本實(shí)用新型涉及智能穿戴設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)系統(tǒng)及具有該光學(xué)系統(tǒng)的頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過視、聽、觸覺等作用于使用者，使其產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)裝置包括支撐件、顯示設(shè)備和光學(xué)系統(tǒng)等，其通過對左右格式的畫面進(jìn)行光學(xué)處理，使左畫面進(jìn)入左眼，右畫面進(jìn)入右眼，從而形成3D圖像。然而，對于目前的虛擬現(xiàn)實(shí)裝置來說，顯示設(shè)備中屏幕的利用率普遍不高。

一般對于4.7英寸及以上的單屏幕多采用分屏技術(shù)，也就是說單眼只能看到一半屏幕，這不僅減小了畫面的顯示范圍，而且合成后的圖像畸變嚴(yán)重，畫面清晰度差；當(dāng)然也有采用兩塊屏幕的設(shè)計(jì)，左右眼各對應(yīng)一塊屏，屏幕的大小由視場角決定，如單眼視場角100°以下的設(shè)計(jì)多采用2英寸到3.6英寸的小屏，而單眼100°至140°的設(shè)計(jì)可采用4.7英寸以上大屏，但這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成設(shè)備體積大、成本高等缺陷。

針對上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中披露了一種光學(xué)放大系統(tǒng)，其采用單個(gè)大屏，可以使單眼看到整個(gè)屏幕，有效提高了屏幕利用率。其方案是采用帶有光焦度的棱鏡鏡片擴(kuò)大屏幕使用范圍，使整個(gè)屏幕都可以通過光學(xué)系統(tǒng)成像在人眼中。但是這種光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于：1.帶有光焦度的棱鏡鏡片加工困難，鏡片的夾持，角度的控制都有難度，而且對角度的加工精度要求很高，所以鏡片的加工成本很高；2.該光學(xué)系統(tǒng)只采用一片鏡片，導(dǎo)致色差無法校正，影響了人眼觀察屏幕時(shí)的清晰度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上所述，本申請?zhí)峁┮环N光學(xué)系統(tǒng)及頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，以解決現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)裝置中屏幕利用率低、視角范圍小、圖像畸變嚴(yán)重，以及現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)中透鏡加工難、成本高的問題。

為達(dá)此目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種光學(xué)系統(tǒng)，用于頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，所述光學(xué)系統(tǒng)包括兩塊平凸透鏡，所述兩塊平凸透鏡成一定角度傾斜放置，其中兩平凸透鏡的平面之間形成一楔形空間，觀察者單眼通過所述光學(xué)系統(tǒng)后能夠觀察到所述顯示設(shè)備的整個(gè)屏幕。

作為一種光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述兩塊平凸透鏡均具有正光焦度，分別為第一平凸透鏡和第二平凸透鏡，其中第一平凸透鏡的凸面朝向人眼，第二平凸透鏡的凸面朝向屏幕，且所述第一平凸透鏡和第二平凸透鏡形成的楔角范圍為15°—40°。

作為一種光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述光學(xué)系統(tǒng)還包括楔形棱鏡，所述楔形棱鏡嵌設(shè)于所述兩塊平凸透鏡的楔形空間內(nèi)，所述楔形棱鏡的前后兩個(gè)通光面為平面。

作為一種光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述兩塊平凸透鏡采用兩種不同的材料制成，其中一塊平凸透鏡采用高折射率低色散材料，另一塊平凸透鏡采用低折射率高色散材料。

作為一種光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述兩塊平凸透鏡中每一塊透鏡的焦距均大于所述光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

作為一種光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述光學(xué)系統(tǒng)的焦距為70mm-120mm。

本申請還提出另一種光學(xué)系統(tǒng)，同樣用于頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一塊楔形棱鏡，所述楔形棱鏡設(shè)有前后兩個(gè)通光面，其中每個(gè)通光面采用菲涅爾面、二元光學(xué)面、球面或非球面四者中的任意一種，觀察者單眼通過所述光學(xué)系統(tǒng)后能觀察到顯示設(shè)備的整個(gè)屏幕。

作為一種光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述楔形棱鏡的楔角范圍為15°—40°。

本申請同時(shí)提出一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，包括顯示設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)件，還包括以上任一項(xiàng)方案所述的光學(xué)系統(tǒng)，所述顯示設(shè)備和光學(xué)系統(tǒng)均設(shè)置于支撐結(jié)構(gòu)件內(nèi)，所述顯示設(shè)備輸出的圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后進(jìn)入人眼。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，所述光學(xué)系統(tǒng)對稱設(shè)置有左右兩組，分別位于人的左眼和右眼之前。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，所述顯示設(shè)備包括一整塊屏幕，兩組所述光學(xué)系統(tǒng)的楔角開口向內(nèi)。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，所述顯示設(shè)備包括左右兩塊屏幕，兩屏幕均向外傾斜設(shè)置，分別對應(yīng)于左右兩組光學(xué)系統(tǒng)；兩組所述光學(xué)系統(tǒng)的楔角開口向外。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，左右兩組所述光學(xué)系統(tǒng)之間的距離與人眼瞳孔間距相匹配。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，人單眼到所述光學(xué)系統(tǒng)的視場角為70°-120°。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，所述視場角的0°視場角對應(yīng)于顯示設(shè)備的屏幕中心。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，所述光學(xué)系統(tǒng)到人眼的距離為8mm-16mm。

