CN109839739A - 一种紧凑型vr透镜系统及vr显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明系提供一种紧凑型VR透镜系统及VR显示设备，包括同轴设置的出瞳和屏幕，出瞳和屏幕之间依次设有出射透镜、透镜组和入射透镜，出射透镜位于靠近出瞳的一侧；出射透镜靠近出瞳一侧表面的曲率半径小于0，入射透镜靠近屏幕一侧表面的曲率半径大于0；透镜系统满足以下方程：2ER*tan(FOV/2)>DoD，透镜系统的视场角为FOV、出瞳距离为ER，屏幕的对角线长度为DoD。本发明设置紧凑的透镜结构，能够有效降低VR显示设备整体的体积，在缩减屏幕尺寸的同时能够确保ER和FOV的值足够大，从而有效确保所形成影像的清晰度和用户使用时的沉浸感，VR透镜系统的色差小，使用户观察到的影像质量高。
Description
技术领域
本发明涉及VR显示结构，具体公开了一种紧凑型VR透镜系统及VR显示设备。
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，是一种多元信息融合的、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环境中。
现有VR显示设备的光学部分主要采用屏幕配合透镜给用户模拟出一个虚像，让用户沉浸于其中，VR显示设备中采用的镜片多为单片非球面透镜或菲涅尔透镜，单片透镜由于自由度少的问题，无法显著降低系统的焦距以获得足够大的视场角，因此只适合用于大屏幕的系统，如4～7寸大的屏幕，而无法应用于小屏幕且高分辨率的屏幕上，如1寸以下、分辨率达FHD以上的屏幕。
市场上主流VR显示设备的屏幕大部分的DoD(Diagonal of Display，屏幕对角线长度)都在80mm以上。随着人们需求的多元化，为降低VR显示设备的重量和占用空间，部分VR显示设备设置为小型化，但在降低屏幕尺寸的同时ER(Eye Relief，出瞳距)和FOV(FieldAngle)均减小，从而降低VR显示设备给用户带来的影像的清晰度和沉浸感。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种紧凑型VR透镜系统及VR显示设备，在降低屏幕尺寸的同时能够确保ER和FOV的值足够大，从而确保影像的清晰度和带来的沉浸感。
为解决现有技术问题，本发明公开一种紧凑型VR透镜系统，包括同轴设置的出瞳和屏幕，出瞳和屏幕之间依次设有出射透镜、透镜组和入射透镜，出射透镜位于靠近出瞳的一侧；
出射透镜靠近出瞳一侧表面的曲率半径小于0，入射透镜靠近屏幕一侧表面的曲率半径大于0；
透镜系统满足以下方程：
2ER*tan(FOV/2)>DoD
透镜系统的视场角为FOV、出瞳距离为ER，屏幕的对角线长度为DoD。
进一步的，出射透镜、透镜组和入射透镜为同轴设置。
进一步的，出射透镜与出瞳同轴设置。
进一步的，出射透镜、入射透镜和透镜组的直径均小于等于45mm。
进一步的，出射透镜和入射透镜均为凹透镜。
进一步的，透镜组包括至少1个凸透镜。
本发明还公开一种紧凑型VR显示设备，包括上面任一项所述的一种紧凑型VR透镜系统。
进一步的，出射透镜、透镜组和入射透镜外套设有矩形的镜筒。
本发明的有益效果为：本发明公开一种紧凑型VR透镜系统及VR显示设备，设置紧凑的透镜结构，能够有效降低VR显示设备整体的体积，通过多片不同透镜相互配合，能够增大整体透镜系统的自由度，在缩减屏幕尺寸的同时能够确保ER和FOV的值足够大，从而有效确保所形成影像的清晰度和用户使用时的沉浸感，VR透镜系统的色差小，使用户观察到的影像质量高，主要通过缩减屏幕的尺寸来减小VR显示设备的体积和重量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例一的结构示意图。
图3为本发明实施例一的横向色差图。
图4为本发明实施例二的结构示意图。
图5为本发明实施例二的横向色差图。
图6为本发明实施例三的结构示意图。
图7为本发明实施例三的横向色差图。
图8为本发明实施例四的结构示意图。
图9为本发明实施例四的横向色差图。
附图标记为：出瞳11、屏幕12、出射透镜21、透镜组30。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参考图1至图9。
