一种虚拟现实光学系统及电子设备的制作方法

1.本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种虚拟现实光学系统及电子设备。


背景技术：

2.虚拟现实(vr)设备是一种通过计算机技术可与使用者进行视觉、触觉、听觉等场景互动，让使用者在虚拟世界体验身临其境的感觉。
3.在虚拟现实(vr)设备中，光学成像模块是其显示系统的主要模块，通过光学成像模块以达到画面沉浸感的效果。目前市面上的虚拟现实设备，为了达到大视场和高成像质量的目的，光学成像模块的系统总长较大，导致虚拟现实(vr)设备的体积和重量较大，导致产品不符合人体工学，影响了用户的使用体验。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种虚拟现实光学系统及电子设备，解决现有技术中虚拟现实(vr)设备的光学总长较大，导致虚拟现实(vr)设备的体积和重量较大的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
6.一种虚拟现实光学系统，包括用于提供显示图像的显示屏，所述显示图像形成出射光线；还包括：
7.沿所述出射光线的光路依次设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜上设有第一光转换膜和第一半透半反膜，所述第二透镜上设有第二光转换膜和第二半透半反膜；
8.在所述第一半透半反膜和第二半透半反膜的透过及反射作用下，所述出射光线以预定路径在所述第一光转换膜和所述第二光转换膜中转换，形成最终进入人眼的线偏振光。
9.可选地，所述第一光转换膜包括第一四分之一波片和第一线偏振片，所述第一光转换膜位于所述第一透镜靠近所述人眼的表面；
10.所述第二光转换膜包括第二四分之一波片和第二线偏振片，所述第二光转换膜位于所述第二透镜靠近所述显示屏的表面；
11.所述第一半透半反膜位于所述第一光转换膜远离于所述第一透镜的表面，所述第二半透半反膜位于所述第二透镜与所述第二光转换膜之间。
12.可选地，所述第一透镜靠近人眼的表面为凹面，所述第一透镜靠近显示屏的表面为凸面；
13.所述第二透镜靠近人眼的表面为凹面，所述第二透镜靠近显示屏的表面贴合于所述显示屏；
14.所述第二透镜和所述第一透镜均为球面镜。
15.可选地，所述虚拟现实光学系统的入瞳直径为3～5mm，眼盒为7～9mm，最大全视场角为108～200
°
，接目距为15mm，波长为0.486um、0.588um、0.656um。
16.可选地，所述第一透镜和第二透镜的材质均为玻璃；
17.所述虚拟现实光学系统满足如下条件：
[0018]-16＜r11＜-15；
[0019]-21＜r12＜-20；
[0020]-23＜r21＜-23.5；
[0021]
6.5＜d1＜7.5；
[0022]
1.5＜d2＜2；
[0023]
其中，r11为所述第一透镜靠近人眼的表面的曲率半径，r12为所述第一透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，r21为所述第二透镜靠近人眼的表面的曲率半径，d1为所述第一透镜于光轴上的厚度，d2为所述第二透镜于光轴上的厚度。
[0024]
可选地，所述第二透镜包括第一胶合透镜和第二胶合透镜，所述第二透镜由所述第一胶合透镜和第二胶合透镜胶合而成；
[0025]
所述第一胶合透镜和所述第二胶合透镜均为球面透镜，所述第一透镜为非球面透镜；
[0026]
所述第一胶合透镜靠近人眼的表面为凹面，所述第一胶合透镜靠近显示屏的表面为凹面，所述第二胶合透镜靠近人眼的表面为凸面，所述第二胶合透镜靠近显示屏的表面为凸面；其中，所述第一胶合透镜靠近人眼的表面与所述第二胶合透镜靠近显示屏的表面胶合，所述第一胶合透镜靠近显示屏的表面贴合于所述显示屏；
[0027]
所述第一透镜靠近显示屏的表面为凸面。
[0028]
可选地，所述虚拟现实光学系统的入瞳为3～5mm，眼盒为7～9mm，最大全视场角为75～77
°
，接目距为15mm，波长为0.486um、0.588um、0.656um。
[0029]
可选地，所述第一透镜、所述第一胶合透镜和所述第二胶合透镜均为玻璃；
[0030]
所述虚拟现实光学系统满足如下关系式：
[0031]-130＜r12＜-125；
[0032]
65＜r21＜70；
[0033]-120＜r22＜-118；
[0034]-120＜r31＜-118；
[0035]
17.5＜r32＜18；
[0036]
2＜d1＜3；
[0037]
4＜d2＜5；
[0038]
1＜d3＜2；
[0039]
其中，r12为所述第一透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，r21为所述第一胶合透镜靠近人眼的表面的曲率半径，r22为所述第一胶合透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，r31为所述第二胶合透镜靠近人眼的表面的曲率半径，r32为所述第二胶合透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，d1为所述第一透镜于光轴上的厚度，d2为所述第一胶合透镜于光轴上的厚度，d3为所述第二胶合透镜于光轴上的厚度。
