CN104808342B - 呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构。左眼和右眼的两组镜片结构相同，均包括间隔同轴安装的双凸型正透镜和弯月型负透镜，双凸型正透镜靠近人眼装在固定镜框上，弯月型负透镜安装在移动镜框上，固定镜框内壁设有导轨，移动镜框安装到导轨移动；弯月型负透镜正前方的显示屏通过连接框连接到固定镜框的前部，两组镜片结构之间通过中间隔板间隔开；两个透镜由两种不同材料的光学塑料制成，且前后两侧的光学表面均为非球面。本发明可调整屈光度，可在不佩戴眼镜的情况下看清屏幕上的内容，消除了单镜片的色差与畸变，使输入左右分屏的图像不必经过预处理，提高了图像的帧率，也使得可观看普通的左右分屏立体电影。

Description

呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构

技术领域

本发明涉及一种屈光度可调的光学镜片设计，尤其涉及一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构。

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。

目前市场上应用于虚拟现实头盔的目镜一般是塑料材质的凸透镜，一般焦距在47mm左右，焦距越短，则可视范围越大，且设备越紧凑，给用户带来的沉浸感越好，但由此也会带来边缘图像的模糊与色散程度加重，图像变形严重等问题，因此不能一味的减小焦距。为了解决单镜片带来的畸变和色散的问题，一般的处理方法是将无畸变的图像进行软件预处理，再输入左右屏幕，用以补偿镜片所带来的像差。但这种方法并不能解决边缘图像模糊的问题，且会造成帧率的下降，给用户带来眩晕感。

目前还存在的一个问题是由于近视人群在使用虚拟现实头盔时一般不能佩戴眼镜，一般的解决方法是将显示屏靠近目镜，但这样能调节的近视范围很有限，一般只能调整到400度近视的人群使用，且随着屏幕越靠近目镜，用户可以看到的像素会减少，沉浸感降低。

因此，目镜的结构需要考虑到诸多因素，如近视范围，瞳距范围，瞳孔大小，可接受变形范围，人眼的分辨极限，屏幕的尺寸与分辨率等，现有缺少一种综合考虑权衡好和沉浸感好的目镜镜片。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，用于可穿戴的虚拟现实头盔，可对屈光度进行调整适应不同的使用人群。

本发明为实现上述功能，采用的技术方案是：

本发明左眼和右眼的两组镜片结构相同，均包括间隔同轴安装的双凸型正透镜和弯月型负透镜，双凸型正透镜靠近人眼并安装在固定镜框上，弯月型负透镜安装在移动镜框上，固定镜框内壁设有沿透镜轴向的导轨，移动镜框安装到导轨并沿导轨移动；弯月型负透镜正前方设有显示屏，显示屏通过连接框连接到固定镜框的前部，左眼和右眼的两组镜片结构之间通过中间隔板间隔开；双凸型正透镜和弯月型负透镜分别由两种不同材料的光学塑料制成，并且双凸型正透镜和弯月型负透镜前后两侧的光学表面均为非球面，双凸型正透镜和弯月型负透镜形成透镜成像的最大畸变小于15％，且集中于边缘区域，中间视场畸变小于5％。

所述的双凸型正透镜和弯月型负透镜前后两侧的非球面均采用以下公式计算：

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为非球面的曲率，k为非球面的锥面度，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。

所述的双凸型正透镜前后两侧的光学表面和弯月型负透镜前后两侧的光学表面共四个光学表面均不相同。

所述的双凸型正透镜采用低折射率低色散系数的光学塑料，低折射率为1.48～1.55的折射率，低色散系数为45～65的色散系数。

所述的弯月型负透镜采用高折射率高色散系数的光学塑料，高折射率为1.60～1.70的折射率，高色散系数为18～25的色散系数。

所述的双凸型正透镜有正的光焦度，所述的弯月型负透镜具有负的光焦度，焦距为25mm～42mm，相对孔径(即光圈)为f/3～f/4。

所述的人眼到双凸型正透镜表面中心的最近距离为6mm～15mm，人眼位置到显示屏的距离为40mm～60mm，弯月型负透镜与双凸型正透镜表面中心的最近距离为5mm～15mm。

所述的弯月型负透镜距离双凸型正透镜最远时镜组焦距最长。

本发明将目前已有的单镜片目镜的结构改变为双镜片目镜的结构。因此，镜片可优化的变量从只有两个曲率半径增加为四个曲率半径与一个双镜片间相对距离，为了进一步增加可优化的变量，除了曲率半径以外，每个表面还增加了圆锥系数项与非球面系数项，使得两镜片每个表面均为非球面，可优化的余地大大增加，也正是由于引入了这些自由度，可以使本发明具有比单镜片更好的清晰度，更低的畸变与色散，以及更大范围的屈光度(近视)调整余地。

