CN107065182A - 一种虚拟现实光学透镜及虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种虚拟现实光学透镜及虚拟现实设备。所述光学透镜的表面形状与人眼形状匹配，用于贴合于人眼角膜，并用于将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像。本发明实施例减少了人眼与光学透镜的距离，同时避免了人眼睫毛或者支架眼镜对光学透镜之间的干涉，解决了现有技术中外置光学透镜增加虚拟现实设备长度与重量的问题，实现了虚拟现实光学透镜的小型化。

Description

一种虚拟现实光学透镜及虚拟现实设备

技术领域

本发明实施例涉及光学技术，尤其涉及一种虚拟现实光学透镜及虚拟现实设备。

背景技术

随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟现实设备被越来越受用户接受。

目前的虚拟现实设备中的光学系统一般采用如下方式实现，显示屏发射的光线通过光学透镜形成虚拟影像，虚像由人眼接收，光学透镜为外置镜片，光学透镜与人眼直接预留一定的距离，以保证人眼睫毛不会与光学透镜接触。考虑到有大量近视或者远视的需要佩戴眼镜的用户，人眼与光学透镜的距离会进一步增大。

但是上述虚拟现实设备中的光学系统的距离较大，大大增加了虚拟现实设备的长度、重量，以及会导致虚拟成像的光学像差、场曲、畸变和色差等变大，从而增大光学系统设计的复杂程度，同时考虑到人脸部的结构，光学透镜的口径以及形状均会受到限制。

发明内容

本发明提供一种虚拟现实光学透镜及虚拟现实设备，以实现虚拟现实设备的小型化，提高虚拟成像精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种虚拟现实光学透镜，该光学透镜的表面形状与人眼形状匹配，用于贴合于人眼角膜，并用于将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像。

进一步的，所述透镜为梯度折射率透镜或者光学塑胶透镜。

进一步的，所述梯度折射率透镜中各位置折射率与所述位置的半径相关。

进一步的，所述透镜前表面或后表面的面型分别包括：球面、非球面、自由曲面或多项式曲面，所述透镜前表面与所述人眼角膜贴合。

进一步的，所述透镜是沿光轴旋转对称的弯月透镜，所述透镜前表面与后表面的弯曲方向相同。

进一步的，所述透镜贴合于人眼角膜侧的前表面的曲率半径为7.5mm-8.2mm。

进一步的，所述透镜的中心厚度小于或者等于0.5mm，所述透镜的边缘厚度小于或者等于0.5mm。

第二方面，本发明实施例还提供了一种虚拟现实设备，该虚拟现实设备包括：虚拟现实设备框架、虚拟现实功能组件、至少一个显示屏和本发明实施例提供任意一种光学透镜；

所述至少一个显示屏，用于发射对应于虚拟影像的光线；

所述虚拟现实功能组件与所述至少一个显示屏连接，用于辅助所述至少一个显示屏形成对应于虚拟影像的光线；

所述虚拟现实设备框架，用于固定所述至少一个显示屏与所述虚拟现实功能组件，将所述至少一个显示屏佩戴于人眼前方。

进一步的，所述显示屏为微显示屏。

进一步的，所述至少一个显示屏与人眼之间的距离小于或者等于16mm。本发明实施例通过通过提供一种表面形状与人眼形状匹配，用于贴合于人眼角膜的虚拟显示光学透镜，将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像，替代了现有技术的虚拟光学设备中的外置透镜，减少了人眼与光学透镜的距离，同时避免了人眼睫毛或者支架眼镜对光学透镜之间的干涉，解决了现有技术中外置光学透镜增加虚拟现实设备长度与重量的问题，实现了虚拟现实光学透镜的小型化。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种虚拟现实光学透镜的示意图；

图2是现有技术的虚拟现实光学系统；

图3A是本发明实施例二中的一种虚拟现实设备的结构示意图；

图3B是现有技术的虚拟现实设备的解像力曲线图；

图3C是本发明实施例二提供的虚拟现实设备的解像力曲线图；

图3D是现有技术的虚拟现实设备的场曲曲线图；

图3E是本发明实施例二提供的虚拟现实设备的场曲曲线图；

图3F是现有技术的虚拟现实设备的畸变曲线图；

图3G是本发明实施例二提供的虚拟现实设备的畸变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种虚拟现实光学透镜的示意图，该光学透镜可配置于虚拟现实设备中，该光学透镜110的表面形状与人眼形状匹配，用于贴合于人眼角膜，并用于将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像。

