本實用新型涉及一種虛擬現(xiàn)實頭盔中的光學結(jié)構(gòu)，尤其涉及了一種用于虛擬現(xiàn)實頭盔的降低畸變與色散的光學結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality，VR)技術(shù)是20世紀80年代提出的一種利用計算機生成的、可交互的、具有沉浸感的視覺虛擬環(huán)境，可以按照需要生成多種虛擬環(huán)境，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃，駕駛培訓，室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域。近年來隨著計算機計算能力與各類型傳感器的發(fā)展，各類型的虛擬現(xiàn)實頭盔已出現(xiàn)于市場上，其基本由顯示屏或手機以及一對目鏡組成，人眼通過目鏡可以看到屏幕上放大的圖像，傳感器感應(yīng)人頭部的變化調(diào)整左右屏幕中的圖像，使得人眼能看到立體的，具有交互性的視覺圖像。目前市場上虛擬現(xiàn)實頭盔的光學結(jié)構(gòu)基本都是人眼，鏡片和屏幕三者法線共線，鏡片一般都是單鏡片式的，圖像邊緣往往不夠清晰，并且隨著視角的增大，邊緣的畸變和色散會越來越大，目前絕大多數(shù)采用計算機反色散和反畸變補償?shù)姆椒▉斫档瓦@兩種像差的影響，但這會造成計算機顯卡性能要求的提升，且邊緣模糊程度改善不高，因此最佳的方法是在鏡片層面就盡可能消除。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決
背景技術(shù)：
中存在的問題，本實用新型提供了一種用于虛擬現(xiàn)實頭盔的降低畸變與色散的光學結(jié)構(gòu)，采用緊貼屏幕的鏡片，來降低整體光學系統(tǒng)畸變和色散，用于虛擬現(xiàn)實場景的呈現(xiàn)，形成能校正畸變和補償色散的目視光學系統(tǒng)。本實用新型采用的技術(shù)方案如下：所述光學結(jié)構(gòu)包括左右兩組結(jié)構(gòu)完全相同對稱布置的光學系統(tǒng)，每組光學系統(tǒng)包括鏡筒以及安裝在鏡筒內(nèi)的沿人眼視線方向共軸心并依次布置的雙凸光學鏡片、內(nèi)凹光學鏡片和顯示屏，雙凸光學鏡片位于人眼前方，內(nèi)凹光學鏡片置于雙凸光學鏡片前方，內(nèi)凹光學鏡片的兩端光學面分別為一平面和一凹面，顯示屏發(fā)光表面與內(nèi)凹光學鏡片的平面相貼，內(nèi)凹光學鏡片的凹面朝向雙凸光學鏡片，顯示屏發(fā)出的光線依次經(jīng)過內(nèi)凹光學鏡片與雙凸光學透鏡折射后進入人眼。所述的顯示屏表面與內(nèi)凹光學鏡片的平面之間的間隙為0-5mm，使得內(nèi)凹光學鏡片平面緊貼在顯示屏表面，并且內(nèi)凹光學鏡片的平面完全覆蓋顯示屏的屏幕可視區(qū)域。所述兩組光學系統(tǒng)沿垂直于人眼視線方向平行布置，并固定在各自的瞳距調(diào)節(jié)支架上，兩個瞳距調(diào)節(jié)支架連接在左右屏連接導軌中沿導軌方向水平移動以調(diào)節(jié)兩組光學系統(tǒng)之間的間距，左右屏連接導軌垂直于人眼視線方向。所述雙凸光學透鏡通過屈光度調(diào)節(jié)滑塊連接到鏡筒內(nèi)壁的導軌上，使得屈光度調(diào)節(jié)滑塊雙凸光學透鏡沿著人眼視線方向移動，導軌沿人眼視線方向，屈光度調(diào)節(jié)滑塊在導軌上滑動也是沿人眼視線方向。由此左右兩組光學系統(tǒng)靠近或分離以適應(yīng)不同瞳距的人眼，同時顯示屏可前后移動，用以適應(yīng)不同視力的人眼。所述雙凸光學鏡片具有正的光焦度，焦距為30mm～60mm，兩表面均為外凸的非球面，外輪廓為矩形或圓形，口徑為35mm～55mm，中心厚度為8mm～15mm，材料為塑料或玻璃，折射率為1.4～1.7，色散系數(shù)為50～60。