CN219122491U

CN219122491U - 光学透镜模组、穿戴式交互装置、交互系统

Info

Publication number: CN219122491U
Application number: CN202223505030.7U
Authority: CN
Inventors: 杨福臻; 贾春辉; 张佳宁
Original assignee: Suzhou Duanyun Innovation Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Duanyun Innovation Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2032-12-27

Abstract

本实用新型提供一种光学透镜模组、穿戴式交互装置、交互系统。光学透镜模组，其特征在于，包括：沿着光线传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜，其中：所述显示像源用于发出沿着光线传播方向传播的圆偏振光线；所述第一透镜的入光面为凸面，所述第一透镜的出射面为菲涅尔面；所述第二透镜的入光面为凹面，所述第二透镜的出射面为平面，所述第二透镜的出射面上设置有光学复合膜层。通过上述方式，可以在保证成像清晰度的前提下，减小光学透镜模组的体积和质量。

Description

光学透镜模组、穿戴式交互装置、交互系统

技术领域

本实用新型涉及电子设备领域，具体涉及一种光学透镜模组、穿戴式交互装置、交互系统。

背景技术

在虚拟现实技术中，基于光学透镜模组呈现图像信息，并通过计算机技术产生的电信号，将其与各种输出设备结合，使图像信息转化为能够让人们感受到的对象，这些对象可以类似于真实的物体，也可以是虚拟出来的物体。目前，已有的光学透镜模组为菲涅尔透镜组或双曲面多透镜组，其边缘成像清晰度差、视场角相对较小的缺点，且体积大、重量大。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种光学透镜模组、穿戴式交互装置、交互系统，以克服或者缓解上述问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种光学透镜模组，其特征在于，包括：沿着光线传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜，其中：所述显示像源用于发出沿着光线传播方向传播的圆偏振光线；所述第一透镜的入光面为凸面，所述第一透镜的出射面为菲涅尔面；所述第二透镜的入光面为凹面，所述第二透镜的出射面为平面，所述第二透镜的出射面上设置有光学复合膜层。

在本申请的另一实现方式中，所述第二透镜的厚度CT2以及所述为第二透镜的边厚ET2满足：0.50≤CT2/ET2≤1.00。

在本申请的另一实现方式中，所述第一透镜的厚度CT1以及所述为第二透镜的厚度CT2满足：1.90≤CT1/CT2≤3.50。

在本申请的另一实现方式中，所述第一透镜与所述第二透镜的空气间隔D1：1.50≤D1≤4.00。

在本申请的另一实现方式中，所述第一透镜的厚度CT1，与所述光学透镜模组的光学总长TTL满足：0.15≤CT1/TTL≤0.25。

在本申请的另一实现方式中，所述第二透镜的厚度CT2，与所述光学透镜模组的光学总长TTL满足：0.05≤CT2/TTL≤0.10。

在本申请的另一实现方式中，所述光学透镜模组的视场角FOV满足：90°≤FOV≤105。

在本申请的另一实现方式中，所述第一透镜的入光面设置有半透半反膜。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种穿戴式交互装置，包括本申请实施例的第一方面所述的光学透镜模组。

根据本申请实施例的第三方面，提供了一种交互系统，包括本申请实施例的第二方面所述的穿戴式交互装置。

在本实用新型实施例的方案中，通过沿着光线传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜，第一透镜的入光面为凸面，第一透镜的出射面为菲涅尔面，第二透镜的入光面为凹面，第二透镜的出射面为平面，第二透镜的出射面上设置有光学复合膜层。通过上述方式，可以提高光学透镜边缘成像清晰度、提升视场角，并减小光学透镜模组的体积和质量。

附图说明

图1为本申请实施例一种光学透镜模组的结构示意图；

图2为应用场景一的调制传递函数图；

图3为应用场景一的弥散斑图；

图4为应用场景一的畸变曲线图；

图5为本申请实施例二种光学透镜模组的结构示意图；

图6为应用场景二的调制传递函数图；

图7为应用场景二的弥散斑图；

图8为应用场景二的畸变曲线图；

图9为本申请实施例三种光学透镜模组的结构示意图；

图10为应用场景三的调制传递函数图；

图11为应用场景三的弥散斑图；

图12为应用场景三的畸变曲线图；

图13为本申请上述应用场景中光学透镜观测点与主光轴的相对位置示意图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。入光面

