CN218938668U - 一种近眼光学成像系统及虚拟现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种近眼光学成像系统及虚拟现实显示设备，构成近眼光学成像系统的光学成像模组包括显示单元和透镜组，透镜组包括至少五个透镜，往远离显示单元的方向依次设置第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜和第一透镜，在第一透镜朝向显示单元的一侧面上依次设置偏振吸收膜、偏振反射膜、四分之一波片。本实用新型通过设置具有至少五个沿光路依次设置的透镜组，利用光的偏振性，实现透镜组的光路折叠结构，在减小光学成像模组的体积，减小VR设备的体积的同时，保证VR设备具有较大的视场角，且提升了VR设备的成像品质，如提高成像清晰度，降低色差等。

Description

一种近眼光学成像系统及虚拟现实显示设备

技术领域

本实用新型属于近眼光学成像系统技术领域，具体涉及一种近眼光学成像系统及虚拟现实显示设备。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)显示技术，是近年发展起来的一项全新的光学显示技术，在教育、医疗、军事、消费等领域有着对虚拟现实(VR)设备的巨大需求。其基本实现方式是计算机通过模拟虚拟环境从而给人以视觉、听觉、触觉等方面的沉浸感。VR显示设备，通常内置显示屏幕，通过近眼光学成像系统将显示内容成像给用户，形成VR图像。其成像质量、体积、视场角等因素直接影响近眼显示设备的用户体验性。

光学成像模组是VR设备中的重要组成部分，对VR设备的视场角及成像效果起决定性作用，同时，光学成像模组的尺寸大小，也决定VR设备的体积大小。现有的VR设备中，光学成像模组多为菲涅尔镜片式或多透镜折射式，模组的体积较大，导致整机体积大，并且，菲涅尔镜片式模组的色差较严重，两片或三片透镜折射式模组的清晰度较差且色差也比较严重。透镜数量增多会引入额外组装公差。

现有技术中，虚拟现实显示设备多采用菲涅尔透镜或多透镜折反光路结构，整体体积大，且清晰度和色差难以保证，用户体验感差。因此，需要一种能够满足用户高体验感，具有轻薄化、高清晰度、低色差、大视场角的近眼光学成像系统。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题：提供一种光学成像系统体积小、重量轻，在保证虚拟现实设备轻薄化需求的同时，实现高清晰度、低色差、大视场角等的近眼光学成像系统及虚拟现实显示设备。

技术方案：为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种近眼光学成像系统，构成近眼光学成像系统的光学成像模组包括显示单元和透镜组，透镜组包括至少五个透镜，往远离显示单元的方向依次设置第五透镜、第四透镜、第三透镜、第二透镜和第一透镜，在第一透镜朝向显示单元的一侧面上依次设置偏振吸收膜、偏振反射膜、四分之一波片。

作为优选，在所述第三透镜或者第五透镜的朝向显示单元的一侧表面镀有分光膜；分光膜的分光效率满足以下条件：

0.1≤|R_f/Rt|≤1

其中，R_f为分光膜的反射率，Rt为分光膜的透射率。

作为优选，所述第三透镜、第二透镜连接，第五透镜、第四透镜胶合连连接；光学成像模组的总厚度小于24.6mm。

作为优选，所述第一透镜的两个工作面靠近人眼侧为凸面，另一个为平面；第二透镜的两个工作面为凸面；第三透镜的两个工作面为凹面；第四透镜的两个工作面为凸面；第五透镜的两个工作面近人眼侧为凹面，另一个为凸面。

作为优选，所述第一透镜具有正光焦度，第二透镜具有正光焦度，第三透镜具有负光焦度，第四透镜具有正光焦度，第五透镜具有正光焦度，使光学成像模组的单目视场角超过90°。

