CN212391666U - 光学系统及虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学系统及虚拟现实设备，所述光学系统包括显示单元与第一透镜，所述第一透镜包括第一表面与第二表面，所述第一表面包括第一区域与第二区域，所述第一区域设于所述第一表面的中心位置，所述第二区域环绕所述第一区域设置；所述第一区域为非球面结构，所述第二区域为菲涅尔结构，所述菲涅尔结构包括基底及设置在所述基底上的多个锯齿同心环；所述第二表面为非球面结构。本实用新型提供一种光学系统及虚拟现实设备，旨在解决现有技术中虚拟现实设备的光学系统重量与体积较大或存在较多杂散光，影响成像效果的问题。

Description

光学系统及虚拟现实设备

技术领域

本实用新型涉及投影技术领域，尤其涉及一种光学系统及虚拟现实设备。

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。

为了实现图像的放大，通常会采用非球面透镜或菲涅尔透镜实现，但由非球面透镜组成的成像光路系统重量与体积较大，而由菲涅尔透镜组成的成像光路系统存在较多的杂散光，因此，现有虚拟显示设备使用效果不佳。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学系统及虚拟现实设备，旨在解决现有技术中虚拟现实设备的光学系统重量与体积较大或存在较多杂散光，影响成像效果的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种光学系统，所述光学系统包括显示单元与第一透镜，所述第一透镜包括第一表面与第二表面，所述第一表面包括第一区域与第二区域，所述第一区域设于所述第一表面的中心位置，所述第二区域环绕所述第一区域设置；

所述第一区域为非球面结构，所述第二区域为菲涅尔结构，所述菲涅尔结构包括基底及设置在所述基底上的多个锯齿同心环；

所述第二表面为非球面结构。

可选的，所述第一透镜满足如下关系：

4mm<T<10mm；

其中，所述T为所述第一透镜的中心厚度。

可选的，所述第一透镜的折射率范围大于或等于1.45，并小于或等于1.60；

所述第一透镜的色散系数大于或等于50，并小于或等于75。

可选的，所述第一透镜的光焦度大于或等于0，且小于或等于0.03。

可选的，所述第一区域的直径大于或等于所述第一透镜的直径的三分之一。

可选的，所述第二区域的所述基底的第二曲率半径与所述第一区域的所述非球面结构的第一曲率半径相等。

可选的，所述第二区域的所述基底的第二曲率半径与所述第一区域的所述非球面结构的第一曲率半径不相等，且所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的差值小于或等于0.01mm。

可选的，所述第一透镜与出瞳之间的距离大于或等于14mm。

可选的，所述第一透镜为光学塑料材料。

可选的，所述第二表面包括至少一个反曲点。

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，所述光学系统包括显示单元与第一透镜，所述第一透镜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，所述第一表面包括第一区域与第二区域，所述第一区域设于所述第一表面的中心位置，所述第二区域环绕所述第一表面设置，其中，所述第一区域为非球面结构，所述第二区域为菲涅尔结构，所述菲涅尔结构包括基底及设置在所述基底上的多个锯齿同心环，具体的，通过所述第一区域的非球面结构，能够有效的减少来自于所述菲涅尔结构在无效面上产生的杂散光，并且通过所述第二区域的菲涅尔结构，减小所述第一透镜的重量与体积，从而在保证所述第一透镜的光学性能的前提下，减小所述第一透镜的重量与体积，并且减小所述第一透镜产生的杂散光，从而解决了现有技术中虚拟现实设备的光学系统重量与体积较大或存在较多杂散光，影响成像效果的问题。

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第一实施例的结构示意图；

图2是本实用新型光学系统第一实施例的光路示意图；

图3是本实用新型光学系统第一实施例的调制传递函数图；

图4是本实用新型光学系统第一实施例的点列图；

图5是本实用新型光学系统第一实施例的场曲与光学畸变图；

图6是本实用新型光学系统第二实施例的结构示意图；

图7是本实用新型光学系统第二实施例的光路示意图；

图8是本实用新型光学系统第二实施例的调制传递函数图；

图9是本实用新型光学系统第二实施例的点列图；

图10是本实用新型光学系统第二实施例的场曲与光学畸变图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	显示单元	212	第二区域
200	第一透镜	220	第二表面
				210	第一表面	300	出瞳
211	第一区域

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虚拟现实设备。

请参照图1与图2，所述光学系统包括显示单元100与第一透镜200，所述第一透镜200包括第一表面210与第二表面220，所述第一表面210包括第一区域211与第二区域212，所述第一区域211设于所述第一表面210的中心位置，所述第二区域212环绕所述第一区域211设置；

