一种光学系统及VR设备的制作方法

一种光学系统及vr设备
技术领域
1.本发明涉及vr设备技术领域，尤其涉及一种光学系统及vr设备。


背景技术：

2.虚拟现实(virtual reality)简称vr，是一种利用计算机生成的模拟环境，并通过对应的光学显示系统使用户沉浸到对应的环境中的技术。
3.目前的vr显示产品的光学系统通常为是单片式透镜，为了满足在较大的视场角下依然具有较高清晰度的要求，透镜距离显示屏幕距离会较远，由此导致vr显示产品的整体尺寸增大，进而导致重量增加，用户佩戴时舒适性较差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种光学系统及vr设备，至少部分解决现有技术中存在的问题。
5.根据本发明的第一个方面，提供了一种光学系统，包括：屏幕，用于提供成像光线，所述成像光线为圆偏振光；沿所述成像光线的传播方向依次间隔设置的第一光学镜组及第二光学镜组；所述第一光学镜组包括：第一透镜，用于折转所述成像光线；半透半反膜，设置于所述第一透镜靠近所述屏幕的一侧；所述第二光学镜组包括：第二透镜，用于折转所述成像光线；光学膜组，设置于所述第二透镜远离第一透镜的一侧；所述光学膜组包括：第一四分之一波片，设置于所述第二透镜远离第一透镜的一侧；以及偏振反射膜，设置于所述第一四分之一波片远离所述第二透镜的一侧。
6.作为本发明一种可能的实现方式，所述第一透镜具有：第一凸面，所述半透半反膜设置于所述第一凸面上，所述第一凸面向所述屏幕一侧凸起；以及第一平面，相对于所述第一凸面设置。
7.作为本发明一种可能的实现方式，所述第一凸面的面型符合如下公式：其中，z为镜面深度值，即以各非球面与光轴交点为起点，平行于光轴方向的轴向值；c＝1/r，其中r为镜面中心曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲
线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于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；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数；所述第一凸面的面型参数如下：。
8.作为本发明一种可能的实现方式，所述第二透镜具有：第二平面，所述第一四分之一波片设置于所述第二平面上；以及第二凸面，相对于所述第二平面设置，所述第二凸面向所述第一透镜一侧凸起。
9.作为本发明一种可能的实现方式，所述第二凸面的面型符合如下公式：其中，z为镜面深度值，即以各非球面与光轴交点为起点，平行于光轴方向的轴向值；c＝1/r，其中r为镜面中心曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于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；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数；所述第二凸面的面型参数如下：。
10.作为本发明一种可能的实现方式，还包括：第二四分之一波片，设置于所述屏幕的出光一侧，所述第一四分之一波片的晶轴与所述第二四分之一波片的晶轴相互垂直。
11.作为本发明一种可能的实现方式，所述第一光学镜组还包括：第一偏振膜，设置于所述第一透镜远离所述屏幕的一侧。
12.作为本发明一种可能的实现方式，所述光学膜组还包括：第二偏振膜，设置于所述偏振反射膜远离所述第一四分之一波片的一侧；以及增透膜，所述增透膜的第一面设置于所述第一四分之一波片靠近所述第二透镜的一侧，所述增透膜的第二面设置于所述所述第二透镜远离第一透镜的一侧。
13.作为本发明一种可能的实现方式，所述第一凸面的半径大于第二凸面。
14.根据本发明的第二个方面，提供了一种vr设备，包括：如上所述的光学系统；以及壳体，所述光学系统设置于所述壳体内。
15.本发明中的光学系统设置有沿所述成像光线的传播方向依次间隔设置的第一光
学镜组及第二光学镜组。通过设置两个光学模组分别对成像光线进行偏转以实现对应的光路设计，由于两组透镜之间存在相互补偿的关系，所以降低了每一个透镜对成像光线的偏转角度（偏折）的要求，也即降低了第一透镜与第二透镜对光线的偏转能力，所以在保证整个光学系统成像质量的前提下，每组透镜的厚度较小以及透镜可以使用更加简单的面型，由此，不仅降低镜片加工难度，同时整个光学系统的重量也得到了大幅度的降低，进而可以大幅降低vr设备的重量。且本发明中通过第一透镜与第二透镜组合形成的光学系统对成像光线具有更高的偏转能力，由此可以进一步提高成像的质量。
