一种光学成像系统的制作方法

1.本技术涉及光学显示技术领域，特别涉及一种光学成像系统及虚拟显示设备。


背景技术：

2.随着显示技术的发展，虚拟现实(virtual reality,vr)显示技术受到了广泛的关注，逐渐出现在了人们的生活和工作中。当前vr设备光学方案仍以菲涅尔透镜为主，但其有着体积大，重量重等缺陷。
3.为了减小vr设备的体积，目前可以采用pancake式的折叠光路的结构，通过光线反射以及光线的偏振态变化的方式实现轻薄化设计。然而由于材料、加工工艺等因素的影响，折叠光路中的透镜存在双折射效应，使得经过透镜的光线出现了不期望出现的偏振态变化，在光线第一次到达偏振反射片时，较多的光线透过偏振反射片形成了鬼像。


技术实现要素：

4.本技术公开了一种光学成像系统及虚拟显示设备以减少现有pancake式的折叠光路结构最终成像效果中鬼像的影响。
5.为达到上述目的，本技术提供以下技术方案：
6.第一方面，本技术提供一种光学成像系统，该光学成像系统包括依次共轴设置的显示屏、线偏振片、第一1/4波片、部分透射部分反射元件、偏振反射片、第二1/4波片、以及透镜组；其中，偏振反射片的透射方向和线偏振片的偏振方向之间的夹角小于等于3
°
。
7.进一步地，还包括设于部分透射部分反射元件和偏振反射片之间的支撑片。
8.进一步地，支撑片包括玻璃片或者树脂片。
9.进一步地，部分透射部分反射元件为半透半反膜。
10.进一步地，透镜组为非球面透镜组，透镜组包括设于第二1/4波片背离偏振反射片一侧的第一透镜、以及设于第一透镜背离第二1/4波片一侧的第二透镜。
11.进一步地，第一透镜的焦距f1为25mm≤f1≤75mm，中心厚度ct1为2mm≤ct1≤10mm，折射率n1为1.4≤n1≤1.7，阿贝数v1为25≤v1≤75。
12.进一步地，第一透镜的第一表面曲率半径r1为35mm≤r1≤85mm，第二表面曲率半径r2为-70mm≤r2≤-20mm。
13.进一步地，第二透镜的焦距f2为360mm≤f2≤410mm，中心厚度ct2为2mm≤ct2≤10mm，折射率n1为1.4≤n1≤1.7，阿贝数v2为25≤v2≤75。
14.进一步地，第二透镜的第一表面曲率半径r3为30mm≤r3≤60mm，第二表面曲率半径r4为30mm≤r4≤70mm。
15.第二方面，本技术提供一种虚拟现实设备，该虚拟现实设备包括第一方面的光学成像系统。
16.本技术提供的光学成像系统，其中，自显示屏发出的光线经过线偏振片变为第一线偏振光，第一线偏振光经过第一1/4波片后变为圆偏振光，圆偏振光经过部分透射部分反
射元件时透射，经过第二1/4波片变为第二线偏振光，并在偏振反射片的作用下反射，反射回的光线再次经过第二1/4波片变为圆偏振光，并在部分透射部分反射元件处再次反射，再次反射回的圆偏振光第二次经过第二1/4波片，并变回第一线偏振片，因为第二线偏振光的偏振方向与第一线偏振光的偏振方向垂直，第一线偏振光的振动方向与偏振反射片的透光轴平行，第一线偏振光可全部透过偏振反射片形成图像。本技术中的光学成像系统中的光线在显示屏和与显示屏距离最近的透镜之间折叠，达到了pancake光路折叠的目的，减小了光学系统总长，并且相较于光线在镜片中折叠的现有pancake方案，减少了两次经过镜片的过程，从而减少成像因为光线在经过镜片时由于双折射产生的鬼像的影响。
附图说明
17.图1为本技术一种实施例的光学成像系统的结构示意图；
18.图2为本技术另一种实施例的光学成像系统的结构示意图；
19.图3为本技术实施例1中光学成像系统的带光路的2d示意图；
20.图4为本技术实施例1中光学成像系统的中心视场(半视场角0
°‑
26
°
)的mtf图；
21.图5为本技术实施例1中光学成像系统的边缘视场(半视场角20
°
至40
°
)的mtf图；
22.图6为本技术实施例1中光学成像系统的全视场(半视场角0
°
至40
°
)的mtf图；
23.图7为本技术实施例1中光学成像系统的点列图；
24.图8为本技术实施例1中光学成像系统的场曲图；
25.图9为本技术实施例1中光学成像系统的畸变图；
26.图10为本技术实施例1中光学成像系统的垂轴色差图。
27.附图标号：
28.10-显示屏；20-线偏振片；30-第一1/4波片；40-部分透射部分反射元件；50-偏振反射片；60-第二1/4波片；70-透镜组；71-第一透镜；72-第二透镜；80-支撑片。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.图1为本技术一种实施例的光学成像系统的结构示意图，参照图1，本技术提供一种光学成像系统，该光学成像系统包括依次共轴设置的显示屏10、线偏振片20、第一1/4波片30、部分透射部分反射元件40、偏振反射片50、第二1/4波片60、以及透镜组70；其中，偏振反射片50的透射方向和线偏振片20的偏振方向之间的夹角小于等于3
°
。
31.偏振反射片50的透射方向和线偏振片20的偏振方向之间的夹角举例为3