本发明公开一种紧凑型VR透镜系统，如图1所示，包括同轴设置的出瞳11和屏幕12，出瞳11和屏幕12之间依次设有出射透镜21、透镜组30和入射透镜22，优选地，出射透镜21和入射透镜22的折射率、阿贝系数均相同，出射透镜21位于靠近出瞳11的一侧；出射透镜21靠近出瞳11一侧表面的曲率半径小于0，能够有效降低透镜系统整体的畸变，入射透镜22靠近屏幕12一侧表面的曲率半径大于0，入射透镜22配合出射透镜21调整透镜系统整体的球差，确保透镜系统形成的影像足够清晰且保真度高；透镜系统满足以下方程：
2ER*tan(FOV/2)>DoD
其中，透镜系统的视场角为FOV、出瞳距离为ER，屏幕12的对角线长度为DoD。
本发明设置紧凑的透镜结构，能够有效降低VR显示设备整体的体积，通过多片不同透镜相互配合，能够增大整体透镜系统的自由度，在缩减屏幕尺寸的同时能够确保ER和FOV的值足够大，从而有效确保所形成影像的清晰度和用户使用时的沉浸感，VR透镜系统的色差小，使用户观察到的影像质量高，主要通过缩减屏幕的尺寸减小VR显示设备的体积和重量。
优选地，出射透镜21、透镜组30和入射透镜22为同轴设置，出射透镜21与出瞳11同轴设置，即出瞳11、出射透镜21、透镜组30、入射透镜22和屏幕12同轴设置，能够进一步提高透镜系统整体的成像效果。
优选地，出射透镜21、入射透镜22和透镜组30的直径均小于等于45mm，即透镜系统中所有透镜的最大直径均不会大于45mm，能够确保透镜系统的尺寸不会过大。
优选地，出射透镜21和入射透镜22均为凹透镜，透镜组30包括至少1个凸透镜，能够有效调整透镜系统的光路，确保最终成像的保真性，同时提高影像的清晰度。
本发明还公开一种紧凑型VR显示设备，包括上面任一项所述的一种紧凑型VR透镜系统。
优选地，出射透镜21、透镜组30和入射透镜22外套设有矩形的镜筒，镜筒能够有效减弱黑边的影响，提高VR显示设备整体的显示效果，加强用户的沉浸感。
实施例一，如图2所示，包括同轴依次设置的出瞳11、出射透镜21、透镜组30、入射透镜22、屏幕12，透镜组30从出瞳11到屏幕12依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，各项参数根据下表1设计。
表1，实施例一的设计参数
根据上表1可得ER＝20mm、FOV＝60Deg、DoD＝22mm，计算获得2ER*tan(FOV/2)＝23>22，满足2ER*tan(FOV/2)>DoD，本实施例为全玻璃透镜的结构，设屏幕的分辨率为FHD，即分辨率为1920*1080，计算可得出横向每个像素点的长度为10μm，横向色差如图3所示，可知需要将三个相邻的像素点组成一个像素单元，该像素单元的总色差才有可能被人眼分辨出存在问题，所以单个像素点相对人眼的显示效果好，可知本实施例的透镜系统的成像效果好、色差小、清晰度高。
实施例二，如图4所示，包括同轴依次设置的出瞳11、出射透镜21、透镜组30、入射透镜22、屏幕12，透镜组30从出瞳11到屏幕12依次包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，各项参数根据下表2设计。
表2，实施例二的设计参数
根据上表2可得ER＝20mm、FOV＝60Deg、DoD＝22mm，计算获得2ER*tan(FOV/2)＝23>22，满足2ER*tan(FOV/2)>DoD，本实施例为玻璃透镜和塑胶透镜组合的结构，设屏幕的分辨率为FHD，即分辨率为1920*1080，计算可得出横向每个像素点的长度为10μm，横向色差如图5所示，可知需要将三个相邻的像素点组成一个像素单元，该像素单元的总色差才有可能被人眼分辨出存在问题，所以单个像素点相对人眼的显示效果好，可知本实施例的透镜系统的成像效果好、色差小、清晰度高。
实施例三，如图6所示，包括同轴依次设置的出瞳11、出射透镜21、透镜组30、入射透镜22、屏幕12，透镜组30从出瞳11到屏幕12依次包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，各项参数根据下表3设计。
表3，实施例三的设计参数
