CN213934434U - 双目成像光学模组及虚拟现实设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双目成像光学模组及虚拟现实设备，该双目成像光学模组包括依次布置的偏振片、第一相位延迟片、透镜、显示单元；所述透镜与所述第一相位延迟片背向侧的光学面布置有部分透射部分反射器；所述显示单元用于为光学模组提供椭圆偏振或圆偏振光的成像光源；所述双目成像光学模组满足以下条件式：120mm≤D≤140mm；其中，D表示所述透镜的有效口径。根据本实用新型提供的双目成像光学模组，通过限定透镜的有效口径在120mm和140mm之间，利用一个大口径透镜代替以往的双透镜组的结构，使得该双目成像光学模组具有大的出瞳孔径，可以容纳两个眼睛，避免视觉上边框效应的出现，使用户更具临场感，增强了VR的沉浸体验。
Description
技术领域
本实用新型涉及虚拟现实设备技术领域，特别是涉及一种双目成像光学模组及虚拟现实设备。
背景技术
双目成像光学模组是VR(Virtual Reality，虚拟现实)装置的重要组成部分，目前主流的VR装置，在产品设计时越来越多的考虑***轻薄化和小尺寸的设计要求。
目前超薄的VR装置中，双目成像光学模组主要采用双透镜组的结构，该结构中的镜片尺寸较小(35～40mm)，难以覆盖到人眼转动所观看的范围，在使用时，用户很容易就会看到镜片的边框，视觉上会出现一种边框效应，影响了VR的沉浸效果。
实用新型内容
为此，本实用新型的一个目的在于提出一种双目成像光学模组，以解决现有技术在视觉上会出现边框效应，影响VR沉浸效果的问题。
一种双目成像光学模组，包括依次布置的偏振片、第一相位延迟片、透镜、显示单元；
所述透镜与所述第一相位延迟片背向侧的光学面布置有部分透射部分反射器；
所述显示单元用于为光学模组提供椭圆偏振或圆偏振光的成像光源；
所述双目成像光学模组满足以下条件式：
120mm≤D≤140mm；
其中，D表示所述透镜的有效口径。
根据本实用新型提供的双目成像光学模组，显示单元发出椭圆偏振或圆偏振光，经部分透射部分反射器后透过部分光线，经过透镜、第一相位延迟片，然后被偏振片反射，经偏振片反射的光线透过第一相位延迟片后光线进行一次相位延迟、再依次经透镜、部分透射部分反射器，然后部分光线被部分透射部分反射器反射，经部分透射部分反射器反射的光线依次透过透镜、第一相位延迟片后光线进行再一次的相位延迟，变为与偏振片同向可透过的光线，最终经偏振片透过后进入人眼，同时由于限定了透镜的有效口径在120mm和140mm之间，利用一个大口径透镜代替以往的双透镜组的结构，使得该双目成像光学模组具有大的出瞳孔径，可以容纳两个眼睛，避免视觉上边框效应的出现，使用户更具临场感，增强了VR的沉浸体验。
另外，根据本实用新型上述的双目成像光学模组，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
0.80F≤f≤0.83F；
其中，f表示所述透镜的焦距，F表示所述双目成像光学模组的***焦距。
进一步地，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
-191.598mm≤R1≤-184.693mm；
-190.275mm≤R2≤-174.104mm；
其中，R1表示所述透镜靠近所述第一相位延迟片的光学面的焦距，R2表示所述透镜远离所述第一相位延迟片的光学面的焦距。
进一步地，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
H≤47.5mm；
H表示所述双目成像光学模组的厚度。
进一步地，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
10mm≤L≤20mm；
L表示所述偏振片背向所述第一相位延迟片的一面与人眼之间的轴向距离。
进一步地，所述透镜朝向所述显示单元的光学面为凸面，所述透镜靠近所述第一相位延迟片的光学面为凹面。
进一步地，所述显示单元包括第二相位延迟片、以及用于为光学模组提供图像偏振光源的图像显示器，所述第二相位延迟片布置于所述透镜及所述图像显示器之间。
