件的表面在最大有效口径处的矢高，第三比值s3大于等于0.2且小于1。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述第三比值s3大于等于0.4且小于等于0.8。
8.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述透镜满足如下关系；
T×fL/f＝s4
其中，T表示所述透镜的中心厚度，第四比值s4大于等于5且小于等于7。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述第四比值s4大于等于5.5且小于等于6.5。
10.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述透镜满足如下关系：
BFL/f＝s5
其中，BFL表示透镜靠近所述显示元件的表面与所述显示元件的显示面沿所述系统光轴的间距，所述BFL以在空气中的等效距离计算，第五比值s5大于等于0.02且小于等于0.2。
11.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述反射镜满足如下关系：
L1/fR＝s6
其中，L1表示所述反射镜与所述分光镜沿所述系统光轴的间距，第六比值s6大于等于0.2且小于等于0.385。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述第六比值s6大于等于0.3且小于等于0.35。
13.根据任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述透镜满足以下任一条件：
透镜的折射率大于等于1.4且小于等于1.7；
透镜的折射率大于等于1.4且小于等于1.6。
14.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述透镜满足以下任一条件：
透镜的阿贝数大于等于18且小于等于65；
透镜的阿贝数大于等于30且小于等于60。
15.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述光学系统的视场角大于等于40°且小于等于55°。
16.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述眼盒在预设的适眼距处满足如下任一尺寸：
眼盒的长度大于等于8mm且小于等于25mm，眼盒的高度大于等于3mm且小于等于10mm；
眼盒的直径大于6mm。
17.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述反射镜为半透半反透镜。
18.根据前述任一项权利要求所述的光学系统，其中，所述显示元件的法线和所述分光镜的分光面之间的夹角为β，所述分光镜的分光面和所述反射镜的光轴之间的夹角为α；其中，β大于等于40°且小于等于50°，α大于等于β-10°且小于等于β+10°。
19.一种头戴显示设备，包括：
框架，用于固定光学系统；
其中，所述光学系统是如权利要求1至18任一项所述的光学系统。
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