虚拟现实系统的制作方法

本申请涉及光学器件领域，具体地，涉及一种虚拟现实系统。

背景技术：

1、在虚拟现实系统中，人机交互程度影响使用者的沉浸体验。空间定位技术对虚拟现实系统实现沉浸感特性发挥重要作用。目前，空间定位技术分可为由外而内的定位和由内而外的定位。由外而内的定位是指借助外部环境中布置的定位装置来实现定位。虽然该定位技术较为精准，但是由于需要在外部环境中布置的定位装置，会带来许多不便。由内而外的定位是指借助实现虚拟现实系统自身配置的定位光学系统来实现定位。该定位技术无需额外布置的定位装置，成为目前主流的空间定位技术。

2、虚拟现实系统通过目视光学系统和定位光学系统的配合可使使用者沉浸在虚拟世界中，如何优化目视光学系统和定位光学系统是本领域技术人员致力于解决的技术问题之一。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种虚拟现实系统，其包括目视光学系统和定位光学系统，目视光学系统沿第一光轴从第一侧至第二侧依序包括第一元件组、第二元件组、第三元件组以及影像面，其中，第一元件组包括第一镜片，第二元件组包括具有正光焦度的第二镜片，第三元件组包括具有负光焦度的第三镜片，目视光学系统还包括反射式偏光元件和四分之一波片，反射式偏光元件和四分之一波片分别设置于第一元件组或第二元件组中；定位光学系统沿第二光轴从物侧至像侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜，其中，第一透镜具有负光焦度，第八透镜具有正光焦度，其中，目视光学系统的总有效焦距fa与定位光学系统的总有效焦距f满足：9.0

2、在一些实施方式中，定位光学系统的最大半视场角semi-fov满足：semi-fov＞100°；以及目视光学系统的最大半视场角semi-fova满足：fa×tan(semi-fova)>12.0mm。

3、在一些实施方式中，定位光学系统的入瞳直径epd满足：f/epd<1.30；以及第一元件组的第一侧面至第三元件组的第二侧面在第一光轴上的距离tda满足：0.3

4、在一些实施方式中，第一元件组的第一侧面至第三元件组的第二侧面在第一光轴上的距离tda与第一透镜的物侧面至第八透镜的像侧面在第二光轴上的距离td满足：tda/td<1.5。

5、在一些实施方式中，第三镜片的有效焦距f3a与第三镜片的折射率n3a满足：-56.0mm

6、在一些实施方式中，第二镜片的有效焦距f2a、第二镜片的第一侧面的曲率半径r3a以及第二镜片的第二侧面的曲率半径r4a满足：-1.0＜f2a/(r3a+r4a)≤0。

7、在一些实施方式中，第三镜片的第一侧面的曲率半径r5a与第三镜片的色散系数v3a满足：-3.0mm＜r5a/v3a＜0mm。

8、在一些实施方式中，第一元件组和第二元件组在第一光轴上的间隔距离t12a、第二镜片在第一光轴上的中心厚度ct2a、第二镜片的折射率n2a以及第二镜片的有效焦距f2a满足：0<(t12a+ct2a)×n2a/f2a<1.0。

9、在一些实施方式中，第二镜片的色散系数v2a、反射式偏光元件的色散系数vr、四分之一波片的色散系数vq满足：3.0mm-1<1/3×(v2a+vr+vq)/fa<4.0mm-1。

10、在一些实施方式中，第三镜片的第一侧面的最大有效半径dt31a与第三镜片的第二侧面的最大有效半径dt32a满足：0.5

11、在一些实施方式中，第一透镜在第二光轴上的中心厚度ct1、第一透镜和第二透镜在第二光轴上的间隔距离t12、第二透镜在第二光轴上的中心厚度ct2、第二透镜和第三透镜在第二光轴上的间隔距离t23，以及第一透镜、第二透镜以及第三透镜的组合焦距f123满足：-2.5<(ct1+t12+ct2+t23+ct3)/f123<-0.5。

12、在一些实施方式中，第一透镜的折射率n1满足：n1＞1.6；以及第二透镜的折射率n2、第一透镜的有效焦距f1以及第二透镜的有效焦距f2满足：-1.5mm-1<(n1+n2)/(f1-f2)<0mm-1。

13、在一些实施方式中，第五透镜、第六透镜以及第七透镜中至少两个透镜的光焦度为正；以及第五透镜、第六透镜以及第七透镜的组合焦距f567、五透镜的有效焦距f5、第六透镜的有效焦距f6以及第七透镜的有效焦距f7满足：0.5

14、在一些实施方式中，第一透镜的物侧面的曲率半径r1、第一透镜的像侧面的曲率半径r2、第二透镜的物侧面的曲率半径r3以及第二透镜的像侧面的曲率半径r4满足：r1>r2>r4>0和-2.0<(r1+r2)/(r3+r4)<2.0。

15、在一些实施方式中，第一透镜的色散系数v1和第二透镜的色散系数v2满足：v1/v2>0.85；以及第一透镜和第二透镜在第二光轴上的间隔距离t12满足：-3.5mm-1<(v1-v2)/t12<3.0mm-1。

