CN106291939B - 一种虚拟现实显示器光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种虚拟现实显示器光学系统，包括沿光轴方向依次设置的液晶显示屏、透镜组合以及光阑，所述液晶显示屏发出的光线经过所述透镜组合折射后入射至所述光阑进而进入人眼眼瞳，所述透镜组合包括：凸透镜，与所述光阑相对的凸透镜前表面为菲涅尔面，凸透镜后表面为非球面，所述凸透镜前表面以及所述凸透镜后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有预设角度倾斜；弯月透镜，弯月透镜前表面与所述凸透镜后表面相对，弯月透镜后表面与所述液晶显示屏相对。可以很好地校正并减小光学像差，小光学像差成像质量好，提升成像质量，同时，通过本光学系统含有菲涅尔与非球面的透镜组合形成光路并通过软件的优化设计扩大了视场。

Description

一种虚拟现实显示器光学系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种虚拟现实显示器光学系统。

背景技术

目前，虚拟现实显示器光学系统设计时必须要考虑的关键设计点是大视场、高透过率、高性能。大视场成像有利于虚拟现实头盔佩戴者体验到高沉浸感，并可提供丰富的数据信息量，高透过率有利于提高图像源模块的光能利用率，在同等视觉亮度下，图像源模块输出功率低，配备锂电池后可提供给佩戴者更长的使用时间，高性能体现在光学系统自身的光学性能特征，对于虚拟现实显示器光学系统来说，主要包括畸变易校正性、整机重量体积小巧、高度集成等。

虚拟现实显示器光学系统从光学结构上分主要有两种：同轴式和离轴式。其中，离轴式虚拟现实显示器光学系统多采用折反射式光学结构，由眼瞳前端组合器、中继成像光学系统组成。眼瞳前端组合器采用面型为球面或非球面反射镜，镀制特定膜层实现视觉增强或虚拟增强功能；中继成像光学系统采用透射光学元件的组合，透射元件的倾斜和偏心利于校正像散、畸变，透射楔形元件有利于现正彗差、像散、垂轴色差，中继光学系统中还包括衍射元件，利用其光谱级次衍射分布校正垂轴色差、二级光谱等，扩展图像源视觉色彩信息。同轴虚拟现实显示器光学系统多采用旋转对称透射元件，具有加工相对简单，成像视场大小适中的特点。此外，公差分析时对同轴系统中非球面型系数精度不紧，有利于数控旋转抛磨，镜间隔及楔角公差也较松，适合大批量加工生产。

然而，现有技术中的虚拟现实显示器光学系统具有慧差、像散等垂轴等像差，因此，如何减少虚拟现实显示器光学系统的像差是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种虚拟现实显示器光学系统，能够减少虚拟现实显示器光学系统的像差。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种虚拟现实显示器光学系统，包括沿光轴方向依次设置的液晶显示屏、透镜组合以及光阑，所述液晶显示屏发出的光线经过所述透镜组合折射后入射至所述光阑进而进入人眼眼瞳，所述透镜组合包括：

凸透镜，与所述光阑相对的凸透镜前表面为菲涅尔面，凸透镜后表面为非球面，所述凸透镜前表面以及所述凸透镜后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有预设角度倾斜；

弯月透镜，弯月透镜前表面与所述凸透镜后表面相对，弯月透镜后表面与所述液晶显示屏相对。

优选的，在上述虚拟现实显示器光学系统中，所述弯月透镜的前表面以及后表面均为非球面，所述弯月透镜的前表面以及后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有所述预设角度倾斜。

优选的，在上述虚拟现实显示器光学系统中，所述凸透镜前表面的菲涅尔中心区域刻蚀深度范围为0.001mm～0.0014mm，边缘刻蚀深度范围为0.0014mm～0.0018mm。

优选的，在上述虚拟现实显示器光学系统中，所述凸透镜前表面的菲涅尔面型Z₁为：

所述凸透镜后表面的非球面面型Z₂为：

其中，c为顶点曲率，r为所述凸透镜的前表面或者后表面到光轴投影高度，K为圆锥常数，为旋转对称高次项系数，N为正整数，i为正整数。

优选的，在上述虚拟现实显示器光学系统中，所述凸透镜后表面与所述弯月透镜前表面的距离精度范围为0.01mm-0.02mm，所述弯月透镜后表面与所述液晶显示屏中心的距离范围为0.02mm-0.03mm。

