虚拟现实装置的制作方法

1.本技术涉及光学元件领域，具体地，涉及一种虚拟现实装置。


背景技术：

2.随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实装置被广泛应用于多种领域。通常情况下，虚拟现实装置包括用于提供沉浸感的目视系统、捕捉动作的定位系统、与现实交互的透视系统以及构建表情的面部识别系统等中的至少一个光学系统。特别地，目视系统可以带领用户进入虚拟世界，给用户以沉浸感。定位系统可以捕捉用户的肢体位置和动作。目视系统和定位系统的结合，可以建立虚拟世界和现实世界的联系，以便于用户对虚拟世界的物体进行操作。
3.目前，大部分生产商为了增强虚拟现实装置的沉浸感、提高用户体验，通常会在不同的虚拟现实装置上配置多个不同种类的光学系统。然而，如何通过优化多个光学系统的架构、提升光学系统的性能，以提高虚拟现实装置的用户体验，已成为目前诸多光学系统设计者亟待解决的难题之一。


技术实现要素：

4.本技术提供了这样一种虚拟现实装置。该虚拟现实装置包括第一光学系统和第二光学系统。第一光学系统沿着第一光轴由人眼侧至影像侧依序包括滤光片、反射式偏光元件、四分之一波板、第一镜片和第二镜片，其中，第一镜片具有正光焦度或负光焦度，第二镜片具有正光焦度或负光焦度。第二光学系统沿着第二光轴由物侧至像侧依序包括具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和具有负光焦度的第五透镜。第二光学系统所成的实像以电信号的形式传递至显示屏幕，第一光学系统用于投射显示屏幕上的虚像以及传递至显示屏幕上的实像，虚拟现实装置可满足：12.3＜(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))＜15.3，fa是第一光学系统的有效焦距，fb是第二光学系统的有效焦距，fova是第一光学系统的最大视场角，fovb是第二光学系统的最大视场角。
5.在一个实施方式中，第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面中的至少一个镜面是非球面镜面。
6.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：3.2＜(r1a+r2a)/(r1b+r2b)＜10.2，其中，r1a是第一镜片的近人眼侧面的曲率半径，r2a是第一镜片的近影像侧面的曲率半径，r1b是第一透镜的物侧面的曲率半径，r2b是第一透镜的像侧面的曲率半径。
7.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：3.6＜(ct1a+t12a)/(ct1b+t12b)＜8.1，其中，ct1a是第一镜片在第一光轴上的中心厚度，t12a是第一镜片和第二镜片在第一光轴上的空气间隔，ct1b是第一透镜在第二光轴上的中心厚度，t12b是第一透镜和第二透镜在第二光轴上的空气间隔。
8.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：1.2＜(ct2b+ct3b+ct4b)/ct2a＜2.6，
其中，ct2b是第二透镜在第二光轴上的中心厚度，ct3b是第三透镜在第二光轴上的中心厚度，ct4b是第四透镜在第二光轴上的中心厚度，ct2a是第二镜片在第一光轴上的中心厚度。
9.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：1.4＜(ctfa+ctra+ctqa)/fb＜1.9，其中，ctfa是滤光片在第一光轴上的中心厚度，ctra是反射式偏光元件在第一光轴上的中心厚度，ctqa是四分之一波板在第一光轴上的中心厚度，fb是第二光学系统的有效焦距。
10.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：2.2＜fa/|f1b+f2b+f5b|＜3.2，其中，fa是第一光学系统的有效焦距，f1b是第一透镜的有效焦距，f2b是第二透镜的有效焦距，f5b是第五透镜的有效焦距。
11.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：1.6＜fg2a/(ct1a+ct2a)＜2.6，其中，fg2a是四分之一波板和第一镜片的组合焦距，ct1a是第一镜片在第一光轴上的中心厚度，ct2a是第二镜片在第一光轴上的中心厚度。
12.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：1.1＜|r2a+r3a|/r1a＜2.3，其中，r1a是第一镜片的近人眼侧面的曲率半径，r2a是第一镜片的近影像侧面的曲率半径，r3a是第二镜片的近人眼侧面的曲率半径。
13.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：1.3＜(r9b
×
|r10b|)/(r7b
×
r8b)＜8.2，其中，r7b是第四透镜的物侧面的曲率半径，r8b是第四透镜的像侧面的曲率半径，r9b是第五透镜的物侧面的曲率半径，r10b是第五透镜的像侧面的曲率半径。
14.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：2＜fg2a/(f3b+f4b)＜4.6，其中，fg2a是四分之一波板和第一镜片的组合焦距，f3b是第三透镜的有效焦距，f4b是第四透镜的有效焦距。
15.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：10＜(fa/epda)
×
(fb/epdb)＜11，其中，fa是第一光学系统的有效焦距，epda是第一光学系统的入瞳直径，fb是第二光学系统的有效焦距，epdb是第二光学系统的入瞳直径。
16.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：1.3＜tda/tdb＜2.7，其中，tda是第一镜片的近人眼侧面至第二镜片的近影像侧面在第一光轴上的距离，tdb是第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离。
17.在一个实施方式中，虚拟现实装置可满足：1.1mm＜fb/(tan(fovb))＜1.8mm，其中，fb是第二光学系统的有效焦距，fovb是第二光学系统的最大视场角。
18.在一个实施方式中，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面；以及第五透镜的物侧面为凹面。
19.在一个实施方式中，反射式偏光元件贴附于滤光片的近影像侧面；以及四分之一波板贴附于第一镜片的近人眼侧面。
20.在一个实施方式中，虚拟现实装置还包括：部分反射元件，贴附于第一镜片的近影像侧面、第二镜片的近人眼侧面或第二镜片的近影像侧面。
21.在本技术的示例性实施方式中，通过合理设置第一光学系统和第二光学系统的架构，并设置各镜片和透镜的光焦度以及光学技术参数12.3＜(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))＜15.3，可以合理调整第一光学系统的屏幕尺寸和第二光学系统的芯片尺寸之间的关系，一方面可以使第一光学系统的显示屏幕的尺寸较大，以提高沉浸感，另一方面可以使第二光学系统在保证性能的前提小，还具有小尺寸等特性，以利于第二光学系统的装
配。本技术通过将第一光学系统和第二光学系统相结合，可以把现实世界中肢体的位置和动作带入虚拟世界中，以实现虚拟世界和现实世界的交互。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
23.图1是根据本技术示例性实施方式的虚拟现实装置的结构示意图；
24.图2a和图2b分别是根据本技术示例性实施方式的第一视角和第二视角的虚拟现实装置的结构示意图；
25.图3是实施例1中的第一光学系统的结构示意图；
26.图4a至图4c分别示出了实施例1的第一光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
27.图5是实施例2中的第一光学系统的结构示意图；
28.图6a至图6c分别示出了实施例2的第一光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
29.图7是实施例3中的第一光学系统的结构示意图；
30.图8a至图8c分别示出了实施例3的第一光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
31.图9是实施例4中的第二光学系统的结构示意图；
32.图10a至图10c分别示出了实施例4的第二光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
33.图11是实施例5中的第二光学系统的结构示意图；