本实用新型的另一个目的在于提出一种采用上述双目成像光学模组的虚拟现实设备。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本实用新型第一实施例的双目成像光学模组的结构示意图；
图2是本实用新型第一实施例的双目成像光学模组的光线传递示意图；
图3是本实用新型第一实施例的双目成像光学模组的MTF曲线图；
图4是本实用新型第一实施例的双目成像光学模组的场曲曲线图
图5是本实用新型第一实施例的双目成像光学模组的畸变曲线图
图6是本实用新型第一实施例的双目成像光学模组的双目视差图；
图7是本实用新型第二实施例的双目成像光学模组的MTF曲线图；
图8是本实用新型第二实施例的双目成像光学模组的场曲曲线图
图9是本实用新型第二实施例的双目成像光学模组的畸变曲线图
图10是本实用新型第二实施例的双目成像光学模组的双目视差图；
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型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实用新型的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本实用新型提供一种双目成像光学模组，包括依次布置的偏振片、第一相位延迟片、透镜、显示单元；
所述透镜与所述第一相位延迟片背向侧的光学面布置有部分透射部分反射器；
所述显示单元用于为光学模组提供椭圆偏振或圆偏振光的成像光源。
光学传递过程为：显示单元发出椭圆偏振或圆偏振光，经部分透射部分反射器后透过部分光线，经过透镜、第一相位延迟片，然后被偏振片反射，经偏振片反射的光线透过第一相位延迟片后光线进行一次相位延迟、再依次经透镜、部分透射部分反射器，然后部分光线被部分透射部分反射器反射，经部分透射部分反射器反射的光线依次透过透镜、第一相位延迟片后光线进行再一次的相位延迟，变为与偏振片同向可透过的光线，最终经偏振片透过后进入人眼。
所述双目成像光学模组满足以下条件式：
120mm≤D≤140mm；
其中，D表示所述透镜的有效口径。如果D太大会使得模组更加厚重，不利于产品轻薄化，而D太小则会出现边框效应，降低用户体验。
在一些实施方式中，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
0.80F≤f≤0.83F；
其中，f表示所述透镜的焦距，F表示所述双目成像光学模组的***焦距。如果焦距f＜0.8F，光焦度较大，会使得透镜面型弯曲，厚度增加，不利于模组的轻薄化；如果焦距f＞0.83F，光焦度较小，不利于像差的矫正。
进一步地，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
-191.598mm≤R1≤-184.693mm；
-190.275mm≤R2≤-174.104mm；
其中，R1表示所述透镜靠近第一相位延迟片的光学面的焦距，R2表示所述透镜远离第一相位延迟片的的焦距。
在一些实施方式中，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
H≤47.5mm；
H表示所述双目成像光学模组的厚度。通过该条件式，能够进一步实现双目成像光学模组的轻薄化，给用户更好的体验。
在一些实施方式中，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
10mm≤L≤20mm；
L为接目距，表示所述偏振片背向第一相位延迟片面与人眼之间的轴向距离。通过该条件式，能够在保证考虑穿戴舒适度的同时，获得较好的成像质量。
在一些实施方式中，所述透镜朝向显示单元的光学面为凸面，所述透镜靠近第一相位延迟片的光学面为凹面。
在一些实施方式中，所述显示单元包括第二相位延迟片、以及用于提供光学模组图像偏振光源的图像显示器，所述第二相位延迟片布置于所述透镜及所述图像显示器之间。
下面分多个实施例对本实用新型进行进一步的说明。下述实施例仅为本实用新型的较佳实施方式，但本实用新型的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
