CN105589208A - 一种内对焦虚拟现实光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内对焦虚拟现实光学系统，包括光阑(100)，从所述的光阑(100)向后依次设有第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)以及显示屏(200)，所述第一透镜(1)为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜(2)为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第三透镜(3)为光焦度为负的双凹形非球面透镜，并且，从光阑(100)往显示屏(200)方向，所述的第二透镜(1)的第一面为非球面、第二面为球面，所述的第三透镜(3)的第一面为球面、第二面为非球面，所述的第二透镜(2)和第三透镜(3)采用光学胶水粘合在一起形成胶合透镜。本发明结构简单，清晰度高，视场角度大，适用范围广。

Description

一种内对焦虚拟现实光学系统

【技术领域】

本发明涉及一种光学系统，更具体地说是一种内对焦虚拟现实光学系统。

【背景技术】

目前虚拟现实(VirtualReality)是发展上升期，VR眼镜(虚拟现实眼镜)和虚拟现实头盔的原理类似于放大镜，就是把画面放大，人眼感知这个放大了的画面。当前的主流VR眼镜和虚拟现实头盔产品都为一片式镜片，可以实现3D效果，但清晰度较差，视场角度小，观看3D影像时眩晕感较强。局限于能用于优化的参数过少，镜片的成像质量很难提高，比如色散畸变这类像差，单镜片几乎是无法消除的。因此，镜片组的方案是未来的VR头盔中镜片的发展趋势。对于要求越来越高的虚拟现实(VR)领域来讲，需要画面更清晰，用户体验更优质的产品。

【发明内容】

本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种结构简单，清晰度高，视场角度大，适用范围广的内对焦虚拟现实光学系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：包括光阑100，从所述的光阑100向后依次设有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3以及显示屏200，所述第一透镜1为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜2为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第三透镜3为光焦度为负的双凹形非球面透镜，并且，从光阑100往显示屏200方向，所述的第二透镜1的第一面为非球面、第二面为球面，所述的第三透镜3的第一面为球面、第二面为非球面，所述的第二透镜2和第三透镜3采用光学胶水粘合在一起形成胶合透镜。

如上所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜1与显示屏200的相对位置固定，所述的胶合透镜为能相对显示屏200前后移动的活动胶合透镜。

如上所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：从光阑100往显示屏200方向，的第一面为椭圆非球面，且曲率半径R值大于30mm，所述的第一透镜1的第二面为双曲线非球面，所述的第二透镜2的第一面为椭圆非球面，所述的第三透镜3的第二面为双曲线非球面。

如上所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述内对焦虚拟现实光学系统的物距为-125mm至-4000mm。

如上所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3均为塑料透镜。

如上所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的光阑100与第一透镜1间的距离为14mm。

如上所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的非球面表面形状满足以下方程： $Z={\mathrm{cy}}^2/\{1+\sqrt{\[1-(1+k)c2y2\]}\}+{\mathrm{\α}}_1{y}^2+{\mathrm{\α}}_2{y}^4+{\mathrm{\α}}_3{y}^6+{\mathrm{\α}}_4{y}^8+{\mathrm{\α}}_5{y}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{y}^{12}+{\mathrm{\α}}_7{y}^{14}+{\mathrm{\α}}_8{y}^{16},$ 在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明的视场角非常大，视场角可达到120°，3D效果更明显，观看影像时有身临其境的完美感受。

2、本发明的清晰度非常高，且画面均匀，无论眼镜怎么转动，都能够看清整个画面。

3、本发明适用于所有体验者，可以调节视度，任何使用者都可以通过调节视度，看清楚画面。

4、本发明的镜片全部采用塑料镜片，系统非常轻便，且有较高的通透性。

5、本发明能合理的分配放大率，畸变很小，像面放大后，真实感得到保证，更符合虚拟现实的要求。

【附图说明】

图1是本发明示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步描述：

一种内对焦虚拟现实光学系统，包括光阑100，从所述的光阑100向后依次设有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3以及显示屏200，所述第一透镜1为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜2为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第三透镜3为光焦度为负的双凹形非球面透镜，并且，从光阑100往显示屏200方向，所述的第二透镜1的第一面为非球面、第二面为球面，所述的第三透镜3的第一面为球面、第二面为非球面，所述的第二透镜2和第三透镜3采用光学胶水粘合在一起形成胶合透镜。

光阑100置于第一透镜1前方14mm位置，它模拟人眼的瞳孔大小，显示屏5发出的光线经第三透镜3、第二透镜2、第一透镜1和光阑100后进入人眼，实际使用时，光线是逆向传播的。

第一透镜1采用正光焦度的非球面透镜，且口径比较大，使得通过光阑100孔径的所有光线都能顺利进入整个光学系统，实现了大视场角，视场角可达到120°。第一透镜1主要承担了影像放大及图像投远的效果。

