CN117233973B - 光学系统及vr设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光学系统及VR设备，光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜以及复合膜片；显示单元用于为光学系统提供偏振光光源；第一透镜具有正光焦度，第一透镜包括朝向显示单元的第一表面以及背离显示单元的第二表面，第一表面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，第二表面在近光轴处为凹面；第二透镜具有正光焦度，第二透镜包括朝向显示单元的第三表面以及背离显示单元的第四表面，第三表面为凸面，第四表面为平面；第三表面上设有部分反射器，第四表面上设有复合膜片，复合膜片沿光线传输方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片。本发明提供的光学系统及VR设备能够实现大视场、大影像、高成像质量。

Description

光学系统及VR设备

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其是涉及一种光学系统及VR设备。

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，目前的VR设备，通常将设备中的显示屏通过光学系统的传递和放大后，将输出的图像传递至人眼，因此人眼接收到的是显示屏经过放大后的虚像，从而实现通过虚拟现实设备实现大屏观看的目的。为了实现紧凑的尺寸和较轻的重量，同时保持良好的光学特性，近年来多使用折叠光路技术，该种VR折叠式光学系统方案以轻薄、优秀的成像质量以及逐步成熟的量产工艺，逐渐成为消费级VR设备的发展和进化方向。

为了给用户提供极佳的感官体验，VR设备需要具备较大的视场角、较大的影像面及较高的成像质量，以满足市场的需求。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种光学系统及VR设备，至少具有大视场角、大影像面及良好的成像质量的优点。

本发明实施例通过以下技术方案实现上述发明目的。

第一方面，本发明提供一种光学系统，该光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜以及复合膜片；所述显示单元用于为所述光学系统提供偏振光光源；所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜包括朝向所述显示单元的第一表面以及背离所述显示单元的第二表面，所述第一表面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，所述第二表面在近光轴处为凹面；所述第二透镜具有正光焦度，所述第二透镜包括朝向所述显示单元的第三表面以及背离所述显示单元的第四表面，所述第三表面为凸面，所述第四表面为平面；所述第三表面上设有部分反射器，所述第四表面上设有所述复合膜片，所述复合膜片沿光线传输方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片；其中，所述光学系统的有效焦距f与所述第一表面至所述显示单元在光轴上的距离BFL满足：2.0＜f/BFL＜3.5。

第二方面，本发明还提供一种VR设备，该VR设备包括第一方面提供的光学系统。

相较于现有技术，本发明提供的光学系统及VR设备，采用两个具有特定光焦度的镜片，以及在第三表面上设置部分反射器并在第四表面上设置复合膜片，通过特定的表面形状搭配及合理设置镜片厚度和镜片间间距，可实现光路的多次折返和扩大光路总长，使得光学系统具有较大的视场角、较大的影像面和较短的总长，有利于实现VR设备的轻薄化，同时较大的视场角可以提供宽视场的显示效果，提升用户的沉浸感，从而能够给用户带来更好的感官体验。

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示出了本发明提供的VR设备中光学系统的光线传递示意图。

图2示出了本发明第一实施例提供的光学系统100的结构示意图。

图3示出了本发明第一实施例提供的光学系统100的场曲曲线图。

图4示出了本发明第一实施例提供的光学系统100的F-Tan(θ)畸变曲线图。

图5示出了本发明第二实施例提供的光学系统200的结构示意图。

图6示出了本发明第二实施例提供的光学系统200的场曲曲线图。

图7示出了本发明第二实施例提供的光学系统200的F-Tan(θ)畸变曲线图。

图8示出了本发明第三实施例提供的光学系统300的结构示意图。

图9示出了本发明第三实施例提供的光学系统300的场曲曲线图。

图10示出了本发明第三实施例提供的光学系统300的F-Tan(θ)畸变曲线图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。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。

本发明实施例提供了一种光学系统，该光学系统能够对入射的光路进行折叠，以有效扩大光路长度，从而减小光学系统的厚度。

具体地，本发明实施例提供的光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第二透镜以及复合膜片。

其中，显示单元可用于为光学系统提供偏振光光源，该偏振光光源可以是圆偏振光或者线偏振光；第一透镜具有正光焦度，该第一透镜包括朝向显示单元的第一表面以及背离显示单元的第二表面，同时第一表面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，第二表面在近光轴处为凹面；第二透镜具有正光焦度，该第二透镜包括朝向显示单元的第三表面以及背离显示单元的第四表面，同时第三表面为凸面，第四表面为平面；在第三表面上设置有部分反射器，该部分反射器可以反射接收到的部分光线和透射接收到的部分光线；在第四表面上设置有复合膜片，该复合膜片沿光线传输方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片，该相位延迟片能够实现线偏振光和圆偏振光的互相转换，反射式偏振片对入射的光线具有遮蔽和透光作用。

