一种虚拟现实装置的制作方法

本实用新型涉及虚拟现实
技术领域：
，尤其涉及一种虚拟现实装置。
背景技术：
：虚拟现实(VirtualReality，简称VR)技术是基于计算机生成的可交互的、具有一定沉浸感的视觉虚拟环境，人的左右眼通过目镜可看到屏幕所成的放大虚像，并且因左右眼存在的视差，使人眼可以看到立体的视觉图像。目前市场上的目镜普遍存在焦距过长、中心厚度太厚的缺陷，增加了使用者负担。在虚拟现实头盔中，目镜是其中的核心部件，为了让使用者有更佳的沉浸感，目镜需要足够大的视场角度提高使用者的沉浸感，现有的目镜的焦距较大，焦距不低于40mm，而且中心厚度也较厚，中心厚度不低于12mm，这样的目镜所构成的光学系统不够紧凑，增加使用者负担。现有技术在设计透镜时往往注重透镜的成像质量，因此现在市面上很多VR产品在使用时往往没有考虑是否会对使用者视力造成影响，因此使用者往往在使用时会有严重的眩晕感以及眼疲劳现象，不利于保护使用者的视力。技术实现要素：本实用新型提供一种虚拟现实装置，用以解决现有虚拟现实装置在使用时容易造成使用者视觉疲劳的技术问题。本实用新型提供一种虚拟现实装置，包括光学透镜、固定框架、显示屏，所述固定框架用于固定所述光学透镜，所述光学透镜与所述显示屏相对设置，所述光学透镜包括沿同一旋转轴旋转而成的第一曲面和第二曲面，所述第二曲面的焦距小于所述第一曲面的焦距，所述第二曲面设置在靠近所述显示屏的一侧，所述第二曲面的中心与所述显示屏的中心之间的直线距离为x，所述光学透镜的焦距为f，所述显示屏发出的光经所述光学透镜所成的虚像的像距的参考值为v'；其中，x<f，当f>20mm且230mm≤v′≤270mm时，所述像距接近明视距离。可选的，40mm<f<60mm。可选的，所述第一曲面的中心与所述第二曲面的中心之间的直线距离为光学透镜的中心厚度，所述光学透镜的中心厚度为d1，且5.5mm≤d1≤12mm。可选的，所述第一曲面的中心与所述第二曲面的中心之间的直线距离为光学透镜的中心厚度，所述光学透镜的中心厚度为d1，且5.5mm≤d1≤10mm。可选的，所述第一曲面的中心与所述显示屏的中心之间的直线距离为(d1+x)，其中，(d1+x)≤55mm。可选的，所述光学透镜的视场角大于或等于100°。可选的，所述光学透镜的有效口径大于或等于29mm。可选的，所述光学透镜的边缘厚度d2，满足1.5mm≤d2≤2.5mm。可选的，所述第一曲面和所述第二曲面为非球面。可选的，所述固定框架的安装直径比所述光学透镜的有效口径大1mm～3mm。对于本实用提供的虚拟现实装置，通过设定f和x满足的关系式将其作为像距的参考值，以及设置的取值范围在230mm～270mm之间，可设定合适的焦距f和合适的x使得像距接近明视距离，保证了人眼能够在舒适、放松的状态下使用VR装置，不会对视力造成损害。附图说明图1为本实用新型实施例提供的一种在不同焦距下，像距v随物距u变化的趋势图；图2为本实用新型实施例提供的一种带有固定框架的光学透镜的结构示意图；图3为本实用新型实施例提供的一种带有固定框架的光学透镜的结构示意图；图4为本实用新型实施例提供的一种光学透镜的结构示意图；图5为本实用新型实施例提供的一种光学透镜的成像光路示意图；图6为本实用新型实施例提供的一种光学透镜的成像光路示意图。具体实施方式在VR装置中，光学透镜相当于一个放大镜，当物体与目镜的距离小于焦距时，物体成放大的虚像，使用VR装置时，若人眼所看的物体远离明视距离(较远或较近)，都会使人眼晶状体进行调节，长时间观看物体则会出现眼疲劳，损害视力。物理学里，人眼看太远和太近的物体时，眼球都要进行调节，也就是改变眼球的突起程度，但有一个距离恰能使眼睛不用调节就能看清楚，这个距离就叫明视距离，明视距离约为250mm。也就是说眼睛看明视距离处的物体是感觉最舒服的。这时人眼的调节功能不太紧张，可以长时间观察而不易疲劳。为了使用VR装置时不易产生眼疲劳，需要针对VR装置内的光学系统，设计出的光学系统在保证成像质量的同时，VR装置内的光学透镜所成虚像的距离应满足人眼的明视距离250mm，这样人眼眼球不需要调整观看视角，使得人眼能在较为舒适、放松的情况下使用VR装置观看VR图像。