CN209728326U - 光学系统及具有其的虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜以及光阑，所述第一透镜包括第一表面以及第二表面，所述第二透镜包括第三表面以及第四表面；所述显示单元发出的入射光线从所述第一表面传输至所述第四表面，通过所述第四表面上的偏振反射膜以及所述第一相位延迟器，所述入射光线在所述第一表面与所述第四表面之间发生多次反射，并发生多次偏振态或偏振方向的变换，最终传输至所述光阑。本实用新型提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，解决了现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴舒适度低的问题。

Description

光学系统及具有其的虚拟现实设备

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及具有其的虚拟现实设备。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实设备的形态与种类也日益繁多，并且应用领域也愈加广泛，目前的虚拟现实设备，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，从而通过虚拟现实设备实现大屏观看的目的，而为了实现图像的放大，光学系统通常需要多个透镜组合的方式实现，由于多个透镜组合使用时体积较大，进而导致虚拟现实设备的体积较大，降低了用户佩戴的舒适度。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备，旨在解决现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴的舒适度低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜以及光阑，其中，

所述第一透镜包括凸向物方设置的第一表面以及凹向像方设置的第二表面；

所述第二透镜包括凸向物方设置的第三表面以及凹向像方设置的第四表面；

所述第一表面设有分光膜；

所述第四表面设有偏振反射膜；

所述显示单元所述第四表面的中心的距离小于或等于20mm；

所述显示单元发出的入射光线从所述第一表面进入所述第一透镜，并从所述第二表面射出所述第一透镜，所述入射光线在经过所述第一相位延迟器后变为第一线偏振光，所述第一线偏振光从所述第三表面进入所述第二透镜，并在所述第四表面反射后，从所述第三表面射出所述第二透镜，所述第一线偏振光在经过所述第一相位延迟器后变为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光从所述第二表面进入所述第一透镜后，在所述第一表面反射后变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光与所述第一圆偏振光的旋性相反，所述第二圆偏振光再次经过所述第一相位延迟器后变为第二线偏振光，所述第二线偏振光在经过所述第三表面进入第二透镜后，从所述第四表面射出所述第二透镜，并传输至所述光阑。

可选地，所述偏振反射膜的反射方向与所述第一线偏振光的偏振方向相同，所述偏振反射膜的透射方向与所述第二线偏振光的偏振方向相同。

可选地，所述第一相位延迟器为1/4波片。

可选地，所述光学系统满足如下关系：100mm≤ABS(R1)≤200mm；500mm≤ABS(R2)≤1000mm；

其中，所述R1为所述第二表面的曲率半径，所述R2为所述第四表面的曲率半径。

可选地，所述光学系统满足如下关系：15mm≤T1≤20mm；12.5mm≤T2≤15mm；

其中，所述T1为所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离，所述T2为所述第四表面的中心到所述光阑的中心的距离。

可选地，所述光学系统满足如下关系：1mm≤L1≤5mm；3mm≤L2≤8mm；1mm≤L3≤4mm；3mm≤L4≤8mm；

其中，所述L1为所述显示单元的中心到所述第一表面的中心的距离，所述L2为所述第一透镜的中心厚度；所述L3为所述第二表面的中心到所述第三表面的中心的距离，所述L4为所述第二透镜的中心厚度。

可选地，所述光学系统满足如下关系：0.15≤L1/T1≤0.2；0.3≤L2/T1≤0.4；0.15≤L3/T1≤0.2；0.3≤L4/T1≤0.35；

其中，所述L1为所述显示单元中心到所述第一表面的中心的距离，所述L2为所述第一透镜的中心厚度；所述L3为所述第二表面的中心到所述第三表面的中心的距离，所述L4为所述第二透镜的中心厚度；所述T1为所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离。

可选地，所述光学系统满足如下关系：5*f≤f2≤10*f；10*f≤f1≤15*f；10mm≤f≤f2≤f1；1≤f/T1≤1.5；

其中，所述f为所述光学系统的整体焦距，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述T1为所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离。

