CN117970643A - 光学*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学***，其自后侧至前侧依次包含：光圈；第一透镜；第二透镜；第三透镜；圆起偏器；影像面；所述圆起偏器贴设于所述影像面的后侧；所述第一透镜的前侧面或所述第二透镜的后侧面设有复合膜；所述复合膜包括反射偏振膜和四分之一波片，所述反射偏振膜设于所述四分之一波片的后侧；所述光学***的焦距为f，所述第二透镜的焦距为f2，所述第一透镜的后侧面的中心曲率半径为R1，所述第一透镜的前侧面的中心曲率半径为R2，所述第三透镜的后侧面的中心曲率半径为R5，所述第三透镜的前侧面的中心曲率半径为R6，所述光学***中各透镜的最大有效半径为SDmax，满足下列关系式：5.00≤f2/f≤9.00；1.30≤(R1+R2)/(R1‑R2)≤4.80；0.90≤R5/R6≤2.80；SDmax≤23.00mm。

Description

光学***

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，满足小型化、轻量化的设计要求。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种光学***，其特征在于，自后侧至前侧依次包含：光圈，位于所述光学***的后侧；第一透镜；第二透镜；第三透镜；圆起偏器；影像面；其中，所述圆起偏器贴设于所述影像面的后侧面；所述第一透镜的前侧面或所述第二透镜的后侧面或设有复合膜；所述复合膜包括反射偏振膜和四分之一波片，所述反射偏振膜设于所述四分之一波片的后侧；所述光学***的焦距为f，所述第二透镜的焦距为f2，所述第一透镜的后侧面的中心曲率半径为R1，所述第一透镜的前侧面的中心曲率半径为R2，所述第三透镜的后侧面的中心曲率半径为R5，所述第三透镜的前侧面的中心曲率半径为R6，所述光学***中各透镜的最大有效半径为SDmax，且满足下列关系式：5.00≤f2/f≤9.00；1.30≤(R1+R2)/(R1-R2)≤4.80；0.90≤R5/R6≤2.80；SDmax≤23.00mm。

优选的，所述光学***的眼盒尺寸为eyebox，满足eyebox≥12mm。

优选的，人眼到所述第一透镜后侧面的轴上距离为eyerelief，满足eyerelief≤16.50mm。

优选的，所述第一透镜的后侧面到所述影像面的轴上距离为TL，满足TL≤18.40mm。

优选的，所述光学***的光学总长为TTL，满足TTL≤34.80mm。

优选的，所述第一透镜的后侧面和前侧面、所述第二透镜的后侧面和前侧面、所述第三透镜的后侧面和前侧面均为非球面。

优选的，所述光学***的视场角为FOV，满足85.00°≤FOV≤95.00°。

优选的，所述第二透镜的前侧面镀有半透半反膜。

优选的，所述半透半反膜的透射率和反射率均为40.00％-60.00％。

优选的，所述反射偏振膜的透过率大于等于95.00％。

优选的，所述光学***的畸变为MIST，满足MIST≤35.00％。

优选的，所述光学***的色差为LC，满足LC≤100μm。

优选的，所述光学***的光学总长为TTL，满足TTL/f≤2.10。

优选的，所述影像面为显示器，其尺寸为1.0-1.3英寸。

本发明的有益效果在于：在第一透镜的前侧面或第二透镜的后侧面上设置由包括反射偏振膜和四分之一波片组成的复合膜，并在第二透镜的前侧面上设置半透半反膜，由此通过两片镜片参与实现光路折叠结构，极大缩减了光学***的光学总长TTL，从而减小了光学成像模组的体积，满足了VR设备小型化、轻量化的设计需求。同时，本发明提供的光学***可以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***的点列示意图；

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。

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。

参考图1-图10，本发明的技术方案提供了一种光学***100、200。图1、图6所示为本发明光学***100、200，该光学***100、200共包含三个透镜。具体的，所述光学***100、200自后侧至前侧依次包含：光圈11、第一透镜12、反射偏振膜13、四分之一波片14、第二透镜15、半透半反膜16、第三透镜17、圆起偏器18、影像面19。在本发明中，所述影像面19为显示器，其尺寸为1.0-1.3英寸；需要说明的是，在本发明中，后侧为人眼侧，前侧为显示器侧，前侧面指在光轴方向上朝向显示器侧的表面，后侧面指在光轴方向朝向人眼侧的表面。

