应用于VRAR系统中的光学系统及其调焦方法与流程

本发明涉及vrar技术领域，特别是指一种应用于vrar系统中的光学系统及其调焦方法。

背景技术：

当观看vrar(虚拟现实、增强现实)系统显示的3d物体的时候，因为观看的原理是左右两只眼睛通过(色差、偏振或者分时)不同的立体显示机制分别看到了同一图像的不同显示，出现了视差，然后通过大脑把图像进行整合，从而实现立体的显示。这一过程中，两只眼睛分别通过晶状体调节焦点聚焦到屏幕或者是虚像平面的位置，但是大脑整合以后，由于立体的物体和屏幕或者虚像平面之间的纵深差，眼睛需要进行辐辏转动。而在持续观看动态3d图像过程中，若眼睛频繁地进行辐辏转动则容易出现眼疲劳。

为解决因辐辏冲突而导致观看者的眼疲劳，目前vrar系统中的光学系统通常是基于眼球追踪技术的深度检测之后进行的连续性调节，也就是说，眼球追踪技术通过跟踪2只眼球的视角，计算不同时刻人眼所聚焦的距离，这个距离即为立体视觉会聚面位置，然后基于此，现有技术可以通过如下方案的光学系统来解决辐辏冲突：

通过追踪的立体视觉会聚面位置，实时调节屏幕和vr透镜或者ar光学结构之间的距离，改变聚焦面，使得聚焦面始终和眼球追踪检测到的立体视觉会聚面在同一面上；然而实现该方案的光学系统需要较大的数据计算量。

技术实现要素：

本发明提出了一种应用于vrar系统中的光学系统及其调焦方法，可以在解决辐辏冲突问题时有效降低计算数据量，以减小计算开销所带来的成本。

基于上述目的，本发明提供一种应用于vrar系统中的光学系统的调焦方法，包括：

基于眼球追踪技术检测人眼的立体视觉会聚面位置；

判断出检测的立体视觉会聚面位置超出所述光学系统当前焦距对应的立体视觉舒适区范围后，调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内。

较佳地，所述光学系统中包括：多个不同焦距的透镜；以及

所述调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内，具体包括：

根据各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距；

将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

较佳地，所述光学系统中的透镜具体为3个，设置于光学系统的机械轮换结构上，以及所述光学系统还包括用以驱动所述机械轮换结构的伺服机构；以及

所述调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内，具体为：

根据各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距；

通过所述伺服机构控制所述机械轮换结构顺时针或逆时针旋转，将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

本发明还提供一种应用于vrar系统中的光学系统，包括：

眼球追踪模块，用于基于眼球追踪技术检测人眼的立体视觉会聚面位置；

焦距调节模块，用于判断出检测的立体视觉会聚面位置超出所述光学系统当前焦距对应的立体视觉舒适区范围后，调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内。

其中，所述焦距调节模块具体包括：

舒适区范围超出判断单元，用于在判断检测的立体视觉会聚面位置超出所述光学系统当前焦距对应的立体视觉舒适区范围后，输出焦距调节指令；

透镜切换单元，包括多个不同焦距的透镜；所述透镜切换单元用于接收到所述焦距调节指令后，根据各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距；将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

其中，所述透镜切换单元具体包括：伺服机构、机械轮换结构、设置于所述机械轮换结构上的3个透镜，以及轮换结构控制子单元；其中，

所述轮换结构控制子单元用于根据各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距；通过所述伺服机构控制所述机械轮换结构顺时针或逆时针旋转，将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

本发明还提供一种vrar系统，包括：如上所述光学系统。

本发明还提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上所述的应用于vrar系统中的光学系统的调焦方法。

本发明的技术方案中，基于眼球追踪技术检测人眼的立体视觉会聚面位置；进而，在判断出检测的立体视觉会聚面位置超出应用于vrar系统中的光学系统当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围后，调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内；从而只需在检测的立体视觉会聚面位置超出当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围的情况下进行焦距调节，对于立体视觉会聚面位置仍然在当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围内的情况则省去了焦距调节的操作，从而在解决辐辏冲突问题时大大降低了调焦的面数，从而有效降低了计算数据量，减小了计算开销所带来的成本。