可选地，所述光学系统还包括第二相位延迟器，所述第二延迟器设于所述显示单元与所述第一透镜之间。

为实现上述目的，本申请提出一种虚拟现实设备，所述虚拟现实设备包括如上述任一项实施方式所述的光学系统。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统包括沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜以及光阑，所述显示单元发出的入射光线依次经过所述第一透镜、所述第一相位延迟器后变为第一线偏振光，所述第一线偏振光经过所述第三表面传输至所述第四表面时，由于所述第四表面的偏振反射膜的反射方向与所述第一线偏振光的偏振方向相同，所述第一线偏振光在所述第四表面发生反射，再次经过所述第一相位延迟器后，所述第一线偏振光转变为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光在所述第一表面发生反射，所述第一圆偏振光变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光的旋性与所述第一圆偏振光的旋性相反，所述第二圆偏振光在经过所述第一相位延迟器后变为第二线偏振光，所述第二线偏振光的偏振方向与所述第一线偏振光的偏振方向相互垂直，并与所述偏振反射膜的透射方向相同，因此所述第二线偏振光在传输至所述第四表面时，从所述第四表面透过并传输至所述光阑。所述入射光线在所述第一透镜与所述第二透镜之间发生两次反射，通过反射的方式增加了所述入射光线在所述光学系统内的光程，从而在放大所述显示单元的同时减小所述光学系统的体积，进而减小所述虚拟现实设备的体积，解决现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴的舒适度低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型光学系统一实施例的光路示意图；

图2是本实用新型光学系统又一实施例的光路示意图；

图3是本实用新型光学系统的点列图；

图4是本实用新型光学系统的场曲与光学畸变图；

图5是本实用新型光学系统的垂轴色差图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	31	第三表面
20	第一透镜	32	第四表面
				21	第一表面	40	光阑
22	第二表面	50	第二相位延迟器
				30	第二透镜

本实用新型目的的实现、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

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)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，在本实用新型中如涉及“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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型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，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提供一种光学系统及具有其的虚拟现实设备。

请参照图1，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一透镜20、第一相位延迟器(未图示)、第二透镜30以及光阑40，其中，

所述第一透镜20包括凸向物方设置的第一表面21以及凹向像方设置的第二表面22；

所述第二透镜30包括凸向物方设置的第三表面31以及凹向像方设置的第四表面32；

所述第一表面21设有分光膜；

所述第四表面32设有偏振反射膜；

所述显示单元10到所述第四表面32的中心的距离小于或等于20mm；

所述显示单元10发出的入射光线从所述第一表面21进入所述第一透镜20，并从所述第二表面22射出所述第一透镜20，所述入射光线在经过所述第一相位延迟器后变为第一线偏振光，所述第一线偏振光从所述第三表面31进入所述第二透镜30，并在所述第四表面32反射后，从所述第三表面31射出所述第二透镜30，所述第一线偏振光在经过所述第一相位延迟器后变为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光从所述第二表面22进入所述第一透镜20后，在所述第一表面21反射后变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光与所述第一圆偏振光的旋性相反，所述第二圆偏振光再次经过所述第一相位延迟器后变为第二线偏振光，所述第二线偏振光在经过所述第三表面31进入第二透镜30后，从所述第四表面32射出所述第二透镜30，并传输至所述光阑40。

优选的，所述分光膜可以通过镀膜或贴附的方式设于所述第一表面21，同理，所述偏振反射膜可以通过镀膜或贴附的方式设于所第四表面32，进一步的，所述分光膜为半反半透膜，所述半反半透膜的透射率与反射率的比例为1:1，可以理解的是，所述分光膜分光比例不限于此，于其他实施方式中，所述分光膜的透射率与反射率的比例还可以为4:6或3:7。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统包括沿光线传输方向依次包括显示单元10、第一透镜20、第一相位延迟器、第二透镜30以及光阑40，所述显示单元10发出的入射光线依次经过所述第一透镜20、所述第一相位延迟器后变为第一线偏振光，所述第一线偏振光经过所述第三表面31传输至所述第四表面32后，由于所述第四表面32的偏振反射膜的反射方向与所述第一线偏振光的偏振方向相同，所述第一线偏振光在所述第四表面32发生反射，再次经过所述第一相位延迟器后，所述第一线偏振光转变为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光在所述第一表面21发生反射，所述第一圆偏振光变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光的旋性与所述第一圆偏振光的旋性相反，所述第二圆偏振光在经过所述第一相位延迟器后变为第二线偏振光，所述第二线偏振光的偏振方向与所述第一线偏振光的偏振方向相互垂直，并与所述偏振反射膜的透射方向相同，因此所述第二线偏振光在传输至所述第四表面32时，从所述第四表面32透过并传输至所述光阑40。所述入射光线在所述第一透镜20与所述第二透镜30之间发生两次反射，通过反射的方式增加了所述入射光线在所述光学系统内的光程，从而在放大所述显示单元10的同时减小所述光学系统的体积，进而减小所述虚拟现实设备的体积，解决现有技术中由于光学系统体积较大，导致虚拟现实设备的体积较大，用户佩戴的舒适度低的问题。

