CN108474936A - 复合透镜以及具有其的显示设备 - Google Patents

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Abstract

提供了复合透镜和包括其的显示设备。所述复合透镜可以通过在中心图像区域中提供更高的分辨率并且在外围图像区域中提供更低的分辨率来改善图像质量。复合透镜包括中心透镜部分以及至少一个外围透镜部分，至少一个外围透镜部分围绕中心透镜部分，中心透镜部分具有第一焦距，至少一个外围透镜部分具有第二焦距，并且第一焦距大于第二焦距。

Description

复合透镜以及具有其的显示设备
技术领域
本公开涉及显示技术，并且更具体地涉及包括用以形成具有不同分辨率(即，不同像素密度)的图像的复合透镜的显示设备，增强观看者感受到的三维(3D)效果。
背景技术
虚拟现实设备通常包括头盔或眼镜，并且在佩戴该设备的用户的每只眼睛的前方具有光学设备。还有一种单眼设备，其具有内置的微型显示器，并且仅在用户的一只眼睛的前方具有光学设备。在大多数情况下，相关技术的虚拟现实头盔或眼镜包括位于每只人眼前方的显示器和透镜。所述透镜用作将通过显示器形成的图像投影到人眼视网膜上的目镜。
众所周知的设备具有佩戴在用户头部并且位于每只眼睛前方的光学设备、显示器以及具有用于安装和移动光学设备和显示器的机械部件的框架。所述光学设备是指位于用户每只眼睛前方的目镜。包括至少一个透镜的左眼目镜将通过显示器的一半形成的图像投影在用户的左眼上。右眼目镜在用户的右眼上以相同的方式操作。
然而，上述透镜被设计为在中心图像区域中以及外围图像区域中提供大致相同的分辨率。特别地，外围图像区域中的分辨率高于人眼的分辨率，而中心图像区域中的分辨率远低于人眼的分辨率。因此，这些透镜在外围图像区域中生成过度的分辨率，并且在中心图像区域中生成不足的分辨率。从而降低了显示图像的清晰度，并且降低了观看者对3D场景的感受。
发明内容
技术问题
提供了复合透镜，其可以通过在中心图像区域中提供更高的分辨率并且在外围图像区域中提供更低的分辨率来改善图像质量。
提供了显示设备，其可以通过在中心图像区域中提供更高的分辨率并且在外围图像区域中提供更低的分辨率来改善图像质量。
解决问题的方法
根据本公开的一个方面，复合透镜包括：具有第一焦距的中心透镜部分；以及至少一个具有第二焦距并且围绕中心透镜部分的外围透镜部分，其中第一焦距大于第二焦距。
中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以具有同心焦平面。
中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃或光学塑料。
中心透镜部分可以具有圆形形状，并且至少一个外围透镜部分可以具有环形形状。
中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以被同心地布置。
中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以一起形成菲涅耳透镜。
中心透镜部分可以包括凸透镜、凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、正弯月透镜、负弯月透镜以及具有两个随机弯曲表面的透镜中的任何一个。
至少一个外围透镜部分可以包括双凸镜片、双凹镜片以及具有两个随机弯曲表面的透镜中的任何一个。
中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以包括光学衍射元件或光学全息元件。
中心透镜部分和至少一个外围透镜部分中的至少一个可以涂覆有构造成增加透镜透明度的全反射膜。
复合透镜可以包括围绕中心透镜部分的多个外围透镜部分，其中多个外围透镜部分可以具有焦距fi，其中“i”是外围透镜部分的数目，并且i＝1,2,3,...n并且满足f0>f1>f2>f3>...>fn，其中f0是中心透镜部分的第一焦距，并且中心透镜部分和多个外围透镜部分可以具有重合的焦平面。
根据本公开的另一方面，显示设备包括：框架；安装在框架中并被配置为选择要向观看者显示的图像的处理器；附接到述框架并被配置为显示通过处理器选择的图像的显示器；以及两个复合透镜。
两个复合透镜中的每一个可以包括具有第一焦距的中心透镜部分和具有第二焦距并且围绕中心透镜部分的至少一个外围透镜部分，并且第一焦距可以大于第二焦距。
复合透镜中的每一个可以安装在面向观看者的每只眼睛的框架的位置处，并且可以被配置成将显示图像的一半投影在观看者的每只眼睛上。
显示设备可以进一步包括第一调节器，所述第一调节器被配置为通过垂直于复合透镜的光轴地移动复合透镜来调节观看者的双眼距离。
