本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)是大視場、高透過率、高性能。大視場成像有利于虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔佩戴者體驗(yàn)到高沉浸感，并可提供豐富的數(shù)據(jù)信息量，高透過率有利于提高圖像源模塊的光能利用率，在同等視覺亮度下，圖像源模塊輸出功率低，配備鋰電池后可提供給佩戴者更長的使用時(shí)間，高性能體現(xiàn)在光學(xué)系統(tǒng)自身的光學(xué)性能特征，對于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)來說，主要包括畸變易校正性、整機(jī)重量體積小巧、高度集成等。

虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)從光學(xué)結(jié)構(gòu)上分主要有兩種：同軸式和離軸式。其中，離軸式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)多采用折反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，由眼瞳前端組合器、中繼成像光學(xué)系統(tǒng)組成。眼瞳前端組合器采用面型為球面或非球面反射鏡，鍍制特定膜層實(shí)現(xiàn)視覺增強(qiáng)或虛擬增強(qiáng)功能；中繼成像光學(xué)系統(tǒng)采用透射光學(xué)元件的組合，透射元件的傾斜和偏心利于校正像散、畸變，透射楔形元件有利于現(xiàn)正彗差、像散、垂軸色差，中繼光學(xué)系統(tǒng)中還包括衍射元件，利用其光譜級次衍射分布校正垂軸色差、二級光譜等，擴(kuò)展圖像源視覺色彩信息。同軸虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)多采用旋轉(zhuǎn)對稱透射元件，具有加工相對簡單，成像視場大小適中的特點(diǎn)。此外，公差分析時(shí)對同軸系統(tǒng)中非球面型系數(shù)精度不緊，有利于數(shù)控旋轉(zhuǎn)拋磨，鏡間隔及楔角公差也較松，適合大批量加工生產(chǎn)。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)具有慧差、像散等垂軸等像差，因此，如何減少虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)的像差是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)，能夠減少虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)的像差。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸方向依次設(shè)置的液晶顯示屏、透鏡組合以及光闌，所述液晶顯示屏發(fā)出的光線經(jīng)過所述透鏡組合折射后入射至所述光闌進(jìn)而進(jìn)入人眼眼瞳，所述透鏡組合包括：

凸透鏡，與所述光闌相對的凸透鏡前表面為菲涅爾面，凸透鏡后表面為非球面，所述凸透鏡前表面以及所述凸透鏡后表面相對于垂直于眼瞳光軸的俯仰方向均有預(yù)設(shè)角度傾斜；

彎月透鏡，彎月透鏡前表面與所述凸透鏡后表面相對，彎月透鏡后表面與所述液晶顯示屏相對。

優(yōu)選的，在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，所述彎月透鏡的前表面以及后表面均為非球面，所述彎月透鏡的前表面以及后表面相對于垂直于眼瞳光軸的俯仰方向均有所述預(yù)設(shè)角度傾斜。

優(yōu)選的，在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，所述凸透鏡前表面的菲涅爾中心區(qū)域刻蝕深度范圍為0.001mm～0.0014mm，邊緣刻蝕深度范圍為0.0014mm～0.0018mm。

優(yōu)選的，在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，所述凸透鏡前表面的菲涅爾面型Z₁為：

$Z_1=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∂}_i{r}^i$

所述凸透鏡后表面的非球面面型Z₂為：

$Z_2=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∂}_i{r}^{2i}$

其中，c為頂點(diǎn)曲率，r為所述凸透鏡的前表面或者后表面到光軸投影高度，K為圓錐常數(shù)，為旋轉(zhuǎn)對稱高次項(xiàng)系數(shù)，N為正整數(shù)，i為正整數(shù)。

優(yōu)選的，在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，所述凸透鏡后表面與所述彎月透鏡前表面的距離精度范圍為0.01mm-0.02mm，所述彎月透鏡后表面與所述液晶顯示屏中心的距離范圍為0.02mm-0.03mm。

優(yōu)選的，在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，所述凸透鏡前表面與所述光闌的距離范圍為12mm-14mm。

