大视场虚拟现实头戴显示器光学结构设计

摘要：为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求，采用逆向设计方法,通过理论计算与软件仿真，设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明,每个通道采用3片非球面透镜，全视场角为90°，出瞳直径为8mm，出瞳距离为13mm，在奈奎斯特频率 10.58lp/mm 处调制传递函数大于0.3,最大畸变为6.1%；与参考文献相比，此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。

引言

虚拟现实头戴显示器(virtualrealityhead-mounteddisplay，VRHMD)可以将计算机创建的虚拟图像投射在人眼中，让用户沉浸体验，有着非常广泛的应用。通过技术处理，可以进一步实现虚拟现实交互，增加沉浸感。随着低延时、高速度的第5代(thefifthgeneration，5G)网络与虚拟现实头戴显示器的结合，我国实现了一些5G+VR应用案例。目前VR市场增长较快，预计年复合增长率在35%~40%之间，到2025年，市场销售量将超过4x107台。

自1986年美国国家航空航天局艾姆斯研究中心研制出虚拟现实头戴显示器以来，其结构不断优化。2001年，AYE等人设计了一种基于全息像差补偿的头戴显示器。2002年，南开大学的ZHANG等人利用折衍混合透镜优化色差。2015年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的MENG研制了一种同轴超大视场、大出瞳VRHMD。2017年，GRABOVICˇKIC'等人提高了虚拟现实头戴显示器的VR感知分辨率。2018年，CHEN设计了全视场80°的轻小型同轴对称视场光学系统结构，7lp/mm处MTF值大于0.2，加入消色差棱镜还可以实现90°非对称视场，双目系统总重量小于35g。2019年，PENG等人[14]设计了一种中等视场虚拟现实头戴显示器，畸变小于1.3%，30lp/mm处调制传递函数值大于0.6，支持+3D~-8D的屈光度校正。SUN指出，传统的大视场同轴头戴显示器难以同时满足重量轻和高成像质量。

非球面透镜有更多的设计空间，可大幅度精简系统。非球面是旋转对称的，一般有具体表达式，可利用ZEMAX自带的公差操作数进行公差分析。一般使用偶次非球面，因为奇次非曲面中央是尖的，难以加工。

近年来出现了基于手机显示屏的虚拟现实头戴显示器产品。本设计根据光焦度和出瞳距离，合理分配了光焦度，得到初始结构，进一步使用非球面精简系统。

1 设计要求与设计流程

本设计的主要标准如下：(1)视场角不小于90°，每度至少16个像素；(2)畸变小于 8%；(3)出瞳距应满足佩戴要求，达到 13mm;出瞳直径应满足眼动要求；(4)总长小于70mm，重量不超过200g。设计流程如图1所示。先根据项目要求确定图像源，然后计算出初始结构，进一步优化，直到满足要求。

图1. 设计流程

2 光学结构设计

2.1 初始结构

使用近眼成像光学结构，可以缩小体积。设计之初先选定图像源，根据像素密度较小的中心视场确定像素水平，如图2所示。

图2. Image source after split screen

使用GALAXYS9+手机屏，分辨率为2960pixel×1440pixel，像素大小为47.25μm×47.25μm。图3和图4表示瞳距调节的情况。

我国成年人瞳距大多在60mm~75mm，本设计满足大多数用户瞳距调节要求，同时分辨率较高。对于瞳距较小的用户，可以适当减小水平视场。设计时控制镜片最大半径小于30mm，使最小瞳距小于60mm。图5给出了瞳距调节为60mm时的情况。设计镜头时，单通道图像源如图6所示。

为便于像质评价，将显示屏作为像面。由显示屏的像素大小可得到Nyquist频率和视场对应的像高，本设计半像高为44.302mm。

4 结论

本文中设计了一款同轴 VR HMD，使用高分辨率手机屏作为像源;采用树脂材质的非球面透镜，总重量小于 132g，结构尺寸满足佩戴要求;最大视场角为90°，MTF下降平缓，垂轴色差小，最大畸变为6.1%。进行了公差分析，满足生产要求。

本设计还存在一些尚未解决的问题，如传统的VR HMD 难以解决的辐辏聚焦问题，可以尝试的解决办法有:可调焦透镜组技术 ( 如 Facebook 的 alfDome)、集成成像光场显示以及全息显示等，但是这些技术都难以实现小型化。而大视场短焦光学系统难免引入暗角，可以通过算法校正。另外，人眼主视场在中心视场处，可以进一步设计部分视场重叠的虚拟现实头戴显示器，减小单目视场，优化重叠的中心视场像质。

审核编辑：汤梓红