本申請涉及光學領域，尤其涉及一種虛擬現(xiàn)實的光學系統(tǒng)。
背景技術：
：虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，VR)是一種最有效的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術，使參與者可直接探索虛擬對象在所處環(huán)境中的作用和變化，仿佛置身于虛擬的現(xiàn)實世界中，產(chǎn)生沉浸感、想象和實現(xiàn)交互性。隨著虛擬現(xiàn)實技術在軍事模擬、工業(yè)仿真、數(shù)字城市、數(shù)字娛樂及電子商務等各種領域的廣泛應用，目前市場上各種虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品層出不窮，目前有些VR設備光學系統(tǒng)采用折射式光學系統(tǒng)，鏡頭布局圖如圖1所示，包括入瞳面01、折射鏡片02和顯示屏03，從顯示屏發(fā)出的光線需要穿過折射鏡片，通過折射鏡片成虛像，再被入瞳面接收，該折射式光學系統(tǒng)的長度整體較長，而且因為不同波長光線具有不同的折射率，光線進入折射鏡片會有色散，從而帶來色差的光學問題，影響畫質(zhì)，用戶體驗差。技術實現(xiàn)要素：本申請的目的是提供一種虛擬現(xiàn)實的光學系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術中折射式光學系統(tǒng)長度整體較長及有色差影響畫質(zhì)的問題。根據(jù)本申請的一個方面，提供了一種虛擬現(xiàn)實設備的光學系統(tǒng)，其特征在于，包括入瞳面、反射鏡和顯示屏，其中，所述反射鏡包括第一表面和第二表面，所述第一表面與所述入瞳面相鄰，所述顯示屏發(fā)出的光線經(jīng)過所述反射鏡的第一表面反射后，被所述入瞳面接收。進一步地，上述光學系統(tǒng)中，所述第二表面上涂有基底材料。進一步地，上述光學系統(tǒng)中，所述第一表面上涂有反射膜。進一步地，上述光學系統(tǒng)中，所述反射鏡的軸線與入瞳面的光軸夾角大于等于45度，所述顯示屏安裝于所述反射鏡的豎直方向上且與所述反射鏡的軸線的夾角大于等于20度。進一步地，上述光學系統(tǒng)中，所述入瞳面的水平視場角為100度且垂直視場角為40度。進一步地，上述光學系統(tǒng)中，所述入瞳面與所述反射鏡的中心之間的距離大于等于30mm，所述入瞳面與所述反射鏡之間的最短距離大于等于15mm。進一步地，上述光學系統(tǒng)中，所述反射鏡的第一表面為自由曲面。進一步地，上述光學系統(tǒng)中，所述反射鏡的第一表面為非球面。更進一步地，所述反射鏡的第一表面為旋轉(zhuǎn)對稱非球面。進一步地，所述反射鏡的第一表面為多項式曲面。進一步地，所述反射鏡的第一表面的表面形狀滿足以下方程：其中，z表示水平坐標，r表示表面的基半徑，k表示圓錐系數(shù)，Ai表示多項式系數(shù)，c表示基半徑的倒數(shù)，Ei(x,y)表示所述第一表面對應的面型的多項式的表達式，N表示多項式最大項數(shù)，i＝1,2……N。與現(xiàn)有技術相比，本申請所述虛擬現(xiàn)實的光學系統(tǒng)，包括入瞳面、反射鏡和顯示屏，其中，所述反射鏡包括第一表面和第二表面，所述第一表面與所述入瞳面相鄰，所述顯示屏發(fā)出的光線經(jīng)過所述反射鏡的第一表面反射后，被所述入瞳面接收，使用反射鏡的光學系統(tǒng)使得光線在反射鏡的第一表面發(fā)生反射，并未透過反射鏡，因此不會有色散，消除了色差；同時，因需要滿足顯示屏發(fā)出的光線經(jīng)過所述反射鏡的第一表面反射后被所述入瞳面接收，因此設計反射鏡為傾斜式的，有效縮短了光學系統(tǒng)的長度。進一步地，在本申請中反射鏡的第一表面上涂有反射膜，使得反射發(fā)生在反射鏡的表面，相比于折射式光學系統(tǒng)，光線不會透過反射鏡，從而消除了色差。另外，反射膜具有高反射率，使得由顯示屏發(fā)出的光線更多的被反射至入瞳面，增加顯示的亮度，同時高反射可以消除雜光以及圖像顏色失真小，提高成像的品質(zhì)。