作為一種頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的優(yōu)選方案，所述顯示設(shè)備包括手機(jī)、可移動(dòng)媒體播放器或可移動(dòng)游戲設(shè)備。

本實(shí)用新型的有益效果為：

本申請的光學(xué)系統(tǒng)通過在兩塊平凸透鏡之間設(shè)置楔形空間，或者獨(dú)立采用一塊通光面經(jīng)特殊設(shè)置的楔形棱鏡，可有效擴(kuò)大觀察者的視角范圍，使觀察者單眼通過該光學(xué)系統(tǒng)即可觀察到顯示設(shè)備的整個(gè)屏幕，從而大大提高了屏幕的利用率；而且本申請的平凸透鏡或楔形棱鏡，使用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對稱式鏡片加工制得，這種加工方法，無需采用具有光焦度的棱鏡鏡片，降低了加工難度，有效節(jié)約了制作成本。具有上述光學(xué)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，視角范圍大，可以只設(shè)置一塊屏幕，從而避免了分屏技術(shù)帶來的缺陷，減小了圖像畸變，提高了畫面清晰度和系統(tǒng)分辨率。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對本實(shí)用新型實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的內(nèi)容和這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施方式提供的頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的光程差曲線示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的畸變網(wǎng)格圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例三提供的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例四提供的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例五提供的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例六提供的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

11-顯示設(shè)備；11L-左側(cè)屏幕；11R-右側(cè)屏幕；21-光學(xué)系統(tǒng)；21L-左側(cè)光學(xué)系統(tǒng)；21R-右側(cè)光學(xué)系統(tǒng)；31-人眼；L1-第一平凸透鏡；L2-第二平凸透鏡；P1-楔形棱鏡。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

本實(shí)用新型提供一種光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，如圖1所示，該虛擬現(xiàn)實(shí)裝置包括支撐結(jié)構(gòu)件、顯示設(shè)備11及光學(xué)系統(tǒng)21，其中顯示設(shè)備11和光學(xué)系統(tǒng)21均設(shè)置于支撐結(jié)構(gòu)件內(nèi)，且光學(xué)系統(tǒng)21位于人眼31和顯示設(shè)備11之間，從而使顯示設(shè)備11輸出的圖像經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)21后能夠進(jìn)入人眼31。與目前市場上大多數(shù)單屏虛擬現(xiàn)實(shí)裝置不同的是，本申請顯示設(shè)備11的整個(gè)屏幕都可以通過光學(xué)系統(tǒng)21被人眼31觀察到，而不是像其他單屏設(shè)備那樣需要進(jìn)行分屏設(shè)置。具體地，該光學(xué)系統(tǒng)21對稱設(shè)置有左右兩組，分別位于人的左眼和右眼之前，且左右兩組光學(xué)系統(tǒng)21之間的距離與人的雙眼瞳孔間距相匹配，以確保畫面質(zhì)量及觀察者的使用舒適度。本裝置中，顯示設(shè)備11可以為手機(jī)、平板電腦、可移動(dòng)媒體播放器或可移動(dòng)游戲設(shè)備等，只要能與虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備連接且具有圖像播放功能即可。

上述光學(xué)系統(tǒng)21到人眼31的距離Lo在8mm-16mm之間，其典型值為14mm，人可以佩戴眼鏡使用。光學(xué)系統(tǒng)21的焦距F在70mm到120mm之間，其典型值為90mm。本實(shí)用新型中，視場角FOV的范圍大于±35°(“±35°”指以0°角為中心，向左、向右各偏移35°)，最大可達(dá)±60°，典型值為±45°；這里，視場角是指人單眼到光學(xué)系統(tǒng)21的可視角度，即上述視場角FOV的取值范圍為70°-120°，典型值為90°。進(jìn)一步地，0°視場角對應(yīng)于顯示設(shè)備11的屏幕中心，即屏幕中心位置附近的圖像將以0°的入射角進(jìn)入到人眼31中，這樣人的兩眼看到的還是整個(gè)屏幕，而不會(huì)產(chǎn)生屏幕偏移的感覺。為滿足此要求，屏幕中心位置圖像入射到光學(xué)系統(tǒng)21的主光線與光學(xué)系統(tǒng)21主光軸之間的夾角應(yīng)滿足：≤arctan(Le/2Ls),其中Le為人的兩眼瞳孔間距離，Ls為光學(xué)系統(tǒng)21到屏幕的距離?？紤]到不同人的兩眼瞳孔間距離Le在54mm-74mm之間，典型值在64mm左右。該光學(xué)系統(tǒng)21到屏幕的距離Ls應(yīng)滿足：Ls≤F。另外，為了使左右兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)21不產(chǎn)生干涉，光學(xué)系統(tǒng)21中鏡片的最大口徑D_max應(yīng)小于Le/2。此處，左右兩側(cè)的光學(xué)系統(tǒng)21之間的距離De可以是固定的，也可以是可調(diào)的，調(diào)整范圍與人兩眼瞳孔間距相匹配，且不會(huì)產(chǎn)生干涉。