所述內(nèi)凹光學鏡片具有負的光焦度，焦距為-50mm～-70mm，凹面為內(nèi)凹的非球面，外輪廓為矩形或圓形，口徑為55mm×55mm～75×75mm，中心厚度為1mm～3mm，材料為塑料或玻璃，折射率為1.6～1.8，色散系數(shù)為20～40?？趶街傅氖晴R片外輪廓最大直徑，若外輪廓為圓形，則口徑為圓形的直徑；若外輪廓為矩形，則口徑為矩形的對角線長。所述兩組光學系統(tǒng)中的雙凸光學鏡片通過屈光度調(diào)節(jié)滑塊同時或分別沿著人眼視線方向移動。本實用新型的有益效果是：1.本實用新型光學系統(tǒng)使用雙鏡片實現(xiàn)了畸變的校正與色散的補償，可以降低對計算機處理能力的壓力。2.本實用新型光學系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)邊緣圖像的成像質(zhì)量，使用戶看到的圖像更為清晰。附圖說明圖1是本實用新型頭盔的外觀示意圖。圖2是本實用新型俯視剖面結(jié)構(gòu)圖。圖3是本實用新型任意一側(cè)光路圖。圖4是本實用新型光學結(jié)構(gòu)的立體側(cè)視圖。圖5是本實用新型在波長為486nm入射光入射時不同視場處的點列圖。圖6是本實用新型在波長為587nm入射光入射時不同視場處的點列圖。圖7是本實用新型在波長為656nm入射光入射時不同視場處的點列圖。圖8是本實用新型實施例的光學畸變圖。圖9是本實用新型實施例的畸變網(wǎng)格圖。表1是本實用新型在波長為486nm入射光入射時不同視場處的光斑均方根值和光斑位置表2是本實用新型在波長為587nm入射光入射時不同視場處的光斑均方根值和光斑位置表3是本實用新型在波長為656nm入射光入射時不同視場處的光斑均方根值和光斑位置圖中：顯示屏1、內(nèi)凹光學鏡片2、雙凸光學鏡片3、人眼4、瞳距調(diào)節(jié)支架5、左右屏連接導軌6、屈光度調(diào)節(jié)滑塊7、鏡筒8。具體實施方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1和圖2所示，本實用新型光學結(jié)構(gòu)包括左右兩組結(jié)構(gòu)完全相同對稱布置的光學系統(tǒng)，每組光學系統(tǒng)包括鏡筒8以及安裝在鏡筒8內(nèi)的沿人眼視線方向共軸心并依次布置的雙凸光學鏡片3、內(nèi)凹光學鏡片2和顯示屏1，雙凸光學鏡片3位于人眼4前方，內(nèi)凹光學鏡片2置于雙凸光學鏡片3前方，內(nèi)凹光學鏡片2的兩端光學面分別為一平面和一凹面，顯示屏1發(fā)光表面與內(nèi)凹光學鏡片2的平面相貼，內(nèi)凹光學鏡片2的凹面朝向雙凸光學鏡片3，顯示屏1發(fā)出的光線依次經(jīng)過內(nèi)凹光學鏡片2與雙凸光學透鏡3折射后進入人眼4。如圖2所示，左右兩組光學系統(tǒng)的透鏡均可沿人眼方向水平布置，每組光學系統(tǒng)中，瞳距調(diào)節(jié)支架5可以在左右屏連接導軌6中沿導軌方向水平移動，左右屏連接導軌6垂直于人眼4的視線方向。雙凸光學鏡片3安裝在屈光度調(diào)節(jié)滑塊7中，屈光度調(diào)節(jié)滑塊7的外側(cè)連接到鏡筒8內(nèi)壁的導軌上，使得屈光度調(diào)節(jié)滑塊7可沿著人眼4的視線方向的導軌前后移動。兩組光學系統(tǒng)中的顯示屏1與內(nèi)凹光學鏡片2的平面一側(cè)完全平行，可完全貼合或僅有微小的空氣間隔，之間間隙僅允許為0-5mm，如圖2所示為完全貼合的結(jié)構(gòu)，且內(nèi)凹光學鏡片2可完全覆蓋顯示屏1的可視區(qū)域。