CN117452602A - 光学系统和vr眼镜 - Google Patents

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CN117452602A CN202311506520.5A CN202311506520A CN117452602A CN 117452602 A CN117452602 A CN 117452602A CN 202311506520 A CN202311506520 A CN 202311506520A CN 117452602 A CN117452602 A CN 117452602A
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王浩
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Abstract

本发明公开一种光学系统和VR眼镜，光学系统具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，光学系统包括自物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，第一透镜靠近物侧的端面上镀有半反半透膜，靠近像侧的端面上镀有AR透膜；第一透镜和第二透镜之间设置有可旋转设置的四分之一波片，四分之一波片包括平板玻璃、以及胶合于平板玻璃上的四分之一波片膜；第二透镜靠近物侧的端面上镀AR增透明；第二透镜和第三透镜之间设置有线偏振膜；第三透镜的靠近像侧和物侧的两个端面上均镀有AR增透膜。通过将四分之一波片进行简易的旋转，对各透镜应力造成的相位延迟进行补偿，实现减弱pancake系统中由于光路折叠导致的较大的鬼像能量。

Description

光学系统和VR眼镜
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及光学系统和VR眼镜。
背景技术
虚拟现实(VirtualReality，VR)显示技术受到了广泛的关注，为使得VR设备更轻更薄，多数技术人员均选择采用pancake式的折叠光路结构，传统pancake折叠光路结构的工作原理为：屏幕发出的第一线偏振光，经过第一1/4波片QWP1，变为圆偏振光；然后经过单个透镜或多个透镜组成的透镜组，其中一片透镜的一个表面上设置有部分反射膜；部分光线透过透镜，由于透镜的双折射效应，光线由圆偏振光退偏为椭圆偏振光，但比较接近圆偏振光；然后经过第二1/4波片QWP2，变为比较接近第二线偏振光的椭圆偏振光；在此过程中，如果光线没有退偏，此时应为与偏振反射片PBS透光轴垂直的第二线偏振光，则光线会被PBS全部反射，但光线退偏为椭圆偏振光后，将有部分光线透过PBS形成鬼影；剩余光线反射回来，同时变为第二线偏振光；然后，被PBS反射回来的第二线偏振光，经过QWP2，变为圆偏振光；接着经过透镜并被部分反射膜反射，并再次经过透镜，变为比较接近圆偏振光的椭圆偏振光，再经过QWP2，变为比较接近第三线偏振光的椭圆偏振光，此时大部分光线能够透过PBS形成主像，剩余光线被PBS反射回来，造成有效光的损失；此结构可大大减小VR光学结构的厚度，但也带来了较为严重的杂散光，形成鬼影等不良，影响用户的观看效果。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种光学系统和VR眼镜，旨在解决现有的VR眼镜中的光学系统容易导致鬼影等不良的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种光学系统，所述光学系统具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
其中，所述第一透镜靠近所述物侧的端面上镀有半反半透膜，靠近所述像侧的端面上镀有AR透膜；
所述第一透镜和所述第二透镜之间设置有可旋转设置的四分之一波片，所述四分之一波片包括平板玻璃、以及胶合于所述平板玻璃上的四分之一波片膜；
所述第二透镜靠近所述物侧的端面上镀AR增透明；
所述第二透镜和所述第三透镜之间设置有线偏振膜；
所述第三透镜的靠近所述像侧和所述物侧的两个端面上均镀有AR增透膜。
可选地，自所述光学系统的物侧的光线依次穿过所述第一透镜、所述四分之一波片膜和所述第二透镜，被所述线偏振膜反射形成一次反射光；
所述一次反射光依次穿过所述第二透镜、所述四分之一波片膜和所述第一透镜，被所述第一透镜靠近所述物侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；
