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

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實目視光學(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，通過調(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)實頭盔時的沉浸感，虛擬現(xiàn)實目視光學(xué)系統(tǒng)需要有足夠大的視場角度，同時，為了增加使用者的舒適度，虛擬現(xiàn)實頭盔應(yīng)具備小巧以及質(zhì)量輕的特點，這就要求虛擬現(xiàn)實的光學(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)實技術(shù)都會使使用者在使用虛擬頭盔時出現(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)實技術(shù)的技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種虛擬現(xiàn)實裝置，用以解決在使用現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實裝置時容易產(chǎn)生視覺疲勞的技術(shù)問題。

本發(fā)明實施例提供一種虛擬現(xiàn)實裝置，包括光學(xué)透鏡及與所述光學(xué)透鏡相對設(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)定視場角所對應(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。

可選的實施例中，所述顯示屏幕可移動地設(shè)置在所述光學(xué)透鏡的焦點位置與所述光學(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同心環(huán)，所述多個同心環(huán)等間距，或者所述多個同心環(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)透鏡的焦點位置之間，使顯示屏幕所成的像既能被人眼看清，又能減對人眼的壓迫感，避免人眼長時間觀看產(chǎn)生視覺疲勞。

附圖說明

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

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

圖3為本發(fā)明實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)明實施例提供的第一種示例中虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

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

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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例提供的一種虛擬現(xiàn)實裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。

虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)，可以理解為人眼通過一光學(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，即顯示屏幕放置在光學(xué)透鏡的焦距以內(nèi)時，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)實裝置(如虛擬頭盔)時的眩暈感，在使用者通過光學(xué)透鏡觀察顯示屏幕所成的虛像時，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)計在遠(yuǎn)處，這樣才能減少顯示屏幕所成的虛像對人眼的壓迫感，避免人眼疲勞?；谶@一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例提供一種虛擬現(xiàn)實裝置，用以解決在使用現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實裝置時容易產(chǎn)生視覺疲勞的技術(shù)問題。

本發(fā)明實施例提供的一種虛擬現(xiàn)實裝置，如圖1或圖2所示，包括光學(xué)透鏡2及與光學(xué)透鏡2相對設(shè)置的顯示屏幕3，其中，在該虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(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)定視場角所對應(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，人眼通過光學(xué)透鏡2觀察顯示屏幕3所成的像時，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，人眼能夠觀察到的視野角度稱為視場角，在人眼中心位置發(fā)生變化時也即人眼處于不同位置時，它的視場角是不同的。本發(fā)明實施例中將預(yù)定視場角所對應(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)定視場角不限，可以是任意合理的視場角，在優(yōu)選的實施例中可將中心視場角設(shè)定為預(yù)定視場角，中心視場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所成的視場角，最佳聚焦位置可參照圖1或圖2中的p點。可選的，本發(fā)明實施例中的最佳聚焦位置p點，可以通過以下方式確定：根據(jù)人眼成像原理對目視光學(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。參照圖2所示的目鏡光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過目視光學(xué)系統(tǒng)反向建模，光學(xué)透鏡2的最佳聚焦點為p點。

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點時，顯示屏幕3所成的像進(jìn)入人眼時，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)，并且越接近焦點位置，顯示屏幕3所成的像越遠(yuǎn)，顯示屏幕3所成的像對人眼的壓迫感越小，為了增加人眼到虛像的距離，顯示屏幕3應(yīng)更靠近焦點。兼顧這兩個方面的成像特點，本發(fā)明實施例中，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所成的虛像對人眼的壓迫感，避免人眼疲勞，兼顧上述兩個方面的成像特點，將顯示屏幕3的位置設(shè)置在介于最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間，而不是將顯示屏幕3設(shè)置在最佳聚焦位置p點。

但是，顯示屏幕3不能過于接近光學(xué)透鏡2的焦點位置f，否則就會導(dǎo)致不同視場角所對應(yīng)的彌散圓過大，因而導(dǎo)致人眼不能分辨清楚像的細(xì)節(jié)，由此，人眼會感覺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點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間，并且顯示屏幕3與最佳聚焦位置p點之間的距離不超過設(shè)定閾值，這個設(shè)定閾值為顯示屏幕3與最佳聚焦位置p點之間的最大距離。本發(fā)明實施例中，顯示屏幕3與最佳聚焦位置p點之間的最大距離，相當(dāng)于顯示屏幕3由最佳聚焦位置p點朝向光學(xué)透鏡2的焦點位置f移動的最遠(yuǎn)距離。

