CN208607440U - 一种短焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种短焦光学系统。短焦光学系统沿着光入射方向顺次包括：发光屏幕、第二透镜和第一透镜，第一透镜包括朝向人眼的第一有效面和朝向发光屏幕的第二有效面，第二透镜包括朝向人眼的第三有效面和朝向发光屏幕的第四有效面；第一有效面贴付第一四分之一波片，第一四分之一波片朝向人眼的表面贴付偏振反射膜，偏振反射膜的偏振化方向与第一四分之一波片的晶体光轴成45度夹角；第四有效面贴付半反半透膜；发光屏幕的有效发光面贴付第二四分之一波片。本实用新型采用折叠光路的方式减小整个系统的长度，让光线反复经过同一正光焦度的光学有效面，缩短光学系统的焦距，在保证成像质量的前提下达到小体积轻便化的目标。

Description

一种短焦光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种短焦光学系统。

背景技术

在虚拟现实(Virtual Reality，VR)的光学系统中，光学镜片具有提供大视场角的功能。在视场角的需求不变的情况下，光学系统的焦距越短，所用的屏幕尺寸就越小，同时设备的前后厚度也会变小，进而实现小体积轻便化的目标。

传统的单向共轴光学系统在焦距变短之后，存在成像清晰度变差的现象，如果保持成像清晰度不变，缩短焦距，则需要更多的镜片进行堆叠，造成整体重量变大，无法实现小体积轻便化的目标。

实用新型内容

本实用新型提供了一种短焦光学系统，以解决现有方案在保持成像清晰度的前提下缩短焦距导致整体重量变大，无法实现小体积轻便化的问题。

本实用新型的一方面提供了一种短焦光学系统，包括：沿着光入射方向顺次包括：发光屏幕、第二透镜和第一透镜，第一透镜包括朝向人眼的第一有效面和朝向发光屏幕的第二有效面，第二透镜包括朝向人眼的第三有效面和朝向发光屏幕的第四有效面；第一透镜的第一有效面贴付第一四分之一波片，第一四分之一波片朝向人眼的表面贴付偏振反射膜，偏振反射膜的偏振化方向与第一四分之一波片的晶体光轴成45度夹角；第二透镜的第四有效面贴付半反半透膜；发光屏幕的有效发光面贴付第二四分之一波片。

可选地，发光屏幕发出的线偏振光穿过第二四分之一波片后被转换为圆偏振光射出，射出的圆偏振光经过半反半透膜被分成穿透半反半透膜并射入第二透镜的透射光和反射向发光屏幕方向的反射光；透射光经过第二透镜汇聚后并依次穿透第二透镜、第一透镜和第一四分之一波片后被转换为线偏振光再经过偏振反射膜反射，被偏振反射膜反射的光线依次穿透第二四分之一波片、第一透镜和第二透镜后被所述半反半透膜再次分成透射光和反射光；被再次分成的反射光第三次穿透第二透镜、第一透镜和第二四分之一波片后，通过所述偏振反射膜并射出。

可选地，第一透镜的第一有效面为平面、球面或非球面，第一透镜的第二有效面为球面、非球面或菲涅尔面；第二透镜的第三有效面为平面、球面或非球面，第二透镜的第四有效面为球面、非球面或菲涅尔面。

可选地，第一透镜的第一有效面为平面，第一有效面的有效口径D1、面型半径R1和圆锥系数K1分别满足：30mm<D1<60mm，R1＝+∞，K1＝0；第一透镜的第二有效面为非球面，第二有效面的有效口径D2、面型半径R2和圆锥系数K2分别满足：30mm<D2<60mm，50mm<R2<200mm，-20<K2<20；第二透镜的第三有效面为平面，第三有效面的有效口径D3、面型半径R3和圆锥系数K3分别满足：30mm<D3<60mm，R3＝+∞，K3＝0；第二透镜的第四有效面为非球面，第四有效面的有效口径D4、面型半径R4和圆锥系数K4分别满足：30mm<D4<60mm，50mm<R4<200mm，-20<K4<20。

可选地，第一透镜的第一有效面与其第二有效面在光轴上的距离L12满足：3mm<L12<12mm；第一透镜的第二有效面与所述第二透镜的第三有效面在光轴上的距离L23满足：4mm<L23<10mm；第二透镜的第三有效面与其第四有效面在光轴上的距离L34满足：3mm<L34<12mm；第二透镜的第四有效面与所述发光屏幕在光轴上的距离L满足：0mm<L<6mm。

