CN210005802U

CN210005802U - 光学系统及具有其的虚拟现实设备

Info

Publication number: CN210005802U
Application number: CN201920993084.1U
Authority: CN
Inventors: 史柴源; 杨春; 宋文宝
Original assignee: Goertek Techology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2029-06-27

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，光学系统沿光轴方向依次包括显示单元、折叠反射单元以及出瞳面；光学系统还包括衍射单元，衍射元件包括第一表面以及第二表面；第一表面与第二表面至少有一个面为二元光学表面微结构；折叠反射单元包括靠近衍射元件的第三表面以及远离衍射元件的第六表面；显示单元发出的入射光线经过衍射元件后从第三表面进入折叠反射单元，在第六表面发生反射后，入射光线返回至第三表面并再次发生反射，再次被反射的入射光线从第六表面射出折叠反射单元，并传输至出瞳面。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虚拟现实设备的光学系统中边缘成像质量较差，色差较大的问题。

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

现有的虚拟现实设备中，用于成像的光学系统通常是由单片的透镜组成，用户在通过虚拟现实设备进行观察时，较大的视场角会使用户获得更好的沉浸体验，当虚拟现实设备的光学系统由单片透镜组成时，需要配合较大的显示屏幕，从而使虚拟现实设备具有较大的视场角，但是这种光学系统不仅光路体积较大，而且光学系统的色差较大，并且边缘视场的成像质量较差，无法满足用户的观察体验。

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虚拟现实设备的光学系统中边缘成像质量较差，色差较大的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种光学系统，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元、折叠反射单元以及出瞳面；

所述光学系统还包括衍射元件，所述衍射元件设于所述显示单元与所述折叠反射单元之间或设于所述折叠反射单元与所述出瞳面之间；

所述衍射元件包括靠近所述显示单元的第一表面以及远离所述显示单元的第二表面；

所述第一表面与所述第二表面至少有一个面为二元光学表面微结构；

所述折叠反射单元包括第一反射面与第二反射面，所述显示单元发生的入射光线在所述第一反射面与所述第二反射面发生至少一次反射后，射出所述折叠反射单元并传输至出瞳面。

可选地，所述衍射元件的厚度T1的取值范围为0.5mm<T1<1mm。

可选地，所述折叠反射单元包括第一透镜与第二透镜，所述第一透镜设于所述衍射单元与所述出瞳面之间，所述第二透镜设于所述第一透镜与所述出瞳面之间；

所述第一透镜包括靠近所述衍射元件的所述第三表面以及靠近所述第二透镜的第四表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第五表面以及远离所述第一透镜的所述第六表面；