34.图12a至图12c分别示出了实施例5的第二光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
35.图13是实施例6中的第二光学系统的结构示意图；
36.图14a至图14c分别示出了实施例6的第二光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
37.图15是实施例7中的第二光学系统的结构示意图；
38.图16a至图16c分别示出了实施例7的第二光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线；
39.图17是实施例8中的第二光学系统的结构示意图；以及
40.图18a至图18c分别示出了实施例8的第二光学系统的轴上色差曲线、象散曲线以及畸变曲线。
具体实施方式
41.为了更好地理解本技术，将参考附图对本技术的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本技术的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本技术的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
42.应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本技术的教导的情况下，下文中讨论的第一镜片也可被称作第二镜片，第一透镜也可被称作第二透镜或第三透镜。
43.在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了镜片的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
44.在本文中，近轴区域是指第一光轴或第二光轴附近的区域。若镜片和/或透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该镜片和/或透镜表面至少于近轴区域为凸面；若镜片和/或透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该镜片和/或透镜表面至少于近轴区域为凹面。人眼侧是指例如靠近使用者眼睛的一侧，影像侧是指例如靠近显示屏幕的一侧，其中显示屏幕上可具有影像面。每个镜片最靠近人眼侧的表面称为该镜片的近人眼侧面，每个镜片最靠近影像侧的表面称为该镜片的近影像侧面。每个透镜最靠近被摄物体的表面称为该透镜的物侧面，每个透镜最靠近成像面的表面称为该透镜的像侧面。
45.还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本技术的实施方式时，使用“可”表示“本技术的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
46.除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本技术所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过于形式化意义解释，除非本文中明确如此限定。
47.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围，例如，本技术的各实施例中的第一光学系统和第二光学系统之间可以任意组合。具体地，实施例1至实施例3中的任意第一光学系统可以与实施例4至实施例8中的任意第二光学系统相组合。换言之，本技术提供的虚拟现实装置可包括实施例1至实施例3中的任意第一光学系统以及实施例4至实施例8中的任意第二光学系统。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
48.以下对本技术的特征、原理和其他方面进行详细描述。
49.如图1至图2b所示，根据本技术示例性实施方式的虚拟现实装置100可包括第一光学系统110和第二光学系统120。示例性地，虚拟现实装置100可包括两个第一光学系统110和一个第二光学系统120，其中两个第一光学系统110可分别与使用者的左眼和右眼相对应。示例性地，如图1所示，虚拟现实装置100还可包括其它光学系统，如可包括用于与现实交互的光学系统130。应理解，本技术仅示例性列举了虚拟现实装置100中的光学系统的个数，并未具体限定虚拟现实装置100中的光学系统的个数。
50.第二光学系统120可捕捉用户的肢体位置和动作以在成像面上形成实像，其中第二光学系统120所成的实像以电信号的形式传递至显示屏幕上。第一光学系统110的影像面可位于显示屏幕上。第一光学系统110可用于投射显示屏幕上的虚像以及传递至显示屏幕上的实像。具体地，第一个光学系统110可以将显示屏幕上的虚拟影像投射出去，如投射至使用者眼中，提高使用者的沉浸感。第二光学系统120所成的实像可通过显示屏幕穿过第一光学系统110并投射出去，如投射至使用者眼中，最终实现使用者看到虚实结合的画面。本技术提供的虚拟现实装置100，通过将第一光学系统和第二光学系统结合，可以把现实世界中肢体的位置和动作带入虚拟世界中，以实现虚拟世界和现实世界的交互。
51.在示例性实施方式中，第一光学系统沿着第一光轴由人眼侧至影像侧依序包括滤光片、反射式偏光元件、四分之一波板、第一镜片和第二镜片。反射式偏光元件可贴附于滤光片的近影像侧面。四分之一波板可贴附于第一镜片的近人眼侧面。示例性地，滤光片可为平面，以利于将反射式偏光元件贴附于滤光片上。在本技术中，光线经过反射式偏光元件时，反射式偏光元件可以反射某种方向的光，并可透射与反射的光正交的光。四分之一波板可用于在圆偏振光和线偏振光之间转换，以实现光路的折反，有利于缩短第一光学系统的长度。
52.在示例性实施方式中，在第一光学系统中，部分反射元件可贴附于第一镜片的近影像侧面、第二镜片的近人眼侧面或第二镜片的近影像侧面。部分反射元件例如但不限于是半透半反射膜层，其可以被配置为在光线经过时让一部分光线透射并且另一部分光线被反射。
53.在示例性实施方式中，根据本技术的第一光学系统还包括设置在人眼侧的光阑。使用者的眼睛可在光阑的位置处观看由影像面投射出的影像，即影像面上的图像光经过第二镜片、第一镜片、四分之一波板以及反射偏光元件等多次折射和反射后最终投射至使用者的眼睛。本技术通过合理设置反射式偏光元件、四分之一波板、部分反射元件以及多个镜片如第一镜片和第二镜片，可利用光反射和/或折射的方式，在不影响投影品质的前提下压缩第一光学系统投影所需的镜片组长度。
54.在示例性实施方式中，第二光学系统包括五片具有光焦度的透镜，分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜。这五片透镜沿着第二光轴从物侧至像侧依序排列。第一透镜至第五透镜中的任意相邻两透镜之间均可具有间隔距离。
55.在示例性实施方式中，第一镜片可具有正光焦度或负光焦度；第二镜片可具有正光焦度或负光焦度；第一透镜可具有负光焦度；第二透镜可具有负光焦度；第三透镜可具有正光焦度；第四透镜可具有正光焦度；第五透镜可具有负光焦度。示例性地，四分之一波板和第一镜片组合可具有正光焦度。
56.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足12.3＜(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))＜15.3，fa是第一光学系统的有效焦距，fb是第二光学系统的有效焦距，fova是第一光学系统的最大视场角，fovb是第二光学系统的最大视场角。
57.在本技术中，通过合理设置第一光学系统和第二光学系统的架构，并设置各镜片和透镜的光焦度以及光学技术参数12.3＜(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))＜15.3，可以合理调整第一光学系统的屏幕尺寸和第二光学系统的芯片尺寸之间的关系，一方面可以使第一光学系统的显示屏幕的尺寸较大，以提高沉浸感，另一方面可以使第二光
学系统在保证性能的前提小，还具有小尺寸等特性，以利于第二光学系统的装配。本技术通过将第一光学系统和第二光学系统相结合，可以把现实世界中肢体的位置和动作带入虚拟世界中，以实现虚拟世界和现实世界的交互。
58.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：3.2＜(r1a+r2a)/(r1b+r2b)＜10.2，其中，r1a是第一镜片的近人眼侧面的曲率半径，r2a是第一镜片的近影像侧面的曲率半径，r1b是第一透镜的物侧面的曲率半径，r2b是第一透镜的像侧面的曲率半径。满足3.2＜(r1a+r2a)/(r1b+r2b)＜10.2，可以通过控制第一镜片和第一透镜的曲率半径的比值，来控制第一镜片和第一透镜的光焦度，使第一镜片和第一透镜的光焦度为负值，进而有利于增大第一光学系统和第二光学系统的视场角。