优选的，所述第一相位延迟器为第一1/4波片，所述第一1/4波片的中心波长与所述入射光线的波长相等。

在一些可选的实施方式中，所述偏振反射膜的反射方向与所述第一线偏振光的偏振方向相同，所述偏振反射膜的透射方向与所述第二线偏振光的偏振方向相同。具体的，当所述偏振反射膜的反射方向与所述第一线偏振光的偏振方向不相同时，所述第一线偏振光在经过所述偏振反射膜时会出现部分透射部分反射，从而降低了所述第一线偏振光的传递效率，另外，所述第一线偏振光的透射部分与所述第二线偏振光传输至所述光阑40，会造成用户观察到的图像出现重影，影响用户的观察体验。当所述偏振反射膜的透射方向与所述第二线偏振光的透射方向不相同时，会降低所述第二线偏振光的透过率，从而降低所述入射光线在所述光学系统中的传递效率。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：100mm≤ABS(R1)≤200mm；所述R1为所述第二表面22的曲率半径。其中，当所述第二表面22为非球面时，所述第二表面22的曲率半径为非球面顶点的曲率半径。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：500≤ABS(R2)≤1000；所述R2为所述第四表面32的曲率半径。其中，当所述第四表面32为非球面时，所述第四表面32的曲率半径为非球面顶点的曲率半径。

在一些可选的实施方式中，所述显示单元10的中心垂线、所述第一透镜20的光轴、所述第二透镜30的光轴、所述第一相位延迟器的光轴以及所述光阑40的中心垂线共线。所述光学系统满足如下关系：15mm≤T1≤20mm；12.5mm≤T2≤15mm；所述T1为所述显示单元10的中心到所述第四表面32的中心的距离，所述T2为所述第四表面32的中心到所述光阑40的中心的距离。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：1mm≤L1≤5mm；3mm≤L2≤8mm；1mm≤L3≤4mm；3mm≤L4≤8mm；所述L1为所述显示单元10的中心到所述第一表面21的中心的距离，所述L2为所述第一透镜20的中心厚度；所述L3为所述第二表面22的中心到所述第三表面31的中心的距离，所述L4为所述第二透镜30的中心厚度。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：0.15≤L1/T1≤0.2；0.3≤L2/T1≤0.4；0.15≤L3/T1≤0.2；0.3≤L4/T1≤0.35；所述L1为所述显示单元10的中心到所述第一表面21的中心的距离，所述L2为所述第一透镜20的中心厚度；所述L3为所述第二表面22的中心到所述第三表面31的中心的距离，所述L4为所述第二透镜30的中心厚度；所述T1为所述显示单元10的中心到所述第四表面32的中心的距离。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统满足如下关系：5*f≤f2≤10*f；10*f≤f2≤15*f；10mm≤f≤f2≤f1；1≤f/T1≤1.5；所述f为所述光学系统的整体焦距，所述f1为所述第一透镜20的焦距，所述f2为所述第二透镜30的焦距，所述T1为所述显示单元10的中心到所述第四表面32的中心的距离。

请参照图2，在一些可选的实施方式中，当所述显示单元20发出的入射光线为线偏振光时，所述光学系统还包括第二相位延迟器50，所述第二相位延迟器50设于所述显示单元10与所述第一透镜20之间，用于将所述显示单元10发出的所述入射光线从线偏振光转变为圆偏振光。优选的，所述第二相位延迟器为第二1/4波片，所述第二1/4波片的中心波长与所述入射光线的波长相等。

在一些可选的实施方式中，所述第一表面21与所述第三表面31为非球面。具体实施方式中，非球面结构相比于球面结构，能够有效地减小所述光学系统的球差与畸变，从而减少所述光学系统中透镜的个数以及减小透镜的尺寸。

在一些可选的实施方式中，所述光阑40用于控制光线通过，调节射出所述光学系统的光通量，同时减少其他透镜经过反射产生的杂散光干扰。

在第一实施例中，光学系统设计数据如下表1所示：

表1

所述第一实施例中，各参数如下所述：

ABS(R1)＝158.82mm，ABS(R2)＝509.52mm；

f1＝412.55mm，f2＝198.11mm，f＝28.62mm；

T2＝13.0mm，T1＝20mm；

L1＝3.23mm，L2＝7.0mm，L3＝3.64mm，L4＝6.3mm；

那么L1/T1＝0.1615，L2/T1＝0.35，L3/T1＝0.182，L4/T1＝0.315；

其中，所述第二表面22与所述第四表面32可以为偶次非球面结构，其中，所述偶次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；αi表示第i次的非球面系数。

于另一实施例中，所述第二表面22与所述第四表面32也可以为奇次非球面结构，其中，所述奇次非球面满足以下关系：

其中，Y为镜面中心高度，z为非球面结构沿光轴方向在高度为Y的位置，以表面顶点作参考距光轴的位移值，C为非球面的顶点曲率半径，K为圆锥系数；βi表示第i次的非球面系数。

