一种虚拟现实目镜设计及制造方法技术

本发明专利技术涉及一种虚拟现实目镜设计及制造方法，包括：根据设计视场角在90°左右符合光学性能要求的具有双凸非球面的目镜；将一个表面改为平面基底菲涅尔面，并对平面基底菲涅尔面的参数和另一个表面参数同时优化，得到具有平面基底菲涅尔面的目镜；将目镜的平面基底改为非球面基底，对非球面基底曲面参数、其上菲涅尔齿参数及另一个表面参数同时进行优化，得到具有非球面基底菲涅尔面的目镜；将设计好的具有非球面基底菲涅尔面的目镜中的非球面基底菲涅尔面所有齿尖连接成为基础曲面，并使用注塑方式批量生产具有基础曲面的目镜；对注塑好的具有基础曲面的目镜中的基础曲面进行单点金刚石切削加工，去掉因连接齿尖的基础曲面填充部分。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于虚拟现实、增强现实、目镜成像等

技术介绍
虚拟现实(VR，VirtualReality)是利用电脑或者手机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境，可以及时地、没有限制地观察三维空间内的事物。VR眼镜是实现虚拟现实技术的关键工具。一款VR眼镜能否让使用者有身临其境的感觉主要取决于VR目镜的设计和制造。目镜焦距越短视觉放大倍率越大，视觉颗粒感越强；焦距越大，放大倍率越小，则沉浸感越差。现有目镜产品主要包含两种形式，一种是双面非球面目镜，另一种是平面基底菲涅尔目镜。随着视场角度的增加，双非球面式目镜中心厚度和边缘厚度相差悬殊，所以加工难度急剧增大，因此，双非球面式目镜视场角一般只能做到90°左右。平面基底菲涅尔目镜的出现解决了中心和边缘厚薄比的问题，视场角度可以做到110°，但是随着视场角的增加，场曲和慧差也会随着增大。中心和边缘的成像不一致性会让使用者感觉到眩晕。因此，设计并制造一款高性能的菲涅尔目镜在VR领域应用中有重要作用。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种新的VR目镜设计和制造方法，使得做出的目镜能够具有大视场角，避免中心和边缘厚薄比问题，并减小大视场角时的场曲和慧差，满足VR领域强烈沉浸感的需要。本专利技术的技术方案如下：一种虚拟现实目镜设计及制造方法，包括下列步骤：1)根据设计要求，设计视场角在90°左右符合光学性能要求的具有双凸非球面的目镜；2)将步骤1)所设计的目镜中一个表面改为平面基底菲涅尔面，以增大系统视场角到符合设计要求，并对平面基底菲涅尔面的参数和另一个表面参数同时优化，得到符合设计要求的具有平面基底菲涅尔面的目镜；3)根据步骤1所设计的具有双凸非球面的目镜的参数，将步骤2)设计的具有平面基底菲涅尔面的目镜的平面基底改为非球面基底，对非球面基底曲面参数、其上菲涅尔齿参数及另一个表面参数同时进行优化，得到符合设计要求的具有非球面基底菲涅尔面的目镜，使得系统场曲和慧差得到减小；4)将设计好的具有非球面基底菲涅尔面的目镜中的非球面基底菲涅尔面所有齿尖连接成为基础曲面，并使用注塑方式批量生产具有基础曲面的目镜；5)对注塑好的具有基础曲面的目镜中的基础曲面进行单点金刚石切削加工，去掉因连接齿尖的基础曲面填充部分，得到最终的非球面基底菲涅尔面，即得到最终具有非球面基底菲涅尔面的目镜。2.根据权利要求1所述的设计及制造方法，其特征在于，菲涅尔齿的齿宽根据成像性能在20μm～60μm范围内优选，可采用等齿宽或等齿高方式。3.根据权利要求1所述的设计及制造方法，其特征在于，为进一步减薄目镜厚度和减小大视场时的场曲和慧差，将另一个表面也改为平面基底菲涅尔面或非球面基底菲涅尔面。本专利技术在VR目镜的非球面基底上加入菲涅尔结构，有效地减薄了VR目镜的中心厚度，而且减小了大视场系统的场曲和慧差，成像质量有了明显提高。使得佩戴者有了更好的沉浸感。同时，提出注塑成型与单点金刚石车削结合的加工方式，即保证了器件低成本、大批量的生产，也保证了高效、高精度菲涅尔结构的加工。附图说明图1非球面基底菲涅尔VR目镜结构图图2(a)和(b)分别为基础曲面和切削后非球面基底菲涅尔面图3双凸非球面VR目镜结构图(方案一)图4双凸非球面VR目镜弥散斑(方案一)图5双凸非球面VR目镜场曲畸变图(方案一)图6平面菲涅尔VR目镜结构图(方案二)图7平面菲涅尔VR目镜弥散斑图(方案二)图8平面菲涅尔VR目镜场曲畸变图(方案二)图9非球面基底菲涅尔VR目镜弥散斑图(方案三)图10非球面基底菲涅尔VR目镜场曲畸变图(方案三)图11双面菲涅尔VR目镜结构图(方案四)图12双面菲涅尔VR目镜弥散斑图(方案四)图13双面菲涅尔VR目镜弥场曲畸变图(方案四)具体实施方式VR目镜的的成像原理是，屏幕上像素点发出的光经过目镜后平行入射人眼，人眼在出瞳位置观察时，相当于屏幕上的图像成像在无穷远位置。左右眼睛观察的图像分别来着两个屏幕，从而产生了3D视觉效果。如果系统的边缘视场场曲和慧差过大，边缘成像和中心成像的清晰度不一致，在使用VR眼镜过程中会导致使用者头晕，从而失去了大视场角的意义。本专利技术提出非球面基底菲涅尔目镜设计方案，可以极大减小大视场角带来的场曲和慧差。