CN117031758A - 一种双片折超混合vr镜头 - Google Patents

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郭晓明
王景
谢玉增
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Abstract

本发明公开了一种双片折超混合VR镜头，涉及光学显示技术领域。包括第一超透镜、第二超透镜、传统透镜，像源设置于所述第一超透镜的前面；像源发出的携带信息的光线依次经过第一超透镜和第二超透镜后发生衍射，通过调整第一超透镜和第二超透镜的各项参数，使两个超透镜对光线达到理想的调制效果，光线再继续向前传播经过传统透镜后被调整成成像在特定距离处的实像，在这之前光线会先经过光瞳，此处模拟人眼瞳孔效果，光线进入人眼后会汇聚在视网膜上形成清晰的像。本发明具有体积小、像源大、自由度高的特点。

Description

一种双片折超混合VR镜头
技术领域
本发明属于光学显示技术领域，更具体地说，是涉及一种双片折超混合VR镜头。
背景技术
虚拟现实技术(Virtual Reality：VR)，又称虚拟实境或灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是以计算机技术为主，利用并综合三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、显示技术、伺服技术等多种高科技的最新发展成果，借助计算机等设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的虚拟世界，它可以让用户身临其境地感受到虚拟世界中的场景、声音和互动，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。虚拟现实技术的应用领域非常广泛，包括游戏娱乐、教育培训、医疗保健、建筑设计等。通过虚拟现实技术，可以实现沉浸式的体验和互动，带来前所未有的感官体验和学习效果，目前VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。
申请公布号为CN107065182A的专利中公布了一种虚拟现实光学透镜及虚拟现实设备，该设备中光学透镜的表面形状与人眼形状匹配，用于贴合于人眼角膜，并用于将外部显示屏射入光线中多个像素点的光线进行折射叠加，以在人眼成像位置呈现为虚拟影像，理论上该设备可以减少人眼与光学透镜的距离，同时避免了人眼睫毛或者支架眼镜对光学透镜之间的干涉。其是通过限制距离人眼最近一片透镜的形状与人眼形状相似，达到该目的，但是该方法限制了光学系统中透镜的自由度，将会对实际成像效果造成影响。
申请公布号为CN113433705A的专利中公布了一种VR光学透镜模组，其由像侧至物侧依次排列设置的多组透镜镜片，多组透镜镜片的中心线共线，多组透镜镜片分别为光焦度为正的第一透镜，光焦度为负的第二透镜，光焦度为正的第三透镜，光焦度为正的第四透镜以及光焦度为负的第五透镜，多组透镜镜片均为非球面。通过对光焦度的控制以及对不同折射率、阿贝数的材料的选取应用已达到更好的成像质量。但是该方式光学系统总长过长，且透镜数量很多，将会直接导致模组的成本急剧上升，且体积上也不利于VR应用的推广。
授权公告号为CN218240537U的专利提供了一种两片式光学镜头及包含其的指纹识别装置和电子设备，该设备用于指纹识别，其特征在于，沿物侧至像侧依次包括第一超透镜和第二超透镜，虽然该系统通过对两片超透镜的参数设置实现了，既满足大视场角，又有效减小镜头的系统长度等目的，当该实施例仅为超透镜应用的一个实例，其结果仅能应用在指纹识别等像面要求很小的场景，并不符合VR的大像源，大FOV的要求。
因此，发明一个能实现高自由度的光学系统透镜、小体积、满足大像源的VR光学模组镜头很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双片折超混合VR镜头，体积小、像源大、自由度高。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种双片折超混合VR镜头，按光线传播方向，依次设有第一超透镜、第二超透镜和传统透镜；像源设置于所述第一超透镜的前面，所述第一超透镜的焦距f前＜0，所述传统透镜的焦距f后＞0，且8f前＜/f后/＜9f前；所述像源距传统透镜的间距为fL，传统透镜距第二透镜的间距为fM，两者之间满足fM＞3fL＞0；像源发出的携带信息的光线经过第一超透镜和第二超透镜后发生衍射，通过调整第一超透镜和第二超透镜的各项参数，使两个超透镜对光线达到预设调制效果，光线再继续向前传播经过传统透镜后被调整成成像在特定距离处的实像，在这之前光线会先经过光瞳，此处模拟人眼瞳孔效果，光线进入人眼后会汇聚在视网膜上形成清晰的像。
优选地，所述第一超透镜和第二超透镜的材料为折射率在1.4～2.2之间的光学玻璃，厚度为0.3～2mm。
优选地，所述传统透镜材料为折射率在1.5～2.0之间的光学玻璃，厚度在1.5～15mm之间。
优选地，所述特定距离根据具体的设计来定，通常为1.2m或3m或5m。
优选地，所述第一超透镜和第二超透镜的一侧面均为二元光学面，在光学面上刻上小的凹槽或线以改变通过该光学面的波前的相位从而形成二元光学面；所述二元光学面为自由曲面面型，可用为球面、偶次非球面、XY多项式、切比雪夫多项式表示；第一超透镜和第二超透镜的另一侧表面均为平面。
优选地，所述第一超透镜和所述第二超透镜根据如下附加多项式展开式对光线累加相位差，
