CN115826251B - 一种vr透镜结构和vr显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VR透镜结构和VR显示系统，涉及虚拟现实设备显示技术领域，针对VR显示系统中体积和视场角无法同时兼顾的问题，本发明提供的VR透镜结构包括自由曲面透镜组、半反半透镜组、反射镜和图像源，半反半透镜组和反射镜构成BB结构，通过自由曲面和BB结构结合的方式不仅解决了BB方案小视场的缺点，还解决了自由曲面不连续带来的局部突变问题，实现了小体积大视场角度的VR透镜结构和VR显示系统。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实设备显示技术领域，尤其涉及一种VR透镜结构和VR显示系统。
背景技术
虚拟显示技术（(Virtual Reality，
VR）是通过计算机或移动终端等设备虚拟出现实世界，通过显示屏和目视系统投射到人眼视网膜。其本质就是呈现一个以使用者视角为主体，可以实时无限制地观察三维空间内的物体，给使用者沉浸感体验。虚拟显示技术已经广泛应用在娱乐，军事训练，医疗培训、产品三维虚拟展示等多个领域。
虚拟现实技术的概念提出以来，基于VR的显示系统取得了很大的进展，目前主要有菲涅尔式VR，Pancake式VR，自由曲面棱镜式VR等。但是菲涅尔式VR体积大，杂散光严重，Pancake式VR成本高，屏幕利用率低，自由曲面棱镜式VR重量大，视场角小，由此可见，体积和视场角的矛盾点仍然无法得到良好的解决。
Birdbath（BB）技术结合了两个主要的光学组件，一个球面镜和一个分束器，Birdbath 将来自OLED的光投射到分束器中，分束器与 OLED 光源平面保持45度角。分束器具有反射（Br）和透射（Bt）特性，允许将光部分反射为Br的百分比，分束器返回的光通过凹面镜重定向到眼睛。BB结构通常相对便宜到非常便宜，同时也相对较小/紧凑，同时具有良好的整体图像质量。BB结构紧凑同时带来的问题视场角度比较小，目前最大的视场角做到52度。所以在VR中使用BB方案沉浸感是比较差的。
发明内容
针对VR显示系统中体积和视场角无法同时兼顾的问题，本发明提供的VR透镜结构包括自由曲面透镜组、半反半透镜组、反射镜和图像源，半反半透镜组和反射镜构成BB结构，通过自由曲面和BB结构结合的方式不仅解决了BB方案小视场的痛点，还解决了自由曲面不连续带来的局部突变问题，构成了小体积大视场角度的VR透镜结构和VR显示系统。
本发明提出一种VR透镜结构，其特征在于包括自由曲面透镜组、半反半透镜组、反射镜和图像源，
所述半反半透镜组、反射镜和图像源呈三角形设置，半反半透镜组与图像源光源平面保持 20-45 度角，所述自由曲面透镜组置于半反半透镜组与人眼之间，距离人眼位置10-20mm，自由曲面透镜组距离半反透镜组小于5mm。贴近半反半透镜组且远离图像源的一侧，使图像源发出的光依次经过半反半透镜组反射、反射镜反射、半反半透镜组透射、自由曲面透镜组透射，进入人眼。
进一步的，所述自由曲面透镜组包括不少于一片自由曲面正光焦度透镜。
进一步的，所述反射镜为凹面反射镜。
进一步的，所述自由曲面透镜组的x、y两个方向屈光度不同，X方向视场角水平为100度、垂直为75度，X方向焦距不大于25mm，Y方向焦距不大于33mm。
进一步的，所述自由曲面透镜组的XY多项式的方程以柱面为基底的自由曲面架构，方程形式如下：
（1）
（2）
（3）
其中：
Cm为Y方向曲率值，
RY为Y方向顶点曲率半径R值，
Cs为Z方向曲率值，
RZ为Z方向顶点曲率半径R值，
X为x坐标值，
Y为y坐标值，
Z为z坐标值，
k为圆锥系数。
进一步的，所述XY多项式的方程的参数为：a=-1.82150335E-04，b=-3.83031727E-03，c=2.15086612E-04，d=3.28539251E-03，e=-4.87466321E-05，f=6.50419541E-05，g=6.94466212E-06，h=-1.93065641E-05，i=-3.73099473E-07，j=-2.92189556E-06，A=1.54933392E-02，B=-3.34756072E-04，C=-4.67049890E-05，D=-2.20193159E-06，E=2.01802645E-07，F=-2.01586991E-10。
