本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種虛擬現(xiàn)實裝置。
背景技術(shù)：
：虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，簡稱VR)技術(shù)是基于計算機生成的可交互的、具有一定沉浸感的視覺虛擬環(huán)境，人的左右眼通過目鏡可看到屏幕所成的放大虛像，并且因左右眼存在的視差，使人眼可以看到立體的視覺圖像。目前市場上的目鏡普遍存在焦距過長、中心厚度太厚的缺陷，增加了使用者負(fù)擔(dān)。在虛擬現(xiàn)實頭盔中，目鏡是其中的核心部件，為了讓使用者有更佳的沉浸感，目鏡需要足夠大的視場角度提高使用者的沉浸感，現(xiàn)有的目鏡的焦距較大，焦距不低于40mm，而且中心厚度也較厚，中心厚度不低于12mm，這樣的目鏡所構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)不夠緊湊，導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實頭盔尺寸較大，增加使用者負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)有技術(shù)在設(shè)計透鏡時往往注重透鏡的成像質(zhì)量，因此現(xiàn)在市面上很多VR產(chǎn)品在使用時往往沒有考慮是否會對使用者視力造成影響，因此使用者往往在使用時會有嚴(yán)重的眩暈感以及眼疲勞現(xiàn)象，不利于保護使用者的視力。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種虛擬現(xiàn)實裝置，用以解決在使用現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實裝置時容易造產(chǎn)生視覺疲勞的技術(shù)問題。本發(fā)明提供一種虛擬現(xiàn)實裝置，包括光學(xué)透鏡及與所述光學(xué)透鏡相對設(shè)置的顯示屏，所述光學(xué)透鏡包括沿同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成的第一曲面和第二曲面，所述第二曲面的焦距小于所述第一曲面的焦距，所述第二曲面設(shè)置在靠近所述顯示屏的一側(cè)，所述第二曲面的中心與所述顯示屏的中心之間的直線距離為x，所述光學(xué)透鏡的焦距為f，所述顯示屏發(fā)出的光經(jīng)所述光學(xué)透鏡所成的虛像的像距的參考值為v'；其中，x<f，當(dāng)f>20mm且230mm≤v′≤270mm時，所述像距接近明視距離?？蛇x的，40mm<f<60mm?？蛇x的，所述第一曲面的中心與所述第二曲面的中心之間的直線距離為光學(xué)透鏡的中心厚度，所述光學(xué)透鏡的中心厚度為d1，且5.5mm≤d1≤12mm?？蛇x的，所述第一曲面的中心與所述第二曲面的中心之間的直線距離為光學(xué)透鏡的中心厚度，所述光學(xué)透鏡的中心厚度為d1，且5.5mm≤d1≤10mm?？蛇x的，所述第一曲面的中心與所述顯示屏的中心之間的直線距離為(d1+x)，其中，(d1+x)≤55mm?？蛇x的，所述光學(xué)透鏡的視場角大于或等于100°?？蛇x的，所述光學(xué)透鏡的有效口徑大于或等于29mm?？蛇x的，所述光學(xué)透鏡的邊緣厚度d2，滿足1.5mm≤d2≤2.5mm。可選的，所述第一曲面和所述第二曲面為非球面?？蛇x的，所述光學(xué)透鏡還包括一固定框架，所述固定框架固定在所述光學(xué)透鏡的外邊緣，所述固定框架的厚度與所述光學(xué)透鏡的邊緣厚度一致?？蛇x的，所述固定框架的安裝直徑比所述光學(xué)透鏡的有效口徑大1mm～3mm。本發(fā)明提供的虛擬現(xiàn)實裝置中，通過設(shè)定f和x滿足的關(guān)系式將其作為像距的參考值，以及設(shè)置的取值范圍在230mm～270mm之間，可設(shè)定合適的焦距f和合適的x使得像距接近明視距離，保證了人眼能夠在舒適、放松的狀態(tài)下使用VR裝置，不會對視力造成損害。