本发明在设计其目镜结构时，先考虑的是屏幕的尺寸以及像素的大小，目前一般的屏幕在5.5寸～7寸之间，分辨率一般为1080P，因此可计算出单个像素的尺寸，本发明目镜的中心分辨率要求能看清像素，权重最高，边缘分辨率的权重可以适当降低。另一个要考虑的因素是沉浸感，而沉浸感正比于人眼在头部不动，仅转动眼球时的视角，目前较常见的可视范围为90°～110°。为了保证系统的紧凑性，同时也分析了目前已有的各类型虚拟头盔，要求本发明目镜到屏幕的距离不超过57mm。不同的人眼瞳距不同，一般来说要求可以调节的总量在10mm左右，这就要求镜片的最大直径不能超过52mm。

本发明还需要考虑近视人群在不佩戴眼镜时的使用状态，目前绝大多数的近视范围在800度以内，因此本发明采用通过调节两镜片间距的方式来适配不同的人群，考虑到正常视力与低度近视的人数量较多，因此在设计时正常视力到200度近视的设计权重要高于200度近视到800度近视的人群。人眼的瞳孔大小一般为3mm～6mm,但由于在佩戴头盔时瞳孔的中心不一定与目镜中心对齐，因此需要设计的更大，一般在5mm～12mm。在使用头盔时，人眼与镜片之间的距离会因人而异，但为了保证睫毛不碰到镜片，一般要求距离为7mm～18mm。

此外，使用头盔时人眼处于较暗的环境中，因此设计的波长可以取人眼暗视觉敏感波段(470nm～650nm)。本发明还需要考虑色散与畸变的问题，要求在设计波段内尽可能的减小色散，为了达到这个目的，两块镜片选择两种不同性能的光学塑料，由光学设计的常识可知，一般正光焦度的镜片采用低折射率、低色散的材料，负光焦度的镜片采用高折射率、高色散材料，由于光学塑料可以选择的范围很有限，一般采用亚克力塑料(ACRYLIC)与聚碳酸酯(POLYCARB)分别作为双凸型正透镜与弯月型负透镜的材料。

本发明的有益效果是：

本发明由于采用了双镜片设计，可以实现不同视力的人在不佩戴校正眼镜的情况下使用虚拟头盔，看清显示屏上的内容。

本发明双镜片采用不同类型的光学塑料，在设计时消除了单种材料的色散，使得图像边缘不会出现红绿蓝的色边，用户视觉感受更好。

本发明两个镜片的四个表面均为非球面，增加了优化变量，可以增加图像边缘的清晰度，同时降低图像的畸变。

附图说明

图1是本发明头盔的外观示意图。

图2是本发明头盔内部的镜片结构俯视图。

图3是非球面矢高与球面顶点到非球面上任意一点的距离的对应关系。

图4是一侧双镜片在正常视力情况下两镜片侧视剖面图，也包含了光线从显示屏不同位置进入人眼的光路。

图5是一侧双镜片在200度近视情况下两镜片侧视剖面图，也包含了光线从显示屏不同位置进入人眼的光路。

图6是一侧双镜片在400度近视情况下两镜片侧视剖面图，也包含了光线从显示屏不同位置进入人眼的光路。

图7是一侧双镜片在800度近视情况下两镜片侧视剖面图，也包含了光线从显示屏不同位置进入人眼的光路。

图中：1双凸型正透镜、2弯月型负透镜、3显示屏、4人眼位置、5双凸型正透镜镜框，6弯月型负透镜镜框、7连接框、8中间隔板、9导轨。

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2所示，本发明的镜片结构中，左眼和右眼的两组镜片结构相同，均包括间隔同轴安装的双凸型正透镜1和弯月型负透镜2，双凸型正透镜1靠近人眼并安装在固定镜框5上，弯月型负透镜2安装在移动镜框5上，固定镜框5内壁设有沿透镜轴向导轨9，移动镜框5安装到导轨9并沿导轨9移动；靠近人眼的为双凸型正透镜1，弯月型负透镜2正前方设有显示屏3，显示屏3通过连接框7连接到固定镜框5的前部，左眼和右眼的两组镜片结构之间通过中间隔板8间隔开；双凸型正透镜1和弯月型负透镜2分别由两种不同材料的光学塑料制成，并且双凸型正透镜1和弯月型负透镜2前后两侧的光学表面均为非球面，双凸型正透镜1和弯月型负透镜2形成透镜成像的最大畸变小于15％，且集中于边缘区域，中间视场畸变小于5％。