實(shí)施例一

如圖2所示，本實(shí)施例提供一種優(yōu)選的光學(xué)系統(tǒng)，用于上述頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，該光學(xué)系統(tǒng)分為左側(cè)光學(xué)系統(tǒng)21L和右側(cè)光學(xué)系統(tǒng)21R，每一側(cè)的光學(xué)系統(tǒng)均包括兩塊平凸透鏡，兩塊平凸透鏡成一定角度傾斜放置，其中兩平凸透鏡的平面之間形成一楔形空間，觀察者單眼通過該光學(xué)系統(tǒng)后即能觀察到顯示設(shè)備11的整個(gè)屏幕。本實(shí)施例中，顯示設(shè)備11為一整塊屏幕，且兩組光學(xué)系統(tǒng)的楔角開口向內(nèi)。

進(jìn)一步地，上述兩塊平凸透鏡為第一平凸透鏡L1和第二平凸透鏡L2，其中第一平凸透鏡L1具有正光焦度，凸面朝向人眼31，其焦距F1滿足：F1>F。第二平凸透鏡L2也具有正光焦度，凸面朝向屏幕，其焦距F2滿足：F2>F。第一平凸透鏡L1和第二平凸透鏡L2形成的楔角范圍為15°-40°。此角度的設(shè)置，使觀察者單眼通過該光學(xué)系統(tǒng)即可觀察到顯示設(shè)備11的整個(gè)屏幕，從而大大提高了屏幕的利用率，避免了分屏技術(shù)帶來的缺陷。而且，由于本實(shí)用新型采用平凸透鏡的結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對稱式鏡片加工就能得到，這種加工方法，無需采用具有光焦度的棱鏡鏡片，降低了加工難度，有效節(jié)約了制作成本。

為了更好的校正色差，第一平凸透鏡L1和第二平凸透鏡L2優(yōu)選采用兩種不同的材料，例如第一平凸透鏡L1采用高折射率低色散材料，第二平凸透鏡L2采用低折射率高色散材料?；蛘呦喾?，第二平凸透鏡L2采用低折射率高色散材料而第一平凸透鏡L1采用高折射率低色散材料。本方案通過兩種不同材料的鏡片，對色差進(jìn)行了有效的校正，提高了系統(tǒng)的分辨率和清晰度。

實(shí)施例二

如圖3所示，本實(shí)施例提供了另一種光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)置與實(shí)施例一中光學(xué)系統(tǒng)基本相同，其區(qū)別在于：本實(shí)施例還設(shè)有一塊楔形棱鏡P1。

本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)包括三個(gè)部分，從人眼31到顯示設(shè)備11依次設(shè)有：第一平凸透鏡L1，楔形棱鏡P1和第二平凸透鏡L2。其中第一平凸透鏡L1和第二平凸透鏡L2的具體設(shè)置跟實(shí)施例一中一致，而楔形棱鏡P1嵌設(shè)于上述兩塊平凸透鏡形成的楔形空間內(nèi)。本實(shí)施例中，顯示設(shè)備11同樣為一整塊屏幕，兩組光學(xué)系統(tǒng)的楔角開口向內(nèi)。

此處，楔形棱鏡P1的前后兩個(gè)通光面為平面，上述兩塊平凸透鏡的平面到楔形棱鏡P1的距離很近，其可以與楔形棱鏡P1的通光面保持有一定間隙，也可以與楔形棱鏡P1的通光面相貼合，或者相膠合，以充分保證結(jié)構(gòu)的可靠和穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，該楔形棱鏡P1的楔角在15°-40°之間，此角度的設(shè)置，使觀察者單眼通過該光學(xué)系統(tǒng)即可觀察到顯示設(shè)備11的整個(gè)屏幕，從而大大提高了屏幕的利用率，避免了分屏技術(shù)帶來的缺陷。而且，平凸透鏡和楔形棱鏡P1均可使用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對稱式鏡片加工得到，其制作簡單，成本較低。

