CN111999896A - 用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统，包括三片式非球面透镜结构，透镜组满足条件：D≥8mm，L≥12mm，FOV＝80°，其中，D为出瞳直径，L为出瞳距离，即系统光阑位至透镜L1的中心距离，FOV为系统对角视场；透镜L1的焦距为f1，透镜L2的焦距为f2，透镜L3的焦距为f3，目视光学系统的总焦距为f，透镜L3至图像源的中心距离为Lz，满足关系式：1.6＜f/f1＜1.75；0.07＜f/f2＜0.08；1.3＜∣f/f3∣＜1.45；1.5＜f/Lz＜2.0；5.5＜f/D＜6.0。该目视光学系统即能够改善系统的成像质量，又可以减少光学元件数量，进一步减轻系统重量，实现系统的小型化、轻量化和大视场角，满足虚拟现实头戴显示器的要求。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体地，涉及一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统。
背景技术
虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是利用计算机模拟生成视觉、听觉、触觉等多感官体验的三维虚拟环境，佩戴者通过相关辅助设备与三维虚拟环境进行交互，产生近似真实环境的感官体验。而头戴显示器(helmet-mounted display，HMD)是VR技术的关键设备，更是其最佳载体，被广泛应用于军事、航天、教育、医学、工业生产、娱乐等领域。
非球面光学元件表面形状具有多样性，比传统球面、平面光学元件具有更大的自由度和灵活性，一方面能够很好的校正像差，改善系统成像质量，另一方面可以减少光学元件数量，进一步减轻系统重量。柔性显示器具有低功耗、体积小、轻便、多样显示等优点，其最大特点在于可以在一定方向上具有一定程度的自由弯曲，结合非球面结构，具有更好的简化系统、校正畸变和场曲的作用。
但是，实际使用过程中头戴显示器存在着重量大、视场角小和成像质量不高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统，该目视光学系统即能够改善系统的成像质量，又可以减少光学元件数量，进一步减轻系统重量，实现系统的小型化、轻量化和大视场角，满足虚拟现实头戴显示器的要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统，包括三片式非球面透镜结构，自人眼侧至图像源侧沿光轴方向依次为光阑位、透镜L1、透镜L2、透镜L3和图像源；其中，
透镜L1为非球面，具有面向人眼的第一表面S1和第二表面S2；
透镜L2为非球面，具有面向图像源的第三表面S3和第四表面S4；
透镜L3为非球面，具有面向人眼的第五表面S5，面向图像源的第六表面S6；并且，透镜L1、透镜L2和透镜L3的6个面S1、S2、S3、S4、S5、S6均为偶次非球面，偶次非球面的表达式为：
式中，z为表面矢高，c为曲面顶点的曲率，r为光线与曲面交点的垂直高度，k为二次曲面系数，α2～α16分别为第一项至第八项的非球面系数；
透镜组满足条件：D≥8mm，L≥12mm，FOV＝80°，其中，D为出瞳直径，L为出瞳距离，即系统光阑位至透镜L1的中心距离，FOV为系统对角视场；
透镜L1的焦距为f1，透镜L2的焦距为f2，透镜L3的焦距为f3，目视光学系统的总焦距为f，透镜L3至图像源的中心距离为Lz，满足关系式：1.6＜f/f1＜1.75；0.07＜f/f2＜0.08；1.3＜∣f/f3∣＜1.45；1.5＜f/Lz＜2.0；5.5＜f/D＜6.0。
优选地，透镜材料均为塑料材料，光学系统的显示像面采用柔性OLED显示屏。
优选地，透镜L1、透镜L2均为正透镜，透镜L3为负透镜。
优选地，透镜L1的折射率范围为1.50＜Nd1＜1.60，阿贝数范围50.0＜Vd1＜60，密度范围1.000＜ρ1＜2.00。
优选地，透镜L2的折射率范围为1.55＜Nd2＜1.65，阿贝数范围20.0＜Vd2＜30，1.000≤ρ2＜2.00。
优选地，透镜L3的折射率范围为1.60＜Nd3＜1.70，阿贝数范围20.0＜Vd3＜30，1.000≤ρ3＜2.00。
优选地，透镜L1的材料为COC塑料材料，其折射率Nd1＝1.533，阿贝数Vd1＝56.227，密度ρ1＝1.020。
