CN106842564A - 基于塑料光学自由曲面的单透镜虚拟现实光学系统 - Google Patents

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马斌
徐雅冬
王东辉
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Abstract

本发明提供一种应用于虚拟现实领域的头盔光学显示系统，该系统采用塑料光学自由曲面单透镜，其中单透镜靠近眼睛光学面为球面，靠近屏幕光学面为XYP光学自由曲面，透镜材料为光学塑料PMMA或E48R，该单透镜用于将屏幕图像以放大虚像方式成像在人眼前方。

Description

基于塑料光学自由曲面的单透镜虚拟现实光学系统
技术领域
本发明涉及一种虚拟现实技术领域的光学解决方案，特别是一种基于光学自由曲面的单透镜虚拟现实光学系统，可以广泛地应用于虚拟现实系统领域。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality，VR)系统包括头盔光学显示系统、跟踪系统、反馈系统等，该技术通过计算机、光学及电子等技术，将真实世界构建为三维虚拟世界，为使用者提供真实世界的完美再现。虚拟现实在可视化医疗手术、可视化工程处理、军事训练、飞行模拟、单兵作战、三维娱乐和工业培训等方面有广泛的应用前景，涉及到的领域从民用到军用、从娱乐到工业等社会生活的方方面面。
VR头盔光学系统较多采用双目立体视觉原理，将有不同视场角场景通过一定方式分别进入到观察者左右眼中。目前VR头盔光学显示器解决方案中，包括轻便型全息光学和波导光学方式、应用于军用领域结实耐用的有多透镜方案，具备像质好，环境适应性强等特点。多透镜方案虽然像质好，但是重量和体积比较大，同时成本难以降低，不利于虚拟现实产品的推广，所以商业应用中多采用单透镜方案。单透镜方案是目前商业应用中多方妥协的结果，同时兼顾像质、体积、重量和成本。单透镜方案中，最常用的是采用光学塑料的球面镜和非球面镜，主要校正场曲和慧差，色差和畸变通过图像处理方式解决。目前比较知名的大公司均采用了单透镜方案，包括HTC、索尼、Oculus Rift等均采用了单透镜方案；国内大多数面向民用产品的公司也采用此种解决方案。
发明内容
针对球面和非球面的光学塑料透镜像差校正自由区少的缺点，采用自由曲面光学面型进行VR光学塑料透镜的设计，在满足小体积轻重量的条件下像质比球面和非球面进一步提高。
因为头盔显示系统中人眼作为接受系统，所以在进行自由曲面棱镜设计的时候就必须考虑人眼的生理特性。因为人眼本身的复杂性和个体性决定了其设计难度。目前较为困难的限制条件有：人眼瞳间距的变化、出瞳直径、长出瞳距。不同的种群、不同性别、不同年龄的人具有不同的瞳间距，如何使设计结果满足不同需求，是一个非常具有挑战性的技术难题；尽可能大的出瞳直径可以满足比较复杂环境下的使用要求；大的出瞳距则可以适用于更广泛的人群，特别是对于佩戴矫正视力的眼睛的人群。为满足军事上目视系统的高标准要求，出瞳直径需要达到8mm，出瞳距16～20mm，F/#尽可能小。
其中本发明中采用的自由曲面描述如下所示。
XY多项式光学自由曲面
XY多项式光学自由曲面是光学设计中应用比较普遍的面型，其特点是形式灵活，扩展简单，光线求交简单。是一种各方面能力都比较优秀的光学自由曲面面型，经过合理的选择，可以实现为旋转对称或双曲率面型。
XY多项式自由曲面面型的表达公式为：
全视场像差平衡技术
传统光学设计中一般保证光学中心视场像质最好，边缘次之。但是此种标准对于VR头盔光学显示系统不适用。因为在使用过程中，人眼焦点区域随着眼球的转动在改变。如果整个视场内像质不均衡，就会导致用户体验下降，不能实现VR的真实感和沉浸感。
鉴于此，基于权重的点列图优化方法，通过光学设计软件宏语言的二次开发，在优化过程中自动调整各个视场权重值使整个视场内的像质平衡，满足人眼全视场内观察要求。
实施实例
为充分说明本专利特征和权利要求，给出两个实施实例：采用PMMA和E48R的塑料光学自由曲面光学系统。本专利包括此但不限于此实例，特此声明。
例1：采用PMMA光学塑料的头盔光学显示系统设计方案
采用PMMA光学塑料进行单透镜设计，近眼光学表面采用球面面型，半径为709.9mm；另一面采用XYP自由曲面面型，参数如表1所示。
设计参数如下所示：
1)瞳孔参数：8mm；
2)瞳距：20mm；
3)全视场：90°；
4)中心边缘比：3∶1；
5)光学材料：PMMA.
表1采用PMMA光学塑料的头盔光学显示系统面型参数设计值
例2：采用E48R光学塑料的头盔光学显示系统设计方案
采用E48R光学塑料进行单透镜设计，近眼光学表面采用球面面型，半径为-91.9mm；另一面采用XYP自由曲面面型，参数如表2所示。
设计参数如下所示：
1)瞳孔参数：7mm；
2)瞳距：17mm；
3)全视场：100°；
4)中心边缘比：4∶1；
5)光学材料：E48R。
表2采用E48R光学塑料的头盔光学显示系统面型参数设计值
附图说明
图1采用光学塑料PMMA的XYP自由曲面单透镜光路图；
图2采用光学塑料E48R的XYP自由曲面单透镜光路图。

Claims (6)

1.一种虚拟现实用头盔光学显示系统，采用塑料光学自由曲面的单透镜。
2.根据权利要求1所述，其特征在于单透镜光学塑料为PMMA或E48R，由注塑加工完成。
3.根据权利要求1所述，其特征在于单透镜靠近眼睛表面为球面，靠近屏幕表面为光学自由曲面。
4.根据权利要求1和3所述，其特征在于自由曲面为XYP自由曲面面型。
5.根据权利要求1所述，其特征在于单透镜中心厚度与边缘厚度之比在4∶1～2∶1范围内。
6.根据权利要求1所述，其特征在于将屏幕图像以放大虚像方式成像在人眼前方。
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