16、在一些实施方式中，成像面上有效像素区域对角线长的一半imgh与第一透镜的物侧面至第八透镜的像侧面在第二光轴上的距离td满足：0

17、本申请提供的虚拟现实系统为目视光学系统与定位光学系统相结合的结构形式。目视光学系统可采用三片镜片的架构，定位光学系统可采用八片透镜的架构。目视光学系统的虚拟沉浸感与定位光学系统的定位功能相结合，突破虚拟现实系统的空间限制，实现虚拟光学系统的现实世界与虚拟世界的交互。

18、通过合理分配目视光学系统中各镜片的光学参数，以及设置反射式偏光元件和四分之一波片，能够使得目视光学系统中的光线多次折反，有效降低目视光学系统的本体长度，还能够最小化目视光学系统的球差，优化目视光学系统中的光线走向。通过合理分配定位光学系统中各透镜的光学参数，有利于定位光学系统平衡和校正像差，使定位光学系统具有短焦距和大视场的特性。

19、通过约束目视光学系统的总有效焦距fa与定位光学系统的总有效焦距f的比值，以及约束第一元件组的第一侧面至影像面在第一光轴上的距离ttla与第一透镜的物侧面至定位光学系统的成像面在第二光轴上的距离ttl，能够实现对目视光学系统和定位光学系统的尺寸和光学性能合理分配，保证虚拟现实系统的紧凑化和集成化，并提升虚拟现实系统的光学性能。

技术特征：

1.一种虚拟现实系统，包括目视光学系统和定位光学系统，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述定位光学系统的最大半视场角semi-fov满足：semi-fov＞100°；以及

3.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述定位光学系统的入瞳直径epd满足：f/epd<1.30；以及

4.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第一元件组的第一侧面至所述第三元件组的第二侧面在所述第一光轴上的距离tda与所述第一透镜的物侧面至所述第八透镜的像侧面在所述第二光轴上的距离td满足：tda/td<1.5。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第三镜片的有效焦距f3a与所述第三镜片的折射率n3a满足：-56.0mm

6.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第二镜片的有效焦距f2a、所述第二镜片的第一侧面的曲率半径r3a以及所述第二镜片的第二侧面的曲率半径r4a满足：-1.0＜f2a/(r3a+r4a)≤0。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第三镜片的第一侧面的曲率半径r5a与所述第三镜片的色散系数v3a满足：-3.0mm＜r5a/v3a＜0mm。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第一元件组和所述第二元件组在所述第一光轴上的间隔距离t12a、所述第二镜片在所述第一光轴上的中心厚度ct2a、所述第二镜片的折射率n2a以及所述第二镜片的有效焦距f2a满足：0<(t12a+ct2a)×n2a/f2a<1.0。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第二镜片的色散系数v2a、所述反射式偏光元件的色散系数vr、所述四分之一波片的色散系数vq满足：3.0mm-1<1/3×(v2a+vr+vq)/fa<4.0mm-1。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第三镜片的第一侧面的最大有效半径dt31a与所述第三镜片的第二侧面的最大有效半径dt32a满足：0.5

11.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第一透镜在所述第二光轴上的中心厚度ct1、所述第一透镜和所述第二透镜在所述第二光轴上的间隔距离t12、所述第二透镜在所述第二光轴上的中心厚度ct2、所述第二透镜和所述第三透镜在所述第二光轴上的间隔距离t23，以及所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的组合焦距f123满足：-2.5<(ct1+t12+ct2+t23+ct3)/f123<-0.5。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第一透镜的折射率n1满足：n1＞1.6；以及

13.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第五透镜、所述第六透镜以及所述第七透镜中至少两个透镜的光焦度为正；以及

14.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第一透镜的物侧面的曲率半径r1、所述第一透镜的像侧面的曲率半径r2、所述第二透镜的物侧面的曲率半径r3以及所述第二透镜的像侧面的曲率半径r4满足：r1>r2>r4>0和-2.0<(r1+r2)/(r3+r4)<2.0。

15.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述第一透镜的色散系数v1和所述第二透镜的色散系数v2满足：v1/v2>0.85；以及

16.根据权利要求1至4中任一项所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述成像面上有效像素区域对角线长的一半imgh与所述第一透镜的物侧面至所述第八透镜的像侧面在所述第二光轴上的距离td满足：0
技术总结
本申请公开了一种虚拟现实系统，其包括目视光学系统和定位光学系统，目视光学系统沿第一光轴从第一侧至第二侧依序包括第一元件组、第二元件组、第三元件组以及影像面，其中，第一元件组包括第一镜片，第二元件组包括具有正光焦度的第二镜片，第三元件组包括具有负光焦度的第三镜片，目视光学系统还包括反射式偏光元件和四分之一波片，反射式偏光元件和四分之一波片分别设置于第一元件组或第二元件组中；定位光学系统沿第二光轴从物侧至像侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜，其中，第一透镜具有负光焦度，第八透镜具有正光焦度。

技术研发人员：梁宁,龚停停,张步康,张晓彬,王丽,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：20230804
技术公布日：2024/3/21