所述折叠反射单元还包括分光器，第一偏振器以及第一相位延迟器；

所述分光器设于所述第三表面靠近所述衍射元件一侧；

所述第一相位延迟器设于所述第四表面与所述第五表面之间；

所述第一偏振器设于所述第六表面远离所述第一透镜一侧。

可选地，所述第三表面与所述第五表面均为非球面结构。

可选地，所述第四表面与所述第六表面的光焦度均为正值。

可选地，所述第一透镜的光焦度

的取值范围为：

所述第二透镜的光焦度

的取值范围为：

可选地，所述第一透镜沿光轴方向的厚度T2的取值范围为1mm<T2<8mm；所述第二透镜沿光轴方向的厚度T3的取值范围为1mm<T3<8mm。

可选地，所述第四表面与所述第五表面之间的距离大于或等于0.1mm，并且小于或等于2mm。

可选地，所述第六表面与所述显示单元之间的距离小于14mm。

可选地，所述衍射元件、所述第一透镜以及所述第二透镜均为光学塑料；

所述衍射元件的折射率n1的取值范围为1.45<n1<1.6；

所述第一透镜的折射率n2的取值范围为1.45<n2<1.6；

所述第二透镜的折射率n3的取值范围为1.45<n3<1.6；

所述衍射元件的色散系数v1的取值范围为50<v1<75；

所述第一透镜的色散系数v2的取值范围为50<v2<75；

所述第二透镜的色散系数v3的取值范围为50<v3<75。

可选地，所述光学系统还包括第二相位延迟器与第二偏振器，所述第二偏振器设于所述显示单元与所述衍射元件之间，所述第二相位延迟器设于所述第二偏振器与所述衍射元件之间。

可选地，所述光学系统的焦距大于或等于10mm，并且小于或等于20mm。

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，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元、折叠反射单元以及出瞳面，所述光学系统还包括衍射元件，所述衍射元件设于所述显示单元与所述折叠反射单元之间或设于所述折叠反射单元与所述出瞳面之间；所述衍射元件包括靠近所述显示单元的第一表面以及远离所述显示单元的第二表面；所述折叠反射单元包括第一反射面与第二反射面。所述显示单元发出的入射光线首先经过所述衍射元件的所述第一表面与所述第二表面，由于所述第一表面与所述第二表面至少有一个面为二元光学表面微结构，所述入射光线在经过所述衍射元件后能够在所述二元光学表面微结构的作用下降低所述入射光线的色差，对所述光学系统进行色差的校正，并且通过所述折叠反射单元，通过折叠光路的方式增加所述入射光线的光程，从而减小了所述光学系统的光路体积，并且降低了所述光学系统的色差，解决了现有技术中虚拟现实设备的光学系统中边缘成像质量较差，色差较大的问题。

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一实施例的点列图；

图4是本实用新型光学系统一实施例的调制解调函数图；

图5是本实用新型光学系统一实施例的场曲与畸变图；

图6是本实用新型光学系统一实施例的垂轴色差图；

图7是本实用新型光学系统的二元光学表面微结构的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	311	第三表面
20	衍射元件	312	第四表面
				21	第一表面	32	第二透镜
22	第二表面	321	第五表面
				30	折叠反射单元	322	第六表面
31	第一透镜	40	出瞳面

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与图6，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元10、折叠反射单元30以及出瞳面40；

所述光学系统还包括衍射元件20，所述衍射元件20设于所述显示单元10与所述折叠反射单元30之间或设于所述折叠反射单元30与所述出瞳面40之间；

所述衍射元件20包括靠近所述显示单元10的第一表面21以及远离所述显示单元10的第二表面22；

所述第一表面21与所述第二表面22至少有一个面为二元光学表面微结构；

所述折叠反射单元30包括第一反射面与第二反射面，所述显示单元10发生的入射光线在所述第一反射面与所述第二反射面发生至少一次反射后，射出所述折叠反射单元30并传输至出瞳面40。

其中，所述二元光学表面微结构是基于衍射原理，以二阶或多台阶的表面微结构来实现光波位相变换，以衍射光学方式对波前复振幅分布产生作用的结构特征。具体的，所述二元光学表面微结构可以通过纳米压印或光刻的方式进行加工。优选地，所述二元光学表面微结构为由多个台阶组成的微结构表面，其中所述台阶的长度随着与所述衍射元件20光轴的距离增加二增大。

具体实施方式中，出瞳面40用于表示人眼的位置，所述显示单元10发出的光线经过所述衍射元件20后，在所述折叠反射单元30发生多次反射，并最终通过所述折叠反射单元30后传输至所述出瞳面40。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元10、折叠反射单元30以及出瞳面40，所述光学系统还包括衍射元件20，所述衍射元件20设于所述显示单元10与所述折叠反射单元30之间或设于所述折叠反射单元30与所述出瞳面40之间；所述衍射元件20包括靠近所述显示单元10的第一表面21以及远离所述显示单元10的第二表面22；所述折叠反射单元30包括第一反射面与第二反射面。当所述衍射元件20设于所述显示单元10与所述折叠反射单元30之间时，所述显示单元10发出的入射光线首先经过所述衍射元件20的所述第一表面21与所述第二表面22，然后在所述折叠反射单元30发生多次反射后传输至所述出瞳面40；当所述衍射元件20设于所述折叠反射单元30与所述出瞳面40之间，所述显示单元10发出的入射光线首先在所述折叠反射单元30发生多次反射后，经过所述衍射元件20的所述第一表面21与所述第二表面22，然后传输至所述出瞳面40；由于所述第一表面21与所述第二表面22至少有一个面为二元光学表面微结构，所述入射光线在经过所述衍射元件20后能够在所述二元光学表面微结构的作用下降低所述入射光线的色差，对所述光学系统进行色差的校正，并且通过所述折叠反射单元30，通过折叠光路的方式增加所述入射光线的光程，从而减小了所述光学系统的光路体积，并且降低了所述光学系统的色差，解决了现有技术中虚拟现实设备的光学系统中边缘成像质量较差，色差较大的问题。