各实施例中，为了便于说明该光学模组的结构布置，假定以光线入射于光学模组侧为物侧，光学模组光线直接或间接的入射于眼瞳侧为像侧，进行详细阐述。
第一实施例
请参阅图1，所示为本实用新型第一实施例提供的双目成像光学模组的结构示意图，该双目成像光学模组沿模组中心光轴从物侧到像侧依次包括(即：图1从右到左)：显示单元12、透镜13、第一相位延迟片14、偏振片15。
其中，透镜13的物侧面贴覆有部分透射部分反射器，例如可以是镀有半透半反膜(图1未示)。本实施例中，透镜13的物侧面为凸面，透镜13的像侧面为凹面。显示单元可以是第二相位延迟片和具有提供偏振成像图像光源的显示屏独立或集成在一起设置的，且第二相位延迟片靠近透镜侧，显示单元可与光学模组的中心光轴共轴或非共轴设置，光学模组中的其余组件可以是与中心光轴共轴设置的。
第一相位延迟片14和第二相位延迟片用于将光相进行相位延迟，例如可以选用1/4相位延迟片。
请参阅图2，本实施例的双目成像光学模组的光线传递过程如下：
物侧显示单元发射特定相位的偏振光E1，依次透过半透半反膜、透镜13、第一相位延迟片14变成线偏振光束E2，线偏振光束E2入射到反射式偏振片15，反射式偏振片15的偏振方向与线偏振光束E2的偏振方向正交，线偏振光束E2被反射式偏振片15反射，再次经过第一相位延迟片14变成圆偏振光或椭圆偏光E3，再次经过透镜13、并在半透半反膜上反射出圆偏振光或椭圆偏光E4，圆偏振光或椭圆偏光E4透过第一相位延迟片14变成线偏振光束E5，线偏振光束E5的偏振方向与反射式偏振片15的偏振方向同向，因此线偏振光束E5可以通过反射式偏振片15进入像侧，最终进入人眼。
本实施例中的光学模组的光学参数如表1-1所示。
表1-1
表1-2：透镜的非球面系数
| 面号 | coff on r2 | coff on r4 | coff on r6 | coff on r8 |
| S5 | 0 | 1.58E-07 | -6.66E-11 | 1.44E-14 |
| S11 | 0 | 1.58E-07 | -6.66E-11 | 1.44E-14 |
表1-1中，第二行(即面号STO所在的行)为光阑，孔径为4mm。第三、四行代表偏振片和相位延迟片形成的膜片，材质为BK7，直径68mm，圆锥系数为0。第七、八行代表大口径透镜的相关参数，透镜13的靠近偏振片侧的光学面的曲率半径-184.693，透镜13的另一光学面曲率半径-190.275，透镜厚度为5.156mm。第十一至第十四行为反射和透射相关参数。第十三行为液晶显示的玻璃膜，所述玻璃膜厚度0.4mm，材质BK7，第十四行为像面。
本实施例的双目成像光学模组的设计指标如表1-3所示。
表1-3
根据上述设计参数，透镜13的焦距为75.978mm(0.798F)，其中，透镜13的靠近偏振片侧的光学面的焦距为-375.579mm(-3.945F)，透镜13的另一侧光学面的焦距为63.776mm(0.67F)，双目成像光学模组的厚度为49.2mm，可以获得***焦距95.2mm以及视场角90°的光学***，把光圈设计为22，对应的孔径光阑为4.3mm，即可获得4mm的眼动范围。透镜13的光学外直径为140mm，可以容纳两只眼睛，能给人很好的沉浸体验，同时减少边框效应。
同时设计屏幕尺寸为6英寸，接目距L为15mm，结合图3所示的MTF曲线，取8lp/mm为截止频率，进而得出其支持的解析力为1600*1600，畸变率控制在(-26.83％,0)，场曲控制(-15mm,15mm)。
图4和图5分别展示了该双目成像光学模组的场曲曲线图和畸变曲线图，从图4中可以看出，该双目成像光学模组的场曲矫正良好。从图5的畸变曲线可以看出，该双目成像光学模组具有较好的成像效果。畸变得到良好的矫正。
双眼视差：因为双目有一定距离，大约56～70mm，正常的瞳距和注视角度不同，造成左右眼视网膜上的物像存在一定程度的水平差异。在观察立体物体的时候，两只眼由于相距约60mm，所以会从不同角度观察。这种在双眼视网膜成像出现微小的水平像位差，称为双眼视差(binocular parallax)。视差常用角度单位表示(1°＝60'；1'＝60″)，视差是属于深度信息的客观物理现象，所产生的主要是水平视差，所以左右眼看到的图像会有一定视差，在当其过大时，人眼不能将其融合，会形成双象，影响视觉效果。
