CN116149060A - Vr光学***及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种VR光学***及近眼显示装置，所述VR光学***包括靠近人眼侧的一个光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列；所述光学透镜具有正光焦度，其具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，第一表面为凹面，第二表面为凸面，第一表面上设置或贴附有复合膜层，第二表面设置有部分反射器；所述微透镜阵列具有相对设置的第一表面和第二表面，其第一表面上具有多个微透镜单元，且多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距，其第二表面为平面。通过在光学透镜上设置特殊膜层，并与微透镜阵列合理搭配，可实现光路的多次折返，大大减小***的厚度，同时建立多重视场可对每个小范围内的视场进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质。

Description

VR光学***及近眼显示装置

技术领域

本发明属于显示技术领域，尤其涉及一种VR光学***及近眼显示装置。

背景技术

随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实(VR)设备的形态与种类也日益繁多，并且应用领域也愈加广泛，如近眼显示器、头戴式显示设备等。其中，头戴显示设备通过光学技术，将显示器发出的图像光传送到用户的瞳孔，在用户的近目范围实现虚拟、放大图像，为用户提供直观可视的图像、视频信息，其中近眼光学***是头戴显示设备的核心，实现将显示器上的图像显示在人眼前形成虚拟放大图像的功能。

为了给用户提供极佳的感官体验，近眼光学***通常需要具备较大的视场角、较远的眼距距离、较小的体积以及较高品质的成像，目前市面上的近眼光学***由之前的单一透镜结构向多透镜组合或菲涅尔透镜阵列结构方向演变；菲涅尔透镜阵列实际上可以看作一个微透镜的阵列，每个微透镜都可以起到聚光的效果，同时又节省了大量的材料。由于菲涅尔透镜削减了透镜的厚度，但是会出现成像质量低的问题，而且微透镜阵列中的每个微透镜的曲率都是一致的，会导致不同的视场经过同样曲率的微透镜时产生很严重的像散，尤其是当视场角增加时，微透镜阵列无法将大角度的像差消除，这会造成边缘影像模糊，从而导致整个光学***的分辨率低。因此，如何降低近眼光学***的体积并提高视场角及各视场上的成像品质，是本领域相关人员所关注的焦点。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种VR光学***及显示装置，至少具有总长小、视场角大、分辨率高的特点。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

一方面，本发明提供一种VR光学***，包括靠近人眼侧的一个光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列；

所述光学透镜具有正光焦度，所述光学透镜具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述第一表面和所述第二表面中至少一个为非球面，所述第一表面为凹面，所述第二表面为凸面；所述第一表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧至显示侧依次包括反射式偏振片和相位延迟片；所述第二表面设置有部分反射器；

所述微透镜阵列具有相对设置的靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面；所述微透镜阵列的第一表面上具有多个微透镜单元，所述多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距；所述微透镜阵列的第二表面为平面；

其中，所述VR光学***满足条件式：0.5<TTL/(f×tanθ)<1.5，TTL表示所述光学透镜的第一表面至所述显示侧在光轴上的距离，f表示所述VR光学***的有效焦距，θ表示所述VR光学***的最大半视场角。

另一方面，本发明还提供一种近眼显示装置，包括：显示元件、如上所述的VR光学***；其中所述显示元件用于为VR光学***提供偏振光信号；所述VR光学***设置于所述显示元件的出光方向上，其中所述微透镜阵列相较于所述光学透镜更靠近所述显示元件的出光面；所述VR光学***用于对所述显示元件发出的光信号进行调制，以使人眼可以接收到经过调制的图像信息。

基于上述，本发明提供的VR光学***及近眼显示装置，通过设置靠近人眼侧的光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列，尤其是微透镜阵列中的各微透镜单元具有相同或者不同焦距，可以建立多重视场，对每个小范围内的视场进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质，提高VR***的解析力；同时由于在光学透镜的两表面设置特殊的膜层，和微透镜阵列搭配，可实现光路在光学***内的多次折返，不仅可以大大减小VR光学***的整体厚度，同时使各视场上的成像品质得到大幅提升，能够使所搭载的近眼显示装置具有更大的视场角、更加紧凑的结构且在整个视场内的解像较清晰，有效提升了用户的视觉体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1是本发明中实施例中提供的微透镜阵列的截面结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的VR光学***的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的VR光学***的MTF曲线图；

