CN212723527U - 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，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元、第一透镜以及第二透镜；所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜的第二表面；所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面以及远离所述第一透镜的第四表面；所述第二表面以及所述第四表面为柱面结构；所述光学系统还包括相位延迟片，所述相位延迟片贴附于所述第二表面；所述光学系统还包括偏振反射片，所述偏振反射片贴附于所述第三表面或所述第四表面。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光学元件与光学透镜的组装效果差的问题。

Description

光学系统及虚拟现实设备

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统及虚拟现实设备。

背景技术

虚拟现实技术通过构建虚拟环境，并通过虚拟环境向用户展示信息，目前的虚拟现实设备是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，光学系统由多个透镜组成，并且为了提高光学的传输效率，通常会在透镜的表面设置或贴附其他光学元件，但是由于光学透镜的表面结构复杂，因此在对光学透镜的表面贴附光学元件时，经常会出现光学元件与光学透镜的表面之间出现起泡或是光学元件出现翘曲的问题，从而影响光学透镜与光学元件的组装效果。

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光学元件与光学透镜的组装效果差的问题。

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、第一透镜以及第二透镜；

所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜的第二表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面以及远离所述第一透镜的第四表面；

所述第二表面以及所述第四表面至少一个表面为柱面结构；

所述光学系统还包括相位延迟片，所述相位延迟片贴附于所述第二表面；

所述光学系统还包括偏振反射片，所述偏振反射片贴附于所述第三表面或所述第四表面。

可选的，所述第一透镜、所述相位延迟片、所述偏振反射片以及所述第二透镜两两之间胶合连接。

可选的，所述光学系统还包括分光片，所述分光片设于所述第一透镜与所述显示单元之间。

可选的，所述光学系统还包括偏振片，所述偏振片设于所述第二透镜远离所述显示单元的一侧。

可选的，所述相位延迟片的延迟轴与所述偏振反射片的反射方向呈45度夹角。

可选的，所述第一表面与所述第二表面均为柱面结构，所述第一表面的弯曲方向与所述第二表面的弯曲方向相交。

可选的，所述光学系统还包括第三透镜，所述第三透镜设于所述第二透镜远离所述第一透镜的一侧；

所述第三透镜包括靠近所述第二透镜的第五表面以及远离所述第二透镜的第六表面；

所述第五表面与所述第六表面均为平面或柱面结构。

可选的，所述第三透镜与所述第二透镜胶合连接。

可选的，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜为光学塑料材料。

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壳体以及如上述任一项实施方式所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。

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、第一透镜以及第二透镜；所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜的第二表面；所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面以及远离所述第一透镜的第四表面；所述第二表面以及所述第四表面为柱面结构；所述光学系统还包括相位延迟片，所述相位延迟片贴附于所述第二表面；所述光学系统还包括偏振反射片，所述偏振反射片贴附于所述第三表面或所述第四表面。在对所述第二表面以及所述第四表面贴附光学元件时，由于所述第二表面与所述第四表面为柱面结构，柱面结构只有一个方向上发生形变，相比于贴附球面或非球面，光学元件在贴附柱面时能够避免边缘出现起泡会翘曲的情况，从而避免了光学元件在与光学透镜的表面贴合时出现的缺陷问题，提高了光学元件与光学透镜的组装效果。

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的结构示意图；

图2是本实用新型光学系统另一实施例的光路示意图；

图3是本实用新型光学系统另一实施例的光路示意图；

图4是本实用新型光学系统另一实施例的光路示意图；

图5是本实用新型光学系统第一透镜的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示单元	32	第四表面
20	第一透镜	40	相位延迟片
				21	第一表面	50	偏振反射片
22	第二表面	60	第三透镜
				30	第二透镜	70	偏振片
31	第三表面

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虚拟现实设备。

请参照图1至图5，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元10、第一透镜20以及第二透镜30；

所述第一透镜20包括靠近所述显示单元10的第一表面21以及靠近所述第二透镜30的第二表面22；

所述第二透镜30包括靠近所述第一透镜20的第三表面31以及远离所述第一透镜20的第四表面32；

所述第二表面22以及所述第四表面32至少一个表面为柱面结构；

所述光学系统还包括相位延迟片40，所述相位延迟片40贴附于所述第二表面22；

所述光学系统还包括偏振反射片50，所述偏振反射片50贴附于所述第三表面31或所述第四表面32。

其中，所述柱面结构是指直线沿着一条曲线平行移动所形成的曲面，具体的，当光学透镜的表面为球面或非球面结构时，球面或非球面无法展开为平面结构，从而在对球面或非球面进行贴附其他光学元件的操作时，无法通过一整片光学元件完全的贴附在所述光学透镜的表面，而当所述光学透镜的表面为柱面结构时，由于所述柱面可以展开为平面结构，因此可以通过一整片光学元件完全的贴附在所述光学透镜的表面，从而不必对所述光学元件进行裁剪，并且能够有效的提高将所述光学元件贴附在所述光学透镜的表面的效果。可以理解的是，所述光学系统中光学透镜的表面还可以为平面结构。

