CN108227190B - 一种镜头模组 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种镜头模组，用于设置在人眼瞳孔(STO)和屏幕(IMA)之间，屏幕(IMA)用于显示虚拟现实画面；镜头模组包括沿人眼瞳孔(STO)到屏幕(IMA)的方向上依次设置的新月透镜(L1)以及由双凸透镜(L2)和双凹透镜(L3)组成的透镜群；新月透镜(L1)的凹面朝向人眼瞳孔(STO)；新月透镜(L1)的光焦度为正，双凸透镜(L2)的光焦度为正，双凹透镜(L3)的光焦度为负；新月透镜(L1)和双凹透镜(L3)均为非球面镜。本发明的镜头模组设计巧妙，实用性强。

Description

一种镜头模组

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及一种镜头模组。

背景技术

自2014年Facebook以20亿美元收购Oculus以来，全球的科技巨头纷纷投入到VR领域，掀起了VR商业化、普及化的浪潮，国际上有Oculus、Coogle、SONY、HTC、三星、微软等巨头的入局，国内暴风科技、乐视、爱奇艺、腾讯、华为等公司也宣布进入VR领域。虚拟现实技术当下处于大爆发和快速发展时期，无论是国际峰会，还是国内的双创周、中国科技第一展的高交会，虚拟现实技术都是这两年大热的话题。

VR平台作为继PC、移动互联网之后的新的通用计算平台，以优越的沉浸感、自然友好的交互和广阔的应用前景为人们打开了通往虚拟世界的大门，VR的应用十分广泛，不仅局限于游戏，还可以延伸到其他的领域，包括通讯、媒体和娱乐、教育等方面，能够改变甚至颠覆人们的工作、娱乐和交流的方式。

虽然VR技术目前还没有非常成熟，但已经可以对VR初期的产品进行体验，视场角、分辨率、延迟等参数对体验效果有直接的影响。从最初入门级的Google Cardboard到三星Gear、HTC VIVE，VR产品的性能不断提升，功能越来越强大，最新一代正式版Oculus Rift的分辨率为2160×1200像素(两个屏幕)，视场角110°，刷新率90Hz，新发布的3glasses蓝珀s1分辨率2880*1440(两个屏幕)，视场角110°，最高刷新率120Hz，以上是产品的物理参数。可以发现目前VR产品的视场角一般介于90°-110°，并且由于VR眼镜在光学结构上采用单片式镜片比较多，能够用来优化的参数极其有限，在满足清晰度要求的情况下，视场角无法加大，此外大视场像差未能得到有效矫正，导致成像性能表现欠佳，一般中心成像清晰，周边不良甚至模糊，直接影响体验效果。

发明内容

本发明针对现有VR眼镜在光学结构上采用单片式镜片比较多，能够用来优化的参数极其有限，在满足清晰度要求的情况下，视场角无法加大，此外大视场像差未能得到有效矫正，导致成像性能表现欠佳，一般中心成像清晰，周边不良甚至模糊，直接影响体验效果的问题，提出了一种镜头模组。

本发明就该技术问题而提出的技术方案如下：

本发明提出了一种镜头模组，用于设置在人眼瞳孔和屏幕之间，屏幕用于显示虚拟现实画面；镜头模组包括沿人眼瞳孔到屏幕的方向上依次设置的新月透镜以及由双凸透镜和双凹透镜组成的透镜群；新月透镜的凹面朝向人眼瞳孔；新月透镜的光焦度为正，双凸透镜的光焦度为正，双凹透镜的光焦度为负；新月透镜和双凹透镜均为非球面镜。

本发明上述的镜头模组中，双凸透镜和双凹透镜沿人眼瞳孔到屏幕的方向上依次设置。

本发明上述的镜头模组中，双凸透镜和双凹透镜沿屏幕到人眼瞳孔的方向上依次设置。

本发明上述的镜头模组中，新月透镜和双凹透镜满足下列关系式：-1.69<f1/f3<-1.15，其中，f1为新月透镜的焦距，f3为双凹透镜的焦距。

本发明上述的镜头模组中，双凸透镜与双凹透镜满足关系式：-2.90<f2/f3<-1.92，其中，f2为双凸透镜的焦距，f3为双凹透镜的焦距。

本发明上述的镜头模组中，新月透镜和双凹透镜分别满足以下非球面公式：

其中，r为光学表面上一点到光轴的距离；

Z为该点沿光轴方向的矢高；

c为该光学表面的曲率；c＝1/r；

k为该光学表面的二次曲线常数，A、B、C、D、E、F分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶高阶非球面系数。

