CN213690114U

CN213690114U - 光学系统及增强现实设备

Info

Publication number: CN213690114U
Application number: CN202022556219.3U
Authority: CN
Inventors: 聂红星; 赵望妮; 刘永华
Original assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2030-11-06

Abstract

本实用新型公开一种光学系统及增强现实设备，所述光学系统沿光线传输方向包括所述显示单元、第六透镜、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜。本实用新型提供一种光学系统及增强现实设备，采用玻璃和塑胶镜片混合设计，可实现大视场角AR投影。

Description

光学系统及增强现实设备

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增强现实设备。

背景技术

可穿戴设备是光电成像领域的新型发展方向，其中增强现实设备作为可穿戴设备中的增强现实设备正在逐渐向轻量化，小型化的方向发展。

现有的增强现实设备的视场角通常为25-50度之间，并且均采用塑料非球面镜片，光学塑料镜片具有容易加工，质量轻以及加工成本低的有点，光学塑料镜片的折射率较低，随着视场角的增大，镜片的像差较难被矫正，从而影响增强现实设备中光学系统的成像质量。

上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

实用新型内容

本实用新型提供一种光学系统及增强现实设备，旨在解决解决现有技术中增强现实设备的光学系统使用光学塑料镜片，导致光学系统在大视场角时像差较大的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向包括所述显示单元、第六透镜、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜，

所述第一透镜、第三透镜、第四透镜和第六透镜具有正光焦度；所述第二透镜与所述第五透镜具有负光焦度；

所述第一透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜为光学玻璃材质；

所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第六透镜为光学塑料材质。

可选的，所述第六透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第五透镜的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；

所述第四透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；

所述第三透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第二透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第一透镜的入光面为平面结构，出光面为凸面结构。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

0.3≤f1/f3≤1；-1.5≤f2/f4≤-0.5；-1.2≤f3/f5≤-0.5；

其中，所述f1为第一透镜的焦距，所述f2为第二透镜的焦距，所述f3为第三透镜的焦距，所述f4为第四透镜的焦距，所述f5为第五透镜的焦距。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

1≤f1/f≤2.5，-1.5≤f2/f≤-0.8，1.8≤f3/f≤3.5，0.8≤f4/f≤1.5，-5≤f5/f≤-3，0.4≤f6/f≤1.5；

其中，所述f1为第一透镜的焦距，所述f2为第二透镜的焦距，所述f3为第三透镜的焦距，所述f4为第四透镜的焦距，所述f5为第五透镜的焦距，所述f6为第六透镜的焦距，所述f为所述光学系统的焦距。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

0.2≤T1/T6≤1.5，0.1≤T2/T4≤1，0.2≤T2/T3≤1，0.045≤T3/TTL≤0.15；

其中，所述T1为所述第一透镜的中心厚度，所述T2为所述第二透镜的中心厚度，所述T3为所述第三透镜的中心厚度，所述T4为所述第四透镜的中心厚度，所述T5为所述第五透镜的中心厚度，所述T6为所述第六透镜的中心厚度，所述TTL为所述光学系统的总长。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

1<D12<2，0.08<D23<0.2，0.07<D34<1，0.05<D56<1；

其中，所述D12为所述第一透镜和所述第二透镜的间隔距离，所述D23为所述第二透镜和第三透镜所述的间隔距离，所述D34为所述第三透镜和所述第四透镜的间隔距离，所述D56为所述第五透镜和所述第六透镜的间隔距离。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

1≤(|R1|+|R2|)/(|R1|-|R2|)≤3；

其中，所述R1为第一透镜的曲率半径，所述|R1|为所述R1的绝对值，所述R2为第二透镜的曲率半径，所述|R2|为所述R2的绝对值。

可选的，所述光学系统满足以下关系：

Nd1≥1.8，Nd2≥1.53，Nd3≥1.53，Nd4≥1.5，Nd5≥1.8，Nd6≥1.5；

其中，所述Nd1为所述第一透镜的折射率，所述Nd2为所述第二透镜的折射率，所述Nd3为所述第三透镜的折射率，所述Nd4为所述第四透镜的折射率，所述Nd5为所述第五透镜的折射率，所述Nd6为所述第六透镜的折射率。

