CN108319014A - 虚拟现实设备的光学系统 - Google Patents

虚拟现实设备的光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN108319014A
CN108319014A CN201710036017.6A CN201710036017A CN108319014A CN 108319014 A CN108319014 A CN 108319014A CN 201710036017 A CN201710036017 A CN 201710036017A CN 108319014 A CN108319014 A CN 108319014A
Authority
CN
China
Prior art keywords
eyeglass
virtual reality
optical
reality device
optical system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710036017.6A
Other languages
English (en)
Inventor
谢斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Le Wo Information Technology Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Le Wo Information Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Le Wo Information Technology Co Ltd filed Critical Shanghai Le Wo Information Technology Co Ltd
Priority to CN201710036017.6A priority Critical patent/CN108319014A/zh
Publication of CN108319014A publication Critical patent/CN108319014A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems

Abstract

本发明的目的是提供一种虚拟现实设备的光学系统，本发明通过使用两块分离的光学单元，而且光学单元之间成一定的角度，显光学单元分别向两侧倾斜，由于所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度，可以让光学系统的整体视场角变大，左眼左侧可以看到更宽的角度，右眼右侧同样可以看到更宽的角度，同时会避免镜片与人鼻子的干涉，实现比现有的虚拟现实设备具有更宽的整体视场角，用户使用时，左右眼可以感觉到余光视觉的存在，提升了用户使用虚拟现实设备时的沉浸感。

