CN107063646A - 采用相机确定透镜有效焦距的方法、装置及虚拟现实头戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用相机确定透镜有效焦距的方法、装置及虚拟现实头戴设备，方法包括：调节透镜位于相机和显示屏之间、且使相机的镜头光轴与显示屏的法线平行、相机的镜头与透镜的光轴共线，调整透镜与显示屏的距离为理论设计位置、并固定，调整相机的镜头至透镜的出瞳位置处；通过相机控制器控制相机对透镜生成的显示屏的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的控制焦距值得出透镜的虚像距离；通过透镜的虚像距离和透镜的有效焦距与虚像距离的函数关系，得出透镜的有效焦距。如此，本发明提供的采用相机确定透镜有效焦距的方法及装置，其能够高效、精确地检测出VR透镜的有效焦距。

Description

采用相机确定透镜有效焦距的方法、装置及虚拟现实头戴 设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种采用相机确定透镜有效焦距的方法、装置及虚拟现实头戴设备。

背景技术

随着微显示技术、软硬件技术及光学设计加工技术的发展，VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术及产业也愈加成熟。现有技术中，VR常使用直径为30～60mm口径的lens(透镜)作为放大镜，将显示屏上的图像投射到人眼中。

显示屏上的图像通过透镜投射到人眼中，透镜的有效焦距是影响人眼观察到图像清晰度的主要影响因素，因此，如何高效率、且精确地检测出透镜的有效焦距，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用相机确定透镜有效焦距的方法及装置，其能够高效、精确地检测出VR透镜的有效焦距。

本发明提供了一种采用相机确定透镜有效焦距的方法，所述方法应用于透镜模组，所述透镜模组包括透镜和显示屏；所述方法包括：

调节所述相机和所述显示屏的位置以使所述透镜位于所述相机和所述显示屏之间、且使所述相机的镜头光轴与所述显示屏的法线平行、所述相机的镜头与所述透镜的光轴共线，调整所述透镜与显示屏的距离为理论设计位置、并固定，调整所述相机的镜头至所述透镜的出瞳位置处；

通过相机控制器控制所述相机对所述透镜生成的所述显示屏的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的所述相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的所述控制焦距值得出所述透镜的虚像距离；

通过所述透镜的虚像距离和所述透镜的有效焦距与虚像距离的函数关系，得出所述透镜的有效焦距。

优选地，通过选取多个已知有效焦距的透镜、并测试系统得到各个所述已知有效焦距的透镜对应的虚像距离，建立所述透镜的有效焦距与虚像距离的函数关系。

优选地，通过测试系统测得各个已知有效焦距的所述透镜的虚像距离，包括步骤：

调节所述相机和所述显示屏的位置、分别位于所述已知有效焦距的透镜的前后两侧，并使所述相机的镜头光轴与所述显示屏的法线平行、所述相机的镜头与所述已知有效焦距的透镜的光轴共线，调整所述已知有效焦距的透镜与显示屏的距离为理论设计位置、并固定，调整所述相机的镜头至所述已知有效焦距的透镜的出瞳位置处；

通过相机控制器控制所述相机对所述已知有效焦距的透镜生成的所述显示屏的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的所述相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的所述控制焦距值得出所述已知有效焦距的透镜的虚像距离；

重复上述步骤，得出各个所述已知有效焦距的透镜的虚像距离。

优选地，调整所述透镜与显示屏的距离为理论设计位置、且该理论设计位置为所述透镜的理论后焦距位置。

优选地，调整所述已知有效焦距的透镜与显示屏的距离为理论设计位置、且该理论设计位置为所述已知有效焦距的透镜的理论后焦距位置。

本发明还提供了一种采用相机确定透镜有效焦距的装置，所述装置应用于透镜模组，所述透镜模组包括透镜和显示屏；

所述透镜位于所述相机和所述显示屏之间，并且所述相机的镜头光轴与所述显示屏的法线平行、所述相机的镜头与所述透镜的光轴共线；

所述相机的镜头位于所述透镜的出瞳位置处，所述显示屏位于所述透镜的后方的理论设计位置，该理论设计位置为所述透镜的理论后焦距位置，且所述显示屏与所述透镜的距离固定。

优选地，所述相机包括相机传感器、相机控制器和相机镜头，所述相机控制器能够自动控制所述相机的对焦距离。

本发明还提供了一种虚拟现实头戴设备，所述虚拟现实头戴设备包括至少一个透镜模组，所述透镜模组包括透镜和显示屏，所述虚拟现实头戴设备设置的瞳距设置于所述透镜的有效焦距的预定范围内，其中所述透镜的有效焦距采用上任一项所述的方法确定。