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1为本申请实施例一种光学透镜模组的结构示意图；如图1所示，光学透镜模组包括：沿着光线传播方向依次设置的显示像源I MA、第一透镜L1、第二透镜L2，其中：所述显示像源I MA用于发出沿着光线传播方向传播的圆偏振光线；

所述第一透镜的入光面为凸面，所述第一透镜的出射面为菲涅尔面，其中，所述第一透镜用于将所述圆偏振光线通过所述第一透镜的入光面和出射面传播到所述第二透镜的入光面和出射面；

需要说明的是，上述方式可以将所述圆偏振光线传播到所述第二透镜L2。

所述第二透镜的入光面为凹面，所述第二透镜的出射面为平面，所述第二透镜的出射面上设置有光学复合膜层，其中，第二透镜用于将所述圆偏振光线调整为线偏振光线，所述线偏振光线沿着光线传播方向进行成像。

具体地，所述第一透镜的入光面上设置有半透半反膜，基于所述光学复合膜层和所述半透半反膜调整所述圆偏振光线的偏振状态以形成沿着第一传播方向传播的第一线偏振光，并将所述第一线偏振光转变为沿着第二传播方向传播的第一圆偏振光，再通过光路的折叠形成沿着第一传播方向的第二圆偏振光，将所述第二圆偏振光转变为沿着第一传播方向的第二线偏振光，以穿过第二透镜的出射面，其中，所述第一传播方向为所述光线传播方向，所述第一传播方向与所述第二传播方向相反。

需要说明的是，具体地，可以通过所述第一透镜、所述第二透镜接收所述圆偏振光线，并基于光学复合膜层，调整所述圆偏振光线的偏振状态以形成沿着第二传播方向传播的第一线偏振光，并将所述第一线偏振光转变为第二圆偏振光，再通过光路的折叠，将所述第二圆偏振光转变为第二线偏振光以穿过所述第二透镜的出射面，所述第二线偏振光沿着所述第一传播方向传播以进行成像，所述第二传播方向与所述第一传播方向相反。

在本实用新型实施例的方案中，通过沿着第一传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜，第一透镜的入光面为凸面且所镀的半透半反膜，第一透镜的出射面为菲涅尔面，第二透镜的入光面为凹面，第二透镜的出射面为平面，第二透镜的出射面上设置有光学复合膜层，其中，第二透镜用于将所述圆偏振光线调整为线偏振光线，所述线偏振光线沿着第一传播方向进行成像。通过上述方式，可以提高光学透镜边缘成像清晰度、提升视场角，并减小光学透镜模组的体积和质量。

需要说明的是，所述菲涅尔面由若干个由小到大依次连接的锯齿形同心环构成，每一个同心环都可看成一个独立的微型透镜，把光线折射或反射。由于其特殊的结构，相比于球面或非球面，使用菲涅尔面可有效降低光学系统的重量。

本实施例中，第一透镜L1、第二透镜L2的材质可以相同，也可以不同。进一步地，所述第一透镜的焦距f1满足：60mm＜f1＜80mm，所述第二透镜的焦距f2满足：-370＜f2＜-160mm，从而可以实现光学模组的轻薄化和良好成像效果，此外，由于所述第一透镜L1有效传递入射光束，所述第二透镜L2具有负光焦度，与第一透镜L1一起将光线两次反射，校正系统残余像差的同时，可以实现成像的高分辨率。

另外，由于所述第一透镜L1的出射面为菲涅尔面，减少模组质量的同时，可有效传递所述圆偏振光线到第二透镜L2。

所述第二透镜L2的入光面为凹面，出射面为平面，结合光学复合膜层，与第一透镜一起压缩光学总长的同时校正残余像差，且在第二透镜L2上实现了所述圆偏振光线的偏振状态调整以及光路的折叠。

