一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的制作方法

本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)目視光學(xué)系統(tǒng)是一種利用透鏡成像原理，將顯示屏所產(chǎn)生的影像由光學(xué)系統(tǒng)呈一放大的虛像。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)人眼左右眼視差，讓使用者可以看到立體圖像。

為了滿足使用者使用虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔時(shí)的沉浸感，虛擬現(xiàn)實(shí)目視光學(xué)系統(tǒng)需要有足夠大的視場(chǎng)角度，同時(shí)，為了增加使用者的舒適度，虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔應(yīng)具備小巧以及質(zhì)量輕的特點(diǎn)，這就要求虛擬現(xiàn)實(shí)的光學(xué)系統(tǒng)必須緊湊且質(zhì)量較輕。另一方面，目前所有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)都會(huì)使使用者在使用虛擬頭盔時(shí)出現(xiàn)眩暈感以及眼疲勞現(xiàn)象，不利于保護(hù)使用者的視力，這也是目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，用以解決在使用現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)裝置時(shí)容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，包括光學(xué)透鏡及與所述光學(xué)透鏡相對(duì)設(shè)置的顯示屏幕，所述顯示屏幕設(shè)置在所述光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位置與所述光學(xué)透鏡的最佳聚焦位置之間；其中，所述最佳聚焦位置為預(yù)定視場(chǎng)角所對(duì)應(yīng)的彌散圓中直徑最小的彌散圓所在平面的位置。

可選的實(shí)施例中，所述顯示屏幕固定設(shè)置在所述光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位置與所述光學(xué)透鏡的最佳聚焦位置之間，且所述顯示屏幕與所述最佳聚焦位置之間的距離為s，s的取值范圍為：或者，0<s≤f²/s0，其中，s0為明視距離，f為所述光學(xué)透鏡的焦距。

可選的實(shí)施例中，所述顯示屏幕可移動(dòng)地設(shè)置在所述光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位置與所述光學(xué)透鏡的最佳聚焦位置之間；所述顯示屏幕的移動(dòng)使得所述顯示屏幕與所述最佳聚焦位置之間的最大距離為或者，f²/s0，其中，s0為明視距離，f為所述光學(xué)透鏡的焦距。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)透鏡的焦距f的取值范圍為：37mm<f<50mm。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)透鏡的視場(chǎng)角大于或等于100°。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)透鏡的有效口徑大于或等于23mm。

可選的實(shí)施例中，所述光學(xué)透鏡包括沿同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成的第一面和第二面，所述第一面設(shè)置在靠近人眼的一側(cè)，所述第二面設(shè)置在靠近所述顯示屏幕的一側(cè)，所述第一面和所述第二面為曲面，其中，所述第一面的曲率半徑大于所述第二面的曲率半徑。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)透鏡為菲涅爾透鏡，且所述第二面為菲涅爾面，所述菲涅爾面包括多個(gè)同心環(huán)，所述多個(gè)同心環(huán)等間距，或者所述多個(gè)同心環(huán)等深度。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)透鏡包括第一面和第二面，所述第一面設(shè)置在靠近人眼的一側(cè)，所述第二面設(shè)置在靠近所述顯示屏幕的一側(cè)，所述第一面為平面，所述第二面為菲涅爾面。

