CN105259658A - 一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置和方法，该装置包括镜架、显示模块以及相同的左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块分别包括接目镜和场镜，所述接目镜、场镜和显示模块顺次排列；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块通过镜架连接。该方法包括移动所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块，使左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块的距离满足观察者的左右眼瞳距；利用所述显示模块的驱动电路进行处理，通过图像处理软件划分显示模块的左、右单眼图像显示区域，实现两眼虚拟成像重合。本发明大大提高了成像的质量，从而提升了用户观看的舒适感，可广泛应用于光学技术领域。

Description

一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置及方法。

背景技术

冕牌型的光学塑胶材料：折射率为1.5～１.6，色散系数为50～70；

火石型的光学塑胶材料：折射率为1.6～1.7，色散系数为20～40。

目前，由于市面上手机显示屏幕尺寸的限制，其显示画面的视角太小一直是制约其应用于个人体验的困扰之一。因此，采用将显示屏幕通过光学放大原理在人眼前面放大到几十甚至到二、三百英寸尺寸的虚拟放大显示装置，便是近些年来国内外厂家纷纷投入巨资开发的热门技术产品之一；无论是以索尼为代表的将显示屏虚拟放大到百英寸级别尺寸的、主要应用于个人影院式体验的头盔式显示器，还是以谷歌为代表的将显示屏虚拟放大到十到二十几英寸级别的视频眼镜，以奥克拉斯为代表的将显示屏放大到人眼观察无边框并充满整个视角的虚拟现实场景设备，以及以微软为代表的增强现实的互动显示屏等，其内置的具有虚拟放大功能的目镜光学系统都是其核心的技术之一。

应用在虚拟现实场景的设备，其所采用的显示屏的尺寸较大，所要求的视角必须放大到人眼观察无边框，因而所采用的光学目镜的放大倍数相对较大，由于体积和重量的要求，大部分开发商均在单眼各采用一片光学树脂镜片。而带来的问题是，在除中心区域以外的大部分区域均存在成像不清晰、色差严重且边沿视场有较大畸变的情况。现有少数的单眼采用双片或多片光学镜片的开发商，由于在设计上的不足，仍然存在成像质量上达不到满足用户舒适度的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，本发明的另一目的是提供一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，包括镜架、显示模块以及相同的左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块分别包括接目镜和场镜，所述接目镜、场镜和显示模块顺次排列；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间通过镜架连接。

作为上述技术方案的改进，所述接目镜采用的是冕牌型的光学塑胶材料，所述场镜采用的是火石型的光学塑胶材料。

作为上述技术方案的改进，所述接目镜为正透镜，场镜为负透镜；所述接目镜和场镜的面型均为非球面。

作为上述技术方案的改进，所述显示模块包括显示屏、驱动电路。

作为上述技术方案的改进，所述接目镜到显示屏的距离不超过40毫米；所述接目镜到场镜的距离小于10毫米。

作为上述技术方案的改进，所述接目镜到显示屏的距离不超过50毫米；所述接目镜到场镜的距离小于10毫米。

作为上述技术方案的进一步改进，所述场镜与显示屏之间的距离是接目镜与场镜之间的距离的1.5～2.5倍。

作为上述技术方案的进一步改进，所述场镜与显示屏之间的距离是接目镜与场镜之间的距离的2.13倍，所述接目镜到显示屏的距离为40.69毫米，所述接目镜与场镜之间的距离为13毫米。

作为上述技术方案的进一步改进，所述场镜到显示屏的距离是所述接目镜到场镜距离的1.84倍，所述接目镜到显示屏的距离为36.92毫米，所述接目镜与场镜之间的距离为13毫米。

本发明所采用的另一种技术方案是：采用所述的装置的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的方法，包括：移动所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块，使左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间的距离满足观察者的左右眼瞳距；

利用所述显示模块的驱动电路进行处理，通过图像处理软件划分显示模块的左、右单眼图像显示区域，实现两眼虚拟成像重合。

本发明的有益效果是：一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，包括镜架、显示模块以及相同的左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块分别包括顺次排列的接目镜和场镜；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间通过镜架连接。利用本装置，可以大大提高成像的质量。

本装置可以通过调整接目镜和场镜的面型参数和间隔来达到提升整体视场成像的清晰度，或者通过对接目镜和场镜选用两种不同的材料来消除色差和光学畸变。

本发明的另一有益效果是：一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的方法，包括：包括移动所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块，使得满足观察者的左右眼瞳距；利用所述显示模块的驱动电路进行处理，通过图像处理软件划分左、右单眼图像显示区域，实现两眼虚拟成像重合。本方法通过调整接目镜与场镜、显示屏之间的距离，结合图像处理，实现两眼虚拟成像的重合，达到了消除色差的目的，从而提升了用户观看的舒适感。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明的提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置的一实施例的示意图；

