一种近眼光学成像系统及虚拟现实显示设备的制作方法

本技术属于近眼光学成像系统，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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。

4、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：

5、0.1≤|rf/rt|≤1

6、其中，rf为分光膜的反射率，rt为分光膜的透射率。

7、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。

8、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。

9、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°。

10、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。

11、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：

12、nd2＜1.6＜nd3，nd4＜1.6＜nd5；

13、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。

14、作为优选，近眼光学成像系统中各透镜的色散系数vm满足以下条件式：第一透镜，第二透镜，第四透镜的色散系数vm满足20＜vm＜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vm满足40＜vm＜60。

15、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。

16、近眼光学成像系统的焦距满足以下条件式：

17、0.1＜|f/f2|+|f/f3|＜0.8

18、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。

19、一种虚拟现实显示设备采用了上述近眼光学成像系统。

20、有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

21、(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。

22、(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。

23、(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。

技术特征：

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：

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：

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vm满足以下条件式：第一透镜，第二透镜，第四透镜的色散系数vm满足20＜vm＜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vm满足40＜vm＜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；

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。

技术总结
本技术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。本技术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。

技术研发人员：梁海亮
受保护的技术使用者：江苏瞳芯光学科技有限公司
技术研发日：20221220
技术公布日：2024/1/11