可選的，所述光學(xué)透鏡還包括一固定框架，所述固定框架固定在所述光學(xué)透鏡的外邊緣，所述固定框架的厚度與所述光學(xué)透鏡的邊緣厚度一致。

可選的，所述光學(xué)透鏡的邊緣厚度d2，滿足1mm≤d2≤1.5mm。

可選的，所述固定框架上覆蓋有不透光介質(zhì)。

本發(fā)明實(shí)施例中，為保證人眼能夠看到清楚顯示屏幕所成的像，將顯示屏幕的位置設(shè)置在最佳聚焦位置與光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)位置之間，使顯示屏幕所成的像既能被人眼看清，又能減對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等間距的菲涅爾面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種等深度的菲涅爾面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種帶有固定框架的光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種帶有固定框架的光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的第一種示例中虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的第二種示例中虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的第三種示例中虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)，可以理解為人眼通過(guò)一光學(xué)透鏡觀察顯示屏幕所顯示的圖像，顯示屏幕為使用者所觀察的物體，光學(xué)透鏡相當(dāng)于一個(gè)放大鏡，當(dāng)物體與光學(xué)透鏡的距離小于光學(xué)透鏡的焦距時(shí)，即顯示屏幕放置在光學(xué)透鏡的焦距以內(nèi)時(shí)，顯示屏幕經(jīng)光學(xué)透鏡呈放大的虛像。為了減弱使用者在使用虛擬現(xiàn)實(shí)裝置(如虛擬頭盔)時(shí)的眩暈感，在使用者通過(guò)光學(xué)透鏡觀察顯示屏幕所成的虛像時(shí)，顯示屏幕所成的虛像既要滿足人眼能夠看清，還要滿足成像位置設(shè)計(jì)在遠(yuǎn)處，這樣才能減少顯示屏幕所成的虛像對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼疲勞。基于這一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實(shí)施例提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，用以解決在使用現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)裝置時(shí)容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，如圖1或圖2所示，包括光學(xué)透鏡2及與光學(xué)透鏡2相對(duì)設(shè)置的顯示屏幕3，其中，在該虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)中，人眼位置1靠近光學(xué)透鏡2的第一面s1設(shè)置，光學(xué)透鏡2的第二面s2靠近顯示屏幕3設(shè)置，顯示屏幕3設(shè)置在光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p之間，最佳聚焦位置p為預(yù)定視場(chǎng)角所對(duì)應(yīng)的彌散圓中直徑最小的彌散圓所在平面的位置。

在人眼位置1、光學(xué)透鏡2和顯示屏幕3構(gòu)成的目視光學(xué)系統(tǒng)中，根據(jù)人眼成像原理和放大鏡原理，人眼通過(guò)光學(xué)透鏡2觀察顯示屏幕3所成的像時(shí)，顯示屏幕3發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)透鏡2進(jìn)行人眼1時(shí)，人眼能夠觀察到的視野角度稱為視場(chǎng)角，在人眼中心位置發(fā)生變化時(shí)也即人眼處于不同位置時(shí)，它的視場(chǎng)角是不同的。本發(fā)明實(shí)施例中將預(yù)定視場(chǎng)角所對(duì)應(yīng)的彌散圓中直徑最小的彌散圓所在平面的位置，稱作最佳聚焦位置，其中預(yù)定視場(chǎng)角不限，可以是任意合理的視場(chǎng)角，在優(yōu)選的實(shí)施例中可將中心視場(chǎng)角設(shè)定為預(yù)定視場(chǎng)角，中心視場(chǎng)角是指人眼的中心與光學(xué)透鏡2的光軸所成的夾角為零度時(shí)所成的視場(chǎng)角，最佳聚焦位置可參照?qǐng)D1或圖2中的p點(diǎn)。可選的，本發(fā)明實(shí)施例中的最佳聚焦位置p點(diǎn)，可以通過(guò)以下方式確定：根據(jù)人眼成像原理對(duì)目視光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行反向建模，仿真出目視光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)。參照?qǐng)D2所示的目鏡光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)目視光學(xué)系統(tǒng)反向建模，光學(xué)透鏡2的最佳聚焦點(diǎn)為p點(diǎn)。

第一方面，根據(jù)光路的可逆性可知，當(dāng)顯示屏幕3位于最佳聚焦位置p點(diǎn)時(shí)，顯示屏幕3所成的像進(jìn)入人眼時(shí)，人眼能夠清楚的看到顯示屏幕3所成的像。第二方面，根據(jù)放大鏡成像原理，當(dāng)顯示屏幕3在1倍焦距以內(nèi)，并且越接近焦點(diǎn)位置，顯示屏幕3所成的像越遠(yuǎn)，顯示屏幕3所成的像對(duì)人眼的壓迫感越小，為了增加人眼到虛像的距離，顯示屏幕3應(yīng)更靠近焦點(diǎn)。兼顧這兩個(gè)方面的成像特點(diǎn)，本發(fā)明實(shí)施例中，為了使顯示屏幕3所成的像既能讓人眼看清，又能減少顯示屏幕3所成的虛像對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼疲勞，兼顧上述兩個(gè)方面的成像特點(diǎn)，將顯示屏幕3的位置設(shè)置在介于最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，而不是將顯示屏幕3設(shè)置在最佳聚焦位置p點(diǎn)。

