基于塑料光学自由曲面的单透镜虚拟现实光学系统技术方案

本发明专利技术提供一种应用于虚拟现实领域的头盔光学显示系统，该系统采用塑料光学自由曲面单透镜，其中单透镜靠近眼睛光学面为球面，靠近屏幕光学面为XYP光学自由曲面，透镜材料为光学塑料PMMA或E48R，该单透镜用于将屏幕图像以放大虚像方式成像在人眼前方。

【技术实现步骤摘要】
基于塑料光学自由曲面的单透镜虚拟现实光学系统
本专利技术涉及一种虚拟现实
的光学解决方案，特别是一种基于光学自由曲面的单透镜虚拟现实光学系统，可以广泛地应用于虚拟现实系统领域。
技术介绍
虚拟现实(VirtualReality，VR)系统包括头盔光学显示系统、跟踪系统、反馈系统等，该技术通过计算机、光学及电子等技术，将真实世界构建为三维虚拟世界，为使用者提供真实世界的完美再现。虚拟现实在可视化医疗手术、可视化工程处理、军事训练、飞行模拟、单兵作战、三维娱乐和工业培训等方面有广泛的应用前景，涉及到的领域从民用到军用、从娱乐到工业等社会生活的方方面面。VR头盔光学系统较多采用双目立体视觉原理，将有不同视场角场景通过一定方式分别进入到观察者左右眼中。目前VR头盔光学显示器解决方案中，包括轻便型全息光学和波导光学方式、应用于军用领域结实耐用的有多透镜方案，具备像质好，环境适应性强等特点。多透镜方案虽然像质好，但是重量和体积比较大，同时成本难以降低，不利于虚拟现实产品的推广，所以商业应用中多采用单透镜方案。单透镜方案是目前商业应用中多方妥协的结果，同时兼顾像质、体积、重量和成本。单透镜方案中，最常用的是采用光学塑料的球面镜和非球面镜，主要校正场曲和慧差，色差和畸变通过图像处理方式解决。目前比较知名的大公司均采用了单透镜方案，包括HTC、索尼、OculusRift等均采用了单透镜方案；国内大多数面向民用产品的公司也采用此种解决方案。
技术实现思路
针对球面和非球面的光学塑料透镜像差校正自由区少的缺点，采用自由曲面光学面型进行VR光学塑料透镜的设计，在满足小体积轻重量的条件下像质比球面和非球面进一步提高。因为头盔显示系统中人眼作为接受系统，所以在进行自由曲面棱镜设计的时候就必须考虑人眼的生理特性。因为人眼本身的复杂性和个体性决定了其设计难度。目前较为困难的限制条件有：人眼瞳间距的变化、出瞳直径、长出瞳距。不同的种群、不同性别、不同年龄的人具有不同的瞳间距，如何使设计结果满足不同需求，是一个非常具有挑战性的技术难题；尽可能大的出瞳直径可以满足比较复杂环境下的使用要求；大的出瞳距则可以适用于更广泛的人群，特别是对于佩戴矫正视力的眼睛的人群。为满足军事上目视系统的高标准要求，出瞳直径需要达到8mm，出瞳距16～20mm，F/#尽可能小。其中本专利技术中采用的自由曲面描述如下所示。XY多项式光学自由曲面XY多项式光学自由曲面是光学设计中应用比较普遍的面型，其特点是形式灵活，扩展简单，光线求交简单。是一种各方面能力都比较优秀的光学自由曲面面型，经过合理的选择，可以实现为旋转对称或双曲率面型。XY多项式自由曲面面型的表达公式为：全视场像差平衡技术传统光学设计中一般保证光学中心视场像质最好，边缘次之。但是此种标准对于VR头盔光学显示系统不适用。因为在使用过程中，人眼焦点区域随着眼球的转动在改变。如果整个视场内像质不均衡，就会导致用户体验下降，不能实现VR的真实感和沉浸感。鉴于此，基于权重的点列图优化方法，通过光学设计软件宏语言的二次开发，在优化过程中自动调整各个视场权重值使整个视场内的像质平衡，满足人眼全视场内观察要求。实施实例为充分说明本专利特征和权利要求，给出两个实施实例：采用PMMA和E48R的塑料光学自由曲面光学系统。本专利包括此但不限于此实例，特此声明。例1：采用PMMA光学塑料的头盔光学显示系统设计方案采用PMMA光学塑料进行单透镜设计，近眼光学表面采用球面面型，半径为709.9mm；另一面采用XYP自由曲面面型，参数如表1所示。设计参数如下所示：1)瞳孔参数：8mm；2)瞳距：20mm；3)全视场：90°；4)中心边缘比：3∶1；5)光学材料：PMMA.表1采用PMMA光学塑料的头盔光学显示系统面型参数设计值例2：采用E48R光学塑料的头盔光学显示系统设计方案采用E48R光学塑料进行单透镜设计，近眼光学表面采用球面面型，半径为-91.9mm；另一面采用XYP自由曲面面型，参数如表2所示。设计参数如下所示：1)瞳孔参数：7mm；2)瞳距：17mm；3)全视场：100°；4)中心边缘比：4∶1；5)光学材料：E48R。表2采用E48R光学塑料的头盔光学显示系统面型参数设计值附图说明图1采用光学塑料PMMA的XYP自由曲面单透镜光路图；图2采用光学塑料E48R的XYP自由曲面单透镜光路图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟现实用头盔光学显示系统，采用塑料光学自由曲面的单透镜。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟现实用头盔光学显示系统，采用塑料光学自由曲面的单透镜。2.根据权利要求1所述，其特征在于单透镜光学塑料为PMMA或E48R，由注塑加工完成。3.根据权利要求1所述，其特征在于单透镜靠近眼睛表面为球面，靠近屏幕表面为光学自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆丰，马斌，徐雅冬，王东辉，
申请(专利权)人：北京航宇荣康科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11