16.另外，将第一光学镜组及第二光学镜组间隔设置，一方面可以增加成像光线的光路距离，进而进一步提高成像质量。同时，相对于现有的将两个光学膜组胶合在一起的光学系统，本发明中的光学系统具有更小的质量。由于现有的光学系统在将两个光学镜组胶合在一起时温度较高，若使用树脂材质的镜片进行胶合时会存在较大的变形，进而导致最终得到的光学系统的成像质量降低，而本发明的光学系统不需要进行胶合，所以可以选择材质为树脂的透镜，由此进一步减少光学系统的重量。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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获得其它的附图。
18.图1为本发明一实施例中光学系统的结构示意图；图2为图1中a处的放大结构示意图；图3为本发明一实施例中光学系统的分解结构示意图（只示出一半）；图4为本发明一实施例中光学系统的使用状态示意图；图5为本发明一实施例中光学系统的畸变图；图6为本发明一实施例中光学系统的mtf图。
19.附图标记：1、屏幕；11、第二四分之一波片；2、第一透镜；21、第一凸面；22、第一平面；23、半透半反膜；24、第一偏振膜；3、第二透镜；31、第二凸面；32、第二平面；4、光学膜组；41、增透膜；42、第一四分之一波片；43、偏振反射膜；44、第二偏振膜。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
21.需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
22.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使
用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
23.根据本发明的第一个方面，如图1所示，提供了一种光学系统，包括：屏幕1，用于提供成像光线，成像光线为圆偏振光；在实际使用中可以直接选用带有四分之一波片的屏幕1，由此由屏幕1发出的成像光线为圆偏振光。
24.当然，作为本发明一种可能的实施例：也可以通过在不带有四分之一波片的屏幕1前，也即，屏幕1的出光一侧安装第二四分之一波片11，来实现将屏幕1发出的成像光线转化为圆偏振光。第一四分之一波片42的晶轴与第二四分之一波片11的晶轴相互垂直。具体的，第一四分之一波片42的晶轴与第二四分之一波片11相互垂直的晶轴均为对应波片的快轴。
25.沿成像光线的传播方向依次间隔设置的第一光学镜组及第二光学镜组；本实施例中的成像光线的传播方向为垂直于屏幕1且朝向屏幕1的发光一侧的方向。
26.第一光学镜组包括：第一透镜2，用于折转成像光线；第一透镜2可以选择玻璃材质或树脂材质的透镜，优选树脂材质的透镜，树脂材质的透镜便于加工成型，由此可以保证成像质量，另外，树脂材质的透镜质量更轻便于光学系统的轻量化。
27.半透半反膜23，贴设于第一透镜2靠近屏幕1的一侧；也即第一透镜2的第一凸面21上。通过半透半反膜23可以对具有特定偏振状态的成像光线进行透射或反射。在本实施例中具体为将屏幕1射出的圆偏振状态的成像光线进行透射，同时将由偏振反射膜43反射回来的成像光线进行再次反射。
28.第二光学镜组包括：第二透镜3，用于折转成像光线；第二透镜3可以选择玻璃材质或树脂材质的透镜，优选树脂材质的透镜，树脂材质的透镜便于加工成型，由此可以保证成像质量，另外，树脂材质的透镜质量更轻便于光学系统的轻量化。
29.在本实施例中第一透镜2和第二透镜3均使用树脂材质制备，具体的可以选用nd（折射率）=1.54，vd(色散系数)=55.98的树脂镜片。该树脂镜片的材料抗冲击力强，透光性能好，成本低并且能很好的满足设计中特殊形状的要求。由此可以大幅减小光学系统的重量。
30.另外，在实际的使用过程成屏幕会散发大量的热，会导致现有的光学系统所处的环境温度升高，在此情况下第一透镜2和第二透镜3会受热膨胀变形，透镜面型变形严重会导致热虚焦，进而影响成像质量。