第二透镜2采用光焦度为正的双凸形非球面透镜，第三透镜3采用光焦度为负的双凹形非球面透镜，并且，从光阑100往显示屏200方向，第二透镜1的第一面为非球面、第二面为球面，第三透镜3的第一面为球面、第二面为非球面。而且第二透镜2和第三透镜3采用光学胶水粘合在一起形成胶合透镜。因此，正光焦度的第二透镜2与负光焦度的第三透镜3胶合在一起，可以很好的校正球差，而且使用正负搭配可以更好的校正色差，从而提升系统的成像质量，实现高清晰度。同时，第三透镜3的第二面为双曲线非球面，能够很好的矫正光学系统的场曲，使得光学系统的像面中心和边缘都有相当高的分辨率。第一透镜1可以采用低折射率的塑料非球面透镜，第二透镜2采用低折射率高色散系数的塑料非球面透镜，第三透镜采用高折射率低色散的塑料非球面透镜。所有透镜都使用普通的塑料材质，有效的控制成本，减轻系统的重量。设计时采用宽光谱，且设计的理论分辨率远高于实际需要值，保证了图像锐度和色彩还原性。

所述的第一透镜1与显示屏200的相对位置固定，所述的第二透镜2与第三透镜3为采用光学胶水粘合在一起的并能相对显示屏200前后移动的胶合透镜。系统采用两个透镜组的方式，第一透镜1与显示屏200相对位置固定，而第二透镜2和第三透镜3组成的胶合透镜可以相对显示屏200前后移动，利用人眼成像原理，当近视眼使用时，调节胶合透镜的位置，就能使得眼睛能够看清楚画面。因此，不同视度的人，只要将胶合透镜调整到合适的位置，都能够看清楚画面，实现视度调整，改善了市面上的产品只能用于正常视力使用者的局限性。

从光阑100往显示屏200方向，的第一面为椭圆非球面，且曲率半径R值大于30mm，所述的第一透镜1的第二面为双曲线非球面，所述的第二透镜2的第一面为椭圆非球面，所述的第三透镜3的第二面为双曲线非球面。

所述内对焦虚拟现实光学系统的物距为-125mm至-4000mm。

所述的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的非球面表面形状满足以下方程： $Z={\mathrm{cy}}^2/\{1+\sqrt{\[1-(1+k)c2y2\]}\}+{\mathrm{\α}}_1{y}^2+{\mathrm{\α}}_2{y}^4+{\mathrm{\α}}_3{y}^6+{\mathrm{\α}}_4{y}^8+{\mathrm{\α}}_5{y}^{10}+\mathrm{\α}$ ${}_6{y}^{12}+{\mathrm{\α}}_7{y}^{14}+{\mathrm{\α}}_8{y}^{16},$ 在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。

Claims (7)

1.一种内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：包括光阑(100)，从所述的光阑(100)向后依次设有第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)以及显示屏(200)，所述第一透镜(1)为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜(2)为光焦度为正的双凸形非球面透镜，所述的第三透镜(3)为光焦度为负的双凹形非球面透镜，并且，从光阑(100)往显示屏(200)方向，所述的第二透镜(1)的第一面为非球面、第二面为球面，所述的第三透镜(3)的第一面为球面、第二面为非球面，所述的第二透镜(2)和第三透镜(3)采用光学胶水粘合在一起形成胶合透镜。

2.根据权利要求1所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1)与显示屏(200)的相对位置固定，所述的胶合透镜为能相对显示屏(200)前后移动的活动胶合透镜。

3.根据权利要求1所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：从光阑(100)往显示屏(200)方向，的第一面为椭圆非球面，且曲率半径R值大于30mm，所述的第一透镜(1)的第二面为双曲线非球面，所述的第二透镜(2)的第一面为椭圆非球面，所述的第三透镜(3)的第二面为双曲线非球面。

4.根据权利要求1所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述内对焦虚拟现实光学系统的物距为-125mm至-4000mm。

5.根据权利要求1所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)均为塑料透镜。

6.根据权利要求1所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的光阑(100)与第一透镜(1)间的距离为14mm。

7.根据权利要求1所述的内对焦虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)的非球面表面形状满足以下方程： $Z={\mathrm{cy}}^2/\{1+\sqrt{\[1-(1+k)c2y2\]}\}+{\mathrm{\α}}_1{y}^2+{\mathrm{\α}}_2{y}^4+{\mathrm{\α}}_3{y}^6+$ ${\mathrm{\α}}_4{y}^8+{\mathrm{\α}}_5{y}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{y}^{12}+{\mathrm{\α}}_7{y}^{14}+{\mathrm{\α}}_8{y}^{16},$ 在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α₁至α₈分别表示各径向坐标所对应的系数。