CN104049369A - 一种用于头戴显示设备的镜头及头戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于头戴显示设备的镜头，包括并排设置的双凸透镜和平凹柱面镜；所述双凸透镜设置于近人眼侧，平凹柱面镜设置于远人眼侧；所述双凸透镜包括非球面Ⅰ和非球面Ⅱ，平凹柱面镜包括非球面Ⅲ和非球面Ⅳ；所述非球面Ⅰ靠近人眼，非球面Ⅱ和非球面Ⅲ对置，非球面Ⅳ为平面。采用本发明设计的头戴显示设备，原始显示图像不用做任何预处理，由光学镜头进行图像Y方向压缩，X方向尺寸保持不变。从而使图像宽高比由8:9压缩到4:3的比例，呈现在人的视网膜上。并且镜头透镜易于成型，MTF和SPOT以及LCA像差得到很好校正，其制造成本和重量都大大降低。

Description

一种用于头戴显示设备的镜头及头戴设备

技术领域

本发明涉及一种用于头戴显示设备的镜头及头戴设备，应用于消费电子领域。

背景技术

随着显示元器件制造工业的进步以及3D技术的出现，消费类电子领域兴起了穿戴式热潮，而头戴显示作为很早就有的技术再次进入人们的视线。作为近几年应用于民用领域的技术，头戴显示器朝着小型化，高性能，低成本的方向发展。一般的头戴显示器会将微显示器上的图像进行放大最后呈现在玩家的视网膜上，把现在的二维平面的画面以更加立体，更加具有冲击感带给玩家，产生身临其境的真实感。

目前一些知名公司已经纷纷推出自己的头戴显示器，市场反映很不错，尤其是应用在VR领域的大视场角的产品，而实际上一般我们看到的这些头戴显示系统如Oculus Rift以及SONY Morpheus都是需要先对图像做预处理，否则图像会有很严重的变形，图像质量经过处理会有一定的损失并且这样需要系统端的图像处理能力很高，工作量变大的同时发热不可避免，成本也较高。

发明内容

为解决现有用于头戴显示设备的镜头需要先对图像做预处理、系统发热量高，成本高的问题，本发明提出一种用于头戴显示设备的镜头及头戴设备，并采用以下技术方案予以实现：

一种用于头戴显示设备的镜头，包括并排设置的双凸透镜和平凹柱面镜；所述双凸透镜设置于近人眼侧，平凹柱面镜设置于远人眼侧；所述双凸透镜包括非球面Ⅰ和非球面Ⅱ，平凹柱面镜包括非球面Ⅲ和非球面Ⅳ；所述非球面Ⅰ靠近人眼，非球面Ⅱ和非球面Ⅲ对置，非球面Ⅳ为平面。

进一步的，所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ、非球面Ⅲ和非球面Ⅳ的曲率半径为R1、R2、R3和R4，其中R1>0，R2<0，R1<-R2<100，R3<0，R4为无穷大。

第一种方式，所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ和非球面Ⅲ为偶次非球面。

进一步的，所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ和非球面Ⅲ的表面形状满足公式：

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{Y}^{2i},$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方，N为自然数。

进一步的，所述非球面Ⅰ的参数为c等于0.0293、k等于3.7857、α₄等于8.26E-06、α₆等于3.64E-08、α₈等于-5.06E-10；所述非球面Ⅱ的参数为c等于-0.0157、k等于-181.0201、α₄等于-2.93E-05、α₆等于3.29E-07、α₈等于-4.67E-10；所述非球面Ⅲ的参数为c等于-0.1118、k等于-0.9938、α₄等于2.60E-05、α₆等于-1.59E-07、α₈等于4.31E-10；所述非球面Ⅳ的参数为c等于0、k等于0、α₄等于0、α₆等于0、α₈等于0。

另一种方式，所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ和非球面Ⅲ为奇次非球面，并且其表面形状满足公式：

