CN106371214A - 用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构。包括左右两组结构完全相同对称布置的光学***，每组包括沿人眼视线方向共轴心并依次布置的双凸光学镜片、内凹光学镜片和显示屏，内凹光学镜片的两侧的光学面型分别为平面和凹面，显示屏表面与内凹光学镜片的平面相贴或仅保持微小距离平行放置，内凹光学镜片的凹面朝向双凸光学镜片，显示屏发出的光线依次经过内凹光学镜片与双凸光学透镜折射后进入人眼；左右两组光学***可互相靠近或分离，以适应不同瞳距的人眼，且显示屏可前后移动，以适应不同视力的人眼。本发明能够降低光学***的畸变与色散，降低图像处理的压力，提高图像的质量，以及用户的沉浸感。

Description

用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构

技术领域

本发明涉及一种虚拟现实头盔中的光学结构，尤其涉及了一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构。

背景技术

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)技术是20世纪80年代提出的一种利用计算机生成的、可交互的、具有沉浸感的视觉虚拟环境，可以按照需要生成多种虚拟环境，广泛应用于城市规划，驾驶培训，室内设计等领域。近年来随着计算机计算能力与各类型传感器的发展，各类型的虚拟现实头盔已出现于市场上，其基本由显示屏或手机以及一对目镜组成，人眼通过目镜可以看到屏幕上放大的图像，传感器感应人头部的变化调整左右屏幕中的图像，使得人眼能看到立体的，具有交互性的视觉图像。

目前市场上虚拟现实头盔的光学结构基本都是人眼，镜片和屏幕三者法线共线，镜片一般都是单镜片式的，图像边缘往往不够清晰，并且随着视角的增大，边缘的畸变和色散会越来越大，目前绝大多数采用计算机反色散和反畸变补偿的方法来降低这两种像差的影响，但这会造成计算机显卡性能要求的提升，且边缘模糊程度改善不高，因此最佳的方法是在镜片层面就尽可能消除。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构，采用紧贴屏幕的镜片，来降低整体光学***畸变和色散，用于虚拟现实场景的呈现，形成能校正畸变和补偿色散的目视光学***。

本发明采用的技术方案如下：

所述光学结构包括左右两组结构完全相同对称布置的光学***，每组光学***包括镜筒以及安装在镜筒内的沿人眼视线方向共轴心并依次布置的双凸光学镜片、内凹光学镜片和显示屏，双凸光学镜片位于人眼前方，内凹光学镜片置于双凸光学镜片前方，内凹光学镜片的两端光学面分别为一平面和一凹面，显示屏发光表面与内凹光学镜片的平面相贴，内凹光学镜片的凹面朝向双凸光学镜片，显示屏发出的光线依次经过内凹光学镜片与双凸光学透镜折射后进入人眼。

所述的显示屏表面与内凹光学镜片的平面之间的间隙为0-5mm，使得内凹光学镜片平面紧贴在显示屏表面，并且内凹光学镜片的平面完全覆盖显示屏的屏幕可视区域。

所述两组光学***沿垂直于人眼视线方向平行布置，并固定在各自的瞳距调节支架上，两个瞳距调节支架连接在左右屏连接导轨中沿导轨方向水平移动以调节两组光学***之间的间距，左右屏连接导轨垂直于人眼视线方向。

所述双凸光学透镜通过屈光度调节滑块连接到镜筒内壁的导轨上，使得屈光度调节滑块双凸光学透镜沿着人眼视线方向移动，导轨沿人眼视线方向，屈光度调节滑块在导轨上滑动也是沿人眼视线方向。

由此左右两组光学***靠近或分离以适应不同瞳距的人眼，同时显示屏可前后移动，用以适应不同视力的人眼。

所述双凸光学镜片具有正的光焦度，焦距为30mm～60mm，两表面均为外凸的非球面，外轮廓为矩形或圆形，口径为35mm～55mm，中心厚度为8mm～15mm，材料为塑料或玻璃，折射率为1.4～1.7，色散系数为50～60。

所述内凹光学镜片具有负的光焦度，焦距为-50mm～-70mm，凹面为内凹的非球面，外轮廓为矩形或圆形，口径为55mm×55mm～75×75mm，中心厚度为1mm～3mm，材料为塑料或玻璃，折射率为1.6～1.8，色散系数为20～40。