進一步地，在本申請中反射鏡的軸線與入瞳面的光軸之間的夾角大于等于45度，顯示屏安裝于所述反射鏡的豎直方向上且與所述反射鏡的軸線之間的夾角大于等于20度，如此保證了顯示屏在佩帶用戶的頭頂有足夠的安裝空間和位置，通過傾斜安裝的反射鏡和顯示屏，將光學系統(tǒng)長度方向的尺寸部分轉(zhuǎn)移到豎直方向上，可以有效縮減光學系統(tǒng)的長度，使結構更緊湊。進一步地，在本申請中入瞳面與反射鏡的中心之間的距離大于等于30mm，入瞳面與反射鏡之間的最短距離大于等于15mm，以保證反射鏡不會與佩帶用戶的鼻子發(fā)生干涉。進一步地，本申請中反射鏡的第一表面的面型選擇較為多種，可以為自由曲面、非球面和多項式曲面中的任一種，其中，自由曲面有更多的自由度，可以更好的平衡像差；非球面自由度少，相對于自由曲面更好加工，非球面優(yōu)選為旋轉(zhuǎn)對稱非球面，更加有利于鏡片的加工，測量以及組裝，且非球面反射鏡相比較于球面反射鏡可以更好的矯正光學像差；多項式曲面可以是旋轉(zhuǎn)對稱的也可以是非旋轉(zhuǎn)對稱的。進一步地，本申請中視場角較大，水平視場角為100度，垂直視場角為40度，較大的視場角可以更加接近于佩帶用戶眼睛的角度，所觀看的成像更逼真，增加了VR設備的沉浸感。附圖說明通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本申請的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：圖1示出現(xiàn)有技術中折射式光學系統(tǒng)的鏡頭布局圖；圖2示出本申請一個方面的一種虛擬現(xiàn)實的光學系統(tǒng)的鏡頭布局圖；圖3示出根據(jù)本申請一實施例中光學系統(tǒng)的鏡頭解像力的示意圖；圖4示出根據(jù)本申請一實施例中光學系統(tǒng)的鏡頭色差的示意圖。附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。具體實施方式下面結合附圖對本申請作進一步詳細描述。根據(jù)本申請的一個方面，提供了一種光學系統(tǒng)，如圖2示出的根據(jù)本申請一個方面的一種光學系統(tǒng)的鏡頭布局圖，包括入瞳面1、反射鏡2和顯示屏3，其中，所述反射鏡2包括第一表面21和第二表面22，所述第一表面21與所述入瞳面1相鄰，所述顯示屏3發(fā)出的光線經(jīng)過所述反射鏡2的第一表面21反射后，被所述入瞳面1接收，使用反射鏡的光學系統(tǒng)使得光線在反射鏡的第一表面發(fā)生反射，并未透過反射鏡，因此不會有色散，消除了色差，同時，因需要滿足顯示屏3發(fā)出的光線經(jīng)過所述反射鏡2的第一表面21反射后被所述入瞳面1接收，因此設計反射鏡2為傾斜式的，有效縮短了光學系統(tǒng)的長度?？蛇x地，所述第二表面22上涂有基底材料。因反射鏡2的反射是靠著基底材料的表面鍍膜的作用，基底可以是平面、曲面等任何形狀，同時基底也可以是任何便于注塑成型和鍍膜的材料，任意厚度，例如，基底材料可以為亞克力(PMMA)、聚碳酸酯(Polycarb)、聚乙烯等?？蛇x地，所述第一表面21上涂有反射膜。在此，第一表面21上涂有反射膜使得反射發(fā)生在反射鏡的表面，相比于折射式光學系統(tǒng)，光線不會透過反射鏡，從而消除了色差。第一表面21所涂的反射膜具有高反射率，使得由顯示屏3發(fā)出的光線更多的被反射至入瞳面1，增加顯示的亮度，同時高反射可以消除雜光以及圖像顏色失真小，提高成像的品質(zhì)。本申請一實施例中，繼續(xù)參考圖2，所述光學系統(tǒng)中的入瞳面1、反射鏡2和顯示屏3在安裝上滿足以下條件：反射鏡2的軸線23與入瞳面1的光軸11之間的夾角大于等于45度，顯示屏3安裝于所述反射鏡2的豎直方向上且與所述反射鏡2的軸線23之間的夾角大于等于20度，如此保證了顯示屏3在佩帶用戶的頭頂有足夠的安裝空間和位置，通過傾斜安裝的反射鏡和顯示屏，將光學系統(tǒng)長度方向的尺寸部分轉(zhuǎn)移到豎直方向上，可以有效縮減光學系統(tǒng)的長度，使結構更緊湊，應用于虛擬現(xiàn)實設備中，使得整體的虛擬現(xiàn)實設備的外觀新穎。本申請一實施例中，入瞳面1與反射鏡2的中心之間的距離大于等于30mm，入瞳面1與反射鏡2之間的最短距離大于等于15mm，以保證反射鏡2不會與佩帶用戶的鼻子發(fā)生干涉?？