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例提供的一種在不同焦距下，像距v隨物距u變化的趨勢圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的一種帶有固定框架的光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的一種帶有固定框架的光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的一種光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的一種光學(xué)透鏡的成像光路示意圖；圖6為本發(fā)明實施例提供的一種光學(xué)透鏡的成像光路示意圖。具體實施方式在VR裝置中，光學(xué)透鏡相當(dāng)于一個放大鏡，當(dāng)物體與目鏡的距離小于焦距時，物體成放大的虛像，使用VR裝置時，若人眼所看的物體遠離明視距離(較遠或較近)，都會使人眼晶狀體進行調(diào)節(jié)，長時間觀看物體則會出現(xiàn)眼疲勞，損害視力。物理學(xué)里，人眼看太遠和太近的物體時，眼球都要進行調(diào)節(jié)，也就是改變眼球的突起程度，但有一個距離恰能使眼睛不用調(diào)節(jié)就能看清楚，這個距離就叫明視距離，明視距離約為250mm。也就是說眼睛看明視距離處的物體是感覺最舒服的。這時人眼的調(diào)節(jié)功能不太緊張，可以長時間觀察而不易疲勞。為了使用VR裝置時不易產(chǎn)生眼疲勞，需要針對VR裝置內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計出的光學(xué)系統(tǒng)在保證成像質(zhì)量的同時，VR裝置內(nèi)的光學(xué)透鏡所成虛像的距離應(yīng)滿足人眼的明視距離250mm，這樣人眼眼球不需要調(diào)整觀看視角，使得人眼能在較為舒適、放松的情況下使用VR裝置觀看VR圖像。為了設(shè)計出像距接近明視距離的VR光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明的發(fā)明人結(jié)合VR光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)透鏡的成像特點，對VR光學(xué)系統(tǒng)進行了如下研究：VR裝置的光學(xué)系統(tǒng)由光學(xué)透鏡和顯示屏構(gòu)成，VR裝置的光學(xué)系統(tǒng)通常要求物距小于光學(xué)透鏡的焦距，假如光學(xué)透鏡主體到顯示屏的距離為物距u，光學(xué)透鏡主體到虛像位置的距離為像距v，光學(xué)透鏡的焦距為f，那么在u<f時，即光學(xué)透鏡與顯示屏之間的最短距離小于透鏡焦距f，根據(jù)光路的可逆性，顯示屏發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)透鏡所成的像為正立放大的虛像，且虛像位置在顯示屏同側(cè)。并且根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以得知焦距f、物距u、像距v有如下幾何關(guān)系：從上述幾何公式中可以得到：若焦距f一定，在成虛像時，也即0<u<f，隨著u的增大，其像距v也隨之增加。為此，如果像距接近明視距離，那么對于光學(xué)透鏡的焦距f和物距u也需控制在合適的范圍內(nèi)。為了找出合適的焦距f和物距u，本發(fā)明的發(fā)明人選取焦距分別為30mm、40mm和50mm的三種光學(xué)透鏡，并模擬出了三種焦距下光學(xué)透鏡的光學(xué)特性，繪制出了這三種焦距下，像距v隨物距u變化的趨勢圖，具體參見圖1。從圖1可以看出，當(dāng)焦距f一定時，像距v隨著物距u的增大而增大。同時，隨著焦距f的增加，當(dāng)物距u越靠近焦距f時，像距v越大。從圖1中的第一條曲線可以看出，當(dāng)光學(xué)透鏡的焦距f為30mm時，當(dāng)物距u越靠近焦距f時(不會等于焦距f)，像距v越大，像距v接近250mm時，物距u約為27mm，隨著物距u繼續(xù)增大，像距繼續(xù)增大至900mm左右。從圖1中的第二條曲線可以看出，光學(xué)透鏡的焦距f為40mm時，當(dāng)物距u越靠近焦距f時，像距v越大。并且，像距v接近250mm時，物距u約為35mm，隨著物距u繼續(xù)增大，像距繼續(xù)增大至1500mm左右。