其中，人眼成像的原理是：物体的反射光通过角膜、晶状体折射成像于视网膜上。人眼角膜是人眼最前面的透明部分，覆盖虹膜、瞳孔及前房，并为眼睛提供大部分屈光力，加上晶体的屈光力，光线便可准确地聚焦在视网膜上构成影像，再由视觉神经感知传给大脑，这样人就可以看到物体。当物体远离眼睛时，晶状体变薄，当物体靠近眼睛时，晶状体变厚。

若物体与人眼的距离小于预设视觉范围，晶状体弹性不够，无法弯曲，眼睛就失去了焦点，示例性的，预设视觉范围可以是物体与人眼的距离大于等于7cm。光学透镜可修正晶状体接受的光源的角度，将小于预设视觉范围的物体的光线重新被人眼读取，示例性的，小于预设视觉范围的物体的光线可以是外部显示屏发射的光线。由于光线是从不同角度射到晶状体上的，所以会感觉眼睛与事物的距离远近不同，组成3D(Three Dimension，三维立体图像)化的虚拟物体视觉，参见图2，图2是现有技术的虚拟现实光学系统，其中，光学透镜120设置于人眼外部，位于人眼与显示屏之间。

本实施例中，参见图1，光学透镜110的表面形状与人眼形状匹配，可贴合于人眼角膜，光学透镜110将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像。光学透镜110体积小，质量轻，与人眼角膜直接贴合，减少了现有技术中人眼与光学透镜的距离，同时避免了人眼睫毛或者支架眼镜对光学透镜之间的干涉，实现了虚拟现实光学透镜的小型化。其中，支架眼镜例如可以是近视眼镜或者远视眼镜。

可选的，透镜为梯度折射率透镜或者光学塑胶透镜。

其中，光学塑胶透镜指的是光学级塑胶材料的透镜，示例性的，光学级塑胶材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸脂(PC)、苯乙烯丙烯腈(AS或SAN)或者苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MS)等。光学塑胶透镜具有良好的可塑成型工艺特性、重量轻、成本低廉等优点，以及易与人眼角膜贴合的表面特性，提高了光学透镜与人眼角膜的贴合度。

梯度折射率透镜是一种非均匀介质的变折射率透镜，示例性的，梯度折射率透镜可以是轴向梯度折射率透镜、径向梯度折射率透镜、层状梯度折射率透镜或者球梯度折射率透镜。本领域的技术人员应知，根据不同的场景或者不同的需求，可应用不同的梯度折射率透镜，以提高对外部显示屏射入光线中多个像素点的光线的折射效果。

可选的，梯度折射率透镜中各位置折射率与位置的半径相关。

本实施例中，以光学透镜的中点为中心，光学透镜中各位置距离中点的直线距离为半径，光学透镜中各位置的折射率与该位置的半径相关。示例性的，光学透镜中各位置的折射率与该位置的半径正相关，光学透镜中心折射率最小，各位置的折射率随着距离中点的直线距离的增大而增大。

可选的，透镜前表面或后表面的面型分别包括：球面、非球面、自由曲面或多项式曲面，透镜前表面与人眼角膜贴合。

其中，球面透镜是指透镜的内外两面都为球面的，或一面是球面，另一半是平面。非球面透镜是由多项高次方程决定面形上各点的半径均不相同的透镜。自由曲面透镜指表面形状不能被连续加工的，具有传统加工成型的任意性特点的曲面透镜。多项式曲面透镜是曲面函数表达式是多项式的透镜。本实施例中，光学透镜前表面与后表面的面型可以是相同的，也可以是不同的，根据不同功能需求确定不同光学透镜前表面或后表面的面型组合方式，提高了光学透镜的多样性。

