CN107065181B - 虚拟现实设备的光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种虚拟现实设备的光学***，本发明通过将透明显示屏设置在反射镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏设置为透明，能使虚拟的内容经反射后成虚像被人眼所看到，显示屏于正面发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，有效的隔断了杂散光，显示屏于发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而扩大了视场角度，包括扩大垂直和水平方向视场角，另外，本发明的光学***的色差小，能量利用率更高。
Description
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种虚拟现实设备的光学***。
背景技术
目前市场上的虚拟现实(VR)设备多采用折射式、反射式或折反射式光学设计,镜片的几何位置均在放在人眼和显示屏之间，人眼和显示屏在镜片的两侧，且显示屏不透明。
对于以上折射式光学***，因为光线通过镜片，同一镜片对不同波长光线有不同的折射率，会导致色差，对于VR设备，目前有两种方案：第一种增加镜片数量，通过光学的方式来矫正色差，这样会使得光学***复杂，第二种通过软件进行反色差矫正，这种矫正能力有限，且矫正复杂。
对于以上反射式光学***，因为局限于显示屏和人脸的限制，只能采用离轴或者倾斜反射镜设计，同时为了更好的平衡像差，多采用自由曲面反射镜设计，且垂直方向视场角做不大，目前市场上的VR设备的垂直视场角均小于60度，与人眼市场角相比还差很多，很难满足目前市场沉浸感的需求，目前反射式大面积自由曲面反射镜加工复杂难度大，且成本较高。
对于以上折反射式光学***，因为光学***采用了了偏振片和具有半反半透镀膜的透镜，半反半透表面只能利用一半的能量，同样因为波片针对不同的入射角度相位延迟也会有很大的差异，会造成不同角度下偏振态转换不完全，如此偏振片透过和反射能量不完全，能量利用率低，如要达到目前折射式虚拟现实设备同样的亮度，显示屏需要更高的发光度，这样会造成整机功耗大。同时因为半反半透的透镜表面，整个虚拟现实设备会有杂散光。另外因为用了折射式光学镜片，同一材料对于不同波长有色差，需要光学或者软件矫正色差。还有因为光学元件较多且组装要求较高，总体成本较高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种虚拟现实设备的光学***，能够解决现有的虚拟现实设备结构复杂、存在色差、视场角太小、能量利用率低和存在杂散光的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种虚拟现实设备的光学***，该虚拟现实设备的光学***包括光学单元，每个光学单元包括从人眼侧开始依次包括吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射镜，其中，
所述吸收式偏振器件、显示屏、1/8波片、1/4波片均为光学透明元件，所述显示屏发出的光线为线性偏振光。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述人眼、吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射镜的光轴都在同一条直线上。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述吸收式偏振器件的通光方向与所述第一线性偏振光的偏振方向正交。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述吸收式偏振器件侧发出的第一线性偏振光被所述吸收式偏振器件吸收。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/8波片侧发出的第一线偏振光在第一次经过1/8所述波片时，第一线性偏振光被转化为椭圆偏振光后，所述椭圆偏振光被所述反射镜反射后，再次经过所述1/8波片时，再被转化为圆偏振光，与所述吸收式偏振器件通光方向一致的圆偏振光的分量，通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼；与述吸收式偏振器件通光方向不一致的圆偏振光的分量，被所述吸收式偏振器件吸收。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/4波片侧发出的第一线性偏振光在第一次经过1/4波片时，第一线性偏振光被转化为圆偏振光，所述圆偏振光被所述反射镜反射后，再次经过所述1/4波片时，再被转化为第二线性偏振光，所述第二线性偏振光与所述吸收式偏振器件通光方向一致，所述第二线性偏振光完全通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述1/8和/或1/4波片为复合波片或零级波片。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述1/8和/或1/4波片为消除色差的波片。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述吸收式偏振器件贴合于所述显示屏的靠近人眼侧表面，所述1/8或1/4波片贴合于所述显示屏的远离人眼侧表面。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述反射镜为球面镜或非球面镜。