[0040]
可选地，所述第一透镜的圆锥系数为-5.942，所述第一透镜的第四阶非球面系数为6.63e-06，所述第一透镜的第六阶非球面系数为-7.03e-09，所述第一透镜的第八阶非球面系数为2.21e-11。
[0041]
本发明还提供了一种电子设备，包括如上任一项所述的虚拟现实光学系统。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0043]
本发明提供了一种虚拟现实光学系统及电子设备，通过在透镜上贴设光转换膜，并利用半透半反膜形成对出射光线的引导，从而能够在透镜数量较少的前提下实现出射光线的偏振转换，有效减少了系统总长，从而实现光学系统的体积小型化。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0045]
图1为本发明提供的一种虚拟现实光学系统的结构示意图；
[0046]
图2为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的结构示意图；
[0047]
图3为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的光路原理图；
[0048]
图4为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的mtf曲线图；
[0049]
图5为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的场曲图；
[0050]
图6为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的畸变图；
[0051]
图7为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的点列图；
[0052]
图8为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的结构示意图；
[0053]
图9为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的光路原理图；
[0054]
图10为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的mtf曲线图；
[0055]
图11为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的场曲图；
[0056]
图12为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的畸变图；
[0057]
图13为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的点列图。
[0058]
上述图中：
[0059]
g1、第一透镜；s1、第一透镜靠近人眼的表面；s2、第一透镜靠近显示屏的表面；g2、第二透镜；s3、第二透镜靠近人眼的表面；s4、第二透镜靠近显示屏的表面；g2-1、第一胶合透镜；s31、第一胶合透镜靠近人眼的表面；
[0060]
s32、第一胶合透镜靠近显示屏的表面；g2-2、第二胶合透镜；s41、第二胶合透镜靠近人眼的表面；s42、第二胶合透镜靠近显示屏的表面；10、人眼；20、显示屏；31、第一光转换膜；32、第二光转换膜；41、第一半透半反膜；42、第二半透半反膜。
具体实施方式
[0061]
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
需要理解的是，在本发明的描述中，具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发
明的限定。其中，示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法；虽然流程图将各项操作或步骤处理描述形成一定的顺序，但是其中的许多操作或步骤是能够被并行地、并发地或者同时实施的，且各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作或步骤完成时，对应处理可以被终止，还可以具有未包括在附图中的附加步骤。前面所述的处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0063]
本发明使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案；可以理解的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0064]