所述二次反射光依次穿过所述第一透镜、所述四分之一波片膜、所述第二透镜、所述线偏振膜和所述第三透镜，到达所述光学系统的像侧。
可选地，所述四分之一波片膜与所述物侧之间的偏振态为逆时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜之间的偏振态为竖直线偏振。
可选地，所述线偏振膜与所述第一透镜之间的偏振态为顺时针圆偏振。
可选地，所述第一透镜与所述四分之一波片膜之间的偏振态为顺时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述像侧之间的偏振态为水平线偏振。
可选地，所述第一透镜的光焦度为正；
所述第二透镜的光焦度为负；
所述第三透镜的光焦度为正。
可选地，所述第一透镜的膨胀系数为P1，其中，50<P1<70；
所述第二透镜的膨胀系数为P2，其中，50<P2<70；
所述第三透镜的膨胀系数为P3，其中，50<P3<70。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为非球面透镜；和/或，
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜至少其中之一的材质为塑料。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中任意一个的非球面的表面形状满足公式I，公式I为
其中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，a1至a8分别为各径向坐标所对应的系数。
本发明还提供一种VR眼镜，所述VR眼镜包括光学系统，所述光学系统具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
其中，所述第一透镜靠近所述物侧的端面上镀有半反半透膜，靠近所述像侧的端面上镀有AR透膜；
所述第一透镜和所述第二透镜之间设置有可旋转设置的四分之一波片，所述四分之一波片包括平板玻璃、以及胶合于所述平板玻璃上的四分之一波片膜；
所述第二透镜靠近所述物侧的端面上镀AR增透明；
所述第二透镜和所述第三透镜之间设置有线偏振膜；
所述第三透镜的靠近所述像侧和所述物侧的两个端面上均镀有AR增透膜。
本发明提供的技术方案中，因自所述光学系统的物侧的光线依次穿过所述第一透镜、所述四分之一波片膜和所述第二透镜，被所述线偏振膜反射，形成的反射光又依次穿过所述第二透镜、所述四分之一波片膜和所述第一透镜，而后被所述第一透镜靠近所述物侧的一端面上的半反半透膜反射，反射的光线又依次穿过所述第一透镜、所述四分之一波片膜、所述第二透镜、所述线偏振膜和所述第三透镜，到达所述光学系统的像侧，通过在透镜模组(即第一透镜、第二透镜和第三透镜)与线偏振膜之间的光路上增设所述四分之一波片和所述线偏振膜等相位补偿元件，并将所述四分之一波片进行简易的旋转，对各透镜应力造成的相位延迟进行补偿，即对透镜模组与线偏振膜之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到线偏振膜的偏振光为对应的线偏振光，这样能够更有效地补偿因透镜的双折射效应导致的光线退偏，实现减弱pancake系统中由于光路折叠导致的较大的鬼像能量，使VR眼镜用户获得更良好的观看效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的光学系统一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的光学系统的MTF曲线图；
图3为本发明提供的光学系统的畸变曲线图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 光学系统 3 第三透镜
1 第一透镜 4 四分之一波片
2 第二透镜 5 线偏振膜
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
传统pancake折叠光路结构的工作原理为：屏幕发出的第一线偏振光，经过第一1/4波片QWP1，变为圆偏振光；然后经过单个透镜或多个透镜组成的透镜组，其中一片透镜的一个表面上设置有部分反射膜；部分光线透过透镜，由于透镜的双折射效应，光线由圆偏振光退偏为椭圆偏振光，但比较接近圆偏振光；然后经过第二1/4波片QWP2，变为比较接近第二线偏振光的椭圆偏振光；在此过程中，如果光线没有退偏，此时应为与偏振反射片PBS透光轴垂直的第二线偏振光，则光线会被PBS全部反射，但光线退偏为椭圆偏振光后，将有部分光线透过PBS形成鬼影；剩余光线反射回来，同时变为第二线偏振光；然后，被PBS反射回来的第二线偏振光，经过QWP2，变为圆偏振光；接着经过透镜并被部分反射膜反射，并再次经过透镜，变为比较接近圆偏振光的椭圆偏振光，再经过QWP2，变为比较接近第三线偏振光的椭圆偏振光，此时大部分光线能够透过PBS形成主像，剩余光线被PBS反射回来，造成有效光的损失；此结构可大大减小VR光学结构的厚度，但也带来了较为严重的杂散光，形成鬼影等不良，影响用户的观看效果。