59.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：3.6＜(ct1a+t12a)/(ct1b+t12b)＜8.1，其中，ct1a是第一镜片在第一光轴上的中心厚度，t12a是第一镜片和第二镜片在第一光轴上的空气间隔，ct1b是第一透镜在第二光轴上的中心厚度，t12b是第一透镜和第二透镜在第二光轴上的空气间隔。满足3.6＜(ct1a+t12a)/(ct1b+t12b)＜8.1，可以通过控制第一光学系统中第一镜片的中心厚度与第一镜片和第二镜片的空气间隔之和与第二光学系统中第一透镜的中心厚度与第一透镜和第二透镜的空气间隔之和的比值，使第一镜片和第一透镜的厚度较大，进而有利于增大第一镜片和第一透镜的径厚比，便于成型。
60.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：1.2＜(ct2b+ct3b+ct4b)/ct2a＜2.6，其中，ct2b是第二透镜在第二光轴上的中心厚度，ct3b是第三透镜在第二光轴上的中心厚度，ct4b是第四透镜在第二光轴上的中心厚度，ct2a是第二镜片在第一光轴上的中心厚度。满足1.2＜(ct2b+ct3b+ct4b)/ct2a＜2.6，可以通过控制第二透镜、第三透镜和第四透镜的中心厚度之和与第二镜片的中心厚度的比值，使第二透镜、第三透镜和第四透镜的中心厚度较大，进而有利于控制第二透镜、第三透镜和第四透镜的光焦度，以便于第二光学系统在具有大视场角特性的基础上，还具有较好的成像性能。
61.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：1.4＜(ctfa+ctra+ctqa)/fb＜1.9，其中，ctfa是滤光片在第一光轴上的中心厚度，ctra是反射式偏光元件在第一光轴上的中心厚度，ctqa是四分之一波板在第一光轴上的中心厚度，fb是第二光学系统的有效焦距。满足1.4＜(ctfa+ctra+ctqa)/fb＜1.9，可以通过控制滤光片、反射式偏光元件和四分之一波板的中心厚度之和与第二光学系统的有效焦距比值，一方面使第一光学系统中各元件的厚度较大，有利于膜片贴附，另一方面使第二光学系统的有效焦距较小，以便于增加第二光学系统的视场角。
62.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：2.2＜fa/|f1b+f2b+f5b|＜3.2，其中，fa是第一光学系统的有效焦距，f1b是第一透镜的有效焦距，f2b是第二透镜的有效焦距，f5b是第五透镜的有效焦距。满足2.2＜fa/|f1b+f2b+f5b|＜3.2，可以通过控制第一光学系统的有效焦距与第一透镜、第二透镜、第五透镜的有效焦距比值，使第一光学系统的有效焦距较大，第二光学系统的有效焦距较小，一方面可以控制第一光学系统的屏幕尺寸，另一方面可以控制第二光学系统的视场。
63.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：1.6＜fg2a/(ct1a+ct2a)＜2.6，其中，fg2a是四分之一波板和第一镜片的组合焦距，ct1a是第一镜片在第一光
轴上的中心厚度，ct2a是第二镜片在第一光轴上的中心厚度。满足1.6＜fg2a/(ct1a+ct2a)＜2.6，可以通过控制四分之一波板和第一镜片的组合焦距与第一镜片、第二镜片的中心厚度，来控制第一镜片和第二镜片的厚度分布，以便于第一镜片和第二镜片的成型。
64.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：1.1＜|r2a+r3a|/r1a＜2.3，其中，r1a是第一镜片的近人眼侧面的曲率半径，r2a是第一镜片的近影像侧面的曲率半径，r3a是第二镜片的近人眼侧面的曲率半径。满足1.1＜|r2a+r3a|/r1a＜2.3，可以通过控制第一镜片和第二镜片的曲率半径，一方面可以较好地控制第一镜片和第二镜片的形状，便于第一镜片和第二镜片的成型，另一方面可以较好地控制第一镜片和第二镜片的光焦度，通过合理分配第一镜片和第二镜片的光焦度，有利于校正第一光学系统的像差，从而提高成像质量。
65.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：1.3＜(r9b
×
|r10b|)/(r7b
×
r8b)＜8.2，其中，r7b是第四透镜的物侧面的曲率半径，r8b是第四透镜的像侧面的曲率半径，r9b是第五透镜的物侧面的曲率半径，r10b是第五透镜的像侧面的曲率半径。满足1.3＜(r9b
×
|r10b|)/(r7b
×
r8b)＜8.2，可以通过控制第四透镜和第五透镜的曲率半径，来控制光线的出射角，以满足芯片的cra要求。
66.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：2＜fg2a/(f3b+f4b)＜4.6，其中，fg2a是四分之一波板和第一镜片的组合焦距，f3b是第三透镜的有效焦距，f4b是第四透镜的有效焦距。满足2＜fg2a/(f3b+f4b)＜4.6，可以通过控制四分之一波板和第一镜片的组合焦距与第三透镜、第四透镜的有效焦距比值，来使四分之一波板和第一镜片的组合光焦度、第三透镜的光焦度、第四透镜的光焦度均为正值，以便于汇聚光线，有利于大视场角光线的汇聚。
67.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：10＜(fa/epda)
×
(fb/epdb)＜11，其中，fa是第一光学系统的有效焦距，epda是第一光学系统的入瞳直径，fb是第二光学系统的有效焦距，epdb是第二光学系统的入瞳直径。满足10＜(fa/epda)
×
(fb/epdb)＜11，可以通过控制第一光学系统和第二光学系统有效焦距和入瞳直径的比值，来控制这两个系统的f数，且有利于使第一光学系统的f数大于第二光学系统的f数，使第二光学系统的光通量更大，以保证第二光学系统在暗环境下的空间定位功能。
68.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：1.3＜tda/tdb＜2.7，其中，tda是第一镜片的近人眼侧面至第二镜片的近影像侧面在第一光轴上的距离，tdb是第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离。满足1.3＜tda/tdb＜2.7，可以通过控制第一镜片的近人眼侧面至第二镜片的近影像侧面在第一光轴上的距离与第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离的比值，来控制第一光学系统和第二光学系统的光学总长，以利于实现虚拟现实装置的小型化。
69.在示例性实施方式中，根据本技术的虚拟现实装置可满足：1.1mm＜fb/(tan(fovb))＜1.8mm，其中，fb是第二光学系统的有效焦距，fovb是第二光学系统的最大视场角。满足1.1mm＜fb/(tan(fovb))＜1.8mm，可以通过控制第二光学系统的有效焦距和第二光学系统的最大视场角，来间接约束第二光学系统的光瞳口径，进而可通过控制光瞳口径的大小，来提高第二光学系统在较暗环境下的定位性能。
70.在示例性实施方式中，第一透镜的物侧面可为凸面，像侧面可为凹面；第四透镜的
物侧面可为凸面，像侧面可为凸面；以及第五透镜的物侧面可为凹面。本技术通过控制第一透镜、第四透镜和第五透镜的凹凸形状，有利于增大第一透镜的弯曲程度，进而增大第一光学系统的视场角，同时通过控制第四透镜和第五透镜的形状，有利于会聚光线。
71.在示例性实施方式中，根据本技术的第二光学系统还可包括用于校正色彩偏差的滤光片和/或用于保护位于影像侧的感光元件的保护玻璃。根据本技术的上述实施方式的第二光学系统可采用多片透镜，例如上文所述的五片。通过合理分配各透镜的结构以及各透镜之间的轴上间距等，可有效地缩小第二光学系统的体积并提高第二光学系统的可加工性，使得第二光学系统更有利于生产加工并可适用于便携式电子产品。
72.在本技术的实施方式中，各镜片和/或透镜的镜面中的至少一个为非球面镜面，即，第一镜片的近人眼侧面至第二镜片的近影像侧面中的至少一个镜面为非球面镜面，第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面中的至少一个镜面为非球面镜面。非球面镜片和/或透镜的特点是：从镜片和/或透镜中心到镜片和/或透镜周边，曲率是连续变化的。与从镜片和/或透镜中心到镜片和/或透镜周边具有恒定曲率的球面镜片和/或透镜不同，非球面镜片和/或透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。采用非球面镜片和/或透镜后，能够尽可能地消除在成像或投影的时候出现的像差，进而改善成像或投影质量。可选地，第一镜片和第二镜片的近人眼侧面至近影像侧面中的至少一个镜面为非球面镜面，第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜中的每个透镜的物侧面和像侧面中的至少一个为非球面镜面。可选地，第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的物侧面和像侧面均为非球面镜面。