所述第一区域211为非球面结构，所述第二区域212为菲涅尔结构；

所述第二表面220为非球面结构。

其中，当所述第一透镜200的所述第一区域211为非球面结构时，能够有效的减小镜片的边缘像差，提高所述光学系统的性能。通过非球面结构，有效地实现多个球面透镜校正像差的效果，有利于实现所述光学系统的小型化。

其中，所述第一透镜200的所述第二区域212为菲涅尔结构时，所述菲涅尔结构包括若干个依次连接的锯齿形同心环，相比于具有连续自由曲面的透镜，所述菲涅尔结构能够有效的减小所述镜头模组的尺寸，使所述光学系统的透镜分布更紧凑，并减小所述光学系统的重量。

本申请提出的技术方案中，所述光学系统包括显示单元100与第一透镜 200，所述第一透镜200包括靠近所述显示单元100的第一表面210以及远离所述显示单元100的第二表面220，所述第一表面210包括第一区域211与第二区域212，所述第一区域211设于所述第一表面210的中心位置，所述第二区域212环绕所述第一表面210设置，其中，所述第一区域211为非球面结构，所述第二区域212为菲涅尔结构，所述菲涅尔结构包括基底及设置在所述基底上的多个锯齿同心环，具体的，通过所述第一区域211的非球面结构，能够有效的减少来自于所述菲涅尔结构在无效面上产生的杂散光，并且通过所述第二区域212的菲涅尔结构，减小所述第一透镜200的重量与体积，从而在保证所述第一透镜200的光学性能的前提下，减小所述第一透镜200的重量与体积，并且减小所述第一透镜200产生的杂散光，从而解决了现有技术中虚拟现实设备的光学系统重量与体积较大或存在较多杂散光，影响成像效果的问题。

在可选的实施方式中，所述第一透镜200满足如下关系：4mm<T<10mm；其中，所述T为所述第一透镜200的中心厚度，具体的，所述第一透镜200 的中心厚度是指所述第一透镜200的中心位置沿光轴方向的厚度，所述第一透镜200的中心厚度越大时，表示所述第一透镜200的体积越大，重量越重。

在可选的实施方式中，所述第一透镜200的折射率范围均大于或等于1.45，并小于或等于1.60；具体的，所述折射率是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。

所述第一透镜200的色散系数均大于或等于50，并小于或等于75。具体的，所述色散系数是衡量镜片成像品质的重要指标，通常用阿贝数表示，色散系数越大，色散越不明显，表示透镜的成像品质越好；色散系数越小，色散越明显，镜片的成像品质就差。

在可选的实施方式中，所述第一透镜200的光焦度大于或等于0，且小于或等于0.03。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，当透镜的光焦度为正值时，表示透镜能够对光线进行聚焦，当透镜的光焦度为负值时，表示透镜能够对光线进行发散。

在可选的实施方式中，所述第一区域211的直径大于或等于所述第一透镜200的直径的三分之一。具体的，当所述第一表面210为菲涅尔结构时，在所述第一区域211产生的杂散光在成像面形成的光斑大于所述第二区域212 产生的杂散光在所述成像面形成的光斑，并且，当杂散光产生的光斑较大时，会对用户的观察造成影响，因此为了降低菲涅尔结构产生的杂散光对用户的影响，将所述第一区域211的曲面结构调整为非球面结构，从而降低杂散光的影响，并且由于所述第一球与为非球面结构，当所述第一区域211的直径越大时，所述第一透镜200的体积越大，重量越重，但是能避免更多的杂散光通过所述第一透镜200，由于所述第二区域212环绕所述第一区域211设置，为了保证第一透镜200在降低所述第一透镜200的体积与重量的同时，能够获得较少的杂散光，设置所述第一区域211的直径大于或等于所述第一透镜 200的直径的1/3，从而保证所述显示单元100发出的光线的中央部分在进入人眼时不受到杂散光的干扰。

在可选的实施方式中，所述第二区域212的所述基底的第二曲率半径与所述第一区域211的所述非球面结构的第一曲率半径相等。当所述基底的第二曲率半径与所述第一区域211的所述非球面结构的第一曲率半径相等时，光线在经过所述第一区域211与所述第二区域212的连接处时，能够保证光线沿不容易受到所述第一区域211与所述第二区域212的连接处的影响，从而使光线能够正常进行传输。但是为了对所述第一区域211与所述第二区域 212的曲率半径进行匹配，会导致所述所述第一区域211的所述非球面结构的曲率半径增大，从而增加所述第一透镜200的中心厚度。