Description

虚拟现实设备的光学系统
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种虚拟现实设备的光学系统。
背景技术
如图1所示，目前市场上的虚拟现实设备采用左右眼两个光学单元，每个光学单元从人眼侧开始依次包括镜片1和显示屏2，两个光学单元的光轴3平行,左右眼正常水平前视，所以左右眼视场角4一样,左眼或右眼单眼视场就是整体视场角,两眼的视场角完全重合，即左右光学单元显示内容完全一样，整体视场角大多都在90到120度之间，远远小于人眼的可视范围；另外，这种现有虚拟现实设备的结构，使用时在左眼左侧超过视场角的部分视觉会被镜头边框档掉，右眼右侧超出视场角的部分也会被镜头的边框档掉，而且左右眼感觉不到余光视觉的存在，这与现实环境不符。因此，现有的虚拟现实设备的极大影响用户使用时的沉浸感。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种虚拟现实设备的光学系统，能够解决现有虚拟现实设备的整体视场角小，左右眼感觉不到余光视觉的存在的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种虚拟现实设备的光学系统，包括左右眼两个光学单元，每个光学单元包括镜片和显示屏，
其中，所述镜片的光轴和显示屏的光轴重合，作为每个光学单元的光轴，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述左右眼两个光学单元为对称结构。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，每个光学单元从人眼侧开始依次包括镜片和显示屏。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，每个光学单元从人眼侧开始依次包括显示屏和镜片，所述显示屏为光学透明元件。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述预设角度小于等于30度。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述左眼光学单元的右侧边界与人眼正视方向的夹角大于等于50且小于等于70度，所述右眼光学单元的左侧边界与人眼正视方向的夹角在大于等于50且小于等于70度。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述左右眼光学单元之间的瞳距在64+/-10mm范围以内。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述左眼光学单元或右眼光学单元的视场角大于等于120度。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述镜片依次包括第一镜片和第二镜片，其中，所述第一镜片靠近人眼侧，所述第二镜片靠近显示屏侧。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述第一镜片和第二镜片面型为非球面或菲涅尔表面。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述第一镜片和第二镜片的前表面为非球面，后表面为菲涅尔表面，其中，从人眼侧开始依次为所述第一镜片的前表面、第一镜片的后表面、第二镜片的前表面、第二镜片的后表面。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，所述左右眼光学单元的光轴分别向相反方向偏转的预设角度相同。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学系统中，其中，所述左眼光学单元和右眼光学单元的非叠加区域大小一样。
与现有技术相比，本发明通过使用两块分离的光学单元，而且光学单元之间成一定的角度，显光学单元分别向两侧倾斜，由于所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度，可以让光学系统的整体视场角变大，左眼左侧可以看到更宽的角度，右眼右侧同样可以看到更宽的角度，同时会避免镜片与人鼻子的干涉，实现比现有的虚拟现实设备具有更宽的整体视场角，用户使用时，左右眼可以感觉到余光视觉的存在，提升了用户使用虚拟现实设备时的沉浸感。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出现有的虚拟现实设备的光学系统的示意图；
图2示出本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统的结构示意图；
图3示出本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统的偏转示意图；
图4示出本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统的显示图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本发明提供一种虚拟现实设备的光学系统，包括左右眼两个光学单元，每个光学单元包括镜片1和显示屏2，其中，所述镜片的光轴和显示屏的光轴重合，作为每个光学单元的光轴3，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度5。本实施例中，使用两块分离的光学单元，而且光学单元之间成一定的角度，显光学单元分别向两侧倾斜，由于所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度，可以让光学系统的整体视场角6变大，左眼左侧可以看到更宽的角度，右眼右侧同样可以看到更宽的角度，同时会避免镜片与人鼻子的干涉，实现比现有的虚拟现实设备具有更宽的整体视场角，用户使用时，左右眼可以感觉到余光视觉的存在，提升了用户使用虚拟现实设备时的沉浸感。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，如图2所示，所述左右眼两个光学单元为对称结构，便于光学参数的设置和安装。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，如图2所示，每个光学单元从人眼侧开始可依次包括镜片1和显示屏2。本实施例镜片和显示屏的排布方式即为虚拟现实设备中光学单元的排布方式，其中镜片为光学透明元件，显示屏为非透明元件。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，每个光学单元从人眼侧开始也可依次包括显示屏和镜片，所述显示屏为光学透明元件。本实施例与前一实施例的区别在于将镜片和显示屏的位置进行了互换，所述镜片为反射镜，这种结构有助于进一步扩大单眼视场角，例如，每个光学单元包括从人眼侧开始依次包括吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射镜，其中，所述吸收式偏振器件、显示屏、1/8波片、1/4波片均为光学透明元件，上述镜片可包括1/8或1/4波片和反射镜。在此，本实施例通过将透明显示屏设置在反射镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏于的人眼侧的一面(显示屏的正面)发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，显示屏于的远离人眼侧的一面(显示屏的背面)发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而实现了视场角度的扩大。具体来说，从显示屏发出的光线不会直接传播入人眼，但需要让显示屏发出的并从反射透射分光镜反射回来的光可以透过显示屏，进入人眼，即，需要把从显示屏直接射向人眼的光吸收，因为这一部分为杂散光，让被反射镜反射回来的光线透过，这样人眼才可观察到显示屏上内容成的放大的虚像，而不会直接看到屏上的内容，为此在屏的前侧加了吸收式偏振光，这样显示屏直接发出的朝人眼侧的光线就会被吸收，而被反射回来的光线因为有波片的缘故，偏振方向发生了改变，偏振方向发生改变的光可以透过该吸收式偏振片，从而进一步扩大了视场角度。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，所述预设角度小于等于30度，在此，将所述左右眼光学单元的光轴由原来的与人眼正视方向平行的方向分别向远离对方的方向偏转小于等于30度，即如图3所示，左眼视场中心即左眼光轴3由人眼正视方向7向左侧偏转小于等于30度，右眼视场中心即右眼光轴3由人眼正视方向7向右侧偏转小于等于30度，从而能够满足用户左右眼感觉到余光视觉的存在的需求。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，如图3所示，所述左眼光学单元的右侧边界8与人眼正视方向7的夹角9大于等于50且小于等于70度，所述右眼光学单元的左侧边界8与人眼正视方向7的夹角9在大于等于50且小于等于70度，在此，所述左眼光学单元的右侧边界与人眼正视方向的夹角及所述右眼光学单元的左侧边界与人眼正视方向的夹角是虚拟现实设备光学系统的中间重叠显示区域，通过设置两个夹角均大于等于50且小于等于70度，能够保证中间重叠显示区域足够大，即在正常60度左右需求的范围内，从而使中间重叠显示区域能够显示得更清楚，提高用户沉浸感,图3中侧分别为所述左眼光学单元的左侧边界10和所述右眼光学单元的右侧边界10，所述左眼光学单元的左侧边界10和所述左眼光学单元的右侧边界8为左眼视场角4，所述右眼光学单元的左侧边界10和所述右眼光学单元的右侧边界8为右眼视场角4。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，如图4中的(b)和(c)所示，左右眼两个光学单元各自显示两块区域，且左右屏的显示内容可不完全一样，且每个光学单元屏显示分为两个部分，靠近中心部分左右显示屏显示内容相同，为中间重叠显示区域(公共叠加区域)，(b)中的靠近左侧部分为左眼光学单元显示的左眼非叠加区域，(c)中的靠近右侧部分为右眼光学单元显示的右侧非叠加区域，左右眼两个光学单元的公共叠加区域的大小可以一样，左眼非叠加区域与右侧非叠加区域的大小也可以一样，这样图像显示处理和畸变补偿都比较好。另外，左右眼两个光学单元的公共叠加区域的大小、左眼非叠加区域与右侧非叠加区域的大小也可以以根据实际需要调整。如图4中的(a)所示，为如图4中的(b)和(c)拼接后的结果。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，如图3所示，所述左右眼光学单元之间的瞳距在64+/-10mm范围以内，在此，将左右眼瞳距设置在64+/-10mm范围内，可以保证用户观看的舒适度。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，所述左眼光学单元或右眼光学单元的视场角大于等于120度。在此，通过所述左眼光学单元或右眼光学单元的视场角大于等于120度，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转角度后，可以保证光学系统的整体视场角达到180度或以上。例如，所述左眼光学单元或右眼光学单元的视场角大于等于152度；又如，所述左右眼光学单元的光轴由人眼正视方向分别向远离对方的方向偏转17度，整体视场角可以达到184度。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，如图2所示，所述镜片依次包括第一镜片和第二镜片，其中，所述第一镜片靠近人眼侧，所述第二镜片靠近显示屏侧。在此，所述镜片可以是由一片镜片组成，但一片镜片的加工精度要求会比较高；如图2所示，所述镜片也可以由第一镜片和第二镜片两片镜片组成，用两片可以达到相对比较好的效果,可以更好的矫正像差，加工精度要求也比较低。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，所述第一镜片和第二镜片面型为非球面或菲涅尔表面。在此，所述第一镜片和第二镜片面型可以根据实际需求设置，可以是球面、非球面或菲涅尔表面，其中，非球面能够很好的做到像差平衡，菲涅耳表面可以有效的减轻镜片的重量。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，所述第一镜片和第二镜片的前表面为非球面，后表面为菲涅尔表面，其中，从人眼侧开始依次为所述第一镜片的前表面、第一镜片的后表面、第二镜片的前表面、第二镜片的后表面。在此，菲涅尔表面更轻，但有沟槽，但不利于清理，非球面便于清理，所以这里综合了两种面型的特点，在保证镜片尽量轻的同时，也保证方便清理。例如，所述第一镜片为一第一透镜，所述第二镜片为一第二透镜，其中，
1.第一透镜设计参数如下：
1.1第一透镜的前表面的非球面公式如下：
R -28.13363
K -14.39325
A 2.939678e-005
B -4.541884e-008
C -2.8263381e-012
D 1.5714415e-014
E 2.3704094e-017
F 3.7614552e-020
J -4.9253339e-023
其中，z表示水平坐标，参数R表示表面的基半径值，K表示圆锥系数，y表示径向坐标，A表示4阶表面系数，B表示6阶表面系数，C表示8阶表面系数，D表示10阶表面系数，E表示12阶表面系数，F表示14阶表面系数，G表示16阶表面系数；
1.2第一透镜的后表面即菲涅尔面的公式如下：
R -14.82203
K -3.31618
A -5.4125594e-005
B 7.9842889e-008
C 1.2231175e-010
D -3.8947562e-013
E 1.4004348e-016
F 1.2985708e-019
J -2.2511354e-023
上述第一透镜中心厚度小于5mm的塑胶材料
2.第二透镜的设计参数如下：
2.1第二透镜的前表面的非球面公式如下：
R 58.82369
K -0.3622944
A -4.0984506e-006
B 7.0606509e-009
C -4.1819722e-012
D -5.6464959e-015
E 4.0062704e-018
F 4.2742156e-021
J -2.9811888e-024
2.2第二透镜的后表面即菲涅尔面的公式如下：
上述第一透镜是具有中心厚度小于15mm的塑胶透镜。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，所述左右眼光学单元的光轴分别向相反方向偏转的预设角度相同，在此，所述左右眼光学单元的光轴分别向相反方向偏转的预设角度一致，会保证后端图像显示算法实现更优。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学系统中，所述左眼光学单元和右眼光学单元的非叠加区域大小一样，从而保证图像显示处理和畸变补偿都比较好。
综上所述，本发明通过使用两块分离的光学单元，而且光学单元之间成一定的角度，显光学单元分别向两侧倾斜，由于所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度，可以让光学系统的整体视场角变大，左眼左侧可以看到更宽的角度，右眼右侧同样可以看到更宽的角度，同时会避免镜片与人鼻子的干涉，实现比现有的虚拟现实设备具有更宽的整体视场角，用户使用时，左右眼可以感觉到余光视觉的存在，提升了用户使用虚拟现实设备时的沉浸感。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (13)