口径指的是镜片外轮廓最大直径，若外轮廓为圆形，则口径为圆形的直径；若外轮廓为矩形，则口径为矩形的对角线长。

所述两组光学***中的双凸光学镜片通过屈光度调节滑块同时或分别沿着人眼视线方向移动。

本发明的有益效果是：

1.本发明光学***使用双镜片实现了畸变的校正与色散的补偿，可以降低对计算机处理能力的压力。

2.本发明光学***可以提高***边缘图像的成像质量，使用户看到的图像更为清晰。

附图说明

图1是本发明头盔的外观示意图。

图2是本发明俯视剖面结构图。

图3是本发明任意一侧光路图。

图4是本发明光学结构的立体侧视图。

图5是本发明在波长为486nm入射光入射时不同视场处的点列图。

图6是本发明在波长为587nm入射光入射时不同视场处的点列图。

图7是本发明在波长为656nm入射光入射时不同视场处的点列图。

图8是本发明实施例的光学畸变图。

图9是本发明实施例的畸变网格图。

表1是本发明在波长为486nm入射光入射时不同视场处的光斑均方根值和光斑位置

表2是本发明在波长为587nm入射光入射时不同视场处的光斑均方根值和光斑位置

表3是本发明在波长为656nm入射光入射时不同视场处的光斑均方根值和光斑位置

图中：显示屏1、内凹光学镜片2、双凸光学镜片3、人眼4、瞳距调节支架5、左右屏连接导轨6、屈光度调节滑块7、镜筒8。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明光学结构包括左右两组结构完全相同对称布置的光学***，每组光学***包括镜筒8以及安装在镜筒8内的沿人眼视线方向共轴心并依次布置的双凸光学镜片3、内凹光学镜片2和显示屏1，双凸光学镜片3位于人眼4前方，内凹光学镜片2置于双凸光学镜片3前方，内凹光学镜片2的两端光学面分别为一平面和一凹面，显示屏1发光表面与内凹光学镜片2的平面相贴，内凹光学镜片2的凹面朝向双凸光学镜片3，显示屏1发出的光线依次经过内凹光学镜片2与双凸光学透镜3折射后进入人眼4。

如图2所示，左右两组光学***的透镜均可沿人眼方向水平布置，每组光学***中，瞳距调节支架5可以在左右屏连接导轨6中沿导轨方向水平移动，左右屏连接导轨6垂直于人眼4的视线方向。双凸光学镜片3安装在屈光度调节滑块7中，屈光度调节滑块7的外侧连接到镜筒8内壁的导轨上，使得屈光度调节滑块7可沿着人眼4的视线方向的导轨前后移动。

两组光学***中的显示屏1与内凹光学镜片2的平面一侧完全平行，可完全贴合或仅有微小的空气间隔，之间间隙仅允许为0-5mm，如图2所示为完全贴合的结构，且内凹光学镜片2可完全覆盖显示屏1的可视区域。

如图3所示，为本发明一侧的光路结构的侧视图，光线从显示器1上发出之后，直接进入内凹光学镜片2的平面一侧，再经内凹光学镜片2的非球面一侧折射后穿出，经过两个镜片之间的空气层后进入内凹光学镜片2，再经过两次折射后穿出镜片，进入人眼4，使用者可看到显示屏1上放大的图像。

内凹光学镜片2的靠近显示屏1的一侧为平面，紧贴显示屏1发光的一侧，也可有0～5mm的空气间隔，但屏幕与内凹光学镜片2必须保持平行；内凹光学镜片2的外轮廓可以是圆形的活矩形的，但都需要可以覆盖显示屏1上的可视区域，尺寸为50mm×50mm至80mm×80mm；内凹光学镜片2的中心厚度为1mm～5mm；焦距为-40mm～-80mm；所用材料为高折射率，高色散的光学塑料或光学玻璃，表面可镀有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜层，其结构可以是单镜片或是胶合透镜，也可以是多镜片组，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼尔面，也可以是几种面型的组合。

双凸光学镜片3的两面均为凸面，轮廓为圆形，也可以是矩形，尺寸为直径30mm～60mm；中心厚度为3mm～15mm；焦距为30mm～60mm；所用材料可采用低色散的光学塑料或光学玻璃。两表面可镀有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜层，其结构可以是单镜片或是胶合透镜，也可以是多镜片组，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼尔组合，也可以是几种面型的组合。