进一步地，所述光学透镜模组的各个透镜的焦距除了要满足上述关系外，还可以满足所述第一透镜L1的焦距f1满足：2.5F＜|f1|＜3.1F；所述第二透镜L2的焦距f2满足：6.5F＜|f2|＜15.0F，从而实现光学模组的轻薄化和良好成像效果，F为所述光学透镜模组的系统焦距。

可选地，所述光学透镜模组的光学总长TTL与所述光学透镜模组的系统焦距F满足：0.8≤TTL/F≤1.0，从而减小透镜的厚度和整个光学模组的总长。

可选地，于主光轴上所述第一透镜的厚度CT1与光学透镜模组的光学总长TTL满足：0.15≤CT1/TTL≤0.25，从而获得大光焦度的同时压缩光学模组总长。

可选地，于主光轴上所述第二透镜L2的厚度CT2，与光学透镜模组的光学总长TTL满足：0.05≤CT2/TTL≤0.10，从而有效折叠光路，减小镜片体积。

可选地，所述第一透镜L1、第二透镜L2中的任一透镜，其非球面的面形曲线按照如下公式确定：

其中，z为矢高，c为曲率半径所对应的曲率，r为径向长度，K为圆锥二次曲线系数，α₁至α₁₀分别表示曲率半径上各径向坐标所对应的系数；当K小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当K等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当K介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当K等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当K系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形。

基于上述确定非球面的面形曲线的公式，可以根据应用场景的需求，配置合理的非球面，比如上述凸面或者凹面。

可选地，所述第二透镜L2的出射面距离光学透镜观测点的距离不小于12mm，且所述第二透镜L2的出射面与光学透镜观测点之间形成的锥形区域范围不小于10mm，用户从而可快速调整到最佳成像位置，体验感强。

可选地，所述光学透镜模组的视场角FOV满足：90°≤FOV≤105°，从而减小用户的眩晕感，提高用户沉浸感。

可选地，所述第一透镜L1、第二透镜L2的折射率满足：3.2≤Nd1+Nd2≤3.3，其中，Nd1为所述第一透镜L1的折射率，Nd2为所述第二透镜L2的折射率。

进一步地，所述第一透镜L1、第二透镜L2的阿贝数满足：Vd1≥55，Vd1-Vd2≥35，其中，Vd1为所述第一透镜L1的阿贝数，Vd2为所述第二透镜L2的阿贝数。

一实施例中，通过折射率来表示光在真空中的传播速度与光在透镜中的传播速度之比，阿贝数(又称之色散系数)用于衡量透镜的成像品质，并且通常情况下，阿贝数又与透镜的折射率成反比，折射率越高，表示入射光发生折射的能力越强。当透镜的折射率越大时，阿贝数越小，色散越明显，成像质量越差，反之，则成像质量越好。因此，本实施例中，通过上述设置的各透镜的折射率和阿贝数，可以实现像差的校正，从而保证成像的高解析度。

可选地，一实施例中，所述第一透镜L1的入光面还镀有或者设置有半透半反膜，从而与光学复合膜层配合，调整所述圆偏振光线的偏振状态以形成沿着第一传播方向传播的第一线偏振光，并将所述第一线偏振光转变为沿着第二传播方向传播的第一圆偏振光，再通过光路的折叠形成沿着第一传播方向的第二圆偏振光，将所述第二圆偏振光转变为沿着第一传播方向的第二线偏振光。

