一种虚拟现实设备及虚拟现实系统的制作方法

本发明涉及光学系统设计技术领域，特别涉及一种虚拟现实设备及虚拟现实系统。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是仿真技术与计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，能够使用户沉浸到该环境中，从而达到虚拟现实的目的。

目前，在VR穿戴设备设计时，得到大视场、高透过率和高性能的光学系统是VR穿戴设备光学设计时必须考虑的关键设计点。为了达到上述目的，需要对光学放大模组结构进行优化设计。而现有的光学放大模组结构没有进行优化设计，因此无法保证在整个范围内均能实现上述目的，即无法保证给用户带来良好的体验感。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种虚拟现实设备及虚拟现实系统，以提高VR穿戴设备的视场角、透过率和成像质量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种虚拟现实设备，包括同轴设置的显示屏、具有正折射能力的透镜组和出瞳，所述显示屏为曲面屏，所述曲面屏的开口朝向所述透镜组，所述显示屏上的图像经过所述透镜组成像在所述出瞳位置；

所述透镜组从所述出瞳到所述显示屏依次包括同轴设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜与所述第二透镜均为正透镜，所述第三透镜为负透镜；

其中，所述第一透镜的两个光学面均为非球面；所述第二透镜远离所述显示屏的光学面为非球面，靠近所述显示屏的光学面为球面；所述第三透镜远离所述显示屏的光学面为非球面，靠近所述显示屏的光学面为球面。

优选地，所述透镜组的系统焦距为30.07mm。

优选地，所述非球面的面型表达式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{r}^{2i}$

其中，c为顶点曲率，r为透镜表面点到光轴投影高度，K为圆锥常数，为旋转对称高次项系数，N为正整数。

优选地，所述第一透镜为凹凸透镜，所述第一透镜远离所述显示屏的凹面为10次非球面，所述第一透镜靠近所述显示屏的凸面为8次非球面；

所述第二透镜为双凸透镜，所述第二透镜远离所述显示屏的凸面为8次非球面，所述第二透镜靠近所述显示屏的凸面为球面；

所述第三透镜为双凹透镜，所述第三透镜远离所述显示屏的凹面为8次非球面；所述第三透镜靠近所述显示屏的凹面为球面。

优选地，所述第一透镜与所述第二透镜的材质相同，且与所述第三透镜的材质不同。

优选地，所述第一透镜远离所述显示屏的表面与所述显示屏之间的距离小于77mm。

优选地，所述显示屏为球面屏。

优选地，所述出瞳直径为10mm。

优选地，所述虚拟现实设备为虚拟现实眼镜或虚拟现实头盔。

本发明还提供一种虚拟现实系统，包括上面所述的虚拟现实设备。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的虚拟现实设备包括同轴设置的显示屏、具有正折射能力的透镜组和出瞳，所述显示屏为曲面屏，所述显示屏上的图像经过所述透镜组成像在所述出瞳位置；所述透镜组从所述出瞳到所述显示屏依次包括同轴设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜与所述第二透镜均为正透镜，所述第三透镜为负透镜；其中，所述第一透镜的两个光学面均为非球面；所述第二透镜远离所述显示屏的光学面为非球面，靠近所述显示屏的光学面为球面；所述第三透镜远离所述显示屏的光学面为非球面，靠近所述显示屏的光学面为球面。即本发明中的虚拟现实设备中的透镜包括球面结构和非球面结构，其中，采用非球面结构能够校正影响成像质量的彗差、像散等垂直光轴的像差，提高成像质量；且由于采用非球面结构，能够减少球面透镜的使用，进而提高虚拟现实设备的透过率，同时非球面结构还具有扩大视场角度的作用。

进一步的，由于采用非球面结构后，可以减少球面透镜的使用，进而使得VR设备结构更加简单，能够实现轻量化；曲面显示屏在同等对角线尺寸下的像素比平面屏的多，曲面显示屏能够提供更多的像素，同时，与所述透镜组组合，更有利于虚拟现实设备的小型化和轻量化。

另外，本发明还提供一种虚拟现实系统，包括上述虚拟现实设备，由于虚拟现实设备的成像质量更高、视场角更大、透过率更高，使得所述虚拟现实系统的成像质量、视场角和透过率同样提升，且还能减小虚拟现实系统的质量，使得其结构更加简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的虚拟现实设备的光路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的虚拟现实设备的调制传递函数曲线图；

图3为本发明实施例提供的虚拟现实设备的畸变图；

图4为本发明实施例提供的虚拟现实设备的弥散圆直径图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中VR设备采用球面透镜且显示屏为平面，显示屏作为图像源，显示屏上的图像经过VR设备中的光学系统，在出瞳位置成像，显示屏上的图像经过光学系统后，会聚在出瞳位置，从而人眼位于出瞳位置，向VR设备看去，形成放大的图像。