其中，Ai是ρ的2i次幂的系数，ρ是归一化的径向孔径坐标；M是衍射阶数；N是多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，项的数目为0或者是任何高于240的整数，或可设为最大为240或者ρ480的任何整数，是相位，i是序号数。
优选地，所述偶次非球面的表达式为：
上式中c＝1/r0，k＝-e2，a2、a4、a6…为多次项系数，r0为曲面近轴部分的曲率半径，c为非球面的基准面，k为圆锥度，Z为非球面在不同球面半径r下的矢高值。
优选地，XY多项式表达式为：
其中c＝1/r0，k＝-e2，r0为曲面近轴部分的曲率半径，c为非球面的基准面，k为圆锥度，m、n为阶数，满足m+n≤10，N为多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，N＝66，Z为非球面在不同半径r下的矢高值，Aj为第j项系数，XY为多项式中x,y的坐标。
优选地，切比雪夫多项式曲面是一个由基本曲率半径和切比雪夫多项式序列描述的自由曲面，
第一类一维切比雪夫多项式如下：
Tn(x)＝cos(ncos-1)x))，n＝0…∞，x∈[-1,1]
作为参考，前十个切比雪夫多项式系数如下：
T0(x)＝1
T1(x)＝x
T2(x)＝2x2-1
T3(x)＝4x3-3x
T4(x)＝8x4-8x2+1
T5(x)＝16x5-20x3+5x
T6(x)＝32x6-48x4+18x2-1
T7(x)＝64x7-112x5+56x3-7x
T8(x)＝128x8-256x6+160x4-32x2-1
T9(x)＝256x9-576x7+432x5-120x3-9x
T10(x)＝512x10-1280x8+1120x6-400x4+50x2-1
通过使用系统的(x，y)基准形式，实现一个二维切比雪夫多项式的过渡：
tij(x,y)＝Ti(x)·Tj(y)，i,j＝0…∞，x∈[-1,1],y∈[-1,1]
在实际设计中，X和Y的最大阶数设置为14，任何函数都可由切比雪夫多项式的有限和来表示：
在单位区间上定义了二维切比雪夫多项式的参数；为了使值的替换对任意区间有效，使用正规化的x/x0和y/y0作为多项式的参数；则切比雪夫多项式曲面z坐标为：
其中C是在表面顶点处的曲率半径x0,y0标准化下的长度，c(i,j)的规范化多项式系数c(i,j)＝cij/x0y0，Z为非球面在不同半径r下的矢高值，M是衍射阶数；N是多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，XY为多项式中x,y的坐标。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明提出了一种双片折超混合VR镜头，通过调整两个超透镜参数以及与传统透镜的配合，实现了在常规VR镜头模式下超过90°的视场(FOV)要求。本镜头能够在虚像距离为1.2米的情况下实现高自由度，使透镜具备更多的可调节性和灵活性。
2、本发明的超透镜通过对镜片的折射率、阿贝数等参数进行精确的选择和组合，以及对曲率进行计算和匹配，能够支持17毫米以上的出瞳距离。此外，在软件矫正的情况下，本镜头的畸变可达到3％以内，提供更准确、清晰的视觉效果。这种设计使得本镜头具备更高的灵活性和适应性。
3、本发明通过采用超透镜与传统透镜的组合，使得镜头的重量、体积、像质、成本等指标均有所提升。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的layout示意图；
图3是本发明的弥散斑尺寸图；
图4是本发明的MTF图；
图5是本发明矫正前的系统畸变图；
图6是本发明矫正后的系统畸变图；
图中：101、像源；102、第一超透镜；103、第二超透镜；104、传统透镜；105、光瞳。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供了一种双片折超混合VR镜头，该光学系统共使用三片透镜，其中两片为超透镜，一片为常规非球面透镜，如图1所示，依次设置像源101，第一超透镜102，第二超透镜103，传统透镜104，光瞳105。像源101为尺寸2.1inch的OLED；第一超透镜102与第二超透镜103均为厚度0.5mm的硅基二元结构透镜，其左表面具有二元微观结构，右表面为平面。该实施例的layout图如图2所示。
该实施例中，以镜片的左表面为S1面，右表面为S2面，该实施例的参数如表1所示：
表1
该实施例中，第一超透镜102、第二超透镜103材料为折射率在1.4～2.2之间的光学玻璃，具体的为1.46；其厚度在0.3～2mm之间，具体的为0.5mm。传统透镜104材料为折射率在1.5～2.0之间的光学玻璃，具体的为1.59，其厚度在1.5～15mm之间，具体的为10mm。
实施例中像源101距传统透镜的间距为fL＝1.94mm，传统透镜104距第二透镜103的间距为＝6.6mm，两者之间满足fM＞3fL＞0。
下表2为第一超透镜102的多项式具体参数，表3为附加多项式具体参数；
表2
表3
下表4为第二超透镜103的多项式具体参数，表5为附加多项式具体参数；
表4
表5
该实施例中3个镜片的焦距分别为：第一超透镜102焦距为f前＝-5.764＜0，传统透镜103焦距为f后＝48.505＞0，满足8f前＜/f后/＜9f前的关系。