73.然而，本领域的技术人员应当理解，在未背离本技术要求保护的技术方案的情况下，可改变构成第一光学系统的镜片数量以及构成第二光学系统的透镜数量，来获得本说明书中描述的各个结果和优点。例如，虽然在实施方式中以第一光学系统包括两个镜片以及第二光学系统包括五个透镜为例进行了描述，但是该第一光学系统不限于包括两个镜片以及第二光学系统不限于包括五个透镜。如果需要，该第一光学系统和/或第二光学系统还可包括其它数量的镜片或透镜。
74.下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的第一光学系统或第二光学系统的具体实施例。
75.实施例1
76.以下参照图3至图4c描述根据本技术实施例1的虚拟现实装置中的第一光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第二光学系统可以是下文实施例4至实施例8中提供的任一第二光学系统。图3是实施例1中的第一光学系统的结构示意图。
77.如图3所示，第一光学系统由人眼侧至影像侧依序包括：光阑sto、滤光片ir、反射式偏光元件rp、四分之一波板qwp、第一镜片l1、第二镜片l2、部分反射元件bs、影像面img。
78.滤光片ir的近人眼侧面为平面，近影像侧面为平面。第一镜片l1的近人眼侧面为凸面，近影像侧面为凸面。第二镜片l2的近人眼侧面为凹面，近影像侧面为凸面。反射式偏光元件rp贴附于滤光片ir的近影像侧面。四分之一波板qwp贴附于第一镜片l1的近人眼侧面。部分反射元件bs贴附于第二镜片l2的近影像侧面。
79.在本示例中，来自影像面img的图像光依序穿过第二镜片l2、第一镜片l1、四分之一波板qwp并到达反射式偏光元件rp后，在反射式偏光元件rp处发生第一次反射。经第一次
反射的光穿过四分之一波板qwp、第一镜片l1并到达第二镜片l2的近影像侧面上的部分反射元件bs后，在部分反射元件bs处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第二镜片l2、第一镜片l1、四分之一波板qwp、反射式偏光元件rp和滤光片ir并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该虚拟现实装置搭载于如vr等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
80.表1示出了实施例1的第一光学系统的基本参数表，其中，曲率半径和厚度/距离的单位均为毫米(mm)。来自影像面img的图像光按照序号20至序号1的顺序经过各部件并最终投射至空间的目标物体如人眼中。
[0081][0082]
表1
[0083]
在本示例中，四分之一波板和第一镜片的组合焦距fg2a为23.43mm，第一光学系统的有效焦距fa为23.60mm，第一光学系统的入瞳直径epda为4.00mm，第一光学系统的最大视场角fova为106.00
°
，第一镜片的近人眼侧面至第二镜片的近影像侧面在第一光轴上的距离tda为14.99mm，滤光片在第一光轴上的中心厚度ctfa为0.64mm，反射式偏光元件在第一光轴上的中心厚度ctra为0.16mm，四分之一波板在第一光轴上的中心厚度ctqa为0.40mm。
[0084]
在实施例1中，第一镜片l1的近影像侧面为非球面，非球面镜片的面型x可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
[0085][0086]
其中，x为非球面沿第一光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/r(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径r的倒数)；k为圆锥系数；ai是非球面第i-th阶的修正系数。下表2给出了可用于实施例1中各非球面镜面的高次项系数a4、a6、a8、a
10
、a
12
、a
14
、a
16
、a
18
和a
20
。
[0087]
表面第一镜片l1的近影像侧面a41.2553e-06a63.9139e-10a81.0020e-12a10-8.8548e-16a123.2501e-19a140.0000e+00a160.0000e+00a180.0000e+00a200.0000e+00
[0088]
表2
[0089]
图4a示出了实施例1的第一光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第一光学系统后的会聚焦点偏离。图4b示出了实施例1的第一光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图4c示出了实施例1的第一光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图4a至图4c可知，实施例1所给出的第一光学系统能够实现良好的投影品质。
[0090]
实施例2
[0091]
以下参照图5至图6c描述根据本技术实施例2的虚拟现实装置中的第一光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第二光学系统可以是下文实施例4至实施例8中提供的任一第二光学系统。在本实施例及以下实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图5是实施例2中的第一光学系统的结构示意图。
[0092]
如图5所示，第一光学系统由人眼侧至影像侧依序包括：光阑sto、滤光片ir、反射式偏光元件rp、四分之一波板qwp、第一镜片l1、部分反射元件bs、第二镜片l2、影像面img。
[0093]
滤光片ir的近人眼侧面为平面，近影像侧面为平面。第一镜片l1的近人眼侧面为凸面，近影像侧面为凸面。第二镜片l2的近人眼侧面为凹面，近影像侧面为凸面。反射式偏光元件rp贴附于滤光片ir的近影像侧面。四分之一波板qwp贴附于第一镜片l1的近人眼侧面。部分反射元件bs贴附于第一镜片l1的近影像侧面。
[0094]
在本示例中，来自影像面img的图像光依序穿过第二镜片l2、第一镜片l1、四分之一波板qwp并到达反射式偏光元件rp后，在反射式偏光元件rp处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板qwp并到达第一镜片l1的近影像侧面上的部分反射元件bs后，在部分反射元件bs处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第一镜片l1、四分之一波板qwp、反射式偏光元件rp和滤光片ir并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该虚拟现实装置搭载于如vr等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
[0095]
在本示例中，四分之一波板和第一镜片的组合焦距fg2a为25.36mm，第一光学系统的有效焦距fa为25.20mm，第一光学系统的入瞳直径epda为4.50mm，第一光学系统的最大视场角fova为106.00
°
，第一镜片的近人眼侧面至第二镜片的近影像侧面在第一光轴上的距离tda为10.93mm，滤光片在第一光轴上的中心厚度ctfa为0.72mm，反射式偏光元件在第一光轴上的中心厚度ctra为0.18mm，四分之一波板在第一光轴上的中心厚度ctqa为0.27mm。
[0096]
表3示出了实施例2的第一光学系统的基本参数表，其中，曲率半径和厚度/距离的单位均为毫米(mm)。来自影像面img的图像光按照序号16至序号1的顺序经过各部件并最终投射至空间的目标物体如人眼中。表4给出了可用于实施例2中各非球面镜面的高次项系数。
[0097][0098][0099]
表3
[0100]
表面第二镜片l2的近人眼侧面第二镜片l2的近影像侧面a4-2.9842e-06-8.4684e-06a6-2.7804e-093.5811e-08a8-3.8702e-12-2.2283e-11a10-2.8278e-15-3.4163e-14a123.9693e-182.4206e-17a140.0000e+000.0000e+00a160.0000e+000.0000e+00a180.0000e+000.0000e+00a200.0000e+000.0000e+00
[0101]
表4
[0102]
图6a示出了实施例2的第一光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第一光学系统后的会聚焦点偏离。图6b示出了实施例2的第一光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图6c示出了实施例2的第一光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图6a至图6c可知，实施例2所给出的第一光学系统能够实现良好的投影品质。
