CN108051920B

CN108051920B - 一种适用于虚拟现实设备的光学系统

Info

Publication number: CN108051920B
Application number: CN201711491335.8A
Authority: CN
Inventors: 范君柳; 吴泉英; 陈宝华; 徐越
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-30
Filing date: 2017-12-30
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2037-12-30
Also published as: CN108051920A

Abstract

本发明公开了一种适用于虚拟现实设备的光学系统，沿光轴方向它依次包括光阑、一片正光焦度透镜、一片负光焦度透镜一个图像显示器；正光焦度透镜用于抑制大视场角入射的光线发散角，负光焦度透镜用于平衡正光焦度透镜产生的像散和畸变；两片透镜均为塑料材质，正光焦度透镜为低折射率、高色散系数透镜，负光焦度透镜为高折射率、低色散系数透镜，二者组合可以减小光学系统的色差。本发明提供的光学系统视场角大，单眼对角线视场角可达到100度，为虚拟现实设备提供了良好的沉浸感；在边缘视场透镜组也具有较好的像质及畸变，同时，透镜组具有较大的出瞳距和出瞳孔径，可为观察者提供更舒适的佩戴体验。

Description

一种适用于虚拟现实设备的光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种适用于虚拟现实设备的光学系统。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术是20世纪80年代提出的一种利用计算机生成的、可交互的、具有沉浸感的视觉虚拟环境，可以按照需要生成多种虚拟环境，广泛应用于城市规划、驾驶培训和室内设计等领域。近年来随着计算机计算能力与各种类型传感器的发展，各种类型的虚拟现实头盔已出现在市场上，其基本结构由显示屏或者手机以及一组目镜组成，人眼通过目镜可以看到屏幕上放大的图像，传感器感应人头部的变化调整屏幕中左右区域分别显示的图像，使得人眼能看到立体的，具有交互性的视觉图像。

目前市场上VR头盔的光学镜头一般都是单块透镜。由于单块透镜校正光学像差的能力有限，因此往往会以降低边缘视场的像质和清晰度为代价来提高镜头整体的视场角和沉浸感，同时随着视场的增加，镜头的畸变也会迅速增加(畸变与视场成三次方关系)，特别是边缘视场畸变往往会超出人眼承受范围。尽管目前绝对多数VR头盔采取计算机反色差和反畸变补偿等方法来提高像质和减小畸变，但边缘视场像质提升效果并不明显，而且这也会对计算机的CPU和显卡性能提出了更高的要求。为了解决上述问题，市场上也出现了一些由两块光学镜片构成的VR光学系统，现就其光学特性进行分析比较。

中国实用新型专利CN 206411339U公开了一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构，该结构也是由两块分别具有正光焦度和负光焦度的透镜所组成，该系统的出瞳距(即光瞳与第一透镜面对光瞳侧表面中心的距离)只有10mm，因此会对佩戴眼镜的体验者会带来不便；另外该系统的出瞳直径只有4.98mm（焦距（21.43mm）/相对孔径倒数（4.3）），对于身体动作幅度较大的VR场景，很有可能会造成光学系统出瞳和人眼入瞳的偏离，从而影响VR体验。

中国发明专利CN 106291939A公开了一种虚拟现实显示器光学系统，该光学系统由两块分别具有正光焦度和负光焦度的透镜所组成，其中正光焦度透镜的一侧透射面为菲涅尔面，但两块透镜均为玻璃材料，其中负光焦度透镜为高折射率玻璃透镜，玻璃材料的重量和成本均高于塑料材料，且实施例中该光学系统在85⁰×80⁰视场范围内，最大畸变为22.69%。中国发明专利CN 106019596A中也使用了正、负两块透镜，其中正透镜一侧设置为衍射光学元件，另一侧设置为菲涅尔透镜，虽然在半视场角37⁰范围内的畸变小于5%，但由于衍射光学元件和菲涅尔透镜的成本要远高于普通透镜，因此该光学系统性价比不高。因此最佳的方法是通过利用两块普通塑料透镜，在严格提高中心视场像质和畸变，适当放松边缘视场像质和畸变的前提条件下，提供一种能实现大视场、大出瞳直径和大出瞳距的虚拟现实光学系统。