显示设备还可以包括第二调节器，所述第二调节器被配置为通过沿复合透镜的光轴移动复合透镜来改变显示器与复合透镜之间的距离以补偿观看者的眼睛的折射误差。
处理器可以被配置为通过预畸变通过显示器显示的图像来补偿通过复合透镜提供的图像畸变。
附图说明
图1示出根据人眼、相关技术透镜以及复合透镜的分辨率作为视角的函数。
图2示出相关技术的单透镜的布局。
图3示出具有中心透镜部分和具有不同焦距的外围透镜部分的单透镜。
图4示出根据示例实施例的复合透镜。
图5示出具有主平面的弯月透镜。
图6示出具有主平面的双凸透镜。
图7A至7X示出根据各种实施例的复合透镜。
图8示出用于具有零畸变的复合透镜的畸变网格。
图9示出用于在全部填满的条件下没有图像倍增的复合透镜的畸变网格。
图10示出用于具有图像倍增的复合透镜的畸变网格。
图11示出根据示例实施例的复合透镜中的光路。
图12示出具有截锥形图像倍增防止罩的复合透镜。
图13A和13B示出显示器上显示的预畸变图像以及通过人眼感测的图像。
图14A和14B示出通过相关技术的单透镜和复合透镜形成的图像之间的比较结果。
图15示出用于形成变换图像的预畸变算法的流程图。
图16示出通过透镜的理想光线和实际光线的光线追踪。
图17示出理想光线和实际光线之间的关系。
图18示出变换图像和原始图像之间的关系。
图19示出预畸变算法的结果。
图20示出具有三个具有不同焦距的环形透镜部分的复合透镜的前视图。
图21示出具有非对称透镜部分的复合透镜的前视图。
图22示出包括两个环形衍射元件的复合透镜。
图23示出根据示例实施例的显示设备。
图24示出根据示例实施例的复合透镜的光学系统。
图25示出根据示例实施例的复合透镜的尺寸。
图26示出角分辨率对视角的依赖性。
图27示出调制传递函数(MTF)对频率的依赖性。
图28示出根据示例实施例的通过复合透镜形成的畸变网格。
具体实施方式
本发明的模式
在下文中将参照附图详细描述示例实施例。然而，本公开的实施例可以以各种其他形式实现，并且不应该限于以下描述中描述的任何结构或功能。相反，提供这些实施例是为了使本公开的描述详细和完整。根据本说明书，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，本公开的范围涵盖这里描述的本公开的实施例，不管这些实施例是独立实现还是与本公开中的其他实施例结合实现。例如，这里描述的设备可以通过使用各种实施例来实际地实现。另外，本公开的任何实施例可以通过使用所附权利要求中的一个或多个组件实现。
术语“示例”在本文中用于表示“用作示例或说明”。这里，被描述为“示例”的任何实施例不应被解释为“优选或由于其他实施例”。
另外，参照待描述的附图的方向使用诸如“中心”和“外围”的方向性词语。由于本公开的实施例的组件位于不同的方向，方向术语被用于附图的目的，并且不给出任何限制。将被理解的是，可以使用其他实施例并且可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构或逻辑改变。
图1示出根据本公开的实施例的取决于相对于人眼、相关技术的透镜以及复合透镜中的每一个的视角的分辨率变化。
人眼在视角的中心区域中具有相对高的分辨率并且在视角的外围区域中具有相对低的分辨率。相关技术的透镜被设计为在外围区域中和中心区域中具有几乎相同的分辨率。根据示例实施例的复合透镜可以被配置为在视角的中心区域中具有相对高的分辨率并且在视角的外围区域中具有相对低的分辨率。因此，它可以与人眼的分辨率相匹配。
虚拟现实设备可以具有120度或更多度的观看角度，但是显示像素的数目可能不足以满足通过全视角的高分辨率。如上所述，人眼在中心图像区域中具有比在外围图像区域中更高的分辨率。由于相关技术的单透镜在中心和外围图像区域中具有大致相同的分辨率(大约15像素/°)，外围图像区域中的分辨率可能高于人眼的分辨率。而且，如图1所示，中心图像区域中的分辨率远低于人眼的分辨率。因此，单透镜在外围图像区域中提供了过度的分辨率并且在中心图像区域中提供了不足的分辨率。为了克服这个问题，示例实施例可以重新分配像素，使得中心图像区域中的像素的数目大于外围图像区域中的像素的数目。
为了理解这一点，考虑用于虚拟现实设备的单透镜的特性。参考图2，视角2α和角分辨率对于用户来说是重要的。视场(FOV)表示从出射光瞳看到的显示器的最大角度大小。角分辨率表示每度人眼看到的像素数目。从近轴光学系统可知以下等式。
D0＝h-f′tgα′1 (1)
这里，D0是像平面或显示平面上的近轴主光线的高度、f′是焦距并且h是相对于视角(FOV)的边缘的主平面上的主光线的高度，并通过瞳孔位置p定义。
