一種虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，包括光闌(100)，所述的光闌(100)一側(cè)設(shè)有相對(duì)其位置固定的第一透鏡(1)和相對(duì)其能前后移動(dòng)的第二透鏡(2)，所述的第二透鏡(2)遠(yuǎn)離光闌(100)一側(cè)設(shè)有反射元件(3)和顯示屏(200)，所述的顯示屏(200)發(fā)出的光線經(jīng)過反射元件(3)反射而進(jìn)入第二透鏡(2)和第一透鏡(1)后到達(dá)光闌(100)，所述的第一透鏡(1)為正光焦度的雙凸形非球面透鏡，所述的第二透鏡(2)為負(fù)光焦度的彎月形非球面透鏡，所述的反射元件(3)的光焦度為0。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰度高，視場(chǎng)角大，體積小、重量輕。
【專利說明】一種虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，更具體地說是一種反射式虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 目前虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR)進(jìn)入快速發(fā)展期，這些裝置安裝在觀察者的頭部，因此它必須緊湊和輕量化，以減輕觀 察者的負(fù)載。對(duì)于VR系統(tǒng)而言，大視場(chǎng)是相當(dāng)重要的，只有大視場(chǎng)，觀察者才能更全神貫注 的觀察優(yōu)質(zhì)的動(dòng)態(tài)圖像，由于VR系統(tǒng)的視場(chǎng)、出瞳直徑、焦距三者之間是相互制約的關(guān)系， 同時(shí)達(dá)到大視場(chǎng)、大出瞳直徑和短焦距相當(dāng)困難。為此，鏡片組及特殊鏡片方案是未來(lái)VR系 統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于要求越來(lái)越高的VR領(lǐng)域來(lái)講，需要畫面更清晰，用戶體驗(yàn)更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn) 品。
[0003] 因此，本實(shí)用新型應(yīng)運(yùn)而生。 【【實(shí)用新型內(nèi)容】】
[0004] 本實(shí)用新型目的是克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰度高，視場(chǎng)角 大，體積小、重量輕的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)。
[0005] 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括光闌100，所述的光闌100-側(cè)設(shè)有相對(duì) 其位置固定的第一透鏡1和相對(duì)其能前后移動(dòng)的第二透鏡2,所述的第二透鏡2遠(yuǎn)離光闌100 一側(cè)設(shè)有反射元件3和顯示屏200,所述的顯示屏200發(fā)出的光線經(jīng)過反射元件3反射而進(jìn)入 第二透鏡2和第一透鏡1后到達(dá)光闌100,所述的第一透鏡1為正光焦度的雙凸形非球面透 鏡，所述的第二透鏡2為負(fù)光焦度的彎月形非球面透鏡，所述的反射元件3的光焦度為0。
[0007] 如上所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:從所述的光闌100至反射元件3方向， 所述第一透鏡1的第一面為雙曲線非球面、第二面為橢圓非球面;所述第二透鏡2的第一面 為圓形非球面、第二面為扁圓非球面。
[0008] 如上所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的反射元件3是平面反光鏡或反 射棱鏡或反射式自由曲面。
[0009] 如上所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的反射元件3鍍有多層反射膜。 [0010]如上所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一透鏡1和第二透鏡2為塑 料透鏡。
[0011] 如上所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的顯示屏200為液晶顯示屏。
[0012] 如上虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一透鏡1、第二透鏡2的非球面表面 形狀滿足以下方程：2=:cyV I [.1- (1+k.) c2y2] } + a jy2+ α 2y4+.a 3y6+ Q ：*y8+ a sy19+ Q eyu+ a 7.y14+ d 8y16., 在公式中，參數(shù)C為半徑所對(duì)應(yīng)的曲率，y為徑向坐標(biāo)，其單位和透鏡長(zhǎng)度單位相同，k為圓錐 二次曲線系數(shù)；當(dāng)k系數(shù)小于-1時(shí)，透鏡的面形曲線為雙曲線，當(dāng)k系數(shù)等于-1時(shí)，透鏡的面 形曲線為拋物線；當(dāng)k系數(shù)介于-1到0之間時(shí)，透鏡的面形曲線為橢圓，當(dāng)k系數(shù)等于0時(shí)，透 鏡的面形曲線為圓形，當(dāng)k系數(shù)大于O時(shí)，透鏡的面形曲線為扁圓形;〇1至〇8分別表示各徑向 坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 1、本實(shí)用新型的視場(chǎng)角非常大，視場(chǎng)角可達(dá)到120°，3D效果更明顯，觀看影像時(shí)有 身臨其境的完美感受。
