CN116338959A - 光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学镜头领域,公开了一种光学***,自前侧至后侧依次包含:用于发射光线的影像面、圆起偏器、第三透镜、分束器、第二透镜、四分之一波片、第一透镜、偏振反射膜及光圈,圆起偏器贴设于影像面的后侧,分束器贴设于第二透镜的前侧表面,第一透镜与第二透镜胶合设置,四分之一波片设于第一透镜和第二透镜之间,偏振反射膜贴设于第一透镜的后侧表面,光学***的最大可视直径为VD,光学***中各透镜的最大有效半径为SDmax,光学***的出瞳距离为L,第一透镜和第二透镜的组合焦距为f12,光学***的焦距为f,且满足以下条件式:VD≥16.00mm,SDmax≤30.00mm,L≤10.00mm,f12/f≤1.00。
Description
技术领域
本发明涉及近眼显示技术领域,特别涉及一种光学***。
背景技术
随着智能头戴装置的相关科技于今年来快速发展,配备光学镜头的电子装置的应用更加广泛,对于光学镜头的要求也更加多样化,在虚拟现实、增强现实与混合现实等领域的应用快速成长,从用户体验出发,对兼具小体积和优良成像方式的光学***的需求十分迫切。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种光学***,其具有良好光学性能的同时,满足较小体积、较轻重量的设计要求。
为解决上述技术问题,本发明的实施方式提供了一种光学***,自前侧至后侧依次包含:用于发射光线的影像面、圆起偏器、第三透镜、分束器、第二透镜、四分之一波片、第一透镜、偏振反射膜及光圈,所述圆起偏器贴设于所述影像面的后侧,所述分束器贴设于所述第二透镜的前侧表面,所述第一透镜与所述第二透镜胶合设置,所述四分之一波片设于所述第一透镜和所述第二透镜之间,所述偏振反射膜贴设于所述第一透镜的后侧表面,所述光学***的最大可视直径为VD,所述光学***中各透镜的最大有效半径为SDmax,所述光学***的出瞳距离为L,所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距为f12,所述光学***的焦距为f,且满足以下条件式:
VD≥16.00mm,SDmax≤30.00mm,L≤10.00mm,f12/f≤1.00。
优选地,所述第一透镜与所述第二透镜的胶合面为平面。
优选地,所述第一透镜的后侧表面、所述第二透镜的前侧表面、所述第三透镜的前侧表面及所述第三透镜的后侧表面均为非球面。
优选地,所述分束器为半透半反膜层,其反射率为X,45.00%≤X≤65.00%。
优选地,所述光学***的视场角为FOV,满足85.00°≤FOV≤95.00°。
优选地,所述光学***的光学总长为TTL,满足TTL≤15.00mm。
优选地,所述偏振反射膜的透射轴透过率大于等于91.00%,所述偏振反射膜的反射轴反射率大于等于98.00%。
优选地,所述光学***的光学畸变为DIST,满足|DIST|≤30.00%。
优选地,所述光学***的色差为Lc,Lc≤30.00μm。
优选地,所述光学***在最大可视直径内的均平方根半径的最大值为RM,RM≤30.00μm。
优选地,所述光学***的主光角为CAR,CAR≤25.00°。
优选地,所述光学***的光学总长为TTL,所述光学***的焦距为f,满足TTL/f≤1.00。
优选地,所述影像面为显示器,尺寸为1.3英寸。
本发明的有益效果在于:通过将第一透镜与第二透镜胶合设置,并将分束器贴设于第二透镜的前侧表面,四分之一波片设于第一透镜和第二透镜之间,偏振反射膜贴设于第一透镜的后侧表面,实现光路折叠结构,并控制透镜的半口径,减小光学***的体积;同时,最大可视直径大于等于16.00mm,使用户不需要繁琐的调整即可得到最佳显示效果,兼具了小体积和高成像性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式中的技术方案,下面将对实施方式描述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方式,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,其中:
图1是本发明第一实施方式的光学***的结构示意图;
图2是图1所示光学***的点列图;
图3是图1所示光学***的倍率色差示意图;
图4是图1所示光学***的场曲及畸变示意图;
图5是图1所示光学***的包含膜层结构的示意图;
