基于塑料光學自由曲面的單透鏡虛擬現實光學系統的制作方法
本發明涉及一種虛擬現實技術領域的光學解決方案，特別是一種基于光學自由曲面的單透鏡虛擬現實光學系統，可以廣泛地應用于虛擬現實系統領域。
背景技術：
虛擬現實(Virtual Reality，VR)系統包括頭盔光學顯示系統、跟蹤系統、反饋系統等，該技術通過計算機、光學及電子等技術，將真實世界構建為三維虛擬世界，為使用者提供真實世界的完美再現。虛擬現實在可視化醫療手術、可視化工程處理、軍事訓練、飛行模擬、單兵作戰、三維娛樂和工業培訓等方面有廣泛的應用前景，涉及到的領域從民用到軍用、從娛樂到工業等社會生活的方方面面。
VR頭盔光學系統較多采用雙目立體視覺原理，將有不同視場角場景通過一定方式分別進入到觀察者左右眼中。目前VR頭盔光學顯示器解決方案中，包括輕便型全息光學和波導光學方式、應用于軍用領域結實耐用的有多透鏡方案，具備像質好，環境適應性強等特點。多透鏡方案雖然像質好，但是重量和體積比較大，同時成本難以降低，不利于虛擬現實產品的推廣，所以商業應用中多采用單透鏡方案。單透鏡方案是目前商業應用中多方妥協的結果，同時兼顧像質、體積、重量和成本。單透鏡方案中，最常用的是采用光學塑料的球面鏡和非球面鏡，主要校正場曲和慧差，色差和畸變通過圖像處理方式解決。目前比較知名的大公司均采用了單透鏡方案，包括HTC、索尼、Oculus Rift等均采用了單透鏡方案；國內大多數面向民用產品的公司也采用此種解決方案。
技術實現要素：
針對球面和非球面的光學塑料透鏡像差校正自由區少的缺點，采用自由曲面光學面型進行VR光學塑料透鏡的設計，在滿足小體積輕重量的條件下像質比球面和非球面進一步提高。
因為頭盔顯示系統中人眼作為接受系統，所以在進行自由曲面棱鏡設計的時候就必須考慮人眼的生理特性。因為人眼本身的復雜性和個體性決定了其設計難度。目前較為困難的限制條件有：人眼瞳間距的變化、出瞳直徑、長出瞳距。不同的種群、不同性別、不同年齡的人具有不同的瞳間距，如何使設計結果滿足不同需求，是一個非常具有挑戰性的技術難題；盡可能大的出瞳直徑可以滿足比較復雜環境下的使用要求；大的出瞳距則可以適用于更廣泛的人群，特別是對于佩戴矯正視力的眼睛的人群。為滿足軍事上目視系統的高標準要求，出瞳直徑需要達到8mm，出瞳距16～20mm，F/#盡可能小。
其中本發明中采用的自由曲面描述如下所示。
XY多項式光學自由曲面
XY多項式光學自由曲面是光學設計中應用比較普遍的面型，其特點是形式靈活，擴展簡單，光線求交簡單。是一種各方面能力都比較優秀的光學自由曲面面型，經過合理的選擇，可以實現為旋轉對稱或雙曲率面型。
XY多項式自由曲面面型的表達公式為：
全視場像差平衡技術
傳統光學設計中一般保證光學中心視場像質最好，邊緣次之。但是此種標準對于VR頭盔光學顯示系統不適用。因為在使用過程中，人眼焦點區域隨著眼球的轉動在改變。如果整個視場內像質不均衡，就會導致用戶體驗下降，不能實現VR的真實感和沉浸感。
鑒于此，基于權重的點列圖優化方法，通過光學設計軟件宏語言的二次開發，在優化過程中自動調整各個視場權重值使整個視場內的像質平衡，滿足人眼全視場內觀察要求。
實施實例
為充分說明本專利特征和權利要求，給出兩個實施實例：采用PMMA和E48R的塑料光學自由曲面光學系統。本專利包括此但不限于此實例，特此聲明。
例1：采用PMMA光學塑料的頭盔光學顯示系統設計方案
采用PMMA光學塑料進行單透鏡設計，近眼光學表面采用球面面型，半徑為709.9mm；另一面采用XYP自由曲面面型，參數如表1所示。
設計參數如下所示：
1)瞳孔參數：8mm；
2)瞳距：20mm；
3)全視場：90°；
4)中心邊緣比：3∶1；
5)光學材料：PMMA.
表1采用PMMA光學塑料的頭盔光學顯示系統面型參數設計值
例2：采用E48R光學塑料的頭盔光學顯示系統設計方案
采用E48R光學塑料進行單透鏡設計，近眼光學表面采用球面面型，半徑為-91.9mm；另一面采用XYP自由曲面面型，參數如表2所示。
設計參數如下所示：
1)瞳孔參數：7mm；
2)瞳距：17mm；
3)全視場：100°；
4)中心邊緣比：4∶1；
5)光學材料：E48R。
表2采用E48R光學塑料的頭盔光學顯示系統面型參數設計值
附圖說明
圖1采用光學塑料PMMA的XYP自由曲面單透鏡光路圖；
圖2采用光學塑料E48R的XYP自由曲面單透鏡光路圖。
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