双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统及VR/MR设备的制作方法

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种具有双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统以及具有上述光学系统的虚拟现实/混合现实设备。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，是利用计算机模拟产生的、可交互、具有沉浸感的视觉的虚拟环境，是一种多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

混合现实(Mix reality，简称MR)，是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。

VR是纯虚拟数字画面，MR是数字化现实加上虚拟数字画面。MR技术可通过不同程度曝光摄像，还原人眼在特定环境下看不到的情景，但是，MR涉及视网膜投影技术。

近几年虚拟现实技术蓬勃发展，电子设备通过摄像头获取环境图像，将虚拟场景的人物及景象进行叠加合成图像，使使用者感受虚拟场景的人物置身于现实环境中。但是对于虚拟现实的光学部分或者说浸入感强的模拟设备以及混合现实设备都需要光学部分的处理。没有光学部分的视觉欺骗，裸眼方案暂时还不能应用到消费级市场。计算机视觉暂时还是要依靠光学处理才能达到三维效果。当前，市面现存的光学系统中，镜片材质一般采用塑料，这样的光学模组会引起色散严重，图像的中心区域和边缘区域畸变率严重不同导致图像扭曲，图像变形，边缘模糊，同时会引发使用者的眩晕感和恶心，用户体验变差。

因此，有必要改进上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，首先提供了一种双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统，可解决目前虚拟现实或浸入感强的模拟设备以及混合现实设备光学部分存在的畸变和色散、体验差的问题。

本发明提供的双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统，包括由靠近光阑的第一凸透镜和与所述第一凸透镜呈间距设置的第二凹透镜所组成的透镜模组；所述第一凸透镜为正焦距透镜，所述第二凹透镜为负焦距透镜；所述第一凸透镜与光阑相对的表面为外凸的球面，其曲率半径为18mm<R1<21mm，所述第一凸透镜与所述第二凹透镜相对的表面为外凸的双曲线非球面；所述第二凹透镜与所述第一凸透镜相对的表面为外凸的双曲线球面，所述第二凹透镜与屏幕相对的表面为内凹的球面，其曲率半径24mm<R2<27mm。

作为本发明的一种优选的方式，所述第一凸透镜的色散系数≥50，所述第一凸透镜的色散系数与所述第二凹透镜的色散系数之间的差值≥0。

作为本发明的一种优选的方式，所述第一凸透镜的焦距f1与第二凹透镜的焦距f2之间的比值为：-1.0<f1/f2<0.8。

作为本发明的一种优选的方式，所述第一凸透镜的中心厚度T1与所述第二凹透镜的中心厚度T2之间的比值为：3<T1/T2<4。

进一步地，所述第一凸透镜的中心厚度T1与所述第二凹透镜的中心厚度T2之间的比值T1/T2＝3.5。

作为本发明的一种优选的方式，与所述光阑相对的所述第一凸透镜之表面中心与所述光阑之间的距离L1为4.5-5.5mm。。

作为本发明的一种优选的方式，所述第一凸透镜与所述第二凹透镜的空气间隔为L2为12-14mm。

作为本发明的一种优选的方式，与所述屏幕相对的所述第二凹透镜表面中心与屏幕之间的距离L3为10-12mm。

本发明还提供了了一种VR/MR设备，具有上述所述的双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统。

本发明提供的双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统及VR/MR设备，可将原本单镜片的光焦度分散到两个光学元件上，可弥补由于软件不能达到的最优体验效果而进行二次校正，真正使得畸变和色散调整到最小化，有效解决了计算机预处理也难以完成的眩晕感和长时间佩戴不适的问题。同时，本发明的前凸后凹的透镜光学系统缩小了视距，使光学系统的总长度大大缩小，计算机图形变形小，边缘更佳平滑，3-D立体效果更加逼真，从而达到最好的用户体验效果。

本发明不仅仅适用于虚拟现实和混合现实领域，同时也可应用于微观观测领域和模拟设备领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例提供的双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统光路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例为非限制性示例实施例，且附图示出的特征不是必须按比例绘制。所给出的示例仅旨在有利于解释本发明，不应被理解为对本发明公开的实施例的限定。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明公开的实施例中，“第一”、“第二”、“第三”“第四”以及“上”、“中”、“下”等类似用语，仅是互为相对概念或是区分不同的组成部分或是以产品的正常使用状态为参考的，并不表示任何顺序、数量和重要性，不应该认为是具有限制性的。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统，应用于虚拟/混合现实系统或/和虚拟/混合现实设备中，被配置为对显示屏发出的光进行成像，包括由靠近光阑3(本发明图示实施例应用于头戴式虚拟/混合现实设备中，光阑3为人眼瞳孔位置，其分别涉及使用者的左眼和右眼)的第一凸透镜1和与所述第一凸透镜1平行呈间距设置的第二凹透镜2所组成的双元素凸凹透镜模组，其中所述的第一凸透镜1为正焦距透镜，用于聚焦人眼准直光，提供影像放大功能，同时较好保持镜片的空间分辨率。该第一凸透镜1与光阑3相对的第一表面11为外凸的球面，其曲率半径为18mm<R1<21mm，所述第一凸透镜1与所述第二凹透镜2相对的第二表面12为外凸的双曲线非球面；所述第二凹透镜2为负焦距透镜，既可以用于校正相差，使得畸变和色散调整到最小，使光束出射的角度能够较好的匹配感光元件，同时还可以进一步扩大视场角度，提高视觉效果，使之在人的视网膜上形成清晰的物像。该第二凹透镜2与所述第一凸透镜1相对的第三表面21采用外凸的双曲线非球面形状，即第一凸透镜1与第二凹透镜2两相对的表面均为双曲线非球面，所述第二凹透镜2与屏幕4相对的第四表面22为内凹的球面，其曲率半径24mm<R2<27mm。所述屏幕4可为手机屏幕也可为电子设备内嵌屏幕。两透镜材料可选用PMMA和环烯烃聚合物树脂，其具有优异的透明性、空间稳定性以及光传导性，色散率低。