图4是本发明第二实施例提供的VR光学***的结构示意图；

图5是本发明第二实施例中不同微透镜单元对应视场处的光线图；

图6a是本发明第二实施例中微透镜单元Z1对应视场处的MTF曲线图；

图6b是本发明第二实施例中微透镜单元Z2对应视场处的MTF曲线图；

图6c是本发明第二实施例中微透镜单元Z3对应视场处的MTF曲线图；

图7是本发明第三实施例提供的VR光学***的结构示意图；

图8是本发明第三实施例提供的VR光学***的MTF曲线图；

图9是本发明第四实施例提供的VR光学***的结构示意图；

图10是本发明第四实施例中不同微透镜单元对应视场处的光线图；

图11a是本发明第四实施例中微透镜单元Z1对应视场处的MTF曲线图；

图11b是本发明第四实施例中微透镜单元Z2对应视场处的MTF曲线图；

图11c是本发明第四实施例中微透镜单元Z3对应视场处的MTF曲线图；

图11d是本发明第四实施例中微透镜单元Z4对应视场处的MTF曲线图；

图12是本发明第五实施例提供的VR光学***的结构示意图；

图13是本发明第五实施例中不同微透镜单元对应视场处的光线图；

图14a是本发明第五实施例中微透镜单元Z1对应视场处的MTF曲线图；

图14b是本发明第五实施例中微透镜单元Z2对应视场处的MTF曲线图；

图14c是本发明第五实施例中微透镜单元Z3对应视场处的MTF曲线图；

图14d是本发明第五实施例中微透镜单元Z4对应视场处的MTF曲线图；

图15是本发明第六实施例提供的近眼显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

在本文中，近光轴处是指光轴附近的区域。如透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少在近光轴区域为凸面；如透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少在近光轴区域为凹面。

本发明实施例提供一种VR光学***，包括靠近人眼侧的一个光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列。所述至少一个微透镜阵列包括一个第一微透镜阵列，所述第一微透镜阵列设置于所述光学透镜和所述显示侧之间。

进一步地，为更好平衡***的像差，所述VR光学***中至少一个微透镜阵列包括靠近所述光学透镜的第一微透镜阵列和靠近显示侧的第二微透镜阵列。

所述微透镜阵列具有相对设置的靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面；所述微透镜阵列的第一表面上具有多个微透镜单元，所述多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距；所述微透镜阵列的第二表面为平面；所述多个微透镜单元可以均为球面，还可以均为非球面，本发明并不以此为限制。

进一步地，所述第一微透镜阵列的微透镜单元和所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距相同或者不同。

进一步地，所述第一微透镜阵列的微透镜单元的焦距为正，所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距为正；或者所述第一微透镜阵列的微透镜单元的焦距为正，所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距为负。所述第一微透镜阵列的第一表面上的微透镜单元均为凸面；所述第二微透镜阵列的第一表面上的微透镜单元均为凸面或者凹面。第一、二微透镜阵列采用不同的焦距或者面型搭配，均能使VR光学***在整个视场内具有清晰的解像力。

所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列在垂直于光轴方向的宽度均相等。

所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列之间设置有玻璃基板或者空气间隙。

为便于理解本发明实施例中微透镜阵列的结构，请参阅图1，所示为本发明实施例提供的微透镜阵列40的结构示意图，在本发明实施例中的微透镜阵列40具有相同或者相似的结构，具体地，微透镜阵列40具有相对设置的第一表面41和第二表面42，微透镜阵列的第一表面41朝向人眼侧，微透镜阵列的第二表面42朝向显示侧(显示元件一侧)。微透镜阵列40具有多个微透镜单元401构成，多个微透镜单元401可以矩阵方式排列，也可以是其它阵列方式排列，具体以实际需求为准。各微透镜单元401分别具有第一光学面和第二光学面，各微透镜单元401的第一光学面形成微透镜阵列的第一表面41，各微透镜单元401的第二光学面形成微透镜阵列的第二表面42。每一个微透镜单元401的焦距可以是相同的，也可以是不同的。当各微透镜单元401上的焦距不同时，例如，在通过位于微透镜阵列40中心的微透镜单元401的水平线或垂直线上的多个微透镜单元401中，焦距的变化可以是由中心的微透镜单元往左右两侧或上下两侧逐渐改变；在一些实施例中，焦距的变化可以是从中心往左右两侧或上下两侧变大，或者焦距的变化可以是从中心往左右两侧或上下两侧变小，具体根据需求作出选择。在各微透镜单元401具有不同焦距的实施例中，可以建立多重视场(如Z1对应中心视场，Z2对应中心向边缘视场过渡的视场，Z3对应边缘视场等等，具体视场区域的划分可以按照微透镜阵列中微透镜单元焦距变化幅度来定，在此处不作限定)，对每个小范围内的视场进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质。

所述光学透镜具有正光焦度，所述光学透镜具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述第一表面和所述第二表面中至少一个为非球面，所述第一表面为凹面，所述第二表面为凸面，本发明并不以此为限制。

