CN104777620A - 虚拟现实3d场景用的景深识别光学装置及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置及其成像方法，装置包括电源、可变焦透镜组、两个反射镜和两个显示屏，可变焦透镜组设于人眼前方，两个反射镜对称设于可变焦透镜组前方，且两个反射镜之间形成50～70°的夹角，两个显示屏对应设于两个反射镜的外侧；电源分别与可变焦透镜组和两个显示屏连接；成像方法是两个显示屏同时播放存在视差的镜像图像，经过两个反射镜反射，再通过透镜组折射后进入人眼，通过放大两个显示屏图像的视差，在人脑中产生远近不一的立体图像，从而在人眼中产生虚拟现实的3D场景。本发明采用了巧妙的光学设计，使得整个装置结构简单，小型轻便，可实现头戴式，能较好地推广于家用娱乐及健康诊疗领域。

Description

虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置及其成像方法
技术领域
本发明涉及光学显像技术领域，特别涉及一种虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置及其成像方法。
背景技术
虚拟现实3D场景显示包括3D娱乐游戏和影视节目欣赏，是当前科技领域的热点。然而，目前3D立体影像的显示，一般都需要大型3D立体电影放映系统(如电影院或家庭影院等)，不能做到小型化，也不够轻便，因此难以实现家用手持式或穿戴式等简易轻便的方式。
此外，据目前的报道显示，也有一些大型网通公司准备在未来几年推出一些穿戴式虚拟现实3D显示游戏或视频的眼镜，但据其报道的结构都是仅用一个显示屏，在实际使用中，这些结构不具备景深识别功能，因此其三维立体的效果也不能令人满意。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、轻巧小型、可实现穿戴式，且可较好地实现景深识别功能的虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置。
本发明的另一目的在于提供一种上述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置的成像方法。
本发明的技术方案为：一种虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，包括电源、可变焦透镜组、两个反射镜和两个显示屏，可变焦透镜组设于人眼前方，两个反射镜对称设于可变焦透镜组前方，且两个反射镜之间成50～70°夹角放置，两个显示屏对应设于两个反射镜的外侧；电源分别与可变焦透镜组和两个显示屏连接。其中，各反射镜的大小、尺寸均与各显示屏相同，该结构中，位于左、右两侧的两个显示屏分别产生左、右眼所看到的存在视差的镜像画面，经过位于左、右两侧的两个反射镜反射和可变焦透镜组后，对两眼视差加以放大，最后由人眼接收，使人感觉到远近不一的立体图像；该过程中，通过对左右图像(或视频影像)进行合理的设计和调整，可以模拟出任何距离(从眼前到无穷远)的物体图像。
所述光学结构还包括外壳，电源、可变焦透镜组、两个反射镜和两个显示屏均设于外壳内。其中，电源为两个显示屏供电，在可变焦透镜组采用电动变焦镜时，也为可变焦透镜组供电。
所述外壳为内面是黑色的壳体，可屏蔽防止外部杂散光的干扰。
所述可变焦透镜组包括左透镜组和右透镜组，两个反射镜包括左反射镜和右反射镜，两个显示屏包括左显示屏和右显示屏；左反射镜位于左透镜组前方，右反射镜位于右透镜组前方，左显示屏位于左反射镜左侧，右显示屏位于右反射镜右侧。
所述左透镜组和右透镜组均是焦距为10～15cm的正透镜；
所述左反射镜和右反射镜均为可见光反射镜，左反射镜向左倾斜设置，左反射镜与人眼所在平面之间的夹角为55～65°，右反射镜向右倾斜设置，右反射镜与人眼所在平面之间的夹角为55～65°；
所述左显示屏和右显示屏均为4～5寸的高清数码显示屏，分辨率≥1920×1080，且左显示屏和右显示屏分别自带存储器；左显示屏和右显示屏对称设置，左显示屏向右倾斜设置，左显示屏与人眼所在平面之间的夹角为54～64°，右显示屏向左倾斜设置，右显示屏与人眼所在平面之间的夹角为54～64°。
所述可变焦透镜组与人眼的距离为1～3cm。
所述电源是电压为1.5～5伏的可充电电池。
上述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置的成像方法，包括以下步骤：
(1)左显示屏和右显示屏上同时播放存在视差的镜像图像；