为了解决上述问题，本发明提供一种光学系统，图1为本发明提供的光学系统一实施例的结构示意图；图2为本发明提供的光学系统的MTF曲线图；图3为本发明提供的光学系统的畸变曲线图。
请参阅图1，所述光学系统100具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统100包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3；其中，所述第一透镜1靠近所述物侧的端面上镀有半反半透膜，靠近所述像侧的端面上镀有AR透膜；所述第一透镜1和所述第二透镜2之间设置有可旋转设置的四分之一波片4，所述四分之一波片4包括平板玻璃、以及胶合于所述平板玻璃上的四分之一波片4膜；所述第二透镜2靠近所述物侧的端面上镀AR增透明；所述第二透镜2和所述第三透镜3之间设置有线偏振膜5；所述第三透镜3的靠近所述像侧和所述物侧的两个端面上均镀有AR增透膜。
本发明提供的技术方案中，因自所述光学系统100的物侧的光线依次穿过所述第一透镜1、所述四分之一波片4膜和所述第二透镜2，被所述线偏振膜5反射，形成的反射光又依次穿过所述第二透镜2、所述四分之一波片4膜和所述第一透镜1，而后被所述第一透镜1靠近所述物侧的一端面上的半反半透膜反射，反射的光线又依次穿过所述第一透镜1、所述四分之一波片4膜、所述第二透镜2、所述线偏振膜5和所述第三透镜3，到达所述光学系统100的像侧，通过在透镜模组(即第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3)与线偏振膜5之间的光路上增设所述四分之一波片4和所述线偏振膜5等相位补偿元件，并将所述四分之一波片4进行简易的旋转，对各透镜应力造成的相位延迟进行补偿，即对透镜模组与线偏振膜5之间传输的偏振光进行偏振补偿，使得入射到线偏振膜5的偏振光为对应的线偏振光，这样能够更有效地补偿因透镜的双折射效应导致的光线退偏，实现减弱pancake系统中由于光路折叠导致的较大的鬼像能量，使VR眼镜用户获得更良好的观看效果。
在本实施例中，光线的传递路线为：自所述光学系统100的物侧的光线依次穿过所述第一透镜1、所述四分之一波片4膜和所述第二透镜2，被所述线偏振膜5反射形成一次反射光；所述一次反射光依次穿过所述第二透镜2、所述四分之一波片4膜和所述第一透镜1，被所述第一透镜1靠近所述物侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；所述二次反射光依次穿过所述第一透镜1、所述四分之一波片4膜、所述第二透镜2、所述线偏振膜5和所述第三透镜3，到达所述光学系统100的像侧。
具体地，在本实施例中，所述四分之一波片4膜与所述物侧之间的偏振态为逆时针圆偏振，所述四分之一波片4膜与所述线偏振膜5之间的偏振态为竖直线偏振。所述线偏振膜5与所述第一透镜1之间的偏振态为顺时针圆偏振。所述第一透镜1与所述四分之一波片4膜之间的偏振态为顺时针圆偏振，所述四分之一波片4膜与所述像侧之间的偏振态为水平线偏振。
如此，自所述光学系统100的物侧的光线依次穿过所述第一透镜1、所述四分之一波片4膜和所述第二透镜2时，所述第一透镜1与所述物侧之间的偏振态为逆时针圆偏振，所述第一透镜1与所述四分之一波片4膜之间的偏振态为逆时针圆偏振，所述四分之一波片4膜与所述第二透镜2之间的偏振态为竖直线偏振，所述第二透镜2与所述线偏振膜5之间的偏振态为数值线偏振。
在所述一次反射光依次穿过所述第二透镜2、所述四分之一波片4膜和所述第一透镜1时，所述第二透镜2与所述四分之一波片4膜之间的偏振态为竖直线偏振，所述四分之一波片4膜与所述第一透镜1之间的偏振态为顺时针圆偏振。
在所述二次反射光依次穿过所述第一透镜1、所述四分之一波片4膜、所述第二透镜2、所述线偏振膜5和所述第三透镜3，到达所述光学系统100的像侧时，所述第一透镜1与所述四分之一波片4膜之间的偏振态为顺时针圆偏振，所述四分之一波片4膜与所述第二透镜2之间的偏振态为水平线偏振，所述线偏振膜5与所述第三透镜3之间的偏振态为水平线偏振，所述第三透镜3与所述像侧之间的偏振态为水平线偏振。
具体地，在本实施例中，所述第一透镜1的光焦度为正；所述第二透镜2的光焦度为负；所述第三透镜3的光焦度为正。通过三个透镜的光焦度的合理设置以及所述光学系统100有条件的限制，最终使得所述光学系统100能够清晰成像。