优选地，所述瞳距等于所述摄像头的有效焦距。

优选地，所述虚拟现实头戴设备包括第一透镜模组和第二透镜模组，所述第一透镜模组包括第一透镜和第一显示屏、所述第二透镜模组包括第二透镜和第二显示屏；所述第一透镜和所述第二透镜相同且位于同一水平线，所述第一显示屏和所述第二显示屏相同且位于同一水平线。

本发明提供的一种采用相机确定透镜有效焦距的方法，应当理解的是，当测试出透镜的虚像距离后，根据透镜的有效焦距与虚像距离的函数关系即可得出透镜的有效焦距。具体测试透镜的虚像距离的过程为：调节相机和显示屏的位置、分别位于透镜的前后两侧，并使相机的镜头光轴与显示屏的法线平行、相机的镜头与透镜的光轴共线，调整透镜与显示屏的距离为理论设计位置、并固定，调整相机的镜头至透镜的出瞳位置处；通过相机控制器控制相机对透镜生成的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的控制焦距值得出透镜的虚像距离，需要说明的是，相机的控制焦距值与透镜的虚像距离有对应关系，即获得相机的控制焦距值后即可获得透镜的虚像距离。

最后，通过透镜的虚像距离和函数关系，得出透镜的有效焦距。

如此，依照本发明提供的采用相机确定透镜有效焦距的方法，其能够高效、精确地检测出VR透镜的有效焦距。

本发明还提供了一种采用相机确定透镜有效焦距的装置，依靠该装置能够实现上述采用相机确定透镜有效焦距的方法，进而可以高效、精确地检测出VR透镜的有效焦距。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中采用相机确定透镜有效焦距的装置的示意图；

图2为本发明实施例中有效焦距与虚像距离的函数关系示意图。

图1中：

相机—11、透镜—12、显示屏—13。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种采用相机确定透镜有效焦距的方法及装置，其能够高效、精确地检测出VR透镜的有效焦距。

以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

为了便于理解，请参考图1，本实施例提供的一种采用相机确定透镜有效焦距的方法，首先，选取多个已知有效焦距的透镜，并通过测试系统得到各个已知有效焦距的透镜对应的虚像距离，建立透镜的有效焦距与虚像距离的函数关系，即透镜的有效焦距与虚像距离成函数关系。

然而，测试透镜12的虚像距离，应当理解的是，当测试出透镜12的虚像距离后，根据上述函数关系即可得出透镜12的有效焦距。具体测试透镜12的虚像距离的过程为：调节相机11和显示屏13的位置、分别位于透镜12的前后两侧，并使相机11的镜头光轴与显示屏13的法线平行、相机11的镜头与透镜12的光轴共线，调整透镜12与显示屏13的距离为理论设计位置、并固定，调整相机11的镜头至透镜12的出瞳位置处；通过相机控制器控制相机11对透镜12生成的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的控制焦距值得出透镜12的虚像距离，需要说明的是，相机11的控制焦距值与透镜12的虚像距离有对应关系，即获得相机11的控制焦距值后即可获得透镜12的虚像距离。

最后，通过透镜12的虚像距离和函数关系，得出透镜12的有效焦距。

如此，依照本实施例提供的采用相机确定透镜有效焦距的方法，其能够高效、精确地检测出VR透镜的有效焦距。

需要说明的是，本实施例中，测试系统测试各个已知有效焦距的透镜对应的虚像距离，以便建立有效焦距与虚像距离的函数关系时，可首先调节相机11和显示屏13的位置、分别位于已知有效焦距的透镜的前后两侧，并使相机11的镜头光轴与显示屏13的法线平行、相机11的镜头与已知有效焦距的透镜的光轴共线，调整已知有效焦距的透镜与显示屏13的距离为理论设计位置、并固定，调整相机11的镜头至已知有效焦距的透镜的出瞳位置处；