优选的，在上述虚拟现实显示器光学系统中，所述凸透镜前表面与所述光阑的距离范围为12mm-14mm。

优选的，在上述虚拟现实显示器光学系统中，所述凸透镜前表面与所述液晶显示屏的距离小于或等于77mm。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种虚拟现实显示器光学系统，包括沿光轴方向依次设置的液晶显示屏、透镜组合以及光阑，所述液晶显示屏发出的光线经过所述透镜组合折射后入射至所述光阑进而进入人眼眼瞳，所述透镜组合包括：凸透镜，与所述光阑相对的凸透镜前表面为菲涅尔面，凸透镜后表面为非球面，所述凸透镜前表面以及所述凸透镜后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有预设角度倾斜；弯月透镜，弯月透镜前表面与所述凸透镜后表面相对，弯月后表面与所述液晶显示屏相对。

本发明提供的虚拟现实显示器光学系统，透镜组合中凸透镜前表面为菲涅尔面，凸透镜后表面为非球面，此种非球面与菲涅尔面的组合面型结构可以很好地校正并减小光学像差，具体的能够校正影响成像质量的彗差、像散等垂轴像差，小光学像差成像质量好，提升成像质量，低畸变光学成像质量可使佩戴者双目观看图像时体验到高沉浸感与高立体感。

同时，通过本光学系统含有菲涅尔与非球面的透镜组合形成光路并通过软件的优化设计扩大了视场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种虚拟现实显示器光学系统示意图；

图2为本发明另一实施例提供的虚拟现实显示器光学系统中心视场45°×40°范围畸变图；

图3为本发明另一实施例提供的虚拟现实显示器光学系统全视场85°×80°范围畸变图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种虚拟现实显示器光学系统示意图。

在一种具体实施方式中，提供了一种虚拟现实显示器光学系统，包括沿光轴方向依次设置的液晶显示屏04、透镜组合以及光阑01，所述液晶显示屏04发出的光线经过所述透镜组合折射后入射至所述光阑01进而进入人眼眼瞳，所述透镜组合包括：凸透镜02，与所述光阑01相对的凸透镜前表面为菲涅尔面，凸透镜后表面为非球面，所述凸透镜前表面以及所述凸透镜后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有预设角度倾斜；弯月透镜03，弯月透镜前表面与所述凸透镜后表面相对，弯月透镜后表面与所述液晶显示屏04相对。

其中，凸透镜与弯月透镜同样沿着所述光轴方向依次放置，由于液晶显示屏04的中心轴与眼瞳光轴不共轴，因此，凸透镜非旋转对称，且凸透镜前表面以及所述凸透镜后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有预设角度倾斜，是为了更好的校正二者不共轴造成的像差非对称分布导致的成像质量劣化。

液晶显示屏04作为虚拟现实显示器图像发生源，可支持的最大尺寸为对角线长4.5英寸，液晶显示屏04包括两块LCD屏幕，平行正立的放置于人眼前面，以供两只眼睛分别进行注视，液晶显示屏04形成双通道LCD屏。LCD屏幕可以为像面LCD，像面LCD发出的光的工作波长范围450nm～650nm。

逆光分析时，入瞳直径为10mm，入瞳中心投影到像面LCD下边缘32mm，入瞳中心投影到像面LCD上边缘50mm，使得光学系统视场角为85°×80°。两LCD屏幕中心轴间距大于70mm，保证了双目成像时双通道LCD屏在人眼前可以平行摆放，同时使用主流高清全色4.5英寸LCD屏时，单目像素分辨率达到1800×1700。优选的，透镜组中凸透镜02采用中国玻璃HQK3，弯月透镜03采用中国玻璃HZF6，透镜组中应用到的非球面二次系数精度控制在千分之八，面型PV控制在0.8微米。

其中，如图2和3所示，图2为本发明另一实施例提供的虚拟现实显示器光学系统中心视场45°×40°范围畸变图；图3为本发明另一实施例提供的虚拟现实显示器光学系统全视场85°×80°范围畸变图。在45°×40°成像视场范围内，最大畸变3.12％，平均畸变0.783％；85°×80°成像视场范围内，最大畸变22.69％，平均畸变5.2％。全视场成桶形畸变，水平及俯仰方向畸变对称，因畸变不影响图像清晰度只改变图像形状，通过计算机补偿可以进行良好校正，因此，不再增加光学元件进行残余畸变的校正。

