摘要：為了滿足用戶對虛擬現實頭戴顯示器大視場和高分辨率的需求，采用逆向設計方法,通過理論計算與軟件仿真，設計了一種同軸大視場虛擬現實型頭戴顯示器的光學結構。結果表明,每個通道采用3片非球面透鏡，全視場角為90°，出瞳直徑為8mm，出瞳距離為13mm，在奈奎斯特頻率 10.58lp/mm 處調制傳遞函數大于0.3,最大畸變為6.1%；與參考文獻相比，此結構分辨率高、畸變小、像差平衡合理。該設計為優化大視場頭戴顯示器的光學結構提供了參考。

引言

虛擬現實頭戴顯示器(virtualrealityhead-mounteddisplay，VRHMD)可以將計算機創建的虛擬圖像投射在人眼中，讓用戶沉浸體驗，有著非常廣泛的應用。通過技術處理，可以進一步實現虛擬現實交互，增加沉浸感。隨著低延時、高速度的第5代(thefifthgeneration，5G)網絡與虛擬現實頭戴顯示器的結合，我國實現了一些5G+VR應用案例。目前VR市場增長較快，預計年復合增長率在35%~40%之間，到2025年，市場銷售量將超過4x107臺。

自1986年美國國家航空航天局艾姆斯研究中心研制出虛擬現實頭戴顯示器以來，其結構不斷優化。2001年，AYE等人設計了一種基于全息像差補償的頭戴顯示器。2002年，南開大學的ZHANG等人利用折衍混合透鏡優化色差。2015年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的MENG研制了一種同軸超大視場、大出瞳VRHMD。2017年，GRABOVICˇKIC'等人提高了虛擬現實頭戴顯示器的VR感知分辨率。2018年，CHEN設計了全視場80°的輕小型同軸對稱視場光學系統結構，7lp/mm處MTF值大于0.2，加入消色差棱鏡還可以實現90°非對稱視場，雙目系統總重量小于35g。2019年，PENG等人[14]設計了一種中等視場虛擬現實頭戴顯示器，畸變小于1.3%，30lp/mm處調制傳遞函數值大于0.6，支持+3D~-8D的屈光度校正。SUN指出，傳統的大視場同軸頭戴顯示器難以同時滿足重量輕和高成像質量。

非球面透鏡有更多的設計空間，可大幅度精簡系統。非球面是旋轉對稱的，一般有具體表達式，可利用ZEMAX自帶的公差操作數進行公差分析。一般使用偶次非球面，因為奇次非曲面中央是尖的，難以加工。

近年來出現了基于手機顯示屏的虛擬現實頭戴顯示器產品。本設計根據光焦度和出瞳距離，合理分配了光焦度，得到初始結構，進一步使用非球面精簡系統。

1 設計要求與設計流程

本設計的主要標準如下：(1)視場角不小于90°，每度至少16個像素；(2)畸變小于 8%；(3)出瞳距應滿足佩戴要求，達到 13mm;出瞳直徑應滿足眼動要求；(4)總長小于70mm，重量不超過200g。設計流程如圖1所示。先根據項目要求確定圖像源，然后計算出初始結構，進一步優化，直到滿足要求。

圖1. 設計流程

2 光學結構設計

2.1 初始結構

使用近眼成像光學結構，可以縮小體積。設計之初先選定圖像源，根據像素密度較小的中心視場確定像素水平，如圖2所示。

圖2. Image source after split screen

使用GALAXYS9+手機屏，分辨率為2960pixel×1440pixel，像素大小為47.25μm×47.25μm。圖3和圖4表示瞳距調節的情況。

我國成年人瞳距大多在60mm~75mm，本設計滿足大多數用戶瞳距調節要求，同時分辨率較高。對于瞳距較小的用戶，可以適當減小水平視場。設計時控制鏡片最大半徑小于30mm，使最小瞳距小于60mm。圖5給出了瞳距調節為60mm時的情況。設計鏡頭時，單通道圖像源如圖6所示。

為便于像質評價，將顯示屏作為像面。由顯示屏的像素大小可得到Nyquist頻率和視場對應的像高，本設計半像高為44.302mm。

4 結論

本文中設計了一款同軸 VR HMD，使用高分辨率手機屏作為像源;采用樹脂材質的非球面透鏡，總重量小于 132g，結構尺寸滿足佩戴要求;最大視場角為90°，MTF下降平緩，垂軸色差小，最大畸變為6.1%。進行了公差分析，滿足生產要求。

本設計還存在一些尚未解決的問題，如傳統的VR HMD 難以解決的輻輳聚焦問題，可以嘗試的解決辦法有:可調焦透鏡組技術 ( 如 Facebook 的 alfDome)、集成成像光場顯示以及全息顯示等，但是這些技術都難以實現小型化。而大視場短焦光學系統難免引入暗角，可以通過算法校正。另外，人眼主視場在中心視場處，可以進一步設計部分視場重疊的虛擬現實頭戴顯示器，減小單目視場，優化重疊的中心視場像質。

審核編輯：湯梓紅