[0103]
实施例3
[0104]
以下参照图7至图8c描述根据本技术实施例3的虚拟现实装置中的第一光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第二光学系统可以是下文实施例4至实施例8中提供的任一第二光学系统。图7是实施例3中的第一光学系统的结构示意图。
[0105]
如图7所示，第一光学系统由人眼侧至影像侧依序包括：光阑sto、滤光片ir、反射式偏光元件rp、四分之一波板qwp、第一镜片l1、部分反射元件bs、第二镜片l2、影像面img。
[0106]
滤光片ir的近人眼侧面为平面，近影像侧面为平面。第一镜片l1的近人眼侧面为凸面，近影像侧面为凸面。第二镜片l2的近人眼侧面为凹面，近影像侧面为平面。反射式偏光元件rp贴附于滤光片ir的近影像侧面。四分之一波板qwp贴附于第一镜片l1的近人眼侧面。部分反射元件bs贴附于第二镜片l2的近人眼侧面。
[0107]
在本示例中，来自影像面img的图像光依序穿过第二镜片l2、第一镜片l1、四分之一波板qwp并到达反射式偏光元件rp后，在反射式偏光元件rp处发生第一次反射。经第一次反射的光穿过四分之一波板qwp、第一镜片l1并到达第二镜片l2的近人眼侧面上的部分反射元件bs后，在部分反射元件bs处发生第二次反射。经第二次反射的光依次穿过第一镜片l1、四分之一波板qwp、反射式偏光元件rp和滤光片ir并最终投射至空间中的目标物体(未示出)上。例如，当该虚拟现实装置搭载于如vr等电子设备时，经两次反射后的光线最终投射至体验者眼中。
[0108]
在本示例中，四分之一波板和第一镜片的组合焦距fg2a为25.74mm，第一光学系统的有效焦距fa为26.41mm，第一光学系统的入瞳直径epda为4.50mm，第一光学系统的最大视场角fova为106.00
°
，第一镜片的近人眼侧面至第二镜片的近影像侧面在第一光轴上的距离tda为16.15mm，滤光片在第一光轴上的中心厚度ctfa为0.72mm，反射式偏光元件在第一光轴上的中心厚度ctra为0.18mm，四分之一波板在第一光轴上的中心厚度ctqa为0.18mm。
[0109]
表5示出了实施例3的第一光学系统的基本参数表，其中，曲率半径和厚度/距离的单位均为毫米(mm)。来自影像面img的图像光按照序号18至序号1的顺序经过各部件并最终投射至空间的目标物体如人眼中。表6给出了可用于实施例3中各非球面镜面的高次项系数。
[0110][0111]
表5
[0112][0113][0114]
表6
[0115]
图8a示出了实施例3的第一光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第一光学系统后的会聚焦点偏离。图8b示出了实施例3的第一光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图8c示出了实施例3的第一光学系统的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。根据图8a至图8c可知，实施例3所给出的第一光学系统能够实现良好的投影品质。
[0116]
实施例4
[0117]
以下参照图9至图10c描述根据本技术实施例4的虚拟现实装置中的第二光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第一光学系统可以是上文实施例1至实施例3中提供的任一第一光学系统。图9示出了根据本技术实施例4的第二光学系统的结构示意图。
[0118]
如图9所示，第二光学系统由物侧至像侧依序包括：第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3、光阑sto、第四透镜e4、第五透镜e5、滤光片e6和成像面s13。
[0119]
第一透镜e1具有负光焦度，其物侧面s1为凸面，像侧面s2为凹面。第二透镜e2具有负光焦度，其物侧面s3为凸面，像侧面s4为凹面。第三透镜e3具有正光焦度，其物侧面s5为凸面，像侧面s6为凹面。第四透镜e4具有正光焦度，其物侧面s7为凸面，像侧面s8为凸面。第五透镜e5具有负光焦度，其物侧面s9为凹面，像侧面s10为凸面。滤光片e6具有物侧面s11和像侧面s12。来自物体的光依序穿过各表面s1至s12并最终成像在成像面s13上。
[0120]
表1示出了实施例1的第二光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。
[0121]
[0122][0123]
表7
[0124]
在本示例中，第二光学系统的有效焦距fb为0.72mm，第二光学系统的入瞳直径epdb为0.39mm，第二光学系统的最大视场角fovb为204.00
°
，第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离tdb为6.20mm。
[0125]
在实施例4中，第二透镜e2至第五透镜e5中的任意一个透镜的物侧面和像侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
[0126][0127]
其中，x为非球面沿第二光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/r(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径r的倒数)；k为圆锥系数；ai是非球面第i-th阶的修正系数。下表8给出了可用于实施例4中各非球面镜面s3-s10的高次项系数a4、a6、a8、a
10
、a
12
、a
14
和a
16
。
[0128]
面号a4a6a8a10a12a14a16s3-5.6666e-02-1.5693e-022.6970e-02-7.4512e-03-9.6344e-047.8371e-04-1.0514e-04s41.5590e-03-1.3098e-014.2569e-02-7.1466e-012.9080e-011.0451e+00-8.1936e-01s51.1715e-013.7719e-02-9.1940e-023.6423e-01-1.3072e+001.7355e+00-7.6161e-01s65.5509e-01-5.4668e+005.2068e+01-3.1405e+021.2278e+03-2.7116e+032.5695e+03s7-1.3696e+004.7135e+00-1.7306e+015.8488e+001.9340e+02-6.8594e+027.3783e+02s8-1.5211e+006.8899e+00-2.3726e+013.2567e+015.4360e+01-2.4424e+022.3222e+02s96.8646e-01-4.3972e+001.6825e+01-3.6466e+015.1682e+01-8.7111e+011.0510e+02s10-1.4771e-012.2848e+00-7.4984e+001.1469e+013.9753e+01-1.6823e+021.7603e+02
[0129]
表8
[0130]
图10a示出了实施例4的第二光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第二光学系统后的会聚焦点偏离。图10b示出了实施例4的第二光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图10c示出了实施例4的第二光学系统的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图10a至图10c可知，实施例4所给出的第二光学系统能够实现良好的成像品质。
[0131]
实施例5
[0132]
以下参照图11至图12c描述根据本技术实施例5的虚拟现实装置中的第二光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第一光学系统可以是上文实施例1至实施例3中提供的任一第一光学系统。在本实施例及以下实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例4相似的描述。图11示出了根据本技术实施例5的第二光学系统的结构示意图。
[0133]
如图11所示，第二光学系统由物侧至像侧依序包括：第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3、光阑sto、第四透镜e4、第五透镜e5、滤光片e6和成像面s13。
[0134]
第一透镜e1具有负光焦度，其物侧面s1为凸面，像侧面s2为凹面。第二透镜e2具有负光焦度，其物侧面s3为凸面，像侧面s4为凹面。第三透镜e3具有正光焦度，其物侧面s5为