可以理解的是，于另一可选的实施方式中，所述第二区域212的所述基底的第二曲率半径与所述第一区域211的所述非球面结构的第一曲率半径不相等，且所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的差值小于或等于0.01mm。当所述基底的第二曲率半径与所述第一区域211的所述非球面结构的第一曲率半径不相等时，光线在经过所述第一区域211与所述第二区域212的连接处时会出现偏折，从而转变为杂散光，为了减少杂散光的影响，设置所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的差值小于或等于0.01mm，从而避免所述第一区域211与所述第二区域212连接处造成的杂散光影响。

在可选的实施方式中，所述第一透镜200与出瞳300之间的距离大于或等于14mm。具体的，在使用所述光学系统对应的电子设备时，由于用户存在佩戴眼镜的情况，当所述光学系统距离人眼较近时，用户的眼镜会与所述第一透镜200发生干涉，从而影响用户通过所述光学系统进行观察，为了避免上述问题，设置所述第一透镜200与所述出瞳300之间的距离大于或等于 14mm，具体的，当所述光学系统应用于头戴设备时，所述出瞳300为人眼，当所述第一透镜200与所述出瞳300之间的距离大于或等于14mm时，能够避免所述第一透镜200与用户佩戴的眼镜发生干涉，从而方便佩戴眼镜的用户使用所述光学系统对应的头戴设备。

在可选的实施方式中，由于所述第一透镜200为光学塑料材料，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，可以理解的是，所述第一透镜200还可以为光学玻璃材料，光学玻璃相对于光学塑料，具有较好的热稳定性，从而在所述显示单元100工作时，能够保证所述第一透镜200不会受到所述显示单元100工作发热的影响，避免所述第一透镜 200由于发热引起的成像不良的问题。

在可选的实施方式中，所述第二表面220包括至少一个反曲点。具体的，当所述第二表面220的表面结构可以根据所述第一表面210中的所述第一区域 211与所述第二区域212进行调整，当所述第二区域212的光焦度与所述第一区域211的光焦度不连续时，需要对所述第二表面220的光焦度分区域进行调整，从而保证所述显示单元100同一位置发出的光线在经过所述第一表面210的所述第一区域211的光线与所述第二区域212后，再经过所述第二表面220后能够汇聚于出瞳300面的同一位置。

第一实施例

在第一实施例中，光学系统设计数据如下表1所示：

表1

其中，所述第一透镜200的两侧表面均为非球面结构，其中α4、α6、α8、α10 以及α12为非球面透镜的非球面高次项系数，具体如表2所示。

表2

其中，所述第一实施例中，所述第一透镜200的中心厚度为7.6mm；

所述第一透镜200距离人眼的距离为15mm。

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。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。

请参照图4，图4为第一实施例的点列图，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32.76mm。

请参照图5，图5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，最大畸变＜40％。

第二实施例

在第二实施例中，光学系统设计数据如下表3所示：

表3

其中，所述第一透镜200的两侧表面均为非球面结构，其中α4、α6、α8、α10以及α12为非球面透镜的非球面高次项系数，具体如表4所示。

表4

其中，所述第二实施例中，所述第一透镜200的中心厚度为10mm；

所述第一透镜200距离人眼的距离为15mm。

请参照图8，图8为第二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。调制传递函数的纵轴数值越高表示成像分辨率越高。

请参照图9，图9为第二实施例的点列图，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30.81mm。

请参照图10，图10为第二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±5mm，最大畸变＜50％。

本实用新型还提出一种投影装置，所述投影装置包括如上述任一实施方式所述的投影光学系统，该投影光学系统的具体结构参照上述实施例，由于该投影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，所述光学系统包括显示单元与第一透镜，所述第一透镜包括第一表面与第二表面，所述第一表面包括第一区域与第二区域，所述第一区域设于所述第一表面的中心位置，所述第二区域环绕所述第一区域设置；

所述第一区域为非球面结构，所述第二区域为菲涅尔结构，所述菲涅尔结构包括基底及设置在所述基底上的多个锯齿同心环；

所述第二表面为非球面结构。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜满足如下关系：

4mm<T<10mm；

其中，所述T为所述第一透镜的中心厚度。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述第一透镜的折射率范围大于或等于1.45，并小于或等于1.60；

所述第一透镜的色散系数大于或等于50，并小于或等于75。

4.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大于或等于0，且小于或等于0.03。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一区域的直径大于或等于所述第一透镜的直径的三分之一。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二区域的所述基底的第二曲率半径与所述第一区域的所述非球面结构的第一曲率半径相等。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二区域的所述基底的第二曲率半径与所述第一区域的所述非球面结构的第一曲率半径不相等，且所述第一曲率半径与所述第二曲率半径的差值小于或等于0.01mm。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜与出瞳之间的距离大于或等于14mm。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二表面包括至少一个反曲点。

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。

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