为了更好减小VR光学***的总长，在光学***中的特定表面上设置膜层以实现光路的多次折返，扩大光路总长。具体的，在所述光学透镜的第一表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧至显示侧依次包括反射式偏振片和相位延迟片；所述相位延迟片可以是镀设在第一表面上的1/4波片膜，能够实现线偏振光和圆偏振光的互相转换；所述反射式偏振片可以是通过镀膜方式形成的反射式偏振膜，并被配置为对S线偏振光全反射和P线偏振光全透过。所述光学透镜的第二表面上设置有部分反射器，具体的，部分反射器可以是镀设或者贴附在S2表面的半透半反射膜。

作为一种实施方式，当光学***中的透镜或微透镜单元的某些表面为非球面时，非球面面型满足下列方程：

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数con i c，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

在一些实施例中，所述VR光学***满足以下条件式：

0.5<TTL/(f×tanθ)<1.5；

其中，TTL表示所述光学透镜的第一表面至所述显示侧在光轴上的距离，f表示所述VR光学***的有效焦距，θ表示所述VR光学***的最大半视场角。满足上述条件，能够使VR***获得更小的光学长度，同时实现更大的视场角，能够更好满足近眼显示装置的发展方向。

在一些实施例中，所述VR光学***满足以下条件式：

0.12mm/°<TTL/θ<0.2mm/°。

满足上述条件，说明本发明提供的VR光学***具有较小的总长以及较大的视场角，本发明通过在光学透镜的两表面设置特殊的膜层，可实现光路在光学***内的多次折返，不仅可以大大减小VR光学***的整体厚度，使其具有更加紧凑的结构；同时与至少一个微透镜阵列搭配，可对每个小范围的视场进行优化，使其在各个视场内均具有清晰的成像品质，能够更好满足近眼显示装置的发展方向。

在一些实施例中，所述VR光学***满足以下条件式：

0.2<f1/f<2；

其中，f1表示所述光学透镜的焦距。焦距的大小与视场角的大小成反比，整个VR***的构造是一个光学透镜和至少一个微透镜阵列透镜搭配组合，在VR***中光学透镜的焦距f1是比较稳定的，满足上述条件，通过合理限定使得VR***的焦距f控制在一定的范围内，保证***获得足够大的视场角，增强***的透视感，同时也可有效控制***的加工成本。

在一些实施例中，所述VR光学***满足以下条件式：

1<R1/R2<5；

-8<R1/f<-2；

其中，R1表示所述光学透镜的第一表面的曲率半径，R2表示所述光学透镜的第二表面的曲率半径。满足上述条件，通过设置光学透镜为朝显示侧弯曲的弯月形正透镜，能够使光路在***内部折叠效果更好，使整个***的总长更薄；同时可使光学透镜的第一表面具有更好的聚光能力，增大光线的入射角；而且通过设置使第二表面的曲率大于第一表面，不仅可以使第二表面具有一些光学性能的增益，又可使第二表面的面型具有较为平缓的趋势，以满足较为严苛的加工需求。

在一些实施例中，所述VR光学***满足以下条件式：

0.5<f2/f<1.5；

其中，f2表示所述第一微透镜阵列上微透镜单元的焦距。满足上述条件式，通过使f2/f的比值在一定的范围内，可以让微透镜单元获得合理的焦距，从而获得很好的光线聚焦能力，并且对实际加工微透镜单元有利。

本发明实施例还提供一种近眼显示装置，包括显示元件和上述的VR光学***；其中,显示元件用于为VR光学***提供偏振光信号。所述VR光学***设置于所述显示元件的出光方向上，其中所述微透镜阵列相较于所述光学透镜更靠近所述显示元件的出光面；所述VR光学***用于对所述显示元件发出的光信号进行调制，以使人眼侧可以接收到经过调制的图像信息。所述近眼显示装置中的光线传播路径为：显示元件发出的偏振光光源信号(图像信息)经由微透镜阵列透射至光学透镜，光信号进入光学透镜内经过二次折返后传递至人的眼睛(人眼侧)，人的眼睛可在远方(瞳孔前方较远处)形成虚拟、放大图像，因此，佩戴近眼显示装置的用户可看到直观可视的图像、视频信息。

在一些实施例中，所述显示元件可以是平面显示屏。在一些实施例中，所述显示元件还可以是曲面显示屏，由于人的眼球是凸起有弧度的，曲面屏幕的弧度可以保证发出的光线到人眼睛的距离均等，从而曲面屏幕可以带来更好的感官体验。

本发明提供的近眼显示装置采用一片设置有特殊膜层的光学透镜+至少一片微透镜阵列+显示元件，通过光路折返可大大减小近眼光学***的光学总长，进而实现所搭载装置的轻薄化，同时可使光学***在整个视场内的解像较清晰，有效提升了用户的视觉体验。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

