CN205581417U - 一种虚拟现实光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种虚拟现实光学系统，包括光阑(100)，所述的光阑(100)一侧设有相对其位置固定的第一透镜(1)和相对其能前后移动的第二透镜(2)，所述的第二透镜(2)远离光阑(100)一侧设有反射元件(3)和显示屏(200)，所述的显示屏(200)发出的光线经过反射元件(3)反射而进入第二透镜(2)和第一透镜(1)后到达光阑(100)，所述的第一透镜(1)为正光焦度的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜(2)为负光焦度的弯月形非球面透镜，所述的反射元件(3)的光焦度为0。本实用新型结构简单、清晰度高，视场角大，体积小、重量轻。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及一种光学系统，更具体地说是一种反射式虚拟现实光学系统。
【背景技术】
目前虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)和增强现实(Augmented Reality，简称AR)进入快速发展期，这些装置安装在观察者的头部，因此它必须紧凑和轻量化，以减轻观察者的负载。对于VR系统而言，大视场是相当重要的，只有大视场，观察者才能更全神贯注的观察优质的动态图像，由于VR系统的视场、出瞳直径、焦距三者之间是相互制约的关系，同时达到大视场、大出瞳直径和短焦距相当困难。为此，镜片组及特殊镜片方案是未来VR系统的发展趋势。对于要求越来越高的VR领域来讲，需要画面更清晰，用户体验更优质的产品。
因此，本实用新型应运而生。
【实用新型内容】
本实用新型目的是克服了现有技术的不足，提供一种结构简单、清晰度高，视场角大，体积小、重量轻的虚拟现实光学系统。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种虚拟现实光学系统，其特征在于：包括光阑100，所述的光阑100一侧设有相对其位置固定的第一透镜1和相对其能前后移动的第二透镜2，所述的第二透镜2远离光阑100一侧设有反射元件3和显示屏200，所述的显示屏200发出的光线经过反射元件3反射而进入第二透镜2和第一透镜1后到达光阑100，所述的第一透镜1为正光焦度的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜2为负光焦度的弯月形非球面透镜，所述的反射元件3的光焦度为0。
如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：从所述的光阑100至反射元件3方向，所述第一透镜1的第一面为双曲线非球面、第二面为椭圆非球面；所述第二透镜2的第一面为圆形非球面、第二面为扁圆非球面。
如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的反射元件3是平面反光镜或反射棱镜或反射式自由曲面。
如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的反射元件3镀有多层反射膜。
如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜1和第二透镜2为塑料透镜。
如上所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的显示屏200为液晶显示屏。
如上虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜1、第二透镜2的非球面表面形状满足以下方程： 在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数。
与现有技术相比，本实用新型有如下优点：
1、本实用新型的视场角非常大，视场角可达到120°，3D效果更明显，观看影像时有身临其境的完美感受。
2、本实用新型的光学系统可以适用所有体验者，可以通过调节第二透镜的位置来调节视度，任何使用者都可以通过调节视度，看清楚整个画面。
3、本实用新型合理的分配放大率，畸变很小，像面放大后，真实感得到保证，更符合虚拟现实的要求。
4、本实用新型的第一透镜和第二透镜全部采用塑料镜片，结构紧凑，体积很小，系统轻便，整个完成品的重量小于250g，观察者佩戴非常舒适。
5、本实用新型的入瞳直径很大，显示的图像亮度没有明显的衰减，清晰度非常高，且画面均匀，无论眼睛怎么转动，都能够看清整个画面，不容易导致观察者视觉疲劳。
【附图说明】
图1是本实用新型示意图；
图2是本实用新型光学系统光路图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本实用新型作进一步描述：
一种虚拟现实光学系统，包括光阑100，所述的光阑100一侧设有相对其位置固定的第一透镜1和相对其能前后移动的第二透镜2，所述的第二透镜2远离光阑100一侧设有反射元件3和显示屏200，所述的显示屏200发出的光线经过反射元件3反射而进入第二透镜2和第一透镜1后到达光阑100，所述的第一透镜1为正光焦度的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜2为负光焦度的弯月形非球面透镜，所述的反射元件3的光焦度为0。本实用新型光学系统使用时光线是逆向传播的，实际光路为微型液晶显示屏200发出的光线，先经过反射元件3反射进入第二透镜2，然后经过第二透镜2透射进入第一透镜1，最后经过第一透镜1透射到达光阑100处，光阑100即为观察者眼睛。