进一步，本发明技术方案的光学系统采用多个不同焦距的透镜，而在进行焦距调节时，通过将光学系统当前使用的透镜切换为相应焦距的透镜，从而相比于现有技术的通过调节屏幕和vr透镜或者ar光学结构之间的距离来改变聚焦面的方案，大大降低了机械复杂程度。

更优地，本发明技术方案的光学系统采用3个透镜设置于机械轮换结构上，在进行焦距调节时，只需控制所述机械轮换结构顺时针或逆时针旋转就可以实现透镜的切换和焦距的调节，更进一步降低了机械复杂程度，还能达到快速进行焦距调节的目的。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种应用于vrar系统中的光学系统的调焦方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种光学系统的焦距所对应的立体视觉舒适区范围示意图；

图3为本发明实施例提供的一种调节光学系统的焦距的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的一种立体视觉舒适区范围划分区域后的空间效果示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于3个透镜的调节光学系统的焦距的具体方法流程图；

图6为本发明实施例提供的设置有3个透镜的机械轮换结构的透镜轮换示意图；

图7为本发明实施例提供的一种应用于vrar系统中的光学系统内部结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明的发明人对现有技术进行分析，发现现有技术解决辐辏冲突的方案都是连续性调节，即实时把vr透镜的聚焦面和立体视觉会聚面调节到同一个面上，这个过程是连续性的。然而，经过研究发现，在辐辏冲突出现的情况下，人眼聚焦于一定距离的时候，有一定的范围不会出现明显的辐辏冲突，这个对应的舒适区被称为percival(皮兹瓦尔)视觉舒适区；由此，本发明的发明人考虑到，可以通过对舒适区的利用有效地降低调焦的面数，从而有效降低了计算数据量，减小了计算开销所带来的成本。

因此，本发明的技术方案中，首先基于眼球追踪技术检测人眼的立体视觉会聚面位置；进而，在判断出检测的立体视觉会聚面位置超出应用于vrar系统中的光学系统当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围后，调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内；从而只需在检测的立体视觉会聚面位置超出当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围的情况下进行焦距调节，对于立体视觉会聚面位置仍然在当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围内的情况则省去了焦距调节的操作，从而在解决辐辏冲突问题时大大降低了调焦的面数，从而有效降低了计算数据量，减小了计算开销所带来的成本。

下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。

本发明实施例提供的一种应用于vrar系统中的光学系统的调焦方法，具体流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤s101：基于眼球追踪技术检测人眼的立体视觉会聚面位置。

具体地，基于眼球追踪技术采集眼球的观察视角；进而根据观察的两个眼球的视角，计算人眼当前所聚焦的距离，由此距离确定立体视觉会聚面位置。

步骤s102：判断检测的立体视觉会聚面位置是否超出应用于vrar系统中的光学系统当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围；若是，则执行如下步骤s103，进行焦距调节；若否，则不必执行焦距调节，跳转到步骤s101继续检测人眼的立体视觉会聚面位置。

正如之前所述，人眼聚焦于一定距离的时候，有一定的范围不会出现明显的辐辏冲突，这个对应的舒适区被称为视觉舒适区；那么也就是说，如果检测的立体视觉会聚面位置在光学系统当前焦距所形成的聚焦面的一定范围内，就不会出现明显的辐辏冲突。为便于描述，本文中将基于光学系统的焦距所形成的聚焦面不会出现明显的辐辏冲突的立体视觉会聚面位置范围，定义为该焦距对应的立体视觉舒适区范围。也就是说，若当前检测的立体视觉会聚面位置在光学系统当前的焦距对应的立体视觉舒适区范围内，就不会出现明显的辐辏冲突。

如图2所示，为percival视觉舒适区的原理图，横纵坐标均为屈光度单位，屈光度和距离的换算方式为：距离＝1/屈光度。例如，0.1d对应的即为10m距离。图2的纵坐标是光学系统当前焦距形成的聚焦面的屈光度表示，对应的横坐标范围是这个聚焦面对应的立体视觉舒适区范围的屈光度范围，亦即该焦距对应的立体视觉舒适区范围的屈光度范围。