图2是本发明第一个实施例提供的VR光学***100的结构示意图，所述VR光学***100从人眼侧S0至显示侧S5依次包含光学透镜L1、第一微透镜阵列L2，图2示出了光线在VR光学***100内的传播示意图。

光学透镜L1具有正光焦度，其焦距为5.734mm，光学透镜L1具有靠近人眼侧的第一表面S1和远离人眼侧的第二表面S2，其第一表面S1为凹面、第二表面S2为凸面，第一表面S1和第二表面S2均为非球面,采用非球面镜片有利于控制光线的折射方向，从而增大进入人眼的观察视角，以获得足够的沉浸感。为了更好减小光学***的总长，在光学***中的特定表面上设置膜层以实现光路的多次折返，扩大光路总长。具体的，在光学透镜L1的第一表面S1上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧S0至显示侧S5依次包括反射式偏振片和相位延迟片。所述相位延迟片可以是镀设在第一表面S1上的1/4波片膜，能够实现线偏振光和圆偏振光的互相转换；所述反射式偏振片可以是通过镀膜方式形成的反射式偏振膜，并被配置为对S线偏振光全反射和P线偏振光全透过。在光学透镜L1的第二表面S2上设置有部分反射器，具体的，部分反射器可以是镀设或者贴附在第二表面S2上的半透半反射膜。

微透镜阵列(MLA，M icro l ens Array)是由数个通光孔径及浮雕深度为微米级的微透镜单元按照特定的排列而成的阵列。通过调整微透镜阵列中微透镜单元的形状、焦距、排布结构方式、占空比等，可实现一定光学功能，提高光学***的集成度和性能。微透镜阵列和传统透镜一样，最小功能单元-微透镜单元可以是球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜等，同样能在微光学角度实现聚焦、成像、光束变换等功能，而且因为单元尺寸小、集成度高，使得它能构成许多新型的光学***，完成传统光学元件无法完成的功能。微透镜阵列的结构从最小功能单元的排列方法可分为单排式、M*N排列、满布式等，同时可分为单面阵列和双面阵列，其中满布式排列可以无限拓展，没有明显的边界，可以灵活地设置不同尺寸，以满足产品功能需求。如图1所示，为满布式排列的微透镜阵列二维平面示意图，微透镜阵列在X轴方向和Y轴方向均设置有多个微透镜单元，其中X轴和Y轴上的微透镜单元数量和微透镜阵列宽度根据成像需要进行设置。

具体到本发明的实施例中，所述第一微透镜阵列L2为单面阵列，具体地，第一微透镜阵列L2的第一表面S3有多个微透镜单元组成，为了更好实现对每个视场角的入射光线的汇聚，本实施例中的第一微透镜阵列L1在X轴和Y轴上的微透镜单元分别有10个，也即10*10的微透镜阵列，在X轴和Y轴上的宽度均为5mm；居于中间位置的5*5个微透镜单元参与光学成像，在其它实施例中，也可以是居于中间位置的7*7个微透镜单元，还可以是其它数量排布，本发明不作限定，采用此种设置可以减少由于过多的微透镜单元之间的边缘导致成像拼接时出现的串色现象，也在一定程度上也减小了工艺的制造难度。

微透镜阵列中每个微透镜单元的曲率半径可以相同也可以不同，具体到本实施例中，第一微透镜阵列L2具有靠近人眼侧的第一表面S3以及远离人眼侧的第二表面S4；第一微透镜阵列L2中的各微透镜单元焦距相同且焦距值均为5.0mm，第一微透镜阵列L2的第一表面S3上的微透镜单元均为凸面，且每个微透镜单元均为球面。第一微透镜阵列L2的第二表面S4为平面，曲率半径为无穷。第一微透镜阵列L2中居于中间位置的5*5个微透镜单元参与光学成像。

在VR光学***中，光学透镜L1可选用树脂材料或者玻璃材料，微透镜阵列可采用玻璃材料，光学透镜L1和微透镜阵列可以采用高折射率的材料，这样可以使得VR光学***做得更薄，在保证VR***光学性能的前提下，有利于减轻显示装置的厚度和重量，具有更好的市场应用优势。

具体地，本实施例中VR光学***100中的参数如下表1所示，表中的间距为两相邻表面在光轴上的距离。

表1

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S1和第二表面S2均为非球面，则各个非球面的面型系数如下表2所示。

表2

面号	k	A4	A6	A8	A10
						S1	-0.381	-5.618E-03	2.835E-006	7.005E-009	-1.044E-010
S2	-0.592	-3.679E-003	-1.111E-005	-1.797E-008	1.299E-011

