虚拟现实用曲面菲涅尔光学塑料单透镜光学系统的制作方法

本发明涉及一种虚拟现实技术领域的头盔显示器光学解决方案，特别是涉及一种基于单透镜的头盔光学系统，可以广泛地应用虚拟现实系统领域。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality，VR)系统包括头盔光学显示系统、跟踪系统、反馈系统等，该技术通过计算机、光学及电子等技术，将真实世界构建为三维虚拟世界，为使用者提供真实世界的完美再现。虚拟现实在可视化医疗手术、可视化工程处理、军事训练、飞行模拟、单兵作战、三维娱乐和工业培训等方面有广泛的应用前景，涉及领域从民用到军用、从娱乐到工业等社会生活的方方面面。

VR头盔光学系统较多采用双目立体视觉原理，将有不同视场角场景通过一定方式分别进入到人左右眼中。目前比较主流的VR头盔光学显示器解决方案中，多采用单透镜方案，目前比较知名的大公司均采用了单透镜方案，包括Oculus、HTC、索尼等均采用单透镜方案；国内大多数面向民用产品的公司也采用此种解决方案。

单透镜方案是目前商业应用中多方妥协的结果，同时兼顾像质、体积、重量和成本。单透镜方案中，最常用的是采用光学塑料的球面镜和非球面镜，主要校正场曲和慧差，色差和畸变通过图像处理方式解决，球差不能完全校正，成为单透镜的影响成像质量的重要因素。

菲涅尔透镜是对常规单透镜的改进。从光学原理上理解，一个透镜对光束的影响主要在表面曲率上，如球面透镜表面，透镜材料本身厚度对光束的影响比较小，因此拿掉尽可能多的光学材料同时保留光学表面的面形，就成为菲涅尔透镜。

菲涅尔透镜一般采用光学塑料制造，与传统的光学玻璃透镜相比，菲涅尔透镜具有重量轻、材料来源丰富、成本低、制造方便、口径大、厚度薄等特点，因此现在越来越广泛地应用于各个行业的许多领域。但是，与传统的光学透镜相比，菲涅尔透镜的成像质量普遍不如传统的光学透镜，在对成像质量要求比较高的光学系统中，菲涅尔透镜还不能替代传统的光学透镜。

用于制造菲涅尔透镜的材料通常PMMA或E48R，也称为有机玻璃，这是一种抗擦伤性强、化学稳定性好的光学塑料。光学塑料用来制造各种光学零件的塑料介质，与光学玻璃相比，光学塑料具备良好的可塑成型工艺特性、重量轻、成本低廉等优点。采用光学塑料制造光学零件(包括简单的照相透镜)，特别是制造某些特种光学零件日益增多。光学塑料的折射率范围由1.42至1.69，阿贝常数，γ＝65.3～18.8。从菲涅尔透镜的成因我们就可以知道，菲涅尔透镜一面是一系列的同心圆环，每个环带相当于一个独立的折射面，使入射的平行光线可以会聚到一个共同的焦点，因此菲涅尔透镜具有很好的消球差的特性。

技术实现要素：

针对单片式透镜像差校正自由度少以及传统菲涅尔透镜像差存在消球差的优势，提出一种曲面菲涅尔单透镜的光学设计，在满足大视场、小体积、轻重量的条件下像质可以进一步提高。

常规菲涅尔透镜一般为平面基底上制造曲面环带，在像差校正方面仍然没有大的改善。鉴于此，提出一种在曲面基底上制造菲涅尔环带的新型单片式光学透镜，用于VR头盔光学系统。

曲面菲涅尔透镜的面形描述公式如式1所示：

z＝z_sag+z_fresnel (1)

其中z_sag为基底面形，z_fresnel为菲涅尔面形。

其中曲面菲涅尔透镜的基底面形可以为球面、二次曲面、非球面或XY多项式自由曲面，菲涅尔面形可以为球面、二次曲面或非球面。

光学面形的详细信息如下所示。

球面与二次曲面

球面/二次曲面是光学设计中最常使用的基底，二次曲面的公式如式2所示。

式中，c为二次曲面的曲率，R为半径，是曲率的倒数，k为二次曲率常数，不同的k代表不同的二次曲面，如式3所示。

从上式可以看出，球面是二次曲面的一个特例。

非球面面形

非球面是在二次曲面的基底上叠加矢径的高次项形成的面型。相比于二次曲面，由于采用了较多的参数，在像差的校正能力上有较大提升。根据叠加级数的不同，一般有偶次非球面和奇次非球面两种形式。

偶次非球面的描述如式4所示。

奇次非球面如式5所示。

非球面是使用最多的光学自由曲面，由于其光线追迹的速度很快，所以光学系统使用非球面的优化速度非常快，像差校正能力中等。XY多项式光学自由曲面

XY多项式光学自由曲面是光学设计中应用比较普遍的面型，其特点是形式灵活，扩展简单，光线求交简单。是一种各方面能力都比较优秀的光学自由曲面面型，经过合理的选择，可以实现为旋转对称或双曲率面型。

XY多项式自由曲面面型的表达公式为：

曲面菲涅尔透镜除可以增加设计自由度，提高单透镜的像质外，菲涅尔透镜的环带具备空间的滤波效应，通过合理的环带间隔设置，可以有效地消除虚拟现实头盔显示器中人眼观看屏幕时纱窗效应，是曲面菲涅尔透镜在虚拟现实光学方案应用的中一个非常明显的优势。

实施实例

为更好的表达本专利的内涵与特征，下面给出2个曲面菲涅尔透镜设计实例，本专利特征包括但不限于此实例，特此声明。

采用光学塑料PMMA的曲面菲涅尔单透镜

采用PMMA光学塑料进行曲面菲涅尔单透镜设计，近眼光学表面采用球面面型，半径为331.1mm；曲面菲涅尔基底采用球面，菲涅尔面为偶次非球面，参数如表1所示。

设计参数如下所示：

1)瞳孔参数：12mm；

2)瞳距：20mm；

3)全视场：90°；

4)中心边缘比：3.2∶1；

5)光学材料：PMMA。

表1采用E48R光学塑料的曲面菲涅尔面型参数设计值

采用光学塑料E48R的曲面菲涅尔单透镜

采用E48R光学塑料进行曲面菲涅尔单透镜设计，近眼光学表面采用球面面型，半径为331.1mm；曲面菲涅尔基底采用球面，菲涅尔面为偶次非球面，参数如表2所示。

设计参数如下所示：

6)瞳孔参数：8mm；

7)瞳距：18mm；

8)全视场：110°；

9)中心边缘比：3∶1；

10)光学材料：E48R。

表2采用E48R光学塑料的曲面菲涅尔面型参数设计值

附图说明

图1采用PMMA光学塑料视场角90°曲面菲涅尔单透镜光路图。

图2采用E48R光学塑料视场角110°曲面菲涅尔单透镜光路图。