具体的，所述影像面19发出的光线经圆起偏器18后，形成左旋圆偏振光LCP入射至第三透镜17，第二透镜15的前侧面镀有半透半反膜16，从第三透镜17的后侧面出射的左旋圆偏振光LCP入射至半透半反膜16上，一部分光线被反射，一部分光线入射至第二透镜15，此时入射至第二透镜15的光线为左旋圆偏振光LCP。

当第一透镜12的前侧面上设有由反射偏振膜13和四分之一波片14组成的复合膜时，所述反射偏振膜13比所述四分之一波片14更靠近所述第一透镜12的前侧面，从第二透镜15出射的左旋圆偏振光LCP第一次经过四分之一波片14后转变成线偏振S光，随后在反射偏振膜13处被反射，此时的反射光线仍为线偏振S光，第二次经过四分之一波片14后转变为左旋圆偏振光LCP第二次入射至第二透镜15后，在半透半反膜16处发生部分反射，经反射的光线转变为右旋圆偏振光RCP第三次入射至第二透镜15，右旋圆偏振光RCP自第二透镜15出射后入射至四分之一波片14处，经过四分之一波片14转变为线偏振P光入射至反射偏振膜13，由于反射偏振膜13具有反射线偏振S光透射线偏振P光的特性，线偏振P光透射至第一透镜12后入射至光圈11。其中，光圈11的位置为模拟人眼表面的位置。

当第二透镜15的后侧面上设有由反射偏振膜13和四分之一波片14组成的复合膜时，所述反射偏振膜13比所述四分之一波片14更远离所述第二透镜15的后侧面，从第二透镜15出射的左旋圆偏振光LCP第一次经过四分之一波片14后转变成线偏振S光，随后在反射偏振膜13处被反射，此时的反射光线仍为线偏振S光，第二次经过四分之一波片14后转变为左旋圆偏振光LCP第二次入射至第二透镜15后，在半透半反膜16处发生部分反射，经反射的光线转变为右旋圆偏振光RCP第三次入射至第二透镜15，右旋圆偏振光RCP自第二透镜15出射后入射至四分之一波片14处，经过四分之一波片14转变为线偏振P光入射至反射偏振膜13，由于反射偏振膜13具有反射线偏振S光透射线偏振P光的特性，线偏振P光透射至第一透镜12后入射至光圈11。

在第一透镜12的前侧面设置由反射偏振膜13和四分之一波片14组成的复合膜，利用光路折叠结构，减小了光学***的体积。并在第二透镜15的前侧面设置半透半反膜16，采用第一透镜12和第二透镜15同时参与折返光路方案，极大的缩减了光学***的光学总长，有利于VR设备的小型化和轻量化的发展趋势。

定义光学***的焦距为f，第二透镜15的焦距为f2，满足下列关系式：5.00≤f2/f≤9.00，规定了第二透镜15的焦距与光学***总焦距的比值，在条件式范围内，通过焦距分配，有利于校正轴外视场的像差。

定义第一透镜12的后侧面的中心曲率半径为R1，第一透镜12的前侧面的中心曲率半径为R2，满足下列关系式：1.30≤(R1+R2)/(R1-R2)≤4.80，规定了第一透镜的形状，在条件式范围内，通过合理控制面型，有利于校正光线在反射过程中的像差，同时有利于缩短光学***的***总长。

定义第三透镜17的后侧面的中心曲率半径为R5，第三透镜17的前侧面的中心曲率半径为R6，满足下列关系式：0.90≤R5/R6≤2.80，在条件式范围内，通过控制屏侧面第三透镜17的面型，可以有效增加光线从第三透镜17的出射角，使光学***具有较大的视场范围，从而提供较大的眼动范围。