根据表1和表2设置获得的VR光学***100具有单眼100°的大视场角、较大的出瞳距离(EPD为11.6mm)，由于采用一个常规的光学透镜+一个微透镜阵列+特殊的膜层设置，可实现光路在光学***内的多次折返，在增大光路总长的同时大大减小了VR光学***的整体厚度，使光学总长TTL(从光学透镜L1的第一表面至显示侧在光轴上的距离)可减小至9.32mm，而且使各视场上的成像品质得到大幅提升，如图3所示为本发明提供的VR光学***100的MTF曲线，从MTF性能图中可以看出：VR光学***100的中心视场在全频率21l p/mm的MTF值接近于78％，整个视场的分辨率也是可以满足人眼成像需求的。因此本发明提供的VR光学***100在应用时，可以具有更大的视场角、更加紧凑的结构且在整个视场内的解像较清晰，有效提升了用户的视觉体验。

第二实施例

图4是本发明第二实施例提供的VR光学***200的结构示意图，所述VR光学***200从人眼侧S0至显示侧S5依次包含光学透镜L1、第一微透镜阵列L2，其中，第一微透镜阵列L2具有多重结构，针对不同的视场通过不同的微透镜单元进行优化微透镜单元的曲率，以便微透镜找到相对最优的解，提升每个视场的成像清晰度，具体可参见图5中不同微透镜单元对应视场处的光线图可知，对每个小范围内的视场(如微透镜单元Z1、Z2、Z3)进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质。

本实施例中的VR光学***200与第一实施例中的VR光学***100具有相似的结构与功能。不同之处主要在于：

(1)光学透镜L1的焦距、曲率等有所差异。具体地，在本实施例中，光学透镜L1的焦距5.215mm；光学透镜L1的第一表面S1上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧S0至显示侧S5依次包括反射式偏振片和相位延迟片；光学透镜L1的第二表面S2上设置有部分反射器。

(2)第一微透镜阵列L2上的各微透镜单元具有不同的焦距，假设微透镜阵列上从***光轴中心到透镜边缘的微透镜单元标号依次为Z1、Z2、Z3，具体每个微透镜单元的曲率半径及对应焦距如表5所示，如在光轴中心处的微透镜单元Z1的曲率半径为3.141mm,对应该处微透镜单元Z1的焦距为3.490mm；微透镜单元Z2的曲率半径为3.138mm,对应该处微透镜单元Z2的焦距为3.486mm；微透镜单元Z3的曲率半径为3.075mm,对应该处微透镜单元Z3的焦距为3.417mm。具体地，第一微透镜阵列L2中的微透镜单元均为凸面，且均为球面。

具体地，本实施中VR光学***200的各项参数如下表3所示。

表3

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S1、第二表面S2均为非球面，各非球面的面型系数如下表4所示。

表4

面号	k	A4	A6	A8	A10
						S1	0.087	-7.404E-003	-3.702E-006	5.320E-009	-6.967E-011
S2	-0.406	-3.827E-003	-1.538E-005	-3.292E-008	-6.806E-011

表5

根据表3、表4和表5设置获得的VR光学***200具有单眼102°的大视场角、较大的出瞳距离(EPD为11.595mm)，由于在光学透镜L1的两侧表面设置有特殊的膜层，可实现光路的多次折返，使整个***具有较小的厚度(光学总长TTL为7.661mm)，同时由于第一微透镜阵列L2采用多重结构，可以对不同视场的光线进行优化，从而提升了每个视场的成像清晰度，使各视场上的成像品质得到大幅提升。如图6a至6b,所示为本发明提供的VR光学***200在不同微透镜单元对应视场处的MTF曲线，从各视场的MTF性能图中可以看出：VR光学***200的中心视场、中间视场、接近边缘的视场(如微透镜单元Z1、Z2、Z3对应视场)在全频率21l p/mm的MTF值大于40％，也即在整个视场能够获得较为清晰的成像质量，满足人眼的成像要求。因此本发明提供的VR光学***200相比光学***100中固定的微透镜单元焦距，光学***200具有更短的光学总长，更大的视野，更加优秀的分辨率。

第三实施例

图7是本发明第三实施例提供的VR光学***300的结构示意图，所述VR光学***300从人眼侧S0至显示侧S9依次包含光学透镜L1、第一微透镜阵列L2、第二微透镜阵列L3，其中，第一微透镜阵列L2、第二微透镜阵列L3之间设置有基底G1，所述基底G1为玻璃基板，所述玻璃基板G1不具有光焦度。图7示出了光线在VR光学***300内的传播示意图。

光学透镜L1的焦距为5.734mm，光学透镜的第一表面S1为凹面，第二表面S2为凸面，第一表面S1和第二表面S2均为非球面。光学透镜L1的第一表面S1上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧S0至显示侧S7依次包括反射式偏振片和相位延迟片；光学透镜L1的第二表面S2上设置有部分反射器。