进一步的，上述虚拟现实设备的光学***中，所述光学***包括对称的左右眼两个所述光学单元，每个光学单元的吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射镜的光轴重合，作为每个光学单元的光轴，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度。
与现有技术相比，本发明通过将透明显示屏设置在反射镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏设置为透明，能使虚拟的内容经反射后成虚像被人眼所看到，显示屏于人眼侧的一面(显示屏的正面)发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，有效的隔断了杂散光，显示屏于的远离人眼侧的一面(显示屏的背面)发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而扩大了视场角度，包括扩大垂直和水平方向视场角。同时，因为反射式设计，不同波长的光线在反射镜表面反射，光线在材料表面反射，光学***的色差小，可以避免折射式光学***中因为材料本身的色散带来的整个***的色差，同样是由于采用了反射式结构，相比较于半反半透镜只能利用能量的部份，本发明的能量利用率更高，也避免了半反半透镜存在杂散光的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出本发明一实施例的一种虚拟现实设备的光学***示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供一种虚拟现实设备的光学***，包括光学单元，每个光学单元从人眼1侧开始依次包括吸收式偏振器件2、显示屏3、1/8或1/4波片4和反射镜5，其中，
所述吸收式偏振器件2、显示屏3、1/8波片、1/4波片4(相位延迟片)均为光学透明元件，所述显示屏3发出的光线为线性偏振光。在此，本实施例通过将透明显示屏设置在反射镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏设置为透明，能使虚拟的内容经反射后成虚像被人眼所看到，显示屏于人眼侧的一面(显示屏的正面)发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，有效的隔断了杂散光，显示屏于的远离人眼侧的一面(显示屏的背面)发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而扩大了视场角度，包括扩大垂直和水平方向视场角。同时，因为反射式设计，不同波长的光线在反射镜表面反射，光线在材料表面反射，光学***的色差小，可以避免折射式光学***中因为材料本身的色散带来的整个***的色差，同样是由于采用了反射式结构，相比较于半反半透镜只能利用能量的部份，本发明的能量利用率更高，也避免了半反半透镜存在杂散光的问题。
具体来说，如图1所示，从显示屏3发出的光线不会直接传播入人眼，但需要让显示屏3发出的并从反射镜5反射回来的光可以透过显示屏4，进入人眼1，即，需要把从显示屏直接射向人眼的光吸收，因为这一部分为杂散光，另外，需要让被反射镜反射回来的光线透过，这样人眼才可观察到显示屏上内容成的放大的虚像，而不会直接看到屏上的内容，为此在屏的前侧加了吸收式偏振光2，这样显示屏3直接发出的朝人眼侧的光线就会被吸收，而被反射回来的光线因为有波片4的缘故，偏振方向发生了改变，偏振方向发生改变的光可以透过该吸收式偏振片2，从而扩大了视场角。
本发明中，因为只考虑反射，故光线只在镜面表反就被反射走了,所以对于反射镜的基底不作要求,例如反射镜5背面的面型,可以任意面型，如平面、曲面、异型都可以。对于反射镜5的材料也比较宽松，只要是适合镀膜和成型的都可以，可以是塑料也可以是金属，但不能透光，总之要完全隔断现实中的自然光，图1中没有画基底，只画了反射面。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述吸收式偏振器件2、显示屏3、1/8波片4、1/4波片4的外形可为长方体或者立方体，在面型上可为对称结构，但外形可以不是对称结构。反射透射分光镜5的面型可为旋转对称结构，旋转对称结构比较好加工，当然非旋转的对称结构也可以。。本实施例各元件在面型上都是对称的结构，加工简单、精度要求低，安装要求低。另外，本发明的显示屏的实际外形可以是任意形状，如矩形、圆形、异形等。