但是，顯示屏幕3不能過(guò)于接近光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f，否則就會(huì)導(dǎo)致不同視場(chǎng)角所對(duì)應(yīng)的彌散圓過(guò)大，因而導(dǎo)致人眼不能分辨清楚像的細(xì)節(jié)，由此，人眼會(huì)感覺(jué)到看到的是模糊的像。為了能夠使人眼所觀察的像具有足夠多的細(xì)節(jié)，顯示屏幕3的位置可介于最佳觀察位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，并且顯示屏幕3與最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的距離不超過(guò)設(shè)定閾值，這個(gè)設(shè)定閾值為顯示屏幕3與最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的最大距離。本發(fā)明實(shí)施例中，顯示屏幕3與最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的最大距離，相當(dāng)于顯示屏幕3由最佳聚焦位置p點(diǎn)朝向光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f移動(dòng)的最遠(yuǎn)距離。

物理學(xué)里，人眼看太遠(yuǎn)和太近的物體時(shí)，眼球都要進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是改變眼球的突起程度，但是有一個(gè)距離恰能使眼球不需要調(diào)整晶狀體就能看清楚，這個(gè)距離稱作明視距離，約為250mm。當(dāng)顯示屏幕3所成像的位置能夠接近明視距離，恰能使眼球不需要調(diào)整晶狀體就能看清楚，使得人眼能在較為舒適、放松的情況下觀看顯示屏幕3顯示的內(nèi)容，這時(shí)人眼的調(diào)節(jié)功能不太緊張，可以長(zhǎng)時(shí)間觀察而不易疲勞。

為了確定顯示屏幕3由最佳聚焦位置p點(diǎn)朝向光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f移動(dòng)的最遠(yuǎn)距離，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果用肉眼觀察物體，當(dāng)物體由遠(yuǎn)移近時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)明視距離s0以后，繼續(xù)往人眼方向移動(dòng)，眼睛將會(huì)感覺(jué)疲勞甚至看不清，因此可以認(rèn)為眼睛的晶狀體對(duì)觀察的物體的調(diào)節(jié)范圍在無(wú)窮大∞～s0之間，且越靠近s0越能看清細(xì)節(jié)。將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，假設(shè)眼睛靠近光學(xué)透鏡2，顯示屏幕3設(shè)置在光學(xué)透鏡2與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，且顯示屏幕3位于可允許移動(dòng)的一個(gè)焦深大小的范圍內(nèi)時(shí)，可以使光學(xué)透鏡2所成的像在人眼的調(diào)焦范圍內(nèi)，并且此時(shí)所成的像為清晰的像。這是因?yàn)榻股钍侵副３治矬w所成的像為清晰的像的基礎(chǔ)上，焦點(diǎn)位置f(焦平面)沿著光學(xué)透鏡光軸所允許移動(dòng)的最大距離。在焦點(diǎn)位置f允許移動(dòng)的距離內(nèi)，物體位置，以及物體所成的像的位置在原位置的基礎(chǔ)上，也有一個(gè)可以允許移動(dòng)的距離，將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在本發(fā)明實(shí)施例的目視光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，在將顯示屏幕3的位置設(shè)置在介于最佳聚焦位置p點(diǎn)與焦點(diǎn)位置f之間，且顯示屏幕3位于可允許移動(dòng)的一個(gè)焦深大小的范圍內(nèi)時(shí)，能夠使光學(xué)透鏡2所成的像在人眼的調(diào)焦范圍內(nèi)，并且此時(shí)所成的像為清晰的像。進(jìn)一步的，在將顯示屏幕3的位置設(shè)置在介于最佳聚焦位置p點(diǎn)與焦點(diǎn)位置f之間時(shí)，為了使人眼能夠看清顯示屏幕3所成的像的細(xì)節(jié)，可以根據(jù)光學(xué)透鏡2的焦深δx來(lái)確定顯示屏幕3的位置由最佳聚焦位置p點(diǎn)朝向光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f移動(dòng)的最遠(yuǎn)距離。