具体地，所述第一透镜1的膨胀系数为P1，其中，50＜P1＜70；所述第二透镜2的膨胀系数为P2，其中，50＜P2＜70；所述第三透镜3的膨胀系数为P3，其中，50＜P3＜70。所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3的膨胀系数具体均可以设置为55、60或是65等，膨胀系数这个参数表征透镜在温度变化时，其长度量随温度的改变，温度改变会导致透镜曲率，口径以及厚度的改变。无论是折射率还是长度量的改变都会导致透镜光焦度的改变，进而造成整个光学系统100焦平面的位移。因此选择合适的材料，使得透镜的膨胀系数能够达到所述光学系统100的成像要求。
需要说明是，在上述膨胀系数范围内能够保证光线顺利地在所述光学系统100中传递，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，作为本实施例的一个优选实施例，所述第一透镜11的膨胀系数P1为60，所述第二透镜22的膨胀系数P2为60，所述第三透镜33的膨胀系数P3为60。
具体地，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3均为非球面透镜；和/或，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3至少其中之一的材质为塑料。在另外一实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3至少其中之一的材质为玻璃材质；相较于玻璃材质的设置，塑料材质较轻，采用塑料非球面可更好的校正相差。
在本实施例中，所述第一透镜1的光学材料可以选择日本牌号为APL5013VH，该材料具有很好的化学和热稳定性。所述第二透镜2的光学材料可以选择牌号为OKP－1，该材料为超高折射率、低色散素的光学材料。所述第三透镜3的光学材料牌号为APL5014CL。
因非球面镜片比球面镜片更平、更薄、视物更逼真。大部分的VR镜片都采用非球面镜片，如此可以更加真实的还原我们所看到的画面不会发生局部变形扭曲的现象。而球面镜片在边缘视野范围会产生物象轻微的扭曲变形，减少球面像差。
在本实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第三透镜3中任意一个的非球面的表面形状满足公式I，公式I为
其中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，a1至a8分别为各径向坐标所对应的系数。
在本实施例中，以F7.4为例，焦距为29.5mm的VR－pancake实际设计参数如表1所示。
表1
面编号 类型 半径R 厚度 光学材料 口径
OBJ 物面 Infinity -3000 -
第三透镜的S2 非球面 91.578 5.14 APL5014CL 17.5
第三透镜的S1 非球面 -184.951 0.25 17.5
第二透镜的S2 平面 Infinity 2.297 OKP-1 23.5
第二透镜的S1 非球面 120.738 6.05 23.5
平板玻璃 平面 Infinity 0.5 H-K9L 23.5
第一透镜的S2 非球面 80.418 6.611 APL5013VH 23.4
第一透镜的S1 非球面 -124.183 1.632 -
进一步地，在本实施例中，所述第三透镜的S2和第三透镜的S1的系数如表2和表3所示。
表2第三透镜的S1面的系数
表3第三透镜的S2面的系数
系数
k -14.78394
a1 0
a2 -3.0546847e-06
a3 7.0487834e-08
a4 -5.035287e-10
a5 1.8476566e-12
a6 -9.3520201e-16
a7 -1.3765536e-17
a8 2.379134e-20
进一步地，在本实施例中，所述第二透镜的S2和第二透镜的S1的系数如表4和表5所示。
表4第二透镜的S1面的系数
表5第二透镜的S2面的系数
系数
k 0
a1 0
a2 0
a3 0
a4 0
a5 0
a6 0
a7 0
a8 0
进一步地，在本实施例中，所述第一透镜的S2和第一透镜的S1的系数如表6和表7所示。
表6第二透镜的S1面的系数
系数
k -8.719561
a1 0
a2 -4.4701911e-07
a3 -1.6814772e-09
a4 1.5382085e-11
a5 -3.9757766e-14
a6 7.2099605e-17
a7 -8.6567137e-20
a8 3.444618e-23
表7第二透镜的S2面的系数