通过相机控制器控制相机11对已知有效焦距的透镜生成的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的控制焦距值得出已知有效焦距的透镜的虚像距离；需要说明的是，确定清晰度最高的照片，需要将各张照片的清晰度进行对比，以选择出相对清晰度最高的照片。比如，可以通过对比各张照片的MTF(调制传递函数)来确定最为清晰的照片，当然，也可通过对比其它能够反映照片清晰度的技术参数进行确定，本文不再进行一一介绍

重复上述步骤，得出各个已知有效焦距的透镜的虚像距离。

上述测试各个已知有效焦距的透镜的虚像距离时，与上述测试透镜12的虚像距离时的步骤基本一致。如此，可精确地测试出各个已知有效焦距的透镜的虚像距离，以便建立有效焦距与虚像距离的函数关系。

本实施例的优选方案中，上述调整透镜12与显示屏13的距离为理论设计位置、且该理论设计位置为透镜12的理论后焦距位置。如此设置，在测试透镜12的虚像距离时，相机11拍摄的各个照片较为清晰，测试结果更为精确。

同样，上述调整已知有效焦距的透镜与显示屏13的距离为理论设计位置、且该理论设计位置为已知有效焦距的透镜的理论后焦距位置。

进一步地，本实施例中，显示屏13显示有RGB图像，具体可结合透镜12设计时虚像距对应的波长大小。

本实施例还提供了一种采用相机确定透镜有效焦距的装置，包括相机11和显示屏13；

相机11和显示屏13分别位于透镜12的前后两侧，并使相机11的镜头光轴与显示屏13的法线平行、相机11的镜头与透镜12的光轴共线；

相机11的镜头位于透镜12的出瞳位置处，显示屏13位于透镜12的后方的理论设计位置，且显示屏13与透镜12的距离固定。

通过本实施例提供的装置，能够实现上述实施例中的采用相机确定透镜有效焦距的方法，因此，可以高效、精确地检测出VR透镜的有效焦距。

本实施例中，相机11可以包括相机传感器、相机控制器和相机镜头，相机控制器能够自动控制相机11的对焦距离。如此设置，相机控制器能够自动控制相机11的对焦距离，调整速度较快、且对焦精确。

另外，为了方便更换不同的透镜12和不同的已知有效焦距的透镜，本实施例中，还可以包括用于承载透镜12和已知有效焦距的透镜的承载治具。

下面内容，将结合具体数据，对本实施例进行详细介绍。

设透镜的有效焦距设计值为42mm，透镜后表面到显示屏13间的距离为40.55mm，虚像距设计值为1.5M左右。所选用的测试系统的相机11的有效焦距为160mm，F#3.5，相机像素尺寸3μm，容许弥散圆直径取6μm，调节相机11对焦距离1.5m，可计算出该相机11景深范围为1498mm-1502mm。根据物像关系当透镜的有效焦距改变±0.01mm时，可引起虚像距改变约12mm，相机11的精度足以识别出该变化量。

将已知有效焦距的透镜通过该测试系统进行检测，得到每一对应的虚像距离。如下表所示，具体得到的函数关系示意图如图2所示：

根据上述结果，则得到有效焦距与虚像距离的对应关系。一般来讲，用于标定的已知有效焦距的透镜数量越多，则测量结果越精细。对于本实施例来讲，测试系统的有效焦距测量精度约为±0.005mm，并且由于相机控制器的控制相机扫描虚像范围较小、速度较快，单个透镜测试时间较短，可以满足实际生产上的检测。该方案中所用到透镜的承载治具，可根据透镜的外形轮廓进行设计。可以满足目前VR大孔径透镜测试的要求。

本实施例还提供了一种虚拟现实头戴设备，虚拟现实头戴设备包括至少一个透镜模组，透镜模组包括透镜和显示屏，虚拟现实头戴设备设置的瞳距设置于透镜的有效焦距的预定范围内，其中透镜的有效焦距采用上述任一实施例所述的方法确定。进一步地，瞳距等于摄像头的有效焦距。