可選的，光學(xué)透鏡2的焦深δx可以根據(jù)牛頓公式確定。

根據(jù)牛頓公式x*x'＝f*f'，其中，x表示物點(diǎn)到物方焦點(diǎn)的距離，x'表示為像點(diǎn)的位置，f、f'分別表示物方焦距和像方焦距。根據(jù)放大鏡原理，當(dāng)像點(diǎn)位置x'從-∞向-s0移動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的物點(diǎn)到物方焦點(diǎn)的距離從0到變化。在保持物體所成的像為清晰的像的基礎(chǔ)上，物點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離物方焦點(diǎn)時(shí)，物點(diǎn)到物方焦點(diǎn)的最大距離，可以看作是物方焦點(diǎn)沿著光軸允許移動(dòng)的最大距離，在將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在本發(fā)明實(shí)施例的目視光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，物方焦點(diǎn)沿著光軸允許移動(dòng)的最大距離就是光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f沿著光學(xué)透鏡2的光軸所允許移動(dòng)的最大距離，即焦深δx。

根據(jù)牛頓公式，其中，s0為明視距離，f為光學(xué)透鏡2的焦距，同時(shí)物方焦距f和像方焦距f’相等。

綜上，在本發(fā)明實(shí)施例提供的虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)中，為保證人眼能夠看到清楚顯示屏幕3所成的像，需將顯示屏幕3設(shè)置在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，為保證顯示屏幕3所成的像對(duì)人眼的壓迫感最小，令顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離為光學(xué)透鏡2的焦深的大小，相當(dāng)于顯示屏幕3可以以最佳聚焦位置p點(diǎn)為起始點(diǎn)朝向焦點(diǎn)位置f的方向移動(dòng)，且顯示屏幕3可移動(dòng)的最大距離滿足進(jìn)而顯示屏幕3所成的像既能被人眼看清，又能減小對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。

基于上述實(shí)施例中顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f、光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的位置關(guān)系，一種可選的實(shí)施例中，顯示屏幕3固定設(shè)置在光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間，若顯示屏幕3與最佳聚焦位置p之間的距離為s，則s的取值范圍為：其中，s0為明視距離，f為光學(xué)透鏡2的焦距。

本發(fā)明實(shí)施例中，并不限于將顯示屏幕3設(shè)置在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，理論上也可以包括將顯示屏幕3設(shè)置在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的第二面s2之間，令顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離等于光學(xué)透鏡2的焦深的大小，即相當(dāng)于顯示屏幕3可以以最佳聚焦位置p點(diǎn)為起始點(diǎn)朝向光學(xué)透鏡2的第二面s2的方向移動(dòng)，且顯示屏幕3可移動(dòng)的最大距離滿足但是，由于顯示屏幕3離人眼越近，人眼觀察圖像時(shí)越容易疲勞，因此，這種實(shí)施例對(duì)于減小對(duì)人眼的壓迫感，減小人眼視覺(jué)疲勞的效果并不理想。

進(jìn)一步的，由于光學(xué)透鏡2的焦距f遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于s0，因此當(dāng)顯示屏幕3由最佳聚焦位置p點(diǎn)朝向焦點(diǎn)位置f移動(dòng)的最大距離可近似為：即顯示屏幕3固定設(shè)置在光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間時(shí)，顯示屏幕3與所述最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的距離為s，s的取值范圍為0<s≤f²/s0。

本發(fā)明實(shí)施例中，并不限于顯示屏幕3固定設(shè)置在光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間。另一種可選的實(shí)施例中，所述顯示屏幕3可移動(dòng)地設(shè)置在所述光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間。例如，在虛擬現(xiàn)實(shí)裝置中設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示屏幕3在焦點(diǎn)位置f與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間移動(dòng)。為了使顯示屏幕3所成的像既能被人眼看清，又能減小對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，在所述顯示屏幕3的移動(dòng)過(guò)程中所述顯示屏幕3與所述最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的最大距離為或者，f²/s0。