本发明上述的镜头模组中，非球面镜由树脂材料制成。

本发明上述的镜头模组中，非球面镜由玻璃材料制成。

本发明上述的镜头模组中，屏幕为曲面。

本发明所提出的镜头模组通过采用光焦度为正的新月透镜可以在扩大镜头视场角度的同时有效控制畸变大小，降低图像的变形和失真，能够矫正球差与系统畸变，同时，采用由双凸透镜L2和双凹透镜L3组成的透镜群能够矫正系统球差和像散，提高边缘视场的成像性能。本发明的镜头模组设计巧妙，实用性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1示出了本发明实施例的镜头模组的示意图；

图2是本发明实施例的视场角为100°的镜头模组的MTF曲线图；

图3是本发明实施例的视场角为120°的镜头模组的MTF曲线图；

图4是本发明实施例的镜头模组的离焦曲线图；

图5是本发明实施例的镜头模组的场曲曲线图；

图6是本发明实施例的镜头模组的畸变曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，图1示出了本发明实施例的镜头模组的示意图。该镜头模组用于设置在人眼瞳孔STO和屏幕IMA之间，屏幕IMA用于显示虚拟现实画面；镜头模组包括沿人眼瞳孔STO到屏幕IMA的方向上依次设置的新月透镜L1以及由双凸透镜L2和双凹透镜L3组成的透镜群；新月透镜L1的凹面朝向人眼瞳孔STO；新月透镜L1的光焦度为正，双凸透镜L2的光焦度为正，双凹透镜L3的光焦度为负；新月透镜L1和双凹透镜L3均为非球面镜。在本技术方案中，人眼瞳孔STO相当于孔径光阑。

在上述技术方案中，通过采用新月透镜L1的凹面朝向人眼瞳孔STO，以及新月透镜L1的光焦度为正的技术特征，可以在扩大镜头视场角度的同时有效控制畸变大小，降低图像的变形和失真，能够矫正球差与系统畸变。

通过采用光焦度为正的双凸透镜L2以及光焦度为负的双凹透镜L3，能够矫正系统球差和像散，提高边缘视场的成像性能。

进一步地，双凸透镜L2和双凹透镜L3可以沿人眼瞳孔STO到屏幕IMA的方向上依次设置，也可以沿屏幕IMA到人眼瞳孔STO的方向上依次设置。透镜群上述任意一种设置方式都能满足成像性能需求。本实施例采用前一种设置方式。

进一步地，由于非球面镜具有更大的自由度和灵活性，本发明采用新月透镜L1和双凹透镜L3为非球面镜的特征，能够在虚拟现实画面的优化过程中能有效地矫正像差，改善像质，提高光学性能，得以匹配高分辨率的2K甚至更高分辨率的显示屏幕。

进一步地，非球面镜由树脂材料制成；为营造深度的沉浸感，实际使用时非球面镜的口径较大；考虑到头戴式产品的重量以及舒适感，采用树脂材料制造透镜可以使重量更轻便；同时采用一模多穴的制造方式，可以提升出品率，降低生产成本。可以理解，非球面镜还可以采用玻璃材料制成，或者其他透明材料制成。

进一步地，新月透镜L1和双凹透镜L3满足下列关系式：-1.69<f1/f3<-1.15，其中，f1为新月透镜L1的焦距，f3为双凹透镜L3的焦距。

进一步地，双凸透镜L2与双凹透镜L3满足关系式：-2.90<f2/f3<-1.92，其中，f2为双凸透镜L2的焦距，f3为双凹透镜L3的焦距。

进一步地，当镜头模组存在场曲时，通过镜头模组的各光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。在使用时人眼不能同时看清虚拟显示画面的各个位置：当中心成像清晰时，边缘模糊，或者边缘清晰中心模糊，这两种情况给观察者造成困难。在本实施例中，屏幕IMA为曲面；通过采用曲面屏幕IMA，可以有效地帮助我们矫正场曲，使中心和边缘视场能同时清晰成像。

进一步地，本实施例所采用的光学参数如下：

入瞳直径(EPD，Entrance Pupil Diameter)：5mm；有效焦距：35mm；入瞳到最近透镜面的距离(Eye relief)：10mm；

其中，S1为孔径光阑面(人眼瞳孔STO所在面)；S2为新月透镜L1的朝向人眼瞳孔STO的表面；S3为新月透镜L1的朝向屏幕IMA的表面；S4为双凸透镜L2的朝向人眼瞳孔STO的表面；S5为双凸透镜L2的朝向屏幕IMA的表面；S6为双凹透镜L3的朝向人眼瞳孔STO的表面；S7为双凹透镜L3的朝向屏幕IMA的表面；IMA为屏幕IMA的位置。