31.现有的将第一透镜2和第二透镜3胶合在一起的光学系统，由于第一透镜2和第二透镜3胶合在一起，所以两个透镜相互胶合的面型之间会受到胶合胶水的强制约束。由于第一透镜2和第二透镜3所处的环境温度不同并且第一透镜2和第二透镜3的膨胀系数不同，所以现有的光学系统中的两个透镜的变形程度不同，进而在膨胀变形的过程中，由于胶合胶水的约束两块透镜会产生相互的挤压拉扯。由于，两块透镜之间的拉扯挤压是不可预测的，所以无法通过面型参数的设置来补偿该种情况下产生的变形，所以，在实际的使用过程中现有的双胶合形式的光学系统对温度的敏感程度极高，随着温度的升高容易出现成像画面模糊甚至出现热虚焦的情况。由此为了保证成像质量现有的双胶合形式的光学系统多使用
玻璃材质的透镜，进而，导致了整个vr设备重量太大，佩戴舒适性低的问题。
32.在本实施例中的第一透镜2和第二透镜3为间隔式设置。在此情况下，由于第一透镜2和第二透镜3之间分开设置，不存在其他的约束限制，所以第一透镜2和第二透镜3的变形不会相互牵制影响，所以第一透镜2和第二透镜3随温度变形而产生的误差，可以通过面型设计参数进行补偿，由此，本实施例中的光学系统对温度的敏感程度低，在实际使用中不容易出现热虚焦的情况，可以保证在长时间的使用过程后画面依然清晰。
33.另外，由于第一透镜2和第二透镜3之间分开设置，所以当屏幕1产生的热量在进行传递扩散的过程中，需要依次经过的传导介质为第一透镜2-空气-第二透镜3，由于，位于第一透镜2和第二透镜3中间的空气的存在会大幅降低温度的传递效率，由此可以保证远离屏幕1一侧的第二透镜3处的温度不会太高，由此也可以进一步降低第二透镜3因温度变化导致的变形，进而可以进一步保证vr设备在长时间使用后的成像质量。
34.同时在此情况下，由于第一透镜2和第二透镜3之间存在间隔，所以可以增加光程，由此，即使透镜对光线的偏转能力较低，也会由于具有较大的光程而使光线到达预定的位置。由此，可以降低第一透镜2和第二透镜3的面型设计的难度，可以使用折光能力较低的面型实现对光线偏转功能，并且，由于折光能力较低的透镜不仅具有更为简单的面型同时还具有更薄的透镜厚度，由此还可以进一步的降低第一透镜2和第二透镜3的质量。
35.光学膜组4，设置于第二透镜3远离第一透镜2的一侧；如图2所示，光学膜组4包括：第一四分之一波片42，设置于第二透镜3远离第一透镜2的一侧；以及偏振反射膜43，设置于第一四分之一波片42远离第二透镜3的一侧。偏振反射膜43具有一偏振透射方向，偏振透射方向与屏幕1发射的成像光线的偏振方向正交。
36.将光学膜组4设置在第二透镜3的第二平面32上，可以降低贴膜时的难度，也可以尽量降低将光学膜层设置在非平面上时的安装误差，由此可以进一步保证设备的成像质量。
37.具体的，如图1及图3所示，本实施例中的工作原理如下：屏幕1发射成像光线，该成像光线为线偏振状态的第一线偏振光，第一线偏振光透射第二四分之一波片11后，线偏振状态的第一线偏振光转换为圆偏振状态的第一圆偏振光，第一圆偏振光可透过半反半透膜，然后经过第一透镜2的第一次偏转后射向第二透镜3，然后再经过第二透镜3的第二次偏转后，射向第一四分之一玻片上，此时，光线的偏振状态会发生第二次转化，也即第一圆偏振光经过第一四分之一玻片后转化为第二线偏振光，第二线偏振光和第一线偏振光的偏振状态相同，其中，具体为第二线偏振光和第一线偏振光的偏振方向相同。然后，第二线偏振光射向偏振反射膜43上。偏振反射膜43具有偏振透射方向和偏振反射方向，且偏振透射方向与第二线偏振光的偏振方向正交，偏振反射方向与第二线偏振光的偏振方向同向。因此，第二线偏振光无法透射偏振反射膜43，而是在偏振反射膜43反射上发生第一次反射，形成第三线偏振光。
38.然后，第三线偏振光再次射向第一四分之一波片42，偏振状态再次发生改变，也即，第三线偏振光转化为第二圆偏振光，第二圆偏振光再次依次经过第二透镜3和第一透镜2偏转后射向半反半透膜，此时，第二圆偏振光在半反半透膜上进行第二次反射，第二次反射后的光线为第三圆偏振光，此时，第三圆偏振光与第一圆偏振光的旋向相反。
39.然后，第三圆偏振光再次经过第二透镜3偏转后射向第一四分之一波片42上偏振状态发生改变，接着第三圆偏振光转化为第四线偏振光，且第四线偏振光和第二线偏振光的偏振方向正交。可以理解的是，第四线偏振光的偏振方向和偏振反射膜43的偏振透射方向同向，所以，第四线偏振光可由所述偏振反射膜43出射，形成第五线偏振光，从而完成在本实施例中光学系统中的传播而进入人眼。