请参考图1，本发明提供了一种虚拟现实光学系统，包括用于提供显示图像的显示屏20，显示图像能够形成出射光线。本发明中，该虚拟现实光学系统还包括：
[0065]
沿出射光线的光路依次设置的第一透镜g1和第二透镜g2，第一透镜g1上设有第一光转换膜31和第一半透半反膜41，第二透镜g2上设有第二光转换膜32和第二半透半反膜42；
[0066]
在第一半透半反膜41和第二半透半反膜42的透过及反射作用下，出射光线至少经过第一光转换膜31的两次转换和第二光转换膜32的一次转换后，形成最终进入人眼10的线偏振光。
[0067]
通过在透镜上贴设光转换膜，并利用半透半反膜形成对出射光线的引导，使得出射光线以预定路径在第一光转换膜和31第二光转换膜32中转换，形成最终进入人眼的线偏振光，从而能够在透镜数量较少的前提下实现出射光线的偏振转换，有效减少了系统总长。
[0068]
具体地，第一光转换膜31包括第一四分之一波片和第一线偏振片，该第一光转换膜31位于第一透镜g1靠近人眼10的表面s1。
[0069]
第二光转换膜32包括第二四分之一波片和第二线偏振片，第二光转换膜32位于第二透镜g2靠近显示屏20的表面s4。
[0070]
本实施例中，第一半透半反膜41位于第一光转换膜31远离于第一透镜g1的表面，第二半透半反膜42位于第二透镜g2与第二光转换膜32之间。
[0071]
请参考图1中的光路，显示图像形成的出射光线从显示屏20射出，到达第二透镜g2及第二光转换膜32，经过第二光转换膜32的偏振转换形成圆偏振光线，同时在第二半透半反膜42的透过作用下，圆偏振光线到达第一透镜g1和第一光转换膜31；接着，圆偏振光在第一光转换膜31的第一次偏振转换后形成p型线偏振光，在第一半透半反膜41的反射作用下再次到达第二半透半反膜42，并在第二半透半反膜42的反射下再次回到第一光转换膜31中进行第二次转换，最终形成进入人眼10的s型线偏振光。
[0072]
下面结合附图，对本发明的实施例进一步介绍。
[0073]
实施例一
[0074]
请参考图2至图7，图2为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的结构示意图；图3为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的光路原理图；图4为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的mtf曲线图；
[0075]
图5为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的场曲图；图6为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学系统的畸变图；图7为本发明实施例一提供的一种虚拟现实
光学系统的点列图。
[0076]
本实施例中，虚拟现实光学系统包括第一透镜g1和第二透镜g2，第一透镜g1和第二透镜g2的材质均为玻璃，第一透镜g1靠近人眼10的表面s1为凹面，第一透镜g1靠近显示屏20的表面s2为凸面；第二透镜g2靠近人眼10的表面s3为凹面；且第二透镜g2和第一透镜g1均为球面镜。
[0077]
在本实施例中，虚拟现实光学系统的入瞳直径为3～5mm，眼盒(eye box，eye box的大小决定眼睛可以在最佳位置的地方向上/向下/向左/向右移动而不影响图像显示质量的距离)为7～9mm；最大全视场角为108～200
°
，接目距(瞳孔所在光轴几何中心到第一透镜g1的距离)为14～16mm，波长范围为0.486um～0.656um。
[0078]
进一步地，本实施例中，虚拟现实光学系统的参数具体为：入瞳直径为4mm，眼盒设置为8mm，最大全视场角为109
°
，接目距为15mm，波长为0.486um、0.588um、0.656um。
[0079]
此外，第一透镜g1的材料为h-zf88玻璃，第二透镜g2的材料为fd18玻璃。两片玻璃镜片能够降低因塑料镜片应力带来的双折射鬼影现象。
[0080]
本实施例中，虚拟现实光学系统满足如下条件：
[0081]-16＜r11＜-15；
[0082]-21＜r12＜-20；
[0083]-23＜r21＜-23.5；
[0084]
6.5＜d1＜7.5；
[0085]
1.5＜d2＜2；
[0086]
此外，r22为无限大。
[0087]
其中，r11为第一透镜g1靠近人眼10的表面s1的曲率半径，r12为第一透镜g1靠近显示屏20的表面s2的曲率半径，r21为第二透镜g2靠近人眼10的表面s3的曲率半径，r22为第二透镜g2靠近显示屏20的表面s4的曲率半径；d1为第一透镜g1于光轴上的厚度，d2为第二透镜g2于光轴上的厚度。
[0088]
本实施例中，显示屏20与第二透镜g2的底面贴合，从而达到缩短后焦的目的，从而进一步缩短光学系统总长。
[0089]
请配合参照下表1，表1为实施例一详细的结构数据。
[0090][0091][0092]
实施例二
[0093]