優(yōu)選的，在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，所述凸透鏡前表面與所述液晶顯示屏的距離小于或等于77mm。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所提供的一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸方向依次設(shè)置的液晶顯示屏、透鏡組合以及光闌，所述液晶顯示屏發(fā)出的光線經(jīng)過所述透鏡組合折射后入射至所述光闌進(jìn)而進(jìn)入人眼眼瞳，所述透鏡組合包括：凸透鏡，與所述光闌相對的凸透鏡前表面為菲涅爾面，凸透鏡后表面為非球面，所述凸透鏡前表面以及所述凸透鏡后表面相對于垂直于眼瞳光軸的俯仰方向均有預(yù)設(shè)角度傾斜；彎月透鏡，彎月透鏡前表面與所述凸透鏡后表面相對，彎月后表面與所述液晶顯示屏相對。

本發(fā)明提供的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)，透鏡組合中凸透鏡前表面為菲涅爾面，凸透鏡后表面為非球面，此種非球面與菲涅爾面的組合面型結(jié)構(gòu)可以很好地校正并減小光學(xué)像差，具體的能夠校正影響成像質(zhì)量的彗差、像散等垂軸像差，小光學(xué)像差成像質(zhì)量好，提升成像質(zhì)量，低畸變光學(xué)成像質(zhì)量可使佩戴者雙目觀看圖像時(shí)體驗(yàn)到高沉浸感與高立體感。

同時(shí)，通過本光學(xué)系統(tǒng)含有菲涅爾與非球面的透鏡組合形成光路并通過軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)擴(kuò)大了視場。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中心視場45°×40°范圍畸變圖；

圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)全視場85°×80°范圍畸變圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

在一種具體實(shí)施方式中，提供了一種虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸方向依次設(shè)置的液晶顯示屏04、透鏡組合以及光闌01，所述液晶顯示屏04發(fā)出的光線經(jīng)過所述透鏡組合折射后入射至所述光闌01進(jìn)而進(jìn)入人眼眼瞳，所述透鏡組合包括：凸透鏡02，與所述光闌01相對的凸透鏡前表面為菲涅爾面，凸透鏡后表面為非球面，所述凸透鏡前表面以及所述凸透鏡后表面相對于垂直于眼瞳光軸的俯仰方向均有預(yù)設(shè)角度傾斜；彎月透鏡03，彎月透鏡前表面與所述凸透鏡后表面相對，彎月透鏡后表面與所述液晶顯示屏04相對。

其中，凸透鏡與彎月透鏡同樣沿著所述光軸方向依次放置，由于液晶顯示屏04的中心軸與眼瞳光軸不共軸，因此，凸透鏡非旋轉(zhuǎn)對稱，且凸透鏡前表面以及所述凸透鏡后表面相對于垂直于眼瞳光軸的俯仰方向均有預(yù)設(shè)角度傾斜，是為了更好的校正二者不共軸造成的像差非對稱分布導(dǎo)致的成像質(zhì)量劣化。

液晶顯示屏04作為虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器圖像發(fā)生源，可支持的最大尺寸為對角線長4.5英寸，液晶顯示屏04包括兩塊LCD屏幕，平行正立的放置于人眼前面，以供兩只眼睛分別進(jìn)行注視，液晶顯示屏04形成雙通道LCD屏。LCD屏幕可以為像面LCD，像面LCD發(fā)出的光的工作波長范圍450nm～650nm。

逆光分析時(shí)，入瞳直徑為10mm，入瞳中心投影到像面LCD下邊緣32mm，入瞳中心投影到像面LCD上邊緣50mm，使得光學(xué)系統(tǒng)視場角為85°×80°。兩LCD屏幕中心軸間距大于70mm，保證了雙目成像時(shí)雙通道LCD屏在人眼前可以平行擺放，同時(shí)使用主流高清全色4.5英寸LCD屏?xí)r，單目像素分辨率達(dá)到1800×1700。優(yōu)選的，透鏡組中凸透鏡02采用中國玻璃HQK3，彎月透鏡03采用中國玻璃HZF6，透鏡組中應(yīng)用到的非球面二次系數(shù)精度控制在千分之八，面型PV控制在0.8微米。

