一种虚拟现实光学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种虚拟现实光学系统，包括光阑(100)，所述的光阑(100)一侧设有相对其位置固定的第一透镜(1)和相对其能前后移动的第二透镜(2)，所述的第二透镜(2)远离光阑(100)一侧设有反射元件(3)和显示屏(200)，所述的显示屏(200)发出的光线经过反射元件(3)反射而进入第二透镜(2)和第一透镜(1)后到达光阑(100)，所述的第一透镜(1)为正光焦度的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜(2)为负光焦度的弯月形非球面透镜，所述的反射元件(3)的光焦度为0。本实用新型结构简单、清晰度高，视场角大，体积小、重量轻。
【专利说明】一种虚拟现实光学系统 【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种光学系统，更具体地说是一种反射式虚拟现实光学系统。 【【背景技术】】
[0002] 目前虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)和增强现实(Augmented Reality，简称 AR)进入快速发展期，这些装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观 察者的负载。对于VR系统而言，大视场是相当重要的，只有大视场，观察者才能更全神贯注 的观察优质的动态图像，由于VR系统的视场、出瞳直径、焦距三者之间是相互制约的关系， 同时达到大视场、大出瞳直径和短焦距相当困难。为此，镜片组及特殊镜片方案是未来VR系 统的发展趋势。对于要求越来越高的VR领域来讲，需要画面更清晰，用户体验更优质的产 品。
[0003] 因此，本实用新型应运而生。 【【实用新型内容】】
[0004] 本实用新型目的是克服了现有技术的不足，提供一种结构简单、清晰度高，视场角 大，体积小、重量轻的虚拟现实光学系统。
[0005] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种虚拟现实光学系统，其特征在于:包括光阑100，所述的光阑100-侧设有相对 其位置固定的第一透镜1和相对其能前后移动的第二透镜2,所述的第二透镜2远离光阑100 一侧设有反射元件3和显示屏200,所述的显示屏200发出的光线经过反射元件3反射而进入 第二透镜2和第一透镜1后到达光阑100,所述的第一透镜1为正光焦度的双凸形非球面透 镜，所述的第二透镜2为负光焦度的弯月形非球面透镜，所述的反射元件3的光焦度为0。
[0007] 如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:从所述的光阑100至反射元件3方向， 所述第一透镜1的第一面为双曲线非球面、第二面为椭圆非球面;所述第二透镜2的第一面 为圆形非球面、第二面为扁圆非球面。
[0008] 如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的反射元件3是平面反光镜或反 射棱镜或反射式自由曲面。
[0009] 如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的反射元件3镀有多层反射膜。 [0010]如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的第一透镜1和第二透镜2为塑 料透镜。
[0011] 如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的显示屏200为液晶显示屏。
[0012] 如上虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的第一透镜1、第二透镜2的非球面表面 形状满足以下方程：2=:cyV I [.1- (1+k.) c2y2] } + a jy2+ α 2y4+.a 3y6+ Q ：*y8+ a sy19+ Q eyu+ a 7.y14+ d 8y16., 在公式中，参数C为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥 二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面 形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透 镜的面形曲线为圆形，当k系数大于O时，透镜的面形曲线为扁圆形;〇1至〇8分别表示各径向 坐标所对应的系数。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型有如下优点：
[0014] 1、本实用新型的视场角非常大，视场角可达到120°，3D效果更明显，观看影像时有 身临其境的完美感受。
[0015] 2、本实用新型的光学系统可以适用所有体验者，可以通过调节第二透镜的位置来 调节视度，任何使用者都可以通过调节视度，看清楚整个画面。
[0016] 3、本实用新型合理的分配放大率，畸变很小，像面放大后，真实感得到保证，更符 合虚拟现实的要求。
[0017] 4、本实用新型的第一透镜和第二透镜全部采用塑料镜片，结构紧凑，体积很小，系 统轻便，整个完成品的重量小于250g，观察者佩戴非常舒适。
[0018] 5、本实用新型的入瞳直径很大，显示的图像亮度没有明显的衰减，清晰度非常高， 且画面均匀，无论眼睛怎么转动，都能够看清整个画面，不容易导致观察者视觉疲劳。 【【附图说明】】
[0019] 图1是本实用新型示意图；
[0020] 图2是本实用新型光学系统光路图。 【【具体实施方式】】
[0021] 下面结合附图对本实用新型作进一步描述：
[0022] -种虚拟现实光学系统，包括光阑100,所述的光阑100-侧设有相对其位置固定 的第一透镜1和相对其能前后移动的第二透镜2,所述的第二透镜2远离光阑100-侧设有反 射元件3和显示屏200,所述的显示屏200发出的光线经过反射元件3反射而进入第二透镜2 和第一透镜1后到达光阑100,所述的第一透镜1为正光焦度的双凸形非球面透镜，所述的第 二透镜2为负光焦度的弯月形非球面透镜，所述的反射元件3的光焦度为0。本实用新型光学 系统使用时光线是逆向传播的，实际光路为微型液晶显示屏200发出的光线，先经过反射元 件3反射进入第二透镜2,然后经过第二透镜2透射进入第一透镜1，最后经过第一透镜1透射 到达光阑100处，光阑100即为观察者眼睛。