可选的，透镜是沿光轴旋转对称的弯月透镜，透镜前表面与后表面的弯曲方向相同。

示例性的，参见图1，光学透镜110的前表面与后表面均具有相同方向的弯曲，形成沿光轴旋转对称的立体弯月透镜，便于与人眼角膜贴合，提高了光学透镜佩戴的舒适度。

可选的，透镜贴合于人眼角膜侧的前表面的曲率半径为7.5mm-8.2mm。

本实施例中，光学透镜前表面的曲率半径根据人眼角膜的曲率半径确定，人眼角膜的曲率半径确定光学透镜前表面的曲率半径范围为7.5mm-8.2mm。示例性的，光学透镜前表面的曲率半径可以是7.8mm。

本实施例中，设计光学透镜前表面的曲率半径与人眼角膜的曲率半径范围相同，提高了光学透镜与人眼角膜的贴合度，提高了用户佩戴光学透镜的舒适度。需要说明的是，本实施例中，光学透镜后表面的曲率半径根据光学透镜的功能需求和前表面的曲率半径确定。

可选的，透镜的中心厚度小于或者等于0.5mm，透镜的边缘厚度小于或者等于0.5mm。

本实施例中，根据预设条件将光学透镜分为中心透镜和边缘透镜，其中，中心透镜和边缘透镜衔接。示例性的，可以是将距离光学透镜中心点小于预设值的透镜范围确定为中心透镜，将距离光学透镜中心点大于等于预设值的透镜范围确定为边缘透镜。

本实施例中，光学透镜的中心厚度与边缘厚度可以是相同，也可以不相同，光学透镜的中心厚度与边缘厚度可根据光学透镜的功能需求确定。

本实施例的技术方案，通过提供一种表面形状与人眼形状匹配，用于贴合于人眼角膜的虚拟显示光学透镜，将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像，替代了现有技术的虚拟光学设备中的外置透镜，减少了人眼与光学透镜的距离，同时避免了人眼睫毛或者支架眼镜对光学透镜之间的干涉，解决了现有技术中外置光学透镜增加虚拟现实设备长度与重量的问题，实现了虚拟现实光学透镜的小型化。

实施例二

图3A是本发明实施例二提供的一种虚拟现实设备的结构示意图，该虚拟现实设备200包括虚拟现实设备框架210、虚拟现实功能组件220、至少一个显示屏230和本发明任意实施例提供的光学透镜240；

至少一个显示屏230，用于发射对应于虚拟影像的光线；

虚拟现实功能组件220与至少一个显示屏连接230，用于辅助至少一个显示屏230形成对应于虚拟影像的光线；

虚拟现实设备框架210，用于固定至少一个显示屏230与虚拟现实功能组件220，将至少一个显示屏230佩戴于人眼前方。

本实施例中，显示屏为至少一个，示例性的，可以是双眼共用一个显示屏，或者单眼对应一个显示屏。

虚拟现实设备框架指的是将虚拟现实设备佩戴于用户头部的设备。

其中，参见图2，现有技术的虚拟现实设备应用外置光学透镜，导致人眼与光学透镜距离较大，使得光学系统中的解像力、场曲、畸变以及色差等变化，增加光学设计难度增大。

解像力指的是分辨被摄物体细节的能力，参见图3B和图3C，图3B是现有技术的虚拟现实设备的解像力曲线图，图3C是本发明实施例二提供的虚拟现实设备的解像力曲线图。图3B与图3C中横轴数值是指空间频率，单位为线对/毫米(PL/MM)，表示将1mm分成多少根线对的细节，纵轴代表MTF的数值，MTF就是调制传递函数，代表了将物侧的细节传递到像侧的能力，该MTF值越大代表传递细节能力越强。T/S代表了视场上线对的不同方向，S代表视场位置的径向，T是该视场点的切向方向。MTF值最大值为1，代表完全还原，最小值为0，MTF值越大越好。