图6展示了本实施例的双目成像光学模组的双目视差图，图6中纵坐标表示右眼相对于左眼发散的角度，单位是mrad，横坐标表示垂直方向角度，单位是mrad。图中的曲线代表水平方向在±5°的发散角度。在半视场角5°时，水平视差最大为1.63mrad，大约为5.57′(在半视场5°，视差小于10′仍可融合，随着视场增大，可容许视差越大)，又因人眼随着视场增大对边缘敏感度降低，所以不会存在视差的问题。
第二实施例
本实用新型第二实施例提供的双目成像光学模组，其与第一实施例基本相同，不同之处在于设计指标不同。
本实施例中的光学模组的光学参数如表2-1所示。
表2-1
| 面号 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材质 | 折射率 | 阿贝数 |
| OBJ | 标准面 | Infinity | -1.00E+04 | 0 | 0 | |
| STO | 标准面 | Infinity | 15.00 | |||
| S2 | 标准面 | Infinity | 1 | bk7 | 1.51 | 64.1 |
| S3 | 标准面 | Infinity | 35.392 | |||
| S4 | 标准面 | -191.5982583 | 5.326 | PMMA | 1.49 | 57.4 |
| S5 | 非球面 | -174.1043551 | -5.326 | MIRROR | ||
| S6 | 标准面 | -191.5982583 | -35.392 | |||
| S7 | 标准面 | Infinity | -1 | bk7 | 1.51 | 64.1 |
| S8 | 标准面 | Infinity | 1 | MIRROR | ||
| S9 | 标准面 | Infinity | 35.392 | |||
| S10 | 标准面 | -191.5982583 | 5.326 | PMMA | 1.49 | 57.4 |
| S11 | 非球面 | -174.1043551 | 0.4 | |||
| S12 | 标准面 | Infinity | 0.4 | bk7 | 1.51 | 64.1 |
| S13(IMA) | 标准面 | Infinity | - |
表2-2：透镜的非球面系数
| 面号 | coff on r2 | coff on r2 | coff on r4 | coff on r6 | coff on r8 |
| S5 | 8.21E-08 | 8.21E-08 | -3.97E-11 | 7.36E-15 | -4.77E-19 |
| S11 | 8.21E-08 | 8.21E-08 | -3.97E-11 | 7.36E-15 | -4.77E-19 |
本实施例的双目成像光学模组的设计指标如表2-3所示。
表2-3
| 设计指标 | 值 |
| 视场角(°) | 90 |
| ***焦距(mm) | 82.2 |
| 眼动范围(mm) | 4 |
| 双目间距(mm) | 56 |
| ***总长(mm) | 57.5 |
| 光学***厚度(mm) | 42.5 |
| 接目距(mm) | 15 |
| F#光圈 | 21 |
| 光学外直径(mm) | 120 |
| ***畸变 | 27.03％ |
| 屏幕尺寸(英寸) | 5 |
| 屏幕分辨率 | 1300*1300 |
根据上述设计参数，透镜13的焦距为67.904mm(0.826F)，其中，透镜13的靠近偏振片侧的光学面的焦距为-389.621mm(-4.74F)，透镜13的另一侧光学面的焦距为58.356mm(0.710F)。双目成像光学模组的厚度为42.5mm，可以获得***焦距82.2mm以及视场角90°的光学***，把光圈设计为21，对应的孔径光阑为3.9mm，即可获得4mm的眼动范围。透镜13的光学外直径为120mm，可以容纳两只眼睛，能给人很好的沉浸体验，同时减少边框效应。
同时设计屏幕尺寸为5英寸，接目距L为15mm，结合图7所示的MTF曲线，取8lp/mm为截止频率，进而得出其支持的解析力为1300*1300，畸变率控制在(-27.03％,0)，场曲控制(-10mm,10mm)。