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述人眼、吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射镜的光轴都在同一条直线上，更加容易平衡光学像差，加工简单、精度要求低，安装要求低。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述吸收式偏振器件的通光方向与所述第一线性偏振光的偏振方向正交。在此，当所述吸收式偏振器件的通光方向与所述第一线性偏振光的偏振方向正交，从显示屏正面发出的第一线性偏振光可以被所述吸收式偏振器件全部吸收，从显示屏正面发出的全部光线都不会射入人眼，这样的吸收效果最好。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，如图1所示，所述显示屏3发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏3于所述吸收式偏振器件2侧发出的第一线性偏振光被所述吸收式偏振器件3吸收。在此，为了不让显示屏发出的光直接进入人眼，这里利用不同入射角度带来的相位延迟差而产生的与吸收式偏振器件通光方向不一致的光线，可以被显示屏前侧的吸收式偏振器件吸收的原理，让所述吸收式偏振器件吸收由显示屏正面发出的光线，大大降低了杂光的影响，以便后续让显示屏背面的光线经反射扩大角度后，再进入人眼，避免如果没有所述吸收式偏振器件，人眼将直接看到显示屏的图像的问题，如果人眼直接看到显示屏的图像，首先由于人眼与显示屏离得太近，人眼无法看清显示屏的图像，其次，显示屏的图像没有进行放大，根本不会有扩大视场角的效果，所以本发明采用显示屏背面的光线经反射扩大角度后的反射像，人眼可以看到由显示屏被反射回来的放大的虚像。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，当采用1/8波片时，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/8波片侧发出的第一线性偏振光在第一次经过1/8所述波片时，第一线性偏振光被转化为椭圆偏振光后，所述椭圆偏振光被所述反射镜反射后，再次经过所述1/8波片时，再被转化为圆偏振光，与所述吸收式偏振器件通光方向一致的圆偏振光的分量通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼，从而实现视场角的扩大；与所述吸收式偏振器件通光方向不一致的圆偏振光的分量被所述吸收式偏振器件吸收，消除人眼杂光。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，当采用1/4波片时，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述1/4波片侧发出的第一线性偏振光在第一次经过1/4波片时，第一线性偏振光被转化为圆偏振光，所述圆偏振光被所述反射镜反射后，再次经过所述1/4波片时，再被转化为第二线性偏振光，所述第二线性偏振光与所述吸收式偏振器件通光方向一致，所述第二线性偏振光完全通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼，从而实现视场角的扩大。在此，为了区分不同的线性偏振光的偏振方向，将两种不同的偏振方向的线性偏振光分别称为第一线性偏振光和第二线性偏振光，第一线性偏振光的偏振方向与第二线性偏振光的偏振方向正交，所述第二线性偏振光与所述吸收式偏振器件的通光方向一致，所述第二线性偏振光完全通过所述吸收式偏振器件，不会有部分被吸收式偏振器件吸收的情况，所以相比于上一实施例的1/8波片，本实例采用1/4波片，能量利用率会更高。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述1/8波片可为复合波片或零级波片，所述1/4波片可为复合波片或零级波片，从而满足各种应用需求。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述1/8和/或1/4波片为消除色差的波片，从而能够在扩大视场角的同时，更好地消除色差。所述消除色差的波片可以是复合波片或零级波片。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，如图1所示，所述吸收式偏振器件2贴合于所述显示屏3的靠近人眼侧表面，所述1/8或1/4波片4贴合于所述显示屏3的远离人眼侧表面，因为，所述吸收式偏振器件和所述1/8或1/4波片很薄，采用贴合的方式，可以方便安装。当然，所述吸收式偏振器件也可不贴合而是紧邻于所述显示屏的靠近人眼侧表面，所述1/8或1/4波片也可不贴合而是紧邻于所述显示屏的远离人眼侧表面。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述反射镜的作用是将从显示屏上发出的光线反射，同时使现实中的光可以透射进入人眼，如图1所示，所述反射镜为可为曲面反射镜，例如，可以是球面镜或非球面镜。