一种VR眼镜的光学系统、方法和VR眼镜及存储介质与流程

一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储介质
技术领域
1.本发明涉及vr技术领域，尤其涉及一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质。


背景技术：

2.vr虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种虚拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中，目前的虚拟现实(virtual reality)技术是通过视觉、听觉、触觉等方面的数字信息来生成一体化的虚拟环境，从而具有沉浸式、交互性、多感知性的特点。随着vr虚拟现实技术迎来其快速膨胀的发展期，以及随着对vr产品的要求也越来越高，用户需要一台画面清晰细腻，视场范围大的vr眼镜来满足日益增长的显示雪球，在现有技术中已有的产品为菲涅尔透镜式的vr眼镜，但是该菲涅尔透镜式的vr眼镜的体积较大，并且清晰度不高，已经难以满足消费者对vr眼镜轻薄且画质清晰的需求了。
3.综上所述，本发明实际解决的技术问题是如何提供一种轻薄且画质清晰的vr眼镜。


技术实现要素：

4.为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质，提供了一种轻薄且画质清晰的vr眼镜。
5.本发明公开了一种vr眼镜的光学系统，包括显示模块、第一透镜、第二透镜；其中，
6.第一透镜、第二透镜、显示模块依次重叠于用户的眼部前；
7.第一透镜包括四分之一波片、反射膜、分光膜；反射膜和分光膜分别设于四分之一波片的一面，且反射膜朝向用户的眼部；
8.当显示模块发出显示光线后转换为圆偏振态光，圆偏振态光携带图像信息经过第二透镜到达第一透镜时，第一透镜的分光膜将部分的圆偏振态光透过，未透过分光膜的圆偏振态光被分光镜反射后脱离成像光路，透过分光膜的圆偏振态光经四分之一波片转换为线偏振光，线偏振光包括偏振态包括s、p态，反射膜透过平行于反射膜的入射平面的偏振态为p态的线偏振光，并进入用户的眼部根据携带的图像信息呈现虚拟环境。、
9.优选地，反射膜反射垂直于反射膜的入射平面的偏振态为s态的线偏振光，并经四分之一波片后将偏振态为s态的线偏振光转换为圆偏振光到达分光膜上，分光膜将部分圆偏振光透过，另一部分未透过分光膜的部分圆偏振光经分光膜反射后再次经四分之一波片将反射的圆偏振光转换为线偏振光，经反射膜再次反射的圆偏振光并经四分之一波片转换为线偏振光的偏振方向基准方向旋转90
°
后偏振态转换为p态的线偏振光。
10.优选地，光学系统包括第一光学区域和第二光学区域；
11.第一透镜和第二透镜分别包括第一透镜轴和第二透镜轴及第一透镜外径和第二透镜外径；其中，
12.第一透镜外径上设有连接第一透镜轴的第一透镜外径的第一内径周，第二透镜外径上设有连接第二透镜轴的第二透镜外径的第二内径周；
13.当第一透镜轴和第二透镜轴的外径分别连接在第一透镜外径和第二透镜外径的第一内径周和第二内径周上后，第一透镜轴和第二透镜轴分别在第一光学区域，第一透镜外径和第二透镜外径分别在第二光学区域。
14.优选地，第二透镜轴包括第一表面和第二表面，第二透镜外径包括第三表面和第四表面，且第二透镜轴和第二透镜外径的的第一表面和第三表面朝向第一透镜，第二表面和第四表面朝向显示模块，且第一表面的半径小于10mm，且第一表面为平面、球面或非球面，且第三表面的曲率半径为r，且丨r丨＞200；
15.第三表面的表面为非球面或自由曲面。
16.优选地，显示模块包括微型发光二极管显示器、有机发光半导体显示器、液晶显示器中的任意一种。
17.优选地，显示模块的显示光线的波长为400nm-1000nm。
18.优选地，分光膜的反射率为35％-65％，透过率为65％-35％；反射膜的反射率为75％-100％，透过率为75％-100％。
19.有鉴于此，本发明的目的之二在于提供一种运用于上述系统的方法，包括步骤：
20.基于显示模块生成显示光线，且显示模块发出显示光线后转换为圆偏振态光；
21.第二透镜透过圆偏振态光使圆偏振态光到达第一透镜的分光膜上；