1.一种虚拟现实设备的光学系统，其中，包括左右眼两个光学单元，每个光学单元包括镜片和显示屏，
其中，所述镜片的光轴和显示屏的光轴重合，作为每个光学单元的光轴，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述左右眼两个光学单元为对称结构。
3.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，每个光学单元从人眼侧开始依次包括镜片和显示屏。
4.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，每个光学单元从人眼侧开始依次包括显示屏和镜片，所述显示屏为光学透明元件。
5.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述预设角度小于等于30度。
6.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述左眼光学单元的右侧边界与人眼正视方向的夹角大于等于50且小于等于70度，所述右眼光学单元的左侧边界与人眼正视方向的夹角在大于等于50且小于等于70度。
7.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述左右眼光学单元之间的瞳距在64+/-10mm范围以内。
8.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述左眼光学单元或右眼光学单元的视场角大于等于120度。
9.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述镜片依次包括第一镜片和第二镜片，其中，所述第一镜片靠近人眼侧，所述第二镜片靠近显示屏侧。
10.根据权利要求9所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述第一镜片和第二镜片面型为非球面或菲涅尔表面。
11.根据权利要求10所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述第一镜片和第二镜片的前表面为非球面，后表面为菲涅尔表面，其中，从人眼侧开始依次为所述第一镜片的前表面、第一镜片的后表面、第二镜片的前表面、第二镜片的后表面。
12.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述左右眼光学单元的光轴分别向相反方向偏转的预设角度相同。
13.根据权利要求1至12任一项所述的虚拟现实设备的光学系统，其中，所述左眼光学单元和右眼光学单元的非叠加区域大小一样。
CN201710036017.6A 2017-01-18 2017-01-18 虚拟现实设备的光学系统 Pending CN108319014A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710036017.6A CN108319014A (zh) 2017-01-18 2017-01-18 虚拟现实设备的光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710036017.6A CN108319014A (zh) 2017-01-18 2017-01-18 虚拟现实设备的光学系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108319014A true CN108319014A (zh) 2018-07-24

