本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、目鏡成像等
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：虛擬現(xiàn)實(VR，VirtualReality)是利用電腦或者手機(jī)模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境，可以及時地、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。VR眼鏡是實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵工具。一款VR眼鏡能否讓使用者有身臨其境的感覺主要取決于VR目鏡的設(shè)計和制造。目鏡焦距越短視覺放大倍率越大，視覺顆粒感越強(qiáng)；焦距越大，放大倍率越小，則沉浸感越差?，F(xiàn)有目鏡產(chǎn)品主要包含兩種形式，一種是雙面非球面目鏡，另一種是平面基底菲涅爾目鏡。隨著視場角度的增加，雙非球面式目鏡中心厚度和邊緣厚度相差懸殊，所以加工難度急劇增大，因此，雙非球面式目鏡視場角一般只能做到90°左右。平面基底菲涅爾目鏡的出現(xiàn)解決了中心和邊緣厚薄比的問題，視場角度可以做到110°，但是隨著視場角的增加，場曲和慧差也會隨著增大。中心和邊緣的成像不一致性會讓使用者感覺到眩暈。因此，設(shè)計并制造一款高性能的菲涅爾目鏡在VR領(lǐng)域應(yīng)用中有重要作用。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的提供一種新的VR目鏡設(shè)計和制造方法，使得做出的目鏡能夠具有大視場角，避免中心和邊緣厚薄比問題，并減小大視場角時的場曲和慧差，滿足VR領(lǐng)域強(qiáng)烈沉浸感的需要。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種虛擬現(xiàn)實目鏡設(shè)計及制造方法，包括下列步驟：1)根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計視場角在90°左右符合光學(xué)性能要求的具有雙凸非球面的目鏡；2)將步驟1)所設(shè)計的目鏡中一個表面改為平面基底菲涅爾面，以增大系統(tǒng)視場角到符合設(shè)計要求，并對平面基底菲涅爾面的參數(shù)和另一個表面參數(shù)同時優(yōu)化，得到符合設(shè)計要求的具有平面基底菲涅爾面的目鏡；3)根據(jù)步驟1所設(shè)計的具有雙凸非球面的目鏡的參數(shù)，將步驟2)設(shè)計的具有平面基底菲涅爾面的目鏡的平面基底改為非球面基底，對非球面基底曲面參數(shù)、其上菲涅爾齒參數(shù)及另一個表面參數(shù)同時進(jìn)行優(yōu)化，得到符合設(shè)計要求的具有非球面基底菲涅爾面的目鏡，使得系統(tǒng)場曲和慧差得到減小；4)將設(shè)計好的具有非球面基底菲涅爾面的目鏡中的非球面基底菲涅爾面所有齒尖連接成為基礎(chǔ)曲面，并使用注塑方式批量生產(chǎn)具有基礎(chǔ)曲面的目鏡；5)對注塑好的具有基礎(chǔ)曲面的目鏡中的基礎(chǔ)曲面進(jìn)行單點金剛石切削加工，去掉因連接齒尖的基礎(chǔ)曲面填充部分，得到最終的非球面基底菲涅爾面，即得到最終具有非球面基底菲涅爾面的目鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計及制造方法，其特征在于，菲涅爾齒的齒寬根據(jù)成像性能在20μm～60μm范圍內(nèi)優(yōu)選，可采用等齒寬或等齒高方式。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計及制造方法，其特征在于，為進(jìn)一步減薄目鏡厚度和減小大視場時的場曲和慧差，將另一個表面也改為平面基底菲涅爾面或非球面基底菲涅爾面。本發(fā)明在VR目鏡的非球面基底上加入菲涅爾結(jié)構(gòu)，有效地減薄了VR目鏡的中心厚度，而且減小了大視場系統(tǒng)的場曲和慧差，成像質(zhì)量有了明顯提高。使得佩戴者有了更好的沉浸感。同時，提出注塑成型與單點金剛石車削結(jié)合的加工方式，即保證了器件低成本、大批量的生產(chǎn)，也保證了高效、高精度菲涅爾結(jié)構(gòu)的加工。附圖說明圖1非球面基底菲涅爾VR目鏡結(jié)構(gòu)圖圖2(a)和(b)分別為基礎(chǔ)曲面和切削后非球面基底菲涅爾面圖3雙凸非球面VR目鏡結(jié)構(gòu)圖(方案一)圖4雙凸非球面VR目鏡彌散斑(方案一)圖5雙凸非球面VR目鏡場曲畸變圖(方案一)圖6平面菲涅爾VR目鏡結(jié)構(gòu)圖(方案二)圖7平面菲涅爾VR目鏡彌散斑圖(方案二)圖8平面菲涅爾VR目鏡場曲畸變圖(方案二)圖9非球面基底菲涅爾VR目鏡彌散斑圖(方案三)圖10非球面基底菲涅爾VR目鏡場曲畸變圖(方案三)圖11雙面菲涅爾VR目鏡結(jié)構(gòu)圖(方案四)圖12雙面菲涅爾VR目鏡彌散斑圖(方案四)圖13雙面菲涅爾VR目鏡彌場曲畸變圖(方案四)具體實施方式VR目鏡的的成像原理是，屏幕上像素點發(fā)出的光經(jīng)過目鏡后平行入射人眼，人眼在出瞳位置觀察時，相當(dāng)于屏幕上的圖像成像在無窮遠(yuǎn)位置。