凸面，像侧面s6为凹面。第四透镜e4具有正光焦度，其物侧面s7为凸面，像侧面s8为凸面。第五透镜e5具有负光焦度，其物侧面s9为凹面，像侧面s10为凸面。滤光片e6具有物侧面s11和像侧面s12。来自物体的光依序穿过各表面s1至s12并最终成像在成像面s13上。
[0135]
在本示例中，第二光学系统的有效焦距fb为0.66mm，第二光学系统的入瞳直径epdb为0.37mm，第二光学系统的最大视场角fovb为210.83
°
，第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离tdb为6.56mm。
[0136]
表9示出了实施例5的第二光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。表10给出了可用于实施例5中各非球面镜面s3-s10的高次项系数。
[0137][0138]
表9
[0139]
面号a4a6a8a10a12a14a16a20s3-2.5252e-013.1093e-01-5.8978e-019.1951e-01-9.1450e-015.7434e-01-2.2249e-014.8583e-02s4-3.0090e-02-4.4833e-02-2.5000e-01-6.1575e-015.6039e-011.0594e+00-9.7434e-010.0000e+00s51.7538e-01-2.0880e-021.9952e-021.3623e-01-1.1913e+001.8941e+00-8.7523e-010.0000e+00s67.8902e-01-6.0106e+005.2187e+01-3.1399e+021.3508e+03-3.4718e+033.9286e+030.0000e+00s7-1.3675e+005.5152e+00-1.7700e+01-8.8745e-021.9643e+02-6.2250e+026.3934e+020.0000e+00s8-1.6764e+007.2424e+00-2.4685e+013.4031e+015.2104e+01-2.3749e+022.2429e+020.0000e+00s95.2790e-01-4.5900e+001.6627e+01-3.0102e+014.4646e+01-1.1495e+021.4847e+020.0000e+00s10-8.1876e-014.9146e+00-1.4512e+011.5081e+015.1904e+01-1.6893e+021.4449e+020.0000e+00
[0140]
表10
[0141]
图12a示出了实施例5的第二光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第二光学系统后的会聚焦点偏离。图12b示出了实施例5的第二光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图12c示出了实施例5的第二光学系统的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图12a至图12c可知，实施例5所给出的第二光学系统能够实现良好的成像品质。
[0142]
实施例6
[0143]
以下参照图13至图14c描述根据本技术实施例6的虚拟现实装置中的第二光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第一光学系统可以是上文实施例1至实施例3中提供的任一第一光学系统。图13示出了根据本技术实施例6的第二光学系统的结构示意图。
[0144]
如图13所示，第二光学系统由物侧至像侧依序包括：第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3、光阑sto、第四透镜e4、第五透镜e5、滤光片e6和成像面s13。
[0145]
第一透镜e1具有负光焦度，其物侧面s1为凸面，像侧面s2为凹面。第二透镜e2具有负光焦度，其物侧面s3为凹面，像侧面s4为凹面。第三透镜e3具有正光焦度，其物侧面s5为凸面，像侧面s6为凸面。第四透镜e4具有正光焦度，其物侧面s7为凸面，像侧面s8为凸面。第五透镜e5具有负光焦度，其物侧面s9为凹面，像侧面s10为凹面。滤光片e6具有物侧面s11和像侧面s12。来自物体的光依序穿过各表面s1至s12并最终成像在成像面s13上。
[0146]
在本示例中，第二光学系统的有效焦距fb为0.73mm，第二光学系统的入瞳直径epdb为0.40mm，第二光学系统的最大视场角fovb为203.00
°
，第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离tdb为8.11mm。
[0147]
表11示出了实施例6的第二光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。表12给出了可用于实施例6中各非球面镜面s3-s10的高次项系数。
[0148][0149][0150]
表11
[0151]
面号a4a6a8a10a12a14a16s31.7157e-02-7.7590e-04-6.9767e-050.0000e+000.0000e+000.0000e+000.0000e+00s4-5.5477e-02-3.9636e-032.4774e-030.0000e+000.0000e+000.0000e+000.0000e+00s5-7.0966e-02-2.3238e-023.1886e-02-6.4538e-029.4512e-02-6.4316e-021.6590e-02s6-1.1503e-012.8897e-021.2016e-01-2.7855e-013.1659e-01-1.8671e-014.7095e-02s7-1.4120e-015.5312e-02-5.5883e-012.1057e+00-4.4744e+004.0471e+00-1.3030e+00s85.5088e-026.1446e-01-2.1077e+003.3130e+00-2.9603e+001.5207e+00-3.3142e-01s9-2.1758e-014.9888e-01-6.0377e-01-1.8229e+005.6797e+00-4.9936e+001.4440e+00s10-1.2087e-011.4642e-01-3.2451e-011.8206e+00-4.4358e+004.9385e+00-2.0051e+00
[0152]
表12
[0153]
图14a示出了实施例6的第二光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第二光学系统后的会聚焦点偏离。图14b示出了实施例6的第二光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图14c示出了实施例6的第二光学系统的畸变曲线，其
表示不同像高对应的畸变大小值。根据图14a至图14c可知，实施例6所给出的第二光学系统能够实现良好的成像品质。
[0154]
实施例7
[0155]
以下参照图15至图16c描述根据本技术实施例7的虚拟现实装置中的第二光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第一光学系统可以是上文实施例1至实施例3中提供的任一第一光学系统。图15示出了根据本技术实施例7的第二光学系统的结构示意图。
[0156]
如图15所示，第二光学系统由物侧至像侧依序包括：第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3、光阑sto、第四透镜e4、第五透镜e5、滤光片e6和成像面s13。
[0157]
第一透镜e1具有负光焦度，其物侧面s1为凸面，像侧面s2为凹面。第二透镜e2具有负光焦度，其物侧面s3为凹面，像侧面s4为凹面。第三透镜e3具有正光焦度，其物侧面s5为凹面，像侧面s6为凸面。第四透镜e4具有正光焦度，其物侧面s7为凸面，像侧面s8为凸面。第五透镜e5具有负光焦度，其物侧面s9为凹面，像侧面s10为凸面。滤光片e6具有物侧面s11和像侧面s12。来自物体的光依序穿过各表面s1至s12并最终成像在成像面s13上。
[0158]
在本示例中，第二光学系统的有效焦距fb为0.73mm，第二光学系统的入瞳直径epdb为0.40mm，第二光学系统的最大视场角fovb为209.80
°
，第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离tdb为7.24mm。
[0159]
表13示出了实施例7的第二光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。表14给出了可用于实施例7中各非球面镜面s3-s10的高次项系数。
[0160][0161]
表13
[0162]