图6是本发明第二实施方式的光学***的部分结构示意图;
图7是图6所示摄像光学镜头的点列示意图;
图8是图6所示摄像光学镜头的倍率色差示意图;
图9是图6所示摄像光学镜头的场曲及畸变示意图;
图10是图6所示光学***的包含膜层结构的示意图;
图11是本发明第三实施方式的光学***的部分结构示意图;
图12是图11所示摄像光学镜头的点列示意图;
图13是图11所示摄像光学镜头的倍率色差示意图;
图14是图11所示摄像光学镜头的场曲及畸变示意图;
图15是图11所示光学***的包含膜层结构的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而,本领域的普通技术人员可以理解,在本发明各实施方式中,为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是,即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改,也可以实现本发明所要求保护的技术方案。
(第一实施方式)
参考图1和图5,提供了一种光学***10自前侧至后侧依次包含:用于发射光线的影像面11、圆起偏器12、第三透镜13、分束器14、第二透镜15、四分之一波片16、第一透镜17、偏振反射膜18、光圈19。
所述圆起偏器12贴设于所述影像面11的后侧。本实施方式中,影响面11为显示器,尺寸为1.3英寸,显示器发出的光线经圆起偏器12后,形成左旋圆偏振光LCP,左旋圆偏振光LCP经所述第三透镜13折射后出射至所述分束器14。
所述分束器14贴设于所述第二透镜15的前侧表面151。出射至所述分束器14的左旋圆偏振光LCP一部分光线被所述分束器14反射,一部分光线入射至所述第二透镜15,此时入射至所述第二透镜15的光线仍为左旋圆偏振光LCP。
所述第一透镜17与所述第二透镜15胶合设置。通过胶合设置的方式可以减小光学模组的整体的体积,另外,通过胶合设置使两个透镜形成一个整体结构,在组装光学模组时,通过一次放置就可以完成两个镜片的安装。
在本实施例中,所述第一透镜17与所述第二透镜15的胶合面为平面。也就是说,第一透镜17的前侧表面171和所述第二透镜15的后侧表面153均为平面。
所述四分之一波片16设于所述第一透镜17和所述第二透镜15之间。入射至所述第二透镜15的左旋圆偏振光LCP经所述第二透镜15折射后出射至所述四分之一波片16,左旋圆偏振光LCP第一次经过四分之一波片16后转变成线偏振S光,线偏振S光经所述第一透镜17折射后出射至偏振反射膜18,随后在偏振反射膜18处又被反射至所述第一透镜17,并经所述第一透镜17折射后出射至四分之一波片16,此时的光线仍为线偏振S光,第二次经过四分之一波片16后转变为左旋圆偏振光LCP第二次入射至第二透镜15,且在经第二透镜15折射后入射至分束器14,并在分束器14处发生部分被反射,经反射的光线转变为右旋圆偏振光RCP第三次入射第二透镜15,且在经第二透镜15折射后入射至四分之一波片16,经过四分之一波片16转变为线偏振P光入射至所述第一透镜17,经所述第一透镜17折射后出射至偏振反射膜18,由于偏振反射膜18具有反射线偏振S光和透射线偏振P光的特性,线偏振光P经偏振反射膜18透射后进入光圈19。
光圈19的位置为模拟人眼表面的位置,所述光圈19的直径EPD为4.00mm,定义光学***10的最大可视直径为VD,VD=EPD+EYESHIFT*2,其中,EYESHIFT=眼球直径*sin(眼睛转动角度),设眼球直径=12mm,眼睛转动角度=30°时,EYESHIFT=6mm,VD为16.00mm,满足VD≥16.00mm,即,人眼在直径为至少16.00mm的范围内移动时均可看到清晰的图像,使用户不需要繁琐的调整就可以在最佳位置看到最好的显示效果,增大了FOV,使FOV可以达到90°以上。
定义光学***10中各透镜的最大有效半径为SDmax,在本实施例中,第一透镜17的有效半径为24.00mm,第二透镜15的有效半径为24.00mm第三透镜13的有效半径为17.20mm,均满足SDmax≤30.00mm,有利于减小光学***的体积。
定义光学***10的出瞳距离(是自光学***的第一透镜17的后侧表面173顶点到出瞳平面与光轴交点的距离)为L,本实施方式中,L为15.00mm,满足L≤15.00mm。
定义所述第一透镜17和所述第二透镜15的组合焦距为f12,所述光学***10的焦距为f,本实施方式中,f12为12.370mm,f为17.708mm,f12/f为0.699,满足f12/f≤1.00。