如圖3所示，為本實用新型一側(cè)的光路結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，光線從顯示器1上發(fā)出之后，直接進入內(nèi)凹光學鏡片2的平面一側(cè)，再經(jīng)內(nèi)凹光學鏡片2的非球面一側(cè)折射后穿出，經(jīng)過兩個鏡片之間的空氣層后進入內(nèi)凹光學鏡片2，再經(jīng)過兩次折射后穿出鏡片，進入人眼4，使用者可看到顯示屏1上放大的圖像。內(nèi)凹光學鏡片2的靠近顯示屏1的一側(cè)為平面，緊貼顯示屏1發(fā)光的一側(cè)，也可有0～5mm的空氣間隔，但屏幕與內(nèi)凹光學鏡片2必須保持平行；內(nèi)凹光學鏡片2的外輪廓可以是圓形的活矩形的，但都需要可以覆蓋顯示屏1上的可視區(qū)域，尺寸為50mm×50mm至80mm×80mm；內(nèi)凹光學鏡片2的中心厚度為1mm～5mm；焦距為-40mm～-80mm；所用材料為高折射率，高色散的光學塑料或光學玻璃，表面可鍍有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜層，其結(jié)構(gòu)可以是單鏡片或是膠合透鏡，也可以是多鏡片組，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼爾面，也可以是幾種面型的組合。雙凸光學鏡片3的兩面均為凸面，輪廓為圓形，也可以是矩形，尺寸為直徑30mm～60mm；中心厚度為3mm～15mm；焦距為30mm～60mm；所用材料可采用低色散的光學塑料或光學玻璃。兩表面可鍍有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜層，其結(jié)構(gòu)可以是單鏡片或是膠合透鏡，也可以是多鏡片組，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼爾組合，也可以是幾種面型的組合。內(nèi)凹光學鏡片2與雙凸光學鏡片3同軸排列，相距一定的距離，內(nèi)凹光學鏡片2可沿著光軸前后移動，調(diào)整的距離在0mm～20mm之間，用以調(diào)整光學系統(tǒng)的屈光度，使近視或遠視的使用者也能看到顯示屏上清晰的圖像；兩者組合焦距為30mm～60mm，人眼在靠近雙凸光學鏡片3的一側(cè)可以看到顯示屏1上放大的圖像，可視角度為80°～120°。左右兩組相同的光學系統(tǒng)可以靠近或遠離，調(diào)節(jié)范圍為0mm～15mm，用以調(diào)節(jié)不同人之間的瞳距差異，使不同的瞳距的人都可以舒適的使用本虛擬現(xiàn)實頭盔。顯示屏1采用高分辨率的LCD或OLED平面顯示屏，優(yōu)選的采用分辨率高于FHD的低響應(yīng)時間OLED平面顯示屏。本實用新型的實施例及其具體實施工作過程如下：如圖4所示，內(nèi)凹光學鏡片2采用一面為平面一面為非球面，是具有負光焦度的連續(xù)曲面，材料為光學塑料PC，表面鍍有增透膜，平面一側(cè)俞顯示屏1緊貼，剛好覆蓋所屬一側(cè)的顯示屏1，輪廓為矩形。雙凸光學鏡片3的兩面均為非球面，是具有正光焦度的連續(xù)曲面，材料為光學塑料PMMA，兩側(cè)均鍍有增透膜，輪廓為圓形。內(nèi)凹光學鏡片2與雙凸光學鏡片3組成的光學系統(tǒng)具有正的光焦度，焦距為25mm～60mm，相對孔徑即光圈為f/2～f/5.6，單眼對角線視場角為80°～120°，可覆蓋2.5寸～4寸的顯示屏1。非球面的計算公式如下：其中，z為矢高，r為非球面頂點到非球面上任意一點的距離，c為曲率，k為錐面系數(shù)，A1～A5···AN分別為第一、第二、第三、第四、第五、···、第N非球面系數(shù)，N為正整數(shù)，A1到AN項數(shù)任意，取值任意。具體的實施例中，兩鏡片均為整體的單鏡片結(jié)構(gòu)，其中：內(nèi)凹光學鏡片2尺寸為72mm×72mm，中心厚度為2mm，焦距為-58.8mm，材料為PC，其非球面系數(shù)為：c＝-0.028825，k＝-3.402，A4＝1.756569E-006，A6＝5.80938E-010，A8＝2.74757E-013，其余系數(shù)為0。