可选的，所述光学系统还包括转向棱镜，所述转向棱镜设于所述第一透镜的出光侧。

为实现上述目的，本申请提出一种增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备包括壳体与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。

本申请提出一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向包括所述显示单元、第六透镜、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜，所述第一透镜具有正光焦度；所述第二透镜具有负光焦度；所述第三透镜具有正光焦度；所述第四透镜具有正光焦度；所述第五透镜具有负光焦度；所述第六透镜具有正光焦度。所述显示单元发出的光线依次经过所述第六透镜、所述第五透镜、所述第四透镜、所述第三透镜、所述第二透镜以及所述第一透镜后传输至成像面，由于所述第一透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜设置为光学玻璃材料，因此能够对所述光学系统的像差进行校正，从而降低所述光学系统的像差，解决了现有技术中增强现实设备的光学系统使用光学塑料镜片，导致光学系统在大视场角时像差较大的问题。

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的结构示意图；

图2为本实用新型光学系统的第一实施例的调制传递函数图；

图3为本实用新型光学系统的第一实施例的轴向球差图；

图4为本实用新型光学系统的第一实施例的垂轴色差图；

图5为本实用新型光学系统的第一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
				10	显示单元	70	第六透镜
20	第一透镜	80	转向棱镜
				30	第二透镜	90	PBS棱镜
40	第三透镜	100	保护玻璃
				50	第四透镜
60	第五透镜

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投影设备。

请参照图1，所述光学系统沿光线传输方向包括所述显示单元10、第六透镜70、第五透镜60、第四透镜50、第三透镜40、第二透镜30、第一透镜20，

所述第一透镜20具有正光焦度；所述第二透镜30具有负光焦度；

所述第三透镜40具有正光焦度；所述第四透镜50具有正光焦度；

所述第五透镜60具有负光焦度；所述第六透镜70具有正光焦度。

其中，光焦度为像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，用于表示光学系统对入射平行光束的屈折能力。当正光焦度越大时，表示透镜对光线的聚焦能力越强，当负光焦度的绝对值越大时，表示透镜对光线的发散能力越强。

本申请提出一种光学系统，所述光学系统沿光线传输方向包括所述显示单元10、第六透镜70、第五透镜60、第四透镜50、第三透镜40、第二透镜30、第一透镜20，所述第一透镜20具有正光焦度；所述第二透镜30具有负光焦度；所述第三透镜40具有正光焦度；所述第四透镜50具有正光焦度；所述第五透镜60具有负光焦度；所述第六透镜70具有正光焦度。所述显示单元10发出的光线依次经过所述第六透镜70、所述第五透镜60、所述第四透镜50、所述第三透镜40、所述第二透镜30以及所述第一透镜20后传输至成像面，由于所述第一透镜20、所述第四透镜50以及所述第五透镜60设置为光学玻璃材料，因此能够对所述光学系统的像差进行校正，从而降低所述光学系统的像差，解决了现有技术中增强现实设备的光学系统使用光学塑料镜片，导致光学系统在大视场角时像差较大的问题。

在可选的实施方式中，所述第六透镜70的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第五透镜60的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；

所述第四透镜50的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；

所述第三透镜40的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第二透镜30的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第一透镜20的入光面为平面结构，出光面为凸面结构。

其中，所述凸面结构与所述凹面结构均包括但不限于球面结构、非球面结构、菲涅尔结构以及自由曲面结构中的一种。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

0.3≤f1/f3≤1，-1.5≤f2/f4≤-0.5，-1.2≤f3/f5≤-0.5，

其中，所述f1为第一透镜20的焦距，所述f2为第二透镜30的焦距，所述f3为第三透镜40的焦距，所述f4为第四透镜50的焦距，所述f5为第五透镜60的焦距。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

其中，所述f1为第一透镜20的焦距，所述f2为第二透镜30的焦距，所述f3为第三透镜40的焦距，所述f4为第四透镜50的焦距，所述f5为第五透镜60的焦距，所述f6为第六透镜70的焦距，所述f为所述光学系统的焦距。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

其中，所述T1为所述第一透镜20的中心厚度，所述T2为所述第二透镜30的中心厚度，

所述T3为所述第三透镜40的中心厚度，所述T4为所述第四透镜50的中心厚度，所述T5为所述第五透镜60的中心厚度，所述T6为所述第六透镜70的中心厚度，所述TTL为所述光学系统的总长。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