发明内容

本发明针对现有虚拟现实头盔存在的只能满足其中某项设计指标如畸变或色差，而不能兼顾所有指标等方面的不足，提供一种具有像差校正良好，较大视场、出瞳直径和出瞳距，结构轻型且紧凑特点，适用于虚拟现实设备的光学系统。

本发明目的是通过下述技术方案实现的：提供一种适用于虚拟现实设备的光学系统，沿光轴方向它依次包括光阑、一片正光焦度透镜、一片负光焦度透镜和一个图像显示器；所述正光焦度透镜的两个透射面均为外凸的非球面，其中，与光阑相对的表面其曲率半径为35～50mm，与负光焦度透镜相对的表面其曲率半径为8～12mm，正光焦度透镜的焦距为15～20mm，厚度为20～25mm；所述负光焦度透镜的两个透射面均为内凹的非球面，其中，与正光焦度透镜相对的表面其曲率半径为45～70mm，与图像显示器相对的表面其曲率半径为15～24mm，所述负光焦度透镜的焦距为-25～-20mm，厚度为6～10mm；正光焦度透镜的两个非球面表面和负光焦度透镜两个非球面表面的面形均满足条件：

，

其中， z是表面矢高，r为表面顶点到表面上任意一点的垂直距离，c为表面顶点的曲率，k为表面圆锥系数，

～

分别为第一至第八项非球面系数；

所述光阑的直径为6～7mm，光阑到正光焦度透镜与光阑相对的透射面的表面中心的距离为12～15mm；所述的负光焦度透镜，其与图像显示器相对的透射面的表面中心和图像显示器的距离为15～25mm；正光焦度透镜与负光焦度透镜的空气间距为0.4～2mm；

正光焦度透镜和负光焦度透镜的材料均为塑料，正光焦度透镜的折射率为1.45～1.5，色散系数为55～65，负光焦度透镜的折射率为1.58～1.70，色散系数为20～30。

本发明技术方案中，图像显示器选用5.5英寸LCD。正光焦度透镜和负光焦度透镜的表面可镀功能性膜层，如增透膜、硬化膜、防水和抗污膜。

本发明提供的一种适用于虚拟现实设备的光学系统，系统单眼对角线的视场角为90～100度；它的正光焦度透镜和负光焦度透镜组成的透镜组的总长度小于32mm。

本发明所述提供的一种适用于虚拟现实设备的光学系统，由于是反向光路设计，即光线从人眼出发，依次经过第一透镜正光焦度透镜和第二透镜负光焦度透镜到达图像显示器。光学系统的出瞳（或光阑）即为人眼所在位置，依据目视光学系统的设计原则，出瞳直径需与人眼虹膜直径相匹配，通常为3～6mm（具体取决于观察环境的光线亮度）。入瞳位置到所述第一透镜相对光阑的表面中心的距离称为出瞳距，考虑到睫毛以及佩戴眼镜的因素，因此出瞳距至少应当大于10mm。对于虚拟现实头盔而言，视场角越大（一般至少大于80⁰），给用户带来的沉浸感也就越好，然而随着视场角的增大，一系列问题也随之出现，首先是边缘视场的像质随着视场的增加而变差，其次是边缘视场的畸变也会急剧增加(畸变与视场成三次方正比关系)，上述问题可以通过加入特殊光学元件如衍射元件或者菲涅尔透镜，或者通过增加光学镜片数量的方法来解决，然而特殊光学元件的加入会导致成本的提升，增加额外的光学镜片会导致系统整体重量和成本的上升。虚拟现实头盔的光学镜片通常采用塑料而不采用玻璃材料，这样一方面可以减小镜片重量，另一方面塑料镜片可以通过注塑的方式批量生产，能有效降低成本。同时，对于目视光学系统来说，人眼最关注的是中心区域的图像，因此，在光学设计时应该首先着重改善中心视场的像质和畸变，而边缘视场的像质和畸变在人眼接受范围内可以适当放宽要求。

本发明技术方案中，第一透镜为正光焦度透镜，用于抑制大视场角入射的光线发散角；第二透镜为负光焦度透镜，主要用于平衡第一透镜产生的像散和畸变；第一透镜为具有低折射率、高色散系数的透镜，第二透镜为具有高折射率、低色散系数的透镜，二者组合可以减小光学系统的色差。