h＝p·tgα1 (2)
具有符号的视角可以通过使用等式(1)的第二等式中的第一等式的tgα1′来得到。
由于通过以下等式定义的畸变Δ，近轴透镜和实际透镜中的主光线高度可以彼此不同。
这里，D是像平面的主光线的高度。在这种情况下，D等于显示器31的对角线的一半。
另外，D0可以从等式(4)中得到。
通过将等式(5)代入等式(3)中可以得到以下等式。
在等式(6)中，存在可以被调节的参数。它是焦距f′。透镜中的畸变Δ主要取决于视角(FOV)和孔径光阑位置。在现代虚拟现实设备中，FOV约为90度。在这种情况下，孔径光阑可能与瞳孔重合。基于人体测量数据，瞳孔位置p可以被定义为离透镜约10mm至约20mm。这可能导致约-25％至约-45％的桶形畸变。D可能不会在广角中改变。当D的值小时，可能需要包括若干组件的光学系统校正高倍透镜的像差。当D的值大时，可能会导致大的整体尺寸。
在整个FOV上平均的角分辨率可以如下定义。
这里，N表示穿过显示器对角线的像素的数目。对于具有合适的对角线D的调制解调器(modem)广告显示器，像素数N为3000或更少。
FOV的中心区域(通过α2定义)中的角分辨率可以与显示器的中心区域(d)成比例。
如上所述，可以选择正常透镜的畸变和焦距，使得
等式(9)定义α2与显示区域之间的依赖性。
这里，Δ0是中心图像区域中的畸变。
等式(6)至(9)示出是否有必要增加FOV。可能需要降低角分辨率，反之亦然。虚拟现实设备的用户同时具有广角FOV和高角分辨率模式可能是重要的。为了同时具有FOV和高水平角分辨率，可能需要参考等式(6)和(9)。也就是说，可能有必要在中心图像区域中和外围图像区域中具有不同的f′。在这种情况下，图像区域中的一个可能失焦并且通过眼睛感测到的图像可能模糊。例如，参考图3，中心图像区域可以位于焦点f0′处，并且外围图像区域可能失去焦点f′。
图4示出根据示例实施例的复合透镜66。参考图4，在示例实施例中，位于不同位置的透镜部分可以具有不同的焦距，以便将光聚焦在中心图像区域和外围图像区域上。此外，位于不同位置的透镜部分可以具有不同的主平面HH′和H0H0′。根据示例实施例的复合透镜66可以包括中心透镜部分64以及外围透镜部分65。例如，中心透镜部分64可以具有第一焦距，并且外围透镜部分65可以具有第二焦距。附图标记41表示出射光瞳。根据等式(6)，复合透镜66可以保持f′并且将增加的f′代入公式(9)中以得到与单透镜中相同的FOV，并且得到关于中心图像区域中的改善的角分辨率的等式(8)。
可以通过弯月透镜(参见图5)将主平面H0H0′的位置确定为中心透镜部分，并且可以通过双凸透镜(参见图6)将主平面HH′的位置确定为外围透镜部分。复合透镜66可以通过其组合构成。然而，这仅仅是一个示例，并且可以通过透镜的另一组合将对焦位置应用于中心图像区域中和外围图像区域中。
在根据示例实施例的复合透镜中，中心透镜部分以及至少一个外围透镜部分可以通过使用模制或加工技术形成。图7A至7X示出复合透镜的示例。
如图7A所示，中心透镜部分64a可以包括双凸透镜，并且外围透镜部分65a可以包括双凸透镜。中心透镜部分64a的任何一个表面可以和外围透镜部分64a具有连续的凸形。如图7B所示，中心透镜部分64b可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65b可以包括双凸透镜。中心透镜部分64b的凸表面可以和外围透镜部分65b具有连续的凸形。如图7C所示，中心透镜部分64c可以包括双凸透镜，并且外围透镜部分65c可以包括双凸透镜。中心透镜部分64c和外围透镜部分65c的两侧中的每一侧可以具有不连续的凸面。如图7D所示，中心透镜部分64d可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65d可以包括双凸透镜。中心透镜部分64d和外围透镜部分65d的两侧中的每一侧可以具有不连续的表面。如图7E所示，中心透镜部分64e可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65e可以包括双凸透镜。与图7D比较，中心透镜部分64d和64e可以具有不同的厚度。如图7F所示，中心透镜部分64f可以包括双凸透镜，并且外围透镜部分65f可以包括双凸透镜。中心透镜部分64f的最大厚度可以大于外围透镜部分65f的最大厚度。