蛇x地，所述反射鏡2的第一表面21可以為自由曲面、非球面和多項式曲面中的任一種，其中，自由曲面有更多的自由度，可以更好的平衡像差；非球面自由度少，相對于自由曲面更好加工，非球面優(yōu)選為旋轉(zhuǎn)對稱非球面，更加有利于鏡片的加工，測量以及組裝，非球面的性質(zhì)決定了反射鏡相比較于球面反射鏡可以更好的矯正光學像差；多項式曲面上各點位置坐標滿足多項式方程，可以是旋轉(zhuǎn)對稱的也可以是非旋轉(zhuǎn)對稱的。本申請一實施例中，所述反射鏡的第一表面的表面形狀滿足以下方程：其中，z表示水平坐標，r表示表面的基半徑，k表示圓錐系數(shù)，Ai表示多項式系數(shù)，c表示基半徑的倒數(shù)，Ei(x,y)表示所述第一表面對應的面型的多項式的表達式，N表示多項式最大項數(shù)，i＝1,2……N。根據(jù)系數(shù)r、Ai及多項式Ei(x,y)等的確定進行確定反射鏡表面上的每一點坐標，進而通過對反射鏡表面上每一點坐標的確定就可以確定該表面的表面形狀，能夠與所使用的反射鏡表面的面型、反射鏡安裝的傾斜度等相匹配，使得有效矯正鏡頭性能所需的光學像差，保證成像質(zhì)量，確定畸變、已成像位置等，需要說明的是，上述反射鏡表面形狀滿足的方程式僅為本申請一優(yōu)選實施例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的反射鏡表面形狀滿足的方程式，如可適用于本申請，也應包含在本申請保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。本申請一實施例中，虛擬現(xiàn)實的光學系統(tǒng)采用傾斜式反射鏡設計，滿足圖2的鏡頭布局圖的情況，反射鏡2第一表面21采用自由曲面，該光學系統(tǒng)參數(shù)如表1所示：入瞳直徑4mm出瞳距離>30mm水平視場角100度垂直視場角40度顯示屏尺寸>2.5寸波段R,G,B表1由表1可知，本申請所述的光學系統(tǒng)有較大的入瞳直徑和出瞳距離，其中，入瞳直徑為4mm，出瞳距離大于30mm，使得用戶觀影時生理上更加舒適；視場角較大，水平視場角為100度，垂直視場角為40度，大角度可以更加接近于佩帶用戶眼睛的角度，所看的影像更逼真，增加了VR設備的沉浸感。需要說明的是，在安裝反射鏡2和顯示屏3時，反射鏡軸線與入瞳面光軸之間的夾角，以及反射鏡軸線與顯示屏之間的夾角會改變視場角，表1中的水平視場角和垂直視場角是滿足反射鏡軸線與入瞳面光軸之間的夾角大于等于45度，反射鏡軸線與顯示屏之間的夾角大于等于20度的條件下所達到的。顯示屏的尺寸選為大于2.5寸是與表1中的水平視場角和垂直視場角相匹配的，選擇相對小的顯示屏時相應的視場角也會變小。表1中的波段選為R,G,B為三原色，其他光色都可以由R,G,B混合而成，同時，這也是本申請實施例中光學系統(tǒng)的顯示屏發(fā)光單元的顏色。需要說明的是，上述實施例表1中各值均僅為傾斜式反射式光學系統(tǒng)設計中系統(tǒng)參數(shù)的舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的系統(tǒng)參數(shù)，如可適用于本申請，也應包含在本申請保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。本申請一具體實施例中，在滿足上述表1中各參數(shù)的條件下，同時滿足上述反射鏡第一表面面型公式該光學系統(tǒng)的其他特性如表2：表2本領域技術人員應能理解，光學設計是由一個個面按照一定順序組合而成的，在本申請所述的光學系統(tǒng)中，表2中面序號對應示出各面特性，其中，標準型是指球面、平面等常規(guī)的面型，坐標斷點常用在傾斜的光學系統(tǒng)中用來旋轉(zhuǎn)，表示傾斜系統(tǒng)坐標系的虛擬表面，面序號3擴展多項式面為自由曲面，是反射鏡的第一表面的面型。需要說明的是，上述實施例表2中各值均僅為傾斜式反射式光學系統(tǒng)設計中各面序號對應特性的值的舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的各面序號對應特性的值，如可適用于本申請，也應包含在本申請保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。