像源101发出的携带信息的光线经过第一超透镜102、第二超透镜103发生衍射，通过调整超透镜各项参数，使其对光线达到理想的调制效果，光线再继续向前传播经过传统透镜104后被调整成成像在1.2m处的实像，在这之前光线会先经过光瞳105，此处模拟人眼瞳孔效果，光线进入人眼后会汇聚在视网膜上形成清晰的像。该镜头可以支持90°FOV，且可满足出瞳距离为17mm的使用场景，通过软件矫正后，畸变可以控制在3％以下。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，按光线传播方向，依次设有第一超透镜、第二超透镜和传统透镜；像源设置于所述第一超透镜的前面，所述第一超透镜的焦距f前＜0，所述传统透镜的焦距f后＞0，且8f前＜/f后/＜9f前；所述像源距传统透镜的间距为fL，传统透镜距第二透镜的间距为fM，两者之间满足fM＞3fL＞0；像源发出的携带信息的光线经过第一超透镜和第二超透镜后发生衍射，通过调整第一超透镜和第二超透镜的各项参数，使两个超透镜对光线达到预设调制效果，光线再继续向前传播经过传统透镜后被调整成成像在特定距离处的实像，在这之前光线会先经过光瞳，此处模拟人眼瞳孔效果，光线进入人眼后会汇聚在视网膜上形成清晰的像。
2.根据权利要求1所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，所述第一超透镜和第二超透镜的材料为折射率在1.4～2.2之间的光学玻璃，厚度为0.3～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，所述传统透镜材料为折射率在1.5～2.0之间的光学玻璃，厚度在1.5～15mm之间。
4.根据权利要求1所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，所述特定距离根据具体的设计来定，通常为1.2m或3m或5m。
5.根据权利要求1所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，所述第一超透镜和第二超透镜的一侧面均为二元光学面，在光学面上刻上小的凹槽或线以改变通过该光学面的波前的相位从而形成二元光学面；所述二元光学面为自由曲面面型，可用为球面、偶次非球面、XY多项式、切比雪夫多项式表示；第一超透镜和第二超透镜的另一侧表面均为平面。
6.根据权利要求5所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，所述第一超透镜和所述第二超透镜根据如下附加多项式展开式对光线累加相位差，
其中，Ai是ρ的2i次幂的系数，ρ是归一化的径向孔径坐标；M是衍射阶数；N是多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，项的数目为0或者是任何高于240的整数，或可设为最大为240或者ρ480的任何整数，是相位，i是序号数。
7.根据权利要求5所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，所述偶次非球面的表达式为：
上式中c＝1/r0，k＝-e2，a2、a4、a6…为多次项系数，r0为曲面近轴部分的曲率半径，c为非球面的基准面，k为圆锥度，Z为非球面在不同球面半径r下的矢高值。
8.根据权利要求5所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，XY多项式表达式为：
其中c＝1/r0，k＝-e2，r0为曲面近轴部分的曲率半径，c为非球面的基准面，k为圆锥度，m、n为阶数，满足m+n≤10，N为多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，N＝66，Z为非球面在不同半径r下的矢高值，Aj为第j项系数，XY为多项式中x,y的坐标。
9.根据权利要求5所述的一种双片折超混合VR镜头，其特征在于，切比雪夫多项式曲面是一个由基本曲率半径和切比雪夫多项式序列描述的自由曲面，
第一类一维切比雪夫多项式如下：
Tn(x)＝cos(ncos-1(x))，n＝0…∞，x∈[-1,1]
作为参考，前十个切比雪夫多项式系数如下：
T0(x)＝1
T1(x)＝x
T2(x)＝2x2-1
T3(x)＝4x3-3x
T4(x)＝8x4-8x2+1
T5(x)＝16x5-20x3+5x
T6(x)＝32x6-48x4+18x2-1
T7(x)＝64x7-112x5+56x3-7x
T8(x)＝128x8-256x6+160x4-32x2-1
T9(x)＝256x9-576x7+432x5-120x3-9x
T10(x)＝512x10-1280x8+1120x6-400x4+50x2-1
通过使用系统的(x，y)基准形式，实现一个二维切比雪夫多项式的过渡：
tij(x,y)＝Ti(x)·Tj(y)，i,j＝0…∞，x∈[-1,1],y∈[-1,1]
在实际设计中，X和Y的最大阶数设置为14，任何函数都可由切比雪夫多项式的有限和来表示：
在单位区间上定义了二维切比雪夫多项式的参数；为了使值的替换对任意区间有效，使用正规化的x/x0和y/y0作为多项式的参数；则切比雪夫多项式曲面z坐标为：
其中C是在表面顶点处的曲率半径x0,y0标准化下的长度，c(i,j)的规范化多项式系数c(i,j)＝cij/x0y0，Z为非球面在不同半径r下的矢高值，M是衍射阶数；N是多项式系数的个数，第一个附加数据项，也就是总项数，XY为多项式中x,y的坐标。
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