物理學(xué)里，人眼看太遠(yuǎn)和太近的物體時，眼球都要進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是改變眼球的突起程度，但是有一個距離恰能使眼球不需要調(diào)整晶狀體就能看清楚，這個距離稱作明視距離，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，這時人眼的調(diào)節(jié)功能不太緊張，可以長時間觀察而不易疲勞。

為了確定顯示屏幕3由最佳聚焦位置p點朝向光學(xué)透鏡2的焦點位置f移動的最遠(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，當(dāng)?shù)竭_(dá)明視距離s0以后，繼續(xù)往人眼方向移動，眼睛將會感覺疲勞甚至看不清，因此可以認(rèn)為眼睛的晶狀體對觀察的物體的調(diào)節(jié)范圍在無窮大∞～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)實裝置的目視光學(xué)系統(tǒng)中時，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的焦點位置f之間，且顯示屏幕3位于可允許移動的一個焦深大小的范圍內(nèi)時，可以使光學(xué)透鏡2所成的像在人眼的調(diào)焦范圍內(nèi)，并且此時所成的像為清晰的像。這是因為焦深是指保持物體所成的像為清晰的像的基礎(chǔ)上，焦點位置f(焦平面)沿著光學(xué)透鏡光軸所允許移動的最大距離。在焦點位置f允許移動的距離內(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，也有一個可以允許移動的距離，將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在本發(fā)明實施例的目視光學(xué)系統(tǒng)中時，在將顯示屏幕3的位置設(shè)置在介于最佳聚焦位置p點與焦點位置f之間，且顯示屏幕3位于可允許移動的一個焦深大小的范圍內(nèi)時，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點與焦點位置f之間時，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來確定顯示屏幕3的位置由最佳聚焦位置p點朝向光學(xué)透鏡2的焦點位置f移動的最遠(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表示物點到物方焦點的距離，x'表示為像點的位置，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)像點位置x'從-∞向-s0移動時，相應(yīng)的物點到物方焦點的距離從0到變化。在保持物體所成的像為清晰的像的基礎(chǔ)上，物點逐漸遠(yuǎn)離物方焦點時，物點到物方焦點的最大距離，可以看作是物方焦點沿著光軸允許移動的最大距離，在將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在本發(fā)明實施例的目視光學(xué)系統(tǒng)中時，物方焦點沿著光軸允許移動的最大距離就是光學(xué)透鏡2的焦點位置f沿著光學(xué)透鏡2的光軸所允許移動的最大距離，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，同時物方焦距f和像方焦距f’相等。

綜上，在本發(fā)明實施例提供的虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(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點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間，為保證顯示屏幕3所成的像對人眼的壓迫感最小，令顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點的最遠(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點為起始點朝向焦點位置f的方向移動，且顯示屏幕3可移動的最大距離滿足進(jìn)而顯示屏幕3所成的像既能被人眼看清，又能減小對人眼的壓迫感，避免人眼長時間觀看產(chǎn)生視覺疲勞。

基于上述實施例中顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的焦點位置f、光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間的位置關(guān)系，一種可選的實施例中，顯示屏幕3固定設(shè)置在光學(xué)透鏡2的焦點位置f與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間，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點與光學(xué)透鏡2的焦點位置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點為起始點朝向光學(xué)透鏡2的第二面s2的方向移動，且顯示屏幕3可移動的最大距離滿足但是，由于顯示屏幕3離人眼越近，人眼觀察圖像時越容易疲勞，因此，這種實施例對于減小對人眼的壓迫感，減小人眼視覺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點朝向焦點位置f移動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的焦點位置與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間時，顯示屏幕3與所述最佳聚焦位置p點之間的距離為s，s的取值范圍為0<s≤f²/s0。

本發(fā)明實施例中，并不限于顯示屏幕3固定設(shè)置在光學(xué)透鏡2的焦點位置與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間。另一種可選的實施例中，所述顯示屏幕3可移動地設(shè)置在所述光學(xué)透鏡2的焦點位置f與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間。例如，在虛擬現(xiàn)實裝置中設(shè)計一個滑動部件來實現(xiàn)顯示屏幕3在焦點位置f與所述光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間移動。為了使顯示屏幕3所成的像既能被人眼看清，又能減小對人眼的壓迫感，避免人眼長時間觀看產(chǎn)生視覺疲勞，在所述顯示屏幕3的移動過程中所述顯示屏幕3與所述最佳聚焦位置p點之間的最大距離為或者，f²/s0。