22.分光膜将部分圆偏振态光透过分光膜，未透过分光膜的圆偏振态光被分光膜反射后脱离成像光路；
23.根据透过分光膜的圆偏振态光经过四分之一波片后转换为线偏振光；
24.通过反射膜透过平行于反射膜的入射平面的偏振态为p态的线偏振光，并进入用户的眼部根据透过反射膜的偏振态为p态的线偏振光携带的图像信息呈现虚拟环境。
25.有鉴于此，本发明的目的之三在于提供一种vr眼镜，该vr眼镜上至少设有一个如上所述的光学系统。
26.有鉴于此，本发明的目的之四在于提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
27.采用了上述技术方案后，与现有技术相比，本发明的有益效果在于提供了一种轻薄且画质清晰的vr眼镜，vr眼镜的单目视场角超过90
°
，提供足够大的沉浸感，另外提供的vr眼镜仅有菲涅尔式vr光学系统的三分之一左右，因此体积小，用户的佩戴舒适度较高，并且采用组合面型将中间视场和边缘视场分离，各自设置面型来校正像差，中间视场和边缘视场及上述的第一透镜轴、第二透镜轴和第一透镜外径和第二透镜外径，在优化边缘大视场的像差时可以不受整体面型的限制，有效提升大视场的像差校正能力。
附图说明
28.图1为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的流程示意图；
29.图2为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的示意图；
30.图3为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第二透镜
的第一表面和第三表面的示意图；
31.图4为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第二透镜的示意图；
32.图5为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第一透镜的示意图；
33.图6为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第一透镜的第一透镜轴和第一透镜外径的示意图；
34.图7为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第一透镜的第一透镜轴和第一透镜外径的示意图；
35.图8为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的示意图；
36.图9为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第一透镜轴和第一透镜外径或第二透镜轴和第二透镜外径的示意图；
37.图10为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第一透镜轴和第一透镜外径或第二透镜轴和第二透镜外径的示意图；
38.图11为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第一透镜轴和第一透镜外径或第二透镜轴和第二透镜外径的示意图；
39.图12为本发明一种vr眼镜的光学系统、方法和vr眼镜及存储存储介质的第一透镜轴和第一透镜外径或第二透镜轴和第二透镜外径的示意图。
40.附图标记：
41.1为第一透镜、101为反射膜、102为四分之一波片、103为分光膜、104为第一透镜轴、1041为第一表面、105为第一透镜外径、2为第二透镜、201为第二透镜轴、2011为第三表面、202为第二透镜外径、3为显示模块、4为用户的眼部、5为第一光学区域、6为第二光学区域。
具体实施方式
42.以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
43.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
44.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
45.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