如图7G所示，中心透镜部分64g可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65g可以包括双凹透镜。中心透镜部分64g的凹表面和外围透镜部分64g可以连续地形成。如图7H所示，中心透镜部分64h可以包括双凹透镜，并且外围透镜部分65h可以包括双凹透镜。中心透镜部分64h的凹表面和外围透镜部分65h可以连续地形成。如图7I所示，中心透镜部分64i可以包括双凸透镜，并且外围透镜部分65i可以包括双凹透镜。如图7J所示，中心透镜部分64j可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65j可以包括双凹透镜。如图7K所示，中心透镜部分64k可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65k可以包括双凹透镜。与图7J比较，中心透镜部分64j和64k可以具有不同的厚度。如图7L所示，中心透镜部分64l可以包括双凸透镜，并且外围透镜部分651可以包括双凹透镜。中心透镜部分64l的两侧中的每一侧可以相对于外围透镜部分651的边界部分向外凸出。
如图7M所示，中心透镜部分64m可以包括双凹透镜，并且外围透镜部分65m可以包括双凸透镜。如图7N所示，中心透镜部分64n可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65n可以包括双凸透镜。中心透镜部分64n的凸表面和外围透镜部分65n可以具有不连续的凸形。如图7O所示，中心透镜部分64o可以包括双凹透镜，并且外围透镜部分65o可以包括双凸透镜。如图7P所示，中心透镜部分64p可以包括双凸透镜，并且外围透镜部分65p可以包括双凸透镜。如图7Q所示，中心透镜部分64q可以包括双凹透镜，并且外围透镜部分65q可以包括双凸透镜。与图7M比较，中心透镜部分64m和64q可以具有不同的厚度。如图7R所示，中心透镜部分64r可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65r可以包括双凸透镜。如图7S所示，中心透镜部分64s可以包括双凹透镜，并且外围透镜部分65s可以包括双凹透镜。中心透镜部分64s的最大厚度可以小于外围透镜部分65s的最小厚度。如图7T所示，中心透镜部分64t可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65t可以包括双凹透镜。
如图7U所示，中心透镜部分64u可以包括双凹透镜，并且外围透镜部分65u可以包括双凹透镜。如图7V所示，中心透镜部分64v可以包括双凸透镜，并且外围透镜部分65v可以包括双凹透镜。如图7W所示，中心透镜部分64w可以包括双凹透镜，并且外围透镜部分65w可以包括双凹透镜。中心透镜部分64w的中心厚度可以相对非常小。如图7X所示，中心透镜部分64x可以包括弯月透镜，并且外围透镜部分65x可以包括双凹透镜。中心透镜部分64x可以具有朝向图中左侧凸出的弯月形状。
另外，中心透镜部分以及外围透镜部分可以具有两个随机弯曲的表面。上述的一些透镜的组合可以用作用于像差校正的复合光学系统的一部分。
同时，可以从图4中所示的几何考虑导出对焦位置的状况。
s′0H′+f′0-t＝f′+s′H′-Δf′ (10)
复合透镜66可以包括光入射的入射表面(IS)以及光出射的出射表面(ES)。出射表面(ES)可以包括中心透镜部分64中的第一透镜表面61以及外围透镜部分65中的第二透镜表面62。在等式(10)中，S′0H′和S′H′表示与第一透镜表面61和第二透镜表面62相对应的主平面H0′和H′的位置。S′0H′可以表示第一透镜表面61与光轴63相交的点和第二透镜表面62与光轴63相交的点之间的距离。这里，第二透镜表面62可以具有连续的虚拟表面(VS)，虚拟表面(VS)具有相同的曲率，并且将假定虚拟表面(VS)与光轴63相交的位置。Δf′表示外围透镜部分65相对于中心透镜部分64(参见图3)的容许散焦，并且在图4中Δf′＝0。“t”表示第一透镜表面61和第二透镜表面62之间沿光轴63的位置差。在第二透镜表面62中，可以通过假设虚拟表面(VS)与光轴63相交的位置得到“t”。
将f0′-f′＝Δf′结合进等式(10)的结果可以如下表示。
s′H′＝s′0H′+2Δf′-t (11)
而且，从几何光学系统可以得知如下。
s′H′＝f′(d0+Δd)(1-n)/nr1
s′0H′＝f′0d0(1-n0)/n0r01 (12)
这里，n0和n是中心透镜部分64和外围透镜部分65的折射率，并且d0是中心透镜部分64沿光轴63的厚度。Δd表示中心透镜部分64和外围透镜部分65之间的厚度差。当假定外围透镜部分65延伸到光轴63时，外围透镜部分65的厚度表示沿光轴63的厚度。r01是第一中心透镜部分64的透镜表面61的半径，并且r1是外围透镜部分65的第二透镜表面62的半径。第一透镜表面61可以表示中心透镜部分64的出射表面，并且第二透镜表面62可以表示外围透镜部分65的出射表面。