從圖1中的第三條曲線可以看出，光學(xué)透鏡的焦距f為50mm時，當(dāng)物距u越靠近焦距f時，像距v越大。并且像距v接近250mm時，物距u約為42mm，隨著物距u繼續(xù)增大，像距繼續(xù)增大至2500mm左右。但是，因物距、像距和焦距之間存在制約關(guān)系，像距保持在250mm左右時，物距u和焦距f之間并沒有確定的線性關(guān)系。若要使像距保持在250mm左右，物距u和焦距f需要分別設(shè)定在合適的值附近。根據(jù)圖1還可以得出的結(jié)論是，在最小焦距下，物距u很小時，如物距u在20mm以下時，像距遠小于250mm。因此，VR裝置的光學(xué)系統(tǒng)的像距在250mm左右時，物距至少要大于20mm，由于u<f，因此，光學(xué)透鏡的焦距f要至少大于20mm。因此，需要在焦距f大于20mm的范圍內(nèi)，確定合適的焦距f和合適的物距u，并保證u<f來設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)，以使光學(xué)系統(tǒng)的像距接近明視距離。通常光學(xué)透鏡是厚透鏡，現(xiàn)有的光學(xué)透鏡的中心厚度要至少大于12mm，因此，物距u(光學(xué)透鏡主體的主平面與顯示屏之間的最短距離)不便于量取，本發(fā)明實施例采用光學(xué)透鏡朝向顯示屏的凸面中心與顯示屏中心的直線距離作為物距u的參考值，進而根據(jù)可以得出像距v的參考值v'。只需將v'取合適的值，就能使像距v保持在250mm左右?；诒景l(fā)明的上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例提供一種虛擬現(xiàn)實裝置，請參閱圖2，包括：光學(xué)透鏡101，及與光學(xué)透鏡101相對設(shè)置的顯示屏，光學(xué)透鏡101包括沿同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成的第一曲面102和第二曲面103，第二曲面103的焦距小于第一曲面102的焦距，第二曲面103設(shè)置在靠近顯示屏的一側(cè)，參閱圖5，第二曲面103的中心與顯示屏的中心之間的直線距離為x，光學(xué)透鏡101的焦距為f，顯示屏發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)透鏡101所成的虛像的像距的參考值為v'；其中，x<f，當(dāng)f>20mm且230mm≤v′≤270mm時，像距接近明視距離。其中，第一曲面102和第二曲面103的中心連線為旋轉(zhuǎn)軸，第一曲面102的中心，第二曲面103的中心與顯示屏的中心在一條直線上。第一曲面102和第二曲面103的外凸方向相反，當(dāng)該雙凸透鏡應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實設(shè)備時，第一曲面102朝向觀看側(cè)，第二曲面103朝向顯示屏幕。可選的，本發(fā)明實施例提供的通過以下方式獲?。菏紫?，根據(jù)可以得出為了簡化模型，將透鏡模型近似為薄透鏡，即假設(shè)光學(xué)透鏡101是理想薄透鏡，不考慮光學(xué)透鏡101主平面，在物距u無限接近f時，fu≈f2，因此，上述公式可以簡化為：其次，令u≈x，即用x作為物距u的參考值，即可得到像距的參考值v'的表達式為：因此，本發(fā)明實施例中，通過設(shè)定f和x滿足的關(guān)系式將其作為像距的參考值，以及設(shè)置的取值范圍在230mm～270mm之間，可設(shè)定合適的焦距f和合適的x使得像距接近明視距離，保證了人眼能夠在舒適、放松的狀態(tài)下使用VR裝置，不會對視力造成損害。下面對f和x的取值范圍進行說明。在一可選實施例中，20mm<f<60mm，根據(jù)圖1中像距與物距的制約關(guān)系，焦距f的取值至少大于20mm，像距v才可能保持在250mm左右，考慮到光學(xué)系統(tǒng)的尺寸不能太大，增加使用者負(fù)擔(dān)，焦距f應(yīng)小于60mm。在20mm<f<60mm時，x的取值范圍根據(jù)(單位：mm)確定。第一曲面102的中心與第二曲面103的中心之間的直線距離為光學(xué)透鏡101的中心厚度，假設(shè)光學(xué)透鏡101的中心厚度為d1，在焦距f和x的上述取值滿足像距接近明視距離的基礎(chǔ)上，為了得到小尺寸的VR裝置，光學(xué)透鏡101的厚度需要減小，光學(xué)透鏡101的厚度主要取決于中心厚度，d1的取值范圍為：5.5≤d1≤12(單位mm)。