但由于球面镜在光学性能上存在着很多缺陷，单独成像时，往往伴随着无法克服的各种光学像差，大大降低了成像质量，虽然采用一系列的透镜组可以解决上述问题，但同时又增加了系统的体积和造价，使系统结构变复杂。

非球面镜被广泛应用在光学系统中，具有校正像差，提高系统相对口径、扩大视场角度、简化系统结构、减轻重量、缩小体积等优势。将非球面置于光学系统中合适的地方，能够完全校正球面产生的像差，提高系统的成像质量。

同时，图像源采用曲面显示屏，在同等对角线尺寸下，曲面显示屏提供的像素比平面屏提供的像素更多，从而使得图像数据量更加丰富，成像质量也进一步得到提高。

基于上述分析，将非球面与曲面屏组合使用，能够同时解决VR设备市场角小、体积大且透过率较小、成像质量差的问题。

以上为本发明的发明思想，下面通过具体实施例对本发明提供的虚拟现实设备进行详细描述。

本发明实施例提供一种虚拟现实(VR)设备，如图1所示，包括同轴设置的显示屏3、具有正折射能力的透镜组2和出瞳1，显示屏3为曲面屏，曲面屏的开口朝向透镜组2，显示屏3上的图像经过透镜组2成像在出瞳1位置；透镜组2从出瞳1到显示屏3依次包括同轴设置的第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23，第一透镜21与第二透镜22均为正透镜，第三透镜23为负透镜；其中，第一透镜21的两个光学面(如图1中透镜面211和透镜面212所示)均为非球面；第二透镜22远离显示屏3的光学面(即图1中透镜面221)为非球面，靠近显示屏3的光学面(即图1中透镜面222)为球面；第三透镜23远离显示屏3的光学面(即图1中透镜面231)为非球面，靠近显示屏3的光学面(即图1中透镜面232)为球面。

需要说明的是，本实施例中提供的虚拟现实设备为同轴系统，即光学系统、显示屏和出瞳的光轴位于同一直线上，其中光线从显示屏出射，经过透射式光学系统，进入到出瞳位置，在光线传输过程中，均为光学透射，未经过光学反射，且光轴方向未改变。

本实施例中提供的非球面透镜面的面型表达式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{r}^{2i}$

其中，c为顶点曲率，r为透镜表面点到光轴投影高度，K为圆锥常数，α_i为旋转对称高次项系数，N为正整数。

现有技术中使用平面屏时，场曲需要多片非球面透镜进行像差校正，造成VR设备在人眼的眼轴方向尺寸过长，平面屏过大，人两眼对应的两个平面屏之间将会存在重叠部分，从而相互影响，使得图像呈现存在缺陷。而使用曲面屏可以减少透镜的数量，眼轴方向尺寸小便于双通道的曲面屏摆放。对于曲面屏而言，本实施例中可以采用球面屏也可以采用非球面屏，为使得成像系统能够旋转对称，本实施例中优选地，所述显示屏为球面屏，且显示屏3为液晶显示屏。

为使显示屏上的图像在出瞳位置成像质量较好，且能够实现大视场角，需要将透镜组的各个表面进行相应的设计，本实施例中，优选地，第一透镜21为凹凸透镜，第一透镜21远离显示屏3的凹面211为10次非球面，第一透镜21靠近显示屏3的凸面212为8次非球面；第二透镜22为双凸透镜，第二透镜22远离显示屏3的凸面221为8次非球面，第二透镜22靠近显示屏3的凸面为球面；第三透镜23为双凹透镜，第三透镜23远离显示屏3的凹面231为8次非球面；第三透镜23靠近显示屏3的凹面232为球面。不同次项的非球面，如10次非球面的第一透镜凹面211和8次非球面的第二透镜的凸面212的α_i中的i不同，α_i的值也不同；而相同的次项的非球面，如第二透镜的凹面212和第三透镜的凹面231同样未8次非球面，非球面面型中α_i中的i相同，但α_i的值也不同。

校正像差原理为：用光学参量，包括半径、非球面系数、材料、间隔、相对位置等平衡影响成像质量的像差分量。因此，为获得较好成像质量，可以通过控制局部面型类达到校正像差的目的。本实施例中，第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23，其中至少有一个透镜的材质与其他两种不同，从而起到消色差的作用。本实施例中优选地，第一透镜21与第二透镜22的材质相同，且与第三透镜23的材质不同。第一透镜21和第二透镜22采用中国玻璃HZK7加工形成，第三透镜23采用中国玻璃HZF6加工形成。在本发明的其他实施例中，所述第一透镜21和第二透镜22以及第三透镜23还可以采用其他种类的玻璃形成，本实施例中对此不做限定，只要三者采用两种或两种以上材质形成即可，不同的材料能够起到消色差的作用，从而能够进一步提高成像质量。需要说明的是，本实施例中透镜组2中应用到的非球面二次系数精度均控制在千分之八，面型PV控制在0.5μm。其中，面型是光学制造中的重要精度指标之一，简单来说是表面不平整度，PV是表示路面的最高处与最低处的差值。