本发明技术方案中，图像显示器为5.5英寸或者更大尺寸的LCD或者手机屏，为避免因光学系统放大倍率过高而造成的“纱窗效应”太过明显，LCD或者手机屏的PPI(pixelsper inch，每英寸像素数)最好超过500。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供的光学系统的视场角大，最大可以达到100度；具有良好的中心和边缘视场像质及畸变。同时，光学系统还具有较大的出瞳距和出瞳直径，镜头的出瞳距达到14mm，镜头的出瞳直径达到7mm；结构简单、体积小、质量轻，并且通过使用塑料材料设计光学镜头，可有效降低光学系统的加工成本。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的光学系统的畸变图；

图3为本发明实施例一提供的光学系统的调制传递函数图；

图4为本发明实施例二提供的光学系统的畸变图；

图5为本发明实施例二提供的光学系统的调制传递函数图。

图中，1、光阑；2、正光焦度透镜；3、负光焦度透镜；4、液晶显示屏。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

实施例一

参见附图1，为本实施例提供的一种适用于虚拟现实设备的光学系统的结构示意图。包括沿光轴方向依次设置的光阑1、正光焦度透镜2、负光焦度透镜3和液晶显示屏4。液晶显示屏4发出的光线依次经过所述透镜负光焦度透镜3和正光焦度透镜2后入射至光阑1，进而进入人眼眼瞳。正光焦度透镜2的两个表面为非球面，其中与光阑相对的表面为凸面，与负光焦度透镜3相对的表面为凹面，负光焦度透镜3的两个表面都为内凹的非球面。本实施例提供的光学系统达到以下光学特性：

（1）本实施例中液晶显示屏4的对角线长度为5.5英寸，分辨率为2560×1440，每英寸像素数(ppi, pixels per inch)是538，像元尺寸为47.25μm，由此可计算得到光学系统的奈奎斯特频率为10线对/毫米，光学系统单眼对角线的视场角为100度。

（2）正光焦度透镜2的光焦度为0.058184mm^-1，透镜材料为PMMA，折射率为1.49，色散系数为57.44；负光焦度透镜3的光焦度为-0.043974mm^-1，透镜材料为OKP-1，折射率为1.64，色散系数为22.45。

（3）正光焦度透镜2相对于光阑1表面为外凸的非球面，曲率半径为37.728mm，其相对于负光焦度透镜3的表面为外凸的非球面，曲率半径为-8.755mm（负号表示曲率中心在表面中心左侧，反之，正号表示曲率中心在表面中心右侧，以下相同）；负光焦度透镜3相对于正光焦度透镜2的表面为内凹的非球面，曲率半径为-47.923mm，其相对于液晶显示屏的表面为内凹的非球面，曲率半径为22.272mm。正光焦度透镜2的厚度为22.454mm，负光焦度透镜3的厚度为7.306mm；正光焦度透镜2与负光焦度透镜3的空气间隔为0.828mm，负光焦度透镜3和液晶显示屏4相对的表面中心和液晶显示屏4的间距为16.943mm。

正光焦度透镜2与负光焦度透镜3的4个非球面表面的面形满足以下方程：

，

～

分别为第一至第八项非球面系数。

本实施例中，各光学元件的参数如表1所示。

表1

透镜2和透镜3的4个非球面系数

～

如表2所示。

表2

（4）光阑的直径为7mm，光阑距离正光焦度透镜相对光阑的表面中心距离为14mm。光阑距离液晶显示屏的距离即光学系统总长度为30mm。本实施例中，正光焦度透镜的直径为43.25mm，负光焦度透镜透镜的直径为57.32mm。

参见附图2，是本实施例中的光学系统在80度的视场范围内最大畸变不超过7%；100度的视场范围内最大畸变不超过20%。

参见附图3，是本实施例中的光学系统中心视场传递函数值在10线对/毫米处超过0.9，边缘视场传递函数值在10线对/毫米处超过0.1。

实施例二

本实施例提供的光学系统的结构如图1所示，其达到以下光学特性：

（1）本实施例中液晶显示屏4的对角线长度为5.5英寸，分辨率为2560×1440，每英寸像素数(ppi, pixels per inch)是538，像元尺寸为47.25μm，由此可计算得到光学系统的奈奎斯特频率为10线对/毫米，光学系统单眼对角线的视场角为90度。

（2）正光焦度透镜2的光焦度为0.05821mm^-1，材料为PMMA，折射率为1.49，色散系数为57.44；负光焦度透镜3的光焦度为-0.04821mm^-1，材料为POLYCARB，折射率为1.58，色散系数为29.9。