47.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
48.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
49.参阅图1至图12所示，本实施例提供一种vr眼镜的光学系统，以提供一种轻薄且画质清晰的vr眼镜，包括显示模块3、第一透镜1、第二透镜2；其中第一透镜1、第二透镜2显示模块3依次重叠于用户的眼部4前，即在如图2或图8中所示，最右侧为用户的眼部4，然后从用户的眼部4依次向左为第一透镜1、第二透镜2、显示模块3，显示模块3主要用于发出带有图像信息的。如图5或图8所示，第一透镜1包括四分之一波片102、反射膜101以及分光膜103，反射膜101和分光膜103分别设于四分之一波片102的一面，并且反射膜101在朝向用户的眼部4，即在图5或图8中所示反射膜101在四分之一波片102的左边，分光膜103在四分之一波片102的右边。上述的光学系统的原理为，当显示模块3发出显示光线后将会转换为圆偏振态光，圆偏振态光将会携带图像信息，在圆偏振态光经过第二透镜2到达第一透镜1时，第一透镜1的分光膜103会将部分的圆偏振态光透过，另外会有一部分的圆偏振态光无法从分光膜103上透过，因此未透过分光膜103的圆偏振态光将会通过分光膜103进行反射后脱离成像光路，透过分光膜103的圆偏振态光再经四分之一波片102转换为线偏振光，而线偏振光会包括偏振态为s态和p态的两种，线偏振光会通过反射膜101来进行透过平行于反射膜101的入射平面的偏振态为p态的线偏振光，从而使透过反射膜101的偏振态为p态的线偏振光进入用户的眼部4，并且根据携带的图像信息呈现虚拟环境。
50.需要说明的是，在图4中的箭头表示圆偏振态光的方向。
51.需要说明的是，反射膜101在透过平行于反射膜101的入射平面的偏振态为p态的线偏振光时，反射膜101会反射垂直于反射膜101的入射平面的偏振态为s态的线偏振光，并且在反射膜101反射垂直于反射膜101的入射平面的偏振态为s态的线偏振光后，被反射的偏振态为s态的线偏振光会再次经过四分之一波片102后将偏振态为s态的线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光会再次到达分光膜103上，分光膜103会将部分的圆偏振光透过，从而脱离成像光路，而另一部分未透过分光膜103的部分的圆偏振光会经分光膜103再次反射后并经四分之一波片102将反射的圆偏振光转换为线偏振光，因为再次经反射膜101反射的圆偏振光反射后并经四分之一波片102转换后的线偏振光的偏振方向旋转了90
°
，因此偏振态的s态的线偏振光将会转换为偏振态为p态的线偏振光，因此此时线偏振太光会全部透过反射膜101进入用户的眼部4，并且根据携带的图像信息呈现虚拟环境。
52.需要说明的是，参阅图2或图8所示，光学系统包括第一光学区域5和第二光学区域
6；上述的第一透镜1包括第一透镜轴104和第一透镜外径105，第二透镜2包括第二透镜轴201和第二透镜外径202；其中的第一透镜外径105上设有连接第一透镜轴104的第一透镜外径105的第一内径周(未标示，即第一透镜内径的内圈)，第二透镜2的第二透镜外径202上设有连接第二透镜轴201的第二透镜外径202的第二内径周(未标示，即第二透镜外径的内圈)，第一内径周用于连接第一透镜轴104，第二内径周用于连接第二透镜轴201，当第一透镜轴104和第二透镜轴201的外径分别连接在第一透镜外径105和第二透镜外径202的第一内径周和第二内径周上后，第一透镜轴104和第二透镜轴201分别在第一光学区域5，第一透镜外径105和第二透镜外径202分别在第二光学区域6。
53.需要说明的是，第二透镜轴201包括第一表面1041和第二表面(未标示，在第一表面1041的相对面)，第二透镜外径202包括第三表面2011和第四表面(未标示，在第三表面2011的相对面)，且第二透镜轴201和第二透镜外径202的的第一表面1041和第三表面2011朝向第一透镜1，第二表面和第四表面朝向显示模块3，且第一表面1041的半径小于10mm，且第一表面1041包括但不限定为平面、球面或非球面，且第三表面2011的曲率半径为r，且丨r丨＞200；
