CN113820859A - 一种大景深的头戴式vr光学系统及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明系提供一种大景深的头戴式VR光学系统及其成像方法，包括第一检偏复合透镜、第二检偏复合透镜、第一显示屏、第二显示屏、第一起偏反射器和第二起偏反射器；第一显示屏和第二显示屏相背设于分割基准面的相对两侧，第一检偏复合透镜和第一显示屏的主光轴相交于第一起偏反射器，第二检偏复合透镜和第二显示屏的主光轴相交于第二起偏反射器；检偏复合透镜包括凹透镜、凸透镜和检偏膜，凸透镜的一面与凹透镜的一面紧贴连接；起偏反射器包括反射镜和起偏膜。本发明能够形成立体显示图像，能够有效提高成像光线的光程，获得良好的景深区分，最终出射的光线能够有效消除色散，避免用户长时间使用产生头晕目眩等不良反应。

Description

一种大景深的头戴式VR光学系统及其成像方法
技术领域
本发明涉及头戴式VR，具体公开了一种大景深的头戴式VR光学系统及其成像方法。
背景技术
VR(Virtual Reality)，即虚拟现实技术，是一种可以利用计算机、显示、传感技术在多维空间上创建的一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感。VR主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等多个方面，模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像；感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知；自然技能指人的头部转动、眼睛、手势或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应；传感设备是指三维交互设备。
目前，主流VR的传感设备一般体现在视觉显示上，显示原理是：将显示器产生的近处影像通过光学透镜系统拉到远处放大，近乎充满人的视野范围，从而产生沉浸感。传统VR的显示系统包括屏幕和镜片，这种VR设备是戴于用户头上的，其体积不能过大，受到VR设备体积的限制，现有技术中的头戴式VR设备的景深收到限制，无法为用户提供沉浸度高的使用体验。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种大景深的头戴式VR光学系统及其成像方法，能够形成大景深的显示效果，且整体结构不会增加额外的体积，还能够有效降低用户的眩晕反应。
为解决现有技术问题，本发明公开一种大景深的头戴式VR光学系统，包括第一检偏复合透镜、第二检偏复合透镜、第一显示屏、第二显示屏、第一起偏反射器和第二起偏反射器；
第一检偏复合透镜和第二检偏复合透镜的主光轴平行间隔，第一检偏复合透镜和第二检偏复合透镜之间形成有分割基准面，第一检偏复合透镜和第二检偏复合透镜关于分割基准面对称；
第一显示屏和第二显示屏相背设于分割基准面的相对两侧，第一检偏复合透镜和第一显示屏的主光轴相交于第一起偏反射器，第二检偏复合透镜和第二显示屏的主光轴相交于第二起偏反射器；
第一检偏复合透镜包括第一凹透镜、第一凸透镜和第一检偏膜，第一凸透镜的一面与第一凹透镜的一面紧贴连接；
第二检偏复合透镜包括第二凹透镜、第二凸透镜和第二检偏膜，第二凸透镜的一面与第二凹透镜的一面紧贴连接；
第一起偏反射器包括第一反射镜和第一起偏膜，第一反射镜的反射面朝向第一显示屏和第一检偏复合透镜，第一起偏膜位于第一反射镜的反射面，第一起偏膜与第一检偏膜的偏振角度匹配；
第二起偏反射器包括第二反射镜和第二起偏膜，第二反射镜的反射面朝向第二显示屏和第二检偏复合透镜，第二起偏膜位于第二反射镜的反射面，第二起偏膜与第二检偏膜的偏振角度匹配。
进一步的，第一检偏复合透镜和第二检偏复合透镜均具备正光焦度。