基于上述任一實(shí)施例，當(dāng)顯示屏幕3由最佳聚焦位置p點(diǎn)朝向焦點(diǎn)位置f移動(dòng)的最大距離與光學(xué)透鏡2的焦距f的平方成正比時(shí)，焦距f越大，光學(xué)透鏡的焦深越長(zhǎng)。因此為了使像距足夠遠(yuǎn)，應(yīng)采用焦距較長(zhǎng)的透鏡，但為了保證光學(xué)系統(tǒng)的緊湊感，光學(xué)透鏡2的焦距又不能過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)過(guò)于笨重，增加使用者的負(fù)擔(dān)。為了使光學(xué)透鏡2兼?zhèn)湫◇w積和對(duì)人眼壓迫小，光學(xué)透鏡2的焦距f的取值范圍為：37mm＜f＜50mm。

基于光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)與顯示屏幕3的上述位置關(guān)系，以及光學(xué)透鏡2的焦距的取值范圍，本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)透鏡2具有以下特點(diǎn)：

可選的，光學(xué)透鏡2包括第一面s1和第二面s2，第一面s1設(shè)置在靠近人眼的一側(cè)，第二面s2設(shè)置在靠近顯示屏幕3的一側(cè)，第一面s1和第二面s2為沿同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成的曲面，可參見(jiàn)圖2，其中，第一面s1的曲率半徑大于第二面s2的曲率半徑。其中，第一面s1可以為非球面或者球面，第二面s2可以為非球面或者菲涅爾面，第一面s1為非球面，第二面s2為菲涅爾面的光學(xué)透鏡2參見(jiàn)圖1。

可選的，為了進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，第一面s1和第二面s2為非球面。非球面相對(duì)于球面可以有效的校正像差，第一面s1和第二面s2都為非球面時(shí)，光學(xué)透鏡2所成的虛像的邊緣也是清晰的，光學(xué)透鏡2具有較好的成像質(zhì)量。

基于第一面s1和第二面s2為非球面，光學(xué)透鏡2可以具備較大的視場(chǎng)角，進(jìn)一步的，光學(xué)透鏡2的視場(chǎng)角大于或等于100°時(shí)，可滿足較大的沉浸感。

為了使虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)更為緊湊、輕薄，可選的，光學(xué)透鏡2采用菲涅爾透鏡。

由于菲涅爾透鏡的菲涅爾面在短焦下依然可以做得很薄，為了使光學(xué)透鏡2的整體厚度變薄，使光學(xué)透鏡2同時(shí)具備短焦和小尺寸，可選的，光學(xué)透鏡2的第二面s2為菲涅爾面。

可選的，光學(xué)透鏡2的第二面s2為菲涅爾面時(shí)，第一面s1可以是球面或者非球面。

本發(fā)明實(shí)施例中，并不限于第一面s1和第二面s2為曲面，可選實(shí)施例中，光學(xué)透鏡包括第一面和第二面，第一面設(shè)置在靠近人眼的一側(cè)，第二面設(shè)置在靠近所述顯示屏幕的一側(cè)，第一面為平面，第二面為菲涅爾面。

最佳實(shí)施例中，光學(xué)透鏡2采用基面為非球面的菲涅爾透鏡，即第一面s1為非球面，第二面s2為菲涅爾面，非球面相對(duì)于球面可以很好的校正像差，在此基礎(chǔ)上，光學(xué)透鏡2邊緣的圖像也能看清楚，進(jìn)而可制備出大視場(chǎng)角的光學(xué)透鏡2。可選的，在光學(xué)透鏡2的第一面s1為非球面時(shí)，為了滿足較大的沉浸感，光學(xué)透鏡2的最大視角至少為100°。

可選的，光學(xué)透鏡2的視場(chǎng)角大于或等于100°時(shí)，光學(xué)透鏡2的有效口徑大于或等于23mm。

可選的，光學(xué)透鏡2的第二面s2為菲涅爾面時(shí)，第二面s2可以制作成等間距或者等深度的菲涅爾面。

通常，菲涅爾面上設(shè)有多個(gè)依次連接的鋸齒同心環(huán)，每一個(gè)鋸齒同心環(huán)包括非工作面和工作面，考慮到加工及非工作面光損失率，非工作面與菲涅爾透鏡的光軸所形成的銳角為0至5度，即菲涅爾透鏡的光軸在非工作面22上的投影與與菲涅爾透鏡的光軸所形成的銳角為0至5度，非工作面的一端連接菲涅爾面，另一端連接工作面，工作面為弧形。