需要说明的是，在上述表格中，第一透镜的两个相对的端面分别为第一透镜的S1和第一透镜的S2；第二透镜的两个相对的端面分别为第二透镜的S1和第二透镜的S2；第三透镜的两个相对的端面分别为第三透镜的S1和第三透镜的S2，其中，各个透镜靠近所述光学系统的物侧的端面为S1，靠近所述光学系统的像侧的端面为S2。
图2至图3分别显示所述光学系统的MTF曲线图和畸变曲线图，通过所述光学系统的MTF曲线图和畸变曲线图可以看出，本发明通过合理分配透镜光焦度，调整玻璃形状及材料搭配，场曲以及畸变均能够获得良好的校正，有效消色差及二级光谱，使各个透镜上的球差，慧差，像散等相互补偿抵消，以达到清晰成像的效果，以实现高阶像差和色差的最优矫正。
本发明还提供一种VR眼镜，所述VR眼镜包括上述的光学系统，所述VR眼镜还包括供所述光学系统安装的壳体等，因所述VR眼镜包括所述光学系统，该光学系统的具体结构参照上述实施例，由于本VR眼镜的光学系统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。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统具有沿光轴的延伸方向呈相对设置的物侧和像侧，所述光学系统包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；
其中，所述第一透镜靠近所述物侧的端面上镀有半反半透膜，靠近所述像侧的端面上镀有AR透膜；
所述第一透镜和所述第二透镜之间设置有可旋转设置的四分之一波片，所述四分之一波片包括平板玻璃、以及胶合于所述平板玻璃上的四分之一波片膜；
所述第二透镜靠近所述物侧的端面上镀AR增透明；
所述第二透镜和所述第三透镜之间设置有线偏振膜；
所述第三透镜的靠近所述像侧和所述物侧的两个端面上均镀有AR增透膜。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，自所述光学系统的物侧的光线依次穿过所述第一透镜、所述四分之一波片膜和所述第二透镜，被所述线偏振膜反射形成一次反射光；
所述一次反射光依次穿过所述第二透镜、所述四分之一波片膜和所述第一透镜，被所述第一透镜靠近所述物侧的一端面上的半反半透膜反射形成二次反射光；
所述二次反射光依次穿过所述第一透镜、所述四分之一波片膜、所述第二透镜、所述线偏振膜和所述第三透镜，到达所述光学系统的像侧。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述四分之一波片膜与所述物侧之间的偏振态为逆时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述线偏振膜之间的偏振态为竖直线偏振。
4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述线偏振膜与所述第一透镜之间的偏振态为顺时针圆偏振。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述四分之一波片膜之间的偏振态为顺时针圆偏振，所述四分之一波片膜与所述像侧之间的偏振态为水平线偏振。
6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的光焦度为正；
所述第二透镜的光焦度为负；
所述第三透镜的光焦度为正。
7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的膨胀系数为P1，其中，50<P1<70；
所述第二透镜的膨胀系数为P2，其中，50<P2<70；
所述第三透镜的膨胀系数为P3，其中，50<P3<70。
8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为非球面透镜；和/或，
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜至少其中之一的材质为塑料。
9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜中任意一个的非球面的表面形状满足公式I，公式I为
其中，c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，a1至a8分别为各径向坐标所对应的系数。
10.一种VR眼镜，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的光学系统。
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