图2是本发明的单眼目镜光学模块的实施例的示意图；

图3是本发明第四个实施例中的单眼目镜光学系统的光学设计输出的相对畸变图；

图4为本发明第四个实施例中的单眼目镜光学系统的光学设计输出的倍率色差图；

图5是本发明的提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的方法的一实施例的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1，本发明提供了一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，包括镜架5、显示模块以及相同的左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块分别包括接目镜1和场镜2，所述接目镜1、场镜2和显示模块顺次排列；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间通过镜架5连接，将左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块统称为单眼目镜光学模块，所述单眼目镜光学模块的接目镜1和场镜2是通过相应的机械部件连接后作为一个整体与镜架5连接的。

作为上述技术方案的改进，所述接目镜1采用的是冕牌型的光学塑胶材料，所述场镜2采用的是火石型的光学塑胶材料。

作为上述技术方案的改进，所述接目镜1为正透镜，场镜2为负透镜；所述接目镜1和场镜2的面型均为非球面。

作为上述技术方案的改进，所述显示模块包括显示屏3、驱动电路。

参照图2，作为上述技术方案的改进，所述接目镜1a到显示屏3的距离不超过40毫米；所述接目镜1a到场镜2a的距离小于10毫米。

　　作为上述技术方案的改进，所述接目镜1a到显示屏3的距离不超过50毫米；所述接目镜1a到场镜2a的距离小于10毫米。

作为上述技术方案的进一步改进，所述场镜2a与显示屏3之间的距离是接目镜1a与场镜2a之间的距离的1.5～2.5倍。

作为上述技术方案的进一步改进，所述场镜2a与显示屏3之间的距离是接目镜1a与场镜2a之间的距离的2.13倍，所述接目镜1a到显示屏3的距离为40.69毫米，所述接目镜1a与场镜2a之间的距离为13毫米。

作为上述技术方案的进一步改进，所述场镜2a到显示屏3的距离是所述接目镜1a到场镜2a距离的1.84倍，所述接目镜1a到显示屏3的距离为36.92毫米，所述接目镜1a与场镜2a之间的距离为13毫米。

参照图５，本发明还提供了采用所述的装置的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的方法，包括：移动所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块，使左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间的距离满足观察者的左右眼瞳距；

利用所述显示模块的驱动电路进行处理，通过图像处理软件划分显示模块的左、右单眼图像显示区域，实现两眼虚拟成像重合。

图1所示，为本发明所涉及的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，由镜架5、显示模块以及相同的左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块组成，本实施例中将左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块统称为单眼目镜光学模块，单眼目镜光学模块包括顺次排列的接目镜1、场镜2和显示模块；人眼4为观察者，镜架5连接左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块，当通过此镜架５移动左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间的距离时，左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块的接目镜1和场镜2分别是同组一起移动的。显示模块包括显示屏3、驱动电路等。人眼4的瞳孔与接目镜1相隔一定的间距，显示模块位于场镜2的外侧，接目镜1、场镜2以及显示模块顺次排列，依次都有相对的间距，显示屏3通过驱动电路软件处理划分左右眼两个图像区域，其图像通过接目镜1、场镜2在显示屏3的外侧的远处成虚拟放大的像，这个虚拟放大的像为人眼4观察到。

图2所示，为本发明的单眼目镜光学模块的第一个实施例：显示屏通过软件处理划分的显示屏3的画框尺寸为60毫米，像素间距为0.065毫米，接目镜1a到显示屏3的整体距离不超过40毫米；接目镜1a与场镜2a之间的距离小于10毫米，场镜2a与显示屏3的距离是接目镜1a与场镜2a之间的距离的2倍左右，人眼4a的瞳孔与接目镜1a之间保持一定的间距，接目镜1a的材料为冕牌型光学塑胶材料，接目镜1a为双凸镜，其两面均为非球面面型，接目镜1a的光焦度为0.0424，阿贝数为57.33；场镜2a的材料为火石型的光学塑胶材料，场镜2a为双凹镜，其两面均为非球面面型，场镜2a的光焦度为-0.0378，阿贝数为29.9；本案例的单眼目镜光学系统的观察视场达到60毫米，视场角达到80度，光学畸变小于1%，倍率色差小于0.05毫米。

本发明的单眼目镜光学模块的第二个实施案例，显示屏通过软件处理划分的显示屏3的画框尺寸为70毫米，像素间距为0.065毫米，接目镜1a到显示屏3的整体距离不超过50毫米；接目镜1a与场镜2a之间的距离小于10毫米，场镜2a与显示屏3之间的距离是接目镜1a与场镜2a之间的距离的3倍左右，人眼4a的瞳孔与接目镜1a之间保持一定的间距，接目镜1a的材料为冕牌型光学塑胶材料，接目镜1a为双凸镜，其两面均为非球面面型，接目镜1a的光焦度为0.036，阿贝数为56.1；场镜2a的材料为火石型的光学塑胶材料，场镜2a为负透镜，其两面均为非球面面型，场镜2a的光焦度为-0.0323，阿贝数为29.9；本实例的单眼目镜光学系统的观察视场达到70毫米，视场角达到64度，光学畸变小于4%，倍率色差小于0.08毫米。