作为优选，所述显示单元包括显示器，所述显示器为由于OLED显示器，或者所述显示器为出光侧设置相位延迟片的LCD显示器。

作为优选，近眼光学成像系统各透镜的折射率满足以下条件：

Nd2＜1.6＜Nd3，Nd4＜1.6＜Nd5；

其中，Nd2为第二透镜折射率，Nd3为第三透镜折射率，Nd4为第四透镜折射率，Nd5为第五透镜折射率。

作为优选，近眼光学成像系统中各透镜的色散系数V_m满足以下条件式：第一透镜，第二透镜，第四透镜的色散系数V_m满足20＜V_m＜40；近眼光学成像系统满足以下条件式：第三透镜，第五透镜的色散系数V_m满足40＜V_m＜60。

作为优选，近眼光学成像系统的总有效焦距f与近眼光学成像系统的入瞳直径EPD满足以下条件式：f/EPD＞2。

近眼光学成像系统的焦距满足以下条件式：

0.1＜|f/f2|+|f/f3|＜0.8

其中，f为近眼光学成像系统总有效焦距，f2为第二透镜有效焦距，f3为第三透镜有效焦距。

一种虚拟现实显示设备采用了上述近眼光学成像系统。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本申请提供的近眼光学成像系统，通过在显示单元出光侧设置透镜组，透镜组包括从人眼侧至显示单元方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜、第四透镜和第五透镜，通过在第三透镜或第五透镜近屏侧设置分光膜，在第一透镜近显示单元侧依次设置偏振吸收膜、偏振反射膜、1/4波片，利用光的偏振性，实现光路折叠结构，减小近眼光学成像系统的系统总长。减小光学成像模组的体积，进而，减小虚拟现实设备的体积。光学成像模组的总厚度可以控制在24.6mm以内，为传统的菲涅尔式VR设备的光学模组的厚度的三分之一左右。通过第二三透镜胶合，第四五透镜胶合的结构方式，减少VR设备整机装配的组装公差。

(2)通过透镜组五个透镜的光焦度以正、正、负、正、正方式进行组合，可以增大光学成像模组的视场角，光学成像模组100的单目视场角超过90°，可以充分提升用户使用VR设备时的沉浸感。且通过不同范围色散系数及不同折射率的组合，实现了大视场角、高清晰度、低色差、低场曲、低像散等光学指标。

(3)通过合理选择各透镜的材料(此处主要涉及材料的折射率和阿贝数)和光焦度，还可以减小光学成像模组的色差，避免引入严重的杂散光，提高色彩的准确度，提升成像品质，为用户提供清晰、良好、真实的色彩体验。并且，通过设计优化透镜组的面型、透镜的厚度、相邻透镜之间的间隙等，可以提升眼动范围、改善畸变、相差等问题。

附图说明

图1是近眼光学成像系统结构示意图。

图2是近眼光学成像系统的成像光路图。

图3是近眼光学成像系统的MTF曲线图。

图4是近眼光学成像系统的场曲曲线图。

图5是近眼光学成像系统的畸变曲线图。

图6是近眼光学成像系统的色差曲线图。

图7是近眼成像系统产品二的结构示意图。

图8是近眼成像系统产品二的成像光路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本实用新型，实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

图1所示为近眼光学成像系统的结构示意图，图2为图1中近眼光学成像系统的成像光路图。

本实施例的近眼光学成像系统包括光学成像模组100，光学成像模组100包括显示单元110和透镜组120，透镜组120设置在显示单元110的出光侧，显示单元110发出的光线入射至透镜组120，沿光路在透镜组120中传播，并最终从透镜组120的远离显示单元110的一侧射出，进入人眼，形成放大的虚像效果。

显示单元110可以包括显示器111，显示器111可以为有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，简称OLED)显示器或液晶显示器(Liquid CrystalDisplay，简称LCD)。