为了设计出像距接近明视距离的VR光学系统，本实用新型的发明人结合VR光学系统的光学透镜的成像特点，对VR光学系统进行了如下研究：VR装置的光学系统由光学透镜和显示屏构成，VR装置的光学系统通常要求物距小于光学透镜的焦距，假如光学透镜主体到显示屏的距离为物距u(光学透镜与显示屏之间的最短距离)，光学透镜主体到虚像位置的距离为像距v，光学透镜的焦距为f，那么在u<f时，根据光路的可逆性，显示屏发出的光经光学透镜所成的像为正立放大的虚像，且虚像位置在显示屏同侧。并且根据几何光学原理，可以得知焦距f、物距u、像距v有如下几何关系：从上述几何公式中可以得到：若焦距f一定，在成虚像时，也即0<u<f，随着u的增大，其像距v也随之增加。为此，如果像距接近明视距离，那么对于光学透镜的焦距f和物距u也需控制在合适的范围内。为了找出合适的焦距f和物距u，本实用新型的发明人选取焦距分别为30mm、40mm和50mm的三种光学透镜，并模拟出了三种焦距下光学透镜的光学特性，绘制出了这三种焦距下，像距v随物距u变化的趋势图，具体参见图1。从图1可以看出，当焦距f一定时，像距v随着物距u的增大而增大。同时，随着焦距f的增加，当物距u越靠近焦距f时，像距v越大。从图1中的第一条曲线可以看出，当光学透镜的焦距f为30mm时，当物距u越靠近焦距f时(不会等于焦距f)，像距v越大，像距v接近250mm时，物距u约为27mm，随着物距u继续增大，像距继续增大至900mm左右。从图1中的第二条曲线可以看出，光学透镜的焦距f为40mm时，当物距u越靠近焦距f时，像距v越大。并且，像距v接近250mm时，物距u约为35mm，随着物距u继续增大，像距继续增大至1500mm左右。从图1中的第三条曲线可以看出，光学透镜的焦距f为50mm时，当物距u越靠近焦距f时，像距v越大。并且像距v接近250mm时，物距u约为42mm，随着物距u继续增大，像距继续增大至2500mm左右。但是，因物距、像距和焦距之间存在制约关系，像距保持在250mm左右时，物距u和焦距f之间并没有确定的线性关系。若要使像距保持在250mm左右，物距u和焦距f需要分别设定在合适的值附近。根据图1还可以得出的结论是，在最小焦距下，物距u很小时，如物距u在20mm以下时，像距远小于250mm。因此，VR装置的光学系统的像距在250mm左右时，物距至少要大于20mm，由于u<f，因此，光学透镜的焦距f要至少大于20mm。因此，需要在焦距f大于20mm的范围内，确定合适的焦距f和合适的物距u，并保证u<f来设计光学系统，以使光学系统的像距接近明视距离。通常光学透镜是厚透镜，现有的光学透镜的中心厚度要至少大于12mm，因此，物距u(光学透镜主体的主平面与显示屏之间的最短距离)不便于量取，本实用新型实施例采用光学透镜朝向显示屏的凸面中心与显示屏中心的直线距离作为物距u的参考值，进而根据可以得出像距v的参考值v'。只需将v'取合适的值，就能使像距v保持在250mm左右。基于本实用新型的上述实用新型构思，本实用新型实施例提供一种虚拟现实装置，请参阅图2和图3，包括：光学透镜101、固定框架104、显示屏，其中，固定框架104用于固定光学透镜101，固定框架104固定在光学透镜101的外边缘，光学透镜101与显示屏相对设置，光学透镜101包括沿同一旋转轴旋转而成的第一曲面102和第二曲面103，第二曲面103的焦距小于第一曲面102的焦距，第二曲面103设置在靠近显示屏的一侧，参阅图5，第二曲面103的中心与显示屏的中心之间的直线距离为x，光学透镜101的焦距为f，显示屏发出的光经光学透镜101所成的虚像的像距的参考值为v'；其中，x<f，当f>20mm且230mm≤v′≤270mm时，像距接近明视距离。其中，第一曲面102和第二曲面103的中心连线为旋转轴，第一曲面102的中心，第二曲面103的中心与显示屏的中心在一条直线上。第一曲面102和第二曲面103的外凸方向相反，当该双凸透镜应用在虚拟现实设备时，第一曲面102朝向观看侧，第二曲面103朝向显示屏幕。