本發(fā)明涉及光學系統(tǒng)設計技術領域，特別涉及一種虛擬現實設備及虛擬現實系統(tǒng)。

背景技術：

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)技術是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合，是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中，從而達到虛擬現實的目的。

目前，在VR穿戴設備設計時，得到大視場、高透過率和高性能的光學系統(tǒng)是VR穿戴設備光學設計時必須考慮的關鍵設計點。為了達到上述目的，需要對光學放大模組結構進行優(yōu)化設計。而現有的光學放大模組結構沒有進行優(yōu)化設計，因此無法保證在整個范圍內均能實現上述目的，即無法保證給用戶帶來良好的體驗感。

技術實現要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種虛擬現實設備及虛擬現實系統(tǒng)，以提高VR穿戴設備的視場角、透過率和成像質量。

為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種虛擬現實設備，包括同軸設置的顯示屏、具有正折射能力的透鏡組和出瞳，所述顯示屏為曲面屏，所述曲面屏的開口朝向所述透鏡組，所述顯示屏上的圖像經過所述透鏡組成像在所述出瞳位置；

所述透鏡組從所述出瞳到所述顯示屏依次包括同軸設置的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡與所述第二透鏡均為正透鏡，所述第三透鏡為負透鏡；

其中，所述第一透鏡的兩個光學面均為非球面；所述第二透鏡遠離所述顯示屏的光學面為非球面，靠近所述顯示屏的光學面為球面；所述第三透鏡遠離所述顯示屏的光學面為非球面，靠近所述顯示屏的光學面為球面。

優(yōu)選地，所述透鏡組的系統(tǒng)焦距為30.07mm。

優(yōu)選地，所述非球面的面型表達式為：

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

其中，c為頂點曲率，r為透鏡表面點到光軸投影高度，K為圓錐常數，為旋轉對稱高次項系數，N為正整數。

優(yōu)選地，所述第一透鏡為凹凸透鏡，所述第一透鏡遠離所述顯示屏的凹面為10次非球面，所述第一透鏡靠近所述顯示屏的凸面為8次非球面；

所述第二透鏡為雙凸透鏡，所述第二透鏡遠離所述顯示屏的凸面為8次非球面，所述第二透鏡靠近所述顯示屏的凸面為球面；

所述第三透鏡為雙凹透鏡，所述第三透鏡遠離所述顯示屏的凹面為8次非球面；所述第三透鏡靠近所述顯示屏的凹面為球面。

優(yōu)選地，所述第一透鏡與所述第二透鏡的材質相同，且與所述第三透鏡的材質不同。

優(yōu)選地，所述第一透鏡遠離所述顯示屏的表面與所述顯示屏之間的距離小于77mm。

優(yōu)選地，所述顯示屏為球面屏。

優(yōu)選地，所述出瞳直徑為10mm。

優(yōu)選地，所述虛擬現實設備為虛擬現實眼鏡或虛擬現實頭盔。

本發(fā)明還提供一種虛擬現實系統(tǒng)，包括上面所述的虛擬現實設備。

經由上述的技術方案可知，本發(fā)明提供的虛擬現實設備包括同軸設置的顯示屏、具有正折射能力的透鏡組和出瞳，所述顯示屏為曲面屏，所述顯示屏上的圖像經過所述透鏡組成像在所述出瞳位置；所述透鏡組從所述出瞳到所述顯示屏依次包括同軸設置的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡與所述第二透鏡均為正透鏡，所述第三透鏡為負透鏡；其中，所述第一透鏡的兩個光學面均為非球面；所述第二透鏡遠離所述顯示屏的光學面為非球面，靠近所述顯示屏的光學面為球面；所述第三透鏡遠離所述顯示屏的光學面為非球面，靠近所述顯示屏的光學面為球面。即本發(fā)明中的虛擬現實設備中的透鏡包括球面結構和非球面結構，其中，采用非球面結構能夠校正影響成像質量的彗差、像散等垂直光軸的像差，提高成像質量；且由于采用非球面結構，能夠減少球面透鏡的使用，進而提高虛擬現實設備的透過率，同時非球面結構還具有擴大視場角度的作用。

