CN109188691A - 一种光学系统及vr设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学系统及VR设备。其中，光学系统中，与双目对应的每一光路结构分别包括两片棱镜，且两片棱镜的有效光学面中，至少包含一个自由曲面，进而可有效扩大用户的单目视场角，使用户通左目或者右目对应的光学结构即可观察到较大视场范围，当目标成像物为显示屏时，有利于提升显示屏的屏幕利用率和分辨率。

Description

一种光学系统及VR设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学系统及VR设备。

背景技术

VR(Virtual Reality,虚拟现实)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，并通过多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该模拟环境中。

通常，VR设备内用于显示虚拟图像的显示屏分为左右两屏，左右两屏显示的画面分别通过左目光学系统和右目光学系统进入人眼，进而人眼能够观看到三维的虚拟图像。但是，这种分屏模式无法对显示屏的显示面积进行有效地利用，显示分辨率较低。

发明内容

本发明提供一种光学系统及VR设备，用以提高显示屏的屏幕利用率和分辨率。

本发明提供一种VR光学系统，包括：与双目分别适配的左目光路结构和右目光路结构；所述左目光路结构和所述右目光路结构中，每一光路结构包括：靠近所述光路结构适配的人眼的第一棱镜，以及设于所述第一棱镜和目标成像物之间的第二棱镜；所述第一棱镜和所述第二棱镜的有效光学面中，至少包含一个自由曲面。

进一步可选地，所述左目光路结构对应的虚像面和所述右目光路结构对应的虚像面共面，且对应的虚像重合。

进一步可选地，所述左目光路结构的虚像面和所述右目光路结构的虚像面为平面或者凹曲面。

进一步可选地，所述第一棱镜具有正光焦度，所述第二棱镜具有负光焦度。

进一步可选地，所述第一棱镜的其中一个有效光学面为自由曲面，另一个有效光学面为离轴的球面、非球面或者自由曲面中的一种。

进一步可选地，所述第二棱镜的其中一个有效光学面为自由曲面，另一个有效光学面为离轴的球面、非球面或者自由曲面中的一种。

进一步可选地，所述第一棱镜上远离所述第二棱镜的第一光学面为凹面，靠近所述第二棱镜的第二光学面为凸面。

进一步可选地，所述第二棱镜上，靠近所述第一棱镜的第三光学面为凹面，靠近所述目标成像物的第四光学面为凸面。

进一步可选地，所述第二棱镜上，靠近所述第一棱镜的第三光学面为凸面，靠近所述目标成像物的第四光学面为凹面。

进一步可选地，所述第一光学面和所述第二光学面上远离双目中心所在方向一端的夹角为锐角；所述第二光学面和所述第三光学面靠近双目中心所在方向一端的夹角为锐角；所述第三光学面和所述第四光学面远离或者靠近双目中心所在方向一端的夹角为锐角。

进一步可选地，所述自由曲面的面型包含扩展多项式表面、泽尼克多项式表面、切比雪夫多项式表面以及变形非球面中的一种或多种。

进一步可选地，所述光学系统还包括：伸缩结构，所述第二棱镜靠近双目中心所在方向的一端固定设置，另一端可在所述伸缩结构的带动下，沿着靠近所述第一棱镜或者远离所述第一棱镜的方向运动。

进一步可选地，左目光路结构中的第二棱镜和右目光路结构中的第二棱镜为一片棱镜上的两个相互对称的部分。

本发明还提供一种VR设备，本发明提供的光学系统。

本发明提供的光学系统中，与双目对应的每一光路结构分别包括两片棱镜，且两片棱镜的有效光学面中，至少包含一个自由曲面，进而可有效扩大用户的单目视场角，使用户通左目或者右目对应的光学结构即可观察到较大视场范围，当目标成像物为显示屏时，有利于提升显示屏的屏幕利用率和分辨率。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明一示例性实施例提供的光学系统的结构示意图；