内凹光学镜片2与双凸光学镜片3同轴排列，相距一定的距离，内凹光学镜片2可沿着光轴前后移动，调整的距离在0mm～20mm之间，用以调整光学***的屈光度，使近视或远视的使用者也能看到显示屏上清晰的图像；两者组合焦距为30mm～60mm，人眼在靠近双凸光学镜片3的一侧可以看到显示屏1上放大的图像，可视角度为80°～120°。左右两组相同的光学***可以靠近或远离，调节范围为0mm～15mm，用以调节不同人之间的瞳距差异，使不同的瞳距的人都可以舒适的使用本虚拟现实头盔。

显示屏1采用高分辨率的LCD或OLED平面显示屏，优选的采用分辨率高于FHD的低响应时间OLED平面显示屏。

本发明的实施例及其具体实施工作过程如下：

如图4所示，内凹光学镜片2采用一面为平面一面为非球面，是具有负光焦度的连续曲面，材料为光学塑料PC，表面镀有增透膜，平面一侧俞显示屏1紧贴，刚好覆盖所属一侧的显示屏1，轮廓为矩形。双凸光学镜片3的两面均为非球面，是具有正光焦度的连续曲面，材料为光学塑料PMMA，两侧均镀有增透膜，轮廓为圆形。

内凹光学镜片2与双凸光学镜片3组成的光学***具有正的光焦度，焦距为25mm～60mm，相对孔径即光圈为f/2～f/5.6，单眼对角线视场角为80°～120°，可覆盖2.5寸～4寸的显示屏1。

非球面的计算公式如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_{1}r+A_2{r}^2+A_3{r}^3+A_4{r}^4+A_5{r}^5+...A_n{r}^n$

其中，z为矢高，r为非球面顶点到非球面上任意一点的距离，c为曲率，k为锥面系数，A₁～A₅…A_N分别为第一、第二、第三、第四、第五、…、第N非球面系数，N为正整数，A₁到A_N项数任意，取值任意。

具体的实施例中，两镜片均为整体的单镜片结构，其中：

内凹光学镜片2尺寸为72mm×72mm，中心厚度为2mm，焦距为-58.8mm，材料为PC，其非球面系数为：c＝-0.028825，k＝-3.402，A₄＝1.756569E-006，A₆＝5.80938E-010，A₈＝2.74757E-013，其余系数为0。

双凸光学镜片3口径为40mm，中心厚度为10.8mm，焦距为27.2mm，材料为PMMA。靠近人眼的非球面系数为：c＝-0.03362，k＝0，A₄＝1.1013E-005，A₆＝--2.6276E-08，A₈＝1.83492E-011，其余为0。远离人眼的面非球面系数为：c＝-0.0462，k＝-7.439，A₄＝-6.4105E-005，A₆＝1.6641E-08，A₈＝-1.9376E-010，其余为0。

镜片中心距离人眼4的中心距离为10mm，正常视力人使用时，两镜片之间的中心距为40mm，显示屏为1的尺寸大小为2.9英寸的3：2的1080pOLED显示屏。整个光学***的焦距为21.43mm，相对孔径为f/4.3。

左右两套光学***可以在正常瞳距63mm位置出左右移动距离为5mm，两套光学***可分辨前后移动屏幕，范围为正常距离情况下，靠近移动10mm，可以使400度以内的近视者均可以清楚看到屏幕上的内容。

图5～图7分别为入射光为波长为486nm，587nm，656nm入射时以不同的视场角0°，10°，20°，30°，40°和50°的视场处的点列图，最大光斑直径不超过0.1mm，且在可见光波段范围内可以很好的消除色差。

如图5～图7分别为入射光波长为可见光波段的3个代表波长在屏幕上看到的光斑的形状，三个波长分别为486nm，587nm和656nm。每张图从左往右、从上往下分别为0°，10°，20°，30°，40°和50°这6个代表视角入射的平行光入射到屏幕上形成的光斑形状，表1～表3分别为3个波长6视角的光斑直径的均方根值和光斑中心位置(光斑中心到图像中心的距离)，尺寸越小则表示成像清晰度越高。不同波长相同视角的光斑中心位置差别越小，则表示色差越小。

从图上可以看出，所有视场和波段的最大光斑直径最大值都小于0.1mm，说明在可见光波段任何图像位置都能看到清晰的图像，不同波长相同视角的光斑中心位置差异都在0.1mm左右，说明图像色差很小。

表1

表2

视角(°)	0	10	20	30	40	50
							光斑直径(mm)	17.964	35.058	53.65	68.01	97.514	75.378
光斑中心位置(mm)	0	8.156	17.469	27.045	36.165	44.31