定义光学***中透镜的最大有效半径为SDmax，满足SDmax≤SDmax≤23.00mm，在条件式范围内，有利于减小光学***的体积。

定义光学***的眼盒尺寸为eyebox，满足eyebox≥12mm，在条件式范围内，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°。为便于进一步理解，眼盒尺寸eyebox可以看做是光学***的入瞳直径ENPD±4mm和眼动范围eyeshift±4mm之和。通过设置eyebox≥12mm，使得光学***的全视场的性能更佳，提高了用户因眼镜位置调整不佳时的显示体验。

定义人眼到第一透镜12后侧面的轴上距离为eyerelief，即光圈11到第一透镜12后侧面的轴上距离，这是可以放置其他结构(如机械机构，眼镜等)的空间，满足eyerelief≤16.50mm，在条件式范围内，在满足眼睛顺畅度的情况下，可以使光学***的光学总长更小，有利于小型化。

定义第一透镜12的后侧面到影像面19的轴上距离为TL，满足TL≤18.40mm，在条件式范围内，有利于光学***的小型化。

定义光学***的光学总长为TTL，其为人眼处到影像面19的轴上距离，即光圈11到影像面19的轴上距离，满足TTL≤34.80mm，在条件式范围内，有利于光学***的小型化。

第一透镜12的后侧面和前侧面、第二透镜15的后侧面和前侧面、第三透镜17的后侧面和前侧面均为非球面。通过非球面设计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。

本发明中，半透半反膜16的透过率和反射率均为40.00％-60.00％；例如各实施例中，可为50：50、40：60、60：40等。

本发明中，反射偏振膜13的透过率大于等于95％，更高的透过率提高光学***的光线效能，增加显示亮度。

定义光学***的光学畸变为MIST，满足MIST≤35.00％，在条件式范围内，光学***的畸变较小，给用户提供更真实的VR环境。

定义光学***的色差为LC，满足LC≤100μm，在条件式范围内，光学***的色差较小，给用户提供更真实的VR环境。

定义光学***的焦距为f，满足TTL/f≤2.10，在条件式范围内，有利于减小光学***的体积。

(第一实施方式)

下面将用实例进行说明本发明的光学***100。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。

图1和图5所示为本发明第一实施方式的光学***100。

如图5所示，在第一实施方式中，由所述反射偏振膜13和所述四分之一波片14组成的复合膜设于所述第一透镜12的前侧面122上。

表1、表2示出本发明第一实施方式的光学***100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18的后侧面的中心曲率半径；

R2：第一透镜18的前侧面的中心曲率半径；

R3：第二透镜15的后侧面的中心曲率半径；

R4：第二透镜15的前侧面的中心曲率半径；

R5：第三透镜14的后侧面的中心曲率半径；

R6：第三透镜14的前侧面的中心曲率半径；

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11到第一透镜12的后侧面121的轴上距离；

d1：第一透镜12的轴上厚度；

d2：反射偏振膜13的轴上厚度；

d3：四分之一波片14的轴上厚度；

d4：四分之一波片14的前侧面141到第二透镜15的后侧面151的轴上距离；

d5：第二透镜15的轴上厚度；

d6：第二透镜15的轴上厚度的负值；

d7：四分之一波片14的前侧面141到第二透镜15的后侧面151的轴上距离的负值；

d8：四分之一波片14的轴上厚度的负值；

d9：第二透镜15的前侧面152到第三透镜17的后侧面171的轴上距离；

d10：第三透镜17的轴上厚度；

d11：第三透镜17的前侧面172到圆起偏器18的后侧面181的轴上距离；

d12：圆起偏器18的轴上厚度；

nd：d线的折射率(d线为波长为540nm的绿光)；

nd1：第一透镜12的d线的折射率；

nd2：第二透镜15的d线的折射率；

nd3：第三透镜17的d线的折射率；

ng：圆起偏器18的d线的折射率；

vd：阿贝数；

v1：第一透镜12的阿贝数；

v2：第二透镜15的阿贝数；

v3：第三透镜17的阿贝数；

vg：圆起偏器18的阿贝数。

表2示出本发明第一实施方式的光学***100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+A14r

¹⁴+A16r¹⁶(1)