具体地，所述光学复合膜层包括沿第一传播方向依次设置的第一膜层、第二膜层、第三膜层和第四膜层，所述第一膜层用于对所述圆偏振光线进行抗反射处理以避免圆偏振光线大量反射，有效提高了系统的整体透过率，增加了图像对比度。第二膜层用于调整所述第一圆偏振光线的偏振状态以生成沿着第一传播方向传播的第一线偏振光，第一线偏振光的偏振方向垂直于第三膜层的透射轴方向，从而使得第三膜层用于对第一线偏振光进行反射使得第一线偏振光又经过第二膜层处理，实现偏振状态的再次调整以生成沿着第二传播方向传播的第一圆偏振光，再依次入射进入到第一透镜L1并通过第一透镜L1的入光面所镀的半透半反膜进行反射以完成光路的折叠将第一圆偏振光调整为沿着第一传播方向的第二圆偏振光，然后从第一透镜L1的出射面出射，入射到第二透镜L2，再先后通过第二透镜L2入光面的第一膜层、第二膜层处理，使得第二圆偏振光转变成第二线偏振光，第二线偏振光的偏振方向与第三膜层的透射轴方向一致，从而使得第二线偏振光穿过所述第二透镜L2的出射面，第四膜层用于补强所述第三膜层漏光，不会改变上述偏振状态，所述第二线偏振光沿着所述第一传播方向传播以进行成像，所述第二传播方向与所述第一传播方向相反。

上述第一膜层、第二膜层、第三膜层和第四膜层的具体实现，可以根据应用场景的需求确定。

基于本申请实施例的上述描述，以下结合具体应用场景的需求，对各个透镜的配置进行如下示例性说明。需要说明的是，主光轴上所述第二透镜的厚度CT2以及所述为第二透镜的边厚ET2满足：0.50≤CT2/ET2≤1.00；主光轴上所述第一透镜的厚度CT1以及所述为第二透镜的厚度CT2满足：1.90≤CT1/CT2≤3.50；主光轴上所述第一透镜与第二透镜于主光轴上的空气间隔D1：1.50≤D1≤4.00。

应用场景(一)：f1＝62.73mm，f2＝-168.01mm，TTL＝23.00mm，CT1/CT2＝3.21，CT2/ET2＝0.51，D1＝1.58mm。

表1

[2022NU014CN][HS2221258CCN]

表1为各透镜的配置明细，Nd为折射率，Vd为阿贝数，面号S1、S3、依次为第二透镜L2和第一透镜L1的出射面，面号S2、S4依次为第二透镜L2和第一透镜L1的入光面。

表2

面号	K	α₄	α₆	α₈	α¹⁰
						S1	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00
S2	-2.13E+01	1.45E-05	-1.89E-07	1.06E-09	-3.08E-12
						S3	1.06E+00	2.40E-06	-1.49E-07	6.63E-10	-1.55E-12
S4	2.50E+01	-1.57E-06	1.56E-08	-1.57E-10	6.29E-13

表2为各透镜的光学参数示意，包括各个透镜的入光面、出射面与圆锥二次曲线系数、曲率半径上各径向坐标所对应的系数的对应关系。

图2为应用场景一的调制传递函数图，图中显示光学透镜模组在各个视场的MTF(Modu l at i on Transfer Funct i on，MTF)值均在0.4以上，因此，具有良好的分辨率。图4为应用场景一的弥散斑图，由图3可见，不同视场弥散斑均小于50μm，因此成像质量好。图4为应用场景一的畸变曲线图，全视场畸变大于-30％，无反曲，畸变线性变化。

应用场景(二)：f1＝79.67mm，f2＝-360.08mm，TTL＝26.32mm，CT1/CT2＝1.96，CT2/ET2＝0.94，D1＝3.97mm。

表5

表5为各透镜的配置明细，Nd为折射率，Vd为阿贝数，面号S1、S3、依次为第二透镜L2和第一透镜L1的出射面，面号S2、S4依次为第二透镜L2和第一透镜L1的入光面。

表6

面号	K	α₄	α₆	α₈	α₁₀
						S1	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00
S2	2.85E+01	-9.47E-06	-2.19E-08	3.37E-10	-1.25E-12
						S3	1.10E+00	4.26E-06	-1.51E-07	6.82E-10	-1.52E-12
S4	2.15E+01	6.84E-06	-4.91E-08	1.27E-10	-4.31E-14

