光学系统以及电子设备

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光学系统以及电子设备。

背景技术

VR(Virtual Reality，虚拟现实)是利用计算机制造一个三维的虚拟世界，给用户提供视觉、触觉、听觉的互动场景，让用户感觉身历其境，并沉浸在虚拟世界中，同时可以观察三维空间内的事物，并与之进行互动。

光学系统是VR设备的重要组成部分，光学系统可以提供沉浸式的虚拟画面，市面上VR设备的光学系统中较多会用到菲涅尔透镜，是因为菲涅尔透镜占空间少，有利于减小光学系统的体积。但是，存在成像质量差且总长过长，影响消费者用户体验的问题。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种光学系统以及电子设备，旨在解决现有的VR设备的光学系统存在成像质量差且总长过长的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种光学系统，包括沿着光轴从物侧至像侧依次排布的线性偏振片、反射式偏振片、1/4波片、第一透镜、部分透过部分反射膜、第二透镜；

所述第二透镜为菲涅尔透镜，所述第二透镜的像侧面为菲涅尔面。

本发明通过设置线性偏振片、反射式偏振片、1/4波片、部分透过部分反射膜，光线会依次在反射式偏振片的表面、部分透过部分反射膜的表面均产生一次反射，从而使得光线在部分透过部分反射膜与反射式偏振片之间会产生两次折叠，从而能够实现在保证光学系统的光学效果不变的情况下，减少光学系统的光学总长，而采用菲涅尔透镜，使得光学系统的后焦可以变长，且能够节省空间和材料，如此折叠光路与菲涅尔透镜的结合，使得光学系统具有成像质量好、光学总长小、后焦长、可节省空间和材料的优点。

优选地，在所述光学系统中，所述1/4波片、所述反射式偏振片、所述线性偏振片依次贴合于所述第一透镜的物侧面。

优选地，在所述光学系统中，所述部分透过部分反射膜贴合于所述第二透镜的物侧面。

优选地，在所述光学系统中，所述第一透镜的物侧面和/或像侧面为非球面。

优选地，在所述光学系统中，所述第一透镜的物侧面为平面。

优选地，在所述光学系统中，所述第一透镜的像侧面为凸面。

优选地，在所述光学系统中，所述第二透镜的物侧面为凹面。

优选地，在所述光学系统中，所述光学系统还包括光阑，所述光阑位于所述线性偏振片的物侧。

优选地，在所述光学系统中，所述光学系统满足关系式：

23mm＜EFL＜27mm；其中，EFL为所述光学系统的有效焦距。

优选地，在所述光学系统中，所述光学系统满足关系式：

1.49＜Nd1＜1.8，18＜Vd1＜49；

其中，Nd1为所述第一透镜的材料折射率，Vd1为所述第一透镜的阿贝数。

优选地，在所述光学系统中，所述光学系统满足关系式：

1.49＜Nd2＜1.8，18＜Vd2＜49；

其中，Nd2为所述第二透镜的材料折射率，Vd2为所述第二透镜的阿贝数。

优选地，在所述光学系统中，所述光学系统满足关系式：

15mm＜TTL＜30mm；

其中，TTL为所述光学系统的光学总长。

为了实现上述目的，本发明还提供一种电子设备，包括上述的光学系统。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明中提供的一种光学系统的结构示意图；

图2为本发明中提供的一种光学系统的光路走势图；

图3为本发明中提供的一种光学系统对应的MTF曲线图；

图4为本发明中提供的一种光学系统对应的相对照度曲线图；

图5为本发明中提供的一种光学系统对应的场曲曲线图；

图6为本发明中提供的一种光学系统对应的畸变曲线图。

本发明附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种光学系统，该光学系统可以用于VR设备等电子设备中，下面将以光学系统用于VR设备中为例进行说明，图1至图6示出了本发明中提供的一种光学系统的一较佳实施例。

请参阅图1，在本实施例中，光学系统100包括沿着光轴从物侧至像侧依次排布的线性偏振片1、反射式偏振片2、1/4波片3、第一透镜4、部分透过部分反射膜5、第二透镜6；第二透镜6为菲涅尔透镜，第二透镜6的像侧面为菲涅尔面。

具体而言，光学系统100的像侧为光学系统100靠近显示屏200的一侧，而光学系统100的物侧为光学系统100靠近人眼的一侧，显示屏200发出的光线能够经过光学系统100后投射至人眼，从而使得人眼观察到显示屏200的显示画面。