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、第一透镜20以及第二透镜30；所述第一透镜20包括靠近所述显示单元 10的第一表面21以及靠近所述第二透镜30的第二表面22；所述第二透镜30 包括靠近所述第一透镜20的第三表面31以及远离所述第一透镜20的第四表面32；所述第二表面22以及所述第四表面32为柱面结构；所述光学系统还包括相位延迟片40，所述相位延迟片40贴附于所述第二表面22；所述光学系统还包括偏振反射片50，所述偏振反射片50贴附于所述第三表面31或所述第四表面32。在对所述第二表面22以及所述第四表面32贴附光学元件时，由于所述第二表面22与所述第四表面32为柱面结构，柱面结构只有一个方向上发生形变，相比于贴附球面或非球面，光学元件在贴附柱面时能够避免边缘出现起泡或翘曲的情况，从而避免了光学元件在与光学透镜的表面贴合时出现的缺陷问题，提高了光学元件与光学透镜的组装效率。

在可选的实施方式中，所述第一透镜20、所述相位延迟片40、所述偏振反射片50以及所述第二透镜30两两之间胶合连接。具体的，当所述偏振反射片50贴附于所述第三表面31时，所述第一透镜20与所述相位延迟片40 胶合连接，所述相位延迟片40还与所述偏振反射片50胶合连接，所述偏振反射片50还与所述第二透镜30胶合连接；于另一实施方式中，当所述偏振反射片50贴附于所述第四表面32时，所述第一透镜20与所述相位延迟片40 胶合连接，所述相位延迟片40还与所述第二透镜30胶合连接，所述第二透镜30还与所述偏振反射片50胶合连接。

其中，胶合连接中使用的胶水为光学胶(Optically Clear Adhesive，OCA)，所述光学胶具有高透光性、高黏着力、高耐候、耐水性、耐高温、抗紫外线的优良品质，并且使用光学胶可以对胶水的厚度进行控制，为胶合连接的两个光学元件或两个光学透镜之间提供均匀的间距，并且长时间使用时也不会产生黄化、剥离及变质的问题。可以理解的是，用于胶合连接的胶水不限于此，胶水还可以为液体光学胶(Liquid Optically ClearAdhesive，LOCA)或紫外光固化胶。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括分光片，所述分光片设于所述第一透镜20与所述显示单元10之间。具体的，为了提高经过所述偏振反射片50反射的光线在所述光学系统中的传输效率，可以在所述显示单元10 与所述第一透镜20之间设置所述分光镜，从而提高经过所述偏振反射经反射的光线在经过所述第一表面21后的反射率。优选实施方式中，分光片还可以为分光膜或分光装置，当所述分光片为分光膜时，所述分光膜可以通过镀膜或贴附的方式设于透镜的工作表面，同理，所述偏振反射膜可以通过镀膜或贴附的方式设于透镜的工作表面，进一步的，所述分光片为半反半透分光片，所述半反半透分光片的透射率与反射率的比例为1:1，可以理解的是，所半反半透分光片的分光比例不限于此，于其他实施方式中，所述半反半透分光片的透射率与反射率的比例还可以为4:6或3:7。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括偏振片70，所述偏振片70设于所述第二透镜30远离所述显示单元10的一侧。所述偏振片70的偏振方向与所述偏振反射片50的透射方向相同，具体实施方式中，经过所述偏振反射片50的光线为线偏振光，由于经过所述偏振反射片的光线可能存在与偏振反射片50的透射方向不同的杂散光线，为了避免所述杂散光线对所述光学测量系统造成影响，在所述光源的出光方向设置所述偏振片70，通过所述偏振片 70对所述光源发出的光线进行滤光，只让与所述偏振片70的偏振方向相同的光线通过所述偏振片70，从而提高光线的偏振度。

在可选的实施方式中，所述相位延迟片40的延迟轴与所述偏振反射片50 的反射方向呈45度夹角。具体的，在所述光学系统成像过程中，所述显示单元10发出的椭圆偏振光或圆偏振光在经过所述相位延迟片40时，为了保证椭圆偏振光或圆偏振光在经过所述相位延迟片40后，光线能够被所述偏振反射片50反射，所述相位延迟片40的延迟轴与所述偏振反射片50的反射方向呈45度夹角，从而使第一次经过所述相位延迟片40的光线能够被所述偏振反射片50反射，并且能够使经过所述第一表面21或所述分光器反射的光线再次经过所述相位延迟片40时，再次经过所述相位延迟片40的光线的偏振方向与所述偏振反射片50的透射方向相同，从而使再次经过所述相位延迟片 40的光线透过所述偏振反射片50。