作为一种实施方式，上述部分反射器可被配置为透射约50%的入射光并反射约50%的入射光的半透半反射膜；上述相位延迟片被配置为可实现线偏振光和圆偏振光互相转换的1/4波片膜；上述反射式偏振片可被配置为具有透光轴的反射式偏振膜，并允许偏振方向平行于透光轴的偏振光通过，反射偏振方向与透光轴垂直的偏振光，即反射式偏振膜被配置为对S线偏振光全反射和对P线偏振光全透过。

在一些实施方式中，复合膜片还包括偏振片，该偏振片设置在沿光线传输方向远离相位延迟片的一侧，该偏振片能够进一步过滤掉其它方向偏振态的入射光，仅使偏振方向平行于透光轴的偏振光通过。

在一些可选的实施例中，光学系统的像高IH与光学系统的视场角FOV满足：0.6＜IH/FOV＜0.7。满足上述条件式，通过约束像高和视场角的比值在合理的范围内，可为光学系统提供较大的影像面和较大的视场角，从而可以提升用户的感官体验。

在一些可选的实施例中，第一透镜的中心厚度CT1、第二透镜的中心厚度CT2以及第一透镜与第二透镜在光轴上的空气间隔CT12满足：0.5＜(CT1+CT2)/CT12＜1.5。满足上述条件式，通过合理地分配镜片的厚度与镜片间的距离的比值，有利于实现光学系统结构的小型化，使VR设备更加轻薄化。

在一些可选的实施例中，第一表面的曲率半径RS1与光学系统的有效焦距f满足：-1.5＜RS1/f＜-0.5。满足上述条件式，通过合理地控制第一表面的面型，有利于校正轴外视场的像差，提高光学系统的成像质量。

在一些可选的实施例中，光学系统的有效焦距f与第一表面至显示单元在光轴上的距离BFL满足：2.0＜f/BFL＜3.5。满足上述条件式，通过合理地约束光学系统的有效焦距与后焦的比值，可以有效压缩光学系统的长度，同时给予一定的空间用于配置例如偏振片等功能元件。

在一些可选的实施例中，第一表面的曲率半径RS1、第二表面的曲率半径RS2、光学系统的有效焦距f满足：-100＜(RS1+RS2)/f＜-50。满足上述条件式，通过合理的控制第一透镜的面型，有利于校正光学系统的像差，提高VR设备的整体成像质量。

在一些可选的实施例中，第二透镜的中心厚度CT2与第二透镜的有效口径D2满足：0.05＜CT2/D2＜0.1。满足上述条件式，通过约束第二透镜的中心厚度与有效口径的比值在合理的范围内，有利于镜片的成型，同时有利于压缩光学系统的长度。

在一些可选的实施例中，第一透镜的中心厚度CT1与第一透镜的边缘厚度ET1满足：2.0＜CT1/ET1＜3.0；第二透镜的中心厚度CT2与第二透镜的边缘厚度 ET2满足：1.5＜CT2/ET2＜2.0。满足上述条件式，能够合理分配各透镜的厚薄比，有利于降低透镜的成型难度，从而降低加工敏感度，提高光学系统的生产良率。

在一些可选的实施例中，第一透镜的有效焦距f1与光学系统的有效焦距f满足：1.0＜f1/f＜2.5；第二透镜的有效焦距f2与光学系统的有效焦距f满足：8.0＜f2/f＜10.0。满足上述条件式，通过合理的配置各透镜的有效焦距，有利于缩短光学系统的总长，实现VR设备的轻薄化。

在一些可选的实施例中，第二表面的曲率半径RS2与第一透镜的有效焦距f1满足：-50＜RS2/f1＜-30。满足上述条件式，通过控制第二表面的面型，可有效减缓光线的转折度，有利于实现光学系统具有较好的成像质量，实现VR设备的高质量成像。

在一些可选的实施例中，第一透镜与第二透镜在光轴上的空气间隔CT12，第一透镜与第二透镜的边缘间距ET12满足：0.5＜CT12/ET12＜0.8。满足上述条件式，通过合理约束透镜间的间隔，可以有效缓解光线的转折，降低光学系统敏感度，提高成像质量控制。