表6为各透镜的光学参数示意，包括各个透镜的入光面、出射面与圆锥二次曲线系数、曲率半径上各径向坐标所对应的系数的对应关系。

图5为所述光学透镜模组的结构示意图，与应用场景一相比透镜的芯厚发生明显变化。

图6为应用场景二的调制传递函数图，图中显示实施例二在各个视场的MTF值均在0.4以上，具有良好的分辨率。图7为应用场景二的弥散斑图，不同视场弥散斑均小于50μm，成像质量好。图8为应用场景二的畸变曲线图，全视场畸变大于-30％，无反曲，畸变线性变化。

应用场景(三)：f1＝61.34mm，f2＝-191.34mm，TTL＝21.50mm，CT1/CT2＝3.23，CT2/ET2＝0.54，D1＝1.50mm。

表9

表9为各透镜的配置明细，Nd为折射率，Vd为阿贝数，面号S1、S3、依次为第二透镜L2和第一透镜L1的出射面，面号S2、S4依次为第二透镜L2和第一透镜L1的入光面。

表10

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表10为各透镜的光学参数示意，包括各个透镜的入光面、出射面与圆锥二次曲线系数、曲率半径上各径向坐标所对应的系数的对应关系。

图9为应用场景三中所述光学透镜模组的结构示意图，与应用场景二相比透镜的材料发生变化。

图10为应用场景三的调制传递函数图，图中显示实施例三在各个视场的MTF值均在0.3以上，具有良好的分辨率。图11为应用场景三的弥散斑图，不同视场弥散斑均小于100μm，成像质量良好。图12为应用场景三的畸变曲线图，畸变大于-35％，无反曲，畸变线性变化。

图13为本申请上述应用场景中光学透镜观测点与主光轴的相对位置示意图，其中，所述光学透镜观测点常见为人眼观测点，以人眼作为简称代替，如图13所示，由于位置B位于光学系统的主光轴上，像差相对较小，因此，光学透镜观测点位于位置B时，成像质量最佳，而由于其他位置偏离主光轴，残余像差显著影响成像效果，因此光学透镜观测点位于位置A、位置C、位置D、位置E、位置F时，成像质量有所降低。

本申请实施例还提供一种穿戴式交互装置，其包括本申请实施例任一项所述光学透镜模组。

本申请实施例还提供一种交互系统，其包括本申请实施例所述的穿戴式交互装置。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种光学透镜模组，其特征在于，包括：沿着光线传播方向依次设置的显示像源、第一透镜、第二透镜，其中：

所述显示像源用于发出沿着光线传播方向传播的圆偏振光线；

所述第一透镜的入光面为凸面，所述第一透镜的出射面为菲涅尔面；

所述第二透镜的入光面为凹面，所述第二透镜的出射面为平面，所述第二透镜的出射面上设置有光学复合膜层。

2.根据权利要求1所述的光学透镜模组，其特征在于，所述第二透镜的厚度CT2以及所述第二透镜的边厚ET2满足：0.50≤CT2/ET2≤1.00。

3.根据权利要求2所述的光学透镜模组，其特征在于，所述第一透镜的厚度CT1以及所述第二透镜的厚度CT2满足：1.90≤CT1/CT2≤3.50。

4.根据权利要求3所述的光学透镜模组，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜的空气间隔D1：1.50≤D1≤4.00。

5.根据权利要求4所述的光学透镜模组，其特征在于，所述第一透镜的厚度CT1，与所述光学透镜模组的光学总长TTL满足：0.15≤CT1/TTL≤0.25。

6.根据权利要求5所述的光学透镜模组，其特征在于，所述第二透镜的厚度CT2，与所述光学透镜模组的光学总长TTL满足：0.05≤CT2/TTL≤0.10。

7.根据权利要求6所述的光学透镜模组，其特征在于，所述光学透镜模组的视场角FOV满足：90°≤FOV≤105°。

8.根据权利要求7所述的光学透镜模组，其特征在于，所述第一透镜的入光面设置有半透半反膜。

9.一种穿戴式交互装置，其特征在于，其包括权利要求1-8任一项所述光学透镜模组。

10.一种交互系统，其特征在于，包括权利要求9所述的穿戴式交互装置。