面号a4a6a8a10a12a14a16s32.6412e-022.6503e-03-1.2282e-031.6309e-040.0000e+000.0000e+000.0000e+00s4-8.5334e-026.1025e-02-7.4166e-025.3859e-020.0000e+000.0000e+000.0000e+00s5-1.5669e-012.3001e-02-3.8480e-011.1121e+00-1.4246e+008.8008e-01-2.0974e-01s6-3.8222e-011.0816e+00-3.5978e+009.1141e+00-1.3798e+011.0782e+01-3.2015e+00s7-5.2948e-011.3957e+00-5.8905e+001.5527e+01-2.4969e+012.1076e+01-7.3153e+00s8-1.7929e+007.6902e+00-1.2091e+01-2.6288e+003.2786e+01-3.9198e+011.5441e+01s9-1.2464e+008.6612e+00-1.8503e+011.2679e+011.4745e+01-2.8646e+011.3392e+01
s102.6889e-011.0254e+00-2.8628e+003.7163e+00-3.0278e+001.8904e+00-7.2143e-01
[0163]
表14
[0164]
图16a示出了实施例7的第二光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第二光学系统后的会聚焦点偏离。图16b示出了实施例7的第二光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图16c示出了实施例7的第二光学系统的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图16a至图16c可知，实施例7所给出的第二光学系统能够实现良好的成像品质。
[0165]
实施例8
[0166]
以下参照图17至图18c描述根据本技术实施例8的虚拟现实装置中的第二光学系统。应理解，该虚拟现实装置中的第一光学系统可以是上文实施例1至实施例3中提供的任一第一光学系统。图17示出了根据本技术实施例8的第二光学系统的结构示意图。
[0167]
如图17所示，第二光学系统由物侧至像侧依序包括：第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3、光阑sto、第四透镜e4、第五透镜e5、滤光片e6和成像面s13。
[0168]
第一透镜e1具有负光焦度，其物侧面s1为凸面，像侧面s2为凹面。第二透镜e2具有负光焦度，其物侧面s3为凹面，像侧面s4为凹面。第三透镜e3具有正光焦度，其物侧面s5为凹面，像侧面s6为凸面。第四透镜e4具有正光焦度，其物侧面s7为凸面，像侧面s8为凸面。第五透镜e5具有负光焦度，其物侧面s9为凹面，像侧面s10为凹面。滤光片e6具有物侧面s11和像侧面s12。来自物体的光依序穿过各表面s1至s12并最终成像在成像面s13上。
[0169]
在本示例中，第二光学系统的有效焦距fb为0.72mm，第二光学系统的入瞳直径epdb为0.40mm，第二光学系统的最大视场角fovb为206.00
°
，第一透镜的物侧面至第五透镜的像侧面在第二光轴上的距离tdb为7.57mm。
[0170]
表15示出了实施例8的第二光学系统的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。表16-1和表16-2给出了可用于实施例8中各非球面镜面s3-s10的高次项系数。
[0171][0172]
表15
[0173]
面号a4a6a8a10a12a14a16s38.6493e-02-8.5496e-021.6706e-01-2.2488e-011.7136e-01-1.0039e-018.6380e-02
s4-2.7981e+006.1205e+01-7.7556e+026.3088e+03-3.4985e+041.3740e+05-3.9081e+05s5-2.8383e-016.1544e-011.0855e+01-1.9809e+021.6287e+03-8.4193e+032.9830e+04s6-1.7545e-01-7.7600e-011.4523e+01-1.3374e+028.6934e+02-4.1829e+031.5049e+04s7-2.5178e-01-8.8672e-012.5445e+01-3.2485e+022.4904e+03-1.2195e+043.7990e+04s8-4.1748e-034.7594e-014.0481e+01-6.4261e+025.1504e+03-2.6612e+049.5754e+04s9-6.5136e-016.2042e+00-4.6412e+012.3321e+02-8.5437e+022.4262e+03-5.6193e+03s102.4224e-01-1.4676e+012.9084e+02-3.5413e+032.9037e+04-1.6723e+056.9259e+05
[0174]
表16-1
[0175][0176][0177]
表16-2
[0178]
图18a示出了实施例8的第二光学系统的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由第二光学系统后的会聚焦点偏离。图18b示出了实施例8的第二光学系统的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图18c示出了实施例8的第二光学系统的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。根据图18a至图18c可知，实施例8所给出的第二光学系统能够实现良好的成像品质。
[0179]
综上，在本技术一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例1中的第一光学系统和实施例4的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例1中的第一光学系统和实施例5的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例1中的第一光学系统和实施例6的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例1中的第一光学系统和实施例7的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例1中的第一光学系统和实施例8的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例2中的第一光学系统和实施例4的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例2中的第一光学系统和实施例5的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例2中的第一光学系统和实施例6的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例2中的第一光学系统和实施例7的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例2中的第一光学系统和实施例8的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例3中的第一光学系统和实施例4的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例3中的第一光学系统和实施例5的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例3中的第一光学系统和实施例6的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例3中的第一光学系统和实施例7的第二光学系统。在本技术另一实施方式中，虚拟现实装置可包括实施例3中的第一光学系统和实施例8的第二光学系统。
[0180]
以上15种虚拟现实装置分别满足表19-1、表19-2和表19-3中所示的关系。
[0181]
条件式/实施例组合1+41+51+61+71+8(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))13.2313.5813.1712.3913.00fg2a/(f3b+f4b)2.222.754.082.333.54(r1a+r2a)/(r1b+r2b)5.857.058.108.0410.16(fa/epda)
×