线性偏振片1能够将自然光线转换为线性偏振光，线性偏振片1允许与线性偏振片1的偏振方向相同的线性偏振光透过。

反射式偏振片2的透光轴与反射轴基本垂直，能够用于反射一个偏振方向的光线，并允许与反射的光线的偏振方向基本垂直的光线透过。并且，反射式偏振片2允许透过的线性偏振光的偏振方向与线性偏振片1允许透过的线性偏振光的偏振方向相同。下面定义线性偏振片1与反射式偏振片2允许透过的线性偏振光为p偏振光，反射式偏振片2反射的线性偏振光为s偏振光。

1/4波片3能够用于使线性偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光，也能够使圆偏振光或椭圆偏振光变为线性偏振光。

可选地，请参阅图1，在本实施例中，1/4波片3、反射式偏振片2、线性偏振片1依次贴合于第一透镜4的物侧面。1/4波片3、反射式偏振片2、线性偏振片1的形状均与第一透镜4的物侧面的形状相适配。1/4波片3、反射式偏振片2、线性偏振片1均为贴合于第一透镜4的物侧面上的膜，例如，1/4波片3为1/4波片膜，反射式偏振片2为PBS膜，线性偏振片1为线性偏振膜。先将1/4波片膜呈面型地贴合于第一透镜4的物侧面上，再将PBS膜呈面型地贴合于1/4波片膜上，最后将线性偏振膜呈面型地贴合于PBS膜上。

进一步地，请参阅图1，在本实施例中，1/4波片膜、PBS膜、线性偏振膜的厚度相等。例如，1/4波片膜、PBS膜、线性偏振膜的厚度可以均为0.255mm、0.5mm或者1mm等。

部分透过部分反射膜5能够用于使部分光线透过、部分光线反射。而照射于部分透过部分反射膜5的表面的光线的透过率与反射率可以根据需要进行调节，可以不对照射于部分透过部分反射膜5的表面的光线的透过率与反射率进行限制。可选地，在本实施例中，部分透过部分反射膜5可以为半反半透膜，照射于部分透过部分反射膜5表面的光线中50％的光线透过，50％的光线反射。

可选地，请参阅图1，在本实施例中，部分透过部分反射膜5贴合于第二透镜6的物侧面，部分透过部分反射膜5可以通过镀膜等方式贴合于第二透镜6的物侧面上。

请参阅图2，显示屏200发出圆偏振光或椭圆偏振光，依次经第二透镜6、部分透过部分反射膜5、第一透镜4透射后，经过1/4波片3变成线性的s偏振光；s偏振光入射到反射式偏振片2，s偏振光被反射式偏振片2反射，再次透射经过1/4波片3变成圆偏振光或椭圆偏振光；圆偏振光或椭圆偏振光再次入射到部分透过部分反射膜5，圆偏振光或椭圆偏振光被部分透过部分反射膜5反射，又一次透射经过1/4波片3变成线性的p偏振光；p偏振光依次透过反射式偏振片2、线性偏振片1而射向人眼，从而使得人眼能够观察到显示屏200的显示画面。

可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，光学系统100还包括光阑7，光阑7位于线性偏振片1的物侧。透过线性偏振片1的p偏振光穿过光阑7后即离开光学系统100到达人眼，从而使得人眼观察到显示屏200的显示画面。光阑7与第一透镜4的物侧面于光轴上的距离通常近似于适眼距，例如，适眼距为13mm，光阑7与第一透镜4的物侧面于光轴上的距离设置为13mm。

第二透镜6为菲涅尔透镜，第二透镜6的像侧面为菲涅尔面，第二透镜6的菲涅尔面可以采用等齿深模型，例如，齿深可以为0.1mm-1mm。菲涅尔透镜的厚度较非球面透镜的厚度薄，具有节省空间和材料的优点，并且，菲涅尔透镜能够使得光学系统100的后焦变长。

现有的折叠光路结构通常为单片式折叠光路结构或者多片式折叠光路结构，透镜面型为非球面或者球面。而光学系统100为采用菲涅尔透镜的两片式折叠光路结构，在同等的光学性能的情况下，光学系统100的光学总长比现有的两片式折叠光路结构短，且光学系统100的后焦比现有的两片式折叠光路结构长；在相同的光学总长和后焦的情况下，光学系统100的光学性能优于现有的两片式折叠光路结构。

本发明通过设置线性偏振片1、反射式偏振片2、1/4波片3、部分透过部分反射膜5，光线会依次在反射式偏振片2的表面、部分透过部分反射膜5的表面均产生一次反射，从而使得光线在部分透过部分反射膜5与反射式偏振片2之间会产生两次折叠，从而能够实现在保证光学系统100的光学效果不变的情况下，减少光学系统100的光学总长，而采用菲涅尔透镜，使得光学系统100的后焦可以变长，且能够节省空间和材料，如此折叠光路与菲涅尔透镜的结合，使得光学系统100具有成像质量好、光学总长小、后焦长、可节省空间和材料的优点。

