CN109597203A - 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，左目光路结构和右目光路结构分别包含至少一个自由曲面，进而可对单目视场角进行有效优化，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成像分辨率。

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成像分辨率。

本发明提供一种光学系统，包括：与双目分别适配、且沿着所述光学系统的中心轴对称的左目光路结构和右目光路结构；其中，所述左目光路结构和所述右目光路结构分别包含具有正光焦度的镜片，所述镜片的有效光学面中，至少包含一个自由曲面。

进一步可选地，所述镜片包含靠近双目的第一有效光学面和靠近目标成像物的第二有效光学面；所述第一有效光学面和所述第二有效光学面中的一者为自由曲面，另一者为非球面；或者，所述第一有效光学面和所述第二有效光学面均为自由曲面。

进一步可选地，所述第一有效光学面和所述第二有效光学面上远离所述光学系统的中心轴的一端的夹角为锐角。

进一步可选地，所述第一有效光学面和所述第二有效光学面中，至少存在一个有效光学面与垂直于所述光学系统的中心轴的平面成(-20°，20°)范围内的夹角。

进一步可选地，所述自由曲面上的点的切平面，与垂直于所述光学系统的中心轴的平面成(-45°，45°)范围内的夹角。

进一步可选地，所述第一有效光学面为凹向所述镜片的光心的凹面，所述第二有效光学面为凸向目标成像物的凸面。

进一步可选地，所述第一有效光学面在水平方向上的光焦度在(-0.02，-0.0125)范围内，在垂直方向上的光焦度在(-0.0054，-0.0044)范围内。；所述第二有效光学面在水平方向上的光焦度在(0.014，0.04)范围内，在垂直方向上的光焦度在(0.008，0.013)范围内。

进一步可选地，左目光路结构中的镜片和右目光路结构中的镜片为一片镜片上沿着所述光学系统的中心轴相互对称的两个部分。

进一步可选地，左目光路结构中的镜片和右目光路结构中的镜片为沿着所述光学系统的中心轴对称分布的两个独立的镜片，且两个独立的镜片的光心之间的距离可调，以满足设定范围内的瞳距要求。

进一步可选地，所述镜片的折射率在(01.45，1.60)范围内，色散在(50，75)范围内。

本发明还提供一种VR设备，包括本发明提供的光学系统，以及穿过所述光学系统的中心轴的显示屏。

本发明提供的光学系统中，左目光路结构和右目光路结构分别包含至少一个自由曲面，进而可对单目视场角进行有效优化，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成像分辨率。

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2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3a为本发明一示例性实施例提供的镜片P_L的结构示意图；

图3b为本发明另一示例性实施例提供的镜片P_L的结构示意图；

图3c为本发明又一示例性实施例提供的镜片P_L的结构示意图；

图4为本发明一示例性实施例提供的镜片P_L的面型光滑度示意图；

图5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6为本发明另一示例性实施例提供的VR设备的结构示意图。

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、且沿着光学系统的中心轴对称的两个光路结构：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分别由具有正光焦度的镜片组成，可将目标成像物发出的发散角较大的光线偏折为发散角较小的光线，为用户提供较大的视场角。

应当理解，目标成像物指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。

如图1所示，左目光路结构L包括：镜片P_L,且该镜片P_L的有效光学面中，至少包含一个自由曲面。右目光路结构R包括镜片P_R，且该镜片P_R的有效光学面中，至少包含一个自由曲面。

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。

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：对镜片P_L以及镜片P_R包含的自由曲面进行优化，可使得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。

可选地，由于左目光路结构L和右目光路结构R结构沿着光学系统的中心轴相互对称，因此，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2所示，镜片P_L包含两个有效光学面：靠近左目的第一有效光学面S1和靠近目标成像物的第二有效光学面S2。

在一些示例性的实施例中，第一有效光学面S1和第二有效光学面S2中的其中一个有效光学面为自由曲面，另一个有效光学面为非球面。在这种实施方式中，可对自由曲面进行优化，以使其视场角能够覆盖目标成像物，并对非球面进行优化，以进一步对入射至人眼的光线进行整形并校正单目像差。