第一微透镜阵列L2上的各微透镜单元具有相同的焦距，第二微透镜阵列L3上的各微透镜单元也具有相同的焦距，但是第一、二微透镜阵列上的微透镜单元的焦距可以相同，也可以不同，具体根据实际需求设置。具体地，第一微透镜阵列L2的第一表面S3上微透镜单元的焦距为5.556mm，第二微透镜阵列L3的第一表面S5上微透镜单元的焦距为8.889mm。第一微透镜阵列L2的第一表面S3和第二微透镜阵列L3的第一表面S5上的微透镜单元均为凸面且为球面，第一微透镜阵列L2的第二表面S4和第二微透镜阵列L3的第二表面S6均为平面，曲率半径为无穷。单个微透镜阵列上的微透镜单元的曲率和焦距设置为相同，有利于降低加工工艺的难度。

具体地，本实施中VR光学***300的各项参数如下表6所示。

表6

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S1和第二表面S2的非球面面型系数如下表7所示。

表7

面号	k	A4	A6	A8	A10
						S1	-0.381	-5.618E-003	2.835E-006	7.005E-009	-1.044E-010
S2	-0.592	-3.679E-003	-1.111E-005	-1.7970E-008	1.299E-011

根据表6和表7设置获得的VR光学***300具有单眼116°的超大视场角、较大的出瞳距离(EPD为11.595mm),且具有较小的光学厚度(光学总长TTL为8.28mm)，而且各视场上的成像品质得到大幅提升，如图8所示为本发明提供的VR光学***300的MTF曲线，从MTF性能图中可以看出：VR光学***300的中心视场在全频率21l p/mm的MTF值70％，整个视场也可满足人眼的成像要求。

在本实施例中，第一、二微透镜阵列均采用凸微透镜的结构，具有更高的特定性，尤其在涉及高紧凑的元件集成或者需要提高***的稳定时，双凸微透镜阵列的光路更具有优势。

第四实施例

图9是本发明第四实施例提供的VR光学***400的结构示意图，所述VR光学***400从人眼侧S0至显示侧S7依次包含光学透镜L1、第一微透镜阵列L2、第二微透镜阵列L3。图10示出了VR光学***400中不同微透镜单元对应视场处的光线图，如微透镜单元Z1、Z2、Z3、Z4，从图中可以看出，每个小视场范围内的光线均得到了优化。

本实施例中的VR光学***400与第三实施例中的VR光学***300具有相似的结构与功能，不同之处主要在于：

(1)光学透镜L1的焦距为5.734mm；

(2)第一微透镜阵列L2和第二微透镜阵列L3之间的基底是空气，采用空气作为两微透镜阵列之间的基底，有利于减轻整个VR光学***的重量。

(3)第一微透镜阵列L2为微凸微透镜、第二微透镜阵列L3为微凹微透镜，且微透镜阵列中的每个微透镜单元的焦距和曲率是不相同的，具体地，假设微透镜阵列上从***光轴中心处到透镜边缘的微透镜单元标号依次为Z1、Z2、Z3、Z4，具体每个微透镜单元的曲率半径及对应焦距如表10所示，如在第一微透镜阵列L2的光轴中心处的微透镜单元Z1的曲率半径为4.990mm,对应该处微透镜单元Z1的焦距为5.545mm；微透镜单元Z2的曲率半径为5.007mm,对应该处微透镜单元Z2的焦距为5.563mm；微透镜单元Z3的曲率半径为4.960mm,对应该处微透镜单元Z3的焦距为5.511mm；微透镜单元Z4的曲率半径为5.037mm,对应该处微透镜单元Z4的焦距为5.596mm。第二微透镜阵列L3的光轴中心处的微透镜单元Z1的曲率半径为-18.881mm,对应该处微透镜单元Z1的焦距为-20.979mm；微透镜单元Z2的曲率半径为-19.703mm,对应该处微透镜单元Z2的焦距为-21.892mm；微透镜单元Z3的曲率半径为-18.499mm,对应该处微透镜单元Z3的焦距为-20.555mm；微透镜单元Z4的曲率半径为-18.162mm,对应该处微透镜单元Z4的焦距为-20.180mm。

具体地，本实施例中VR光学***400的各项参数如下表8所示。

表8

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S1和第二表面S2的非球面面型系数如下表9所示。

表9

面号	k	A4	A6	A8	A10
						S1	-0.399	-5.642E-003	2.965E-006	7.707E-009	-9.909E-011
S2	-0.582	-3.668E-003	-1.133E-005	-1.861E-008	1.034E-011

表10

根据表8、表9和表10设置获得的VR光学***400具有单眼118°超大视场角、较大的出瞳距离(EPD为11.6mm)以及较小的整体厚度(光学总长TTL为8.514mm)，如图11a至11d所示为本发明提供的VR光学***400在不同微透镜单元对应视场处的MTF曲线，从各视场对应的MTF性能图中可以看出：VR光学***400的中心视场在全频率21l p/mm的MTF值大于60％，中间视场和边缘视场处的MTF性能也进行了优化，说明VR光学***400的中心视场在全频率的MTF值是可以满足人眼识别图像分辨率要求的。