可選的，光學(xué)透鏡2的第二面s2為菲涅爾面時(shí)，第二面s2制作成等間距的菲涅爾面，參照?qǐng)D3，菲涅爾面的多個(gè)鋸齒同心環(huán)的環(huán)間距相等。在多個(gè)鋸齒同心環(huán)等間距時(shí)，鋸齒同心環(huán)的內(nèi)徑越大，加工非工作面時(shí)的環(huán)帶深度越深，但環(huán)帶深度越深，加工越困難?？蛇x的，每個(gè)鋸齒同心環(huán)的環(huán)帶深度不大于0.25mm。

可選的，光學(xué)透鏡2的第二面s2為菲涅爾面時(shí)，第二面s2制作成等深度的菲涅爾面，參照?qǐng)D4，多個(gè)鋸齒同心環(huán)的環(huán)間距不相等，而且環(huán)帶深度h相等。當(dāng)菲涅爾面制作成等間距時(shí)，同心環(huán)越靠近邊緣，其環(huán)帶深度越深，但過(guò)深的環(huán)帶深度會(huì)導(dǎo)致加工難度增加以及成像質(zhì)量變差。為了保證菲涅爾面具有較好的成像質(zhì)量，將菲涅爾面制作成等深度，可以有效減小非工作面的面積和邊緣環(huán)帶的深度，進(jìn)而提高光利用率，并且還有助于減小非工作面對(duì)工作面的成像串?dāng)_，有利于提高菲涅爾面的成像質(zhì)量。

根據(jù)透鏡加工工藝，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度應(yīng)大于0.04d，因本發(fā)明實(shí)施例中，d≥23mm，因此光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2滿足：d2>0.92mm。但從加工的難易程度來(lái)看，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2不宜太薄，為使透鏡容易加工且保證面型精度，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2至少為1mm～1.5mm。為了進(jìn)一步減輕光學(xué)透鏡2的重量，整體縮小光學(xué)透鏡2的厚度，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2最大為2.5mm?？蛇x的，本發(fā)明實(shí)施例中，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2滿足：1mm≤d2≤2.5mm。

可選的，在光學(xué)透鏡2的第二面s2不是菲涅爾面時(shí)，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2滿足：1.5mm≤d2≤2.5mm。

可選的，在光學(xué)透鏡2的第二面s2為菲涅爾面時(shí)，光學(xué)透鏡2的邊緣可以做得更薄，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2滿足：1mm≤d2≤1.5mm。

可選的，為了便于透鏡安裝，參照?qǐng)D5和圖6，本發(fā)明實(shí)施例中的光學(xué)透鏡2還包括一固定框架20，固定框架20固定在光學(xué)透鏡2的外邊緣。

可選的，固定框架20的厚度與光學(xué)透鏡2的邊緣厚度一致。

可選的，為了進(jìn)一步減輕光學(xué)透鏡2的重量，固定框架20的安裝直徑比光學(xué)透鏡2的有效口徑大1mm～3mm。

可選的，本發(fā)明實(shí)施例中，固定框架20的外沿可以是圓形、橢圓、多邊形的任意一種。本實(shí)施例的固定框架20首選圓形。

可選的，光學(xué)透鏡2的固定框架20上覆蓋有不透光介質(zhì)，可以防止顯示屏幕3發(fā)出的光通過(guò)光學(xué)透鏡2的固定框架20產(chǎn)生折反射光線，因此可減少折反射光線對(duì)顯示屏幕3成像時(shí)造成的干擾。

可選的，光學(xué)透鏡2的色散系數(shù)大于50。

可選的，光學(xué)透鏡2的材質(zhì)為pmma。

基于本發(fā)明上述實(shí)施例中光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)與顯示屏幕3的上述位置關(guān)系，光學(xué)透鏡2的焦距的取值范圍，以及光學(xué)透鏡2的面型等特點(diǎn)，本發(fā)明實(shí)施例提供了虛擬現(xiàn)實(shí)裝置目視光學(xué)系統(tǒng)中的三種應(yīng)用示例。