雙凸光學鏡片3口徑為40mm，中心厚度為10.8mm，焦距為27.2mm，材料為PMMA。靠近人眼的非球面系數(shù)為：c＝-0.03362，k＝0，A4＝1.1013E-005，A6＝--2.6276E-08，A8＝1.83492E-011，其余為0。遠離人眼的面非球面系數(shù)為：c＝-0.0462，k＝-7.439，A4＝-6.4105E-005，A6＝1.6641E-08，A8＝-1.9376E-010，其余為0。鏡片中心距離人眼4的中心距離為10mm，正常視力人使用時，兩鏡片之間的中心距為40mm，顯示屏為1的尺寸大小為2.9英寸的3：2的1080pOLED顯示屏。整個光學系統(tǒng)的焦距為21.43mm，相對孔徑為f/4.3。左右兩套光學系統(tǒng)可以在正常瞳距63mm位置出左右移動距離為5mm，兩套光學系統(tǒng)可分辨前后移動屏幕，范圍為正常距離情況下，靠近移動10mm，可以使400度以內(nèi)的近視者均可以清楚看到屏幕上的內(nèi)容。圖5～圖7分別為入射光為波長為486nm，587nm，656nm入射時以不同的視場角0°，10°，20°，30°，40°和50°的視場處的點列圖，最大光斑直徑不超過0.1mm，且在可見光波段范圍內(nèi)可以很好的消除色差。如圖5～圖7分別為入射光波長為可見光波段的3個代表波長在屏幕上看到的光斑的形狀，三個波長分別為486nm，587nm和656nm。每張圖從左往右、從上往下分別為0°，10°，20°，30°，40°和50°這6個代表視角入射的平行光入射到屏幕上形成的光斑形狀，表1～表3分別為3個波長6視角的光斑直徑的均方根值和光斑中心位置(光斑中心到圖像中心的距離)，尺寸越小則表示成像清晰度越高。不同波長相同視角的光斑中心位置差別越小，則表示色差越小。從圖上可以看出，所有視場和波段的最大光斑直徑最大值都小于0.1mm，說明在可見光波段任何圖像位置都能看到清晰的圖像，不同波長相同視角的光斑中心位置差異都在0.1mm左右，說明圖像色差很小。表1表2視角(°)01020304050光斑直徑(mm)17.96435.05853.6568.0197.51475.378光斑中心位置(mm)08.15617.46927.04536.16544.31表3視角(°)01020304050光斑直徑(mm)2.24842.1971.26478.77663.79274.828光斑中心位置(mm)08.16917.49227.07836.21444.41本實施例光學系統(tǒng)的光學畸變?nèi)鐖D8所示，若曲線彎曲的程度越小，則畸變越小，從圖上可以看出，光學畸變整體的最大畸變量控制在10％以內(nèi)，且在最大視場處可以基本消除畸變。本實施例光學系統(tǒng)的畸變網(wǎng)格如圖9所示，網(wǎng)格為無畸變的理想圖像，X型的交叉點是網(wǎng)格交叉點在經(jīng)過光學系統(tǒng)后的實際位置，可見是略微突出的，需要一定的補償。由于畸變量不大，因此每個像素的錯位較小，需要差值恢復到無畸變所需的計算量也較小，與一般常見的鏡片相比，采用同樣的算法可降低20％～40％的計算量。此外，現(xiàn)有技術(shù)中由于軟件補償過是基于插值，因此過大的補償會導致圖像的模糊，而本實用新型的光學系統(tǒng)需要的軟件補償量較小，因此圖像清晰程度保持的也較好。由圖8和圖9可見，整體畸變可以控制在10％以內(nèi)，且在全視場處基本可以消除畸變，從網(wǎng)格畸變圖可以看出，在整個成像區(qū)域內(nèi)圖像變形不大，因此可以降低圖像質(zhì)量的損失。由上述實施例可以說明本實用新型在所采用技術(shù)方案下具有其突出顯著的技術(shù)效果。當前第1頁1 2 3