本發明涉及智能穿戴設備技術領域，尤其涉及一種光學系統及具有該光學系統的頭戴式虛擬現實裝置。

背景技術：

虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，通過視、聽、觸覺等作用于使用者，使其產生身臨其境的感覺。虛擬現實裝置包括支撐件、顯示設備和光學系統等，其通過對左右格式的畫面進行光學處理，使左畫面進入左眼，右畫面進入右眼，從而形成3D圖像。然而，對于目前的虛擬現實裝置來說，顯示設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，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重，畫面清晰度差；當然也有采用兩塊屏幕的設計，左右眼各對應一塊屏，屏幕的大小由視場角決定，如單眼視場角100°以下的設計多采用2英寸到3.6英寸的小屏，而單眼100°至140°的設計可采用4.7英寸以上大屏，但這種結構會造成設備體積大、成本高等缺陷。

針對上述問題，現有技術中披露了一種光學放大系統，其采用單個大屏，可以使單眼看到整個屏幕，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大屏幕使用范圍，使整個屏幕都可以通過光學系統成像在人眼中。但是這種光學系統的缺點在于：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.該光學系統只采用一片鏡片，導致色差無法校正，影響了人眼觀察屏幕時的清晰度。

技術實現要素：

基于以上所述，本申請提供一種光學系統及頭戴式虛擬現實裝置，以解決現有虛擬現實裝置中屏幕利用率低、視角范圍小、圖像畸變嚴重，以及現有光學系統中透鏡加工難、成本高的問題。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種光學系統，用于頭戴式虛擬現實裝置，所述光學系統包括兩塊平凸透鏡，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系統后能夠觀察到所述顯示設備的整個屏幕。

作為一種光學系統的優選方案，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°。

作為一種光學系統的優選方案，所述光學系統還包括楔形棱鏡，所述楔形棱鏡嵌設于所述兩塊平凸透鏡的楔形空間內，所述楔形棱鏡的前后兩個通光面為平面。

作為一種光學系統的優選方案，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。

作為一種光學系統的優選方案，所述兩塊平凸透鏡中每一塊透鏡的焦距均大于所述光學系統的焦距。

作為一種光學系統的優選方案，所述光學系統的焦距為70mm-120mm。

本申請還提出另一種光學系統，同樣用于頭戴式虛擬現實裝置，所述光學系統包括一塊楔形棱鏡，所述楔形棱鏡設有前后兩個通光面，其中每個通光面采用菲涅爾面、二元光學面、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系統后能觀察到顯示設備的整個屏幕。

作為一種光學系統的優選方案，所述楔形棱鏡的楔角范圍為15°—40°。

本申請同時提出一種頭戴式虛擬現實裝置，包括顯示設備和支撐結構件，還包括以上任一項方案所述的光學系統，所述顯示設備和光學系統均設置于支撐結構件內，所述顯示設備輸出的圖像經光學系統后進入人眼。

作為一種頭戴式虛擬現實裝置的優選方案，所述光學系統對稱設置有左右兩組，分別位于人的左眼和右眼之前。

作為一種頭戴式虛擬現實裝置的優選方案，所述顯示設備包括一整塊屏幕，兩組所述光學系統的楔角開口向內。

作為一種頭戴式虛擬現實裝置的優選方案，所述顯示設備包括左右兩塊屏幕，兩屏幕均向外傾斜設置，分別對應于左右兩組光學系統；兩組所述光學系統的楔角開口向外。

作為一種頭戴式虛擬現實裝置的優選方案，左右兩組所述光學系統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實裝置的優選方案，人單眼到所述光學系統的視場角為70°-120°。

作為一種頭戴式虛擬現實裝置的優選方案，所述視場角的0°視場角對應于顯示設備的屏幕中心。

作為一種頭戴式虛擬現實裝置的優選方案，所述光學系統到人眼的距離為8mm-16mm。

作為一種頭戴式虛擬現實裝置的優選方案，所述顯示設備包括手機、可移動媒體播放器或可移動游戲設備。

本發明的有益效果為：

本申請的光學系統通過在兩塊平凸透鏡之間設置楔形空間，或者獨立采用一塊通光面經特殊設置的楔形棱鏡，可有效擴大觀察者的視角范圍，使觀察者單眼通過該光學系統即可觀察到顯示設備的整個屏幕，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，使用傳統旋轉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，有效節約了制作成本。具有上述光學系統的虛擬現實裝置，視角范圍大，可以只設置一塊屏幕，從而避免了分屏技術帶來的缺陷，減小了圖像畸變，提高了畫面清晰度和系統分辨率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對本發明實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發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據本發明實施例的內容和這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施方式提供的頭戴式虛擬現實裝置的結構示意圖；

圖2是本發明實施例一提供的光學系統的結構示意圖；

圖3是本發明實施例二提供的光學系統的結構示意圖；

圖4是本發明實施例二提供的光程差曲線示意圖；

圖5是本發明實施例二提供的畸變網格圖；

圖6是本發明實施例三提供的光學系統的結構示意圖；

圖7是本發明實施例四提供的光學系統的結構示意圖；

圖8是本發明實施例五提供的光學系統的結構示意圖；

圖9是本發明實施例六提供的光學系統的結構示意圖。

圖中：

11-顯示設備；11L-左側屏幕；11R-右側屏幕；21-光學系統；21L-左側光學系統；21R-右側光學系統；31-人眼；L1-第一平凸透鏡；L2-第二平凸透鏡；P1-楔形棱鏡。