本实施方式中,所述第一透镜17的后侧表面173、所述第二透镜15的前侧表面151、所述第三透镜13的前侧表面131及所述第三透镜13的后侧表面133均为非球面。通过第一透镜17、第二透镜15的非球面设计可以调整显示图像的聚焦位置,从而减小显示图像的色差和畸变,提高成像品质。所述第三透镜13的非球面的应用有利于修正光学***的像差。在其他可选的实施方式中,也可以使用自由曲面。
本实施方式中,第一透镜17的后侧表面173为凹面;所述第二透镜15的前侧表面151为凸面,第三透镜13的前侧表面131为凸面,第三透镜13的后侧表面133为凹面。
本实施方式中,分束器14为半透半反膜层,定义其反射率为X,45.00%≤X≤65.00%。分束器的反射透射比例可以根据具体设计需求做调整。
定义光学***10的视场角为FOV,本实施方式中,FOV为89.73°,满足85.00°≤FOV≤95.00°,较大的视场角带来更好的用户体验。
定义光学***的光学总长(第三透镜13的前侧表面131至第一透镜17的后侧表面173的轴上距离)为TTL,本实施方式中,TTL为13.609mm,满足TTL≤15.00mm,有利于减小光学***的体积。
本实施方式中,所述偏振反射膜18的透射轴透过率大于等于91.00%,所述偏振反射膜18的反射轴反射率大于等于98.00%,更高的反射率提高光学***10的光线效能,增加显示亮度。
定义光学***的光学畸变为DIST,本实施方式中,DIST为-29.50%,满足|DIST|≤30.00%,畸变较小,给用户提供更真实的VR环境。
定义光学***10的色差为Lc,本实施方式中,Lc为15.14μm,满足Lc≤30.00μm。
定义光学***10在最大可视直径内的均平方根半径的最大值为RM,本实施方式中,RM为19.200μm,满足RM≤30.00μm。需要说明的是,RM与眼球转动角度一一对应,例如,眼球转动角度为30°时,RM即为人眼转动30°时所得到的成像效果的均平方根半径的最大值,本实施例中为19.200μm;眼球转动角度为0°时,RM即为人眼正对镜头的光轴时所得到的成像效果的均平方根半径的最大值,在本实施例中为1.873μm,在本实施方式中,最大值即在眼球转动角度30°时。在其他可选的实施方式中,最大值可以是眼球转动角度30°内的其他角度的均平方根半径,优选地,满足RM≤20.00μm。在对光学***的设计中,对各个眼球转动角度的对应位置的光学性能进行管控,设计效果更加贴近使用者的真实感受,人眼在VD范围内均能得到最佳视觉效果,提高用户体验。
定义光学***的主光角为CAR,本实施方式中,CAR为24.51°,满足CAR≤25.00°。
定义光学***10的焦距为f,本实施方式中,TTL为13.609mm,f为17.708mm,TTL/f为0.769,满足TTL/f≤1.00,有利于减小光学***的体积。
下面将用实例进行说明本发明的光学***10。各实例中所记载的符号如下所示。焦距、轴上距离、中心曲率半径、轴上厚度、反曲点位置、驻点位置的单位为mm。
表1、表2示出本发明第一实施方式的光学***10的设计数据。
【表1】
其中,各符号的含义如下。
R:光学面中心处的曲率半径;
R1:第一透镜17的后侧表面173的中心曲率半径;
R2:第一透镜17的前侧表面171的中心曲率半径;
R3:第二透镜15的后侧表面153的中心曲率半径;
R4:第二透镜15的前侧表面151的中心曲率半径;
R5:第三透镜13的后侧表面133的中心曲率半径;
R6:第三透镜13的前侧表面131的中心曲率半径;
d:透镜的轴上厚度、透镜之间的轴上距离(为便于理解光路,将光线从后侧向前侧传播设为正值,将光线从前侧向后侧传播设为负值);
d0:光圈19到第一透镜17的后侧表面173的轴上距离;
d1:第一透镜17的轴上厚度;
d2:第一透镜17的前侧表面171到第二透镜15的后侧表面151的轴上距离;
d3:第二透镜15的轴上厚度;
d4:第二透镜15的轴上厚度的负值;
d5:第一透镜17的前侧表面171到第二透镜15的后侧表面151的轴上距离的负值;
d6:第一透镜17的轴上厚度的负值;
d7:第二透镜15的前侧表面153到第三透镜13的后侧表面143的轴上距离;
d8:第三透镜13的轴上厚度;
d9:第三透镜13的前侧表面131到影像面11的轴上距离;
nd:d线的折射率;
n1:第一透镜17的d线的折射率;
n2:四分之一波片16的d线的折射率;
n3:第二透镜15的d线的折射率;
n4:第三透镜13的d线的折射率;
vd:阿贝数;