第二透镜6的像侧面为菲涅尔面，而第二透镜6的物侧面的面型可以根据实际情况来进行设定，可选地，请参阅图1，在本实施例中，第二透镜6的物侧面为凹面。第二透镜6的物侧面为朝向显示屏200凹陷的内凹面。

第一透镜4的面型可以根据实际情况来进行设定，可选地，请参阅图1，在本实施例中，第一透镜4的物侧面和/或像侧面为非球面。

可选地，请参阅图1，在本实施例中，第一透镜4的物侧面为平面。

可选地，请参阅图1，在本实施例中，第一透镜4的像侧面为凸面，第一透镜4的像侧面为朝向显示屏200凸出的外凸面。

可选地，在本实施例中，光学系统100满足关系式：23mm＜EFL＜27mm；其中，EFL为光学系统100的有效焦距。

可选地，在本实施例中，光学系统100满足关系式：15mm＜TTL＜30mm；其中，TTL为光学系统100的光学总长。

可选地，在本实施例中，光学系统100满足关系式：2.55mm＜F＜2.65mm；其中，F为光学系统100的有效焦距。

可选地，在本实施例中，光学系统100满足关系式：1.49＜Nd1＜1.8，18＜Vd1＜49；其中，Nd1为第一透镜4的材料折射率，Vd1为第一透镜4的阿贝数。

可选地，在本实施例中，光学系统100满足关系式：1.49＜Nd2＜1.8，18＜Vd2＜49；其中，Nd2为第二透镜6的材料折射率，Vd2为第二透镜6的阿贝数。

上述通过对第一透镜4、第二透镜6的面型的优化选择、以及对EFL、TTL、F、Nd1、Nd2、Vd1、Vd2等光学参数选择范围的优化设定，能够使得光学系统100的光学性能、光学总长、后焦均等达到一个较佳的水平。

下面将通过具体的实际设计参数对本实施例中的光学系统100进行进一步说明。

光学系统100的有效焦距F为2.55mm-2.65mm，最大像高为19.2mm，光学总长TTL为20.578mm，光线波长为0.540μm。光学系统100包括从物侧至像侧依次排布的光阑7、第一透镜4、第二透镜6。设计的光学系统100的具体参数如下表1所示。

表1

光阑7与第一透镜4的物侧面于光轴上的距离设置为13mm。

第一透镜4为非球面透镜，第一透镜4的焦距为164.86mm，第一透镜4的物侧面为平面，第一透镜4的像侧面为凸面，第一透镜4的像侧面的曲率半径为-90.196mm。第一透镜4的像侧面的具体参数如下表2所示。

表2

第一透镜4于光轴上的厚度为4.9mm，第一透镜4的构造材料为APL5014，并在第一透镜4的物侧面贴线性偏振膜、PBS膜、1/4波片膜。线性偏振膜、PBS膜、1/4波片膜的膜厚度均为0.255mm。

第二透镜6的焦距为80.44mm，第二透镜6的物侧面为凹面，第二透镜6的物侧面的曲率半径为-88.88mm。第二透镜6的物侧面的具体参数如下表3所示。

表3

第二透镜6的像侧面为菲涅尔面，为等齿深模型，齿深0.1mm-1mm，曲率半径为-33.13mm。第二透镜6的像侧面的具体参数如下表4所示。

表4

第二透镜6于光轴上的厚度为2mm。第二透镜6的构造材料为EP6000，并在第二透镜6的物侧面镀半透半反膜。第二透镜6与第一透镜4于光轴上的距离为7.377mm。

另外，本实施例中的光学系统100通过合理搭配透镜组及偏振组件，能够有效地提升光学系统100的成像质量，光学系统100的成像质量具体可以表现为图3的MTF曲线图、图4的相对照度曲线图、图5的场曲曲线图及图6的畸变曲线图。

本发明还提供一种电子设备，该电子设备可以为VR设备等，电子设备包括光学系统，由于光学系统采用了上述实施例的技术方案，因此具有上述实施例的技术方案所带来的有益效果。

可选地，请参阅图1，在本实施例中，电子设备还包显示屏200，显示屏200设置于光学系统100的像侧。显示屏200发出的光线能够经过光学系统100后投射至人眼，从而使得人眼观察到显示屏200的显示画面。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。