进一步的，第一凸透镜和第二凸透镜均为液态透镜，第一凹透镜和第二凹透镜均为固态透镜。
进一步的，第一检偏膜位于第一凹透镜远离第一凸透镜的一侧，第二检偏膜位于第二凹透镜远离第二凸透镜的一侧。
进一步的，第一起偏反射器与分割基准面之间形成有夹角α，第二起偏反射器与分割基准面之间也形成有夹角α，30°≤α≤60°。
进一步的，α＝45°。
进一步的，第一显示屏和第二显示屏之间连接有散热器。
本发明还公开一种大景深的头戴式VR光学系统的成像方法，包括以下步骤：
S1、在同一时刻内，第一显示屏和第二显示屏分别形成第一图像和第二图像，第一图像和第二图像为存在视差的镜像图像；
S2、第一图像经过第一起偏反射器偏振后形成反射至第一检偏复合透镜的第一反射光，第一图像经过第二起偏反射器偏振后形成反射至第二检偏复合透镜的第二反射光；
S3、第一反射光恰好经过第一检偏复合透镜消色差后到达其中一只人眼，第二反射光恰好经过第二检偏复合透镜消色差后到达另一只人眼，两人眼接收的图像能够形成立体显示图像。
本发明的有益效果为：本发明公开一种大景深的头戴式VR光学系统及其成像方法，能够明显提高光学系统中成像光线的光程，形成的显示效果可以获得良好的景深区分，从而显著提高立体显示的沉浸式体验，同时不会额外增大头戴式VR的体积；设于分割基准面的显示屏能够防止另一显示屏的光线混杂进来而影响成像的保真性，并且同一侧光线通过偏振的方式能够筛选出经过了足够光程的光线，可有效确保显示结果的有效性，避免显示器的光线直接投射到检偏复合透镜，能够确保到达人眼的影像是清晰可控的；此外，最终出射的光线能够有效消除色散，避免用户长时间使用后产生头晕目眩等不良反应，应用于头戴式VR设备时，能够有效提高其市场竞争力。
附图说明
图1为本发明大景深的头戴式VR光学系统的结构示意图。
图2为本发明成像时的光路结构示意图。
附图标记：第一检偏复合透镜10、第一凹透镜11、第一凸透镜12、第一检偏膜13、第二检偏复合透镜20、第二凹透镜21、第二凸透镜22、第二检偏膜23、散热器30、第一显示屏31、第二显示屏32、第一起偏反射器40、第一反射镜41、第一起偏膜42、第二起偏反射器50、第二反射镜51、第二起偏膜52。
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、图2。
本发明实施例公开一种大景深的头戴式VR光学系统，如图1所示，包括第一检偏复合透镜10、第二检偏复合透镜20、第一显示屏31、第二显示屏32、第一起偏反射器40和第二起偏反射器50；
第一检偏复合透镜10的主光轴和第二检偏复合透镜20的主光轴平行间隔，第一检偏复合透镜10和第二检偏复合透镜20分别正对两人眼，第一检偏复合透镜10和第二检偏复合透镜20之间形成有分割基准面，第一检偏复合透镜10和第二检偏复合透镜20关于分割基准面对称；
第一显示屏31和第二显示屏32相背设于分割基准面的相对两侧，即第一显示屏31和第二显示屏32相背设置且与分割基准面平行，且第一显示屏31和第二显示屏32分别位于分割基准面的相对两侧，分割基准面的两侧分为两个区域，一区域的显示屏能够有效避免相邻显示屏的光线混杂到本区域，可有效提高成像的保真性，即检偏复合透镜不会接收到来自相邻区域的光线，第一检偏复合透镜10的主光轴和第一显示屏31的主光轴相交于第一起偏反射器40表面，第二检偏复合透镜20的主光轴和第二显示屏32的主光轴相交于第二起偏反射器50表面，第一起偏反射器40和第二起偏反射器50关于分割基准面对称；
第一检偏复合透镜10包括第一凹透镜11、第一凸透镜12和第一检偏膜13，第一凸透镜12的一面与第一凹透镜11的一面紧贴连接，能够有效解决色散问题，提高显示效果，减轻人眼的疲劳程度；
第二检偏复合透镜20包括第二凹透镜21、第二凸透镜22和第二检偏膜23，第二凸透镜22的一面与第二凹透镜21的一面紧贴连接，能够有效解决色散问题，提高显示效果，减轻人眼的疲劳程度；