请参考图8至图13，图8为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的结构示意图；图9为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的光路原理图；图10为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的mtf曲线图；图11为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的场曲图；图12为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的畸变图；图13为本发明实施例二提供的一种虚拟现实光学系统的点列图。
[0094]
本实施例中，虚拟现实光学系统共包括第一透镜g1、第一胶合透镜g2-1和第二胶合透镜g2-2，第一透镜g1、第一胶合透镜g2-1和第二胶合透镜g2-2的材质均为玻璃，玻璃镜
片能够降低因塑料镜片应力带来的双折射鬼影现象。
[0095]
具体地，第二胶合透镜g2-2与第一胶合透镜g2-1胶合形成胶合透镜组，构成第二透镜g2；其中，第一胶合透镜g2-1和第二胶合透镜g2-2均为球面透镜，第一透镜g1为非球面透镜。
[0096]
第一胶合透镜g2-1靠近人眼10的表面s31为凹面，第一胶合透镜g2-1靠近显示屏20的表面s32为凹面，第二胶合透镜g2-2靠近人眼10的表面s41为凸面，第二胶合透镜g2-2靠近显示屏20的表面s42为凸面；其中，第一胶合透镜g2-1靠近人眼10的表面s31与第二胶合透镜g2-2靠近显示屏20的表面s42胶合，第一胶合透镜g2-1靠近显示屏20的表面s32贴合于所述显示屏20；第一透镜g1靠近人眼10的表面s1为平面，第一透镜g1靠近显示屏20的表面s2为凸面。
[0097]
本实施例中，虚拟现实光学系统的入瞳为3～5mm，眼盒为7～9mm，最大全视场角为75～77
°
，接目距为14～16mm，波长范围为0.486um～0.656um。
[0098]
进一步地，本实施例中，虚拟现实光学系统的参数具体为：入瞳直径为4mm，眼盒为8mm，最大全视场角约为76
°
，接目距为15mm，波长为0.486um、0.588um、0.656um。
[0099]
本实施例中，虚拟现实光学系统满足如下关系式：
[0100]-130＜r12＜-125；
[0101]
65＜r21＜70；
[0102]-120＜r22＜-118；
[0103]-120＜r31＜-118；
[0104]
17.5＜r32＜18；
[0105]
2＜d1＜3；
[0106]
4＜d2＜5；
[0107]
1＜d3＜2；
[0108]
其中，r12为所述第一透镜g1靠近显示屏20的表面s1的曲率半径，r21为第一胶合透镜g2-1靠近人眼10的表面s31的曲率半径，r22为第一胶合透镜g2-1靠近显示屏20的表面s32的曲率半径，r31为第二胶合透镜g2-2靠近人眼10的表面s41的曲率半径，r32为第二胶合透镜g2-2靠近显示屏20的表面s42的曲率半径，d1为第一透镜g1于光轴上的厚度，d2为第一胶合透镜g2-1于光轴上的厚度，d3为第二胶合透镜g2-2于光轴上的厚度。
[0109]
本实施例中，显示屏20与第二透镜g2的底面贴合，从而达到缩短后焦的目的，从而进一步缩短光学系统总长。
[0110]
请配合参照下表2，表2为实施例二详细的结构数据。
[0111]
[0112][0113]
实施例三
[0114]
本发明还提供了一种电子设备，包括如上任一实施例所述的虚拟现实光学系统。
[0115]
基于前述各个实施例，本发明在满足系统成像质量的同时，采用膜材曲贴和超短后焦的形式减少系统总长，常规的pancake(小巧轻便的薄型透镜)方案中，系统总长大于22mm，本实施例中系统总长能够减短35～50％。
[0116]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种虚拟现实光学系统，其特征在于，包括用于提供显示图像的显示屏，所述显示图像形成出射光线；还包括：沿所述出射光线的光路依次设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜上设有第一光转换膜和第一半透半反膜，所述第二透镜上设有第二光转换膜和第二半透半反膜；在所述第一半透半反膜和第二半透半反膜的透过及反射作用下，所述出射光线以预定路径在所述第一光转换膜和所述第二光转换膜中转换，形成最终进入人眼的线偏振光。2.根据权利要求1所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述第一光转换膜包括第一四分之一波片和第一线偏振片，所述第一光转换膜位于所述第一透镜靠近所述人眼的表面；所述第二光转换膜包括第二四分之一波片和第二线偏振片，所述第二光转换膜位于所述第二透镜靠近所述显示屏的表面；所述第一半透半反膜位于所述第一光转换膜远离于所述第一透镜的表面，所述第二半透半反膜位于所述第二透镜与所述第二光转换膜之间。3.根据权利要求1所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述第一透镜靠近人眼的表面为凹面，所述第一透镜靠近显示屏的表面为凸面；所述第二透镜靠近人眼的表面为凹面，所述第二透镜靠近显示屏的表面贴合于所述显示屏；所述第二透镜和所述第一透镜均为球面镜。4.根据权利要求3所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述虚拟现实光学系统的入瞳直径为3～5mm，眼盒为7～9mm，最大全视场角为108～200