图2a为本发明一示例性实施例提供的光学结构L的结构示意图；

图2b为本发明另一示例性实施例提供的光学结构L的结构示意图；

图2c为本发明又一示例性实施例提供的光学结构L的结构示意图；

图2d为本发明又一示例性实施例提供的光学结构L的结构示意图；

图3a为本发明一示例性实施例提供的光学系统及其虚像面的示意图；

图3b为本发明另一示例性实施例提供的光学系统及其虚像面的示意图；

图4为本发明另一示例性实施例提供的光学系统的结构示意图；

图5为本发明另一示例性实施例提供的光学系统收缩后的结构示意图；

图6为本发明又一示例性实施例提供的光学系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的光学元件，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

图1为本发明一示例性实施例提供的光学系统的结构示意图，如图1所示，该光学系统包括：与双目分别适配的两个光路结构：左目光路结构L以及右目光路结构R。

其中，左目光路结构L和右目光路结构R以双目连线的垂线为对称轴，结构相互对称，二者间距与观察者的瞳距适配。在以下的实施例中，将以左目光路结构L以及右目光路结构R中的一个光路结构，例如左目光路结构L为例，对本发明的技术方案进行示例性说明。应当理解，基于左目光路结构L，可以毫无异议地推演出右目光路结构R，因此，后续不再对右目光路结构R进行重复描述。

如图1所示，左目光路结构L包括：靠近左目的第一棱镜1，以及设于第一棱镜1和目标成像物之间的第二棱镜2。第一棱镜1和第二棱镜2的有效光学面中，至少包含一个自由曲面。

其中，目标成像物指的位于光学系统的物方，且能够通过光学系统成像的物体。实际中，目标成像物可实现为手机、平板电脑、游戏机、显示器、多媒体播放器等显示设备，还可以实现为实际物理空间中的各种物体，例如花草树木、动物、商品、建筑物等等。

其中，自由曲面为非旋转对称的面型，具有较多优化自由度，进而可通过优化该自由曲面来有效扩大用户的单目视场角，使用户的左目通过左目光路结构L可以观察到大于二分之一显示屏的屏幕范围、和/或右目通过右目光路结构R可以观察到大于二分之一显示屏的屏幕范围。除此之外，每个光路结构中，两块棱镜相互配合，有利于优化光学系统的像差。

在实际应用中，该左目光路结构L以及右目光路结构R可以与显示设备，例如手机、平板电脑、游戏机、显示器、多媒体播放器等配合使用。用户通过光学系统观看显示设备展示的图像时，显示设备发出的图像光可通过左目光路结构L进入用户的左目，并通过右目光路结构R进入用户的右目。与现有技术中将显示设备的显示屏分为左右两屏，且左右两屏显示的画面分别通过左目光学系统和右目光学系统进入人眼的技术方案相比，本发明提供的光学系统的优势在于：显示设备的整个屏幕都可通过左目光路结构L进入用户的左目，且都可通过右目光路结构R进入用户的右目，也就是说，用户通过单目可以看到显示设备整个屏幕，极大提升了显示设备的屏幕利用率的用户观看到的图像的分辨率。

可选的，在本实施例中，自由曲面可以包括多种不同的面型，例如超环面、双锥度系数曲面、不对称非球面、扩展多项式表面(Extended Polynomial)、泽尼克多项式表面(Zernike polynomials)、切比雪夫多项式面(Chebyshev Polynomial)或者变形非球面(Anamorphic asphere)等等，本实施例包含但不仅限于此，以下将举例说明。

当自由曲面的面型为扩展多项式表面时，其对应的表达方程可以如公式1所示：

公式1中，A_i(i＝1,2,3…9)是各高阶项的系数，可根据实际光路需求自定义设置；k为二次曲线常数,x、y、z表示三维空间内的坐标，其中，z为沿光轴方向的坐标,x，y为与光轴垂直方向上的坐标，r表示曲率半径，r^2＝x^2+y^2，c＝1/r₀，r₀为近轴部分的曲率半径。