基于上述任一實施例，當(dāng)顯示屏幕3由最佳聚焦位置p點朝向焦點位置f移動的最大距離與光學(xué)透鏡2的焦距f的平方成正比時，焦距f越大，光學(xué)透鏡的焦深越長。因此為了使像距足夠遠(yuǎn)，應(yīng)采用焦距較長的透鏡，但為了保證光學(xué)系統(tǒng)的緊湊感，光學(xué)透鏡2的焦距又不能過長，否則會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)過于笨重，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)明實施例的光學(xué)透鏡2具有以下特點：

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，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角，進(jìn)一步的，光學(xué)透鏡2的視場角大于或等于100°時，可滿足較大的沉浸感。

為了使虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(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，第一面s1可以是球面或者非球面。

本發(fā)明實施例中，并不限于第一面s1和第二面s2為曲面，可選實施例中，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)而可制備出大視場角的光學(xué)透鏡2?？蛇x的，在光學(xué)透鏡2的第一面s1為非球面時，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的視場角大于或等于100°時，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，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)有多個依次連接的鋸齒同心環(huán)，每一個鋸齒同心環(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，第二面s2制作成等間距的菲涅爾面，參照圖3，菲涅爾面的多個鋸齒同心環(huán)的環(huán)間距相等。在多個鋸齒同心環(huán)等間距時，鋸齒同心環(huán)的內(nèi)徑越大，加工非工作面時的環(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，第二面s2制作成等深度的菲涅爾面，參照圖4，多個鋸齒同心環(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，同心環(huán)越靠近邊緣，其環(huán)帶深度越深，但過深的環(huán)帶深度會導(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，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，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，參照圖5和圖6，本發(fā)明實施例中的光學(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顯示屏幕3成像時造成的干擾。

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)明上述實施例中光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點與顯示屏幕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，本發(fā)明實施例提供了虛擬現(xiàn)實裝置目視光學(xué)系統(tǒng)中的三種應(yīng)用示例。

對于第一種示例，可參見如圖7所示的一種虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(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)睿谝幻鎠1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。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點與f點之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間移動)，為保證屏幕所成的像對人眼的壓迫感最小，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點的最遠(yuǎn)距離為相當(dāng)于顯示屏幕3可以以p點為起始點朝向焦點位置f的方向移動，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點朝向焦點位置f移動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：

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顯示屏幕3成像時造成的干擾。

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°的視場角，顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間的相對位置關(guān)系為：顯示屏幕3的位置位于最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間移動)，并且顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點的最遠(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點之間的上述相對位置關(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，又能減小對人眼的壓迫感，避免人眼長時間觀看產(chǎn)生視覺疲勞。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，有利于實現(xiàn)光學(xué)透鏡2的輕薄化。

本發(fā)明實施例還提供了第二種示例，可參見如圖8所示的一種虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(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點之間的相對位置關(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°的視場角，顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間的相對位置關(guān)系為：顯示屏幕3的位置位于最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間移動)，并且顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點的最遠(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點之間的上述相對位置關(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，又能減小對人眼的壓迫感，避免人眼長時間觀看產(chǎn)生視覺疲勞。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，有利于實現(xiàn)光學(xué)透鏡2的輕薄化。

本發(fā)明實施例還提供了第三種示例，可參見如圖9所示的一種虛擬現(xiàn)實裝置的目視光學(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點與f點之間，為保證屏幕所成的像對人眼的壓迫感最小，像的距離應(yīng)該在最遠(yuǎn)處，顯示屏幕3與p點的最遠(yuǎn)距離為相當(dāng)于顯示屏幕3以p點為起始點朝向焦點位置f的方向移動，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點朝向焦點位置f移動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：

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顯示屏幕3成像時造成的干擾。

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°的視場角，顯示屏幕3與光學(xué)透鏡2的最佳聚焦位置p點之間的相對位置關(guān)系為：顯示屏幕3的位置位于最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間(顯示屏幕3可以固定在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間，也可以在最佳聚焦位置p點與光學(xué)透鏡2的焦點位置f之間移動)，并且顯示屏幕3距離最佳聚焦位置p點的最遠(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點之間的上述相對位置關(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，又能減小對人眼的壓迫感，避免人眼長時間觀看產(chǎn)生視覺疲勞。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，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，則可對這些實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)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動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)明也包含這些改動和變型在內(nèi)。