在一些可选的实施方式中，所述衍射元件20的厚度T1的取值范围为0.5mm<`T1<1mm。

在一些可选的实施方式中，所述折叠反射单元30包括第一透镜31与第二透镜32，其中所述第一透镜31设于所述衍射元件20与所述第二透镜32之间，具体的，所述第一透镜31包括靠近所述衍射单元的所述第三表面311以及远离所述衍射单元的第四表面312，所述第二透镜32包括靠近所述第一透镜31的第五表面321以及远离所述第一透镜31的所述第六表面322。所述折叠反射单元30还包括分光器，第一偏振器以及第一相位延迟器；所述分光器设于所述第三表面311靠近所述衍射元件20一侧；所述第一相位延迟器设于所述第四表面312与所述第五表面321之间；所述第一偏振器设于所述第六表面322远离所述第一透镜31一侧。

具体的，所述显示单元10发出所述入射光线，所述入射光线为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光经过所述第三表面311与所述第四表面312以及第一相位延迟器后转变为第一线偏振光，所述第一线偏振光经过所述第六表面322后，在所述第一偏振器发生反射，所述第一线偏振光再次经过所述第一相位延迟器后重新转变为所述第一圆偏振光，所述第一圆偏振光在所述分光器发生反射后，由所述第一圆偏振光转变为第二圆偏振光，所述第二圆偏振光经过所述第一相位延迟器后转变为第二线偏振光，所述第二线偏振光透射过所述第五表面321、第六表面322以及所述第一偏振器后，并传输至所述出瞳面40。

在一些可选的实施方式中，所述第三表面311与所述第五表面321均为非球面结构，具体的，所述第三表面311与所述第五表面321的曲面平滑，并且无反曲现象。

在一些可选的实施方式中，所述第四表面312与所述第六表面322的光焦度均为正值，其中，光焦度用于表示光学系统偏折光线的能力，等于光学系统像方光束会聚度与物方光束会聚度之差。

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜31的光焦度

的取值范围为：

所述第二透镜32的光焦度

的取值范围为：

在一些可选的实施方式中，所述第一透镜31沿光轴方向的厚度T2的取值范围为1mm<T2<8mm；所述第二透镜32沿光轴方向的厚度T3的取值范围为1mm<T3<8mm，所述第一透镜31与所述第二透镜32的中心厚度较薄，从而避免所述光学系统的光路体积过大的问题。

在一些可选的实施方式中，所述第四表面312与所述第五表面321之间的距离大于或等于0.1mm，并且小于或等于2mm。

在一些可选的实施方式中，所述第六表面322与所述显示单元10之间的距离小于14mm。

在一些可选的实施方式中，所述衍射元件20、所述第一透镜31以及所述第二透镜32均为光学塑料；光学塑料相比于光学玻璃，光学塑料具有可塑性强，重量轻，加工成本低的优点，常用的光学塑料的折射率通常大于或等于1.42并且小于或等于1.69。

所述衍射元件20的折射率n1的取值范围为：1.45<n1<1.6；所述第一透镜31的折射率n2的取值范围为：1.45<n2<1.6；所述第二透镜32的折射率n3的取值范围为：1.45<n3<1.6；其中，折射率用于表示在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，折射率越高，表示入射光发生折射的能力越强。