为了设计方便，设计中眼睛可当作理想透镜，同时按照光线正向传播的思路设计，设计系统中的光阑即为观察者。所述的第一透镜1为塑料非球面正透镜，使得通过光阑100孔径的所有光线都能顺利进入整个光学系统，实现了大视场角，视场角可达到120°，实现明显的3D效果，第一透镜1可以采用低折射率材料，且光焦度较大，主要承担了图像放大及图像投远的效果。
所述的第一透镜1的光焦度为正，且相对于光阑100固定不动；所述的第二透镜2的光焦度为负且能相对光阑100前后移动。因此，利用人眼成像原理，当近视眼用户使用时，画面需要向眼睛方向移动，调节第二透镜2的位置，补偿由近视引起的画面移动量，使得光学系统始终能够聚焦在显示屏200上。利用光路可逆原理，显示屏200发出的光线也能够进入人眼，聚焦在视网膜上，不同视度的人，只要将第二透镜2调整到合适的位置，就能够看清楚画面，实现光学系统内部对焦、视度调整，适用于所有体验者，改善了市面上的产品只能用于正常视力使用者的局限性。
所述的反射元件3可以是平面反光镜，还可以是反射棱镜或反射式自由曲面，所述的反射元件3镀有多层反射膜。按照光线正向传播设计思路，通过第二透镜2投射出来的光线被反射元件3完全反射，进入像面即显示屏200。由于反射元件3的光焦度为0，本身不会产生像差，也不会影响整个光学系统像差的分配，另外，反射元件3使得光学系统的像面位置发生变化，转移到第一透镜1和第二透镜2的侧面，这样大大的减小了整个光学系统的长度，结构变得紧凑轻巧。
所述的第一透镜1采用低折射率高色散系数的塑料非球面正透镜，所述的第二透镜2采用高折射率低色散的塑料非球面负透镜，正负透镜配合使用，正透镜产生的负球差正好抵偿了负透镜产生的正球差，很好的矫正了光学系统的球差和正弦差。高色散材料和低色散材料搭配，不仅能够矫正系统的轴向色差，还能够矫正系统的垂轴色差，保证了系统的图像锐度和色彩还原性。光学系统中的第一透镜和第二透镜分开使用，能够很好的矫正光学系统的场曲及畸变。
从所述的光阑100至反射元件3方向，所述第一透镜1的第一面为双曲线非球面、第二面为椭圆非球面；所述第二透镜2的第一面为圆形非球面、第二面为扁圆非球面。整个光学系统采用了四面非球面，非球面不仅本身产生很小的像差，也能很好的平衡整个光学系统的像差，使得光学系统的像面中心和边缘都有相当高的分辨率。
所述的第一透镜1、第二透镜2的非球面表面形状满足以下方程：在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数。
本实用新型第一透镜1、第二透镜2和反射元件3都使用常见的塑料材质，有效的控制成本，减轻系统的重量。设计时采用宽光谱，且设计的理论分辨率远高于实际需要值，保证了图像锐度和色彩还原性。
Claims (7)
1.一种虚拟现实光学系统，其特征在于：包括光阑(100)，所述的光阑(100)一侧设有相对其位置固定的第一透镜(1)和相对其能前后移动的第二透镜(2)，所述的第二透镜(2)远离光阑(100)一侧设有反射元件(3)和显示屏(200)，所述的显示屏(200)发出的光线经过反射元件(3)反射而进入第二透镜(2)和第一透镜(1)后到达光阑(100)，所述的第一透镜(1)为正光焦度的双凸形非球面透镜，所述的第二透镜(2)为负光焦度的弯月形非球面透镜，所述的反射元件(3)的光焦度为0。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：从所述的光阑(100)至反射元件(3)方向，所述第一透镜(1)的第一面为双曲线非球面、第二面为椭圆非球面；所述第二透镜(2)的第一面为圆形非球面、第二面为扁圆非球面。
3.根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的反射元件(3)是平面反光镜或反射棱镜或反射式自由曲面。
4.根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的反射元件(3)镀有多层反射膜。
5.根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1)和第二透镜(2)为塑料透镜。
6.根据权利要求1或2所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的显示屏(200)为液晶显示屏。
7.根据权利要求1所述的虚拟现实光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1)、第二透镜(2)的非球面表面形状满足以下方程：在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数。
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|---|---|---|---|---|
| CN105717643A (zh) * | 2016-04-13 | 2016-06-29 | 中山联合光电科技股份有限公司 | 一种反射式虚拟现实光学系统 |
| CN108632599A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-09 | 蒋昊涵 | 一种vr图像的显示控制系统及其显示控制方法 |
| CN110749997A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-02-04 | 歌尔股份有限公司 | 一种ar显示设备 |
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| CN108632599B (zh) * | 2018-03-30 | 2020-10-09 | 蒋昊涵 | 一种vr图像的显示控制系统及其显示控制方法 |
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