在本实施例中，第一微透镜阵列L2采用正光焦度的微凸透镜单元，第二微透镜阵列L3采用负光焦度的微凹透镜单元，采用正、负搭配的微透镜阵列组合具有很高的特定性，可更好消除大角度处的像差，光路也具有优势，提高整体的成像清晰度。

第五实施例

图12是本发明第五实施例提供的VR光学***500的结构示意图，图13示出了VR光学***500中不同微透镜单元对应视场处的光线图，如微透镜单元Z1、Z2、Z3、Z4，从图中可以看出，每个小视场范围内的光线均得到了优化。

本实施例中的VR光学***500与第四实施例中的VR光学***400具有相似的结构与功能，不同之处主要在于：

(1)光学透镜L1的焦距为5.692mm；

(2)第一微透镜阵列L2和第二微透镜阵列L3之间的基底是玻璃，采用玻璃材质作为基底，有利于增加光学***的成像稳定。

(3)第一微透镜阵列L2为微凸微透镜、第二微透镜阵列L3为微凸微透镜，且微透镜阵列的每个微透镜单元的焦距和曲率都是不相同的，第一微透镜阵列L2上的各微透镜单元具有不同的焦距，第二微透镜阵列L3上的各微透镜单元也具有不同的焦距，具体每个微透镜单元的曲率半径及对应焦距如表13所示。

具体地，本实施中VR光学***500的各项参数如下表11所示。

表11

在本实施例中，光学透镜L1的第一表面S1和第二表面S2的非球面面型系数如下表12所示。

表12

面号	k	A4	A6	A8	A10
						S1	-0.352	-5.640E-003	2.550E-006	6.851E-009	-1.044E-010
S2	-0.577	-3.713E-003	-1.144E-005	-1.925E-008	9.204E-012

表13

根据表11、表12和表13设置获得的VR光学***500具有单眼115°超大视场角、较大的出瞳距离(EPD为11.595mm)以及较小的整体厚度(光学总长TTL为8.247mm)。如图14a至14d所示,所示为本发明提供的VR光学***500在不同微透镜单元对应视场处的MTF曲线，从各视场对应的MTF性能图中可以看出：VR光学***500的中心视场在全频率21l p/mm的MTF值大于60％，中间视场和边缘视场处的MTF性能也进行了优化，说明VR光学***500的中心视场在全频率的MTF值是可以满足人眼识别图像分辨率要求的。

在本实施例中，第一微透镜阵列L2和第二微透镜阵列L3均采用正光焦度的微凸透镜单元，再加上设置的玻璃基底，使得整个光学***的稳定性更高，结构更牢固。

请参阅表14，所示为上述五个实施例中提供的VR光学***与前述的每个条件式对应的相关数值。

第六实施例

图15为本发明实施例提供的一种近眼显示装置600的结构示意图，该近眼显示装置600沿光线入射方向OX从显示侧到人眼侧依次包括显示元件10和第二微透镜阵列L3、玻璃基板(或空气间隙)G1、第一微透镜阵列L2和光学透镜L1，光学透镜L1的第一表面上设置有复合膜层、第二表面设置有部分反射器；其中,显示元件10用于为VR光学***提供偏振光信号，所述偏振光信号包括图像信息。第二微透镜阵列L3、玻璃基板(或空气间隙)G1、第一微透镜阵列L2和光学透镜L1组成VR光学***20，所述VR光学***20可以选自上述实施例中的VR光学***100/200/300/400/500中的任意一种。所述VR光学***20设置于显示元件10的出光方向上，其中第二微透镜阵列L3相较于光学透镜L1更靠近所述显示元件10的出光面；所述VR光学***20用于对所述显示元件10发出偏振光的光信号进行调制，以使人眼侧可以接收到经过调制的图像信息。所述近眼显示装置600中的光线传播路径为：显示元件10发出的偏振光光源信号(图像信息)经由微透镜阵列L3和L2透射至光学透镜L1，由于光学透镜L1的第一、二表面上分别设置有复合膜层和部分反射器，可使光信号在光学透镜L1内经过两次折返后传递至人的眼睛30(人眼侧)，人的眼睛可在远方(瞳孔前方较远处)形成虚拟、放大图像，因此，佩戴近眼显示装置的用户可看到直观可视的图像、视频信息。

具体在本实施方式中，显示元件10可以是显示屏，其发射用于成像显示的光线，其发出的光线可以是左旋圆偏振光，能够更好实现光线在***内部的多次折返，减小***的光学总长。