可选地，第一透镜的第一有效面与其第二有效面在光轴上的距离L12＝4.5mm，第一有效面的有效口径D1与第二有效面的有效口径D2满足：D1＝D2＝48mm，第二有效面的面型半径R2＝87.94mm，第二有效面的圆锥系数K2＝-1；第一透镜的第二有效面与第二透镜的第三有效面在光轴上的距离L23＝4.3mm；第二透镜的第三有效面与其第四有效面在光轴上的距离L34＝5mm，第三有效面的有效口径D3与第四有效面的有效口径D4满足：D3＝D4＝48mm，第四有效面的面型半径R4＝78.25mm，第四有效面的圆锥系数K4＝6.35；第二透镜的第四有效面与发光屏幕在光轴上的距离L＝1mm。

可选地，第一透镜的折射率N1满足：1.4mm<N1<2.0，第一透镜的材料为光学玻璃、光学塑料或光学树脂；第二透镜的折射率N2满足：1.4mm<N2<2.0，第二透镜的材料为光学玻璃、光学塑料或光学树脂。

可选地，偏振反射膜为高级偏光片膜；第一四分之一波片为晶体波片或有机薄膜波片；半反半透膜的反射率t满足30％<t<70％；第二四分之一波片为晶体波片或有机薄膜波片。

可选地，半反半透膜的反射率t＝50％。

可选地，发光屏幕为2.1寸分辨率为2160*2160的液晶显示器屏幕。

本实用新型利用光的旋光性，偏振性以及波片的相位延迟性等原理来达到折叠光路的效果，采用折叠光路的方式减小整个系统的长度，让光线反复经过同一正光焦度的光学有效面，缩短光学系统的焦距，进而在保证成像质量的前提下达到小体积轻便化的目标。

附图说明

图1为本实用新型实施例示出的短焦光学系统的光路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

以下，将参照附图来描述本实用新型的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本实用新型。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本实施例采用折叠光路的方式减小整个系统的长度，让光线反复经过同一正光焦度的光学有效面，缩短光学系统的焦距，进而在保证成像质量的前提下达到小体积轻便化的目标。

图1为本实用新型实施例示出的短焦光学系统的光路示意图，如图1所示，本实施例的短焦光学系统沿着光入射方向顺次包括：发光屏幕7、第二透镜4和第一透镜3，第一透镜3包括朝向人眼的第一有效面S1和朝向发光屏幕7的第二有效面S2，第二透镜4包括朝向人眼的第三有效面S3和朝向发光屏幕7的第四有效面S4；

其中，第一透镜3的第一有效面S1贴付第一四分之一波片2，第一四分之一波片2朝向人眼的表面贴付偏振反射膜1，偏振反射膜1的偏振化方向与第一四分之一波片2的晶体光轴成45度夹角，第一四分之一波片2的晶体光轴与短焦光学系统的光轴；第二透镜4的第四有效面S4贴付半反半透膜5；发光屏幕7的有效发光面贴付第二四分之一波片6。

应理解的是：本实施例的第一四分之一波片2贴付于第一透镜3的第一有效面S1并完全覆盖第一有效面S1的有效口径；偏振反射膜1贴付于第一四分之一波片2并完全覆盖第一有效面S1的有效口径；半反半透膜5贴付于第二透镜4的第四有效面S4并完全覆盖第四有效面S4的有效口径；第二四分之一波片6贴付于发光屏幕7并完全覆盖发光屏幕7的有效发光区域。

本实施例中的偏振反射膜理论上完全透射某一偏振态的光线并完全反射与偏振态光线正交的光线。第一四分之一波片和第二四分之一波片可将特定的线偏振光和圆偏振光相互转换，本实施例中的第一四分之一波片和第二四分之一波片可以将与四分之一波片晶体光轴成45度夹角的线偏振光转换为圆偏振光，将圆偏振光转换为与四分之一波片晶体光轴成45度夹角的线偏振光。半反半透膜可同时对光线进行部分透射和部分反射，并具有改变圆偏振光旋光性的功能。

本实施例利用光的旋光性，偏振性以及波片的相位延迟性等原理来达到折叠光路的效果，让光线反复经过同一正光焦度的光学有效面，缩短光学系统的焦距，进而在保证成像质量的前提下达到小体积轻便化的目标。

参考图1，发光屏幕7发出的线偏振光穿过第二四分之一波片6后被转换为圆偏振光射出，射出的圆偏振光经过半反半透膜5被分成穿透半反半透膜5并射入第二透镜4的透射光和反射向发光屏幕4方向的反射光；透射光经过第二透镜4汇聚后并依次穿透第二透镜4、第一透镜3和第一四分之一波片2后被转换为线偏振光再经过偏振反射膜1反射，被偏振反射膜1反射的光线依次穿透第二四分之一波片2、第一透镜3和第二透镜4后被半反半透膜5再次分成透射光和反射光；被再次分成的反射光第三次穿透第二透镜4、第一透镜3和第二四分之一波片2后，通过偏振反射膜1并射出。