本专利技术的具体结构如图1所示，在非球面设计的VR镜片一个非球面面或两个非球面面上叠加菲涅尔齿，即在器件的圆形直径方向分布着一系列锯齿结构，一边为垂直非球面表面的竖直边，另一个为带有一定曲率的曲面边，每个齿之间的间距为齿距。该菲涅尔齿在圆形周向回转形成环形结构。菲涅尔齿有两种分布形式：一种为等齿宽，一般随着曲面边缘到中心菲涅尔齿的齿高会越来越小；另一种为等齿高，这种结构从曲面边缘到中心菲涅尔齿的齿距会逐渐增大。从设计和加工角度考虑，选择等齿宽的菲涅尔齿较为常见。在设计中，以优化设计好的双凸非球面目镜为基础，首先将其中一个表面改为平面基底菲涅尔面，增大系统视场角，然后将菲涅尔平面基底改为非球面基底，最终优化成非球面基底菲涅尔目镜，减小系统场曲和慧差。为进一步减薄目镜厚度和减小大视场时的场曲和慧差，可在将方案进一步扩展，将另一个表面改为平面基底菲涅尔面或非球面基底菲涅尔面。在设计中，菲涅尔齿宽需要特别注意，过小的齿宽会带来视觉上的衍射现象，导致成像模糊，同时为加工带来众多困难；而过大的齿宽则对于成像性能没有太大改进。综合考虑，菲涅尔齿宽可以在20μm～60μm范围内。具体实施中，光学设计部分易由具有一定经验的设计工程师完成。菲涅尔齿加工主要有两种形式：注塑成型和单点金刚石车削。注塑成型可满足大批量生产的需要，对器件可以低成本大批量制造，但受到菲涅尔齿距较小、齿结构具有垂直边截断的结构特点，注塑成型后的结构由于收缩变形，很难保证菲涅尔齿的高精度成型，并且菲涅尔齿宽越小，注塑后的面形缩水率越严重，面形精度也越难保证。针对本专利技术提出的非球面基底菲涅尔曲面，在保证加工效率的情况下，尽量提高加工面形精度，本专利技术提出注塑成型与单点金刚石车削结合的加工方式，即首先注塑成型基础曲面，然后使用单点金刚石车削方式仅加工菲涅尔齿。其中基础曲面为非球面基底菲涅尔面形中菲涅尔齿尖连成的面形，如图2所示。注塑而成的基础曲面即填充满了菲涅尔齿的面形，因此，在单点金刚石车削方式加工时只需去掉填充部分，形成最终需要的非球面基底菲涅尔面。这种加工方式即兼顾了注塑成型的低成本、大批量的生产需要，同时保证了高效、高精度菲涅尔结构的加工。具体实施案例中，拟设计VR目镜的技术指标主要为：屏幕尺寸：5.5英寸、焦距：38mm、视场角：105°、工作距离：15mm、出瞳直径：10mm。双凸非球面结构设计方案(方案一)如图3所示，由于双凸非球面的结构所限，视场角度只能做到90°，如果角度再大，透镜的中心和边缘的厚薄比太大导致注塑加工非常困难。将方案一中一个表面更改成平面基底菲涅尔进行优化，并增大视场角度到105°，得到图6所示的结构图(方案二)。为了减小大视场带来的场曲和慧差，进一步优化菲涅尔基底，最终得到了非球面基底菲涅尔目镜(方案三)，如图1所示。为进一步减小器件中心和边缘的厚薄比，将另一个表面改为平面基底菲涅尔，如图11所示(方案四)。四个方案的弥散斑的成像图分别如图4、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟现实目镜设计及制造方法，包括下列步骤：1)根据设计要求，设计视场角在90°左右符合光学性能要求的具有双凸非球面的目镜；2)将步骤1)所设计的目镜中一个表面改为平面基底菲涅尔面，以增大系统视场角到符合设计要求，并对平面基底菲涅尔面的参数和另一个表面参数同时优化，得到符合设计要求的具有平面基底菲涅尔面的目镜；3)根据步骤1所设计的具有双凸非球面的目镜的参数，将步骤2)设计的具有平面基底菲涅尔面的目镜的平面基底改为非球面基底，对非球面基底曲面参数、其上菲涅尔齿参数及另一个表面参数同时进行优化，得到符合设计要求的具有非球面基底菲涅尔面的目镜，使得系统场曲和慧差得到减小；4)将设计好的具有非球面基底菲涅尔面的目镜中的非球面基底菲涅尔面所有齿尖连接成为基础曲面，并使用注塑方式批量生产具有基础曲面的目镜；5)对注塑好的具有基础曲面的目镜中的基础曲面进行单点金刚石切削加工，去掉因连接齿尖的基础曲面填充部分，得到最终的非球面基底菲涅尔面，即得到最终具有非球面基底菲涅尔面的目镜。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟现实目镜设计及制造方法，包括下列步骤：1)根据设计要求，设计视场角在90°左右符合光学性能要求的具有双凸非球面的目镜；2)将步骤1)所设计的目镜中一个表面改为平面基底菲涅尔面，以增大系统视场角到符合设计要求，并对平面基底菲涅尔面的参数和另一个表面参数同时优化，得到符合设计要求的具有平面基底菲涅尔面的目镜；3)根据步骤1所设计的具有双凸非球面的目镜的参数，将步骤2)设计的具有平面基底菲涅尔面的目镜的平面基底改为非球面基底，对非球面基底曲面参数、其上菲涅尔齿参数及另一个表面参数同时进行优化，得到符合设计要求的具有非球面基底菲涅尔面的目镜，使得系统场曲和慧差得到减小；4)将设...

【专利技术属性】
技术研发人员：张效栋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12