進一步的，由于采用非球面結構后，可以減少球面透鏡的使用，進而使得VR設備結構更加簡單，能夠實現輕量化；曲面顯示屏在同等對角線尺寸下的像素比平面屏的多，曲面顯示屏能夠提供更多的像素，同時，與所述透鏡組組合，更有利于虛擬現實設備的小型化和輕量化。

另外，本發(fā)明還提供一種虛擬現實系統(tǒng)，包括上述虛擬現實設備，由于虛擬現實設備的成像質量更高、視場角更大、透過率更高，使得所述虛擬現實系統(tǒng)的成像質量、視場角和透過率同樣提升，且還能減小虛擬現實系統(tǒng)的質量，使得其結構更加簡單。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的虛擬現實設備的光路結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的虛擬現實設備的調制傳遞函數曲線圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的虛擬現實設備的畸變圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的虛擬現實設備的彌散圓直徑圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

現有技術中VR設備采用球面透鏡且顯示屏為平面，顯示屏作為圖像源，顯示屏上的圖像經過VR設備中的光學系統(tǒng)，在出瞳位置成像，顯示屏上的圖像經過光學系統(tǒng)后，會聚在出瞳位置，從而人眼位于出瞳位置，向VR設備看去，形成放大的圖像。

但由于球面鏡在光學性能上存在著很多缺陷，單獨成像時，往往伴隨著無法克服的各種光學像差，大大降低了成像質量，雖然采用一系列的透鏡組可以解決上述問題，但同時又增加了系統(tǒng)的體積和造價，使系統(tǒng)結構變復雜。

非球面鏡被廣泛應用在光學系統(tǒng)中，具有校正像差，提高系統(tǒng)相對口徑、擴大視場角度、簡化系統(tǒng)結構、減輕重量、縮小體積等優(yōu)勢。將非球面置于光學系統(tǒng)中合適的地方，能夠完全校正球面產生的像差，提高系統(tǒng)的成像質量。

同時，圖像源采用曲面顯示屏，在同等對角線尺寸下，曲面顯示屏提供的像素比平面屏提供的像素更多，從而使得圖像數據量更加豐富，成像質量也進一步得到提高。

基于上述分析，將非球面與曲面屏組合使用，能夠同時解決VR設備市場角小、體積大且透過率較小、成像質量差的問題。

以上為本發(fā)明的發(fā)明思想，下面通過具體實施例對本發(fā)明提供的虛擬現實設備進行詳細描述。

本發(fā)明實施例提供一種虛擬現實(VR)設備，如圖1所示，包括同軸設置的顯示屏3、具有正折射能力的透鏡組2和出瞳1，顯示屏3為曲面屏，曲面屏的開口朝向透鏡組2，顯示屏3上的圖像經過透鏡組2成像在出瞳1位置；透鏡組2從出瞳1到顯示屏3依次包括同軸設置的第一透鏡21、第二透鏡22和第三透鏡23，第一透鏡21與第二透鏡22均為正透鏡，第三透鏡23為負透鏡；其中，第一透鏡21的兩個光學面(如圖1中透鏡面211和透鏡面212所示)均為非球面；第二透鏡22遠離顯示屏3的光學面(即圖1中透鏡面221)為非球面，靠近顯示屏3的光學面(即圖1中透鏡面222)為球面；第三透鏡23遠離顯示屏3的光學面(即圖1中透鏡面231)為非球面，靠近顯示屏3的光學面(即圖1中透鏡面232)為球面。

需要說明的是，本實施例中提供的虛擬現實設備為同軸系統(tǒng)，即光學系統(tǒng)、顯示屏和出瞳的光軸位于同一直線上，其中光線從顯示屏出射，經過透射式光學系統(tǒng)，進入到出瞳位置，在光線傳輸過程中，均為光學透射，未經過光學反射，且光軸方向未改變。