其中，对于OLED显示器来说，由于OLED显示器为自发光，其本身不需要相位延迟片112，发出的光线可以直接进入透镜组120，显示单元110可以仅包括显示器111。参照图1所示，对于LCD显示器来说，其发出的光线为线偏振光，需要在显示器111的出光侧设置相位延迟片112和偏振吸收膜，通过相位延迟片112将显示器111发出的线偏振光转换成圆偏振光，转换后的圆偏振光进入透镜组120；也就是说，显示器111为LCD显示器时，显示单元110可以包括显示器111和贴设在显示器111的出光侧的相位延迟片112。本实施例的显示器111采用LCD显示器，显示单元110包括显示器111和贴设在显示器111的出光侧的相位延迟片112为例，进行说明。

透镜组120包括沿远离显示单元110的方向依次设置的多个透镜，即，该多个透镜在显示单元110的出光方向上依次间隔设置，显示单元110发出的光线入射至透镜组120，在透镜组120的各透镜之间传播并形成出光光路，光线最终从透镜组120的远离显示单元110的一侧射出，进入人眼。

透镜组120中布置的透镜至少为五个，各透镜在显示单元110的出光方向上依次间隔设置。参照图1所示，以透镜组120包括五个透镜，五个透镜分别为第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124和第五透镜125，第五透镜125、第四透镜124、第三透镜123、第二透镜122和第一透镜121沿远离显示器111的方向依次间隔设置。

其中，靠近显示单元110的第三透镜或者第五透镜125的朝向显示器111的一侧表面镀有分光膜(图中未示出)，分光膜用于透过部分光线，同时反射部分光线，以半透半反膜的透反比为4:6为例，半透半反膜可透过50％的光线，并反射50％的光线。分光膜的分光效率满足以下条件：

0.1≤|Rf/Rt|≤1

其中，Rf为分光膜的反射率，Rt为分光膜的透射率；通过对分光膜分光效率的合理分配实现光学成像系统能量利用率的不同要求。

第一透镜朝向显示单元的一侧表面为平面，从第一透镜朝向显示单元的一侧的依次，在远离显示器111(靠近人眼)的第一透镜121朝向第二透镜122的一侧表面上依次贴设有偏振吸收膜126、偏振分光膜127和四分之一波片128。偏振吸收膜126可以将进入人眼的偏振光进行偏振度调制，消除部分杂散光。偏振分光膜127可以将自然光中具有不同偏振状态的光反射或者透射，以实现偏振分光。四分之一波片128为相位延迟器件，可以通过合理的角度设置，将线偏振光转变为圆偏振光，也可将圆偏振光转变为线偏振光，实现光偏振状态调制；其中，四分之一波片128具有快轴，其快轴与其透射轴之间存在45°的夹角。

另外，为了减弱光学成像模组100的色差，本实施例中，沿远离显示器111的方向依次设置的五个透镜中，第一透镜121具有正光焦度，第二透镜122具有正光焦度，第三透镜123具有负光焦度，第四透镜124具有正光焦度，第五透镜125具有正光焦度，其中第二透镜122和第三透镜123胶合，第四透镜124和第五透镜125胶合。通过胶合方式减少近眼光学成像系统透镜组与结构件的组装公差。

第一透镜121的两个工作面靠近人眼侧为凸面，另一个为平面；第二透镜122的两个工作面为凸面；第三透镜123的两个工作面为凹面；第四透镜124的两个工作面为凸面；第五透镜125的两个工作面近人眼侧为凹面，另一个为凸面。

近眼光学成像系统各透镜的折射率满足以下条件式：

Nd2＜1.6＜Nd3，Nd4＜1.6＜Nd5；

其中，Nd2为第二透镜折射率，Nd3为第三透镜折射率，Nd4为第四透镜折射率，Nd5为第五透镜折射率；通过折射率的合理设置，可提高近眼光学成像系统的成像清晰度，并降低色差。

通过色散系数的合理设置，可降低近眼光学成像系统的色差，本实施例中，近眼光学成像系统中各透镜的色散系数V_m满足以下条件式：第一透镜，第二透镜，第四透镜的色散系数V_m满足20＜V_m＜40；近眼光学成像系统满足以下条件式：第三透镜，第五透镜的色散系数V_m满足40＜V_m＜60。