当自由曲面的面型为变形非球面时，其对应的表达方程可以如公式2所示：

公式2中，AR、AP、BR、BP、CR、CP、DR、DP是各高阶项系数，可根据实际光路需求自定义设置；k为二次曲线常数,x、y、z表示三维空间内的坐标，其中，z为沿光轴方向的坐标,x，y为与光轴垂直方向上的坐标，r表示曲率半径，r^2＝x^2+y^2，c＝1/r₀，r₀为近轴部分的曲率半径。

需要说明的是，当左目光路结构L或者右目光路结构R包含多个自由曲面时，多个自由曲面的面型可以相同，也可以不同，本实施例不做限制。

在上述实施例的基础上，可选的，第一棱镜1和第二棱镜2可采用折射率和色散不同的材质加工而成，以进一步优化光学系统的色差和畸变。实际中，保证成像质量的前提下，本实施例提供的光学系统的畸变可以控制到优于0.2％，色差优于0.2mm，相对于现有技术有极大的提升，能够为用户提供更佳的观看体验。

在上述实施例的基础上，可选的，第一棱镜1可以是具有正光焦度的棱镜，第二棱镜2可以是具有负光焦度的棱镜。一方面，通过正负光焦度的配合，能够进一步优化光学系统的畸变；另一方面，第一棱镜1产生的负色差和第二棱镜2产生的正色差可以相互抵消，进而使得光学系统的色差得到进一步优化。

在一些可选的实施例中，如图2a以及图2b所示，具有正光焦度的第一棱镜1上,远离第二棱镜2的第一光学面S11为凹面，靠近第二棱镜2的第二光学面S12为凸面。具有负光焦度的第二棱镜2上，靠近第一棱镜1的第三光学面S21为凹面，靠近目标成像物的第四光学面S22为凸面。需要说明的是，本实施例涉及到的凸面以及凹面，是以第一棱镜1和第二棱镜2自身作为参照进行的描述，可参考附图所示进行理解。

在另一些可选的实施例中，如图2c以及图2d所示，具有正光焦度的第一棱镜1上,远离第二棱镜2的第一光学面S11为凹面，靠近第二棱镜2的第二光学面S12为凸面。具有负光焦度的第二棱镜2上，靠近第一棱镜1的第三光学面S21为凸面，靠近目标成像物的第四光学面S22为凹面。

上述两种结构仅用于对本发明实施例的可选结构进行示例性说明，实际中，当第一棱镜1具有正光焦度，且第二棱镜2具有负光焦度时，还可以有其他可选的结构，此处不再赘述。

基于上述两种实施方式，第一棱镜1和第二棱镜2的相对位置关系可如图2a-图2d所示。此处为便于描述，以左目为参照物，对光学结构L包含的第一棱镜1和第二棱镜2的相对位置关系进行说明。当以左目光路结构L为例时，与左目光路结构L适配的人眼为左目。

第一棱镜1和第二棱镜2的一种位置关系可如图2b以及图2c所示：第一光学面S11和第二光学面S12上远离双目中心所在方向(也就是左目延伸至耳朵方向)一端的夹角为锐角；第二光学面S12和第三光学面S21靠近双目中心所在方向(也就是左目延伸至鼻子方向)一端的夹角为锐角；第三光学面S21和第四光学面S11远离双目中心所在方向一端的夹角为锐角。

如图2a以及图2d所示，第一光学面S11和第二光学面S12上远离双目中心所在方向(也就是左目延伸至耳朵方向)一端的夹角为锐角；第二光学面S12和第三光学面S21靠近双目中心所在方向(也就是左目延伸至鼻子方向)一端的夹角为锐角；第三光学面S21和第四光学面S11靠近双目中心所在方向一端的夹角为锐角。

基于第一棱镜1和第二棱镜2的上述位置关系，得到了非旋转对称的左目光路结构L以及非旋转对称的光学系统，结合光学系统包含的自由曲面，用户可通过左目或者右目同时观看到大视场下的完整像。