需要说明的是，上述瞳距是指用户的瞳孔至透镜之间的距离。如此设置，用户能够观察到较为清晰的显示效果。

本实施例中，虚拟现实头戴设备可以包括第一透镜模组和第二透镜模组，第一透镜模组包括第一透镜和第一显示屏、第二透镜模组包括第二透镜和第二显示屏；第一透镜和第二透镜相同且位于同一水平线，第一显示屏和第二显示屏相同且位于同一水平线。如此设置，能够实现清晰的立体显示效果。

以上采用递进方式对本方案进行了举例说明，上述各个实施例中的方案可以为独立的技术方案也可进行相互叠加。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种采用相机确定透镜有效焦距的方法，其特征在于，所述方法应用于透镜模组，所述透镜模组包括透镜和显示屏；所述方法包括：

调节所述相机和所述显示屏的位置以使所述透镜位于所述相机和所述显示屏之间、且使所述相机的镜头光轴与所述显示屏的法线平行、所述相机的镜头与所述透镜的光轴共线，调整所述透镜与显示屏的距离为理论设计位置、并固定，调整所述相机的镜头至所述透镜的出瞳位置处；

通过相机控制器控制所述相机对所述透镜生成的所述显示屏的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的所述相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的所述控制焦距值得出所述透镜的虚像距离；

通过所述透镜的虚像距离和所述透镜的有效焦距与虚像距离的函数关系，得出所述透镜的有效焦距。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选取多个已知有效焦距的透镜、并测试系统得到各个所述已知有效焦距的透镜对应的虚像距离，建立所述透镜的有效焦距与虚像距离的函数关系。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过测试系统测得各个已知有效焦距的所述透镜的虚像距离，包括步骤：

调节所述相机和所述显示屏的位置、分别位于所述已知有效焦距的透镜的前后两侧，并使所述相机的镜头光轴与所述显示屏的法线平行、所述相机的镜头与所述已知有效焦距的透镜的光轴共线，调整所述已知有效焦距的透镜与显示屏的距离为理论设计位置、并固定，调整所述相机的镜头至所述已知有效焦距的透镜的出瞳位置处；

通过相机控制器控制所述相机对所述已知有效焦距的透镜生成的所述显示屏的虚像进行连续扫描拍照、并记录与每个照片对应的所述相机控制器的控制焦距值，根据与清晰度最高的照片对应的所述控制焦距值得出所述已知有效焦距的透镜的虚像距离；

重复上述步骤，得出各个所述已知有效焦距的透镜的虚像距离。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，调整所述透镜与显示屏的距离为理论设计位置、且该理论设计位置为所述透镜的理论后焦距位置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，调整所述已知有效焦距的透镜与显示屏的距离为理论设计位置、且该理论设计位置为所述已知有效焦距的透镜的理论后焦距位置。

6.一种采用相机确定透镜有效焦距的装置，其特征在于，所述装置应用于透镜模组，所述透镜模组包括透镜和显示屏；

所述透镜位于所述相机和所述显示屏之间，并且所述相机的镜头光轴与所述显示屏的法线平行、所述相机的镜头与所述透镜的光轴共线；

所述相机的镜头位于所述透镜的出瞳位置处，所述显示屏位于所述透镜的后方的理论设计位置，该理论设计位置为所述透镜的理论后焦距位置，且所述显示屏与所述透镜的距离固定。

7.如权利要求6所述的采用相机确定透镜有效焦距的装置，其特征在于，所述相机包括相机传感器、相机控制器和相机镜头，所述相机控制器能够自动控制所述相机的对焦距离。

8.一种虚拟现实头戴设备，其特征在于，所述虚拟现实头戴设备包括至少一个透镜模组，所述透镜模组包括透镜和显示屏，所述虚拟现实头戴设备设置的瞳距设置于所述透镜的有效焦距的预定范围内，其中所述透镜的有效焦距采用上述权利要求1-5任一项所述的方法确定。

9.根据权利要求8所述的虚拟现实头戴设备，其特征在于，所述瞳距等于所述摄像头的有效焦距。

10.根据权利要求8所述的虚拟现实头戴设备，其特征在于，所述虚拟现实头戴设备包括第一透镜模组和第二透镜模组，所述第一透镜模组包括第一透镜和第一显示屏、所述第二透镜模组包括第二透镜和第二显示屏；所述第一透镜和所述第二透镜相同且位于同一水平线，所述第一显示屏和所述第二显示屏相同且位于同一水平线。