例如，图2中的纵坐标的聚焦面的屈光度最大值4d，对应的立体视觉舒适区范围的横坐标范围是3.45d～6d；换句话说，当光学系统的当前焦距形成的聚焦面调节到0.25m的距离时，两只眼球转动会聚的视觉舒适区范围是0.167m～0.290m。

因此，本步骤中，在判断检测的立体视觉会聚面位置没有超出光学系统当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围的情况下，说明不会出现明显的辐辏冲突，则不执行焦距调节，以减少调焦面数；而在判断检测的立体视觉会聚面位置超出光学系统当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围后，才执行如下步骤s103，进行焦距调节。

步骤s103：调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内。

本步骤中，调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内，从而消除明显的辐辏冲突，避免了因辐辏冲突而导致观看者的眼疲劳。

在调节所述光学系统的焦距时可以采用现有技术的方案：通过调节屏幕和vr透镜或者ar光学结构之间的距离来改变聚焦面，然而，该方案需要通过较高复杂性的机械结构来实现。

因此，作为一种更优的的实施方式，在本发明的技术方案可以大大降低调焦的面数的前提，本发明提供的光学系统可以采用一种更易实现的机械结构：通过采用多个不同焦距的透镜的切换来实现焦距的调节。

本发明实施例提供的光学系统可以包括多个不同焦距的透镜，相应地，本步骤s103调节所述光学系统的焦距的具体方法，流程如图3所示，可以包括如下步骤：

步骤s201：根据光学系统的各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距；

步骤s202：将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

这样，检测的立体视觉会聚面位置即位于切换的光学系统的透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围内，从而消除了明显的辐辏冲突，避免了因辐辏冲突而导致观看者的眼疲劳，解决了辐辏冲突问题。

更优地，对于图2所示的立体视觉舒适区范围，本发明提出了三个互相相邻的区域：纵坐标的最大值4d，对应立体视觉舒适区范围是0.167m～0.290m，即6d～3.45d划分为区域3；那么接着对应立体视觉舒适区0.290m(3.45d)的聚焦面是1.6d，其对应的舒适区为0.290m～0.667m，即3.45d～1.5d划分为区域2；进而，对应0.667m(1.5d)的聚焦面是0.1d，其对应的舒适区为0.667m～10m，即1.5d～0.1d划分为区域1，列表如下表1所示。

表1

考虑到交互区域和人眼健康的因素，虚拟现实和增强现实的视角最佳观察距离即为0.25m～10m范围，所以此范围正好分得区域1、2、3，这是最少也是最节省的分区方案，在空间中的效果如图4所示。

基于上述的立体视觉舒适区范围划分的区域1、2、3，更优地，本发明提供的光学系统中的透镜具体可以是3个，设置于光学系统的机械轮换结构上；此外，所述光学系统还可以包括用以驱动机械轮换结构的伺服机构；相应地，本步骤s103中调节所述光学系统的焦距的具体方法的流程，可以如图5所示，包括如下步骤：

步骤s301：根据各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距。

具体地，本发明提供的光学系统中的3个透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，分别可以是上述划分的区域1、2、3，即分别是0.667m～10m、0.290m～0.667m、0.167m～0.290m。

从图2可以看出，区域1中0.667m～10m的立体视觉舒适区范围所对应的聚焦面为0.1d，区域2中0.290m～0.667m的立体视觉舒适区范围所对应的聚焦面为1.6d，区域3中0.167m～0.290m的立体视觉舒适区范围所对应的聚焦面为4d。

在物距(透镜到屏幕的距离)l一定的情况下，可以根据聚焦面的位置l′，计算透镜的焦距f，如公式一所示：

因此，在物距l一定的情况下，根据上述区域1、2、3分别对应的聚焦面的位置l′，可以分别计算出相对应的3个透镜的焦距f。

例如，在物距l为35mm的情况下，则根据上述分别对应于区域1、2、3的聚焦面的位置0.1d、1.6d、4d，可以计算出对应的3个透镜的焦距分别为：23mm、15.9mm、14.6mm。

步骤s302：通过所述伺服机构控制所述机械轮换结构顺时针或逆时针旋转，将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

如图6所示，通过伺服机构可以控制所述机械轮换结构顺时针或逆时针旋转，而设置于机械轮换结构的3个透镜构成正三角形。控制机械轮换结构顺时针或逆时针旋转120°，就可以完成透镜的切换和焦距的调节；此机械结构简单而易于实现，且透镜切换过程可以非常迅速，可以达到快速调节焦距的目的。