第一起偏反射器40包括第一反射镜41和第一起偏膜42，第一反射镜41的反射面朝向第一显示屏31和第一检偏复合透镜10，第一起偏膜42位于第一反射镜41的反射面，第一起偏膜42的偏振角度与第一检偏膜13的偏振角度匹配，确保只有经过起偏膜偏振调整的光线才能够经过第一检偏膜13实现传播，能够确保到达第一检偏复合透镜10的光线经过了足够的光程，能够有效确保光学系统可调节的景深，优选地，起偏膜为四分之一波片；
第二起偏反射器50包括第二反射镜51和第二起偏膜52，第二反射镜51的反射面朝向第二显示屏32和第二检偏复合透镜20，第二起偏膜52位于第二反射镜51的反射面，第二起偏膜52的偏振角度与第二检偏膜23的偏振角度匹配，确保只有经过起偏膜偏振调整的光线才能够经过第二检偏膜23实现传播，能够确保到达第一检偏复合透镜10的光线经过了足够的光程，能够有效确保光学系统可调节的景深，优选地，起偏膜为四分之一波片。
在本实施例中，第一检偏复合透镜10和第二检偏复合透镜20均具备正光焦度，能够进一步提高人眼可获得的视场，可显著提高整体光学系统给用户带来的沉浸式体验效果。
在本实施例中，第一凸透镜12和第二凸透镜22均为液态透镜，第一凹透镜11和第二凹透镜21均为固态透镜，根据需求调节液态透镜的焦距，能够有效适应不同视力的人群，能够有效提高本头戴式VR的适应性，凹透镜部分设置固体透镜结构，能够有效确保凸透镜在一定的结构范围之内，可有效提高检偏复合透镜的可靠性。
基于上述实施例，第一检偏膜13位于第一凹透镜11远离第一凸透镜12的一侧，第二检偏膜23位于第二凹透镜21远离第二凸透镜22的一侧，能够确保液态的凸透镜在调节的过程中不会受到检偏膜的影响，整体结构稳定可靠。
在本实施例中，第一起偏反射器40与分割基准面之间形成有夹角α，第二起偏反射器50与分割基准面之间也形成有夹角α，30°≤α≤60°，能够确保头戴式VR内部的空间利用率。优选地，设置α＝45°，在一定程度下可以最大限度地利用头戴式VR设备的内部空间。
在本实施例中，第一显示屏31和第二显示屏32之间连接有散热器30，通过散热器30能够有效避免热量积聚而影响整体光学系统的工作性能，散热器30可以为带有散热翅片的铝制定位座结构。
本发明还公开了基于上述任一实施例中大景深的头戴式VR光学系统的成像方法，包括以下步骤：
S1、在同一时刻内，第一显示屏31和第二显示屏32分别形成第一图像和第二图像，第一图像和第二图像为存在视差的镜像图像；
S2、第一图像经过第一起偏反射器40偏振后形成反射至第一检偏复合透镜10的第一反射光，第一图像经过第二起偏反射器50偏振后形成反射至第二检偏复合透镜20的第二反射光；
S3、由于第一反射光与第一检偏复合透镜10的偏振角度匹配，第一反射光恰好经过第一检偏复合透镜10消色差后到达其中一只人眼，第二反射光恰好经过第二检偏复合透镜20消色差后到达另一只人眼，两人眼接收的图像能够用户的脑海中形成立体显示图像。
本发明的光路结构如2图所示，通过起偏反射器以转向的方式充分利用头戴式VR内部各方向的位置，并且配合检偏复合透镜能够有效提高光学系统中成像光线的光程，形成的显示效果可以获得良好的景深区分，从而显著提高立体显示的沉浸式体验，同时不会额外增大头戴式VR的体积；设于分割基准面的显示屏能够防止另一显示屏的光线混杂进来而影响成像的保真性，并且同一侧光线通过偏振的方式能够筛选出经过了足够光程的光线，可有效确保显示结果的有效性，避免显示器的光线直接投射到检偏复合透镜；此外，最终从检偏复合透镜出射的光线能够有效消除色散，避免用户长时间使用后产生头晕目眩等不良反应，从而有效降低该头戴式VR设备的使用门槛。
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)