第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23的各光学面面型参数、元件材料、各光学元件厚度、各光学表面间距如表1所示：

表1

表1中所述的前表面指靠近出瞳、远离显示屏的表面，所述的后表面是指远离出瞳、靠近显示屏的表面。

且需要说明的是，透镜组2中的第一透镜21的后表面212与第二透镜22的前表面221的距离精度控制在0.02mm，第二透镜22的后表面222与第三透镜23的前表面231的距离精度控制在0.02mm，第三透镜23的后表面232与LCD显示屏3的中心距离精度控制在0.03mm。所述距离精度是指误差范围。在上述精度控制范围内，可通过人眼的眼调节能力观看到清晰像。

本实施例中优选地所述出瞳的直径为10mm，出瞳1距离第一透镜21的前表面211的距离为14mm，工作波长范围为486nm～656nm，包括端点值。所述透镜组中最大通光孔径小于70mm。

经过仿真模拟得到，本实施例中提供的透镜组的系统焦距为30.07mm，本实施例提供的虚拟现实设备的视场角可以达到112°×112°；所述显示屏采用长宽比为4:3曲面屏时，单目视场角可以达到水平112°×垂直84°，本实施例中提供的虚拟现实设备最大可以支持对角线长4.4英寸的LCD(液晶)曲面屏。

通过对本实施例提供的虚拟现实设备的成像效果进行检测，可以得到如图2、图3和图4所示的成像效果图。其中：

图2为本发明实施例提供的同轴超大视场曲屏虚拟现实设备的调制传递函数曲线图，通过读图，可以得知在10lp/mm频率处，全部视场传递函数均大于0.4。

图3为本发明实施例提供的同轴超大视场曲屏虚拟现实设备成像的畸变图，通过计算可以得知，全视场内畸变最大值6.53％，平均畸变1.658％，标准差为1.0254％。

图4为本发明实施例提供的同轴超大视场曲屏虚拟现实设备的弥散圆直径图，通过计算可以得知，全视场内弥散斑最小直径41.84μm，最大直径53.10μm，平均直径43.818μm，标准差2.008μm。

综上所述，本实施例提供的同轴大视场曲屏虚拟现实设备的中心视场在10lp/mm空间频率处的MTF(光学传递函数)大于0.58，边缘视场在10lp/mm空间频率处的MTF大于0.4，全视场内最大相对畸变小于10％，平均畸变小于1.5％，其中，畸变不影响图像清晰度只改变图像形状，通过计算机补偿可以进行良好校正，因此本设计不做畸变的单独校正。

由于采用非球面面型透镜以及曲面显示屏，使得球面镜的数量减少到只剩3片，并通过合理的光路设计，将第一透镜21远离所述显示屏的表面211与所述显示屏3之间的距离缩小至小于77mm，从而使得虚拟现实设备的结构更加简单，实现轻量化，减小了用户使用虚拟现实设备时的前坠感，使得用户体验更好。

本实施例提供的虚拟现实设备包括同轴设置的显示屏、具有正折射能力的透镜组和出瞳，所述显示屏为曲面屏，所述显示屏上的图像经过所述透镜组成像在所述出瞳位置；所述透镜组从所述出瞳到所述显示屏依次包括同轴设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜与所述第二透镜均为正透镜，所述第三透镜为负透镜；其中，所述第一透镜的两个光学面均为非球面；所述第二透镜远离所述显示屏的光学面为非球面，靠近所述显示屏的光学面为球面；所述第三透镜远离所述显示屏的光学面为非球面，靠近所述显示屏的光学面为球面。即本发明中的虚拟现实设备中的透镜包括球面结构和非球面结构，其中，采用非球面结构能够校正影响成像质量的彗差、像散等垂直光轴的像差，提高成像质量；且由于采用非球面结构，能够减少球面透镜的使用，进而提高虚拟现实设备的透过率，同时非球面结构还具有扩大视场角度的作用。

进一步的，由于采用非球面结构后，可以减少球面透镜的使用，进而使得VR设备结构更加简单，能够实现轻量化；曲面显示屏在同等对角线尺寸下的像素比平面屏的多，曲面显示屏能够提供更多的像素，同时，与所述透镜组组合，更有利于虚拟现实设备的小型化和轻量化。

基于上实施例提供的虚拟现实设备，本发明还提供了一种虚拟现实系统，所述虚拟现实系统包括上面实施例中所述的虚拟现实设备，所述虚拟现实设备同轴设置，所述虚拟现实设备可以是虚拟现实眼镜或虚拟现实头盔，本实施例中对此不做限定。

上述VR系统中采用上一实施例中所述的眼镜或头盔，使其具有较佳的视场角、高质量的成像效果以及小尺寸超薄结构等，将给使用者带来良好的体验，具体的请参考虚拟现实设备的实施例，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。