优选地，透镜L2的材料为OKP-4塑料材料，其折射率Nd1＝1.607，阿贝数Vd1＝26.645，密度ρ2＝1.000。
优选地，透镜L3的材料为OKPA1塑料材料，其折射率Nd1＝1.649，阿贝数Vd1＝21.459，密度ρ3＝1.000。
优选地，图像源为4.7寸柔性OLED显示屏，分辨率为1920pixel×1080pixel，像素尺寸为53.7μm×53.7μm，显示区域为57.996×103.104mm。
根据上述技术方案，本发明针对传统折射型HMD光学系统不能完全满足大视场、轻重量和高成像质量的要求缺陷，采用柔性OLED显示屏和非球面结构，设计了一种虚拟现实头戴显示器光学系统。目镜由三片非球面透镜构成，沿光轴方向依次为透镜L1、透镜L2、透镜L3，非球面塑料透镜表面形状具有多样性具有更大的自由度和灵活性，一方面能够很好的校正球差、彗差、像散、场曲，改善系统成像质量，另一方面可以减少光学元件数量，进一步减轻系统重量，实现系统的小型化、轻量化和大视场角，满足虚拟现实头戴显示器的要求。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为头戴显示设备的工作原理示意图；
图2为本发明提供的一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的结构示意图；
图3为本发明提供的一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的光学调制传递函数曲线示意图；
图4为本发明提供的一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的场曲曲线示意图；
图5为本发明提供的一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的畸变曲线示意图；
图6为本发明提供的一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的垂轴色差曲线示意图；
图7为本发明提供的一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的点列图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“前、后、中心”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
如图1所示，头戴显示设备的工作原理为人眼通过目视光学系统观看图像源，图像源发出的光线通过目视光学系统，形成正立放大的虚像，再成像于人眼。
参见图2，本发明提供一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统，包括三片式非球面透镜结构，自人眼侧至图像源侧沿光轴方向依次为光阑位、透镜L1、透镜L2、透镜L3和图像源；其中，该目视光学系统采用反向追迹，图像源位于光学系统的像面位置，光阑位于人眼瞳孔处。
进一步的，透镜L1为非球面的正透镜，具有面向人眼的第一表面S1和第二表面S2；
透镜L2为非球面的正透镜，具有面向图像源的第三表面S3和第四表面S4；
透镜L3为非球面的负透镜，具有面向人眼的第五表面S5，面向图像源的第六表面S6；并且，
透镜L1、透镜L2和透镜L3的6个面S1、S2、S3、S4、S5、S6均为偶次非球面，偶次非球面的表达式为：
式中，z为表面矢高，c为曲面顶点的曲率，r为光线与曲面交点的垂直高度，k为二次曲面系数，α2～α16分别为第一项至第八项的非球面系数；
透镜组满足条件：D≥8mm，L≥12mm，FOV＝80°，其中，D为出瞳直径，L为出瞳距离，即系统光阑位至透镜L1的中心距离，FOV为系统对角视场；
透镜L1的焦距为f1，透镜L2的焦距为f2，透镜L3的焦距为f3，目视光学系统的总焦距为f，透镜L3至图像源的中心距离为Lz，满足关系式：1.6＜f/f1＜1.75；0.07＜f/f2＜0.08；1.3＜∣f/f3∣＜1.45；1.5＜f/Lz＜2.0；5.5＜f/D＜6.0。