在另一些示例性的实施例中，第一有效光学面S1和第二有效光学面S2均为自由曲面。在这种实施方式中，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，在本实施例中，自由曲面可以包括多种不同的面型，例如XY多项式表面、切比雪夫多项式面(Chebyshev Polynomial)、变形非球面(Anamorphic asphere)、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)或泽尼克多项式表面(Zernike polynomials)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。

在一些可选的实施例中，如图2所示，具有正光焦度的镜片P_L上,第一有效光学面S1为凹向镜片P_L的光心的凹面，的第二有效光学面S2为凸向目标成像物的凸面。其中，第一有效光学面S1的光焦度为负，第二有效光学面S2的光焦度为正，镜片P_L整体表现的光焦度度为正。当然，在一些可选的其他实施例中，第一有效光学面S1也可以是凸向人眼的凸面，本实施例对此不作限制。

在一些可选的实施例中，如图2所示，镜片P_L中第一有效光学面S1和第二有效光学面S2上远离光学系统的中心轴的一端的夹角α为锐角，以增大对边缘光线的屈光能力。若以左目为参照物，则上述夹角α可描述为：第一有效光学面S1和第二有效光学面S2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。

可选地，在这种实施方式中，第一有效光学面S1和第二有效光学面S2中，至少存在一个有效光学面与垂直于光学系统的中心轴的平面成(-20°，20°)范围内的夹角，以确保第一有效光学面S1和第二有效光学面S2上远离光学系统的中心轴的一端的夹角为锐角，提供较大的视场角。

在一可选实施方式中，如图3a所示，第一有效光学面S1与垂直于光学系统的中心轴的平面S0之间的夹角β在(-20°，20°)范围内；该夹角β可表示为S0与切面S1’的夹角，其中切面S1’是第一有效光学面S1上位于过P_L光心的轴上的点的切面。此时，第二有效光学面S2上位于过P_L光心的轴上的点的切面S2’可平行于S0。其中，过P_L光心的轴平行于光学系统的中心轴。

在另一可选实施方式中，如图3b所示，第二有效光学面S2与S0之间的夹角β’在(-20°，20°)范围内；该夹角β’可表示为S0与切面S2’的夹角。此时，第一有效光学面S1上位于过P_L光心的轴上的点的切面S1’可平行于S0。

在又一可选实施方式中，如图3c所示，第一有效光学面S1与S0之间的夹角β在(-20°，20°)范围内，且和第二有效光学面S2与S0之间的夹角β’也在(-20°，20°)范围内，不再赘述。

基于上述各实施例的记载，得到了非旋转对称的左目光路结构L；基于左目光路结构L以及右目光路结构R，可得到非旋转对称的光学系统；结合左目光路结构L以及右目光路结构R分别包含的自由曲面，用户可通过左目或者右目同时观看到大视场下的完整像。

可选地，在上述各实施例的基础上，镜片P_L上包含的自由曲面满足的条件为：该至少一个自由曲面上的点的切平面，与垂直于光学系统的中心轴的平面S0之间的夹角γ在(-45°，45°)范围内，如图4所示。基于此，可避免镜片P_L上包含的自由曲面出现明显的拐点，以使得自由曲面具有良好的平滑、无反曲的特征，进而提升成像质量。

可选地，在上述各实施例的基础上中，第一有效光学面S1在水平方向上的光焦度在(-0.02，-0.0125)范围内，在垂直方向上的光焦度在(-0.0054，-0.0044)范围内；第二有效光学面S1在水平方向上的光焦度在(0.014，0.04)范围内，在垂直方向上的光焦度在(0.008，0.013)范围内。基于上述光焦度参数，镜片P_L可实现良好的像差校正结果，提升人眼的观看体验。

值得说明的是，在一些示例性的实施例中，左目光路结构L中的镜片P_L和右目光路结构R中的镜片P_R为沿着光学系统的中心轴对称分布的两个独立的镜片,如图1所示。在这种实施方式中，镜片P_L和镜片P_R的光心之间的距离可调，进而可满足设定范围内的瞳距要求。