本實(shí)施例中，楔形棱鏡P1的材料可以選擇與第一平凸透鏡L1或第二平凸透鏡L2相同的材料，或者選擇其他光學(xué)材料。該楔形棱鏡P1配合以上兩塊平凸透鏡的設(shè)計(jì)，有效減小了圖像畸變，提高了畫面清晰度和分辨率，同時(shí)不同材料的使用也有效校正了系統(tǒng)色差。圖4所示為該光學(xué)系統(tǒng)的光程差示意圖，從圖中可以看出，在邊緣視場，光程差最大不超過10λ，中心視場附近，單色光程差小于2λ，色差小于3λ。圖5為該光學(xué)系統(tǒng)畸變網(wǎng)格圖，可以看出整個(gè)系統(tǒng)畸變<10％。

實(shí)施例三

如圖6所示，本實(shí)施例提供又一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)僅包括一個(gè)光學(xué)元件，此光學(xué)元件為一片楔形棱鏡P1，其楔角范圍在15°-40°之間。同樣，本實(shí)施例中的顯示設(shè)備11為一整塊屏幕，兩組光學(xué)系統(tǒng)的楔角開口向內(nèi)。此處的楔形棱鏡P1與實(shí)施例二中的楔形棱鏡P1基本相同，其不同之處在于：其前后兩個(gè)通光面均經(jīng)過特殊處理，每一個(gè)通光面可以采用菲涅爾面、二元光學(xué)面、球面或非球面等中的任意一種，但要保證不能是平面結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的楔形棱鏡P1通過兩個(gè)特殊設(shè)置的通光面能夠產(chǎn)生光焦度F，以實(shí)現(xiàn)觀察者單眼觀察到顯示設(shè)備11整個(gè)屏幕的效果。

實(shí)施例四

如圖7所示，本實(shí)施例提供又一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)與實(shí)施例一中的結(jié)構(gòu)設(shè)置基本相同，其不同之處在于：本實(shí)施例的顯示設(shè)備11包括左右兩塊屏幕，分別為左側(cè)屏幕11L和右側(cè)屏幕11R，且第一平凸透鏡L1與第二平凸透鏡L2形成的楔角開口向外。上述左側(cè)屏幕11L和右側(cè)屏幕11R均向外傾斜設(shè)置，分別對應(yīng)于左右兩組光學(xué)系統(tǒng)。使用時(shí)，左側(cè)屏幕11L的圖像經(jīng)左側(cè)光學(xué)系統(tǒng)21L進(jìn)入人的左眼，右側(cè)屏幕11R的圖像經(jīng)右側(cè)光學(xué)系統(tǒng)21R進(jìn)入人的右眼，從而使觀察者產(chǎn)生立體的視覺體驗(yàn)。本實(shí)施例相對于普通的雙屏虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備來說，其具有更大的視覺范圍，進(jìn)一步減小了圖像畸變，有效改善了畫面清晰度和系統(tǒng)分辨率；而且當(dāng)兩塊平凸透鏡采用不同材料時(shí)，還可以有效校正系統(tǒng)色差。

實(shí)施例五

如圖8所示，本實(shí)施例提供了又一種光學(xué)系統(tǒng)，其與實(shí)施例二中的結(jié)構(gòu)基本相同，其不同之處在于：本實(shí)施例的顯示設(shè)備11包括左右兩塊屏幕，分別為左側(cè)屏幕11L和右側(cè)屏幕11R，且第一平凸透鏡L1與第二平凸透鏡L2形成的楔角開口向外。本實(shí)施例同樣擴(kuò)大了系統(tǒng)視角范圍，避免了分屏技術(shù)帶來的圖像畸變，有效改善了畫面質(zhì)量和用戶體驗(yàn)；而且當(dāng)兩塊平凸透鏡及楔形棱鏡P1中至少兩個(gè)元件采用不同材料制作時(shí)，也可以起到校正色差的作用。

實(shí)施例六

如圖9所示，本實(shí)施例提供了又一種光學(xué)系統(tǒng)，其與實(shí)施例三中的結(jié)構(gòu)基本相同，其不同之處在于：本實(shí)施例的顯示設(shè)備11包括左右兩塊屏幕，分別為左側(cè)屏幕11L和右側(cè)屏幕11R，且兩個(gè)楔形棱鏡P1的楔角開口向外。本實(shí)施例同樣實(shí)現(xiàn)了單眼看到一整個(gè)屏幕的效果，減小了圖形畸變，提高了畫面播放質(zhì)量，而且該透鏡加工容易、制作成本低；另外，采用兩個(gè)屏幕，方便維修更換，提高了設(shè)備使用靈活性。

注意，上述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，本實(shí)用新型不限于這里所述的特定實(shí)施例，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會(huì)脫離本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，雖然通過以上實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，但是本實(shí)用新型不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本實(shí)用新型的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。