在可选的实施方式中，所述第一表面21与所述第二表面22均为柱面结构，所述第一表面21的弯曲方向与所述第二表面22的弯曲方向相交。具体的，当所述第一表面21与所述第二表面22均为柱面结构时，通过设置所述第一表面21的弧面弯曲方向与所述第二表面22的弧面弯曲方向不同，相比于所述第一表面21与所述第二表面22的弧面弯曲方向相同，能够使所述第一透镜20能够通过所述第一表面21与所述第二表面22提供更多的参数变化，从而有利于所述第一透镜20对所述光学系统的像差进行校正，提高所述光学系统的成像质量。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括第三透镜60，所述第三透镜 60设于所述第二透镜30远离所述第一透镜20的一侧，所述第三透镜60包括靠近所述第二透镜30的第五表面以及远离所述第二透镜30的第六表面；所述第五表面与所述第六表面均为平面或柱面结构。其中，为了进一步降低所述光学系统的误差，可以在所述光学系统中设置所述第三透镜60，并且为了降低所述第三透镜60与所述光学系统中其他光学元件的组装难度，将所述第三透镜60的出光面和/或入光面设置为平面或柱面结构。

优选实施方式中，所述第三透镜60设于所述第二透镜30远离所述显示单元10的一侧，所述第三透镜60可以与所述第二透镜30间隔设置或与所述第二透镜30胶合连接。当所述第三透镜60与所述第二透镜30胶合连接时，为了提高所述第三透镜60与所述第二透镜30的胶合连接的性能，避免所述第三透镜60与所述第二透镜30之间由于胶水过多导致的光学性能下降或机械性能缺陷问题，设置所述第三透镜60的曲率半径与所述第二透镜30的曲率半径相近或相等。具体的，胶合连接中使用的胶水为光学胶(Optically Clear Adhesive，OCA)，可以理解的是，用于胶合连接的胶水不限于此，胶水还可以为液体光学胶(LiquidOptically Clear Adhesive，LOCA)或紫外光固化胶。

在可选的实施方式中，所述第一透镜20、所述第二透镜30以及所述第三透镜60为光学塑料材料。其中，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。而当所述第一透镜20至所述第三透镜 60为光学玻璃时，光学玻璃相对于光学塑料，具有较好的热稳定性，由于所述光学系统中的多个透镜与所述显示单元10的距离较近，所述显示单元10 在工作过程中会散发热量，当所述光学系统中的透镜为光学塑料时，所述光学塑料会受到所述显示单元10产生的热量影响，从而导致所述光学系统出现跑焦问题，当所述光学系统中的透镜为光学玻璃时，由于所述光学玻璃具有较好的热稳定性，因此不容易受到所述显示单元10的发热影响，因此能够提高所述光学系统的工作稳定性。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设于所述显示单元10与所述分光片之间，具体的，当所述显示单元10 发出的光线为线偏振光时，为了保证光线能够在所述偏振反射片50发生反射，在所述显示单元10的出光方向设置所述四分之一波片，从而使所述显示单元 10发出的线偏振光经过所述四分之一波片后变为椭圆偏振光或圆偏振光，从而能够使光线在经过所述相位延迟片40后转变为线偏振光，使该线偏振光被所述反射式偏振片反射。优选实施方式中，所述四分之一波片的中心波长与所述显示单元10的出射光线的波长相同。

在可选的实施方式中，所述光学系统的总长小于25mm，半像高范围为 12.5mm～17.8mm。在一具体实施方式中，所述光学系统沿光线传输方向依次包括所述第一透镜20、相位延迟片40与偏振反射片50以及所述第二透镜30，所述第一透镜20的第一表面21的弧面弯曲方向与所述第一透镜20的第二表面 22的弧面弯曲方向相互垂直，所述光学系统的出瞳距离为13mm，视场角为 85°，所述光学系统的总长为23mm，半像高为15.8mm。

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壳体以及如上述任一实施方式所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内，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，所述光学系统沿光轴方向依次包括显示单元、第一透镜以及第二透镜；

所述第一透镜包括靠近所述显示单元的第一表面以及靠近所述第二透镜的第二表面；

所述第二透镜包括靠近所述第一透镜的第三表面以及远离所述第一透镜的第四表面；

所述第二表面以及所述第四表面至少一个表面为柱面结构；

所述光学系统还包括相位延迟片，所述相位延迟片贴附于所述第二表面；

所述光学系统还包括偏振反射片，所述偏振反射片贴附于所述第三表面或所述第四表面。

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、所述相位延迟片、所述偏振反射片以及所述第二透镜两两之间胶合连接。

3.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分光片，所述分光片设于所述第一透镜与所述显示单元之间。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括偏振片，所述偏振片设于所述第二透镜远离所述显示单元的一侧。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述相位延迟片的延迟轴与所述偏振反射片的反射方向呈45度夹角。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一表面与所述第二表面均为柱面结构，所述第一表面的弯曲方向与所述第二表面的弯曲方向相交。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括第三透镜，所述第三透镜设于所述第二透镜远离所述第一透镜的一侧；

所述第三透镜包括靠近所述第二透镜的第五表面以及远离所述第二透镜的第六表面；

所述第五表面与所述第六表面均为平面或柱面结构。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜与所述第二透镜胶合连接。

9.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜为光学塑料材料。

10.一种虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备包括壳体以及如权利要求1-9任一项所述的光学系统，所述光学系统收容于所述壳体内。

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