可选的，本实用新型实施例提供的通过以下方式获取：首先，根据可以得出为了简化模型，将透镜模型近似为薄透镜，即假设光学透镜101是理想薄透镜，不考虑光学透镜101主平面，在物距u无限接近f时，fu≈f2，因此，上述公式可以简化为：其次，令u≈x，即用x作为物距u的参考值，即可得到像距的参考值v'的表达式为：因此，本实用新型实施例中，通过设定f和x满足的关系式将其作为像距的参考值，以及设置的取值范围在230mm～270mm之间，可设定合适的焦距f和合适的x使得像距接近明视距离，保证了人眼能够在舒适、放松的状态下使用VR装置，不会对视力造成损害。下面对f和x的取值范围进行说明。在一可选实施例中，20mm<f<60mm，根据图1中像距与物距的制约关系，焦距f的取值至少大于20mm，像距v才可能保持在250mm左右，考虑到光学系统的尺寸不能太大，增加使用者负担，焦距f应小于60mm。在20mm<f<60mm时，x的取值范围根据(单位：mm)确定。第一曲面102的中心与第二曲面103的中心之间的直线距离为光学透镜101的中心厚度，假设光学透镜101的中心厚度为d1，在焦距f和x的上述取值满足像距接近明视距离的基础上，为了得到小尺寸的VR装置，光学透镜101的厚度需要减小，光学透镜101的厚度主要取决于中心厚度，d1的取值范围为：5.5≤d1≤12(单位mm)。在一最佳实施例中，40mm<f<60mm，考虑到焦距f小于40mm时，根据图1，物距小于35mm，物距u的参考值x通常小于物距u，因此x小于35mm，而x小于35mm时，会使视场角变小，从而影响VR装置为用户带来的沉浸感，为了尽可能增大视场角，需要x要大于35mm因此，可选的，焦距f应大于40。在40mm<f<60mm时，x的取值范围根据(单位：mm)确定。在焦距f和x的上述取值范围满足像距v接近明视距离的基础上，为了得到小尺寸的VR装置，光学透镜101的中心厚度d1需要减小，d1的取值范围为：5.5≤d1≤10(单位mm)。基于上述任一实施例，第一曲面102的中心与显示屏的中心之间的直线距离为(d1+x)，在d1的取值范围和x的取值范围满足上述任一可选实施例的基础上，最佳实施例中，(d1+x)≤55(单位mm)。在一最佳实施例中，为了进一步提高成像质量，第一曲面102和第二曲面103为非球面。非球面相对于球面可以有效的校正像差，第一曲面102和第二曲面103都为非球面时，光学透镜101所成的虚像的边缘也是清晰的，光学透镜101具有较好的成像质量。基于第一曲面102和第二曲面103为非球面，光学透镜101可以具备较大的视场角，所以光学透镜101的视场角FOV≥100°时，可满足较大的沉浸感。在一最佳实施例中，所以光学透镜101的视场角FOV≥100°时，光学透镜101的有效口径D≥29mm。参照图4，光学透镜101的有效口径D为光学透镜101主体的直径，光学透镜101的有效口径D需满足关系式：其中，l为瞳孔到光学透镜101第一曲面102的中心距离(也称为出瞳距离)，d为出瞳直径，w为光学透镜101的最大视场角。在使用VR装置时，为了防止人眼睫毛扫到临近人眼的第一曲面102，需要在人眼和第一曲面102之间保留一定的出瞳距离，因此，出瞳距离l一般在10mm～25mm。出瞳直径d一般为2mm～8mm。根据上述实施例，假如出瞳直径d为5mm，出瞳距离l为10mm，最大视场角w为100°时，根据上述关系式可知，光学透镜101的有效口径D应不小于29mm。在一最佳实施例中，光学透镜101的边缘厚度d2，d2满足1.5mm≤d2≤2.5mm时，可以进一步减轻光学透镜101的重量。根据透镜加工工艺，光学透镜101的边缘厚度应大于0.04D，因本实用新型实施例中，D≥29mm，因此光学透镜101的边缘厚度d2满足：d2>1.2mm。但从加工的难易程度来看，光学透镜101的边缘厚度不宜太薄，为使透镜容易加工且保证面型精度，光学透镜101的边缘厚度d2至少为1.5mm，且为确保整体缩小光学透镜101的厚度，光学透镜101的边缘厚度d2最大为2.5mm。所以，本实用新型实施例中，光学透镜101的边缘厚度d2为1.5mm～2.5mm。在一最佳实施例中，固定框架104的厚度与双凸透镜101的边缘厚度一致，即固定框架104的厚度为1.5mm～2.5mm。在一最佳实施例中，进一步减轻光学透镜101的重量，固定框架104的安装直径比光学透镜101的有效口径大1mm～3mm。可选的，本实用新型实施例中，固定框架104的外沿可以是圆形、椭圆、多边形的任意一种。