(fb/epdb)10.7710.6110.8510.8410.66tda/tdb2.422.291.852.071.98(ct1a+t12a)/(ct1b+t12b)6.685.616.256.487.73(ct2b+ct3b+ct4b)/ct2a1.731.782.102.272.50(ctfa+ctra+ctqa)/fb1.671.821.641.641.67fa/|f1b+f2b+f5b|2.482.602.762.392.55fg2a/(ct1a+ct2a)1.651.651.651.651.65|r2a+r3a|/r1a1.121.121.121.121.12(r9b
×
|r10b|)/(r7b
×
r8b)5.753.918.171.395.03fb/(tan(fovb))(mm)1.621.111.721.271.48
[0182]
表19-1
[0183]
条件式/实施例组合2+42+52+62+72+8(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))14.1314.5014.0613.2313.88fg2a/(f3b+f4b)2.402.984.422.523.83(r1a+r2a)/(r1b+r2b)4.405.306.096.057.64(fa/epda)
×
(fb/epdb)10.2210.0710.3010.2910.12tda/tdb1.761.671.351.511.44(ct1a+t12a)/(ct1b+t12b)4.583.854.294.455.30(ct2b+ct3b+ct4b)/ct2a1.611.651.952.122.33(ctfa+ctra+ctqa)/fb1.631.771.601.601.63fa/|f1b+f2b+f5b|2.652.782.952.552.72fg2a/(ct1a+ct2a)2.542.542.542.542.54|r2a+r3a|/r1a2.282.282.282.282.28(r9b
×
|r10b|)/(r7b
×
r8b)5.753.918.171.395.03fb/(tan(fovb))(mm)1.621.111.721.271.48
[0184]
表19-2
[0185]
条件式/实施例组合3+43+53+63+73+8(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))14.8115.1914.7413.8714.55fg2a/(f3b+f4b)2.433.024.492.563.89(r1a+r2a)/(r1b+r2b)3.354.034.644.615.82(fa/epda)
×
(fb/epdb)10.7110.5610.8010.7910.61tda/tdb2.602.461.992.232.13(ct1a+t12a)/(ct1b+t12b)6.945.846.506.748.04(ct2b+ct3b+ct4b)/ct2a1.261.301.531.661.83(ctfa+ctra+ctqa)/fb1.501.641.481.481.50
fa/|f1b+f2b+f5b|2.782.913.092.682.85fg2a/(ct1a+ct2a)2.482.482.482.482.48|r2a+r3a|/r1a1.601.601.601.601.60(r9b
×
|r10b|)/(r7b
×
r8b)5.753.918.171.395.03fb/(tan(fovb))(mm)1.621.111.721.271.48
[0186]
表19-3
[0187]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：
1.虚拟现实装置，其特征在于，包括：第一光学系统，沿着第一光轴由人眼侧至影像侧依序包括滤光片、反射式偏光元件、四分之一波板、第一镜片和第二镜片，其中，所述第一镜片具有正光焦度或负光焦度，第二镜片具有正光焦度或负光焦度；以及第二光学系统，沿着第二光轴由物侧至像侧依序包括具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和具有负光焦度的第五透镜，其中，所述第二光学系统所成的实像以电信号的形式传递至显示屏幕，所述第一光学系统用于投射所述显示屏幕上的虚像以及传递至所述显示屏幕上的所述实像，所述虚拟现实装置满足：12.3＜(fa
×
tan(fova/4))/(fb
×
tan(fovb/4))＜15.3，fa是所述第一光学系统的有效焦距，fb是所述第二光学系统的有效焦距，fova是所述第一光学系统的最大视场角，fovb是所述第二光学系统的最大视场角。2.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：3.2＜(r1a+r2a)/(r1b+r2b)＜10.2，其中，r1a是所述第一镜片的近人眼侧面的曲率半径，r2a是所述第一镜片的近影像侧面的曲率半径，r1b是所述第一透镜的物侧面的曲率半径，r2b是所述第一透镜的像侧面的曲率半径。3.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：3.6＜(ct1a+t12a)/(ct1b+t12b)＜8.1，其中，ct1a是所述第一镜片在所述第一光轴上的中心厚度，t12a是所述第一镜片和所述第二镜片在所述第一光轴上的空气间隔，ct1b是所述第一透镜在所述第二光轴上的中心厚度，t12b是所述第一透镜和所述第二透镜在所述第二光轴上的空气间隔。4.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：1.2＜(ct2b+ct3b+ct4b)/ct2a＜2.6，其中，ct2b是所述第二透镜在所述第二光轴上的中心厚度，ct3b是所述第三透镜在所述第二光轴上的中心厚度，ct4b是所述第四透镜在所述第二光轴上的中心厚度，ct2a是所述第二镜片在所述第一光轴上的中心厚度。5.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：1.4＜(ctfa+ctra+ctqa)/fb＜1.9，其中，ctfa是所述滤光片在所述第一光轴上的中心厚度，ctra是所述反射式偏光元件在所述第一光轴上的中心厚度，ctqa是所述四分之一波板在所述第一光轴上的中心厚度，fb是所述第二光学系统的有效焦距。6.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：2.2＜fa/|f1b+f2b+f5b|＜3.2，其中，fa是所述第一光学系统的有效焦距，f1b是所述第一透镜的有效焦距，f2b是所述第二透镜的有效焦距，f5b是所述第五透镜的有效焦距。7.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：1.6＜fg2a/(ct1a+ct2a)＜2.6，其中，fg2a是所述四分之一波板和所述第一镜片的组合焦距，ct1a是所述第一镜片在所述第一光轴上的中心厚度，ct2a是所述第二镜片在所述第一光轴上的中心厚度。8.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：1.1＜|r2a+r3a|/r1a＜2.3，其中，r1a是所述第一镜片的近人眼侧面的曲率半径，r2a是所述第一镜片的近影像侧面的曲率半径，r3a是所述第二镜片的近人眼侧面的曲率半径。
9.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：1.3＜(r9b
×
|r10b|)/(r7b
×
r8b)＜8.2，其中，r7b是所述第四透镜的物侧面的曲率半径，r8b是所述第四透镜的像侧面的曲率半径，r9b是所述第五透镜的物侧面的曲率半径，r10b是所述第五透镜的像侧面的曲率半径。10.根据权利要求1-9中任一项所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置满足：2＜fg2a/(f3b+f4b)＜4.6，其中，fg2a是所述四分之一波板和所述第一镜片的组合焦距，f3b是所述第三透镜的有效焦距，f4b是所述第四透镜的有效焦距。

技术总结
本申请公开了一种虚拟现实装置，包括第一光学系统和第二光学系统。第一光学系统沿着第一光轴由人眼侧至影像侧依序包括滤光片、反射式偏光元件、四分之一波板、第一镜片和第二镜片，其中，第一镜片具有正光焦度或负光焦度，第二镜片具有正光焦度或负光焦度。第二光学系统沿着第二光轴由物侧至像侧依序包括具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和具有负光焦度的第五透镜。第二光学系统所成的实像以电信号的形式传递至显示屏幕，第一光学系统用于投射显示屏幕上的虚像以及传递至显示屏幕上的实像，虚拟现实装置可满足：12.3＜(fA


技术研发人员：张晓彬 宋立通 丁海洋 游金兴 金银芳 赵烈烽
受保护的技术使用者：浙江舜宇光学有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/13