在上述具體實施例中，當反射鏡第一表面面型公式中的最大系數(shù)N取100，歸一化系數(shù)值為2時，第一表面面型公式中的多項式系數(shù)Ai的值如下所示：需要說明的是，XiYj表示多項式系數(shù)Ai，Xi表示X坐標的i次方，Yi表示Y坐標的j次方，其中，A1包含了兩項X1Y0和X0Y1，A2包含了3項：X1Y0、X1Y1和X0Y1，A3包含了4項：X1Y0、X2Y1、X1Y2和X0Y1，高階依次類推。在本申請具體實施例中，通過上述各多項式系數(shù)的確定，得到本申請所述的光學系統(tǒng)的鏡頭解像力如圖3所示，其中，橫軸表示空間頻率，單位線對表示在1mm范圍內(nèi)的黑白線對數(shù)，縱軸表示在該空間頻率下的MTF值，范圍為0～1，表示鏡頭的解像力，T表示視場徑向的解像力，S表示與徑向垂直方向的解像力。通過對光學系統(tǒng)中的反射鏡2進行上述的設計，所述的光學系統(tǒng)鏡頭的色差如圖4所示，其中，橫坐標表示距離，單位為微米，縱坐標表示在視場時不同波長光線在成像面4上位置相對于參考波長光線的距離差，表示不同視場下不同波長的光分開的程度，不同波長在成像面4上位置越集中，成像后效果越好。由圖4可以看到R,G,B三色光與Y軸重合，該反射式光學系統(tǒng)并無色差產(chǎn)生。需要說明的是，上述實施例中多項式系數(shù)的值僅為舉例，其他現(xiàn)有的或今后可能出現(xiàn)的多項式系數(shù)的值，如可適用于本申請，也應包含在本申請保護范圍以內(nèi)，并在此以引用方式包含于此。綜上所述，反射鏡2和顯示屏3安裝的相對傾斜角度、反射鏡2第一表面21的面型、光學系統(tǒng)參數(shù)的設計等會影響最終的鏡頭的成像質(zhì)量、解像力、色差，該光學系統(tǒng)采用傾斜式反射鏡相比于現(xiàn)有技術中的折射式光學系統(tǒng)設計有效縮減了VR設備的整體長度，使得結構更緊湊和消除了色差，從而成像品質(zhì)好，給用戶帶來更好的沉浸感，提升用戶體驗。當虛擬現(xiàn)實的光學系統(tǒng)滿足如下條件：反射鏡的軸線與入瞳面的光軸夾角大于等于45度，所述顯示屏安裝于所述反射鏡的豎直方向上且與所述反射鏡的軸線的夾角大于等于20度時，保證了顯示屏在VR設備佩帶用戶的頭頂有足夠的安裝空間和位置；另外，入瞳面與反射鏡的中心之間的距離大于等于30mm，入瞳面與反射鏡之間的最短距離大于等于15mm，有效防止了佩帶用戶的鼻子與反射鏡發(fā)生的干涉。上面結合附圖對本申請所述的光學系統(tǒng)進行了示例性的描述，顯然本申請所述的光學系統(tǒng)的實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本申請所述光學系統(tǒng)的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經(jīng)改進將本申請所述的光學系統(tǒng)的構思和技術方案直接應用于其他場合的，均在本申請的保護范圍內(nèi)。對于本領域技術人員而言，顯然本申請不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本申請的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本申請。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申請的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化涵括在本申請內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然“包括”一詞不排除其他單元或步驟，單數(shù)不排除復數(shù)。裝置權利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟件或者硬件來實現(xiàn)。第一，第二等詞語用來表示名稱，而并不表示任何特定的順序。當前第1頁1 2 3