1.一种大景深的头戴式VR光学系统，其特征在于，包括第一检偏复合透镜(10)、第二检偏复合透镜(20)、第一显示屏(31)、第二显示屏(32)、第一起偏反射器(40)和第二起偏反射器(50)；
所述第一检偏复合透镜(10)和所述第二检偏复合透镜(20)的主光轴平行间隔，所述第一检偏复合透镜(10)和所述第二检偏复合透镜(20)之间形成有分割基准面，所述第一检偏复合透镜(10)和所述第二检偏复合透镜(20)关于所述分割基准面对称；
所述第一显示屏(31)和所述第二显示屏(32)相背设于所述分割基准面的相对两侧，所述第一检偏复合透镜(10)和所述第一显示屏(31)的主光轴相交于所述第一起偏反射器(40)，所述第二检偏复合透镜(20)和所述第二显示屏(32)的主光轴相交于所述第二起偏反射器(50)；
所述第一检偏复合透镜(10)包括第一凹透镜(11)、第一凸透镜(12)和第一检偏膜(13)，所述第一凸透镜(12)的一面与所述第一凹透镜(11)的一面紧贴连接；
所述第二检偏复合透镜(20)包括第二凹透镜(21)、第二凸透镜(22)和第二检偏膜(23)，所述第二凸透镜(22)的一面与所述第二凹透镜(21)的一面紧贴连接；
所述第一起偏反射器(40)包括第一反射镜(41)和第一起偏膜(42)，所述第一反射镜(41)的反射面朝向所述第一显示屏(31)和第一检偏复合透镜(10)，所述第一起偏膜(42)位于所述第一反射镜(41)的反射面，所述第一起偏膜(42)与所述第一检偏膜(13)的偏振角度匹配；
所述第二起偏反射器(50)包括第二反射镜(51)和第二起偏膜(52)，所述第二反射镜(51)的反射面朝向所述第二显示屏(32)和第二检偏复合透镜(20)，所述第二起偏膜(52)位于所述第二反射镜(51)的反射面，所述第二起偏膜(52)与所述第二检偏膜(23)的偏振角度匹配。
2.根据权利要求1所述的一种大景深的头戴式VR光学系统，其特征在于，所述第一检偏复合透镜(10)和所述第二检偏复合透镜(20)均具备正光焦度。
3.根据权利要求1所述的一种大景深的头戴式VR光学系统，其特征在于，所述第一凸透镜(12)和所述第二凸透镜(22)均为液态透镜，所述第一凹透镜(11)和所述第二凹透镜(21)均为固态透镜。
4.根据权利要求3所述的一种大景深的头戴式VR光学系统，其特征在于，所述第一检偏膜(13)位于所述第一凹透镜(11)远离所述第一凸透镜(12)的一侧，所述第二检偏膜(23)位于所述第二凹透镜(21)远离所述第二凸透镜(22)的一侧。
5.根据权利要求1所述的一种大景深的头戴式VR光学系统，其特征在于，所述第一起偏反射器(40)与所述分割基准面之间形成有夹角α，所述第二起偏反射器(50)与所述分割基准面之间也形成有夹角α，30°≤α≤60°。
6.根据权利要求5所述的一种大景深的头戴式VR光学系统，其特征在于，α＝45°。
7.根据权利要求1所述的一种大景深的头戴式VR光学系统，其特征在于，所述第一显示屏(31)和所述第二显示屏(32)之间连接有散热器(30)。
8.权利要求1～7任一项所述大景深的头戴式VR光学系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在同一时刻内，第一显示屏(31)和第二显示屏(32)分别形成第一图像和第二图像，第一图像和第二图像为存在视差的镜像图像；
S2、第一图像经过第一起偏反射器(40)偏振后形成反射至第一检偏复合透镜(10)的第一反射光，第一图像经过第二起偏反射器(50)偏振后形成反射至第二检偏复合透镜(20)的第二反射光；
S3、第一反射光恰好经过第一检偏复合透镜(10)消色差后到达其中一只人眼，第二反射光恰好经过第二检偏复合透镜(20)消色差后到达另一只人眼，两人眼接收的图像能够形成立体显示图像。
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