本實施例中提供的非球面透鏡面的面型表達式為：

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

其中，c為頂點曲率，r為透鏡表面點到光軸投影高度，K為圓錐常數，α_i為旋轉對稱高次項系數，N為正整數。

現有技術中使用平面屏時，場曲需要多片非球面透鏡進行像差校正，造成VR設備在人眼的眼軸方向尺寸過長，平面屏過大，人兩眼對應的兩個平面屏之間將會存在重疊部分，從而相互影響，使得圖像呈現存在缺陷。而使用曲面屏可以減少透鏡的數量，眼軸方向尺寸小便于雙通道的曲面屏擺放。對于曲面屏而言，本實施例中可以采用球面屏也可以采用非球面屏，為使得成像系統(tǒng)能夠旋轉對稱，本實施例中優(yōu)選地，所述顯示屏為球面屏，且顯示屏3為液晶顯示屏。

為使顯示屏上的圖像在出瞳位置成像質量較好，且能夠實現大視場角，需要將透鏡組的各個表面進行相應的設計，本實施例中，優(yōu)選地，第一透鏡21為凹凸透鏡，第一透鏡21遠離顯示屏3的凹面211為10次非球面，第一透鏡21靠近顯示屏3的凸面212為8次非球面；第二透鏡22為雙凸透鏡，第二透鏡22遠離顯示屏3的凸面221為8次非球面，第二透鏡22靠近顯示屏3的凸面為球面；第三透鏡23為雙凹透鏡，第三透鏡23遠離顯示屏3的凹面231為8次非球面；第三透鏡23靠近顯示屏3的凹面232為球面。不同次項的非球面，如10次非球面的第一透鏡凹面211和8次非球面的第二透鏡的凸面212的α_i中的i不同，α_i的值也不同；而相同的次項的非球面，如第二透鏡的凹面212和第三透鏡的凹面231同樣未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。

校正像差原理為：用光學參量，包括半徑、非球面系數、材料、間隔、相對位置等平衡影響成像質量的像差分量。因此，為獲得較好成像質量，可以通過控制局部面型類達到校正像差的目的。本實施例中，第一透鏡21、第二透鏡22和第三透鏡23，其中至少有一個透鏡的材質與其他兩種不同，從而起到消色差的作用。本實施例中優(yōu)選地，第一透鏡21與第二透鏡22的材質相同，且與第三透鏡23的材質不同。第一透鏡21和第二透鏡22采用中國玻璃HZK7加工形成，第三透鏡23采用中國玻璃HZF6加工形成。在本發(fā)明的其他實施例中，所述第一透鏡21和第二透鏡22以及第三透鏡23還可以采用其他種類的玻璃形成，本實施例中對此不做限定，只要三者采用兩種或兩種以上材質形成即可，不同的材料能夠起到消色差的作用，從而能夠進一步提高成像質量。需要說明的是，本實施例中透鏡組2中應用到的非球面二次系數精度均控制在千分之八，面型PV控制在0.5μm。其中，面型是光學制造中的重要精度指標之一，簡單來說是表面不平整度，PV是表示路面的最高處與最低處的差值。

第一透鏡21、第二透鏡22和第三透鏡23的各光學面面型參數、元件材料、各光學元件厚度、各光學表面間距如表1所示：

表1

表1中所述的前表面指靠近出瞳、遠離顯示屏的表面，所述的后表面是指遠離出瞳、靠近顯示屏的表面。

且需要說明的是，透鏡組2中的第一透鏡21的后表面212與第二透鏡22的前表面221的距離精度控制在0.02mm，第二透鏡22的后表面222與第三透鏡23的前表面231的距離精度控制在0.02mm，第三透鏡23的后表面232與LCD顯示屏3的中心距離精度控制在0.03mm。所述距離精度是指誤差范圍。在上述精度控制范圍內，可通過人眼的眼調節(jié)能力觀看到清晰像。

本實施例中優(yōu)選地所述出瞳的直徑為10mm，出瞳1距離第一透鏡21的前表面211的距離為14mm，工作波長范圍為486nm～656nm，包括端點值。所述透鏡組中最大通光孔徑小于70mm。

經過仿真模擬得到，本實施例中提供的透鏡組的系統(tǒng)焦距為30.07mm，本實施例提供的虛擬現實設備的視場角可以達到112°×112°；所述顯示屏采用長寬比為4:3曲面屏時，單目視場角可以達到水平112°×垂直84°，本實施例中提供的虛擬現實設備最大可以支持對角線長4.4英寸的LCD(液晶)曲面屏。