本实施例中，凸透镜02，弯月透镜03表面面型参数、元件材料、各光学元件厚度、各光学表面间距如表1所示。

表1

本发明提供的虚拟现实显示器光学系统，透镜组合中凸透镜前表面为菲涅尔面，凸透镜后表面为非球面，此种非球面与菲涅尔面的组合面型结构可以很好地校正并减小光学像差，具体的能够校正影响成像质量的彗差、像散等垂轴像差，小光学像差成像质量好，提升成像质量，低畸变光学成像质量可使佩戴者双目观看图像时体验到高沉浸感与高立体感。

同时，通过本光学系统含有菲涅尔与非球面的透镜组合形成光路并通过软件的优化设计扩大了视场。

在上述虚拟现实显示器光学系统的基础上，所述弯月透镜03前表面以及所述弯月透镜后表面均为非球面，所述弯月透镜03前表面以及所述弯月透镜03后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有所述预设角度倾斜。

其中，预设角度范围较小，所述弯月透镜03前表面和所述弯月透镜03后表面倾斜角度分别为2°以及1°。

在上述虚拟现实显示器光学系统的基础上，所述凸透镜02前表面的菲涅尔中心区域刻蚀深度范围为0.001mm～0.0014mm，范围为0.0014mm～0.0018mm。

在上述虚拟现实显示器光学系统的基础上，所述凸透镜02前表面的菲涅尔面型Z₁为：

所述凸透镜02后表面的非球面面型Z₂为：

其中，c为顶点曲率，r为所述凸透镜02前表面或者所述凸透镜02后表面到光轴投影高度，K为圆锥常数，为旋转对称高次项系数，N为正整数，i为正整数。

在上述虚拟现实显示器光学系统基础上，所述凸透镜02后表面与所述弯月透镜03前表面的距离范围为0.01mm-0.02mm，所述弯月透镜03后表面与所述液晶显示屏04中心的距离范围在0.02mm-0.03mm。

进一步的，所述凸透镜02前表面与所述光阑01的距离范围为12mm-14mm。距离范围为12mm-14mm使得人眼睫毛并会碰到凸透镜02，不影响佩戴舒适感，同时满足本文成像质量的光学系统设计将十分复杂并且结构大而笨重不利于市场化。

更进一步的，为了使用户能够长时间佩戴该头盔系统，减少佩戴产生的前坠感，在上述虚拟现实显示器光学系统中，所述凸透镜02前表面与所述液晶显示屏04的距离小于或者等于77mm，光学系统重量96.65g。将凸透镜02与液晶显示屏04之间的距离缩小，进而缩小光学系统的体积，降低光学系统质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种虚拟现实显示器光学系统，包括沿光轴方向依次设置的液晶显示屏、透镜组合以及光阑，所述液晶显示屏发出的光线经过所述透镜组合折射后入射至所述光阑进而进入人眼眼瞳，其特征在于，所述透镜组合包括：

凸透镜，与所述光阑相对的凸透镜前表面为菲涅尔面，凸透镜后表面为非球面，所述凸透镜前表面以及所述凸透镜后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有预设角度倾斜；

弯月透镜，弯月透镜前表面与所述凸透镜后表面相对，弯月透镜后表面与所述液晶显示屏相对。

2.如权利要求1所述的虚拟现实显示器光学系统，其特征在于，所述弯月透镜前表面以及所述弯月透镜后表面均为非球面，所述弯月透镜前表面以及所述弯月透镜后表面相对于垂直于眼瞳光轴的俯仰方向均有所述预设角度倾斜。

3.如权利要求2所述的虚拟现实显示器光学系统，其特征在于，所述凸透镜前表面的菲涅尔中心区域刻蚀深度范围为0.001mm～0.0014mm，边缘刻蚀深度范围为0.0014mm～0.0018mm。

4.如权利要求3所述的虚拟现实显示器光学系统，其特征在于，所述凸透镜前表面的菲涅尔面型Z₁为：

所述凸透镜后表面的非球面面型Z₂为：

其中，c为顶点曲率，r为所述凸透镜前表面或者所述凸透镜后表面到光轴投影高度，K为圆锥常数，为旋转对称高次项系数，N为正整数，i为正整数。

5.如权利要求1至4任一项所述的虚拟现实显示器光学系统，其特征在于，所述凸透镜后表面与所述弯月透镜前表面的距离精度范围为0.01mm-0.02mm，所述弯月透镜后表面与所述液晶显示屏中心的距离范围为0.02mm-0.03mm。

6.如权利要求5所述的虚拟现实显示器光学系统，其特征在于，所述凸透镜前表面与所述光阑的距离范围为12mm-14mm。

7.如权利要求6所述的虚拟现实显示器光学系统，其特征在于，所述凸透镜前表面与所述液晶显示屏的距离小于或等于77mm。