当将等式(12)代入等式(11)时，可以得到中心透镜部分64的曲率半径以及外围透镜部分65的曲率半径之间的关系。
在具有零畸变的复合透镜中，可以以不同的比例形成图像，并且可以在中心图像区域和外围图像区域之间形成间隙。例如，当显示均匀的网格时，眼睛看到的图像将表现为如图8所示。在具有大焦距f0′的中心透镜部分和具有小焦距f′的外围透镜部分中，中心网格单元102(即，中心图像区域)可以小于外围网格单元103(即，外围图像区域)。而且，在中心网格单元102和外围网格单元103之间可能存在间隙101。为了克服这个问题，可能需要根据等式(6)和(9)制造具有畸变Δ0和Δ的复合透镜。
当满足等式(14)时，如图8所示的图像可以被显示如图9所示。
图10示出图像倍增的发生。为了防止如图10所示的图像倍增，等式(14)可以对一个取决于瞳孔大小的范围的“a”满足。随着瞳孔大小的增加，范围“a”可能增加。图11示出形成如图10所示的图像的复合透镜66的布局。复合透镜66可以包括中心透镜部分641和外围透镜部分642。
去除图像倍增的另一种方法是应用罩或屏障(参见图12)。图12所示的复合透镜66可以包括中心透镜部分144和外围透镜部分143。屏障141可以防止指向外围透镜部分143的光线142通过中心透镜部分144。此外，另一方面，朝向中心透镜部分144的光线145由于屏蔽141而不能穿过外围透镜部分133。屏蔽141可以例如具有截锥的形状。然而，本公开不限于此，并且罩或屏蔽的形状可以根据复合透镜的位置变化。
同时，如图9和10所示，通过复合透镜形成的图像可能畸变。可以根据设备和应用补偿畸变。预畸变通过显示器31形成的图像的方法可以用作补偿畸变的方法。例如，图13A示出预畸变图像151，图13B示出通过眼睛感测到的图像152。为了补偿图9和10所示的畸变，可以通过在相反方向预生成畸变来抵消畸变，如图13A所示。图13B示出畸变补偿图像152。
图14A示出通过相关技术的单透镜形成的图像161。图14B示出根据示例实施例的通过复合透镜形成的图像162。两幅图像的大小相同，即相同的FOV。图像161相对于中心图像区域102和外围图像区域103具有几乎相同的分辨率。图像162在中心图像区域102中具有比在外围图像区域103中更高的分辨率。在图14B中，外围图像区域的分辨率在视觉上不清晰；然而，根据示例实施例的通过复合透镜形成的图像162比通过单透镜形成的图像161更清晰。
根据示例实施例的复合透镜不具有纱门效应。当在虚拟现实图像中查看分隔像素的细线时，纱门效应可能是视觉伪像。在图14A中，图像区域163是通过单个透镜形成的中心图像区域102的放大部分。可以在图像区域163中看到像素之间的间隙。在图14B中，图像区域164是通过复合透镜形成的中心图像区域102的放大部分。尽管单透镜和复合透镜中的显示像素密度相同，但因为在复合透镜中通过眼睛感测到的像素密度增加，则不会出现纱门效应。
图15示出预畸变算法的示例。在预畸变算法中，可以考虑复合透镜的畸变以及复合透镜的像差(即，实际光线与理想光线之间的差异)。可以变换原始图像以抵消透镜畸变和像差的影响。
参考图15，预畸变算法包括输入原始图像的操作(操作1)、生成变换图像的操作(操作2和3)以及输出变换图像的操作(操作4)(参见图15)。操作1包括当x_o和y_o是原始图像的坐标时，输入作为原始图像的矩阵的矩阵I_o(x_o；y_o)。操作4包括当x和y是变换图像的坐标时，输出作为变换图像的矩阵的矩阵I_t(x；y)。
显示图像的坐标循环设置坐标(x；y)。原始图像的坐标(x_o；y_o)设置对应于高度h2的理想光束(参见图16)。然而，对应于理想光束的输出的实际光束可以从对应于高度h1的显示图像的另一点生成。因此，为了在对应于高度h2的点(x；y)在屏幕上形成变换图像，可能需要从原始图像中选择对应于高度h1的位置的点。
理想光束和实际光束的参数比(视角FOV)、h(显示器上的光束高度)、(离光束高度的理想光束角度的函数)以及(在显示器上离所述角度的实际光束高度的函数)是众所周知的函数(参见图17)。
为了找到矩阵I_t(x；y)，可能需要确定I_o(x_o；y_o)(其中x_o和y_o是x，y的函数)。也就是说，可能需要确定I_o(x_o(x；y)；y_o(x；y))。
该算法的主循环是图像显示坐标(x,y)的循环。当新图像的中心的坐标(x,y)已知时，可以计算半径R。
图18示出原始图像和变换图像之间的比较。参考图18，相对于像素的角度方向如下。
α＝arctg(y/x) (16)
然后，可以得到以下内容。
h2(x；y)＝R(x；y) (17)
当前的理想光束角度如下。