[0015] 2、本實(shí)用新型的光學(xué)系統(tǒng)可以適用所有體驗(yàn)者，可以通過調(diào)節(jié)第二透鏡的位置來(lái) 調(diào)節(jié)視度，任何使用者都可以通過調(diào)節(jié)視度，看清楚整個(gè)畫面。
[0016] 3、本實(shí)用新型合理的分配放大率，畸變很小，像面放大后，真實(shí)感得到保證，更符 合虛擬現(xiàn)實(shí)的要求。
[0017] 4、本實(shí)用新型的第一透鏡和第二透鏡全部采用塑料鏡片，結(jié)構(gòu)緊湊，體積很小，系 統(tǒng)輕便，整個(gè)完成品的重量小于250g，觀察者佩戴非常舒適。
[0018] 5、本實(shí)用新型的入瞳直徑很大，顯示的圖像亮度沒有明顯的衰減，清晰度非常高， 且畫面均勻，無(wú)論眼睛怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，都能夠看清整個(gè)畫面，不容易導(dǎo)致觀察者視覺疲勞。 【【附圖說明】】
[0019] 圖1是本實(shí)用新型示意圖；
[0020] 圖2是本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)光路圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述：
[0022] -種虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，包括光闌100,所述的光闌100-側(cè)設(shè)有相對(duì)其位置固定 的第一透鏡1和相對(duì)其能前后移動(dòng)的第二透鏡2,所述的第二透鏡2遠(yuǎn)離光闌100-側(cè)設(shè)有反 射元件3和顯示屏200,所述的顯示屏200發(fā)出的光線經(jīng)過反射元件3反射而進(jìn)入第二透鏡2 和第一透鏡1后到達(dá)光闌100,所述的第一透鏡1為正光焦度的雙凸形非球面透鏡，所述的第 二透鏡2為負(fù)光焦度的彎月形非球面透鏡，所述的反射元件3的光焦度為0。本實(shí)用新型光學(xué) 系統(tǒng)使用時(shí)光線是逆向傳播的，實(shí)際光路為微型液晶顯示屏200發(fā)出的光線，先經(jīng)過反射元 件3反射進(jìn)入第二透鏡2,然后經(jīng)過第二透鏡2透射進(jìn)入第一透鏡1，最后經(jīng)過第一透鏡1透射 到達(dá)光闌100處，光闌100即為觀察者眼睛。
[0023]為了設(shè)計(jì)方便，設(shè)計(jì)中眼睛可當(dāng)作理想透鏡，同時(shí)按照光線正向傳播的思路設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的光闌即為觀察者。所述的第一透鏡1為塑料非球面正透鏡，使得通過光闌100 孔徑的所有光線都能順利進(jìn)入整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)角，視場(chǎng)角可達(dá)到120°，實(shí)現(xiàn)明 顯的3D效果，第一透鏡1可以采用低折射率材料，且光焦度較大，主要承擔(dān)了圖像放大及圖 像投遠(yuǎn)的效果。
[0024]所述的第一透鏡1的光焦度為正，且相對(duì)于光闌100固定不動(dòng);所述的第二透鏡2的 光焦度為負(fù)且能相對(duì)光闌100前后移動(dòng)。因此，利用人眼成像原理，當(dāng)近視眼用戶使用時(shí)，畫 面需要向眼睛方向移動(dòng)，調(diào)節(jié)第二透鏡2的位置，補(bǔ)償由近視引起的畫面移動(dòng)量，使得光學(xué) 系統(tǒng)始終能夠聚焦在顯示屏200上。利用光路可逆原理，顯示屏200發(fā)出的光線也能夠進(jìn)入 人眼，聚焦在視網(wǎng)膜上，不同視度的人，只要將第二透鏡2調(diào)整到合適的位置，就能夠看清楚 畫面，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)焦、視度調(diào)整，適用于所有體驗(yàn)者，改善了市面上的產(chǎn)品只能用 于正常視力使用者的局限性。
[0025]所述的反射元件3可以是平面反光鏡，還可以是反射棱鏡或反射式自由曲面，所述 的反射元件3鍍有多層反射膜。按照光線正向傳播設(shè)計(jì)思路，通過第二透鏡2投射出來(lái)的光 線被反射元件3完全反射，進(jìn)入像面即顯示屏200。由于反射元件3的光焦度為0，本身不會(huì)產(chǎn) 生像差，也不會(huì)影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)像差的分配，另外，反射元件3使得光學(xué)系統(tǒng)的像面位置 發(fā)生變化，轉(zhuǎn)移到第一透鏡1和第二透鏡2的側(cè)面，這樣大大的減小了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度， 結(jié)構(gòu)變得緊湊輕巧。