在一些示例性的实施例中，第一棱镜1的其中一个有效光学面为自由曲面，另一个有效光学面为离轴的球面、非球面或者自由曲面中的一种。

在另一些示例性的实施例中，第二棱镜2的其中一个有效光学面为自由曲面，另一个有效光学面为离轴的球面、非球面或者自由曲面中的一种。

在又一些示例性实施例中，第一棱镜1的其中一个有效光学面为自由曲面，且第二棱镜2的其中一个有效光学面为自由曲面。也就是说，光学结构L包含两个自由曲面，可优化自由度进一步提升，有利于使得光学结构具有更合理的视场大小和更佳的成像质量。

可选的，本实施例中，左目光路结构L对应的虚像面和右目光路结构R对应的虚像面可以如图3a所示的平面，也可以是如图3b所示的凹曲面。

以图3b所示的结构为例，本实施例中分别对左目光路结构L以及右目光路结构R的场曲进行优化，将左目光路结构L对应的虚像面和右目光路结构R对应的虚像面优化为平滑的负场曲，进而获取面型为凹曲面的虚像面。在这种实施方式中，显示屏边缘视场对应的虚像点相对于中心视场点而言，在系统轴向方向上更加靠近人眼，经过人眼成像到视网膜上时，正好与视网膜对应的凹面形状契合，进一步提升视觉效果。

上述各实施例提供的光学系统，可应用在多种光学设备上，例如VR设备、移动影院设备等等。如图3a以及3b所示，当应用在上述设备中时，光学系统通常与显示屏3配合使用，显示屏3设于光学系统的物方，人眼通过光学系统可观看到显示屏上展示的内容。

在一些示例性实施例中，左目光路结构L对应的虚像面和右目光路结构R对应的虚像面共面，且对应的虚像重合。也就是说，目标成像物经左目光路结构L以及右目光路结构R所成的虚像在同一个虚像面上，且是完全重合的，用户的左目和右目能够看到同一个虚像。其优势在于：用户在观看目标成像物所成的虚像时，无视觉辐辏冲突，避免了用户可能出现的晕眩、视觉疲劳以及头痛等不良反应，极大提升了用户体验。

可选的，为确保左目光路结构L对应的虚像面和右目光路结构R对应的虚像面共面，可对第一棱镜1和第二棱镜2之间的夹角进行设计并对其包含的自由曲面进行优化，以使得左目光路结构L和右目光路结构R成像时的虚像面，与双目中心视场主光线所在直线交点共面，如图3a以及图3b所示。

图3a示意了左目光路结构L以及右目光路结构R对应虚像面为平面的实施方式。在图3a中，以图示的显示屏3作为目标成像物。在这种实施方式中，显示屏经由左目光路结构L以及右目光路结构R成像为图示中的虚像4。显示屏3的中心点，经左目光路结构L成像在中心点虚像5处，经右目光路结构R成像在中心点虚像6处，中心点虚像5和中心点虚像6重合。显示屏3的边缘点，经左目光路结构L成像在中心点虚像7处，经右目光路结构R成像在中心点虚像8处，边缘点虚像7和边缘点虚像8重合。进而实现了用户双目看到的虚像完全重合，无辐辏冲突情况发生。

图3b示意了左目光路结构L以及右目光路结构R对应虚像面为凹曲面的实施方式。在这种方式中，显示屏3的中心点，经左目光路结构L成像在中心点虚像5处，经右目光路结构R成像在中心点虚像6处，中心点虚像5和中心点虚像6重合。显示屏3的边缘点，经左目光路结构L成像在中心点虚像7处，经右目光路结构R成像在中心点虚像8处，边缘点虚像7和边缘点虚像8重合。进而实现了用户双目看到的虚像完全重合，无辐辏冲突情况发生。

在一些示例性实施例中，为使得包含该光学系统的光学设备更加便携，本实施例还提供了一种如图4所示的伸缩结构10。光学结构L中，第二棱镜2靠近双目中心所在方向的一端固定设置，另一端可在伸缩结构10的带动下，沿着靠近第一棱镜1或者远离第一棱镜1的方向运动。同样地，光学结构R中，第二棱镜2’靠近双目中心所在方向的一端固定设置，另一端可在伸缩结构10的带动下，沿着靠近第一棱镜1’或者远离第一棱镜1’的方向运动。