°
、2
°
、1
°
、0.5
°
或者0
°
。二者之间的夹角越小，对鬼影的消除程度越高，有效光损失量也越少。优选的，偏振反射片50的透射方向和线偏振片20的偏振方向平行，即二者的夹角为0
°
。
32.继续参照图1，该光学成像系统还包括设于部分透射部分反射元件40和偏振反射片50之间的支撑片80。支撑片80的作用是对偏振反射片50和部分透射部分反射元件40起到支撑作用。
33.本实施例的可选方案中，支撑片80包括玻璃片或者树脂片。
34.可以理解的是，部分透射部分反射元件40用于将入射的光一部分反射，一部分透射。其中，部分透射部分反射元件40可以为半透半反膜，即透射光线与反射光线的比例是5:5，也可以是采用其他分光比例的分光膜，例如6:4、7:3或8:2等，此处不做限定。
35.其中，偏振反射片50用于根据入射光的偏振方向进行选择性地透射和反射，具体为透过偏振方向与自身透光轴平行的光，反射偏振方向与自身透光轴垂直的光。
36.其中，本技术中不对显示屏10的类型进行限定，具体的，显示屏10可以是lcd(liquid crystal display，液晶显示器)显示屏或者oled(organic light-emitting diode，有机发光二极管)显示屏；也可以是dlp(digital light processing，数字光处理)显示屏；还可以是lcos(liquid crystalon silicon，硅基液晶)显示屏等。另外，该显示屏10可以是柔性屏，也可以是刚性屏。在实际应用中，具体根据用户需求进行选择。
37.本实施例的可选方案中，显示屏10、线偏振片20、第一1/4波片30、支撑片80、以及部分透射部分反射元件40依次贴合设置在一起。本技术中不对相邻元件之间的连接方式进行限定，具体可以是粘贴、镶嵌连接等方式。
38.本实施例的可选方案中，透镜组70为非球面透镜组，透镜组70包括两个及以上的透镜。参照图1，在一些可选的实施例中，该光学成像系统的透镜组70包括两个共轴设置的透镜。图2为本技术另一种实施例的光学成像系统的结构示意图，参照图2，该光学成像系统的透镜组70包括三个共轴设置的透镜。
39.继续参照图1，透镜组70包括设于第二1/4波片60背离偏振反射片50一侧的第一透镜71、以及设于第一透镜71背离第二1/4波片60一侧的第二透镜72。
40.本实施例的可选方案中，第一透镜的焦距f1为25mm≤f1≤75mm，焦距f1举例为25mm、30mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、70mm或者75mm；第一透镜71的中心厚度ct1为2mm≤ct1≤10mm，中心厚度ct1举例为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或者10mm；第一透镜71的折射率n1为1.4≤n1≤1.7，折射率n1举例为1.4、1.45、1.5、1.6或者1.7；第一透镜71的阿贝数v1为25≤v1≤75，阿贝数v1举例为25、30、35、40、45、50、55、65或者75。
41.本实施例的可选方案中，第一透镜的第一表面曲率半径r1为35mm≤r1≤85mm，第一表面曲率半径r1举例为35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、75mm或者85mm；第二表面曲率半径r2为-70mm≤r2≤-20mm，第二表面曲率半径r2举例为-70mm、-65mm、-60mm、-50mm、-45mm、-40mm、-35mm、-25mm或者-20mm。
42.本实施例的可选方案中，第二透镜的焦距f2为360mm≤f2≤410mm，焦距f2举例为360mm、370mm、375mm、380mm、385mm、390mm、395mm、400mm或者410mm；中心厚度ct2为2mm≤ct2≤10mm，中心厚度ct2举例为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或者10mm；折射率n2为1.4≤n2≤1.7，折射率n2举例为1.4、1.45、1.5、1.6或者1.7；阿贝数v2为25≤v2≤75，阿贝数v2举例为25、30、35、40、45、50、55、65或者75。
43.本实施例的可选方案中，第二透镜的第一表面曲率半径r3为30mm≤r3≤60mm，第一表面曲率半径r3举例为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm或者60mm；第二表面曲率半径r4为30mm≤r4≤70mm，第二表面曲率半径r4举例为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm或者70mm。
44.基于同样的发明构思，本技术实施例还提供一种虚拟现实设备，该虚拟现实设备