54.第三表面2011的表面包括但不限定为非球面或自由曲面。
55.需要说明的是，显示模块3发出的显示光线的波长为400nm-1000nm。
56.需要说明的是，分光膜103的反射率为35％-65％，透过率为65％-35％；反射膜101的反射率为75％-100％，透过率为75％-100％。
57.需要说明的是，本实施例提供的一种vr眼镜的，包括第一透镜1、第二透镜2以及显示模块3，其中显示模块3包括但不限定为包括micro-led(微型发光二极管显示器)，mini led，oled(organic electroluminescence display，有机发光半导体显示器)，micr-oled或lcd(liquid crystal display)液晶显示器。
58.显示模块3生成的显示光线的波长范围在400nm-1000nm之间。
59.需要说明的，第一透镜1包括反射膜101、四分之一波片102以及分光膜103，反射膜101在四分之一波片102的左面，分光膜103在四分之一波片102的右边，分光膜103的反射率在35％-65％之间，分光膜103的透过率在65％-35％之间，反射膜101的反射率应在75％-100％之间，反射膜101的透过率在75％-100％之间。
60.需要说明的是，第二透镜2的第二透镜轴201包括第一表面1041和第二表面，第二透镜外径202包括第三表面2011和第四表面，第二透镜轴201的第一表面1041朝向第一透镜1，第二透镜轴201的第二表面朝向显示模块3，第二透镜外径202的第三表面2011朝向第一透镜1，第二透镜外径202的第四表面朝向显示模块3，第一表面1041为如图3中的中心的小圆部分，第三表面2011为如图3中的大圆部分，且第一表面1041的半径小于10mm，并且第一表面1041的面型包括但不限定为平面、球面、或非球面，曲率半径为r，并且丨r丨＞200。第三表面2011的面型包括但不限定为非球面或者自由曲面等。需要说明的是，第一表面1041和第三表面2011的连接位置可以平滑过度，也可以不连续连接，从而具有一定的高度差。
61.其上所述的光学系统的原理为，设定显示模块3发出的光线到达第二透镜2之前会转换为圆偏振态光，这些圆偏振态光将会携带图像信息，并且这些携带图像信息的圆偏振态光在经过第二透镜2之后首先到达第一透镜1的分光膜103上，分光膜103会将一部分圆偏振态光透过，另一部分将无法透过分光膜103进而被分光膜103反射，这些被反射的圆偏振
态光将会脱离成像光路，而另一部分透过的圆偏振态光的光线将会透过分光膜103到达四分之一波片102，并且会透过四分之一波片102，这些透过四分之一波片102的圆偏振态光将会被四分之一波片102转换为线偏振光，线偏振光的偏振态包括s态和p态，当偏振态为s态时设定此时的偏振方向为基准方向。当偏振态为s、p态的线偏振光会达到反射膜101上，反射膜101的作用是反射垂直于反射膜101的入射平面的偏振态为s态的线偏振光，透过平行于反射膜101的入射平面的偏振态为p态的线偏振光，此时反射膜101的透光轴与偏振态为s态的线偏振光的振动方向垂直。s态的线偏振光会被反射膜101反射，从而实现第一次折叠，而后这些被反射膜101反射的偏振态为s态的线偏振光被反射膜101反射后会再次经过四分之一波片102，这些偏振态为s态的线偏振光经过四分之一波片102后会再次被四分之一波片102转换为圆偏振光，转化为圆偏振光后再次到达分光膜103，圆偏振光的一部分会被分光膜103透过从而脱离成像光路，而另一部分则会被分光膜103再次反射从而实现光路的第二次折叠，这些被分光膜103反射的圆偏振光会继续达到四分之一波片102并且透过四分之一波片102，并且在圆偏振光透过四分之一波片102后会再次转换为线偏振光(参阅上述)，此时的圆偏振光转换为线偏振光的偏振放线已相对于基准方向旋转了90
°
，因此原线偏振光的s态的偏振态会转换为p态的偏振态，因此此时p态的偏振态的线偏振光会穿过反射膜101，进而进入用户的眼部4根据图像信息形成虚拟环境。
62.需要说明的是，在显示模块3的每一像素点所发出的光线束经过上述光路后，各自光束虚像交点的位置在用户的眼前一定距离的位置上形成一副图像，从而实现虚拟现实的光学效果。