本实施例中，当光学系统中的透镜表面为非球面时，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为表面的近轴曲率半径，k为二次曲面系数conic，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

本发明实施例还提供了一种VR设备，该VR设备包括如上所述的光学系统。本发明实施例提供的VR设备可使从显示单元发射的左旋圆偏振光（LCP，left CircularPolarized）依次透射经过第一透镜和第二透镜，然后第一次经过1/4波片膜后，转换为S线偏振光；S线偏振光传播到反射式偏振膜时发生全反射，被反射为沿反方向行进的S线偏振光；S线偏振光第二次经过1/4波片膜后，再次转换为LCP光；LCP光经过第二透镜传播到第二透镜的第三表面，由于第三表面上设有半透半反射膜，LCP光被第三表面上的半透半反射膜反射为右旋圆偏振光（RCP，Right Circular Polarized）；RCP光再经过第二透镜，然后第三次经过1/4波片膜后，被转换为P线偏振光；该P线偏振光经过反射式偏振膜和偏振片后，传播进入人眼。

本发明提供的光学系统及VR设备，通过合理搭配两个具有特定光焦度的镜片形状，并将部分反射器和复合膜片设置在特定的位置，可使光线在第二透镜内进行一次折返，从而很好地实现了光路的折叠，扩大了光路总长，使得光学系统具有较大的视场角、较大的影像面和较短的总长，有利于实现VR设备的轻薄化，同时较大的视场角可以提供宽视场的显示效果，提升用户的沉浸感，从而能够为用户带来更好的感官体验。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下各个实施例中，光学系统100中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。

第一实施例

请参照图2，所示为本发明第一实施例提供的光学系统100的结构示意图，所述光学系统100沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一透镜20、第二透镜30以及复合膜片40。

具体的，显示单元10可以是显示屏，用于发射LCP光；第一透镜20为具有正光焦度的塑胶非球面镜片，第一透镜20包括朝向显示单元10的第一表面S1以及背离显示单元10的第二表面S2，第一表面S1在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，第二表面S2在近光轴处为凹面；第二透镜30为具有正光焦度的塑胶非球面镜片，第二透镜30包括朝向显示单元10的第三表面S3以及背离显示单元10的第四表面S4；第三表面S3为凸面且在第三表面S3上镀设或贴附有半透半反射膜，第四表面S4为平面且在第四表面S4上镀设或贴附有复合膜片40；复合膜片40沿光线传输方向依次包括相位延迟片、反射式偏振片和偏振片43，相位延迟片可以是可实现线偏振光和圆偏振光互相转换的1/4波片膜41，反射式偏振片可以是对S线偏振光全反射和P线偏振光全透过的反射式偏振膜42。

请参照图1，所示为本发明实施例提供的一种VR设备中光学系统的光线传递示意图，在该光学系统中，物面为VR设备中人眼所观察到的虚像，像面为VR设备中的显示单元10。所述光学系统的光线传递过程为：从显示单元10发出LCP光，LCP光依次透射经过第一透镜20和第二透镜30，然后第一次经过1/4波片膜41后，转换为S线偏振光；S线偏振光传播到反射式偏振膜42时发生全反射，被反射为沿反方向行进的S线偏振光；S线偏振光第二次经过1/4波片膜41后，再次转换为LCP光；LCP光经过第二透镜30的第四表面S4传播到第三表面S3，由于第三表面S3上镀有半透半反射膜，LCP光被第三表面S3反射为RCP光；RCP光再经过第二透镜30，然后第三次经过1/4波片膜41后，被转换为P线偏振光；该P线偏振光依次经过反射式偏振膜42和偏振片43后，传播进入人眼，完成光线从显示单元10到人眼的传播并在人眼中得到虚像。

表1为第一实施例提供的光学系统100的相关参数。

表 1

表2为第一实施例提供的光学系统100中各非球面的面型系数。

表 2

请参照图3，所示为光学系统100的场曲曲线图，图中横轴表示偏移量（单位：mm），纵轴表示视场角（单位：度）。从图3中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±3.0mm以内，说明光学系统100的场曲得到良好的校正。

请参照图4，所示为光学系统100的F-Tan(θ)畸变曲线图，图中横轴表示畸变百分比，纵轴表示视场角（单位：度）。从图4中可以看出，像面上不同像高处的F-Tan(θ)畸变控制在±20%以内，说明光学系统100的畸变得到良好的矫正。