本实施例中近眼光学成像系统的总有效焦距f与近眼光学成像系统的入瞳直径EPD满足以下条件式：f/EPD＞2。

近眼光学成像系统的焦距满足以下条件式：

0.1＜|f/f2|+|f/f3|＜0.8

其中，f为近眼光学成像系统总有效焦距，f2为第二透镜有效焦距，f3为第三透镜有效焦距。本实施例中通过焦距的合理分配，可以有效降低近眼光学成像系统100的光学敏感度，提升近眼光学成像系统100的成像效果，减小透镜组120的厚度，满足AR设备轻薄化的需求。

如图2所示，本实施例的光学成像模组100的光路传播如下：

显示器111发出携带图像信息的光线，光线为线偏振光，其偏振态为p态，光线的偏振矢量平行于基准面；其中，基准面为入射光线与反射光线形成的平面。p态的线偏振光经过相位延迟片112后，转换为圆偏振光，圆偏振光经过第五透镜125的近屏侧面镀的分光膜后，50％的光线被反射，不再进入成像光路，50％的光线透过分光膜，并依次经过第四透镜124、第三透镜123和第二透镜122。

光线从第二透镜122射出后，经过第一透镜121的近屏侧面贴设的四分之一波片128，圆偏振光转换为线偏振光，此时，线偏振光的偏振方向相对于最初的基准方向已经旋转了90°，线偏振光的偏振态转变为s态，光线的偏振矢量垂直于基准面。然后，s态的线偏振光经过偏振分光膜127后被反射，实现成像光路的第一次折叠。其中，偏振分光膜127可以反射垂直于基准面的s态线偏振光，透过平行于基准面的p态线偏振光。

被反射后的s态线偏振光再次经过四分之一波片128，线偏振光转变为圆偏振光，圆偏振光依次经过第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124和第五透镜125的近眼侧面，再次到达第五透镜125的近屏侧面后，由于第四透镜125的近屏侧面镀有分光膜，50％的光线会透过分光膜，不再进入成像光路，50％的光线被反射后，继续经过第五透镜125、第四透镜124、第三透镜123和第二透镜122。

当光线再次经过第一透镜121的近屏侧面贴设的四分之一波片128后，圆偏振光转换为线偏振光，此时，光线的偏振态为p态，光线的偏振矢量平行于基准面。p态的线偏振光可透过偏振分光膜127，然后，在经过偏振吸收膜126继续透过第一透镜121，进入人眼。

显示器111的显示区域内阵列排布有多个像素，每个像素发出的光线束，经过上述光路后，各自光束的虚像的交点位置在人眼前一定距离的位置形成一幅虚像，从而实现虚拟现实的光学效果。

本实用新型的光学成像模组通过设置具有至少五个沿光路依次设置的透镜组，利用光的偏振性，实现透镜组的光路折叠结构，在减小光学成像模组的体积，减小VR设备的体积的同时，保证VR设备具有较大的视场角，且提升了VR设备的成像品质，如提高成像清晰度，降低色差等。

本实用新型还公开一种虚拟现实显示设备采用了上述近眼光学成像系统。

采用本实用新型的结构和条件设计两款参数不同的近眼光学成像系统产品，近眼成像系统产品一的设计参数如表1所示，产品一的结构图如图1所示，产品一成像光路图如图2所示，产品一近眼光学成像系统的MTF曲线图如图3所示，产品一近眼光学成像系统的场曲曲线图如图4所示，产品一近眼光学成像系统的畸变曲线图如图5所示，产品一近眼光学成像系统的色差曲线图如图6所示。

