摘要：為了滿足用戶對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器大視場(chǎng)和高分辨率的需求，采用逆向設(shè)計(jì)方法,通過(guò)理論計(jì)算與軟件仿真，設(shè)計(jì)了一種同軸大視場(chǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)型頭戴顯示器的光學(xué)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,每個(gè)通道采用3片非球面透鏡，全視場(chǎng)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(xiàn)相比，此結(jié)構(gòu)分辨率高、畸變小、像差平衡合理。該設(shè)計(jì)為優(yōu)化大視場(chǎng)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(shí)頭戴顯示器(virtualrealityhead-mounteddisplay，VRHMD)可以將計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的虛擬圖像投射在人眼中，讓用戶沉浸體驗(yàn)，有著非常廣泛的應(yīng)用。通過(guò)技術(shù)處理，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)交互，增加沉浸感。隨著低延時(shí)、高速度的第5代(thefifthgeneration，5G)網(wǎng)絡(luò)與虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器的結(jié)合，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了一些5G+VR應(yīng)用案例。目前VR市場(chǎng)增長(zhǎng)較快，預(yù)計(jì)年復(fù)合增長(zhǎng)率在35%~40%之間，到2025年，市場(chǎng)銷售量將超過(guò)4x107臺(tái)。

自1986年美國(guó)國(guó)家航空航天局艾姆斯研究中心研制出虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器以來(lái)，其結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。2001年，AYE等人設(shè)計(jì)了一種基于全息像差補(bǔ)償?shù)念^戴顯示器。2002年，南開(kāi)大學(xué)的ZHANG等人利用折衍混合透鏡優(yōu)化色差。2015年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的MENG研制了一種同軸超大視場(chǎng)、大出瞳VRHMD。2017年，GRABOVICˇKIC'等人提高了虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器的VR感知分辨率。2018年，CHEN設(shè)計(jì)了全視場(chǎng)80°的輕小型同軸對(duì)稱視場(chǎng)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(shí)現(xiàn)90°非對(duì)稱視場(chǎng)，雙目系統(tǒng)總重量小于35g。2019年，PENG等人[14]設(shè)計(jì)了一種中等視場(chǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)同軸頭戴顯示器難以同時(shí)滿足重量輕和高成像質(zhì)量。

非球面透鏡有更多的設(shè)計(jì)空間，可大幅度精簡(jiǎn)系統(tǒng)。非球面是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，一般有具體表達(dá)式，可利用ZEMAX自帶的公差操作數(shù)進(jìn)行公差分析。一般使用偶次非球面，因?yàn)槠娲畏乔嬷醒胧羌獾模y以加工。

近年來(lái)出現(xiàn)了基于手機(jī)顯示屏的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)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(jìn)一步使用非球面精簡(jiǎn)系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)流程

本設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)視場(chǎng)角不小于90°，每度至少16個(gè)像素；(2)畸變小于 8%；(3)出瞳距應(yīng)滿足佩戴要求，達(dá)到 13mm;出瞳直徑應(yīng)滿足眼動(dòng)要求；(4)總長(zhǎng)小于70mm，重量不超過(guò)200g。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。先根據(jù)項(xiàng)目要求確定圖像源，然后計(jì)算出初始結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化，直到滿足要求。

圖1. 設(shè)計(jì)流程

2 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)之初先選定圖像源，根據(jù)像素密度較小的中心視場(chǎng)確定像素水平，如圖2所示。

圖2. Image source after split screen

使用GALAXYS9+手機(jī)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(guó)成年人瞳距大多在60mm~75mm，本設(shè)計(jì)滿足大多數(shù)用戶瞳距調(diào)節(jié)要求，同時(shí)分辨率較高。對(duì)于瞳距較小的用戶，可以適當(dāng)減小水平視場(chǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)的情況。設(shè)計(jì)鏡頭時(shí)，單通道圖像源如圖6所示。

為便于像質(zhì)評(píng)價(jià)，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(chǎng)對(duì)應(yīng)的像高，本設(shè)計(jì)半像高為44.302mm。

4 結(jié)論

本文中設(shè)計(jì)了一款同軸 VR HMD，使用高分辨率手機(jī)屏作為像源;采用樹(shù)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(chǎng)角為90°，MTF下降平緩，垂軸色差小，最大畸變?yōu)?.1%。進(jìn)行了公差分析，滿足生產(chǎn)要求。

本設(shè)計(jì)還存在一些尚未解決的問(wèn)題，如傳統(tǒng)的VR HMD 難以解決的輻輳聚焦問(wèn)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(chǎng)顯示以及全息顯示等，但是這些技術(shù)都難以實(shí)現(xiàn)小型化。而大視場(chǎng)短焦光學(xué)系統(tǒng)難免引入暗角，可以通過(guò)算法校正。另外，人眼主視場(chǎng)在中心視場(chǎng)處，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)部分視場(chǎng)重疊的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器，減小單目視場(chǎng)，優(yōu)化重疊的中心視場(chǎng)像質(zhì)。

審核編輯：湯梓紅