其中，k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16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470nm、540nm、630nm的光经过第一实施方式的光学***100后的点列图以及倍率色差示意图。图4则示出了波长为540nm的光经过第一实施方式的光学***100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，所述光学***100的入瞳直径ENPD为4.00mm，全视场像高IH为11.500mm，对角线方向的视场角FOV为89.94°，光学***100满足小型化、轻量化的设计要求，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)

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。

图6和图10所示为本发明第二实施方式的光学***200。

如图10所示，在第二实施方式中的光学***200中，由所述反射偏振膜13和所述四分之一波片14组成的复合膜设于所述第二透镜15的后侧面151上。

表3、表4示出本发明第二实施方式的光学***200的设计数据。

由于本第二实施方式中，复合膜的设置位置与第一实施方式不同，因此，与第一实施方式不同的是，表3中的d4代表的是：第一透镜12的前侧面122到反射偏振膜13的后侧面131的轴上距离。

【表3】

表4示出本发明第二实施方式的光学***200中各透镜的非球面数据。

【表4】

图7、图8分别示出了波长为470nm、540nm、630nm的光经过第二实施方式的光学***200后的点列图以及倍率色差示意图。图9则示出了波长为540nm的光经过第二实施方式的光学***200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，所述光学***100的入瞳直径ENPD为4.00mm，全视场像高IH为11.200mm，对角线方向的视场角FOV为94.95°，光学***200满足小型化、轻量化的设计要求，其轴上、轴外色像差被充分补正，且具有优秀的光学特性。

【表5】

参数及条件式	实施例1	实施例2
			f2/f	5.19	8.93
(R1+R2)/(R1-R2)	1.38	4.72
			R5/R6	0.94	2.73
SDmax	23.00	22.00
			eyebox	12.00	12.00
TL	18.307	17.977
			TTL	34.707	31.777
IH	11.500	11.200
			FOV	89.94	94.95

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 (14)

1.一种光学***，其特征在于，自后侧至前侧依次包含：

光圈，位于所述光学***的后侧；

第一透镜；

第二透镜；

第三透镜；

圆起偏器；

影像面；

其中，所述圆起偏器贴设于所述影像面的后侧面；所述第一透镜的前侧面或所述第二透镜的后侧面设有复合膜；所述复合膜包括反射偏振膜和四分之一波片，所述反射偏振膜设于所述四分之一波片的后侧；

所述光学***的焦距为f，所述第二透镜的焦距为f2，所述第一透镜的后侧面的中心曲率半径为R1，所述第一透镜的前侧面的中心曲率半径为R2，所述第三透镜的后侧面的中心曲率半径为R5，所述第三透镜的前侧面的中心曲率半径为R6，所述光学***中各透镜的最大有效半径为SDmax，且满足下列关系式：

5.00≤f2/f≤9.00；

1.30≤(R1+R2)/(R1-R2)≤4.80；

0.90≤R5/R6≤2.80；

SDmax≤23.00mm。

2.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述光学***的眼盒尺寸为eyebox，满足eyebox≥12mm。

3.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，人眼到所述第一透镜后侧面的轴上距离为eyerelief，满足eyerelief≤16.50mm。

4.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面到所述影像面的轴上距离为TL，满足TL≤18.40mm。

5.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≤34.80mm。

6.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面和前侧面、所述第二透镜的后侧面和前侧面、所述第三透镜的后侧面和前侧面均为非球面。

7.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°。

8.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述第二透镜的前侧面镀有半透半反膜。

9.根据权利要求8所述的光学***，其特征在于，所述半透半反膜的透射率和反射率均为40.00％-60.00％。

10.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述反射偏振膜的透过率大于等于95.00％。

11.根据权利要求1所述的光学***，其特征在于，所述光学***的畸变为MIST，满足MIST≤35.00％。

12.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，满足LC≤100μm。

13.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/f≤2.10。

14.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，其尺寸为1.0-1.3英寸。