本发明提供的上述双元素凸凹镜片组合形成的VR/MR光学系统，将第一凸透镜1和第二凹透镜2组合，且采用不同的曲面配置，一方面可通过软件应用开发者在用户使用的软件中提前做好预畸变处理，比如提前调整桶型畸变或者枕型畸变的畸变曲度，做出预处理，另一方面通过增加第二凹透镜2来弥补由于软件不能达到的最优体验效果进行二次校正，既解决了单镜片无法解决的畸变率高，色散大的问题，同时也解决了软件无法处理的光学问题---如边缘图像不平滑，眩晕感强的问题，真正使得畸变和色散调整到最小化，从而达到最好的用户体验效果。而且，本发明两个透镜的两个表面是由一个球面和一个非球面所组成，其相互具有互补性，能够在有限的光学系统空间内达到较高的成像质量和较宽的视角。进一步地，由于非球面镜面比球面镜面更难以加工制造，成本也跟高，但良率却更低。因此，本发明的设计方案还可使得镜头制造的难度大大下降，双曲线非球面成本也相对便宜，良率更高。

本发明具体的结构设计中，所述第一凸透镜的色散系数≥50，所述第一凸透镜1的色散系数与所述第二凹透镜2的色散系数之间的差值≥0。可使色散调整到最小化，成像质量好，图像清晰度高。

请再参阅图1和图2，本发明具体的结构设计中，所述第一凸透镜1和第二凹透镜2朝外的表面均为球面，所述第一凸透镜1和第二凹透镜2相对的表面均采用双曲线非曲面，其非球面表面形状采用目前光学领域常用的双曲线构建。所述第一凸透镜1的焦距f1与第二凹透镜2的焦距f2之间的比值为：-1.2<f1/f2<0.8，优选f1/f2＝-1.0。上述第一凸透镜1的焦距与第二凹透镜2的焦距参数选配，既可靠的保证了第二凹透镜2能够较好的实现其校正功能，同时还在满足光学系统空间结构和成像质量的条件下，进一步扩大了视场角度(见图2)，增强了视觉效果。

请再参阅图1和图2，本发明具体的结构设计中，所述第一凸透镜1的中心厚度T1与第二凹透镜2的中心厚度T2之间的比值为：2.5<T1/T2<4.25，优选T1/T2＝3.5。同时，所述第一凸透镜1与第二凹透镜2总厚度与第一凸透镜1与第二凹透镜2之间的空气间隔TL之比为：0.5<(T1+T2)/TL<0.85。上述参数的设置，依据两透镜表面形状、厚度以及两透镜之间空气间隔优选配置，在合理分配放大率的条件下使得畸变和色散率大大降低，既保证了透镜的成像品质，又扩大了人眼的边缘视野和视场角度，同时可使整个VR/MR光学系统尺寸不至于过大，避免由于厚重而产生的不适感。

具体地，所述第一凸透镜1中心厚度T1为7.5-8.5mm，优选8.0mm；所述第二凹透镜2中心厚度T2为2-2.5mm，优选2.3mm；所述第一凸透镜1之第二表面12中心与所述第二凹透镜2之第三表面21中心之间距离TL(空气间隔)为13-14mm，优选13.11mm。

请再参阅图1和图2，本发明具体的结构设计中，所述第一凸透镜1之第一表面11中心与光阑3之间的距离L1为4.5-5.5mm，优选5mm。以保证使用时人眼瞳孔与第一凸透镜1之间具有合适的距离。

请再参阅图1和图2，本发明具体的结构设计中，与屏幕4相对之所述第二凹透镜2第四表面22中心与屏幕4之间的距离L3为10-12mm，优选10.86mm。一方面保证使用者在佩戴虚拟设备时具有舒适的视觉体验，另一方面使第二凹透镜2与屏幕4之间视场角较好的对应，保证在人的视网膜上形成清晰的物像。

本发明提供的上述双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统，对两镜片表面形状、曲率半径、透镜厚度、空气间隔、色散系数以及距离人眼位置等光学参数进行了优选及合理的布局，对人眼施加畸变校正和色散弱化的处理效果好，在测试和实际应用中可以明显体验得到畸变和色散明显降低，畸变降低至10％以内。图像变形小，边缘线条更加平滑，临在感更强,双目重叠的区域也更大，使用时放大图面真实感强，图像清晰度高，视场角度大，同时也弥补了因应用和视频帧率下降以及长时间佩戴不适导致的眩晕感,大大提升了用户的体验。

参见图1，本发明还提供了一种VR/MR(虚拟/混合现实)设备，包括外部框架5以及上述双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统，所述第一凸透镜1与第二凹透镜2组成的透镜模组固定于该外部框架5内，可通过嵌入或其他方式与外部框架5一体成型，方便透镜模组在虚拟/混合现实设备上的装配，减少装配误差，保证成像质量。

本发明提供的虚拟/混合现实设备，采用了本发明双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统，由于图像变形小，临在感强,双目重叠的区域大，使用时放大图面真实感强，图像清晰度高，完全符合现实世界中的透视法则，可使虚拟和真实的空间融合于同一画框，体验者能够身临其境的感受到虚拟物体与现实世界之间的依存；同时，采用的本发明双元素凸凹镜片的VR/MR光学系统空间尺寸小，使整个设备结构非常紧凑，应用于虚拟/混合现实头戴设备中使用者佩戴时没有厚重感，从而进一步提高了使用时的舒适度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。