在一最佳實施例中，40mm<f<60mm，考慮到焦距f小于40mm時，根據(jù)圖1，物距小于35mm，物距u的參考值x通常小于物距u，因此x小于35mm，而x小于35mm時，會使視場角變小，從而影響VR裝置為用戶帶來的沉浸感，為了盡可能增大視場角，需要x要大于35mm，因此，可選的，焦距f應(yīng)大于40。在40mm<f<60mm時，x的取值范圍根據(jù)(單位：mm)確定。在焦距f和x的上述取值范圍滿足像距v接近明視距離的基礎(chǔ)上，為了得到小尺寸的VR裝置，光學(xué)透鏡101的中心厚度d1需要減小，d1的取值范圍為：5.5≤d1≤10(單位mm)?；谏鲜鋈我粚嵤├谝磺?02的中心與顯示屏的中心之間的直線距離為(d1+x)，在d1的取值范圍和x的取值范圍滿足上述任一可選實施例的基礎(chǔ)上，最佳實施例中，(d1+x)≤55(單位mm)。在一最佳實施例中，為了進一步提高成像質(zhì)量，第一曲面102和第二曲面103為非球面。非球面相對于球面可以有效的校正像差，第一曲面102和第二曲面103都為非球面時，光學(xué)透鏡101所成的虛像的邊緣也是清晰的，光學(xué)透鏡101具有較好的成像質(zhì)量?；诘谝磺?02和第二曲面103為非球面，光學(xué)透鏡101可以具備較大的視場角，所以光學(xué)透鏡101的視場角FOV≥100°時，可滿足較大的沉浸感。在一最佳實施例中，所以光學(xué)透鏡101的視場角FOV≥100°時，光學(xué)透鏡101的有效口徑D≥29mm。參照圖4，光學(xué)透鏡101的有效口徑D為光學(xué)透鏡101主體的直徑，光學(xué)透鏡101的有效口徑D需滿足關(guān)系式：其中，l為瞳孔到光學(xué)透鏡101第一曲面102的中心距離(也稱為出瞳距離)，w為光學(xué)透鏡101的最大視場角，d為出瞳直徑。在使用VR裝置時，為了防止人眼睫毛掃到臨近人眼的第一曲面102，需要在人眼和第一曲面102之間保留一定的出瞳距離，因此，出瞳距離l一般在10mm～25mm。出瞳直徑d一般為2mm～8mm。根據(jù)上述實施例，假如出瞳直徑d為5mm，出瞳距離l為10mm，最大視場角w為100°時，根據(jù)上述關(guān)系式可知，光學(xué)透鏡101的有效口徑D應(yīng)不小于29mm。在一最佳實施例中，光學(xué)透鏡101的邊緣厚度d2，d2滿足1.5mm≤d2≤2.5mm時，可以進一步減輕光學(xué)透鏡101的重量。根據(jù)透鏡加工工藝，光學(xué)透鏡101的邊緣厚度應(yīng)大于0.04D，因本發(fā)明實施例中，D≥29mm，因此光學(xué)透鏡101的邊緣厚度d2滿足：d2>1.2mm。但從加工的難易程度來看，光學(xué)透鏡101的邊緣厚度d2不宜太薄，為使透鏡容易加工且保證面型精度，光學(xué)透鏡101的邊緣厚度d2至少為1.5mm，且為確保整體縮小光學(xué)透鏡101的厚度，光學(xué)透鏡101的邊緣厚度d2最大為2.5mm。所以，本發(fā)明實施例中，光學(xué)透鏡101的邊緣厚度d2為1.5mm～2.5mm。在一最佳實施例中，為了便于透鏡安裝，如圖3所示，本發(fā)明實施例中的光學(xué)透鏡101還包括一固定框架104，固定框架104固定在光學(xué)透鏡101的外邊緣。在一最佳實施例中，固定框架104的厚度與雙凸透鏡101的邊緣厚度一致，即固定框架104的厚度為1.5mm～2.5mm。在一最佳實施例中，進一步減輕光學(xué)透鏡101的重量，固定框架104的安裝直徑比光學(xué)透鏡101的有效口徑大1mm～3mm。可選的，本發(fā)明實施例中，固定框架104的外沿可以是圓形、橢圓、多邊形的任意一種。本實施例的固定框架104首選圓形。在一最佳實施例中，第一曲面102和第二曲面103都是非球面，需要設(shè)計出第一曲面102和第二曲面103的面型參數(shù)，以便滿足上述實施例中焦距f、有效孔徑D、中心厚度d1、邊緣厚度d2的取值范圍，進而獲得短焦距、薄厚度的光學(xué)透鏡101。其中，非球面系數(shù)的表達式如下：其中，z為非球面的矢高，c為非球面的曲率，r為非球面在XY坐標(biāo)平面的曲率半徑，k為圓錐系數(shù)，α1至α8為非球面系數(shù)。