[0023]为了设计方便，设计中眼睛可当作理想透镜，同时按照光线正向传播的思路设计， 设计系统中的光阑即为观察者。所述的第一透镜1为塑料非球面正透镜，使得通过光阑100 孔径的所有光线都能顺利进入整个光学系统，实现了大视场角，视场角可达到120°，实现明 显的3D效果，第一透镜1可以采用低折射率材料，且光焦度较大，主要承担了图像放大及图 像投远的效果。
[0024]所述的第一透镜1的光焦度为正，且相对于光阑100固定不动;所述的第二透镜2的 光焦度为负且能相对光阑100前后移动。因此，利用人眼成像原理，当近视眼用户使用时，画 面需要向眼睛方向移动，调节第二透镜2的位置，补偿由近视引起的画面移动量，使得光学 系统始终能够聚焦在显示屏200上。利用光路可逆原理，显示屏200发出的光线也能够进入 人眼，聚焦在视网膜上，不同视度的人，只要将第二透镜2调整到合适的位置，就能够看清楚 画面，实现光学系统内部对焦、视度调整，适用于所有体验者，改善了市面上的产品只能用 于正常视力使用者的局限性。
[0025]所述的反射元件3可以是平面反光镜，还可以是反射棱镜或反射式自由曲面，所述 的反射元件3镀有多层反射膜。按照光线正向传播设计思路，通过第二透镜2投射出来的光 线被反射元件3完全反射，进入像面即显示屏200。由于反射元件3的光焦度为0，本身不会产 生像差，也不会影响整个光学系统像差的分配，另外，反射元件3使得光学系统的像面位置 发生变化，转移到第一透镜1和第二透镜2的侧面，这样大大的减小了整个光学系统的长度， 结构变得紧凑轻巧。
[0026]所述的第一透镜1采用低折射率高色散系数的塑料非球面正透镜，所述的第二透 镜2采用高折射率低色散的塑料非球面负透镜，正负透镜配合使用，正透镜产生的负球差正 好抵偿了负透镜产生的正球差，很好的矫正了光学系统的球差和正弦差。高色散材料和低 色散材料搭配，不仅能够矫正系统的轴向色差，还能够矫正系统的垂轴色差，保证了系统的 图像锐度和色彩还原性。光学系统中的第一透镜和第二透镜分开使用，能够很好的矫正光 学系统的场曲及畸变。
[0027] 从所述的光阑100至反射元件3方向，所述第一透镜1的第一面为双曲线非球面、第 二面为椭圆非球面;所述第二透镜2的第一面为圆形非球面、第二面为扁圆非球面。整个光 学系统采用了四面非球面，非球面不仅本身产生很小的像差，也能很好的平衡整个光学系 统的像差，使得光学系统的像面中心和边缘都有相当高的分辨率。
[0028] 所述的第一透镜1、第二透镜2的非球面表面形状满足以下方程：
甶公式中，参 数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系 数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛 物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲 线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形; 〇1至〇8分别表示各径向坐标所对应 的系数。
[0029] 本实用新型第一透镜1、第二透镜2和反射元件3都使用常见的塑料材质，有效的控 制成本，减轻系统的重量。设计时采用宽光谱，且设计的理论分辨率远高于实际需要值，保 证了图像锐度和色彩还原性。
【主权项】
1. 一种虚拟现实光学系统，其特征在于:包括光阔（100)，所述的光阔（100)-侧设有相 对其位置固定的第一透镜（1)和相对其能前后移动的第二透镜(2)，所述的第二透镜(2)远 离光阔（100)-侧设有反射元件(3)和显示屏(200)，所述的显示屏(200)发出的光线经过反 射元件(3)反射而进入第二透镜(2)和第一透镜（1)后到达光阔（100)，所述的第一透镜（1) 为正光焦度的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜(2)为负光焦度的弯月形非球面透镜，所 述的反射元件(3)的光焦度为0。2. 根据权利要求1所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:从所述的光阔（100)至反射 元件(3)方向，所述第一透镜（1)的第一面为双曲线非球面、第二面为楠圆非球面;所述第二 透镜(2)的第一面为圆形非球面、第二面为扁圆非球面。3. 根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的反射元件(3)是平 面反光镜或反射棱镜或反射式自由曲面。4. 根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的反射元件(3)锻有 多层反射膜。5. 根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的第一透镜（1)和第 二透镜(2)为塑料透镜。6. 根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于:所述的显示屏(200)为液 晶显示屏。7. 概尉姊腰犯臟的虚蛾见实光学系统，其特征在于:臟的第一纖。)、第二纖(2)的非 球面表面形状满足W下方程：在 公式中，参数C为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二 次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形 曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为楠圆，当k系数等于0时，透镜 的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形;α适as分别表示各径向坐 标所对应的系数。
【文档编号】G02B27/01GK205581417SQ201620307931
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】王玉荣, 肖明志, 邹艳华, 陈安科
【申请人】中山联合光电科技股份有限公司