[發(fā)明專利]一種適用于虛擬現(xiàn)實設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711491335.8
• 申請日: 2017-12-30
• 公開（公告）號: CN108051920B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 范君柳;吳泉英;陳寶華;徐越
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州科技大學(xué)
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

本發(fā)明公開了一種適用于虛擬現(xiàn)實設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，沿光軸方向它依次包括光闌、一片正光焦度透鏡、一片負(fù)光焦度透鏡一個圖像顯示器；正光焦度透鏡用于抑制大視場角入射的光線發(fā)散角，負(fù)光焦度透鏡用于平衡正光焦度透鏡產(chǎn)生的像散和畸變；兩片透鏡均為塑料材質(zhì)，正光焦度透鏡為低折射率、高色散系數(shù)透鏡，負(fù)光焦度透鏡為高折射率、低色散系數(shù)透鏡，二者組合可以減小光學(xué)系統(tǒng)的色差。本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)視場角大，單眼對角線視場角可達(dá)到100度，為虛擬現(xiàn)實設(shè)備提供了良好的沉浸感；在邊緣視場透鏡組也具有較好的像質(zhì)及畸變，同時，透鏡組具有較大的出瞳距和出瞳孔徑，可為觀察者提供更舒適的佩戴體驗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種適用于虛擬現(xiàn)實設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)技術(shù)是20世紀(jì)80年代提出的一種利用計算機生成的、可交互的、具有沉浸感的視覺虛擬環(huán)境，可以按照需要生成多種虛擬環(huán)境，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、駕駛培訓(xùn)和室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域。近年來隨著計算機計算能力與各種類型傳感器的發(fā)展，各種類型的虛擬現(xiàn)實頭盔已出現(xiàn)在市場上，其基本結(jié)構(gòu)由顯示屏或者手機以及一組目鏡組成，人眼通過目鏡可以看到屏幕上放大的圖像，傳感器感應(yīng)人頭部的變化調(diào)整屏幕中左右區(qū)域分別顯示的圖像，使得人眼能看到立體的，具有交互性的視覺圖像。

目前市場上VR頭盔的光學(xué)鏡頭一般都是單塊透鏡。由于單塊透鏡校正光學(xué)像差的能力有限，因此往往會以降低邊緣視場的像質(zhì)和清晰度為代價來提高鏡頭整體的視場角和沉浸感，同時隨著視場的增加，鏡頭的畸變也會迅速增加(畸變與視場成三次方關(guān)系)，特別是邊緣視場畸變往往會超出人眼承受范圍。盡管目前絕對多數(shù)VR頭盔采取計算機反色差和反畸變補償?shù)确椒▉硖岣呦褓|(zhì)和減小畸變，但邊緣視場像質(zhì)提升效果并不明顯，而且這也會對計算機的CPU和顯卡性能提出了更高的要求。為了解決上述問題，市場上也出現(xiàn)了一些由兩塊光學(xué)鏡片構(gòu)成的VR光學(xué)系統(tǒng)，現(xiàn)就其光學(xué)特性進行分析比較。

中國實用新型專利CN 206411339U公開了一種用于虛擬現(xiàn)實頭盔的降低畸變與色散的光學(xué)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)也是由兩塊分別具有正光焦度和負(fù)光焦度的透鏡所組成，該系統(tǒng)的出瞳距(即光瞳與第一透鏡面對光瞳側(cè)表面中心的距離)只有10mm，因此會對佩戴眼鏡的體驗者會帶來不便；另外該系統(tǒng)的出瞳直徑只有4.98mm（焦距（21.43mm）/相對孔徑倒數(shù)（4.3）），對于身體動作幅度較大的VR場景，很有可能會造成光學(xué)系統(tǒng)出瞳和人眼入瞳的偏離，從而影響VR體驗。

中國發(fā)明專利CN 106291939A公開了一種虛擬現(xiàn)實顯示器光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)由兩塊分別具有正光焦度和負(fù)光焦度的透鏡所組成，其中正光焦度透鏡的一側(cè)透射面為菲涅爾面，但兩塊透鏡均為玻璃材料，其中負(fù)光焦度透鏡為高折射率玻璃透鏡，玻璃材料的重量和成本均高于塑料材料，且實施例中該光學(xué)系統(tǒng)在85⁰×80⁰視場范圍內(nèi)，最大畸變?yōu)?2.69%。中國發(fā)明專利CN 106019596A中也使用了正、負(fù)兩塊透鏡，其中正透鏡一側(cè)設(shè)置為衍射光學(xué)元件，另一側(cè)設(shè)置為菲涅爾透鏡，雖然在半視場角37⁰范圍內(nèi)的畸變小于5%，但由于衍射光學(xué)元件和菲涅爾透鏡的成本要遠(yuǎn)高于普通透鏡，因此該光學(xué)系統(tǒng)性價比不高。因此最佳的方法是通過利用兩塊普通塑料透鏡，在嚴(yán)格提高中心視場像質(zhì)和畸變，適當(dāng)放松邊緣視場像質(zhì)和畸變的前提條件下，提供一種能實現(xiàn)大視場、大出瞳直徑和大出瞳距的虛擬現(xiàn)實光學(xué)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實頭盔存在的只能滿足其中某項設(shè)計指標(biāo)如畸變或色差，而不能兼顧所有指標(biāo)等方面的不足，提供一種具有像差校正良好，較大視場、出瞳直徑和出瞳距，結(jié)構(gòu)輕型且緊湊特點，適用于虛擬現(xiàn)實設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)。