当已知角度时，高度可以如下确定。
原始图像的半径可以如下定义。
R_o＝h1 (21)
当已知角度α时，可以确定原始图像的坐标(x_o；y_o)。因此，可以得到原始图像以及变换图像的对应像素。类似地，可以确定所有三种颜色的比率并且可以形成具有像差校正的图像。I_t(x,y)可以基于线性、三次插值或其他操作生成(参见图19)。参考图19，图示出原始图像和变换图像。通过复合透镜可以预生成与变换图像相对于原始图像相反方向的畸变。然后，可以最终得到畸变补偿变换图像。
在一些实施例中，复合透镜可以包括具有不同焦距(对应于图像区域中的像素密度或不同颜色)的两个以上的透镜部分。当需要从中心图像区域到外围图像区域的分辨率平稳降低时，应该增加透镜部分的数目。例如，图20示出具有提供不同分辨率的三个环形透镜部分171、172以及173的多个复合透镜的前视图。为了连续改变分辨率，透镜部分的数目应该是无限的。在图20中，透镜部分可以同心布置。为了具有不对称的分辨率，透镜部分可以以不同的方式布置。例如，中心透镜部分102可以被布置在复合透镜66的下部，如图21所示。
为了实现等式(13)和(14)，复合透镜的透镜表面61和62(参见图4)可以具有不同的形状和结构。中心透镜部分与外围透镜部分中的至少一个中的一个或两个中的每一个可以具有球面或非球面。最常用的表面是通过以下等式描述的旋转对称多项式非球面。
这里，c表示曲率(半径的倒数)，r表示半径，k表示圆锥常数，α1-αn-1表示非球面系数，并且n表示项的阶数。
当k＝0，α1＝α2＝...＝αn-1＝0时，等式(15)表示球形表面。
在一般情况下，例如为了更好的像差校正，透镜表面61和62可以具有通过对应于点坐标的阵列的等式描述的自由形式。
等式(10)可以通过应用具有折射率梯度以及其他表面形式的介质实现。
n＝n0+n1rr+n2rr2+...+nurru+n1zz+n2zz2+...+nvzrv (23)
这里，n0是基本折射率，r是半径，z是轴向坐标，n1r-nur是径向项，n1z-nvz是轴向项，并且u和v是径向项和轴向项的对应数目。
满足等式(10)的另一种方法是使用衍射光学元件代替折射表面。图22示出包括两个透镜部分(包括第一和第二环形衍射元件191和192)的复合透镜66的操作原理。元件191的焦距可以大于元件192的焦距。第一和第二环形衍射元件191和192可以代表菲涅耳透镜。第一和第二环形衍射元件191和192的结构可以通过两个电磁波(两个分量光束)的干涉获得。它们可能是全息元件。在这种情况下，第一和第二环形衍射元件191和192可以根据以下等式使光线偏转。
这里，n是垂直于光线交点193处的衍射元件的全息表面的单位矢量，r0是根据第一结构光束的单位矢量，rr是根据第二结构光束的单位矢量，以及rr′是根据入射光束的单位矢量，r0′是根据折射光线的单位矢量，λc是结构波长，λp是通过显示器31照射的波长，以及m是衍射级。
图23示出根据示例实施例的复合透镜应用于显示设备(例如，虚拟现实设备)201的示例。为了提供双眼视差，可以提供两个复合透镜66。显示器31可以被共用于两个复合透镜66中的每一个，或者每个透镜可以具有显示器31。可以使用智能电话或另一移动设备的显示器来代替内置显示器31。显示器31和复合透镜66可以安装在框架202中。框架202可以具有用于将显示设备201固定到用户头部的固定构件203。固定构件203可以被实现为耳机。可以提供能够垂直于光轴63的方向地移动复合透镜的第一调节器204，将显示装置201调节到用户双眼之间的距离。一些用户可能有眼睛折射问题(折射错误)，例如近视和远视。为了补偿这样的眼睛折射误差，显示设备201可以具有用于使复合透镜66沿着光轴63移动的附加调节器。可以通过第二调节器206来实现相同的功能以允许用户移动显示器31。
显示设备201还可以包括集成处理器207、无线电接口208、光学接口209以及音频接口210。集成处理器207可以处理交互式内容用于显示给用户。无线电接口208可以通过无线电波发送/接收交互式内容。光学接口209可以捕捉或中继交互式内容。光学接口209可以安装在框架202中并且可以被配置为捕获和中继图像。处理器207可以被配置为经由显示器选择通过光学接口捕获的图像用于向观看者显示。光学接口209可以通过相机、可携式摄像机或投影透镜实现。音频接口210可以通过声波发送/接收交互式内容。音频接口210可以通过麦克风、动态换能器、骨传导换能器等实现。
示例性显示设备可以被制成头盔的形式。显示器可以是移动设备的屏幕。