表1r151.8686813c-1.05799167α10α2-3.458e-008α3-2.230e-013α4-1.903e-014α5-9.792e-017α60α70α80表2r-30c-18.0120785α10α2-5.170e-005α31.8879e-007α4-3.875e-010α53.1588e-013α60α70α80一種實施例中，滿足光學(xué)透鏡101主體的有效孔徑D為40mm，中心厚度為9.6mm，邊緣厚度為2mm，焦距f為51.8449mm，第一曲面102的非球面系數(shù)參見表1，第二曲面103的非球面系數(shù)參見表2。設(shè)置第一曲面102與顯示屏的屏幕之間的中心距離x為41.5mm，根據(jù)表1和表2列出的第一曲面102和第二曲面103的面形參數(shù)，模擬出的VR裝置的光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖參見圖5。結(jié)合圖5中光路的成像數(shù)據(jù)，在滿足光學(xué)透鏡101主體的有效孔徑D為40mm，中心厚度為9.6mm，邊緣厚度為2mm，焦距f為51.8449mm，第一曲面102與顯示屏的屏幕之間的中心距離x為41.5mm的條件時，透鏡主體的視場角FOV可達110°，能使人有非常良好的沉浸感，并且光學(xué)透鏡101主體所成的正立放大的虛像的位置在260mm處，即像距為260mm，接近明視距離，人眼在接近明視距離觀看物體時，此時人眼最不容易出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，可以保證人眼能夠在放松的狀態(tài)下使用VR頭盔，不會對視力造成損害。另一種實施例中，滿足光學(xué)透鏡101主體的有效孔徑D為40mm，中心厚度為10mm，邊緣厚度為1.7mm，焦距f為47.8mm，第一曲面102的非球面系數(shù)參見表3，第二曲面103的非球面系數(shù)參見表4。設(shè)置第一曲面102與顯示屏的屏幕之間的中心距離x為38.5mm，根據(jù)表3和表4列出的第一曲面102和第二曲面103的面形參數(shù)，模擬出的VR裝置的光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖參見圖6。結(jié)合圖5中光路的成像數(shù)據(jù)，在滿足光學(xué)透鏡101主體的有效孔徑D為40mm，中心厚度為10mm，邊緣厚度為1.7mm，焦距f為47.8mm，第一曲面102與顯示屏的屏幕之間的中心距離x為38.5mm的條件時，透鏡主體的視場角FOV可達110°，能使人有非常良好的沉浸感，并且光學(xué)透鏡101主體所成的正立放大的虛像的位置在245.6mm處，即像距v為245.6mm，像距接近明視距離，人眼在接近明視距離觀看物體時，眼睛處于最放松狀態(tài)，可以保證人眼能夠在放松的狀態(tài)下使用VR頭盔，不會對視力造成損害。表3r110c-1.05799167α10α2-3.458e-008α3-2.230e-013α4-1.903e-014α5-9.792e-017α60α70α80表4r-29c-1.31880132α10α2-5.253e-006α36.0642e-008α4-1.844e-010α51.8268e-013α60α70α80綜上，本發(fā)明實施例中，通過設(shè)定f和x滿足的關(guān)系式將其作為像距的參考值，以及設(shè)置的取值范圍在230mm～270mm之間，可設(shè)定40mm<f<60mm，在保證成像質(zhì)量的前提下，使像距接近明視距離，保證了人眼能夠在舒適、放松的狀態(tài)下使用VR裝置，不會對視力造成損害。在此基礎(chǔ)上，為了使光學(xué)透鏡101輕薄，光學(xué)透鏡101的中心厚度d1的取值范圍為5.5mm≤d1≤12mm光學(xué)透鏡101的邊緣厚度d2的取值范圍為1.5mm≤d2≤2.5mm。在此基礎(chǔ)上，為了使VR裝置具有較大的沉浸感，光學(xué)透鏡101的視場角FOV≥100°時，光學(xué)透鏡101的有效口徑D≥29mm。盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也包含這些改動和變型在內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3