本发明的单眼目镜光学模块的第三个实施案例，显示屏为分辨率高于1920x1080且尺寸大于5英寸的屏幕，接目镜1a到显示屏3整体距离为40.69毫米；接目镜1a与场镜2a之间的距离为13毫米，场镜2a与显示屏3之间的距离是接目镜1a与场镜2a距离的2.13倍，接目镜1a的材料为冕牌型光学塑胶材料，接目镜1a为双凸镜，其两面均为非球面面型，接目镜1a的光焦度为0.0338，阿贝数为57.33；场镜2a的材料为火石型的光学塑胶材料，场镜2a为弯月镜，其两面均为非球面面型，场镜2a的光焦度为-0.0289，阿贝数为29.9；本实例的单眼目镜光学系统的观察视场达到90毫米，视场角达到80度，光学畸变小于3%，倍率色差小于0.08毫米。

本发明的单眼目镜光学模块的第四个实施案例，显示屏为分辨率高于1920x1080且尺寸大于5英寸的屏幕，接目镜1a到显示屏3整体距离为36.92毫米；接目镜1a与场镜2a之间的距离为13毫米，场镜2a与显示屏3之间的距离是接目镜1a与场镜2a距离的1.84倍，接目镜1a的材料为冕牌型光学塑胶材料，接目镜1a为双凸镜，其两面均为非球面面型，接目镜1a的光焦度为0.0358，阿贝数为57.33；场镜2a的材料为火石型的光学塑胶材料，场镜2a为弯月镜，其两面均为非球面面型，场镜2a的光焦度为-0.0316，阿贝数为29.9。

图3所示，是第四个实施例中的单眼目镜光学系统的光学设计输出的相对畸变图；本实例的单眼目镜光学系统的观察视场达到100毫米，视场角达到100度，其光学畸变小于1%。

图4所示为第四个实施例中的单眼目镜光学系统的光学设计输出的倍率色差图；其倍率色差小于0.09毫米。

图5是本发明的提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的方法的一实施例的示意图。参照图5，通过显示模块的驱动电路进行处理从而划分单眼图像显示区域中心的偏心量来实现左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块所成的虚拟图像的重合。通过镜架5，移动所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块，使左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间的距离满足观察者的左右眼瞳距；当通过此镜架5移动左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间的距离时，左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块的接目镜1和场镜2分别是同组一起移动的。利用所述显示模块的驱动电路进行处理，通过图像处理软件划分左、右单眼图像显示区域，实现两眼虚拟成像重合。在接目镜1和显示屏3之间距离一定的情况下，通过移动左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块中的场镜2，达到与观察者的左右眼瞳距一致。利用此装置进行观察，显示屏3通过图像软件处理划分的左右单眼图像显示中心与各自的接目镜1和场镜2构成中心偏差d，来实现左右单眼目镜光学模块分别所成的虚拟图像6的重合，它们之间存在如下关系：d=m/2B，其中，m为双眼瞳距5，B为显示屏3虚拟放大成的像6与显示屏3的放大的比例倍数。

本发明采用单眼各两片光学塑胶非球面镜片，通过调整两片光学塑胶非球面镜片的面型参数和间隔来达到整体视场成像的清晰度，通过对光学塑胶非球面镜片选用两种不同的材料来消除色差和光学畸变

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：包括镜架、显示模块以及相同的左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块分别包括接目镜和场镜，所述接目镜、场镜和显示模块顺次排列；所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间通过镜架连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述接目镜采用的是冕牌型的光学塑胶材料，所述场镜采用的是火石型的光学塑胶材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述接目镜为正透镜，场镜为负透镜；所述接目镜和场镜的面型均为非球面。

4.根据权利要求3所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述显示模块包括显示屏、驱动电路。

5.根据权利要求3所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述接目镜到显示屏的距离不超过40毫米；所述接目镜到场镜的距离小于10毫米。

6.根据权利要求3所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述接目镜到显示屏的距离不超过50毫米；所述接目镜到场镜的距离小于10毫米。

7.根据权利要求3所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述场镜与显示屏之间的距离是接目镜与场镜之间的距离的1.5～2.5倍。

8.根据权利要求7所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述场镜与显示屏之间的距离是接目镜与场镜之间的距离的2.13倍，所述接目镜到显示屏的距离为40.69毫米，所述接目镜与场镜之间的距离为13毫米。

9.根据权利要求7所述的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的装置，其特征在于：所述场镜到显示屏的距离是所述接目镜到场镜距离的1.84倍，所述接目镜到显示屏的距离为36.92毫米，所述接目镜与场镜之间的距离为13毫米。

10.采用权利要求1所述的装置的一种提高虚拟显示目镜光学系统成像质量的方法，其特征在于，包括：

移动所述左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块，使左眼目镜光学模块和右眼目镜光学模块之间的距离满足观察者的左右眼瞳距；

利用所述显示模块的驱动电路进行处理，通过图像处理软件划分显示模块的左、右单眼图像显示区域，实现两眼虚拟成像重合。