根据示例实施例，这些应用对于具有复合透镜66的虚拟现实设备201是容易的。当没有内置显示器时，将手机插入耳机可能就足够了。为了补偿诸如近视和远视等眼部缺陷，用户可以启动软件应用程序以沉浸在虚拟现实中。无论是游戏、电影还是训练模拟器，可实现的视角都可以使这种现实成为可能。由于用户可以准确地看到关于现实世界的细节信息，没有纱门效应以及高可实现的分辨率可以实现真实感。当通过具有高分辨率的剧场规模的3D设备预览电影时，用户将完全沉浸在虚拟现实中。
所提出的透镜不仅可以用于虚拟现实设备中，还可以用于通过视角(FOV)重新分配分辨率需要的设备中。例如，图24示出复合透镜66在摄像机的光学系统中的应用。除了复合透镜66之外，光学系统还可以包括一个或多个其他光学元件。在示例中可以使用两个透镜，例如，正透镜211和负透镜212。图24示出外围光线213和主光线214的路径。可以使用图像传感器，例如基于电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的器件代替显示器31。视频相机可以增加中心图像区域中的分辨率。这些设备可被用于安全应用。例如，具有广角的相机可以具有高分辨率以识别目标并且可以具有在低分辨率的视角中的两个图像区域以检测可疑目标。当一个可疑目标处于广角时，将被标记上一个表示可疑目标位置的标记，然后相机围绕目标旋转，并将目标放置在其被识别的高分辨率的中心图像区域中。
让我们考虑具有表1中的参数的用于虚拟现实设备的复合透镜的设计的示例。
[表1]
图25示出根据示例实施例的复合透镜66。复合透镜66的特定尺寸在图25中示出。复合透镜66可以由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。然而，本公开不限于此，并且复合透镜可以包括其他光学系统，例如玻璃以及光学塑料。复合透镜66可以包括例如第一、第二以及第三非球面表面S1、S2以及S3，并且第一、第二以及第三非球面表面S1、S2以及S3可以通过如下的等式通过坐标y1z1和y2z2描述。
第一非球面表面S1可以是复合透镜66的入射表面，并且可以被如下表示。
这里，k表示圆锥常数，并且c表示曲率。
第二非球面表面S2可以是复合透镜66的中心透镜部分的出射表面，并且可以被如下表示。
第三非球面表面S3可以是复合透镜66的外围透镜部分的出射表面，并且可以被如下表示。
表2中示出系数c、k、A、B、C、D、E、F以及G。
[表2]
S1 S2 S3
c 0.04146 -0.00215 -1.35232E-03
k -0.43513 0.02454 0.00175
A -7.97548E-05 -3.34598E-05 -3.05666E-05
B 1.03156E-07 -5.01220E-08 -4.69571E-08
C 5.48528E-10 1.42666E-10 1.14424E-10
D -3.48613E-12 0 0
E 9.46143E-15 0 0
F -1.33E-17 0 0
G 6.85E-21 0 0
图25中示出的复合透镜66可以被布置在用户的每只眼睛的前方。对应于左眼和右眼的两个透镜各自可以应用于具有WGHD分辨率(2560×1440)和5.1"对角线的显示器31。每个透镜可以投影通过显示器31显示的图像的一半。显示器31可以沿着光轴63在距正常位置约20mm的范围内移动，提供约-9屈光度至约6屈光度范围内的眼睛折射误差校正。
图26示出取决于视角(FOV)的角分辨率。图27示出取决于通过以下等式定义的频率(f)的调制传递函数(MTF)。
这里，是角分辨率(参见图26)，并且是人眼的分辨率(参见图1)。
图28示出通过眼睛看到的通过复合透镜形成的畸变网格。为了补偿畸变，可以预畸变显示器上的图像。为了补偿这一点，可以使用上述算法。
在示例实施例中，中心透镜部分和至少一个外围透镜部分中的至少一个可以涂覆有薄膜以改善复合透镜的性能。例如，薄膜可以是用于增加透镜透射率的抗反射膜。
根据示例实施例的复合透镜可以用于图像投影、视频记录以及拍摄。
根据示例实施例的复合透镜可以包括中心透镜部分和至少一个外围透镜部分。中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以具有不同的焦距。也就是说，中心透镜部分的焦距可以大于至少一个外围透镜部分的焦距。中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以被布置成具有重合的焦平面。例如，中心透镜部分和至少一个外围透镜部分可以具有同心焦平面。如上所述，可以通过组合不同类型的透镜执行此布置。根据各种实施例的复合透镜的主要思想是使中心透镜部分具有相对更大的焦距以在屏幕上的中心图像区域中提供更高的图像分辨率(或更高的像素密度)。由于外围透镜部分具有相对更小的焦距，至少一个外围透镜部分可以在屏幕上的外围图像区域中提供更低的图像分辨率(或更低的像素密度)。因此，观看者可以感觉到正在图像中显示的场景中。