其中，非球面镜像差矫正效果更好，采用哪种面型的反射镜可取决于具体光学设计要求。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述光学***包括对称的左右眼两个所述光学单元，每个光学单元的吸收式偏振器件、显示屏、1/8或1/4波片和反射镜的光轴重合即都在同一条直线上，作为每个光学单元的光轴，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度。本实施例中，使用两块分离的光学单元，而且光学单元之间成一定的角度，显光学单元分别向两侧倾斜，由于所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度，可以让光学***的整体视场角变大，左眼左侧可以看到更宽的角度，右眼右侧同样可以看到更宽的角度，同时会避免镜片与人鼻子的干涉，实现比现有的虚拟现实设备具有更宽的整体视场角，用户使用时，左右眼可以感觉到余光视觉的存在，提升了用户使用虚拟现实设备时的沉浸感，另外，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度时，需要对图像作分块处理。
本发明一实施例的虚拟现实设备的光学***中，所述预设角度小于等于30度，在此，将所述左右眼光学单元的光轴由原来的与人眼正视方向平行的方向分别向远离对方的方向偏转小于等于30度，即左眼视场中心即左眼光轴由人眼正视方向向左侧偏转小于等于30度，右眼视场中心即右眼光轴由人眼正视方向向右侧偏转小于等于30度，从而能够满足用户左右眼感觉到余光视觉的存在的需求。
综上所述，本发明通过将透明显示屏设置在反射镜和人眼之间，并且在显示屏的两侧分别设置偏振器件和1/8或1/4波片，显示屏设置为透明，能使虚拟的内容经反射后成虚像被人眼所看到，显示屏于人眼侧的一面(显示屏的正面)发出的线性偏振光可以被吸收式偏振器件吸收，不进入人眼，有效的隔断了杂散光，显示屏于的远离人眼侧的一面(显示屏的背面)发出的线性偏振光依次经过1/8或1/4波片透射、反射镜反射、1/8或1/4波片透射、显示屏透射、吸收式偏振器件透射后，进入人眼，从而扩大了视场角度，包括扩大垂直和水平方向视场角。同时，因为反射式设计，不同波长的光线在反射镜表面反射，光线在材料表面反射，光学***的色差小，可以避免折射式光学***中因为材料本身的色散带来的整个***的色差，同样是由于采用了反射式结构，相比较于半反半透镜只能利用能量的部份，本发明的能量利用率更高，也避免了半反半透镜存在杂散光的问题。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (8)
1.一种虚拟现实设备的光学***，其中，包括光学单元，每个光学单元包括从人眼侧开始依次包括吸收式偏振器件、显示屏、1/8波片和反射镜，其中，
所述吸收式偏振器件、显示屏、1/8波片均为光学透明元件，所述显示屏发出的光线为线性偏振光；
所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述吸收式偏振器件的通光方向与所述第一线性偏振光的偏振方向正交；
所述显示屏于所述1/8波片侧发出的第一线偏振光在第一次经过所述1/8波片时，第一线性偏振光被转化为椭圆偏振光后，所述椭圆偏振光被所述反射镜反射后，再次经过所述1/8波片时，再被转化为圆偏振光，与所述吸收式偏振器件通光方向一致的圆偏振光的分量，通过所述吸收式偏振器件后，射入人眼；与所 述吸收式偏振器件通光方向不一致的圆偏振光的分量，被所述吸收式偏振器件吸收。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实设备的光学***，其中，所述人眼、吸收式偏振器件、显示屏、1/8波片和反射镜的光轴都在同一条直线上。
3.根据权利要求1至2任一项所述的虚拟现实设备的光学***，其中，所述显示屏发出的光线为第一线性偏振光，所述显示屏于所述吸收式偏振器件侧发出的第一线性偏振光被所述吸收式偏振器件吸收。
4.根据权利要求1至2任一项所述的虚拟现实设备的光学***，其中，所述1/8波片为复合波片或零级波片。
5.根据权利要求1至2任一项所述的虚拟现实设备的光学***，其中，所述1/8波片为消除色差的波片。
6.根据权利要求1至2任一项所述的虚拟现实设备的光学***，其中，所述吸收式偏振器件贴合于所述显示屏的靠近人眼侧表面，所述1/8波片贴合于所述显示屏的远离人眼侧表面。
7.根据权利要求1至2任一项所述的虚拟现实设备的光学***，其中，所述反射镜为球面镜或非球面镜。
8.根据权利要求1至2任一项所述的虚拟现实设备的光学***，其中，所述光学***包括对称的左右眼两个所述光学单元，每个光学单元的吸收式偏振器件、显示屏、1/8波片和反射镜的光轴重合，作为每个光学单元的光轴，所述左右眼光学单元的光轴分别向远离对方的方向偏转预设角度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20200207 Termination date: 20210118 |