CN106501943B - 一种头戴显示设备的目镜光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种头戴显示设备的目镜光学***，适用于屏幕尺寸为4.5英寸到5.5英寸，分辨率为2k或者4k的显示屏。该目镜***具有很高的图像解析能力，不仅能够充分发挥4K屏的高分辨率和DPI优势，而且视场角高达64°，全画幅清晰且接近无畸变，光线追迹路程小于75mm，极大的减小了整个眼镜的体积和重量。这种头戴显示设备的目镜光学***，其包括：一片双凸非球面正透镜、一片双凹非球面负透镜、镜筒、显示屏；正透镜的材料为光学级PMMA，负透镜的材料为光学级PC，正负透镜分离放置，且负透镜靠近显示屏端。
Description
技术领域
本发明涉及光学设计的技术领域，具体地涉及一种头戴显示设备的目镜光学***。
背景技术
近年来，随着VR、AR头戴显示设备重新回归资本和消费市场，与其相关的硬件、软件开发技术也日趋成熟。光学目镜***作为硬件端最能直观反映设备性能的结构，其技术的先进性直接决定了消费者的体验感受。目前，国际上Oculus、HTC、三星连续推出了多款VR大视场角眼镜，国内的3Glass、暴风、乐相、蚁视紧随其后。但上述提到的所有VR眼镜基本采用了相同的光学目镜方案，即单片非球面或者单片菲涅尔透镜。无论是单片非球面或者更先进的单片菲涅尔透镜都会存在边缘视场模糊、色散/畸变严重、影像过于贴近人眼的问题。虽然VR设备商普遍通过优化硬件底层并结合各种算法对上述问题进行了矫正，但矫正方案不仅增加了硬件底层的设计复杂程度，而且对光学效果的改善有限。
Oculus在今年推出的CV1版眼镜里对光学目镜做出了优化，采用非球面和菲涅尔平面耦合的目镜，很大程度上解决了色散、畸变严重的问题，但其边缘视场模糊、影像过于贴近人眼的问题依旧没有完美解决。另外，暴风推出了一款主打观影体验的眼镜，但其视场角较小，分辨率较低，目镜***光线追迹路程过长，这些都不能促使其实现高清极致的观影效果。
而且随着4K分辨率高清显示屏的推出，对头戴显示设备的目镜***提出了更高的光学分辨率要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种头戴显示设备的目镜光学***，该目镜***适用于屏幕尺寸为4.5英寸到5.5英寸，分辨率为2K或4K的显示屏，其具有很高的图像解析能力，不仅能够充分发挥4K显示屏的高分辨率和DPI优势，而且视场角高达64°，全画幅清晰且接近无畸变，光线追迹路程小于75mm，极大的减小了整个眼镜的体积和重量。
本发明的技术解决方案是：这种头戴显示设备的目镜光学***，其包括：一片双凸非球面正透镜、一片双凹非球面负透镜、镜筒、显示屏；正透镜的材料为光学级PMMA，负透镜的材料为光学级PC，正负透镜分离放置，且负透镜靠近显示屏端。
由于该头戴显示设备的目镜光学***包括：一片双凸非球面正透镜、一片双凹非球面负透镜；正透镜的材料为PMMA，负透镜的材料为PC，正负透镜分离放置、且负透镜靠近显示屏端；正透镜的作用在于会聚成像光束，实现大视场角；负透镜用于缩短光线追迹路程、补偿色散、校正场曲和畸变；非球面用于校正大孔径和大视场角带来的各种像差，实现极高的光学分辨率；因此不仅能够充分发挥4K显示屏的高分辨率和DPI优势，而且视场角高达64°，全画幅清晰且接近无畸变，光线追迹路程小于75mm，极大的减小了整个眼镜的体积和重量。
附图说明
图1是根据本发明的头戴显示设备的目镜光学***(单目)的结构示意图。
图2是根据本发明的头戴显示设备的目镜光学***(单目)的光线追迹示意图；
图3是根据本发明的头戴显示设备的目镜光学***的场曲/畸变示意图。
图4是根据本发明的头戴显示设备的目镜光学***的像差曲线示意图。
图5是根据本发明的头戴显示设备的目镜光学***的色散曲线示意图。
图6是根据本发明的头戴显示设备的目镜光学***的点列图。
具体实施方式
如图1所示，这种头戴显示设备的目镜光学***，从左至右包括：一片双凸非球面正透镜、一片双凹非球面负透镜、镜筒、显示屏；正透镜的材料为光学级PMMA，负透镜的材料为光学级PC，正负透镜分离放置。
由于该头戴显示设备的目镜光学***包括：一片双凸非球面正透镜、一片双凹非球面负透镜、镜筒、显示屏；正透镜的材料为光学级PMMA，负透镜的材料为光学级PC，正负透镜分离放置，且负透镜靠近显示屏端；正透镜的作用在于会聚成像光束，实现大视场角；负透镜用于缩短光线追迹路程、补偿色散、校正场曲和畸变；非球面用于校正大孔径和大视场角带来的各种像差，实现极高的光学分辨率；因此不仅能够充分发挥4K显示屏的高分辨率和DPI优势，而且视场角高达64°，全画幅清晰且接近无畸变，光线追迹路程小于75mm，极大的减小了整个眼镜的体积和重量。
优选地，如表1所示，该头戴显示设备的目镜光学***参数，焦距为60mm，视场角为64°，出瞳直径为8mm，出瞳距离为20mm。
表1