表1近眼成像系统产品一的设计参数

近眼成像系统产品二的设计参数如表2所示，产品二的结构图如图7所示，产品二成像光路图如图2所示。

表2近眼成像系统产品二的设计参数

面号	表面类型	曲率半径(mm）	厚度(mm)	折射率、阿贝数	CONIC
						人眼	球面	无穷	12
第一透镜近眼侧	非球面	300	2.5	1.54，56	0
						第一透镜近屏侧	非球面	无穷	1.5		0
第二透镜近眼侧	非球面	125.052	4.3	1.54，56	-442.687
						第二透镜近屏侧	非球面	-116.306	3		0
第三透镜近眼侧	非球面	-116.306	0	1.64，23.5	0
						第三透镜近屏侧	非球面	-113.018	3		1.308
第四透镜近眼侧	非球面	208.061	6	1.54，56	0
						第四透镜近屏侧	非球面	-100	4		22.556
第五透镜近眼侧	非球面	-100	0	1.64，23.5	22.556
						第五透镜近屏侧	非球面	-113.018	4		-1.808

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种近眼光学成像系统，其特征在于：构成近眼光学成像系统的光学成像模组（100）包括显示单元（110）和透镜组（120），透镜组（120）包括至少五个透镜，往远离显示单元（110）的方向依次设置第五透镜（125）、第四透镜（124）、第三透镜（123）、第二透镜（122）和第一透镜（121），在第一透镜（121）朝向显示单元（110）的一侧面上依次设置偏振吸收膜（126）、偏振反射膜（127）、四分之一波片（128）。

2.根据权利要求1所述的近眼光学成像系统，其特征在于：在所述第三透镜或者第五透镜（125）的朝向显示单元（110）的一侧表面镀有分光膜；分光膜的分光效率满足以下条件：

0.1≤|R_f/Rt|≤1

其中，R_f为分光膜的反射率，Rt为分光膜的透射率。

3.根据权利要求1所述的近眼光学成像系统，其特征在于：所述第三透镜（123）、第二透镜（122）连接，第五透镜（125）、第四透镜（124）胶合连连接；光学成像模组（100）的总厚度小于24.6mm。

4.根据权利要求2所述的近眼光学成像系统，其特征在于：所述第一透镜（121）的两个工作面靠近人眼侧为凸面，另一个为平面；第二透镜（122）的两个工作面为凸面；第三透镜（123）的两个工作面为凹面；第四透镜（124）的两个工作面为凸面；第五透镜（125）的两个工作面近人眼侧为凹面，另一个为凸面。

5.根据权利要求1所述的近眼光学成像系统，其特征在于：所述第一透镜（121）具有正光焦度，第二透镜（122）具有正光焦度，第三透镜（123）具有负光焦度，第四透镜（124）具有正光焦度，第五透镜（125）具有正光焦度，使光学成像模组（100）的单目视场角超过90°。

6.根据权利要求1所述的近眼光学成像系统，其特征在于：所述显示单元（110）包括显示器（111），所述显示器（111）为由于OLED显示器，或者所述显示器（111）为出光侧设置相位延迟片（112）的LCD显示器。

7.根据权利要求1所述的近眼光学成像系统，其特征在于：近眼光学成像系统各透镜的折射率满足以下条件：

Nd2＜1.6＜Nd3，Nd4＜1.6＜Nd5；

其中，Nd2为第二透镜折射率，Nd3为第三透镜折射率，Nd4为第四透镜折射率，Nd5为第五透镜折射率。

8.根据权利要求1所述的近眼光学成像系统，其特征在于：近眼光学成像系统中各透镜的色散系数V_m满足以下条件式：第一透镜，第二透镜，第四透镜的色散系数V_m满足20＜V_m＜40；近眼光学成像系统满足以下条件式：第三透镜，第五透镜的色散系数V_m满足40＜V_m＜60。

9.根据权利要求1所述的近眼光学成像系统，其特征在于：近眼光学成像系统的总有效焦距f与近眼光学成像系统的入瞳直径EPD满足以下条件式： f/EPD＞2；

近眼光学成像系统的焦距满足以下条件式：

0.1＜|f/f2|+|f/f3|＜0.8；

其中，f为近眼光学成像系统总有效焦距，f2为第二透镜有效焦距，f3为第三透镜有效焦距。

10.一种虚拟现实显示设备，其特征在于：采用了权利要求1-9任一权利要求所述的近眼光学成像系统。

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