例如，在人眼前面，光学系统当前使用的透镜为焦距对应于区域1的透镜，则在检测到立体视觉会聚面位置仍然处在区域1范围后，则不轮换透镜；若判断检测到的立体视觉会聚面位置处于区域3，则逆时针轮换透镜将焦距对应于区域3的透镜轮换到人眼前面，作为光学系统当前使用的透镜；若判断检测到的立体视觉会聚面位置处于区域2，则顺时针轮换透镜将焦距对应于区域2的透镜轮换到人眼前面，作为光学系统当前使用的透镜。

由于此3个透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，覆盖了虚拟现实和增强现实的视角最佳观察距离即为0.25m～10m范围，因此，仅以切换3个透镜实现3种焦距的切换即可解决辐辏冲突问题，大大降低了调焦的面数，从而有效降低了计算数据量，减小了计算开销所带来的成本。

基于上述的应用于vrar系统中的光学系统的调焦方法，本发明实施例提供的一种应用于vrar系统中的光学系统，内部结构如图7所示，包括：眼球追踪模块701、焦距调节模块702。

其中，眼球追踪模块701用于基于眼球追踪技术检测人眼的立体视觉会聚面位置；

焦距调节模块702用于判断出眼球追踪模块701检测的立体视觉会聚面位置超出所述光学系统当前焦距对应的立体视觉舒适区范围后，调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内。

其中，焦距调节模块702具体可以包括如下单元：舒适区范围超出判断单元711、透镜切换单元712。

舒适区范围超出判断单元711用于在判断检测的立体视觉会聚面位置超出所述光学系统当前焦距对应的立体视觉舒适区范围后，输出焦距调节指令；

透镜切换单元712包括多个不同焦距的透镜；所述透镜切换单元712用于接收到舒适区范围超出判断单元711输出的焦距调节指令后，根据光学系统的各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距；将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

上述的透镜切换单元具体可以包括：伺服机构、轮换结构控制子单元，以及如图6所示的机械轮换结构和设置于所述机械轮换结构上的3个透镜；

其中，所述轮换结构控制子单元用于根据各透镜的焦距所对应的立体视觉舒适区范围，判断检测的立体视觉会聚面位置所位于的立体视觉舒适区范围所对应的焦距；通过所述伺服机构控制所述机械轮换结构顺时针或逆时针旋转，将该焦距的透镜切换为所述光学系统的当前使用的透镜，实现所述光学系统的焦距调节。

本发明实施例提供的一种vrar系统可以包括上述的光学系统。

本发明实施例提供的一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的本发明实施例提供的应用于vrar系统中的光学系统的调焦方法。

本发明的技术方案中，基于眼球追踪技术检测人眼的立体视觉会聚面位置；进而，在判断出检测的立体视觉会聚面位置超出应用于vrar系统中的光学系统当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围后，调节所述光学系统的焦距，使得检测的立体视觉会聚面位置进入调节后的焦距对应的立体视觉舒适区范围内；从而只需在检测的立体视觉会聚面位置超出当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围的情况下进行焦距调节，对于立体视觉会聚面位置仍然在当前焦距所对应的立体视觉舒适区范围内的情况则省去了焦距调节的操作，从而在解决辐辏冲突问题时大大降低了调焦的面数，从而有效降低了计算数据量，减小了计算开销所带来的成本。

进一步，本发明技术方案的光学系统采用多个不同焦距的透镜，而在进行焦距调节时，通过将光学系统当前使用的透镜切换为相应焦距的透镜，从而相比于现有技术的通过调节屏幕和vr透镜或者ar光学结构之间的距离来改变聚焦面的方案，大大降低了机械复杂程度。

更优地，本发明技术方案的光学系统采用3个透镜设置于机械轮换结构上，在进行焦距调节时，只需控制所述机械轮换结构顺时针或逆时针旋转就可以实现透镜的切换和焦距的调节，更进一步降低了机械复杂程度，从而达到既能降低软件数据计算量又能降低硬件复杂程度的技术效果；此外，还能达到快速进行焦距调节的目的。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。