大視場虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要：為了滿足用戶對虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器大視場和高分辨率的需求，采用逆向設(shè)計方法,通過理論計算與軟件仿真，設(shè)計了一種同軸大視場虛擬現(xiàn)實型頭戴顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,每個通道采用3片非球面透鏡，全視場角為90°，出瞳直徑為8mm，出瞳距離為13mm，在奈奎斯特頻率 10.58lp/mm 處調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.3,最大畸變?yōu)?.1%；與參考文獻相比，此結(jié)構(gòu)分辨率高、畸變小、像差平衡合理。該設(shè)計為優(yōu)化大視場頭戴顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)提供了參考。

引言

虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器(virtualrealityhead-mounteddisplay，VRHMD)可以將計算機創(chuàng)建的虛擬圖像投射在人眼中，讓用戶沉浸體驗，有著非常廣泛的應(yīng)用。通過技術(shù)處理，可以進一步實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實交互，增加沉浸感。隨著低延時、高速度的第5代(thefifthgeneration，5G)網(wǎng)絡(luò)與虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的結(jié)合，我國實現(xiàn)了一些5G+VR應(yīng)用案例。目前VR市場增長較快，預(yù)計年復(fù)合增長率在35%~40%之間，到2025年，市場銷售量將超過4x107臺。

自1986年美國國家航空航天局艾姆斯研究中心研制出虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器以來，其結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。2001年，AYE等人設(shè)計了一種基于全息像差補償?shù)念^戴顯示器。2002年，南開大學(xué)的ZHANG等人利用折衍混合透鏡優(yōu)化色差。2015年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的MENG研制了一種同軸超大視場、大出瞳VRHMD。2017年，GRABOVICˇKIC'等人提高了虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的VR感知分辨率。2018年，CHEN設(shè)計了全視場80°的輕小型同軸對稱視場光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，7lp/mm處MTF值大于0.2，加入消色差棱鏡還可以實現(xiàn)90°非對稱視場，雙目系統(tǒng)總重量小于35g。2019年，PENG等人[14]設(shè)計了一種中等視場虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器，畸變小于1.3%，30lp/mm處調(diào)制傳遞函數(shù)值大于0.6，支持+3D~-8D的屈光度校正。SUN指出，傳統(tǒng)的大視場同軸頭戴顯示器難以同時滿足重量輕和高成像質(zhì)量。

非球面透鏡有更多的設(shè)計空間，可大幅度精簡系統(tǒng)。非球面是旋轉(zhuǎn)對稱的，一般有具體表達式，可利用ZEMAX自帶的公差操作數(shù)進行公差分析。一般使用偶次非球面，因為奇次非曲面中央是尖的，難以加工。

近年來出現(xiàn)了基于手機顯示屏的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器產(chǎn)品。本設(shè)計根據(jù)光焦度和出瞳距離，合理分配了光焦度，得到初始結(jié)構(gòu)，進一步使用非球面精簡系統(tǒng)。

1 設(shè)計要求與設(shè)計流程

本設(shè)計的主要標準如下：(1)視場角不小于90°，每度至少16個像素；(2)畸變小于 8%；(3)出瞳距應(yīng)滿足佩戴要求，達到 13mm;出瞳直徑應(yīng)滿足眼動要求；(4)總長小于70mm，重量不超過200g。設(shè)計流程如圖1所示。先根據(jù)項目要求確定圖像源，然后計算出初始結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化，直到滿足要求。

圖1. 設(shè)計流程

2 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 初始結(jié)構(gòu)

使用近眼成像光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以縮小體積。設(shè)計之初先選定圖像源，根據(jù)像素密度較小的中心視場確定像素水平，如圖2所示。

圖2. Image source after split screen

使用GALAXYS9+手機屏，分辨率為2960pixel×1440pixel，像素大小為47.25μm×47.25μm。圖3和圖4表示瞳距調(diào)節(jié)的情況。

我國成年人瞳距大多在60mm~75mm，本設(shè)計滿足大多數(shù)用戶瞳距調(diào)節(jié)要求，同時分辨率較高。對于瞳距較小的用戶，可以適當減小水平視場。設(shè)計時控制鏡片最大半徑小于30mm，使最小瞳距小于60mm。圖5給出了瞳距調(diào)節(jié)為60mm時的情況。設(shè)計鏡頭時，單通道圖像源如圖6所示。

為便于像質(zhì)評價，將顯示屏作為像面。由顯示屏的像素大小可得到Nyquist頻率和視場對應(yīng)的像高，本設(shè)計半像高為44.302mm。

4 結(jié)論

本文中設(shè)計了一款同軸 VR HMD，使用高分辨率手機屏作為像源;采用樹脂材質(zhì)的非球面透鏡，總重量小于 132g，結(jié)構(gòu)尺寸滿足佩戴要求;最大視場角為90°，MTF下降平緩，垂軸色差小，最大畸變?yōu)?.1%。進行了公差分析，滿足生產(chǎn)要求。

本設(shè)計還存在一些尚未解決的問題，如傳統(tǒng)的VR HMD 難以解決的輻輳聚焦問題，可以嘗試的解決辦法有:可調(diào)焦透鏡組技術(shù) ( 如 Facebook 的 alfDome)、集成成像光場顯示以及全息顯示等，但是這些技術(shù)都難以實現(xiàn)小型化。而大視場短焦光學(xué)系統(tǒng)難免引入暗角，可以通過算法校正。另外，人眼主視場在中心視場處，可以進一步設(shè)計部分視場重疊的虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器，減小單目視場，優(yōu)化重疊的中心視場像質(zhì)。

審核編輯：湯梓紅