进一步地，光学透镜L1的第二表面设置有部分反射器，具体在本实施例中，部分反射器可以是镀设或贴附在第二表面上的半透半反射膜。光学透镜L1的第一表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层沿光线入射方向依次包括相位延迟片和反射式偏振片，其中，所述相位延迟片可以是镀设在第一表面上的1/4波片膜，能够实现线偏振光和圆偏振光的互相转换；所述反射式偏振片可以是通过镀膜方式形成的反射式偏振膜，并被配置为对S线偏振光全反射和P线偏振光全透过。

综上所述，本发明提供的VR光学***及近眼显示装置，通过设置靠近人眼侧的具有特殊膜层的光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列透镜，尤其是微透镜阵列中的各微透镜单元具有相同或者不同焦距，可以建立多重视场，对每个小范围内的视场进行优化，从而可以得到更为清晰的成像品质，提高VR***的解析力；同时由于在光学透镜上设置的特殊膜层，能够实现光路的多次折返，有效扩大了光路总长，使光学***具有较短的光学总长，即实现了光学折叠技术和微透镜阵列的有效组合，不仅可以有效减小VR光学***的整体厚度，还可以有效提升***在不同视场角处的成像质量，能够使所搭载的近眼显示装置具有更大的视场角、更加紧凑的结构且在整个视场内的解像较清晰，有效提升了用户的视觉体验。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种VR光学***，其特征在于，包括靠近人眼侧的一个光学透镜和靠近显示侧的至少一个微透镜阵列；

所述光学透镜具有正光焦度，所述光学透镜具有靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面，所述第一表面和所述第二表面中至少一个为非球面，所述第一表面为凹面，所述第二表面为凸面；所述第一表面上设置或贴附有复合膜层，所述复合膜层从人眼侧至显示侧依次包括反射式偏振片和相位延迟片；所述第二表面设置有部分反射器；

所述微透镜阵列具有相对设置的靠近人眼侧的第一表面和远离人眼侧的第二表面；所述微透镜阵列的第一表面上具有多个微透镜单元，所述多个微透镜单元具有相同或者不同的焦距；所述微透镜阵列的第二表面为平面；

其中，所述VR光学***满足条件式：0.5<TTL/(f×tanθ)<1.5，TTL表示所述光学透镜的第一表面至所述显示侧在光轴上的距离，f表示所述VR光学***的有效焦距，θ表示所述VR光学***的最大半视场角。

2.根据权利要求1所述的VR光学***，其特征在于，至少一个所述微透镜阵列包括设置于所述光学透镜和所述显示侧之间的第一微透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的VR光学***，其特征在于，至少一个所述微透镜阵列包括靠近所述光学透镜的第一微透镜阵列和靠近显示侧的第二微透镜阵列。

4.根据权利要求3所述的VR光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列的微透镜单元和所述第二微透镜阵列的微透镜单元的焦距相同或者不同。

5.根据权利要求2或者3所述的VR光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列的微透镜单元的焦距为正，所述第一微透镜阵列的第一表面上的微透镜单元均为凸面,所述发明的微透镜阵列的微透镜单元并不局限于为凸面，或凸面或凹面。

6.根据权利要求3所述的VR光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列在垂直于光轴方向的宽度相等或不等。

7.根据权利要求3所述的VR光学***，其特征在于，所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列之间设置有玻璃基板或者空气间隙。

8.根据权利要求1所述的VR光学***，其特征在于，所述VR光学***满足条件式：

0.12mm/°<TTL/θ<0.2mm/°。

9.根据权利要求1所述的VR光学***，其特征在于，所述VR光学***满足条件式：

0.2<f1/f<2；

其中，f1表示所述光学透镜的焦距。

10.根据权利要求1所述的VR光学***，其特征在于，所述VR光学***满足条件式：

1<R1/R2<5；

其中，R1表示所述光学透镜的第一表面的曲率半径，R2表示所述光学透镜的第二表面的曲率半径。

11.根据权利要求1所述的VR光学***，其特征在于，所述VR光学***满足条件式：

-8<R1/f<-2；

其中，R1表示所述光学透镜的第一表面的曲率半径。

12.根据权利要求2或者3所述的VR光学***，其特征在于，所述VR光学***满足条件式：

0.5<f2/f<1.5；

其中，f2表示所述第一微透镜阵列上微透镜单元的焦距。

13.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：

显示元件,所述显示元件用于为VR光学***提供偏振光信号；

如权利要求1-12任一项所述的VR光学***，所述VR光学***设置于所述显示元件的出光方向上，其中所述微透镜阵列相较于所述光学透镜更靠近所述显示元件的出光面；所述VR光学***用于对所述显示元件发出的光信号进行调制，以使人眼侧可以接收到经过调制的图像信息。

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