v1:第一透镜17的阿贝数;
v2:四分之一波片16的阿贝数;
v3:第二透镜15的阿贝数;
v4:第三透镜13的阿贝数。
表2示出本发明第一实施方式的光学***10中各透镜的非球面数据。
【表2】
为方便起见,各个透镜面的非球面使用下述公式(1)中所示的非球面。但是,本发明不限于该公式(1)表示的非球面多项式形式。
z=(cr2)/{1+[1-(k+1)(c2r2)]1/2}+A4r4+A6r6+A8r8+A10r10+A12r12+A14r14+A
16r16+A18r18+A20r20+A22r22+A24r24(1)
其中,k是圆锥系数,A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A18、A20、A22、A24、是非球面系数,c是光学面中心处的曲率,r是非球面曲线上的点与光轴的垂直距离,z是非球面深度(非球面上距离光轴为r的点,与相切于非球面光轴上顶点的切面两者间的垂直距离)。
图2、图3分别示出了波长为500nm、555nm、560nm、565nm、580nm、600nm的光经过第一实施方式的光学***10后的点列图以及倍率色差示意图。图4则示出了波长为560nm的光经过第一实施方式的光学***10后的场曲及畸变示意图,图4的场曲S是弧矢方向的场曲,T是子午方向的场曲。
本实施方式中,所述第一透镜17的焦距f1为-99.831mm,所述第二透镜15的焦距f2为66.169mm,所述第三透镜13的焦距f3为192.992mm,所述光学***10的入瞳直径ENPD为4.000mm,全视场像高IH为12.500mm,对角线方向的视场角FOV为89.73°,光学***10满足小体积、最大可视直径大于等于16.00mm的设计要求,其轴上、轴外色像差被充分补正,且具有优秀的光学特性。
(第二实施方式)
图6所示为本发明第二实施方式的光学***20,图10是图6所示光学***的包含膜层结构的示意图。第二实施方式与第一实施方式基本相同,符号含义与第一实施方式相同,以下只列出不同点。
本实施方式中,第三透镜13的前侧表面131为凹面。
表3、表4示出本发明第二实施方式的光学***20的设计数据。
【表3】
表4示出本发明第二实施方式的光学***20中各透镜的非球面数据。
【表4】
图7、图8分别示出了波长为550nm、555nm、560nm、565nm、570nm、575nm、580nm的光经过第二实施方式的光学***20后的点列图以及倍率色差示意图。图9则示出了波长为565nm的光经过第二实施方式的光学***20后的场曲及畸变示意图。图9的场曲S是弧矢方向的场曲,T是子午方向的场曲。
本实施方式中,所述第一透镜17的焦距f1为-985.238mm,所述第二透镜15的焦距f2为17.983mm,所述第三透镜13的焦距f3为-309.239mm,所述光学***10的入瞳直径ENPD为4.000mm,TTL为13.477mm,最大可视直径VD为16.00mm,最大有效半径SDmax为24.62mm,出瞳距离L为15.00mm,第一透镜17和第二透镜15的组合焦距f12为18.217mm,焦距f为18.304mm,f12/f为0.995,TTL/f为0.734,光学畸变|DIST|为29.90%,色差Lc为26.52μm,在最大可视直径内的均平方根半径的最大值为RM为21.342μm,主光角CAR为19.76°,全视场像高IH为12.500mm,对角线方向的视场角FOV为88.55°,光学***20满足小体积、最大可视直径大于等于16.00mm的设计要求,其轴上、轴外色像差被充分补正,且具有优秀的光学特性。
(第三实施方式)
图11所示为本发明第三实施方式的光学***30,图15是图11所示光学***的包含膜层结构的示意图。第三实施方式与第一实施方式基本相同,符号含义与第一实施方式相同,以下只列出不同点。
本实施方式中,第三透镜13的后侧表面133为凸面。
表5、表6示出本发明第三实施方式的光学***30的设计数据。
【表5】
表6示出本发明第三实施方式的光学***30中各透镜的非球面数据。
【表6】
图12、图13分别示出了波长为500nm、555nm、560nm、565nm、580nm、600nm的光经过第三实施方式的光学***30后的点列图以及倍率色差示意图。图14则示出了波长为560nm的光经过第三实施方式的光学***20后的场曲及畸变示意图。图14的场曲S是弧矢方向的场曲,T是子午方向的场曲。