左右眼睛觀察的圖像分別來著兩個屏幕，從而產(chǎn)生了3D視覺效果。如果系統(tǒng)的邊緣視場場曲和慧差過大，邊緣成像和中心成像的清晰度不一致，在使用VR眼鏡過程中會導(dǎo)致使用者頭暈，從而失去了大視場角的意義。本發(fā)明提出非球面基底菲涅爾目鏡設(shè)計方案，可以極大減小大視場角帶來的場曲和慧差。本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在非球面設(shè)計的VR鏡片一個非球面面或兩個非球面面上疊加菲涅爾齒，即在器件的圓形直徑方向分布著一系列鋸齒結(jié)構(gòu)，一邊為垂直非球面表面的豎直邊，另一個為帶有一定曲率的曲面邊，每個齒之間的間距為齒距。該菲涅爾齒在圓形周向回轉(zhuǎn)形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。菲涅爾齒有兩種分布形式：一種為等齒寬，一般隨著曲面邊緣到中心菲涅爾齒的齒高會越來越??；另一種為等齒高，這種結(jié)構(gòu)從曲面邊緣到中心菲涅爾齒的齒距會逐漸增大。從設(shè)計和加工角度考慮，選擇等齒寬的菲涅爾齒較為常見。在設(shè)計中，以優(yōu)化設(shè)計好的雙凸非球面目鏡為基礎(chǔ)，首先將其中一個表面改為平面基底菲涅爾面，增大系統(tǒng)視場角，然后將菲涅爾平面基底改為非球面基底，最終優(yōu)化成非球面基底菲涅爾目鏡，減小系統(tǒng)場曲和慧差。為進(jìn)一步減薄目鏡厚度和減小大視場時的場曲和慧差，可在將方案進(jìn)一步擴(kuò)展，將另一個表面改為平面基底菲涅爾面或非球面基底菲涅爾面。在設(shè)計中，菲涅爾齒寬需要特別注意，過小的齒寬會帶來視覺上的衍射現(xiàn)象，導(dǎo)致成像模糊，同時為加工帶來眾多困難；而過大的齒寬則對于成像性能沒有太大改進(jìn)。綜合考慮，菲涅爾齒寬可以在20μm～60μm范圍內(nèi)。具體實施中，光學(xué)設(shè)計部分易由具有一定經(jīng)驗的設(shè)計工程師完成。菲涅爾齒加工主要有兩種形式：注塑成型和單點金剛石車削。注塑成型可滿足大批量生產(chǎn)的需要，對器件可以低成本大批量制造，但受到菲涅爾齒距較小、齒結(jié)構(gòu)具有垂直邊截斷的結(jié)構(gòu)特點，注塑成型后的結(jié)構(gòu)由于收縮變形，很難保證菲涅爾齒的高精度成型，并且菲涅爾齒寬越小，注塑后的面形縮水率越嚴(yán)重，面形精度也越難保證。針對本發(fā)明提出的非球面基底菲涅爾曲面，在保證加工效率的情況下，盡量提高加工面形精度，本發(fā)明提出注塑成型與單點金剛石車削結(jié)合的加工方式，即首先注塑成型基礎(chǔ)曲面，然后使用單點金剛石車削方式僅加工菲涅爾齒。其中基礎(chǔ)曲面為非球面基底菲涅爾面形中菲涅爾齒尖連成的面形，如圖2所示。注塑而成的基礎(chǔ)曲面即填充滿了菲涅爾齒的面形，因此，在單點金剛石車削方式加工時只需去掉填充部分，形成最終需要的非球面基底菲涅爾面。這種加工方式即兼顧了注塑成型的低成本、大批量的生產(chǎn)需要，同時保證了高效、高精度菲涅爾結(jié)構(gòu)的加工。具體實施案例中，擬設(shè)計VR目鏡的技術(shù)指標(biāo)主要為：屏幕尺寸：5.5英寸、焦距：38mm、視場角：105°、工作距離：15mm、出瞳直徑：10mm。雙凸非球面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案(方案一)如圖3所示，由于雙凸非球面的結(jié)構(gòu)所限，視場角度只能做到90°，如果角度再大，透鏡的中心和邊緣的厚薄比太大導(dǎo)致注塑加工非常困難。將方案一中一個表面更改成平面基底菲涅爾進(jìn)行優(yōu)化，并增大視場角度到105°，得到圖6所示的結(jié)構(gòu)圖(方案二)。為了減小大視場帶來的場曲和慧差，進(jìn)一步優(yōu)化菲涅爾基底，最終得到了非球面基底菲涅爾目鏡(方案三)，如圖1所示。為進(jìn)一步減小器件中心和邊緣的厚薄比，將另一個表面改為平面基底菲涅爾，如圖11所示(方案四)。四個方案的彌散斑的成像圖分別如圖4、圖7、圖9和圖12所示；場曲圖分別如圖5、圖8、圖10和圖13所示。將四個方案的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、最大/最小彌散斑和場曲的量值匯總到表1中，可以看出添加非球面基底菲涅爾面的方案能夠同時有效地增大視場角、減小透鏡的中心和邊緣的厚薄比、減小彌散斑和場曲等光學(xué)誤差。附表1各方案結(jié)構(gòu)參數(shù)、光學(xué)性能參數(shù)對比表方案視場角邊緣厚度中心厚度最大彌散斑最小彌散斑場曲方案一90°2.0mm16.3mm305.0um107.0um<5.0mm方案二105°1.8mm4.0mm227.0um88.0um<5.0mm方案三105°1.8mm7.0mm183.0um69.0um<2.0mm方案四105°1.8mm4.0mm184.0um62.0um<2.0mm當(dāng)前第1頁1 2 3