具體實施方式

為使本發明解決的技術問題、采用的技術方案和達到的技術效果更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施例的技術方案作進一步的詳細描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明提供一種光學系統及應用該光學系統的頭戴式虛擬現實裝置，如圖1所示，該虛擬現實裝置包括支撐結構件、顯示設備11及光學系統21，其中顯示設備11和光學系統21均設置于支撐結構件內，且光學系統21位于人眼31和顯示設備11之間，從而使顯示設備11輸出的圖像經光學系統21后能夠進入人眼31。與目前市場上大多數單屏虛擬現實裝置不同的是，本申請顯示設備11的整個屏幕都可以通過光學系統21被人眼31觀察到，而不是像其他單屏設備那樣需要進行分屏設置。具體地，該光學系統21對稱設置有左右兩組，分別位于人的左眼和右眼之前，且左右兩組光學系統21之間的距離與人的雙眼瞳孔間距相匹配，以確保畫面質量及觀察者的使用舒適度。本裝置中，顯示設備11可以為手機、平板電腦、可移動媒體播放器或可移動游戲設備等，只要能與虛擬現實設備連接且具有圖像播放功能即可。

上述光學系統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。光學系統21的焦距F在70mm到120mm之間，其典型值為90mm。本發明中，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±60°，典型值為±45°；這里，視場角是指人單眼到光學系統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°。進一步地，0°視場角對應于顯示設備11的屏幕中心，即屏幕中心位置附近的圖像將以0°的入射角進入到人眼31中，這樣人的兩眼看到的還是整個屏幕，而不會產生屏幕偏移的感覺。為滿足此要求，屏幕中心位置圖像入射到光學系統21的主光線與光學系統21主光軸之間的夾角應滿足：≤arctan(Le/2Ls),其中Le為人的兩眼瞳孔間距離，Ls為光學系統21到屏幕的距離。考慮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。該光學系統21到屏幕的距離Ls應滿足：Ls≤F。另外，為了使左右兩個光學系統21不產生干涉，光學系統21中鏡片的最大口徑D_max應小于Le/2。此處，左右兩側的光學系統21之間的距離De可以是固定的，也可以是可調的，調整范圍與人兩眼瞳孔間距相匹配，且不會產生干涉。

實施例一

如圖2所示，本實施例提供一種優選的光學系統，用于上述頭戴式虛擬現實裝置，該光學系統分為左側光學系統21L和右側光學系統21R，每一側的光學系統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系統后即能觀察到顯示設備11的整個屏幕。本實施例中，顯示設備11為一整塊屏幕，且兩組光學系統的楔角開口向內。

進一步地，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°。此角度的設置，使觀察者單眼通過該光學系統即可觀察到顯示設備11的整個屏幕，從而大大提高了屏幕的利用率，避免了分屏技術帶來的缺陷。而且，由于本發明采用平凸透鏡的結構，使用傳統旋轉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。或者相反，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，對色差進行了有效的校正，提高了系統的分辨率和清晰度。

實施例二

如圖3所示，本實施例提供了另一種光學系統，其結構設置與實施例一中光學系統基本相同，其區別在于：本實施例還設有一塊楔形棱鏡P1。

本實施例的光學系統包括三個部分，從人眼31到顯示設備11依次設有：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的具體設置跟實施例一中一致，而楔形棱鏡P1嵌設于上述兩塊平凸透鏡形成的楔形空間內。本實施例中，顯示設備11同樣為一整塊屏幕，兩組光學系統的楔角開口向內。

此處，楔形棱鏡P1的前后兩個通光面為平面，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，以充分保證結構的可靠和穩定性。進一步地，該楔形棱鏡P1的楔角在15°-40°之間，此角度的設置，使觀察者單眼通過該光學系統即可觀察到顯示設備11的整個屏幕，從而大大提高了屏幕的利用率，避免了分屏技術帶來的缺陷。而且，平凸透鏡和楔形棱鏡P1均可使用傳統旋轉對稱式鏡片加工得到，其制作簡單，成本較低。

本實施例中，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，或者選擇其他光學材料。該楔形棱鏡P1配合以上兩塊平凸透鏡的設計，有效減小了圖像畸變，提高了畫面清晰度和分辨率，同時不同材料的使用也有效校正了系統色差。圖4所示為該光學系統的光程差示意圖，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為該光學系統畸變網格圖，可以看出整個系統畸變<10％。

實施例三

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

實施例四

如圖7所示，本實施例提供又一種光學系統，該光學系統與實施例一中的結構設置基本相同，其不同之處在于：本實施例的顯示設備11包括左右兩塊屏幕，分別為左側屏幕11L和右側屏幕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。上述左側屏幕11L和右側屏幕11R均向外傾斜設置，分別對應于左右兩組光學系統。使用時，左側屏幕11L的圖像經左側光學系統21L進入人的左眼，右側屏幕11R的圖像經右側光學系統21R進入人的右眼，從而使觀察者產生立體的視覺體驗。本實施例相對于普通的雙屏虛擬現實設備來說，其具有更大的視覺范圍，進一步減小了圖像畸變，有效改善了畫面清晰度和系統分辨率；而且當兩塊平凸透鏡采用不同材料時，還可以有效校正系統色差。

實施例五

如圖8所示，本實施例提供了又一種光學系統，其與實施例二中的結構基本相同，其不同之處在于：本實施例的顯示設備11包括左右兩塊屏幕，分別為左側屏幕11L和右側屏幕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。本實施例同樣擴大了系統視角范圍，避免了分屏技術帶來的圖像畸變，有效改善了畫面質量和用戶體驗；而且當兩塊平凸透鏡及楔形棱鏡P1中至少兩個元件采用不同材料制作時，也可以起到校正色差的作用。

實施例六

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

注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本發明不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的范圍由所附的權利要求范圍決定。