(2)左显示屏上的图像先经过左反射镜反射，再通过左透镜组折射后进入使用者左眼，右显示屏上的图像先经过右反射镜反射，再通过右透镜组折射后进入使用者右眼；放大左显示屏和右显示屏图像的视差，通过左右两个反射镜和透镜组的进一步放大后，在人脑中产生远近不一的立体图像，从而在人眼中产生虚拟现实的3D场景。
上述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置及其成像方法的作用原理是：人的双眼由于相隔一定距离，故分别看到的图像角度与侧面均不同，这便是所谓的视差，视差的存在使人脑产生空间感，人看不同距离物体时，通过眼部肌肉控制眼球转动，双眼视线的夹角不同，通过左右视线的交点来确定事物的距离，这是人眼判断距离的主要方式；因此，在上述光学装置通过位于左、有的两个显示屏和两个反射镜，可以让左、右眼看到预先提供的不同角度与侧面的图像，从而让观察者观察到模拟的3D空间图像；另一方面，人眼在看物体时会通过睫状肌控制晶状体改变其焦距以看清不同距离的物体，通过对对焦位置的感觉以及近处和远处离焦位置模糊的情况，也可以大致判断物体的距离，因此，本光学装置通过给成像光路加入变焦透镜组来模拟出这种效果。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本光学装置采用了巧妙的光学设计，使得整个装置结构简单(仅需三对主要部件)，使整个装置小型轻巧，可实现头戴式，使用轻便，制作成本也低，能较好地推广于家用娱乐以及健康诊疗设备领域。将本光学装置结合目前的数字智能虚拟三维立体视频影像技术，使之可产生具有景深识别功能的虚拟现实3D立体纵深场景，可使使用者感受虚拟世界的逼真感受。
2、本光学装置通过双显示屏、反射镜放大和变焦透镜组调焦的综合作用，使得整个装置尽管尺度仅约20厘米，却可产生上百米甚至更远(理论上无穷远)的景深，能产生效果明显的具有景深识别功能的立体三维纵深场景，可使使用者感受虚拟世界的逼真感受。
附图说明
图1为本光学装置的原理示意图。其中1和2分别为结构相同的左透镜组和右透镜组，3和4分别为结构相同的左显示屏和右显示屏，5和6分别为结构相同的左反射镜和右反射镜，7为外壳，8为虚拟图像。
图2为本光学装置中电源的供电原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，如图1所示，包括电源(图中未示出)、可变焦透镜组、两个反射镜和两个显示屏，可变焦透镜组设于人眼前方，两个反射镜对称设于可变焦透镜组前方，且两个反射镜之间成50～70°夹角对称放置，两个显示屏对应设于两个反射镜的外侧；电源分别与可变焦透镜组和两个显示屏连接。其中，各显示屏的大小、尺寸均与各反射镜相同。
光学结构还包括外壳7，电源、可变焦透镜组、两个反射镜和两个显示屏均设于外壳内。外壳为内面是黑色的壳体，可屏蔽防止外部杂散光的干扰。
如图1所示，可变焦透镜组包括左透镜组1和右透镜组2，两个反射镜包括左反射镜5和右反射镜6，两个显示屏包括左显示屏3和右显示屏4；左反射镜位于左透镜组前方，右反射镜位于右透镜组前方，左显示屏位于左反射镜左侧，右显示屏位于右反射镜右侧。
其中，左透镜组和右透镜组均是焦距为10～15cm的正透镜，可变焦透镜组与人眼的距离为1～3cm；其作用是用于调节画面的焦点，使得屏幕上所看到的物体可以随意远近，从而产生距离感，并且根据使用者的视力状况(近视、远视)调节画面焦距范围。两组可变焦透镜组放置在人左右两眼前1～3cm处，由使用者人手控制调节其焦点即可。左透镜组和右透镜组也可采用市面通用的电动变焦镜，由电动开关进行变焦调节。
左反射镜和右反射镜均为可见光反射镜，左反射镜向左倾斜设置，右反射镜向右倾斜设置；两个反射镜分别在左右眼前与人眼所在平面的夹角(即图1中的β角)呈约59°角对称地放置，其作用是将两个显示屏的全屏视频图像分别反射到人的左右眼中，同时起放大两眼视差的作用。
左显示屏和右显示屏均为4寸的高清数码显示屏，分辨率≥1920×1080，该尺寸的显示屏使得两眼可获得的视角约为90°；且左显示屏和右显示屏分别自带存储器，可外部输入与储存软件文档，可放映各种视频游戏、电影或各种图片。左显示屏和右显示屏对称设置，左显示屏向右倾斜设置，右显示屏向左倾斜设置，两个显示屏分别对称地在左右两边与人眼所在平面的夹角(即图1中的α角)呈62°角放置。
电源是电压为1.5～5伏的可充电电池。其中，如图2所示，电源为两个显示屏供电，在可变焦透镜组采用电动变焦镜时，也为可变焦透镜组供电。
上述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置的成像方法，包括以下步骤：
(1)左显示屏和右显示屏上同时播放存在视差的镜像图像；