两透镜间的位置关系为同光轴放置，弯月型负透镜的凹面朝向双凸型正透镜；双凸型正透镜在头盔中位置固定，弯月型负透镜可在双凸型正透镜与显示屏之间沿光轴前后移动，实现正常视力、近视或远视等下不同人群的使用。

如图3和图4所示，本发明的双凸型正透镜1和弯月型负透镜2前后两侧的非球面优选可均采用以下公式1计算：

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为非球面的曲率，k为非球面的锥面度，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。图3为以双凸型正透镜1的前表面为例建立的坐标系，表示r和z的对应关系。曲线代表非球面的剖面轮廓线，O点为非球面在光轴上的顶点，由于镜片为轴对称，因此该曲线即可代表非球面表面面型。P为曲线上任意一点，它的坐标为P(r，z)。

双凸型正透镜1前后两侧的光学表面和弯月型负透镜2前后两侧的光学表面共四个光学表面均不相同。

双凸型正透镜1采用低折射率低色散系数的光学塑料，低折射率为1.48～1.55，低色散系数为45～65。弯月型负透镜2采用高折射率高色散的光学塑料，高折射率为1.60～1.70，高色散系数为18～25。

双凸型正透镜1有正的光焦度，弯月型负透镜2具有负的光焦度，焦距为25mm～42mm，相对孔径即光圈为f/3～f/4。显示屏3和两个透镜的位置使得人单眼观察到90°～110°的视场范围，覆盖5.5寸～7寸的显示屏3。

人眼位置4到双凸型正透镜1表面中心的最近距离为6mm～15mm，人眼位置4到显示屏3的距离为40mm～60mm，弯月型负透镜2与双凸型正透镜1表面中心的最近距离为5mm～15mm。

弯月型负透镜2距离双凸型正透镜1最远时镜组焦距最长，约32mm，随着两者的靠近，焦距同比例缩短，最近的焦距约37mm。即当两透镜间距离最远时为正常视力状态，两透镜间距离越近，近视度数越高，典型的调节范围为可适用于正常视力到800度近视的人群。

本发明可用于虚拟现实过山车场景的三维立体展示，可应用于如图1所示的3D沉浸式虚拟现实头盔。

本发明可匹配0-800度的视力范围，用户可方便的针对自己的视力进行调节，并且头盔上的前后调节按钮可以调节眼球到目镜的距离，从而很好的改善了沉浸式系统普遍带来的眩晕感。

如图2是本发明眼镜的内部结构的俯视剖面图。图3是两镜片的外形尺寸示意图。左右镜片的结构完全相同，人的左右眼分别位于图中人眼位置4处。显示屏3位于人眼前方约50mm的位置，为了防止左右图像的干扰，用不透明的塑料中间隔板8将图像左右分屏。对于任意一侧人眼来说，双凸型正透镜1和弯月型负透镜2分别位于人眼和显示屏3之间，且两者同轴。双凸型正透镜1靠近人眼，被夹持于双凸型正透镜镜框5，且相对于人眼的位置保持不变，弯月型负透镜2位于显示屏3和双凸型正透镜1之间，被夹持于弯月型负透镜镜框6中，其在双凸型正透镜镜框5中可沿导轨9做一定量的前后移动。显示屏3和双凸型正透镜镜框5之间用连接框7连接。

本发明的实施例及其原理过程如下：

具体实施中，优选的双凸型正透镜1与弯月型负透镜2可分别采用ACRYLIC与POLYCARB。双凸型正透镜1与弯月型负透镜2的四个光学表面均采用上述公式1，其中各表面的系数分别为：双凸型正透镜1左侧表面c＝0.014，k＝-1.456，A₂＝-1.0548*10^-4，A₄＝-1.97*10^-6，其余系数为0；双凸型正透镜1右侧表面c＝-0.07，k＝-1.1，A₂＝-1.31*10^-3，A₄＝2.35*10^-5，其余系数为0；弯月型负透镜2左侧表面c＝-1.22，k＝-3.69，A₂＝1.31*10^-4，A₄＝1.67*10^-5，其余系数为0；弯月型负透镜2右侧表面c＝-0.0924，k＝-10.46，A₂＝2.6*10^-4，A₄＝1.065*10^-5，其余系数为0。