根据上表3可得ER＝20mm、FOV＝60Deg、DoD＝22mm，计算获得2ER*tan(FOV/2)＝23>22，满足2ER*tan(FOV/2)>DoD，本实施例为玻璃透镜和塑胶透镜组合的结构，设屏幕的分辨率为FHD，即分辨率为1920*1080，计算可得出横向每个像素点的长度为10μm，横向色差如图7所示，可知需要将三个相邻的像素点组成一个像素单元，该像素单元的总色差才有可能被人眼分辨出存在问题，所以单个像素点相对人眼的显示效果好，可知本实施例的透镜系统的成像效果好、色差小、清晰度高。
实施例四，如图8所示，包括同轴依次设置的出瞳11、出射透镜21、透镜组30、入射透镜22、屏幕12，透镜组30从出瞳11到屏幕12依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，各项参数根据下表4设计。
表4，实施例一的设计参数
根据上表4可得ER＝20mm、FOV＝60Deg、DoD＝22mm，计算获得2ER*tan(FOV/2)＝23>22，满足2ER*tan(FOV/2)>DoD，本实施例为全塑胶透镜的结构，设屏幕的分辨率为FHD，即分辨率为1920*1080，计算可得出横向每个像素点的长度为10μm，横向色差如图9所示，可知需要将三个相邻的像素点组成一个像素单元，该像素单元的总色差才有可能被人眼分辨出存在问题，所以单个像素点相对人眼的显示效果好，可知本实施例的透镜系统的成像效果好、色差小、清晰度高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种紧凑型VR透镜系统，包括同轴设置的出瞳(11)和屏幕(12)，其特征在于，所述出瞳(11)和所述屏幕(12)之间依次设有出射透镜(21)、透镜组(30)和入射透镜(22)，所述出射透镜(21)位于靠近所述出瞳(11)的一侧；
所述出射透镜(21)靠近所述出瞳(11)一侧表面的曲率半径小于0，所述入射透镜(22)靠近所述屏幕(12)一侧表面的曲率半径大于0；
所述透镜系统满足以下方程：
2ER*tan(FOV/2)>DoD
所述透镜系统的视场角为FOV、出瞳距离为ER，所述屏幕(12)的对角线长度为DoD。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型VR透镜系统，其特征在于，所述出射透镜(21)、所述透镜组(30)和所述入射透镜(22)为同轴设置。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型VR透镜系统，其特征在于，所述出射透镜(21)与所述出瞳(11)同轴设置。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型VR透镜系统，其特征在于，所述出射透镜(21)、所述入射透镜(22)和所述透镜组(30)的直径均小于等于45mm。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型VR透镜系统，其特征在于，所述出射透镜(21)和所述入射透镜(22)均为凹透镜。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型VR透镜系统，其特征在于，所述透镜组(30)包括至少1个凸透镜。
7.一种紧凑型VR显示设备，其特征在于，包括权利要求1～6任意一项所述的一种紧凑型VR透镜系统。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑型VR显示设备，其特征在于，所述出射透镜(21)、所述透镜组(30)和所述入射透镜(22)外套设有矩形的镜筒。
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| CN206115031U (zh) * | 2016-08-31 | 2017-04-19 | 深圳超多维科技有限公司 | 一种vr显示装置及vr显示设备 |
| CN106681003A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-17 | 广东烨嘉光电科技股份有限公司 | 一种vr透镜系统 |
| CN207502825U (zh) * | 2017-11-28 | 2018-06-15 | 广东烨嘉光电科技股份有限公司 | 一种紧凑型vr透镜系统及vr显示设备 |
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