對(duì)于第一種示例，可參見(jiàn)如圖7所示的一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)，包括人眼位置1、光學(xué)透鏡2和顯示屏幕3，光學(xué)透鏡2包括第一面s1和第二面s2，第一面s1與第二面s2為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面，第一面s1與第二面s2沿同一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成。第一面s1設(shè)置在靠近人眼位置1一側(cè)，第二面s2設(shè)置在靠近顯示屏幕3的一側(cè)，第一面s1與第二面s2都成外凸?fàn)?，第一面s1為非球面，第二面s2為菲涅爾面，且第一面s1的曲率半徑較大，第二面s2的曲率半徑較小。

經(jīng)過(guò)目視光學(xué)系統(tǒng)反向建模，光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置為p點(diǎn)。假如光學(xué)透鏡2的焦距為f。為保證人眼能夠看到清楚顯示屏幕3所成的像，顯示屏幕3的位置位于p點(diǎn)與f點(diǎn)之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間移動(dòng))，為保證屏幕所成的像對(duì)人眼的壓迫感最小，像的距離應(yīng)該在最遠(yuǎn)處，顯示屏幕3與最佳聚焦位置p點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離為相當(dāng)于顯示屏幕3可以以p點(diǎn)為起始點(diǎn)朝向焦點(diǎn)位置f的方向移動(dòng)，且顯示屏幕3的位移滿足最大值進(jìn)一步的，由于光學(xué)透鏡2作為放大鏡使用，光學(xué)透鏡2的焦距f遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于s0，因此當(dāng)顯示屏幕3由p點(diǎn)朝向焦點(diǎn)位置f移動(dòng)的最大距離可近似為：

在第一面s1為非球面，第二面s2為菲涅爾面時(shí)：

可選的，所以菲涅爾透鏡的最大視角至少為100°。

可選的，光學(xué)透鏡的有效口徑大于或等于23mm。

可選的，第二面s2為等間距的菲涅爾面。

可選的，第二面s2為等深度的菲涅爾面。

可選的，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2滿足：1mm≤d2≤1.5mm。

可選的，還包括一固定框架20，固定框架20固定在光學(xué)透鏡2的外邊緣。

可選的，固定框架20的厚度與光學(xué)透鏡2的邊緣厚度一致。

可選的，固定框架20的安裝直徑比光學(xué)透鏡2的有效口徑大1mm～3mm。

可選的，光學(xué)透鏡2的固定框架20上覆蓋有不透光介質(zhì)，可以防止顯示屏幕3發(fā)出的光通過(guò)光學(xué)透鏡2的固定框架20產(chǎn)生折反射光線，因此可減少折反射光線對(duì)顯示屏幕3成像時(shí)造成的干擾。

可選的，光學(xué)透鏡2的色散系數(shù)大于50。

可選的，光學(xué)透鏡2的材質(zhì)為pmma。

在第一種示例中，光學(xué)透鏡2的第一面s1為非球面，第二面s2為菲涅爾面，具有較高的成像質(zhì)量和至少100°的視場(chǎng)角，顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系為：顯示屏幕3的位置位于最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間移動(dòng))，并且顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離為光學(xué)透鏡2的焦深的大小顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的上述相對(duì)位置關(guān)系，使得顯示屏幕3所成的像的細(xì)節(jié)既能被人眼看清，又能減小對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。此外，在第一種示例中，由于第二面s2為菲涅爾面，光學(xué)透鏡2的中心厚度和邊緣厚度都可以制作的更薄，有利于減小光學(xué)透鏡2的體積和重量，有利于實(shí)現(xiàn)光學(xué)透鏡2的輕薄化。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了第二種示例，可參見(jiàn)如圖8所示的一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)，包括人眼位置1、光學(xué)透鏡2和顯示屏幕3，光學(xué)透鏡2包括第一面s1和第二面s2。第一面s1設(shè)置在靠近人眼位置1的一側(cè)，第二面s2設(shè)置在靠近顯示屏幕3的一側(cè)，第一面s1為平面，第二面s2為菲涅耳面。

與第一種示例相比，不同之處在于，第一面s1的面型由非球面替換成了平面。

在此示例中其他光學(xué)參數(shù)的選取與第一示例相同，此處不再詳細(xì)描述。

在第二種示例中，顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系、光學(xué)透鏡2的第二面s2、光學(xué)透鏡2的有效口徑、光學(xué)透鏡2的邊緣厚度、光學(xué)透鏡2的固定框架、光學(xué)透鏡2的材質(zhì)、光學(xué)透鏡的安裝直徑的具體內(nèi)容與第一種示例相同，具體參見(jiàn)第一種示例，此處不再累述。