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{Y}^i,$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，β_i是各高次项的系数，i是非球面的高次方为自然数，N为自然数。

本发明还提供一种头戴显示设备，包括上述头戴显示设备用镜头。

本发明的设计采用了柱面系统和畸变校正系统，选取了人眼比较适应的水平立体视场角范围60°，达到最佳的观影效果，并且使用我们最常见的PMMA作为镜片材料，重量以及成本都得到了很好的控制，大批量生产性能稳定。

在镜头设计中，有几项设计的重点，如MTF(一种传递函数，这种函数的曲线代表着成像的好坏)、spot(弥散，就是一个物空间的点经过光学系统后由于像差的原因会成为一个扩散的斑)、BF(后焦，就是系统最后一个面到成像芯片的距离)、LCA(轴外色差，是轴外光线红绿蓝达到像面上的高度不同造成的)。本申请的设计对上述参数以及函数进行了优化，使视角更加宽阔，图像还原真实，给用户更好的观影效果。

采用本发明设计的头戴显示设备，原始显示图像不用做任何预处理，由光学镜头进行图像Y方向压缩，X方向尺寸保持不变。从而使图像宽高比由8:9压缩到4:3的比例，呈现在人的视网膜上。并且镜头透镜易于成型，MTF和SPOT以及LCA像差得到很好校正，其制造成本和重量都大大降低。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有头戴显示器镜头工作的光学原理图；

图2为本发明实施例1中头戴显示器镜头的竖直方向的光学结构图；

图3为本发明头戴显示器双目显示的光学结构图；

图4为本发明实施例1的场曲和畸变图；

图5为本发明实施例1的点列图；

图6为本发明实施例1的色差图；

图7为本发明实施例1的Layout图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明予以详细描述。

实施例一：

参考图1，本发明用于一种用于头戴显示设备的镜头，包括并排设置的双凸透镜11和平凹柱面镜12；所述双凸透镜11设置于近人眼侧，平凹柱面镜12设置于远人眼侧；所述双凸透镜11包括非球面Ⅰ13和非球面Ⅱ14，平凹柱面镜包括非球面Ⅲ15和非球面Ⅳ16；所述非球面Ⅰ13靠近人眼，非球面Ⅱ14和非球面Ⅲ15对置，非球面Ⅳ16为平面。

非球面Ⅰ13、非球面Ⅱ14、非球面Ⅲ15和非球面Ⅳ16的曲率半径为R1、R2、R3和R4，其中R1>0，R2<0，R1<-R2<100，R3<0，R4为无穷大。

非球面Ⅰ13小于负的非球面Ⅱ14，使得正透镜片1承担更多的光焦度，起到汇聚的作用。

将R3的设计值选为小于0，非球面Ⅲ15表面形状弯曲朝向人眼，这样在Y方向图像会被压缩，将非球面Ⅳ设计为平面，曲率半径无穷大，这更易于加工和成型，同时也能更好控制成本。

结合附图具体来说，头戴设备的镜头成像原理如图1所示，显示器20上的影像发出光线，经由12面射入镜头,然后由11面射出镜头进入使用者眼睛中成像，但在人中看到的影像的位置不在显示器20处，而是在从11面进入人眼光线的反向延长线的交点处，即30面处。本申请光学结构如图2所示，包括1片双凸的非球面透镜和1片平凹的柱面镜。工作时，显示器20发出图像,经由12镜片和11镜片射入使用者眼睛成放大虚像。

双片式的镜头结构使得图像在X方向和Y方向有不同的放大倍率，对应水平视场角为60°，竖直视场角45°。本申请的技术方案对几何畸变和色差做了补偿，镜片的面型更易于成型控制，双片式结构对于MTF、SPOT等像差的校正更好，属于高性能版本的头戴显示器目镜，再配合500PPI以上的LCD屏幕，到达人眼的虚拟屏幕宽高比为4:3，这样使得HMD的用户体验更加逼真。