(2)左显示屏上的图像先经过左反射镜反射，再通过左透镜组折射后进入使用者左眼，右显示屏上的图像先经过右反射镜反射，再通过右透镜组折射后进入使用者右眼；通过放大左显示屏和右显示屏图像的视差，在人脑中产生远近不一的立体图像，从而在人眼中产生虚拟现实的3D场景，此时如图1中所示的虚拟图像8。
上述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置及其成像方法的作用原理是：人的双眼由于相隔一定距离，故分别看到的图像角度与侧面均不同，这便是所谓的视差，视差的存在使人脑产生空间感，人看不同距离物体时，通过眼部肌肉控制眼球转动，双眼视线的夹角不同，通过左右视线的交点来确定事物的距离，这是人眼判断距离的主要方式；因此，在上述光学装置通过位于左、有的两个显示屏和两个反射镜，可以让左、右眼看到预先提供的不同角度与侧面的图像，从而让观察者观察到模拟的3D空间图像；另一方面，人眼在看物体时会通过睫状肌控制晶状体改变其焦距以看清不同距离的物体，通过对对焦位置的感觉以及近处和远处离焦位置模糊的情况，也可以判断物体的距离，因此，本光学装置通过给成像光路加入变焦透镜组来模拟出这种效果。
实施例2
本实施例一种虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，与实施例1相比较，其不同之处在于，左显示屏和右显示屏均为5寸的高清数码显示屏，分辨率≥1920×1080，该尺寸的显示屏使得两眼可获得的视角约为120°。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，包括电源、可变焦透镜组、两个反射镜和两个显示屏，可变焦透镜组设于人眼前方，两个反射镜对称设于可变焦透镜组前方，且两个反射镜之间形成50～70°的夹角，两个显示屏对应设于两个反射镜的外侧；电源分别与可变焦透镜组和两个显示屏连接。
2.根据权利要求1所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述光学结构还包括外壳，电源、可变焦透镜组、两个反射镜和两个显示屏均设于外壳内。
3.根据权利要求2所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述外壳为内面是黑色的壳体。
4.根据权利要求1所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述可变焦透镜组包括左透镜组和右透镜组，两个反射镜包括左反射镜和右反射镜，两个显示屏包括左显示屏和右显示屏；左反射镜位于左透镜组前方，右反射镜位于右透镜组前方，左显示屏位于左反射镜左侧，右显示屏位于右反射镜右侧。
5.根据权利要求4所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述左透镜组和右透镜组均是焦距为10～15cm的正透镜。
6.根据权利要求4所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述左反射镜和右反射镜均为可见光反射镜，左反射镜向左倾斜设置，左反射镜与人眼所在平面之间的夹角为55～65°，右反射镜向右倾斜设置，右反射镜与人眼所在平面之间的夹角为55～65°。
7.根据权利要求4所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述左显示屏和右显示屏均为4～5寸的高清数码显示屏，分辨率≥1920×1080，且左显示屏和右显示屏分别自带存储器；左显示屏和右显示屏对称设置，左显示屏向右倾斜设置，左显示屏与人眼所在平面之间的夹角为54～64°，右显示屏向左倾斜设置，右显示屏与人眼所在平面之间的夹角为54～64°。
8.根据权利要求1所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述可变焦透镜组与人眼的距离为1～3cm。
9.根据权利要求1所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置，其特征在于，所述电源是电压为1.5～5伏的可充电电池。
10.权利要求1～9任一项所述虚拟现实3D场景用的景深识别光学装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)左显示屏和右显示屏上同时播放存在视差的镜像图像；
(2)左显示屏上的图像先经过左反射镜组反射，再通过左透镜组折射后进入使用者左眼，右显示屏上的图像先经过右反射镜组反射，再通过右透镜组折射后进入使用者右眼；通过放大左显示屏和右显示屏图像的视差，在人脑中产生远近不一的立体图像，从而在人眼中产生虚拟现实的3D场景。
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