通過對本實施例提供的虛擬現實設備的成像效果進行檢測，可以得到如圖2、圖3和圖4所示的成像效果圖。其中：

圖2為本發(fā)明實施例提供的同軸超大視場曲屏虛擬現實設備的調制傳遞函數曲線圖，通過讀圖，可以得知在10lp/mm頻率處，全部視場傳遞函數均大于0.4。

圖3為本發(fā)明實施例提供的同軸超大視場曲屏虛擬現實設備成像的畸變圖，通過計算可以得知，全視場內畸變最大值6.53％，平均畸變1.658％，標準差為1.0254％。

圖4為本發(fā)明實施例提供的同軸超大視場曲屏虛擬現實設備的彌散圓直徑圖，通過計算可以得知，全視場內彌散斑最小直徑41.84μm，最大直徑53.10μm，平均直徑43.818μm，標準差2.008μm。

綜上所述，本實施例提供的同軸大視場曲屏虛擬現實設備的中心視場在10lp/mm空間頻率處的MTF(光學傳遞函數)大于0.58，邊緣視場在10lp/mm空間頻率處的MTF大于0.4，全視場內最大相對畸變小于10％，平均畸變小于1.5％，其中，畸變不影響圖像清晰度只改變圖像形狀，通過計算機補償可以進行良好校正，因此本設計不做畸變的單獨校正。

由于采用非球面面型透鏡以及曲面顯示屏，使得球面鏡的數量減少到只剩3片，并通過合理的光路設計，將第一透鏡21遠離所述顯示屏的表面211與所述顯示屏3之間的距離縮小至小于77mm，從而使得虛擬現實設備的結構更加簡單，實現輕量化，減小了用戶使用虛擬現實設備時的前墜感，使得用戶體驗更好。

本實施例提供的虛擬現實設備包括同軸設置的顯示屏、具有正折射能力的透鏡組和出瞳，所述顯示屏為曲面屏，所述顯示屏上的圖像經過所述透鏡組成像在所述出瞳位置；所述透鏡組從所述出瞳到所述顯示屏依次包括同軸設置的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡與所述第二透鏡均為正透鏡，所述第三透鏡為負透鏡；其中，所述第一透鏡的兩個光學面均為非球面；所述第二透鏡遠離所述顯示屏的光學面為非球面，靠近所述顯示屏的光學面為球面；所述第三透鏡遠離所述顯示屏的光學面為非球面，靠近所述顯示屏的光學面為球面。即本發(fā)明中的虛擬現實設備中的透鏡包括球面結構和非球面結構，其中，采用非球面結構能夠校正影響成像質量的彗差、像散等垂直光軸的像差，提高成像質量；且由于采用非球面結構，能夠減少球面透鏡的使用，進而提高虛擬現實設備的透過率，同時非球面結構還具有擴大視場角度的作用。

進一步的，由于采用非球面結構后，可以減少球面透鏡的使用，進而使得VR設備結構更加簡單，能夠實現輕量化；曲面顯示屏在同等對角線尺寸下的像素比平面屏的多，曲面顯示屏能夠提供更多的像素，同時，與所述透鏡組組合，更有利于虛擬現實設備的小型化和輕量化。

基于上實施例提供的虛擬現實設備，本發(fā)明還提供了一種虛擬現實系統(tǒng)，所述虛擬現實系統(tǒng)包括上面實施例中所述的虛擬現實設備，所述虛擬現實設備同軸設置，所述虛擬現實設備可以是虛擬現實眼鏡或虛擬現實頭盔，本實施例中對此不做限定。

上述VR系統(tǒng)中采用上一實施例中所述的眼鏡或頭盔，使其具有較佳的視場角、高質量的成像效果以及小尺寸超薄結構等，將給使用者帶來良好的體驗，具體的請參考虛擬現實設備的實施例，在此不再贅述。

需要說明的是，在本文中，諸如“第一”和“第二”等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。