为了更好的控制MTF、畸变、色差等项，非球面Ⅰ13、非球面Ⅱ14和非球面Ⅲ15采用偶次非球面；而为了易于加工和成型，同时也能更好控制成本，非球面Ⅳ16采用平面。

进一步的，所述非球面Ⅰ13、非球面Ⅱ14和非球面Ⅲ15的表面形状满足公式：

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{Y}^{2i},$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方，N为自然数。

在本发明的设计方案中，非球面Ⅰ13的参数为c等于0.0293、k等于3.7857、α₄等于8.26E-06、α₆等于3.64E-08、α₈等于-5.06E-10；非球面Ⅱ14的参数为c等于-0.0157、k等于-181.0201、α₄等于-2.93E-05、α₆等于3.29E-07、α₈等于-4.67E-10；非球面Ⅲ15的参数为c等于-0.1118、k等于-0.9938、α₄等于2.60E-05、α₆等于-1.59E-07、α₈等于4.31E-10；非球面Ⅳ16的参数为c等于0、k等于0、α₄等于0、α₆等于0、α₈等于0。

本发明还提供一种头戴显示设备，包括上述头戴显示设备用镜头。

总体来看此实施方案在场曲在5mm以内，畸变在4％以内，RMS点小于1mm，色差可以控制在50μm以内。

本发明的镜头与LCD之间的距离可根据实际距离调整，在实际使用中BF和MTF都需作调整使得左右眼之间的BF和MTF一致来使用。

本实施例的用于头戴显示设备的镜头不对具体的光学设计软件和设计过程进行限定。

实施例二：

此实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例的非球面Ⅰ、非球面Ⅱ和非球面Ⅲ为奇次非球面，并且其表面形状满足公式：

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{Y}^i,$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，β_i是各高次项的系数，i是非球面的高次方为自然数，N为自然数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：包括并排设置的双凸透镜和平凹柱面镜；所述双凸透镜设置于近人眼侧，平凹柱面镜设置于远人眼侧；所述双凸透镜包括非球面Ⅰ和非球面Ⅱ，平凹柱面镜包括非球面Ⅲ和非球面Ⅳ；所述非球面Ⅰ靠近人眼，非球面Ⅱ和非球面Ⅲ对置，非球面Ⅳ为平面。

2.根据权利要求1所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ、非球面Ⅲ和非球面Ⅳ的曲率半径为R1、R2、R3和R4，其中R1>0，R2<0，R1<-R2<100，R3<0，R4为无穷大。

3.根据权利要求2所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ和非球面Ⅲ为偶次非球面。

4.根据权利要求3所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ和非球面Ⅲ的表面形状满足公式：

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{Y}^{2i},$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方，N为自然数。

5.根据权利要求4所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅰ的参数为c等于0.0293、k等于3.7857、α₄等于8.26E-06、α₆等于3.64E-08、α₈等于-5.06E-10。

6.根据权利要求4所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅱ的参数为c等于-0.0157、k等于-181.0201、α₄等于-2.93E-05、α₆等于3.29E-07、α₈等于-4.67E-10。

7.根据权利要求4所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅲ的参数为c等于-0.1118、k等于-0.9938、α₄等于2.60E-05、α₆等于-1.59E-07、α₈等于4.31E-10。

8.根据权利要求4所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅳ的参数为c等于0、k等于0、α₄等于0、α₆等于0、α₈等于0。

9.根据权利要求2所述的用于头戴显示设备的镜头，其特征在于：所述非球面Ⅰ、非球面Ⅱ和非球面Ⅲ为奇次非球面，并且其表面形状满足公式：

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{Y}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{Y}^i,$

其中z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，c是曲率，k为圆锥系数，β_i是各高次项的系数，i是非球面的高次方为自然数，N为自然数。

10.一种头戴显示设备，其特征在于：包括权利要求1-9任一所述的用于头戴显示设备的镜头。