本实施例的固定框架104首选圆形。在一最佳实施例中，第一曲面102和第二曲面103都是非球面，需要设计出第一曲面102和第二曲面103的面型参数，以便满足上述实施例中焦距f、有效孔径D、中心厚度d1、边缘厚度d2的取值范围，进而获得短焦距、薄厚度的光学透镜101。其中，非球面系数的表达式如下：其中，z为非球面的矢高，c为非球面的曲率，r为非球面在XY坐标平面的曲率半径，k为圆锥系数，α1至α8为非球面系数。表1r151.8686813c-1.05799167α10α2-3.458e-008α3-2.230e-013α4-1.903e-014α5-9.792e-017α60α70α80表2r-30c-18.0120785α10α2-5.170e-005α31.8879e-007α4-3.875e-010α53.1588e-013α60α70α80一种实施例中，满足光学透镜101主体的有效孔径D为40mm，中心厚度为9.6mm，边缘厚度为2mm，焦距f为51.8449mm，第一曲面102的非球面系数参见表1，第二曲面103的非球面系数参见表2。设置第一曲面102与显示屏的屏幕之间的中心距离x为41.5mm，根据表1和表2列出的第一曲面102和第二曲面103的面形参数，模拟出的VR装置的光学系统的光路示意图参见图5。结合图5中光路的成像数据，在满足光学透镜101主体的有效孔径D为40mm，中心厚度为9.6mm，边缘厚度为2mm，焦距f为51.8449mm，第一曲面102与显示屏的屏幕之间的中心距离x为41.5mm的条件时，透镜主体的视场角FOV可达110°，能使人有非常良好的沉浸感，并且光学透镜101主体所成的正立放大的虚像的位置在260mm处，即像距为260mm，接近明视距离，人眼在接近明视距离观看物体时，此时人眼最不容易出现疲劳状态，可以保证人眼能够在放松的状态下使用VR头盔，眼睛处于最放松状态，不会对视力造成损害。另一种实施例中，满足光学透镜101主体的有效孔径D为40mm，中心厚度为10mm，边缘厚度为1.7mm，焦距f为47.8mm，第一曲面102的非球面系数参见表3，第二曲面103的非球面系数参见表4。设置第一曲面102与显示屏的屏幕之间的中心距离x为38.5mm，根据表3和表4列出的第一曲面102和第二曲面103的面形参数，模拟出的VR装置的光学系统的光路示意图参见图6。结合图5中光路的成像数据，在满足光学透镜101主体的有效孔径D为40mm，中心厚度为10mm，边缘厚度为1.7mm，焦距f为47.8mm，第一曲面102与显示屏的屏幕之间的中心距离x为38.5mm的条件时，透镜主体的视场角FOV可达110°，能使人有非常良好的沉浸感，并且光学透镜101主体所成的正立放大的虚像的位置在245.6mm处，即像距v为245.6mm，像距接近明视距离，人眼在接近明视距离观看物体时，眼睛处于最放松状态，可以保证人眼能够在放松的状态下使用VR头盔，不会对视力造成损害。表3r110c-1.05799167α10α2-3.458e-008α3-2.230e-013α4-1.903e-014α5-9.792e-017α60α70α80表4r-29c-1.31880132α10α2-5.253e-006α36.0642e-008α4-1.844e-010α51.8268e-013α60α70α80综上，本实用新型实施例中，通过设定f和x满足的关系式将其作为像距的参考值，以及设置的取值范围在230mm～270mm之间，可设定40mm<f<60mm，在保证成像质量的前提下，使像距接近明视距离，保证了人眼能够在舒适、放松的状态下使用VR装置，不会对视力造成损害。在此基础上，为了使光学透镜101轻薄，光学透镜101的中心厚度d1的取值范围为5.5mm≤d1≤12mm，光学透镜101的边缘厚度d2的取值范围为1.5mm≤d2≤2.5mm。在此基础上，为了使VR装置具有较大的沉浸感，光学透镜101的视场角FOV≥100°时，光学透镜101的有效口径D≥29mm。尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也包含这些改动和变型在内。当前第1页1 2 3