所述衍射元件20的色散系数v1的取值范围为50<v1<75；所述第一透镜31的色散系数v2的取值范围为50<v2<75；所述第二透镜32的色散系数v3的取值范围为50<v3<75。其中，色散系数用于衡量透镜的成像品质，色散系数通常用阿贝数进行表示，具体的，色散系数越大时，代表色散越不明显，透镜的成像质量越好，色散系数越小时代表色散越明显，透镜的成像质量越差，为了保证用户的观察质量，用于观察的透镜的色散系数通常大于30。通常情况下，色散系数与镜片的折射率成反比，当透镜的折射率越大时，透镜的色散系数越小，色散越明显。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统还包括第二相位延迟器与第二偏振器，所述第二偏振器设于所述显示单元10与所述衍射元件20之间，所述第二相位延迟器设于所述第二偏振器与所述衍射元件20之间。当所述显示单元10发出的所述入射光线为线偏振光时，需要通过所述第二相位延迟器与所述第二偏振器组合使用，使所述入射光线转变为圆偏振光，具体的，为了避免所述显示单元10发出的所述入射光线过多的被所述第二偏振器阻挡，所述入射光线的偏振方向的与所述第二偏振器的偏振方向不相互垂直。

在一些可选的实施方式中，所述光学系统的焦距大于或等于10mm，并且小于或等于20mm。

请参照图2，图2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30μm。

请参照图3，图3为第一实施例的调制传递函数图，其中，调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价对景物细部还原能力。

请参照图4，图4为第一实施例的场曲与光学畸变图，其中，S1表示波长为0.454μm的光线在弧矢面的场曲，T1表示波长为0.454μm的光线在切线面的场曲。S2表示波长为0.542μm的光线在弧矢面的场曲，T2表示波长为0.542μm的光线在切线面的场曲。S3表示波长为0.631μm的光线在弧矢面的场曲，T3表示波长为0.631μm的光线在切线面的场曲。具体的，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在±0.1mm范围内，且切线面与弧矢面的最大场曲差异小于0.2mm，其中最大畸变为最大视场处，最大畸变＜20％。

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25μm，配合后期的软件校正，可满足用户的需求。

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

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元、折叠反射单元以及出瞳面；

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述衍射元件的厚度T1的取值范围为0.5mm<T1<1mm。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述折叠反射单元包括第一透镜与第二透镜，所述第一透镜设于所述衍射元件与所述出瞳面之间，所述第二透镜设于所述第一透镜与所述出瞳面之间；

所述第一透镜包括靠近所述衍射元件的第三表面以及靠近所述第二透镜的第四表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第五表面以及远离所述第一透镜的第六表面；

所述分光器设于所述第三表面靠近所述衍射元件一侧；

所述第一偏振器设于所述第六表面远离所述第一透镜一侧。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第三表面与所述第五表面均为非球面结构。

5.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第四表面与所述第六表面的光焦度均为正值。

6.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜的光焦度

的取值范围为：

所述第二透镜的光焦度

的取值范围为：

7.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜沿光轴方向的厚度T2的取值范围为1mm<T2<8mm；所述第二透镜沿光轴方向的厚度T3的取值范围为1mm<T3<8mm。

8.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第四表面与所述第五表面之间的距离大于或等于0.1mm，并且小于或等于2mm。

9.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第六表面与所述显示单元之间的距离小于14mm。

10.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述衍射元件、所述第一透镜以及所述第二透镜均为光学塑料；

所述衍射元件的折射率n1的取值范围为1.45<n1<1.6；

所述第一透镜的折射率n2的取值范围为1.45<n2<1.6；

所述第二透镜的折射率n3的取值范围为1.45<n3<1.6；

所述衍射元件的色散系数v1的取值范围为50<v1<75；

所述第一透镜的色散系数v2的取值范围为50<v2<75；

所述第二透镜的色散系数v3的取值范围为50<v3<75。

11.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与第二偏振器，所述第二偏振器设于所述显示单元与所述衍射元件之间，所述第二相位延迟器设于所述第二偏振器与所述衍射元件之间。

12.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的焦距大于或等于10mm，并且小于或等于20mm。

13.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括如权利要求1-12任一项所述的光学系统。