在本实施方式中，优选透镜材料均为塑料材料，光学系统的显示像面采用柔性OLED显示屏(4.7寸，分辨率为1920pixel×1080pixel，像素尺寸为53.7μm×53.7μm，显示区域为57.996×103.104mm)。这样，一方面改善了光学系统的各像差，提高光学系统的成像质量；另一方面，减轻了光学系统的重量，节约了制造成本。
具体的，透镜L1的折射率范围为1.50＜Nd1＜1.60，阿贝数范围50.0＜Vd1＜60，密度范围1.000＜ρ1＜2.00；进一步的，透镜L1的材料为COC塑料材料，其折射率Nd1＝1.533，阿贝数Vd1＝56.227，密度ρ1＝1.020。
同样的，透镜L2的折射率范围为1.55＜Nd2＜1.65，阿贝数范围20.0＜Vd2＜30，1.000≤ρ2＜2.00；进一步的，透镜L2的材料为OKP-4塑料材料，其折射率Nd1＝1.607，阿贝数Vd1＝26.645，密度ρ2＝1.000。
另外，透镜L3的折射率范围为1.60＜Nd3＜1.70，阿贝数范围20.0＜Vd3＜30，1.000≤ρ3＜2.00；进一步的，透镜L3的材料为OKPA1塑料材料，其折射率Nd1＝1.649，阿贝数Vd1＝21.459，密度ρ3＝1.000。
通过上述技术方案得到的目视光学系统能够达到如下技术指标：具有80°对角视场、8mm出瞳直径、12mm出瞳距里、最大畸变小于10％；并且，目视光学系统总长小于75mm，系统重量小于50g；
进一步的，光学系统全视场角为80°，光学系统最大畸变为5.35％，最大垂轴色差仅为15.5μm，小于一个像素尺寸，最大弥散斑均方根(RMS)半径为50.94μm，最小弥散斑均方根(RMS)半径为25.52μm，奈奎斯特频率(9.31lp/mm)处MTF值大于0.4。相较于常见的单片式和两片式光学系统结构，三片式光学系统结构具有较大视场，较高成像质量；相比于四片以及更复杂的光学结构，三片式光学系统结构结构紧凑，重量更轻，畸变更小。
此外，表1列出了本发明实例的目视光学系统的详细数据，包括各透镜的曲率半径、厚度、折射率、阿贝数等。
表1
本发明实例的目视光学系统的3个透镜的6个面S1、S2、S3、S4、S5、S6均为偶次非球面，其非球面各项系数如表2所示。
表2
| 表面 | 圆锥系数 | Α2 | Α4 | Α6 | Α8 |
| S1 | -24.297 | 0.000 | -6.242E-005 | 2.220E-007 | -5.614E-010 |
| S2 | -0.840 | 0.000 | 2.421E-005 | -1.595E-007 | 2.566E-010 |
| S3 | -14.629 | 0.000 | 1.139E-005 | -8.732E-008 | 1.334E-010 |
| S4 | -11.048 | 0.000 | -1.607E-006 | -1.146E-007 | 1.662E-010 |
| S5 | -73.215 | 0.000 | 2.026E-005 | -5.231E-008 | 7.995E-011 |
| S6 | -2.577 | 0.000 | -7.875E-006 | -3.813E-008 | -3.860E-011 |
图3为本发明实施例提供的虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的光学传递函数曲线示意图，该光学传递函数MTF为9.31lp/mm处的MTF。图中横轴代表空间频率，单位是线对/毫米(lp/mm，linepairs/mm)，纵轴代表MTF值，大小介于0～1之间，光学传递函数MTF可以综合反映系统的成像质量，曲线形状越平滑，MTF值越接近1，说明光学系统的性能越优异。从图中可以看出，9.31lp/mm处的MTF值优于0.4，且传递函数的曲线较为平滑，目视光学系统具有较好的成像质量。
图4为本发明实施例提供的虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的场曲曲线示意图，图中T代表子午场曲，S代表弧矢场曲，光学系统的像散可用子午场曲与弧矢场曲的差值表示，其差值越大则轴外光线的成像质量就越差。从图中可以看出，目视光学系统的场曲和像散均处于极小范围内。
图5为本发明实施例提供的虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的畸变曲线示意图，畸变是指主光线通过光学系统后同高斯像面的交点高度与理想像高之间的差异。畸变仅是像的形变，不影响像的清晰度。从图中可以看出，目视光学系统的最大畸变为5.35％，小于10％。