新月透镜L1和双凹透镜L3为非球面镜，分别满足以下非球面公式：

其中，r为光学表面上一点到光轴的距离；

Z为该点沿光轴方向的矢高；

c为该光学表面的曲率；c＝1/r；

k为该光学表面的二次曲线常数，A、B、C、D、E、F分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶高阶非球面系数。采用本实施例的方案可以实现了VR超大视场角，并且全视场范围均清晰成像，带给大家更清晰、更深度的沉浸式体验。

图2至图6为本发明实施例的光学性能曲线图。具体地，图2是本发明实施例的视场角为100°的镜头模组的MTF(调制传递函数)曲线图；图3是本发明实施例的视场角为120°的镜头模组的MTF(调制传递函数)曲线图；调制传递函数(MTF)是光学系统性能判断中最可靠的判断方法，特别是对于镜头模组；MTF定义为一定空间频率下，实际像与理想像之间调制度之比相对空间频率的函数。MTF曲线横坐标是空间频率lp/mm(线对/毫米)，细节信息对应高频，轮廓信息对应低频。纵坐标是对比度(％)，曲线越高，表明成像质量越好。因为实际像的对比度总小于输入图像的对比度，所以MTF的数值介于0-1之间。图2和图3中不同的曲线表示不同的视场对应的像高，T和S分别表示子午方向和弧矢方向的MTF。由图2和图3的MTF曲线可知，整个视场范围内都可成像清晰。依此光路结构进行优化设计，可匹配更高像素分辨率的显示屏幕。

图4是本发明实施例的镜头模组的离焦(Through Focus)曲线图，离焦曲线表明对设定空间频率不同视场的子午、弧矢MTF与离焦量的关系，图中横坐标是离焦量，纵坐标是对比度，通过此图可以看出各视场的最佳焦面的一致性，MTF是否对离焦比较敏感。由图4可知，各视场最佳焦面基本一致，各视场像质均匀清晰。

图5是本发明实施例的镜头模组的场曲曲线图，由常用的可见光波段中的F、d、C(F＝0.486um，d＝0.588um，C＝0.656um)三色光的波长来表示，T和S分别表示子午和弧矢方向，纵坐标为视场，单位为角度，横坐标为场曲，单位为毫米(mm)；图6是本发明实施例的镜头模组的畸变曲线图，纵坐标为视场，横坐标为畸变的百分比值。畸变曲线图表示不同视场角情况下的畸变大小值，单位为％。所以，由图2至图6可知，该光学镜头已将各种像差校正到一个较好程度，全视场范围可清晰成像。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种镜头模组，其特征在于，用于设置在人眼瞳孔(STO)和屏幕(IMA)之间，屏幕(IMA)用于显示虚拟现实画面；镜头模组包括沿人眼瞳孔(STO)到屏幕(IMA)的方向上依次设置的新月透镜(L1)以及由双凸透镜(L2)和双凹透镜(L3)组成的透镜群；新月透镜(L1)的凹面朝向人眼瞳孔(STO)；新月透镜(L1)的光焦度为正，双凸透镜(L2)的光焦度为正，双凹透镜(L3)的光焦度为负；新月透镜(L1)和双凹透镜(L3)均为非球面镜；屏幕(IMA)为曲面；

新月透镜(L1)和双凹透镜(L3)满足下列关系式：-1.69<f1/f3<-1.15，其中，f1为新月透镜(L1)的焦距，f3为双凹透镜(L3)的焦距；

双凸透镜(L2)与双凹透镜(L3)满足关系式：-2.90<f2/f3<-1.92，其中，f2为双凸透镜(L2)的焦距，f3为双凹透镜(L3)的焦距。

2.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，双凸透镜(L2)和双凹透镜(L3)沿人眼瞳孔(STO)到屏幕(IMA)的方向上依次设置。

3.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，双凸透镜(L2)和双凹透镜(L3)沿屏幕(IMA)到人眼瞳孔(STO)的方向上依次设置。

4.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，新月透镜(L1)和双凹透镜(L3)分别满足以下非球面公式：

其中，r为光学表面上一点到光轴的距离；

Z为该点沿光轴方向的矢高；

c为该光学表面的曲率；c＝1/r；

k为该光学表面的二次曲线常数，A、B、C、D、E、F分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶高阶非球面系数。

5.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，非球面镜由树脂材料制成。

6.根据权利要求1所述的镜头模组，其特征在于，非球面镜由玻璃材料制成。

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