进一步的，所述XY多项式的方程的参数为：a=-2.69579305E-04，b=1.50209780E-02，c=4.71687315E-04，d=-9.42760496E-03，e=5.02725878E-05，f=-1.40353019E-02，g=-8.50853652E-05，h=1.07949996E-02，i=-1.37111015E-04，j=7.28161210E-03，A=1.32512404E-02，B=2.20612214E-02，C=1.22440369E-02，D=-1.07974888E-04，E=-9.10758633E-04，F=-1.17852943E-03。
进一步的，所述半反半透镜组和反射镜采用双锥 Zernike面型方程。
一种VR显示系统，其特征在于，包括显示面板和如上任一项所述的VR透镜结构，所述显示面板位于所述VR透镜结构的出光侧。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
其一，通过自由曲面和BB结构结合的方式构成小体积大视场角度的VR显示系统，自由曲面非对称特性可以把原有的1：1尺寸屏幕转化为4：3的视场，增大人眼的水平视场角度，解决了目前VR产品体积和视场角的矛盾点；
其二，本发明通过自由曲面透镜组的XY多项式的方程以柱面为基底的自由曲面架构，不仅解决了BB方案小视场的缺点，还解决了自由曲面不连续带来的局部突变问题；
其三，反射镜和半反半透镜组采用的是双锥 Zernike面型方程，在柱面的基础上叠加Zernike系数，补偿了自由曲面透镜组不同光焦度带来的像散和大视场畸变。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明VR显示系统的示意图；
图2为全视场MTF图；
图3为每个视场对应弥散斑图；
图4为TV畸变图；
图5为场曲和光学畸变图。
附图标记：
1、自由曲面透镜组；2、半反半透镜组；3、反射镜；4、图像源；5、显示面板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。
下面结合附图（表）对本发明的具体实施方式做出说明。
具体实施方式一
针对VR显示中体积和视场角无法同时兼顾的问题，本发明提供的VR透镜结构包括自由曲面透镜组1、半反半透镜组2、反射镜3和图像源4，半反半透镜组2和反射镜3构成BB结构，通过自由曲面和BB结构结合的方式不仅解决了BB方案小视场的痛点，还解决了自由曲面不连续带来的局部突变问题，构成了小体积大视场角度的VR透镜结构。
图1为本发明VR显示系统的示意图。
本发明提出了一种VR透镜结构，其特征在于包括自由曲面透镜组1、半反半透镜组2、反射镜3和图像源4，
所述半反半透镜组2、反射镜3和图像源4呈三角形设置，半反半透镜组2与图像源4光源平面保持 20-45 度角，所述自由曲面透镜组1置于半反半透镜组2与人眼之间，距离人眼位置10-20mm，自由曲面透镜组1距离半反透镜组2小于5mm，贴近半反半透镜组2且远离图像源4的一侧，使图像源4发出的光依次经过半反半透镜组2反射、反射镜3反射、半反半透镜组2透射、自由曲面透镜组1透射，进入人眼。
所述自由曲面透镜组1包括不少于一片自由曲面正光焦度透镜,主要作用是扩大人眼视场角，利用自由曲面非对称特性可以把原有的1：1尺寸屏幕转化为4：3的视场，增大人眼的水平视场角度。
所述反射镜3为凹面反射镜，主要作用是提供X、Y两个方向的屈光度，补偿自由曲面透镜组1引入的不对称像散。
半反半透镜组2的作用是矫正畸变，所述反射镜3和半反半透镜组2构成BB结构。BB结构将来自图像源4的光投射到半反半透镜组2中，半反半透镜组2与图像源4光源平面保持20-45 度角。半反半透镜组2具有反射（Br）和透射（Bt）特性。
在一个具体实施方式中，自由曲面透镜组1为一片自由曲面透镜，透镜特点为x、y两个方向屈光度不同，可以增加X方向视场角度，达到水平100度视场角，垂直视角为75度。X方向焦距不大于25mm，Y方向焦距不大于33mm，目前一般自由曲面都是采用XY多项式的表达式，方程形式如下：
（4）
其中：
x为x坐标值，
y为y坐标值，
z为z坐标值，
c为自由曲面顶点曲率，
r为径向坐标，
k为圆锥系数，
N为高次项数，
A为系数，
E（x，y）为多项式表达式。
方程的意义为在球面的基础上叠加不同口径x,y坐标的矢高。如图2-图5所示，此方程缺点是基于球面的架构来构造自由曲面，如果表面偏离球面过大会导致整个面型不连续，表面的二阶导数会有突变导致视场内某个局部区域畸变和MTF出现突变，给人的观感非常不舒服。
本发明采用一种新型方程重点是解决自由曲面不连续的现状，而且可以实现X，Y方向不同光焦度。方程形式如下：
（1）
（2）
（3）
其中，
Cm为Y方向曲率值，