基于上述结构，在非使用状态下，光学系统可呈“收缩状态”，更加小型化；在使用状态下，光学系统可呈“伸展状态”，以保证足够长的物距。当光学系统与显示屏3配合使用时，随着伸缩结构10的运动，显示屏3也可随之靠近第二棱镜2或者远离第二棱镜2。当伸缩结构10收缩至最小时，光学设备可如图5所示，其结构紧凑，便于携带。实际中，伸缩结构10可实现为具有伸缩功能的设备外壳、镜筒等等，本实施例不做限制。

值得说明的是，在一些示例性的实施例中，左目光路结构L中的第二棱镜2以及右目光路结构R中的第二棱镜2’，可以是相互分离、且以左目光路结构L以及右目光路结构R的中轴线为轴相互对称的两块棱镜，如图1-5所示。

在另一些示例性的实施例中，左目光路结构L中的第二棱镜2以及右目光路结构R中的第二棱镜2’可以是一个整体，也就是说，左目光路结构L中的第二棱镜2以及右目光路结构R中的第二棱镜2’可以是一片棱镜11上的两个相互对称的部分，如图6所示。同样地，棱镜11上的两个部分，以左目光路结构L以及右目光路结构R的中轴线为轴相互对称。其优势在于，针对左目光路结构L而言，增强了靠近左目内侧部分的光线收集能力，针对右目光路结构R而言，增强了靠近右目内侧部分的光线收集能力，即使在出瞳距离较大、像距较短或者像所占视场范围较大的情况下，也能够确保用户通过单目对应的光路结构可以看到完整的像。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

与双目分别适配的左目光路结构和右目光路结构；

所述左目光路结构和所述右目光路结构中，每一光路结构包括：第一棱镜，以及设于所述第一棱镜和目标成像物之间的第二棱镜；所述第一棱镜和所述第二棱镜的有效光学面中，至少包含一个自由曲面。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述左目光路结构对应的虚像面和所述右目光路结构对应的虚像面共面，且对应的虚像重合。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述左目光路结构的虚像面和所述右目光路结构的虚像面为平面或者凹曲面。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一棱镜具有正光焦度，所述第二棱镜具有负光焦度。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一棱镜的其中一个有效光学面为自由曲面，另一个有效光学面为离轴的球面、非球面或者自由曲面中的一种。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二棱镜的其中一个有效光学面为自由曲面，另一个有效光学面为离轴的球面、非球面或者自由曲面中的一种。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一棱镜上远离所述第二棱镜的第一光学面为凹面，靠近所述第二棱镜的第二光学面为凸面。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述第二棱镜上，靠近所述第一棱镜的第三光学面为凹面，靠近所述目标成像物的第四光学面为凸面。

9.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述第二棱镜上，靠近所述第一棱镜的第三光学面为凸面，靠近所述目标成像物的第四光学面为凹面。

10.根据权利要求8或9所述的光学系统，其特征在于，所述第一光学面和所述第二光学面上远离双目中心所在方向一端的夹角为锐角；所述第二光学面和所述第三光学面靠近双目中心所在方向一端的夹角为锐角；所述第三光学面和所述第四光学面远离或者靠近双目中心所在方向一端的夹角为锐角。

11.根据权利要求1-9任一项所述的光学系统，其特征在于，所述自由曲面的面型包含扩展多项式表面、泽尼克多项式表面、切比雪夫多项式表面以及变形非球面中的一种或多种。

12.根据权利要求1-9任一项所述的光学系统，其特征在于，还包括：伸缩结构，所述第二棱镜靠近双目中心所在方向的一端固定设置，另一端可在所述伸缩结构的带动下，沿着靠近所述第一棱镜或者远离所述第一棱镜的方向运动。

13.根据权利要求1-9任一项所述的光学系统，其特征在于，左目光路结构中的第二棱镜和右目光路结构中的第二棱镜为一片棱镜上的两个相互对称的部分。

14.一种VR设备，其特征在于，包括权利要求1-13任一项所述的光学系统。