第二实施例

请参照图5，所示为本发明第二实施例提供的光学系统200的结构示意图，本发明第二实施例提供的光学系统200与第一实施例提供的光学系统100的结构大致相同。

表3为第二实施例提供的光学系统200的相关参数。

表 3

表4为第二实施例提供的光学系统200中各非球面的面型系数。

表 4

请参照图6，所示为光学系统200的场曲曲线图。从图6中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±1.5mm以内，说明光学系统200的场曲得到良好的校正。

请参照图7，所示为光学系统200的F-Tan(θ)畸变曲线图。从图7中可以看出，像面上不同像高处的F-Tan(θ)畸变控制在22%以内且都为负值，说明光学系统200的畸变得到良好的矫正。

第三实施例

请参照图8，所示为本发明第三实施例提供的光学系统300的结构示意图，本发明第三实施例提供的光学系统300与第一实施例提供的光学系统100的结构大致相同。

表5为第三实施例提供的光学系统300的相关参数。

表5

表6为第三实施例提供的光学系统300中各非球面的面型系数。

表 6

请参照图9，所示为光学系统300的场曲曲线图。从图9中可以看出，不同波长的子午场曲和弧矢场曲均在±2.0mm以内，说明光学系统300的场曲得到了良好的校正。

请参照图10，所示为光学系统300的F-Tan(θ)畸变曲线图。从图10中可以看出，像面上不同像高处的F-Tan(θ)畸变控制在20%以内且都为负值，说明光学系统300的畸变得到良好的矫正。

请参照表7，所示是上述三个实施例提供的光学系统分别对应的光学特性，主要包括光学系统的视场角FOV、焦距f、光学总长TTL、出瞳距离ED、入瞳直径EPD及像高IH，以及与前述每个条件式对应的相关数值。其中，出瞳距离ED表示眼睛到复合膜片的距离，光学总长TTL表示复合膜片的眼侧面到显示屏的距离。

表7

综上，本发明实施例提供的光学系统及VR设备，采用两个具有特定光焦度的塑胶非球面镜片，并且各个透镜通过特定的表面形状搭配，同时合理设置部分反射器和复合膜层的位置，可实现光路多次折返和扩大光路总长，使得该光学系统具有较大的视场角（可达100°）并且能够提供较大的影像面（可超过64mm），可以有效提高用户的沉浸感，从而给用户带来更好的体验感。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光线传输方向依次由显示单元、第一透镜、第二透镜以及复合膜片组成；

所述显示单元用于为所述光学系统提供偏振光光源；

所述第一透镜具有正光焦度，所述第一透镜包括朝向所述显示单元的第一表面以及背离所述显示单元的第二表面，所述第一表面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，所述第二表面在近光轴处为凹面；

所述第二透镜具有正光焦度，所述第二透镜包括朝向所述显示单元的第三表面以及背离所述显示单元的第四表面，所述第三表面为凸面，所述第四表面为平面；

所述第三表面上设有部分反射器，所述第四表面上设有所述复合膜片，所述复合膜片沿光线传输方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片；

其中，所述光学系统的有效焦距f与所述第一表面至所述显示单元在光轴上的距离BFL满足：2.0＜f/BFL＜3.5；所述第一透镜的有效焦距f1与所述光学系统的有效焦距f满足：1.0＜f1/f＜2.5。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

0.6＜IH/FOV＜0.7；

其中，IH表示所述光学系统的像高，FOV表示所述光学系统的视场角。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

0.5＜(CT1+CT2)/CT12＜1.5；

其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，CT12表示所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的空气间隔。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

-1.5＜RS1/f＜-0.5；

其中，RS1表示所述第一表面的曲率半径，f表示所述光学系统的有效焦距。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

-100＜(RS1+RS2)/f＜-50；

其中，RS1表示所述第一表面的曲率半径，RS2表示所述第二表面的曲率半径。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

0.05＜CT2/D2＜0.1；

其中，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，D2表示所述第二透镜的有效口径。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

8.0＜f2/f＜10.0；

其中，f表示所述光学系统的有效焦距，f2表示所述第二透镜的有效焦距。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

-50＜RS2/f1＜-30；

其中，RS2表示所述第二表面的曲率半径，f1表示所述第一透镜的有效焦距。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下条件式：

0.5＜CT12/ET12＜0.8；

其中，CT12表示所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的空气间隔，ET12表示所述第一透镜与所述第二透镜的边缘间距。

10.一种VR设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的光学系统。