表3

视角(°)	0	10	20	30	40	50
							光斑直径(mm)	2.248	42.19	71.264	78.776	63.792	74.828
光斑中心位置(mm)	0	8.169	17.492	27.078	36.214	44.41

本实施例光学***的光学畸变如图8所示，若曲线弯曲的程度越小，则畸变越小，从图上可以看出，光学畸变整体的最大畸变量控制在10％以内，且在最大视场处可以基本消除畸变。

本实施例光学***的畸变网格如图9所示，网格为无畸变的理想图像，X型的交叉点是网格交叉点在经过光学***后的实际位置，可见是略微突出的，需要一定的补偿。由于畸变量不大，因此每个像素的错位较小，需要差值恢复到无畸变所需的计算量也较小，与一般常见的镜片相比，采用同样的算法可降低20％～40％的计算量。此外，现有技术中由于软件补偿过是基于插值，因此过大的补偿会导致图像的模糊，而本发明的光学***需要的软件补偿量较小，因此图像清晰程度保持的也较好。

由图8和图9可见，整体畸变可以控制在10％以内，且在全视场处基本可以消除畸变，从网格畸变图可以看出，在整个成像区域内图像变形不大，因此可以降低图像质量的损失。

由上述实施例可以说明本发明在所采用技术方案下具有其突出显著的技术效果。

Claims (8)

1.一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构，其特征在于：所述光学结构包括左右两组结构完全相同对称布置的光学***，每组光学***包括镜筒(8)以及安装在镜筒(8)内的沿人眼视线方向共轴心并依次布置的双凸光学镜片(3)、内凹光学镜片(2)和显示屏(1)，双凸光学镜片(3)位于人眼(4)前方，内凹光学镜片(2)置于双凸光学镜片(3)前方，内凹光学镜片(2)两端的光学表面分别为一平面和一凹面，显示屏(1)表面与内凹光学镜片(2)的平面相贴，内凹光学镜片(2)的凹面朝向双凸光学镜片(3)，显示屏(1)发出的光线依次经过内凹光学镜片(2)与双凸光学透镜(3)折射后进入人眼(4)。

2.根据权利要求1所述的一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构，其特征在于：所述的显示屏(1)表面与内凹光学镜片(2)的平面之间的间隙为0-5mm，使得内凹光学镜片(2)平面紧贴在显示屏(1)表面，并且内凹光学镜片(2)的平面完全覆盖显示屏(1)的屏幕可视区域。

3.根据权利要求1所述的一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构，其特征在于：所述两组光学***沿垂直于人眼视线方向平行布置，并固定在各自的瞳距调节支架(5)上，两个瞳距调节支架(5)连接在左右屏连接导轨(6)中沿导轨方向水平移动以调节两组光学***之间的间距。

4.根据权利要求1所述的一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构，其特征在于：所述双凸光学透镜(3)通过屈光度调节滑块(7)连接到镜筒(8)内壁的导轨上，使得屈光度调节滑块(7)双凸光学透镜(3)沿着人眼视线方向移动。

5.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的双镜片头戴显示光学***，其特征在于：所述双凸光学镜片(3)具有正的光焦度，焦距为30mm～60mm，两表面均为非球面，外轮廓为矩形或圆形，口径为35mm～55mm，中心厚度为8mm～15mm，材料为塑料或玻璃，折射率为1.4～1.7，色散系数为50～60。

6.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的双镜片头戴显示光学***，其特征在于：所述内凹光学镜片(2)具有负的光焦度，焦距为-50mm～-70mm，凹面为非球面，外轮廓为矩形或圆形，口径为55mm×55mm～75×75mm，中心厚度为1mm～3mm，材料为塑料或玻璃，折射率为1.6～1.8，色散系数为20～40。

7.根据权利要求1所述的一种用于呈现三维场景的双镜片头戴显示光学***，其特征在于：所述两组光学***中的双凸光学镜片(3)通过屈光度调节滑块(7)同时或分别沿着人眼视线方向移动。

8.根据权利要求5或6任一所述的一种用于呈现三维场景的双镜片头戴显示光学***，其特征在于：所述的非球面采用以下公式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_{1}r+A_2{r}^2+A_3{r}^3+A_4{r}^4+A_5{r}^5+...A_n{r}^n$

其中，z为矢高，r为非球面顶点到非球面上任意一点的距离，c为曲率，k为锥面系数，A₁～A₅···A_N分别为第一、第二、第三、第四、第五、···、第N非球面系数。