请参照图3，图3为第一实施例的点列图，其中点列图是指由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，用于评价所述投影光学系统的成像质量。在所述第一实施例中，所述点列图中像点的最大值与最大视场相对应，所述点列图中像点的最大值为小于60μm。

请参照图4，图4为第一实施例的场曲与光学畸变图，其中，场曲用于表示不同视场点的光束像点离开像面的位置变化，光学畸变是指某一视场主波长时的主光线与像面交点离开理想像点的垂轴距离；在所述第一实施例中，在切线面以及弧矢面的场曲均小于±2mm，且切线面与弧矢面的最大场曲差异小于2mm，其中最大畸变为最大视场处，最大畸变＜46％。

请参照图5，图5为第一实施例的垂轴色差图，其中，垂轴色差是指又称为倍率色差，主要是指物方的一根复色主光线，因折射系统存在色散，在像方出射时变成多根光线，氢蓝光与氢红光在像面上的焦点位置的差值；在所述第一实施例中，所述光学系统的最大色散为所述光学系统的视场最大位置，所述光学系统的最大色差值小于290μm，配合后期的软件校正，可满足用户的需求。

在第一实施例中，所述显示单元10到所述第二透镜30的所述第四表面32长度为20mm，最大视场角为120度，并且所述光学系统的最大视场的光斑大小小于60μm，从而保证能够清晰成像，在满足用户观看体验的前提下，通过折叠光路的形式减小了所述光学系统的体积，从而减小所述虚拟现实设备的体积与重量，改善了用户的使用体验。

本实用新型还提出一种虚拟现实设备，所述虚拟现实设备包括如上述任一实施方式所述的光学系统，该光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该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。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型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实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光线传输方向依次包括显示单元、第一透镜、第一相位延迟器、第二透镜以及光阑，其中，

所述第一透镜包括凸向物方设置的第一表面以及凹向像方设置的第二表面；

所述第二透镜包括凸向物方设置的第三表面以及凹向像方设置的第四表面；

所述第一表面设有分光膜；

所述第四表面设有偏振反射膜；

所述显示单元到所述第四表面的中心的距离小于或等于20mm；

所述显示单元发出的入射光线从所述第一表面进入所述第一透镜，并从所述第二表面射出所述第一透镜，所述入射光线在经过所述第一相位延迟器后变为第一线偏振光，所述第一线偏振光从所述第三表面进入所述第二透镜，并在所述第四表面反射后，从所述第三表面射出所述第二透镜，所述第一线偏振光在经过所述第一相位延迟器后变为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光从所述第二表面进入所述第一透镜后，在所述第一表面反射后变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光与所述第一圆偏振光的旋性相反，所述第二圆偏振光再次经过所述第一相位延迟器后变为第二线偏振光，所述第二线偏振光在经过所述第三表面进入第二透镜后，从所述第四表面射出所述第二透镜，并传输至所述光阑。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振反射膜的反射方向与所述第一线偏振光的偏振方向相同，所述偏振反射膜的透射方向与所述第二线偏振光的偏振方向相同。

3.如权利要求1-2任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一相位延迟器为1/4波片。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：100mm≤ABS(R1)≤200mm；500mm≤ABS(R2)≤1000mm；

其中，所述R1为所述第二表面的曲率半径，所述R2为所述第四表面的曲率半径。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：15mm≤T1≤20mm；12.5mm≤T2≤15mm；

其中，所述T1为所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离，所述T2为所述第四表面的中心到所述光阑的中心的距离。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：1mm≤L1≤5mm；3mm≤L2≤8mm；1mm≤L3≤4mm；3mm≤L4≤8mm；

其中，所述L1为所述显示单元的中心到所述第一表面的中心的距离，所述L2为所述第一透镜的中心厚度；所述L3为所述第二表面的中心到所述第三表面的中心的距离，所述L4为所述第二透镜的中心厚度。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：0.15≤L1/T1≤0.2；0.3≤L2/T1≤0.4；0.15≤L3/T1≤0.2；0.3≤L4/T1≤0.35；

其中，所述L1为所述显示单元的中心到所述第一表面的中心的距离，所述L2为所述第一透镜的中心厚度；所述L3为所述第二表面的中心到所述第三表面的中心的距离，所述L4为所述第二透镜的中心厚度；所述T1为所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足如下关系：5*f≤f2≤10*f；10*f≤f1≤15*f；10mm≤f≤f2≤f1；1≤f/T1≤1.5；

其中，所述f为所述光学系统的整体焦距，所述f1为所述第一透镜的焦距，所述f2为所述第二透镜的焦距，所述T1为所述显示单元的中心到所述第四表面的中心的距离。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括第二相位延迟器，所述第二相位延迟器设于所述显示单元与所述第一透镜之间。

10.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括如权利要求1-9任一项所述的光学系统。