RY为Y方向顶点曲率半径R值，
Cs为Z方向曲率值，
RZ为Z方向顶点曲率半径R值，
X为x坐标值，
Y为y坐标值，
Z为z坐标值，
k为圆锥系数。
方程以柱面为基底的自由曲面架构，优势在于X，Y两个方向是独立的，这样可以产生X，Y两个不同的光焦度，且面型的二阶导数是连续的，X方向的光焦度是随着Y方向口径变化连续变化的，避免了局部区域畸变和MTF出现突变。不仅解决了BB方案小视场的痛点，还解决了自由曲面不连续带来的局部突变问题。方程系数如下，S1和S2为本发明所选自由曲面方程的两组可用参数。
表1 自由曲面透镜组采用的多项式方程的系数
| 系数 | S1 | S2 |
| 1/Ry | 1.8685979E-02 | 5.5848335E-01 |
| 1/Rx | 1.8424837E-01 | 3.6624076E-03 |
| Ky | 0 | 0 |
| Kx | 0 | 0 |
| A | 1.54933392E-02 | 1.32512404E-02 |
| B | -3.34756072E-04 | 2.20612214E-02 |
| C | -4.67049890E-05 | 1.22440369E-02 |
| D | -2.20193159E-06 | -1.07974888E-04 |
| E | 2.01802645E-07 | -9.10758633E-04 |
| F | -2.01586991E-10 | -1.17852943E-03 |
| a | -1.82150335E-04 | -2.69579305E-04 |
| b | -3.83031727E-03 | 1.50209780E-02 |
| c | 2.15086612E-04 | 4.71687315E-04 |
| d | 3.28539251E-03 | -9.42760496E-03 |
| e | -4.87466321E-05 | 5.02725878E-05 |
| f | 6.50419541E-05 | -1.40353019E-02 |
| g | 6.94466212E-06 | -8.50853652E-05 |
| h | -1.93065641E-05 | 1.07949996E-02 |
| i | -3.73099473E-07 | -1.37111015E-04 |
| j | -2.92189556E-06 | 7.28161210E-03 |
反射镜3和半反半透镜组2采用的是双锥 Zernike面型方程，公式表达式如下：
（5）
其中：
x：为X方向坐标，
y：为Y方向坐标，
cx：为X方向顶点曲率值，
cy：为Y方向顶点曲率值，
N：为Zernike高次项数，
Zi（ρ，φ）：为Zernike方程表达式。
双锥Zernike面型方程主要的优势是在柱面的基础上叠加Zernike系数，补偿透镜组1不同光焦度带来的像散和大视场畸变。Zernike系数与离焦、像散、慧差、畸变是有着对应关系，所有加入Zernike系数对于矫正系统像散和畸变有很大帮助。方程系数如下，S3和S4为本发明所选双锥Zernike面型方程的两组可用参数。
表2 双锥 Zernike面型方程的系数
| 系数 | S3 | S4 |
| Ky | 0 | 0 |
| Kx | 0 | 0 |
| α1 | 5.94770557E-03 | 3.52484545E-02 |
| α2 | -4.42263871E-04 | -5.10570511E-03 |
| α3 | 1.86185689E-04 | 3.05266625E-03 |
| α4 | 3.44025300E-05 | 5.33052717E-04 |
| α5 | 4.92308232E-05 | -1.87153201E-04 |
| α6 | -3.54711618E-04 | -2.62099707E-04 |
| α7-α16 | 0 | 0 |
| β1 | 3.50880261E-05 | -1.86195703E-04 |
| β2 | 4.31211927E-03 | -4.73894130E-04 |
| β3 | -6.70158028E-05 | -2.38666154E-04 |
| β4 | 1.65249182E-02 | 3.58281680E-03 |
| β5 | -8.67771077E-06 | 9.74777453E-05 |
| β6 | -8.61908965E-03 | 8.61819512E-03 |
| β7-β16 | 0 | 0 |