优选地，如表2所示，该头戴显示设备目镜***的结构参数，所述正透镜的第一面曲率为0.016211mm-1，Conic为0.0285，与所述正透镜的第二面的间隔为12.3238mm；所述正透镜的第二面曲率为-0.043304mm-1，Conic为-1.8613，与所述负透镜的第一面的间隔为20.0237mm；所述负透镜的第一面曲率为-0.039718mm-1，Conic为-0.4368，与所述负透镜的第二面的间隔为2.5mm；所述负透镜的第二面曲率为0.012824mm-1，Conic为-0.4775，与所述显示屏的间隔为20.246mm。
表2
注：表2里未给出正透镜和负透镜的非球面系数；
优选地，该头戴显示设备的目镜光学***采用4K 5.5”TFT LCD屏。
以下更加详细地说明本发明。
本发明涉及的目镜镜头光学参数如表1所示：
正透镜承担主要屈光度，计算公式如下(空气中)：
其中，为透镜屈光度，n透镜材料折射率，ρ1，ρ2分别为透镜前后表面的曲率，d为透镜中心厚度；
负透镜的屈光度计算公式和正透镜相同；
分离式两片透镜的总屈光度为：
其中，为两片透镜的总屈光度，分别为第一片透镜、第二片透镜的屈光度，d为透镜之间的间隔；
目镜***的焦距为：
其中，f为目镜***的焦距，为目镜***的总屈光度；
目镜***的视场角为：
其中，2θ为目镜***的视场角，y为目镜***的像面高度，f为目镜***的焦距；
当确定显示屏尺寸后，像面高度y随即确定，通过上述公式计算目镜***的焦距和总屈光度；
对于分离双薄透镜，消色差条件为：
其中，h1，h2为光线入射到镜片表面的高度；v1，v2分别为正透镜和负透镜的阿贝数，分别为正透镜和负透镜的屈光度；
对于目镜***，h1是确定的，h2由下式确定：
目镜***的总屈光度另外一种表达形式为：
对于目镜***，当选定正透镜和负透镜的材料后，其阿贝数v1，v2随即确定；根据目镜***要求的视场角确定总屈光度联立上述三式(5)(6)(7)，即可先后确定和h2；最后，根据公式(1)确定每个镜片的初始结构参数。
将上述初始结构参数输入光学成像仿真软件，并将正透镜和负透镜的表面面型设置为偶次非球面面型，根据像差优化理论进行优化，最终确定目镜***的全部结构参数。
偶次非球面面型公式如下：
其中，z为非球面目标点的矢高，Y为目标点的径向半径，R为基准球面半径，k为非球面二次系数，Ai(i＝2、4、6、…16)为i阶非球面系数；目镜***的相对畸变为：
其中，q为目镜***的相对畸变，Y为实际像高，y为理想像高；
目镜***的光线追迹路程为：
L＝P1-P0 公式(10)
其中，L为目镜***的光线追迹路程，P1为像面位置，P0为入瞳位置；
本发明设计的用于超高分辨率显示的大视场角短程追迹的目镜镜头，视场角达到64°，相当于距离20m远处观看约1000英寸的巨幕，全画幅高清显示，接近零畸变，由于目镜***光线追迹路程约75mm，使得眼镜整体结构紧凑，重心靠近人眼，提高佩戴舒适度和美观度。
存在一下三种技术方案可能实现同样的发明目的：
1)在本发明涉及的目镜结构基础上，修改镜片材料，或者轻微改动镜片的面型参数，或者轻微调整透镜之间的间隔。
2)在本发明涉及的目镜结构基础上，将某一非球面面型修改为菲涅尔面型，并且适当优化其余表面的面型参数和透镜之间的间隔。
3)采用单片自由曲面透镜，或者在本发明涉及的目镜结构基础上，将某一非球面面型修改为自由曲面面型，并且适当优化其余表面的面型参数和透镜之间的间隔。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种头戴显示设备的目镜光学***，其特征在于：其包括：一片双凸非球面正透镜、一片双凹非球面负透镜、镜筒、显示屏；正透镜的材料为光学级PMMA，负透镜的材料为光学级PC，正负透镜分离放置，且负透镜靠近显示屏端；
该头戴显示设备的目镜光学***的焦距为60mm，视场角为64°，出瞳直径为8mm，出瞳距离为20mm；
所述正透镜的第一面曲率为0.016211mm-1，Conic为0.0285，与所述正透镜的第二面的间隔为12.3238mm；所述正透镜的第二面曲率为-0.043304mm-1，Conic为-1.8613，与所述负透镜的第一面的间隔为20.0237mm；所述负透镜的第一面曲率为-0.039718mm-1，Conic为-0.4368，与所述负透镜的第二面的间隔为2.5mm；所述负透镜的第二面曲率为0.012824mm-1，Conic为-0.4775，与所述显示屏的距离为20.246mm。
2.根据权利要求1所述的头戴显示设备的目镜光学***，其所包含的显示屏尺寸为5.5英寸，分辨率为4K，材料为TFT LCD。
3.根据权利要求2所述的头戴显示设备的目镜光学***，其特征在于：该头戴显示设备的目镜光学***适用于尺寸为4.5英寸到5.5英寸，分辨率为2k或4k的显示屏。
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