双凸型正透镜1的直径为40mm，中心厚度为15mm；弯月型负透镜2的直径为50mm，中心厚度为3mm，从人眼位置4到屏幕3的距离为50mm。

如图4所示，当使用者的视力正常时，弯月型负透镜1与双凸型正透镜2之间的距离最远，此时两镜片之间的最小空气间隔距离为10.2mm，此时从显示屏3上任意一点发出的光线都可以经过两个镜片的折射到达人眼位置4，且保持平行射出。

如图5所示，当200度近视的人使用本头盔时，可调节弯月型负透镜2的位置，使其靠近人眼，此时两镜片之间的最小空气间隔距离为8.3mm时，近视者能够看清屏幕上的内容。

如图6所示，当400度近视的人使用本头盔时，可调节弯月型负透镜2的位置，使其进一步靠近人眼，此时两镜片之间的最小空气间隔距离为5.6mm时，近视者能够看清屏幕上的内容。

如图7所示，当800度近视的人使用本头盔时，可调节弯月型负透镜2的位置，使其进一步靠近人眼，此时两镜片之间的最小空气间隔距离为2.0mm时，近视者能够看清屏幕上的内容。

随着近视度数的加深，弯月型负透镜2逐步靠近双凸型正透镜1，两镜片之间的距离与度数之间关系成反比。

由此可见，使用本发明可看到左右分屏形式的显示屏上的图像，通过调节弯月型负透镜的位置，可调整光学系统的屈光度，可在不佩戴眼镜的情况下看清屏幕上的内容；此外，通过镜片曲率的优化设计，消除了单镜片的色差与畸变，使输入左右分屏的图像不必经过预处理，提高了图像的帧率，也使该头盔可观看普通的左右分屏立体电影，具有突出显著的技术效果。

Claims (8)

1.一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：左眼和右眼的两组镜片结构相同，均包括间隔同轴安装的双凸型正透镜(1)和弯月型负透镜(2)，双凸型正透镜(1)靠近人眼并安装在固定镜框上，弯月型负透镜(2)安装在移动镜框上，固定镜框内壁设有沿透镜轴向的导轨(9)，移动镜框安装到导轨(9)并沿导轨(9)移动；弯月型负透镜(2)正前方设有显示屏(3)，显示屏(3)通过连接框(7)连接到固定镜框的前部，左眼和右眼的两组镜片结构之间通过中间隔板(8)间隔开；双凸型正透镜(1)和弯月型负透镜(2)分别由两种不同材料的光学塑料制成，并且双凸型正透镜(1)和弯月型负透镜(2)前后两侧的光学表面均为非球面，双凸型正透镜(1)和弯月型负透镜(2)形成透镜成像的最大畸变小于15％，且集中于边缘区域，中间视场畸变小于5％。

2.根据权利要求1所述的一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：所述的双凸型正透镜(1)和弯月型负透镜(2)前后两侧的非球面均采用以下公式计算：

<mrow> <mi>z</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>cr</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>r</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mn>3</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>3</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mn>4</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>A</mi> <mn>5</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>5</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>...</mn> <msub> <mi>A</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mi>n</mi> </msup> </mrow>

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为非球面的曲率，k为非球面的锥面度，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。

3.根据权利要求1所述的一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：所述的双凸型正透镜(1)前后两侧的光学表面和弯月型负透镜(2)前后两侧的光学表面共四个光学表面均不相同。

4.根据权利要求1所述的一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：所述的双凸型正透镜(1)采用低折射率低色散系数的光学塑料，低折射率为1.48～1.55的折射率，低色散系数为45～65的色散系数。

5.根据权利要求1所述的一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：所述的弯月型负透镜(2)采用高折射率高色散系数的光学塑料，高折射率为1.60～1.70的折射率，高色散系数为18～25的色散系数。

6.根据权利要求1所述的一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：所述的双凸型正透镜(1)具有正的光焦度，所述的弯月型负透镜(2)具有负的光焦度，焦距为25mm～42mm，相对孔径为f/3～f/4。

7.根据权利要求1所述的一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：所述的人眼到双凸型正透镜(1)表面中心的最近距离为6mm～15mm，人眼位置(4)到显示屏(3)的距离为40mm～60mm，弯月型负透镜(2)与双凸型正透镜(1)表面中心的最近距离为5mm～15mm。

8.根据权利要求1所述的一种呈现三维场景的可穿戴虚拟现实头盔的光学镜片结构，其特征在于：所述的弯月型负透镜(2)距离双凸型正透镜(1)最远时镜组焦距最长。