（3）正光焦度透镜2相对于光阑1表面为外凸的非球面，曲率半径为44.971mm，其相对于负光焦度透镜3的表面为外凸的非球面，曲率半径为-8.997mm；负光焦度透镜3相对于正光焦度透镜2的表面为内凹的非球面，曲率半径为-65.710mm，其相对于液晶显示屏的表面为内凹的非球面，曲率半径为15.531mm。正光焦度透镜2的厚度为18.423mm，负光焦度透镜3的厚度为7.569mm；它们的空气间隔为0.5mm，负光焦度透镜3和液晶显示屏4相对的表面中心和液晶显示屏4的间距为21.039mm。

正光焦度透镜2和负光焦度透镜3的4个非球面表面的面形满足以下方程：

其中z是表面矢高，r为表面顶点到表面上任意一点的垂直距离，c为表面顶点的曲率，k为表面圆锥系数，

～

分别为第一至第八项非球面系数。

本实施例中各光学元件的参数如表3所示。

表3

正光焦度透镜2和负光焦度透镜3的4个非球面系数

～

如表4所示。

表4

（4）光阑1的直径为7mm，光阑1距离正光焦度透镜2相对光阑1的表面中心距离为14.5mm。光阑1距离液晶显示屏4的距离即光学系统总长度为26mm。本实施例中，正光焦度透镜2的直径为38.23mm，负光焦度透镜3的直径为53.05mm。

参见附图4，是本实施例中的光学系统在90度的视场范围内最大畸变不超过15%。

参见附图5，是本实施例中的光学系统中心视场传递函数值在10线对/毫米处超过0.9，边缘视场传递函数值在10线对/毫米处大部分都超过0.1。

本发明在保证实现大视场角的同时，成功地解决了虚拟光学系统的出瞳小，出瞳距短以及中心和边缘成像质量差，边缘视场畸变大的问题，系统结构紧凑轻便，能很好地满足使用要求。

Claims

1.一种适用于虚拟现实设备的光学系统，沿光轴方向依次包括光阑（1）、一片正光焦度透镜（2）、一片负光焦度透镜（3）和一个图像显示器（4）；所述正光焦度透镜的两个透射面均为外凸的非球面，所述负光焦度透镜的两个透射面均为内凹的非球面，正光焦度透镜的两个非球面表面和负光焦度透镜两个非球面表面的面形均满足条件：

，

～

分别为第一至第八项非球面系数；正光焦度透镜和负光焦度透镜的材料均为塑料，正光焦度透镜的折射率为1.45～1.5，色散系数为55～65，负光焦度透镜的折射率为1.58～1.70，色散系数为20～30；其特征在于：

所述正光焦度透镜与光阑相对的表面其曲率半径为35～50mm，与负光焦度透镜相对的表面其曲率半径为8～12mm，正光焦度透镜的焦距为15～20mm，厚度为20～25mm；所述负光焦度透镜与正光焦度透镜相对的表面其曲率半径为45～70mm，与图像显示器相对的表面其曲率半径为15～24mm，所述负光焦度透镜的焦距为-25～-20mm，厚度为6～10mm；

所述光阑的直径为6～7mm，光阑到正光焦度透镜与光阑相对的透射面的表面中心的距离为12～15mm；所述的负光焦度透镜，其与图像显示器相对的透射面的表面中心和图像显示器的距离为15～25mm；正光焦度透镜与负光焦度透镜的空气间距为0.4～2mm。

2.根据权利要求1所述一种适用于虚拟现实设备的光学系统，其特征在于：光学系统单眼对角线的视场角为90～100度。

3.根据权利要求1所述一种适用于虚拟现实设备的光学系统，其特征在于：所述图像显示器为5.5英寸LCD。

4.根据权利要求1所述一种适用于虚拟现实设备的光学系统，其特征在于：正光焦度透镜和负光焦度透镜组成的透镜组的总长度小于32mm。

5.根据权利要求1所述一种适用于虚拟现实设备的光学系统，其特征在于：正光焦度透镜和负光焦度透镜的表面镀有功能性膜层。

6.根据权利要求5所述一种适用于虚拟现实设备的光学系统，其特征在于：所述的功能性膜层包括增透膜、硬化膜、防水和抗污膜。