[0026]所述的第一透鏡1采用低折射率高色散系數(shù)的塑料非球面正透鏡，所述的第二透 鏡2采用高折射率低色散的塑料非球面負(fù)透鏡，正負(fù)透鏡配合使用，正透鏡產(chǎn)生的負(fù)球差正 好抵償了負(fù)透鏡產(chǎn)生的正球差，很好的矯正了光學(xué)系統(tǒng)的球差和正弦差。高色散材料和低 色散材料搭配，不僅能夠矯正系統(tǒng)的軸向色差，還能夠矯正系統(tǒng)的垂軸色差，保證了系統(tǒng)的 圖像銳度和色彩還原性。光學(xué)系統(tǒng)中的第一透鏡和第二透鏡分開使用，能夠很好的矯正光 學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲及畸變。
[0027] 從所述的光闌100至反射元件3方向，所述第一透鏡1的第一面為雙曲線非球面、第 二面為橢圓非球面;所述第二透鏡2的第一面為圓形非球面、第二面為扁圓非球面。整個(gè)光 學(xué)系統(tǒng)采用了四面非球面，非球面不僅本身產(chǎn)生很小的像差，也能很好的平衡整個(gè)光學(xué)系 統(tǒng)的像差，使得光學(xué)系統(tǒng)的像面中心和邊緣都有相當(dāng)高的分辨率。
[0028] 所述的第一透鏡1、第二透鏡2的非球面表面形狀滿足以下方程：
甶公式中，參 數(shù)c為半徑所對(duì)應(yīng)的曲率，y為徑向坐標(biāo)，其單位和透鏡長(zhǎng)度單位相同，k為圓錐二次曲線系 數(shù)；當(dāng)k系數(shù)小于-1時(shí)，透鏡的面形曲線為雙曲線，當(dāng)k系數(shù)等于-1時(shí)，透鏡的面形曲線為拋 物線；當(dāng)k系數(shù)介于-1到0之間時(shí)，透鏡的面形曲線為橢圓，當(dāng)k系數(shù)等于0時(shí)，透鏡的面形曲 線為圓形，當(dāng)k系數(shù)大于0時(shí)，透鏡的面形曲線為扁圓形; 〇1至〇8分別表示各徑向坐標(biāo)所對(duì)應(yīng) 的系數(shù)。
[0029] 本實(shí)用新型第一透鏡1、第二透鏡2和反射元件3都使用常見的塑料材質(zhì)，有效的控 制成本，減輕系統(tǒng)的重量。設(shè)計(jì)時(shí)采用寬光譜，且設(shè)計(jì)的理論分辨率遠(yuǎn)高于實(shí)際需要值，保 證了圖像銳度和色彩還原性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括光闊（100)，所述的光闊（100)-側(cè)設(shè)有相 對(duì)其位置固定的第一透鏡（1)和相對(duì)其能前后移動(dòng)的第二透鏡(2)，所述的第二透鏡(2)遠(yuǎn) 離光闊（100)-側(cè)設(shè)有反射元件(3)和顯示屏(200)，所述的顯示屏(200)發(fā)出的光線經(jīng)過反 射元件(3)反射而進(jìn)入第二透鏡(2)和第一透鏡（1)后到達(dá)光闊（100)，所述的第一透鏡（1) 為正光焦度的雙凸形非球面透鏡，所述的第二透鏡(2)為負(fù)光焦度的彎月形非球面透鏡，所 述的反射元件(3)的光焦度為0。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:從所述的光闊（100)至反射 元件(3)方向，所述第一透鏡（1)的第一面為雙曲線非球面、第二面為楠圓非球面;所述第二 透鏡(2)的第一面為圓形非球面、第二面為扁圓非球面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的反射元件(3)是平 面反光鏡或反射棱鏡或反射式自由曲面。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的反射元件(3)鍛有 多層反射膜。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一透鏡（1)和第 二透鏡(2)為塑料透鏡。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬現(xiàn)實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的顯示屏(200)為液 晶顯示屏。7. 概尉姊腰犯臟的虛蛾見實(shí)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:臟的第一纖。)、第二纖(2)的非 球面表面形狀滿足W下方程：在 公式中，參數(shù)C為半徑所對(duì)應(yīng)的曲率，y為徑向坐標(biāo)，其單位和透鏡長(zhǎng)度單位相同，k為圓錐二 次曲線系數(shù)；當(dāng)k系數(shù)小于-1時(shí)，透鏡的面形曲線為雙曲線，當(dāng)k系數(shù)等于-1時(shí)，透鏡的面形 曲線為拋物線；當(dāng)k系數(shù)介于-1到0之間時(shí)，透鏡的面形曲線為楠圓，當(dāng)k系數(shù)等于0時(shí)，透鏡 的面形曲線為圓形，當(dāng)k系數(shù)大于0時(shí)，透鏡的面形曲線為扁圓形;α適as分別表示各徑向坐 標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G02B27/01GK205581417SQ201620307931
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】王玉榮, 肖明志, 鄒艷華, 陳安科
【申請(qǐng)人】中山聯(lián)合光電科技股份有限公司