| A1 | -1.78860104E-05 | -1.30048226E-04 |
| A2 | -1.03513297E-02 | 6.08576995E-03 |
| A3 | 3.36751098E-06 | 3.29074726E-05 |
| A4 | 4.57536940E-03 | -5.38574433E-03 |
| A5 | -6.68820313E-04 | -1.66822295E-03 |
| A6 | 2.10920785E-03 | 1.60713486E-03 |
| A7 | 4.19507351E-02 | 8.00009448E-04 |
| A8 | 4.05449652E-01 | 4.51605904E-04 |
| A9 | -4.97727652E-01 | 1.53937925E-03 |
具体实施方式二
本发明还提出了一种VR显示系统，其特征在于，包括显示面板和如具体实施方式一任一项所述的VR透镜结构，所述显示面板位于所述VR透镜结构的出光侧。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种VR透镜结构，其特征在于包括自由曲面透镜组（1）、半反半透镜组（2）、反射镜（3）和图像源（4），
所述半反半透镜组（2）、反射镜（3）和图像源（4）呈三角形设置，半反半透镜组（2）与图像源（4）光源平面保持 20-45 度角，所述自由曲面透镜组（1）置于半反半透镜组（2）与人眼之间，距离人眼位置10-20mm，自由曲面透镜组（1）距离半反透镜组（2）小于5mm，贴近半反半透镜组（2）且远离图像源（4）的一侧，使图像源（4）发出的光依次经过半反半透镜组（2）反射、反射镜（3）反射、半反半透镜组（2）透射、自由曲面透镜组（1）透射，进入人眼；
所述自由曲面透镜组（1）包括不少于一片自由曲面正光焦度透镜；所述自由曲面透镜组（1）的x、y两个方向屈光度不同，X方向视场角水平为100度、垂直为75度，X方向焦距不大于25mm，Y方向焦距不大于33mm。
2.根据权利要求1所述的一种VR透镜结构，其特征在于，所述反射镜（3）为凹面反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种VR透镜结构，其特征在于，所述自由曲面透镜组（1）的XY多项式的方程以柱面为基底的自由曲面架构，方程形式如下：
其中：
Cm为Y方向曲率值，
RY为Y方向顶点曲率半径R值，
Cs为Z方向曲率值，
RZ为Z方向顶点曲率半径R值，
X为x坐标值，
Y为y坐标值，
Z为z坐标值，
k为圆锥系数。
4.根据权利要求3所述的一种VR透镜结构，其特征在于，所述XY多项式的方程的参数为：a=-1.82150335E-04，b=-3.83031727E-03，c=2.15086612E-04，d=3.28539251E-03，e=-4.87466321E-05，f=6.50419541E-05，g=6.94466212E-06，h=-1.93065641E-05，i=-3.73099473E-07，j=-2.92189556E-06，A=1.54933392E-02，B=-3.34756072E-04，C=-4.67049890E-05，D=-2.20193159E-06，E=2.01802645E-07，F=-2.01586991E-10。
5.根据权利要求3所述的一种VR透镜结构，其特征在于，所述XY多项式的方程的参数为：a=-2.69579305E-04，b=1.50209780E-02，c=4.71687315E-04，d=-9.42760496E-03，e=5.02725878E-05，f=-1.40353019E-02，g=-8.50853652E-05，h=1.07949996E-02，i=-1.37111015E-04，j=7.28161210E-03，A=1.32512404E-02，B=2.20612214E-02，C=1.22440369E-02，D=-1.07974888E-04，E=-9.10758633E-04，F=-1.17852943E-03。
6. 根据权利要求1所述的一种VR透镜结构，其特征在于，所述半反半透镜组（2）和反射镜（3）采用双锥 Zernike面型方程。
7.一种VR显示系统，其特征在于，包括显示面板（5）和如权利要求1-6任一项所述的VR透镜结构，所述显示面板位于所述VR透镜结构的出光侧。
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