本实施例图1示出的光学系统的光程如下：

光线经发光屏幕7发出，此时光线为线偏振光，该线偏振光与第二四分之一波片6的晶体光轴成45度夹角，光线经过第二四分之一波片6，光线转变为圆偏振光；

光线经半反半透膜5被分成射向人眼方向的透射光和射向发光屏幕方向的反射光，本实施例利用透射光，该透射光经过第二透镜4汇聚出射，此时光线为圆偏振光；

光线通过第一透镜3汇聚并穿透第一透镜3，经过第一四分之一波片2后，光线转换为线偏振光，此时线偏振光的偏振态和偏振反射膜1的偏振化方向相反，因此光线被偏振反射膜1反射向发光屏幕7方向；

光线再次通过第一四分之一波片2后，此时光线被转变为圆偏振光，再次经过第一透镜3汇聚并出射，之后，光线再次经过第二透镜4的第三有效面S3然后经过第四有效面S4时被半反半透膜5再次分成透射光和反射光，本实施例利用反射向人眼方向的反射光线，此时，反射光线仍为圆偏振光且旋光性发生转变；

光线第三次经过透镜4汇聚并射出后，第三次经过第三透镜3汇聚，随后经过第一四分之一波片2后变为线偏振光，此时线偏振光的偏振态相对于第一次通过第一四分之一波片2时已经发生了90度偏转，因此，光线通过偏振反射膜1并出射。

本实施例中，第一透镜3的第一有效面S1可以为平面、球面或非球面，第一透镜3的第二有效面S2可以为球面、非球面或菲涅尔面；第二透镜4的第三有效面S3可以为平面、球面或非球面，第二透镜4的第四有效面S4可以为球面、非球面或菲涅尔面。

一个实施例中，出于降低贴膜工艺复杂性的考虑，第一有效面S1为平面，此时，第一有效面S1的有效口径D1、面型半径R1和圆锥系数K1分别满足：30mm<D1<60mm，R1＝+∞，K1＝0；第二有效面S2为非球面，第二有效面S2的有效口径D2、面型半径R2和圆锥系数K2分别满足：30mm<D2<60mm，50mm<R2<200mm，-20<K2<20；例如，D1＝D2＝48mm，R2＝87.94mm，K2＝-1；第一有效面S1与第二有效面S2在光轴上的距离L12满足：3mm<L12<12mm，例如，L12＝4.5mm。

同样出于降低贴膜工艺复杂性的考虑，第三有效面S3为平面，第三有效面S3的有效口径D3、面型半径R3和圆锥系数K3分别满足：30mm<D3<60mm，R3＝+∞，K3＝0；第四有效面S4为非球面，第四有效面S4的有效口径D4、面型半径R4和圆锥系数K4分别满足：30mm<D4<60mm，50mm<R4<200mm，-20<K4<20；例如，D3＝D4＝48mm，R4＝＝78.25mm，K4＝6.35；第三有效面S3与第四有效面S4在光轴上的距离L34满足：3mm<L34<12mm，第二有效面S2与第三有效面S3在光轴上的距离L23满足：4mm<L23<10mm；例如，L34＝5mm，L23＝4.3mm。

本实施例中，第二透镜4的第四有效面S4与发光屏幕7在光轴上的距离L满足：0mm<L<6mm，例如，L＝1mm。

本实施例中，第一透镜3的折射率N1满足：1.4mm<N1<2.0，第一透镜3的材料为光学玻璃、光学塑料或光学树脂，例如第一透镜3为光学塑料K26R，折射率N1＝1.535。第二透镜4的折射率N2满足：1.4mm<N2<2.0，第二透镜4的材料为光学玻璃、光学塑料或光学树脂，例如，第二透镜4为光学塑料K26R，折射率N1＝1.535。偏振反射膜为高级偏光片(AdvancedPolarizer Film，APF)膜；第一四分之一波片2为晶体波片或有机薄膜波片，例如第一第一四分之一波片2为有机薄膜波片；半反半透膜5的反射率t满足30％<t<70％，例如，半反半透膜5的反射率t＝50％；第二四分之一波片6为晶体波片或有机薄膜波片；本实施例的发光屏幕为2.1寸分辨率为2160*2160的液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)屏幕。

为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种短焦光学系统，其特征在于，沿着光入射方向顺次包括：发光屏幕、第二透镜和第一透镜，所述第一透镜包括朝向人眼的第一有效面和朝向发光屏幕的第二有效面，所述第二透镜包括朝向人眼的第三有效面和朝向发光屏幕的第四有效面；