63.需要说明的是，参阅图6所示，并参阅上述实施例，本实施例提供一种上述光学系统的具体实施的方式，在第一透镜1的靠近用户的眼部4的表面，即在如图5或图8所示的第一透镜1的左面依次向右设有反射膜101、四分之一波片102和分光膜103，在本实施例当中分光膜103的反射率和透过率均为50％。
64.第一透镜1的靠近用户的表面由两种面型组成，即上述的第一透镜轴104和第一透镜外径105分别靠近用户的眼部4的表面为两种不同的面型，第一透镜轴104靠近用户的眼部4的表面的半径为小于2mm，其面型为平面，而第一透镜外径105靠近用户的眼部4的的面型为非球面。第一透镜轴104靠近用户的眼部4的面与第一透镜外径105靠近用户的眼部4的面之间通过平滑过渡连接，但是这两个面之间的区域大小关系随着设计会发生改变，有着一定的对应关系，在两个面之间通过平滑过渡，并不会出现图像扭曲的情况。
65.需要说明的是，参阅图7所示，并参阅上述实施例，本实施例提供一种上述光学系统的具体实施的方式，第一透镜1的靠近用户的眼部4的表面，即如图5或图8所示的第一透镜1左面依次向右设有反射膜101、四分之一波片102和分光膜103，在本实施例当中的分光膜103的反射率和透过率均为50％。
66.第一透镜1和第二透镜2的靠近用户的眼部4的表面和靠近显示模块3的表面分别由两种面型组成，在第一透镜1和第二透镜2的第一透镜轴104和第二透镜轴201靠近用户的眼部4的表面和靠近显示模块3的半径小于5mm，并且在第一透镜轴104和第二透镜轴201靠近用户的眼部4的表面和靠近显示模块3的面型分别为球形；在第一透镜外径105和第二透镜外径202靠近用户的眼部4的表面和靠近显示模块3的表面的面型为非球面，在第一透镜轴104和第一透镜外径105各自靠近用户的眼部4的表面和靠近显示模块3的表面均通过平
滑过渡连接，因此在上述的第一透镜轴104和第一透镜外径105各自靠近用户的眼部4的表面和靠近显示模块3的表面均通过平滑过渡连接，并不会出现图像扭曲的情况，并且要求第一透镜轴104和第二透镜轴201靠近用户的眼部4的表面的凸面方向一致。
67.需要说明的是，设定整个光学系统的焦距为f，则第二透镜轴201的第一表面1041f21满足条件1f《f21《100f，第二透镜外径202的第三表面2011的焦距f22满足条件f《f22《5f。
68.参阅图9至12所示为第一透镜轴104和第一透镜外径105或第二透镜轴201和第二透镜外径202的不同实施方式的示意图。
69.本实施例还提供一种运用于上述实施例的光学系统的方法，包括步骤：
70.s100：基于显示模块3生成显示光线，且显示模块3发出显示光线后会转换为圆偏振态光，需要说明的是，显示模块3生成显示光线是根据vr设备的启动来生成显示光线，具体的，当vr设备启动后并且生成虚拟环境后，再通过显示模块3根据已经生成的虚拟环境来生成显示光线；
71.s200：第二透镜2透过圆偏振态光使圆偏振态光到达第一透镜1的分光膜103上；
72.s300：分光膜103将部分圆偏振态光透过，未透过分光膜103的圆偏振态光被分光膜103反射后脱离成像光路；
73.s400：根据透过分光膜103的圆偏振态光经过四分之一波片102后转换为线偏振态光；
74.s500：通过反射膜101透过平行于反射膜101的入射平面的偏振态为p态的线偏振光，并进入用户的眼部4，从而根据透过反射膜101的偏振态为p态的线偏振光携带的图像信息呈现虚拟环境。
75.本实施例还提供一种vr眼镜，该vr眼镜上至少设有一个上述实施例所提供的系统。
76.本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。
77.需要说明的是，上述实施例所提供的光学系统还可以应用在部分智能终端上，智能终端可以以各种形式来实施。例如，本发明中描述的终端可以包括诸如移动电话、智能电话、笔记本电脑、pda(个人数字助理)、pad(平板电脑)、pmp(便携式多媒体播放器)、导航装置等等的智能终端以及诸如数字tv、台式计算机等等的固定终端。下面，假设终端是智能终端。然而，本领域技术人员将理解的是，除了特别用于移动目的的元件之外，根据本发明的实施方式的构造也能够应用于固定类型的终端。
78.应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。