可选地，在一些实施例中，镜片P_L和镜片P_R的视场角分别稍大于观看完整的目标成像物所需的视场角。例如，当观看完整的目标成像物所需的视场角为60°时，镜片P_L和镜片P_R的视场角分别为80°。基于此，当镜片P_L和镜片P_R之间的距离在设定的范围内由小逐渐增大时，镜片P_L和镜片P_R的视场角均仍旧能够覆盖目标成像物。也就是说，即使在设定的范围内调整镜片P_L和镜片P_R光心之间的距离，左目和右目也能够分别观看到目标成像物的完整像。

在本实施例中，经过对镜片P_L和镜片P_R进行优化，可使得光学系统的瞳距(镜片P_L和镜片P_R的光心之间的距离)在(43mm，83mm)范围内变化时，单目视场仍然能够覆盖目标成像物，提高了光学系统在瞳距不同的用户之间的普适性。

在另一些示例性的实施例中，左目光路结构L中的镜片P_L以及右目光路结构R中的镜片P_R可以是一个相互连接的整体。如图5所示，左目光路结构L中的镜片P_L以及右目光路结构R中的镜片P_R是一片镜片上的两个沿着光学系统的中心轴相互对称的部分。其优势在于：一方面，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。另一方面，双目对应的光学结构共用一片镜片，可有效降低光学系统的加工成本。

可选地，在上述各实施例的基础上，左目光路结构L中的镜片P_L以及右目光路结构R中的镜片P_R，可由塑胶加工而成，其折射率可在(1.45，1.60)范围内，色散在(50，75)范围内，以满足成像和像质需求。

本发明还提供一种VR设备，如图6所示，该VR设备包含上述各实施例记载的光学系统61，以及穿过光学系统61的中心轴的显示屏62。优选地，显示屏62的中心点位于光学系统61的中心轴上。其中，光学系统61的具体结构和有益效果可参考前述实施例的记载，此处不赘述。基于该VR设备，显示屏62展示图像时，用户可通过左右眼分别看到显示屏62的完整虚像，极大提升了用户体验。

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 (11)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

与双目分别适配、且沿着所述光学系统的中心轴对称的左目光路结构和右目光路结构；

其中，所述左目光路结构和所述右目光路结构分别包含具有正光焦度的镜片，所述镜片的有效光学面中，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，所述镜片包含靠近双目的第一有效光学面和靠近目标成像物的第二有效光学面；所述第一有效光学面和所述第二有效光学面中的一者为自由曲面，另一者为非球面；或者，所述第一有效光学面和所述第二有效光学面均为自由曲面。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一有效光学面和所述第二有效光学面上远离所述光学系统的中心轴的一端的夹角为锐角。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第一有效光学面和所述第二有效光学面中，至少存在一个有效光学面与垂直于所述光学系统的中心轴的平面成(-20°，20°)范围内的夹角。

5.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述自由曲面上的点的切平面，与垂直于所述光学系统的中心轴的平面成(-45°，45°)范围内的夹角。

6.根据权利要求2-5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一有效光学面为凹向所述镜片的光心的凹面，所述第二有效光学面为凸向目标成像物的凸面。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述第一有效光学面在水平方向上的光焦度在(-0.02，-0.0125)范围内，在垂直方向上的光焦度在(-0.0054，-0.0044)范围内；所述第二有效光学面在水平方向上的光焦度在(0.014，0.04)范围内，在垂直方向上的光焦度在(0.008，0.013)范围内。

8.根据权利要求1-5任一项所述的光学系统，其特征在于，左目光路结构中的镜片和右目光路结构中的镜片为一片镜片上沿着所述光学系统的中心轴相互对称的两个部分。

9.根据权利要求1-5任一项所述的光学系统，其特征在于，左目光路结构中的镜片和右目光路结构中的镜片为沿着所述光学系统的中心轴对称分布的两个独立的镜片，且两个独立的镜片的光心之间的距离可调，以满足设定范围内的瞳距要求。

10.据权利要求1-5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述镜片的折射率在(01.45，1.60)范围内，色散在(50，75)范围内。

11.一种VR设备，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的光学系统，以及穿过所述光学系统的中心轴的显示屏。