图6为本发明实施例提供的虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的垂轴色差曲线示意图，其单位为μm，从图中可以看出，目视光学系统的最大垂轴色差仅为15.5μm，小于一个像素尺寸。
图7为本发明实施例提供的虚拟现实头戴显示器的目视光学系统的点列图，其单位为μm，从图中可以看出，目视光学系统的最大弥散斑均方根(RMS)半径为50.94μm，最小弥散斑均方根(RMS)半径为25.52μm。
通过上述技术方案，针对传统折射型HMD光学系统不能完全满足大视场、轻重量和高成像质量的要求缺陷，采用柔性OLED显示屏和非球面结构，设计了一种虚拟现实头戴显示器光学系统。目镜由三片非球面透镜构成，沿光轴方向依次为透镜L1、透镜L2、透镜L3，非球面塑料透镜表面形状具有多样性具有更大的自由度和灵活性，一方面能够很好的校正球差、彗差、像散、场曲，改善系统成像质量，另一方面可以减少光学元件数量，进一步减轻系统重量，实现系统的小型化、轻量化和大视场角，满足虚拟现实头戴显示器的要求。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种用于虚拟现实头戴显示器的目视光学系统，其特征在于，包括三片式非球面透镜结构，自人眼侧至图像源侧沿光轴方向依次为光阑位、透镜L1、透镜L2、透镜L3和图像源；其中，
透镜L1为非球面，具有面向人眼的第一表面S1和第二表面S2；
透镜L2为非球面，具有面向图像源的第三表面S3和第四表面S4；
透镜L3为非球面，具有面向人眼的第五表面S5，面向图像源的第六表面S6；并且，透镜L1、透镜L2和透镜L3的6个面S1、S2、S3、S4、S5、S6均为偶次非球面，偶次非球面的表达式为：
式中，z为表面矢高，c为曲面顶点的曲率，r为光线与曲面交点的垂直高度，k为二次曲面系数，α2～α16分别为第一项至第八项的非球面系数；
透镜组满足条件：D≥8mm，L≥12mm，FOV＝80°，其中，D为出瞳直径，L为出瞳距离，即系统光阑位至透镜L1的中心距离，FOV为系统对角视场；
透镜L1的焦距为f1，透镜L2的焦距为f2，透镜L3的焦距为f3，目视光学系统的总焦距为f，透镜L3至图像源的中心距离为Lz，满足关系式：1.6＜f/f1＜1.75；0.07＜f/f2＜0.08；1.3＜∣f/f3∣＜1.45；1.5＜f/Lz＜2.0；5.5＜f/D＜6.0。
2.根据权利要求1所述的目视光学系统，其特征在于，透镜材料均为塑料材料，光学系统的显示像面采用柔性OLED显示屏。
3.根据权利要求1所述的目视光学系统，其特征在于，透镜L1、透镜L2均为正透镜，透镜L3为负透镜。
4.根据权利要求2所述的目视光学系统，其特征在于，透镜L1的折射率范围为1.50＜Nd1＜1.60，阿贝数范围50.0＜Vd1＜60，密度范围1.000＜ρ1＜2.00。
5.根据权利要求2所述的目视光学系统，其特征在于，透镜L2的折射率范围为1.55＜Nd2＜1.65，阿贝数范围20.0＜Vd2＜30，1.000≤ρ2＜2.00。
6.根据权利要求2所述的目视光学系统，其特征在于，透镜L3的折射率范围为1.60＜Nd3＜1.70，阿贝数范围20.0＜Vd3＜30，1.000≤ρ3＜2.00。
7.根据权利要求4所述的目视光学系统，其特征在于，透镜L1的材料为COC塑料材料，其折射率Nd1＝1.533，阿贝数Vd1＝56.227，密度ρ1＝1.020。
8.根据权利要求5所述的目视光学系统，其特征在于，透镜L2的材料为OKP-4塑料材料，其折射率Nd1＝1.607，阿贝数Vd1＝26.645，密度ρ2＝1.000。
9.根据权利要求6所述的目视光学系统，其特征在于，透镜L3的材料为OKPA1塑料材料，其折射率Nd1＝1.649，阿贝数Vd1＝21.459，密度ρ3＝1.000。
10.根据权利要求2所述的目视光学系统，其特征在于，图像源为4.7寸柔性OLED显示屏，分辨率为1920pixel×1080pixel，像素尺寸为53.7μm×53.7μm，显示区域为57.996×103.104mm。
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