所述第一透镜的第一有效面贴付第一四分之一波片，所述第一四分之一波片朝向人眼的表面贴付偏振反射膜，所述偏振反射膜的偏振化方向与第一四分之一波片的晶体光轴成45度夹角；

所述第二透镜的第四有效面贴付半反半透膜；

所述发光屏幕的有效发光面贴付第二四分之一波片。

2.根据权利要求1所述的短焦光学系统，其特征在于，

发光屏幕发出的线偏振光穿过第二四分之一波片后被转换为圆偏振光射出，射出的圆偏振光经过半反半透膜被分成穿透半反半透膜并射入第二透镜的透射光和反射向发光屏幕方向的反射光；

所述透射光经过第二透镜汇聚后并依次穿透第二透镜、第一透镜和第一四分之一波片后被转换为线偏振光再经过偏振反射膜反射，被偏振反射膜反射的光线依次穿透第二四分之一波片、第一透镜和第二透镜后被所述半反半透膜再次分成透射光和反射光；

被再次分成的反射光第三次穿透第二透镜、第一透镜和第二四分之一波片后，通过所述偏振反射膜并射出。

3.根据权利要求1所述的短焦光学系统，其特征在于，

所述第一透镜的第一有效面为平面、球面或非球面，所述第一透镜的第二有效面为球面、非球面或菲涅尔面；

所述第二透镜的第三有效面为平面、球面或非球面，所述第二透镜的第四有效面为球面、非球面或菲涅尔面。

4.根据权利要求3所述的短焦光学系统，其特征在于，

所述第一透镜的第一有效面为平面，所述第一有效面的有效口径D1、面型半径R1和圆锥系数K1分别满足：30mm<D1<60mm，R1＝+∞，K1＝0；

所述第一透镜的第二有效面为非球面，所述第二有效面的有效口径D2、面型半径R2和圆锥系数K2分别满足：30mm<D2<60mm，50mm<R2<200mm，-20<K2<20；

所述第二透镜的第三有效面为平面，所述第三有效面的有效口径D3、面型半径R3和圆锥系数K3分别满足：30mm<D3<60mm，R3＝+∞，K3＝0；

所述第二透镜的第四有效面为非球面，所述第四有效面的有效口径D4、面型半径R4和圆锥系数K4分别满足：30mm<D4<60mm，50mm<R4<200mm，-20<K4<20。

5.根据权利要求4所述的短焦光学系统，其特征在于，

所述第一透镜的第一有效面与其第二有效面在光轴上的距离L12满足：3mm<L12<12mm；

所述第一透镜的第二有效面与所述第二透镜的第三有效面在光轴上的距离L23满足：4mm<L23<10mm；

所述第二透镜的第三有效面与其第四有效面在光轴上的距离L34满足：3mm<L34<12mm；

所述第二透镜的第四有效面与所述发光屏幕在光轴上的距离L满足：0mm<L<6mm。

6.根据权利要求5所述的短焦光学系统，其特征在于，

所述第一透镜的第一有效面与其第二有效面在光轴上的距离L12＝4.5mm，所述第一有效面的有效口径D1与第二有效面的有效口径D2满足：D1＝D2＝48mm，所述第二有效面的面型半径R2＝87.94mm，所述第二有效面的圆锥系数K2＝-1；

所述第一透镜的第二有效面与所述第二透镜的第三有效面在光轴上的距离L23＝4.3mm；

所述第二透镜的第三有效面与其第四有效面在光轴上的距离L34＝5mm，所述第三有效面的有效口径D3与第四有效面的有效口径D4满足：D3＝D4＝48mm，所述第四有效面的面型半径R4＝78.25mm，所述第四有效面的圆锥系数K4＝6.35；

所述第二透镜的第四有效面与所述发光屏幕在光轴上的距离L＝1mm。

7.根据权利要求1所述的短焦光学系统，其特征在于，

所述第一透镜的折射率N1满足：1.4mm<N1<2.0，所述第一透镜的材料为光学玻璃、光学塑料或光学树脂；

所述第二透镜的折射率N2满足：1.4mm<N2<2.0，所述第二透镜的材料为光学玻璃、光学塑料或光学树脂。

8.根据权利要求1所述的短焦光学系统，其特征在于，

所述偏振反射膜为高级偏光片膜；

所述第一四分之一波片为晶体波片或有机薄膜波片；

所述半反半透膜的反射率t满足30％<t<70％；

所述第二四分之一波片为晶体波片或有机薄膜波片。

9.根据权利要求1所述的短焦光学系统，其特征在于，所述半反半透膜的反射率t＝50％。

10.根据权利要求1所述的短焦光学系统，其特征在于，所述发光屏幕为2.1寸分辨率为2160*2160的液晶显示器屏幕。