40.作为本发明一种可能的实施例，第一透镜2具有：第一凸面21，半透半反膜23设置于第一凸面21上，第一凸面21向屏幕1一侧凸起；以及第一平面22，相对于第一凸面21设置。
41.作为本发明一种可能的实施例，第一凸面21的面型符合如下公式：其中，z为镜面深度值，即以各非球面与光轴交点为起点，平行于光轴方向的轴向值；c＝1/r，其中r为镜面中心曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于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；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数；第一凸面21的面型参数如下：。
42.优选的，第二透镜3具有：第二平面32，第一四分之一波片42设置于第二平面32上；以及第二凸面31，相对于第二平面32设置，第二凸面31向第一透镜2一侧凸起。
43.作为本发明一种可能的实施例，第二凸面31的面型符合如下公式：其中，z为镜面深度值，即以各非球面与光轴交点为起点，平行于光轴方向的轴向值；c＝1/r，其中r为镜面中心曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于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；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数；第二凸面31的面型参数如下：
。
44.优选的，第一凸面21的半径大于第二凸面31。由此，在第二凸面31的基础上第一凸面21可以进一步对视场角进行扩大，可以使本光学系统具有更大的视场角。由此可以可以保证用户可以获得更大的视野范围具有更好的使用体验。
45.同时，如图5所示，本实施例中的第一凸面21的半径大于第二凸面31的半径，根据光线可逆原理可知，第一凸面21可以对由第二凸面31出射的边缘位置的光线进行进一步的偏转矫正，由此，通过本实施例中的第一凸面21与第二凸面31的配合，可以使位于边缘位置的成像光线具有更小的远心度，具体为屏幕1边缘处的画面的远心度小于1
°
，从而能够保证整个画面亮度均匀性一致，同时，也使得本实施例中的光学系统具有更小的畸变，具体的本实施例中的光学系统可以将畸变控制在30%以内。
46.另外，根据图6所示，通常otf模值大于0.5即可保证画面有很好的清晰度，本实施例中的光学系统的otf模值可保证在0.7以上，由此可知本实施例中的光学系统的成像质量更高。
47.本实施例中系数：第一凸面21与第二凸面31的系数互相补偿，从而可以减小整体成像中的像散和场曲，进而提高成像质量。
48.另外，如图4所示，本实施例中两个透镜的厚度满足如下关系：0.1《(d1/d2)《1，其中，d1为第一透镜2的厚度；d2为第二透镜3的厚度。
49.两个透镜之间的镜间距满足如下关系：0.01《(d/d1)《3，0.01《(d/d2)《3；其中，d为两个透镜之间的镜间距。由d1、d2和d之间的关系可知，本实施例中的光学系统不仅有利于vr设备整体长度的控制，同时也使各个透镜的镜片厚度达到一个合理的范围，可便于加工。
50.本实施例中的光学系统可以缩小第二透镜3与屏幕1之间的距离，具体该距离可以小于23mm，由此减小了vr设备的体积与重量。
51.同时，本实施例中的光学系统具有更大的出瞳距离，也即实际使用中人眼的观察位置与第二透镜3之间的距离更大，具体可以为15mm，由此，可以更加方便戴眼镜的人群佩戴使用。
52.作为本发明一种可能的实施例，第一光学镜组还包括：第一偏振膜24，设置于第一透镜2远离屏幕1的一侧。
53.优选的，如图2所示，光学膜组4还包括：第二偏振膜44，设置于偏振反射膜43远离第一四分之一波片42的一侧；以及增透膜41，增透膜41的第一面设置于第一四分之一波片42靠近第二透镜3的一侧，增透膜41的第二面设置于第二透镜3远离第一透镜2的一侧。
54.通过依次设置第一偏振膜24和第二偏振膜44来滤除杂光，进而保证最终进入人眼中的画面更加清晰，另外通过设置增透膜41来增加透光率，进而提高画面的亮度。
55.根据本发明的第二个方面，提供了一种vr设备，包括：如上的光学系统；以及壳体，光学系统设置于壳体内。
56.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。