本实施方式中,所述第一透镜17的焦距f1为-102.156mm,所述第二透镜15的焦距f2为11.074mm,所述第三透镜13的焦距f3为35.764mm,所述光学***10的入瞳直径ENPD为4.000mm,TTL为14.835mm,最大可视直径VD为16.00mm,最大有效半径SDmax为24.00mm,出瞳距离L为15.00mm,第一透镜17和第二透镜15的组合焦距f12为11.737mm,焦距f为14.888mm,f12/f为0.662,TTL/f为0.993,光学畸变|DIST|为19.30%,色差Lc为22.40μm,在最大可视直径内的均平方根半径的最大值为RM为22.323μm,主光角CAR为24.90°,全视场像高IH为12.500mm,对角线方向的视场角FOV为93.07°,光学***30满足小体积、最大可视直径大于等于16.00mm的设计要求,其轴上、轴外色像差被充分补正,且具有优秀的光学特性。
本领域的普通技术人员可以理解,上述各实施方式是实现本发明的具体实施方式,而在实际应用中,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (13)
1.一种光学***,其特征在于,自前侧至后侧依次包含:用于发射光线的影像面、圆起偏器、第三透镜、分束器、第二透镜、四分之一波片、第一透镜、偏振反射膜及光圈,所述圆起偏器贴设于所述影像面的后侧,所述分束器贴设于所述第二透镜的前侧表面,所述第一透镜与所述第二透镜胶合设置,所述四分之一波片设于所述第一透镜和所述第二透镜之间,所述偏振反射膜贴设于所述第一透镜的后侧表面,所述光学***的最大可视直径为VD,所述光学***中各透镜的最大有效半径为SDmax,所述光学***的出瞳距离为L,所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距为f12,所述光学***的焦距为f,且满足以下条件式:
VD≥16.00mm,SDmax≤30.00mm,L≤15.00mm,f12/f≤1.00。
2.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述第一透镜与所述第二透镜的胶合面为平面。
3.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述第一透镜的后侧表面、所述第二透镜的前侧表面、所述第三透镜的前侧表面及所述第三透镜的后侧表面均为非球面。
4.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述分束器为半透半反膜层,其反射率为X,45.00%≤X≤65.00%。
5.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述光学***的视场角为FOV,满足85.00°≤FOV≤95.00°。
6.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述光学***的光学总长为TTL,满足TTL≤15.00mm。
7.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述偏振反射膜的透射轴透过率大于等于91.00%,所述偏振反射膜的反射轴反射率大于等于98.00%。
8.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述光学***的光学畸变为DIST,满足|DIST|≤30.00%。
9.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述光学***的色差为Lc,Lc≤30.00μm。
10.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述光学***在最大可视直径内的均平方根半径的最大值为RM,RM≤30.00μm。
11.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述光学***的主光角为CAR,CAR≤25.00°。
12.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述光学***的光学总长为TTL,所述光学***的焦距为f,满足TTL/f≤1.00。
13.根据权利要求1所述的光学***,其特征在于,所述影像面为显示器,尺寸为1.3英寸。
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