包括本技术各种可能的实施例中的光学成像系统。因为本技术实施例中的光学成像系统的光线在显示屏和与显示屏距离最近的透镜之间折叠，减小了光学系统总长，并且相较于光线在镜片中折叠的现有pancake方案，减少了两次经过镜片的过程，从而减少成像因为光线在经过镜片时由于双折射产生的鬼像的影响，此外，该光学成像系统对镜片应力要求降低，调制传递函数(modulation transfer function，mtf)、色差等数据均较优；包括上述光学成像系统的虚拟现实设备也具有同样的优势，此处不再赘述。
45.具体地，虚拟现实设备可以是头戴式显示设备，如vr眼镜等。
46.下面将结合具体实施例对本技术中的光学成像系统做进一步详细说明。
47.实施例1
48.该实施例为一种光学成像系统，参照图1，该光学成像系统包括依次共轴设置的显示屏10、线偏振片20、第一1/4波片30、部分透射部分反射元件40、偏振反射片50、第二1/4波片60、第一透镜71、以及第二透镜72；其中，偏振反射片50的透射方向和线偏振片20的偏振方向平行；其中，部分透射部分反射元件40为半透半反膜。
49.该光学成像系统的入瞳直径为4mm，波长依次设置0.486um、0.587um、0.656um三个值；瞳孔所在光轴几何中心与半透半反膜的距离为13mm，即眼距为13mm；该光学成像系统的最大视场角为80
°
；该光学成像系统的第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为1.9mm；该光学成像系统的第二透镜和显示屏之间的中心间隔为9.3mm；该光学成像系统的焦距为25.8mm，镜头总长(第一透镜的与瞳孔较近的表面和显示屏之间的距离)为22mm；该光学成像系统的像高(光线在显示屏处的坐标)为19mm。
50.第一透镜的折射率n1为1.55，阿贝数v1为63.46，焦距f1为48.82mm，中心厚度ct1为5.5mm，以透镜离瞳孔较近的面的曲率半径为第一表面曲率半径r1，r1为61.3mm，以离瞳孔较远的面的曲率半径为第二表面曲率半径r2，r2为-46.6mm。
51.第二透镜的折射率n2为1.59，阿贝数v2为61.15，焦距f2为388.47mm，中心厚度ct2为5.3mm，以透镜离瞳孔较近的面曲率半径为第一表面曲率半径r3，r3为42.5mm，以离瞳孔较远的面曲率半径为第二表面曲率半径r4，r4为49.8mm。
52.其中，以a表示第一透镜离瞳孔较近的面，b表示第一透镜离瞳孔较远的面，c表示第二透镜离瞳孔较近的面，d表示第二透镜离瞳孔较远的面，该光学成像系统的非球面透镜面型系数如下表1所示：
53.表1
54.表面圆锥系数4阶项6阶项8阶项10阶项12阶项a-1.71e+01-7.88e-053.29e-07-2.91e-114.76e-13-2.86e-15b8.18e+00-5.84e-051.61e-071.74e-102.83e-121.07e-15c1.13e+005.17e-06-1.72e-086.98e-124.22e-14-1.63e-17d-4.05e+00-4.50e-06-3.74e-08-5.42e-114.90e-13-5.13e-16
55.图3为本技术实施例1中光学成像系统的带光路的2d示意图，参照图3，实施例1中的光学成像系统的光线在显示屏10和与显示屏10距离最近的透镜，即第一透镜71之间折叠，达到了pancake光路折叠的目的，减小了光学系统总长，并且相较于光线在镜片中折叠的现有pancake方案，减少了两次经过镜片的过程。
56.对实施例1中的光学成像系统进行性能测试，具体测试结果请一并参照图4至图
10。
57.其中，图4为本技术实施例1中光学成像系统的中心视场(半视场角0
°‑
26
°
)的mtf图，参照图4，该光学成像系统mtf中心视场(半视场角0至20
°
)在10lp/mm处大于0.6；
58.图5为本技术实施例1中光学成像系统的边缘视场(半视场角20
°
至40
°
)的mtf图，参照图5，该光学成像系统mtf边缘视场(半视场角20至40
°
)在10lp/mm处大于0.1；
59.图6为本技术实施例1中光学成像系统的全视场(半视场角0
°
至40
°
)的mtf图，参照图6，该光学成像系统mtf全视场(半视场角20至40
°
)在10lp/mm处大于0.1；
60.图7为本技术实施例1中光学成像系统的点列图，参照图7，该光学成像系统全视场最大光斑rms为67.902um；
61.图8为本技术实施例1中光学成像系统的场曲图，参照图8，该光学成像系统的场曲达到
±
1mm以内；
62.图9为本技术实施例1中光学成像系统的畸变图，参照图9，该光学成像系统最大畸变为16.25％；
63.图10为本技术实施例1中光学成像系统的垂轴色差图，参照图10，该光学成像系统的垂轴色差在160以内。
64.显然，本领域的技术人员可以对本技术实施例进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。