图8和图9分别展示了该双目成像光学模组的场曲曲线图和畸变曲线图，从图8中可以看出，该双目成像光学模组的场曲矫正良好。从图9的畸变曲线可以看出，该双目成像光学模组具有较好的成像效果。畸变得到良好的矫正。
图10展示了本实施例的双目成像光学模组的双目视差图，图10中纵坐标表示右眼相对于左眼发散的角度，单位是mrad，横坐标表示垂直方向角度，单位是mrad。图中的曲线代表水平方向在±5°的发散角度。在半视场角5°时，水平视差最大为1.83mrad，大约为6.26′(在半视场5°，视差小于10′仍可融合，随着视场增大，可容许视差越大)，又因人眼随着视场增大对边缘敏感度降低，所以不会存在视差的问题。
综上，根据本实用新型提供的双目成像光学模组，显示单元发出的光线，依次透过半透半反膜、透镜、第一相位延迟片，然后被反射式偏振片反射，经反射式偏振片反射的光线依次透过第一相位延迟片、透镜，然后被半透半反膜反射，经半透半反膜反射的光线依次透过透镜、第一相位延迟片、反射式偏振片，最终进入人眼，同时由于限定了透镜的有效口径在120mm和140mm之间，利用一个大口径透镜代替以往的双透镜组的结构，使得该双目成像光学模组具有大的出瞳孔径，可以容纳两个眼睛，避免视觉上边框效应的出现，使用户更具临场感，增强了VR的沉浸体验。
第三实施例
本实用新型第三实施例提供一种虚拟现实设备，该虚拟现实设备至少包括上述任一实施例中的双目成像光学模组，该虚拟现实设备例如是VR头盔、VR眼镜。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种双目成像光学模组，其特征在于，包括依次布置的偏振片、第一相位延迟片、透镜、显示单元；
所述透镜与所述第一相位延迟片背向侧的光学面布置有部分透射部分反射器；
所述显示单元用于为光学模组提供椭圆偏振或圆偏振光的成像光源；
所述双目成像光学模组满足以下条件式：
120mm≤D≤140mm；
其中，D表示所述透镜的有效口径。
2.根据权利要求1所述的双目成像光学模组，其特征在于，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
0.80F≤f≤0.83F；
其中，f表示所述透镜的焦距，F表示所述双目成像光学模组的***焦距。
3.根据权利要求1所述的双目成像光学模组，其特征在于，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
-191.598mm≤R1≤-184.693mm；
-190.275mm≤R2≤-174.104mm；
其中，R1表示所述透镜靠近所述第一相位延迟片的光学面的焦距，R2表示所述透镜远离所述第一相位延迟片的光学面的焦距。
4.根据权利要求1所述的双目成像光学模组，其特征在于，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
H≤47.5mm；
H表示所述双目成像光学模组的厚度。
5.根据权利要求1所述的双目成像光学模组，其特征在于，所述双目成像光学模组满足以下条件式：
10mm≤L≤20mm；
L表示所述偏振片背向所述第一相位延迟片的一面与人眼之间的轴向距离。
6.根据权利要求1所述的双目成像光学模组，其特征在于，所述透镜朝向所述显示单元的光学面为凸面，所述透镜靠近所述第一相位延迟片的光学面为凹面。
7.根据权利要求1所述的双目成像光学模组，其特征在于，所述显示单元包括第二相位延迟片、以及用于为光学模组提供图像偏振光源的图像显示器，所述第二相位延迟片布置于所述透镜及所述图像显示器之间。
8.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的双目成像光学模组。
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- 2021-01-29 CN CN202120274377.1U patent/CN213934434U/zh active Active
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