在第二種示例中，光學(xué)透鏡2的第一面s1為平面，第二面s2為菲涅爾面，具有較高的成像質(zhì)量和至少100°的視場(chǎng)角，顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系為：顯示屏幕3的位置位于最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間移動(dòng))，并且顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離為光學(xué)透鏡2的焦深的大小顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的上述相對(duì)位置關(guān)系，使得顯示屏幕3所成的像的細(xì)節(jié)既能被人眼看清，又能減小對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。此外，在第三種示例中，由于第二面s2為菲涅爾面，光學(xué)透鏡2的中心厚度和邊緣厚度都可以制作的更薄，有利于減小光學(xué)透鏡2的體積和重量，有利于實(shí)現(xiàn)光學(xué)透鏡2的輕薄化。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了第三種示例，可參見(jiàn)如圖9所示的一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)，包括人眼位置1、光學(xué)透鏡2和顯示屏幕3，光學(xué)透鏡2包括第一面s1和第二面s2，第一面s1與第二面s2為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面。第一面s1與第二面s2都成外凸?fàn)?，第一面s1設(shè)置在靠近人眼位置1的一側(cè)，第二面s2設(shè)置在靠近顯示屏幕3的一側(cè)，第一面s1和第二面s2都為非球面，第一面s1的曲率半徑較大，第二面s2的曲率半徑較小。

與第一種示例相比，不同之處在于，第二面s2的面型由菲涅爾面替換成了非球面。

經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)反向建模，光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置為點(diǎn)p。假如光學(xué)透鏡2的焦距為f。為保證人眼能夠看到清楚顯示屏幕3所成的像，顯示屏幕3的位置位于p點(diǎn)與f點(diǎn)之間，為保證屏幕所成的像對(duì)人眼的壓迫感最小，像的距離應(yīng)該在最遠(yuǎn)處，顯示屏幕3與p點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離為相當(dāng)于顯示屏幕3以p點(diǎn)為起始點(diǎn)朝向焦點(diǎn)位置f的方向移動(dòng)，且顯示屏幕3的位移滿足最大值由于光學(xué)透鏡2的焦距f遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于s0，因此當(dāng)顯示屏幕3由p點(diǎn)朝向焦點(diǎn)位置f移動(dòng)的最大距離可近似為：

在第一面s1和第二面s2都為非球面時(shí)：

可選的，光學(xué)透鏡2的最大視角至少為100°。

可選的，光學(xué)透鏡2的有效口徑大于或等于23mm。

可選的，光學(xué)透鏡2的邊緣厚度d2滿足：1.5mm≤d2≤2.5mm。

可選的，還包括一固定框架20，固定框架20固定在光學(xué)透鏡2的外邊緣。

可選的，固定框架20的厚度與光學(xué)透鏡2的邊緣厚度一致。

可選的，固定框架20的安裝直徑比光學(xué)透鏡2的有效口徑大1mm～3mm。

可選的，光學(xué)透鏡2的固定框架20上覆蓋有不透光介質(zhì)，可以防止顯示屏幕3發(fā)出的光通過(guò)光學(xué)透鏡2的固定框架20產(chǎn)生折反射光線，因此可減少折反射光線對(duì)顯示屏幕3成像時(shí)造成的干擾。

可選的，光學(xué)透鏡2的色散系數(shù)大于50。

可選的，光學(xué)透鏡2的材質(zhì)為pmma。

在第三種示例中，光學(xué)透鏡2的第一面s1和第二面s2都為非球面，具有較高的成像質(zhì)量和至少100°的視場(chǎng)角，顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系為：顯示屏幕3的位置位于最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點(diǎn)與光學(xué)透鏡2的焦點(diǎn)位置f之間移動(dòng))，并且顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離為光學(xué)透鏡2的焦深的大小顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點(diǎn)之間的上述相對(duì)位置關(guān)系，使得顯示屏幕3所成的像的細(xì)節(jié)既能被人眼看清，又能減小對(duì)人眼的壓迫感，避免人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。