1<D12<2，0.08<D23<0.2，0.07<D34<1，0.05<D56<1；

其中，所述D12为所述第一透镜20和所述第二透镜30的间隔距离，所述D23为所述第二透镜30和第三透镜40所述的间隔距离，所述D34为所述第三透镜40和所述第四透镜50的间隔距离，所述D56为所述第五透镜60和所述第六透镜70的间隔距离。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

1≤(|R1|+|R2|)/(|R1|-|R2|)≤3；

其中，所述R1为第一透镜20的曲率半径，所述|R1|为所述R1的绝对值，所述R2为第二透镜30的曲率半径，所述|R2|为所述R2的绝对值。

在可选的实施方式中，所述光学系统满足以下关系：

Nd1≥1.8，Nd2≥1.53，Nd3≥1.53，Nd4≥1.5，Nd5≥1.8，Nd6≥1.5；

其中，所述Nd1为所述第一透镜20的折射率，所述Nd2为所述第二透镜30的折射率，所述Nd3为所述第三透镜40的折射率，所述Nd4为所述第四透镜50的折射率，所述Nd5为所述第五透镜60的折射率，所述Nd6为所述第六透镜70的折射率。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括转向棱镜80，所述转向棱镜80设于所述第一透镜20的出光侧。优选的，所述转向棱镜80为直角三角棱镜。

在可选的实施方式中，所述光学系统还包括PBS棱镜90，所述PBS棱镜90设于所述显示单元10与所述第六透镜70之间。所述PBS棱镜90用于将照明光路的光线传输至所述显示单元10，以使所述显示单元10接收照明光线并反射出显示光线。

在可选的实施方式中，所述投影光学系统还包括保护玻璃100，其中，所述保护玻璃100设于所述显示单元10与所述分光棱镜之间，用于保护所述显示单元10受到外界环境或其他元件的冲击影响。

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，所述第一表面21非球面结构，其中A4，A6，A8，A10，A12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，A2、A4、A6、A8、A10以及A12用于表示非球面的偶次圆锥系数。

其中，所述第二表面22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；ai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。

所述第一实施例中，各参数如下所述：

所述光学系统的焦距f为11.6mm；

所述光学系统的F数为3；

所述第转向透镜的折射率为1.60，色散系数为64；

所述第一透镜20的折射率为1.54，色散系数为55.7；

所述第二透镜30的折射率为1.80，色散系数为35；

所述第三透镜40的折射率为1.55，色散系数为70；

所述第四透镜50的折射率为1.54，色散系数为55.7；

所述第五透镜60的折射率为1.54，色散系数为55.7；

所述第六透镜70的折射率为1.82，色散系数为40。

在一具体实施例中，所述光学系统的总长TTL＝31mm，相对于类似架构的增强现实模组在体积有大幅度的缩减。

请参照图2，图2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。在第一实施例中，所述光学系统在各个视场的MTF值均在0.4以上。

请参照图3，图3为第一实施例的轴向球差图，其中，具体的，轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，用于评价轴上物点的成像质量。

请参照图4，图4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3μm，配合后期的软件校正，可满足用户的需求。

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±0.10mm，最大畸变＜20％。

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，所述光学系统沿光线传输方向包括显示单元、第六透镜、第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜、第一透镜，

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述第六透镜的入光面为凹面结构，出光面为凸面结构；

所述第五透镜的入光面为凹面结构，出光面为凹面结构；

所述第四透镜的入光面为凸面结构，出光面为凸面结构；

所述第三透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第二透镜的入光面为凸面结构，出光面为凹面结构；

所述第一透镜的入光面为平面结构，出光面为凸面结构。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

0.3≤f1/f3≤1；-1.5≤f2/f4≤-0.5；-1.2≤f3/f5≤-0.5；

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

1<D12<2，0.08<D23<0.2，0.07<D34<1，0.05<D56<1；

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

1≤(|R1|+|R2|)/(|R1|-|R2|)≤3；

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统满足以下关系：

Nd1≥1.8，Nd2≥1.53，Nd3≥1.53，Nd4≥1.5，Nd5≥1.8，Nd6≥1.5；

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转向棱镜，所述转向棱镜设于所述第一透镜的出光侧。

10.一种增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备包括壳体与如权利要求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。