°
，接目距为14～16mm，波长范围为0.486um～0.656um。5.根据权利要求3所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜的材质均为玻璃；所述虚拟现实光学系统满足如下条件：-16＜r11＜-15；-21＜r12＜-20；-23＜r21＜-23.5；6.5＜d1＜7.5；1.5＜d2＜2；其中，r11为所述第一透镜靠近人眼的表面的曲率半径，r12为所述第一透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，r21为所述第二透镜靠近人眼的表面的曲率半径，d1为所述第一透镜于光轴上的厚度，d2为所述第二透镜于光轴上的厚度。6.根据权利要求1所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述第二透镜包括第一胶合透镜和第二胶合透镜，所述第二透镜由所述第一胶合透镜和第二胶合透镜胶合而成；所述第一胶合透镜和所述第二胶合透镜均为球面透镜，所述第一透镜为非球面透镜；所述第一胶合透镜靠近人眼的表面为凹面，所述第一胶合透镜靠近显示屏的表面为凹面，所述第二胶合透镜靠近人眼的表面为凸面，所述第二胶合透镜靠近显示屏的表面为凸面；其中，所述第一胶合透镜靠近人眼的表面与所述第二胶合透镜靠近显示屏的表面胶合，所述第一胶合透镜靠近显示屏的表面贴合于所述显示屏；
所述第一透镜靠近显示屏的表面为凸面。7.根据权利要求6所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述虚拟现实光学系统的入瞳为3～5mm，眼盒为7～9mm，最大全视场角为75～77
°
，接目距为14～16mm，波长范围为0.486um～0.656um。8.根据权利要求6所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第一胶合透镜和所述第二胶合透镜均为玻璃；所述虚拟现实光学系统满足如下关系式：-130＜r12＜-125；65＜r21＜70；-120＜r22＜-118；-120＜r31＜-118；17.5＜r32＜18；2＜d1＜3；4＜d2＜5；1＜d3＜2；其中，r12为所述第一透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，r21为所述第一胶合透镜靠近人眼的表面的曲率半径，r22为所述第一胶合透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，r31为所述第二胶合透镜靠近人眼的表面的曲率半径，r32为所述第二胶合透镜靠近显示屏的表面的曲率半径，d1为所述第一透镜于光轴上的厚度，d2为所述第一胶合透镜于光轴上的厚度，d3为所述第二胶合透镜于光轴上的厚度。9.根据权利要求6所述的虚拟现实光学系统，其特征在于，所述第一透镜的圆锥系数为-5.942，所述第一透镜的第四阶非球面系数为6.63e-06，所述第一透镜的第六阶非球面系数为-7.03e-09，所述第一透镜的第八阶非球面系数为2.21e-11。10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的虚拟现实光学系统。

技术总结
本发明公开了一种虚拟现实光学系统及电子设备，虚拟现实光学系统包括用于提供显示图像的显示屏，所述显示图像形成出射光线；还包括：沿所述出射光线的光路依次设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜上设有第一光转换膜和第一半透半反膜，所述第二透镜上设有第二光转换膜和第二半透半反膜；在所述第一半透半反膜和第二半透半反膜的透过及反射作用下，所述出射光线至少经过所述第一光转换膜的两次转换和第二光转换膜的一次转换后，形成最终进入人眼的线偏振光。通过在透镜上贴设光转换膜，并利用半透半反膜形成对出射光线的引导，从而能够在透镜数量较少的前提下实现出射光线的偏振转换，有效减少了系统总长，从而实现光学系统的体积小型化。系统的体积小型化。系统的体积小型化。


技术研发人员：张梓轩 张振超 陈必然 张恒溢 巩虎伟
受保护的技术使用者：华勤技术股份有限公司
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/9/23