根据图3B和图3C可知，本实施例提供的配置有光学透镜240的虚拟现实设备的解像力更大，分辨被摄原物细节的能力更强。

场曲指的是在一个平坦的影像平面上，影像的清晰度从中央向外发生变化，聚焦形成弧型。根据光学像差，物空间垂直于光轴的平面物的最佳像面在像侧并不是一个平面上，并且切向和径向也不重合。参见图3D与图3E，图3D是现有技术的虚拟现实设备的场曲曲线图，图3E是本发明实施例二提供的虚拟现实设备的场曲曲线图。图3D与图3E中横轴是数值，纵轴是归一化后的视场，其中，纵轴最大值为1，代表最大视场；纵轴最小值为0，代表视场中心点；S和T分别代表径向和切向。图3D与图3E中曲线越靠近纵轴代表场曲越小，S和T之间差异越小，代表S和T方向像散越小，场曲和像散都是越小越好。

根据图3D与图3E可知，本实施例提供的配置有光学透镜240的虚拟现实设备的场曲和像散均小于现有技术中虚拟现实设备的场曲和像散。

畸变指的是物体影像与物体本身形状的失真程度。参见图3F与图3G，图3F是现有技术的虚拟现实设备的畸变曲线图，图3G是本发明实施例二提供的虚拟现实设备的畸变曲线图。图3F与图3G中横轴是百分比，代表实际光学点的位置和理想点位置偏离的百分比，纵轴是归一化后的视场，其中，纵轴最大值为1，代表最大视场；纵轴最小值为0，代表视场中心点；S和T分别代表径向和切向。图3F与图3G中曲线越靠近纵轴代表畸变越小，在成像时畸变越小越好。

根据图3F与图3G可知，本实施例提供的配置有光学透镜240的虚拟现实设备的畸变小于现有技术中虚拟现实设备的畸变。

本实施例中，通过用可贴合人眼角膜的光学透镜替代外置的光学透镜，提高了虚拟现实设备的解像力，降低了虚拟现实设备的场曲和畸变，提高了虚拟现实设备的成像质量。

可选的，显示屏为微显示屏。

其中，微显示屏指的是像素点、屏幕尺寸以及体积均小于普通显示屏的一种显示屏。本实施例中，通过在虚拟现实设备中配置微显示屏，进一步减小虚拟现实设备的重量，进一步的实现虚拟现实设备的小型化。

可选的，至少一个显示屏与人眼之间的距离小于或者等于16mm。

本实施例中，通过减少外置光学透镜和/或配置微显示屏，极大的减小了显示屏与人眼之间的距离。本发明实施例提供的虚拟现实设备至少一个显示屏与人眼之间的距离小于或者等于16mm，实现了虚拟现实设备的小型化。

本实施例中的技术方案，通过用可贴合人眼角膜的光学透镜替代外置的光学透镜，减少了人眼到光学透镜的距离，减少了虚拟现实设备的长度与重量，提高了虚拟现实设备的成像质量，简化了虚拟现实设备光学设计的复杂度，实现了虚拟现实光学透镜与虚拟现实设备的小型化。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种虚拟现实光学透镜，其特征在于，所述光学透镜的表面形状与人眼形状匹配，用于贴合于人眼角膜，并用于将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像。

2.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜为梯度折射率透镜或者光学塑胶透镜。

3.根据权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，所述梯度折射率透镜中各位置折射率与所述位置的半径相关。

4.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜前表面或后表面的面型分别包括：球面、非球面、自由曲面或多项式曲面，所述透镜前表面与所述人眼角膜贴合。

5.根据权利要求4所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜是沿光轴旋转对称的弯月透镜，所述透镜前表面与后表面的弯曲方向相同。

6.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜贴合于人眼角膜侧的前表面的曲率半径为7.5mm-8.2mm。

7.根据权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述透镜的中心厚度小于或者等于0.5mm，所述透镜的边缘厚度小于或者等于0.5mm。

8.一种虚拟现实设备，包括虚拟现实设备框架、虚拟现实功能组件和至少一个显示屏，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的光学透镜；

所述至少一个显示屏，用于发射对应于虚拟影像的光线；

所述虚拟现实功能组件与所述至少一个显示屏连接，用于辅助所述至少一个显示屏形成对应于虚拟影像的光线；

所述虚拟现实设备框架，用于固定所述至少一个显示屏与所述虚拟现实功能组件，将所述至少一个显示屏佩戴于人眼前方。

9.根据权利要求8所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述显示屏为微显示屏。

10.根据权利要求8所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述至少一个显示屏与人眼之间的距离小于或者等于16mm。