其中，如圖2和3所示，圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中心視場45°×40°范圍畸變圖；圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)全視場85°×80°范圍畸變圖。在45°×40°成像視場范圍內(nèi)，最大畸變3.12％，平均畸變0.783％；85°×80°成像視場范圍內(nèi)，最大畸變22.69％，平均畸變5.2％。全視場成桶形畸變，水平及俯仰方向畸變對稱，因畸變不影響圖像清晰度只改變圖像形狀，通過計(jì)算機(jī)補(bǔ)償可以進(jìn)行良好校正，因此，不再增加光學(xué)元件進(jìn)行殘余畸變的校正。

本實(shí)施例中，凸透鏡02，彎月透鏡03表面面型參數(shù)、元件材料、各光學(xué)元件厚度、各光學(xué)表面間距如表1所示。

表1

本發(fā)明提供的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)，透鏡組合中凸透鏡前表面為菲涅爾面，凸透鏡后表面為非球面，此種非球面與菲涅爾面的組合面型結(jié)構(gòu)可以很好地校正并減小光學(xué)像差，具體的能夠校正影響成像質(zhì)量的彗差、像散等垂軸像差，小光學(xué)像差成像質(zhì)量好，提升成像質(zhì)量，低畸變光學(xué)成像質(zhì)量可使佩戴者雙目觀看圖像時(shí)體驗(yàn)到高沉浸感與高立體感。

同時(shí)，通過本光學(xué)系統(tǒng)含有菲涅爾與非球面的透鏡組合形成光路并通過軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)擴(kuò)大了視場。

在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所述彎月透鏡03前表面以及所述彎月透鏡后表面均為非球面，所述彎月透鏡03前表面以及所述彎月透鏡03后表面相對于垂直于眼瞳光軸的俯仰方向均有所述預(yù)設(shè)角度傾斜。

其中，預(yù)設(shè)角度范圍較小，所述彎月透鏡03前表面和所述彎月透鏡03后表面傾斜角度分別為2°以及1°。

在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所述凸透鏡02前表面的菲涅爾中心區(qū)域刻蝕深度范圍為0.001mm～0.0014mm，范圍為0.0014mm～0.0018mm。

在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，所述凸透鏡02前表面的菲涅爾面型Z₁為：

$Z_1=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∂}_i{r}^i$

所述凸透鏡02后表面的非球面面型Z₂為：

$Z_2=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∂}_i{r}^{2i}$

其中，c為頂點(diǎn)曲率，r為所述凸透鏡02前表面或者所述凸透鏡02后表面到光軸投影高度，K為圓錐常數(shù)，為旋轉(zhuǎn)對稱高次項(xiàng)系數(shù)，N為正整數(shù)，i為正整數(shù)。

在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，所述凸透鏡02后表面與所述彎月透鏡03前表面的距離范圍為0.01mm-0.02mm，所述彎月透鏡03后表面與所述液晶顯示屏04中心的距離范圍在0.02mm-0.03mm。

進(jìn)一步的，所述凸透鏡02前表面與所述光闌01的距離范圍為12mm-14mm。距離范圍為12mm-14mm使得人眼睫毛并會碰到凸透鏡02，不影響佩戴舒適感，同時(shí)滿足本文成像質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將十分復(fù)雜并且結(jié)構(gòu)大而笨重不利于市場化。

更進(jìn)一步的，為了使用戶能夠長時(shí)間佩戴該頭盔系統(tǒng)，減少佩戴產(chǎn)生的前墜感，在上述虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器光學(xué)系統(tǒng)中，所述凸透鏡02前表面與所述液晶顯示屏04的距離小于或者等于77mm，光學(xué)系統(tǒng)重量96.65g。將凸透鏡02與液晶顯示屏04之間的距離縮小，進(jìn)而縮小光學(xué)系統(tǒng)的體積，降低光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。