Family

ID=62892000

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710036017.6A Pending CN108319014A (zh) 2017-01-18 2017-01-18 虚拟现实设备的光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108319014A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108415170A (zh) * 2018-05-29 2018-08-17 深圳宇博先进科技有限公司 头戴显示装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108415170A (zh) * 2018-05-29 2018-08-17 深圳宇博先进科技有限公司 头戴显示装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10120194B2 (en) Wide field personal display
US10976551B2 (en) Wide field personal display device
US10782453B2 (en) Display devices with reflectors
US10133074B2 (en) Compact near-eye display optics for higher optical performance
US10609364B2 (en) Pupil swim corrected lens for head mounted display
US20190018255A1 (en) Compact near-eye optical system including a refractive beam-splitting convex lens
US10890776B1 (en) Pancake lens ghosting mitigation
US10061129B2 (en) Birefringent ocular for augmented reality imaging
WO2022135106A1 (zh) 一种成像光路和头戴显示设备
US8675292B2 (en) Projection lens and projection apparatus
CN108572453B (zh) 显示器
CN107065181B (zh) 虚拟现实设备的光学系统
US10527819B2 (en) Ocular optical system
US10591732B2 (en) Monocentric wide field personal display
CN111624767B (zh) 近眼显示装置
CN109874302B (zh) 光学系统、放大影像装置、虚拟现实眼镜及增强现实眼镜
US20130057822A1 (en) Stereoscopic eyewear with stray light management
CN108319014A (zh) 虚拟现实设备的光学系统
US20220229303A1 (en) Display device module and head-mounted display device
CN115047629A (zh) 一种vr光学系统及vr装置
US20200033613A1 (en) Display apparatus and method of displaying using curved optical combiner
CN116699854B (zh) 一种可实现显示遮挡的透视光学系统及设备
EP4130840A1 (en) Head-mounted display
TWI798853B (zh) 擴增實境顯示裝置
CN116165804B (zh) 一种光学显示设备及ar显示设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180724