根据示例实施例的复合透镜可以包括中心透镜部分和围绕中心透镜部分的多个外围透镜部分。多个外围透镜部分可以具有焦距fi(其中“i”是外围透镜部分的数目并且i＝1、2、3、...n)并且满足f0>f1>f2>f3>...>fn(其中f0是中心透镜部分的第一焦距)，并且中心透镜部分和多个外围透镜部分可以具有重合的焦平面。
根据各种实施例的复合透镜可以被应用于展览、博物馆、电影院、音乐会、体育馆、运动场、运动场馆等。此外，复合透镜可应用于在广告业、汽车、游戏以及虚拟现实中需要提供沉浸式存在模拟的其他地方。
尽管以上已经描述了本公开的示例实施例，但是在不脱离通过所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以在其中进行各种改变和修改。在所附权利要求中，除非另有明确说明，否则对单数形式的元件的引用不排除多个这种元件的存在。

Claims (15)

1.一种复合透镜，包括：
具有第一焦距的中心透镜部分；以及
至少一个具有第二焦距并围绕所述中心透镜部分的外围透镜部分，
其中所述第一焦距大于所述第二焦距。
2.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述中心透镜部分和所述至少一个外围透镜部分具有同心焦平面。
3.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述中心透镜部分和所述至少一个外围透镜部分包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃或光学塑料。
4.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述中心透镜部分具有圆形形状并且所述至少一个外围透镜部分具有环形形状。
5.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述中心透镜部分和所述至少一个外围透镜部分被同心地布置。
6.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述中心透镜部分和所述至少一个外围透镜部分形成菲涅耳透镜。
7.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述中心透镜部分包括凸透镜、凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、正弯月透镜、负弯月透镜以及具有两个随机弯曲表面的透镜中的任一个。
8.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述至少一个外围透镜部分包括双凸透镜、双凹透镜以及具有两个随机弯曲表面的透镜中的任一个。
9.根据权利要求1所述的复合透镜，其中所述中心透镜部分和所述至少一个外围透镜部分包括光学衍射元件或光学全息元件。
10.根据权利要求1所述的复合透镜，其中，所述中心透镜部分和所述至少一个外围透镜部分中的至少一个涂覆有配置为增加透镜透明度的全反射膜。
11.根据权利要求1所述的复合透镜，包括围绕所述中心透镜部分的多个外围透镜部分，
其中所述多个外围透镜部分具有焦距fi，其中“i”是外围透镜部分的数目并且i＝1、2、3、...n并且满足f0>f1>f2>f3>…>fn，其中f0是所述中心透镜部分的第一焦距，并且所述中心透镜部分和所述多个外围透镜部分具有重合的焦平面。
12.一种显示设备，包括：
框架；
安装在所述框架中并被配置为选择要向观看者显示的图像的处理器；
附接到所述框架并被配置为显示通过所述处理器选择的图像的显示器；以及
两个复合透镜，
其中所述两个复合透镜中的每一个包括具有第一焦距的中心透镜部分以及至少一个具有第二焦距并围绕所述中心透镜部分的外围透镜部分，并且所述第一焦距大于所述第二焦距。
13.根据权利要求12所述的显示设备，其中所述中心透镜部分和所述至少一个外围透镜部分具有同心焦平面。
14.根据权利要求12所述的显示设备，还包括第一调节器，所述第一调节器被配置为通过垂直于所述复合透镜的光轴地移动所述复合透镜为观看者调节双眼间的距离。
15.根据权利要求12所述的显示设备，还包括第二调节器，所述第二调节器被配置为通过沿所述复合透镜的光轴移动所述复合透镜来改变所述显示器与所述复合透镜之间的距离以补偿观看者的眼睛的折射误差。
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