虚拟现实眼镜光学组件的设计与分析
李 政1，来 颖2，曹家勇1
【摘 要】摘要：针对虚拟现实眼镜的光学镜片直径以及出瞳距离对视场角的敏感性做了分析，选择了最优的镜片直径和出瞳距离，采用Zemax软件设计了相应的球面和非球面镜片。对二者的弥散斑和轴外相差进行了对比，发现非球面镜片可以显著提高镜片的成像效果，并应用软件消除了由镜片导致的畸变。设计的非球面镜片视场大、畸变小，达到了预期的效果。 【期刊名称】光学仪器 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】6
【关键词】非球面镜片；虚拟现实眼镜；视场角
引 言
与目前被广泛关注的Google Glass不同，虚拟现实眼镜是一款虚拟现实的头戴式显示器，带上它之后，使用者将看到的是另一个虚拟的世界，并且通过双眼视差，使用者会有很强的立体感。此外，由于虚拟眼镜当中配有陀螺仪、加速计等惯性传感器，可以实时的感知使用者头部的位置，并对应调整显示画面的视角，使得用户仿佛完全融入到了这个虚拟世界当中。
头戴显示器的光学系统包括以下几类：类似Google Class的通过光学系统可以实现增强现实［1］；类似Sony HMZ－T3的光学系统，采用光学镜片组，实现畸变矫正、色差处理等［2］；类似Oculus Rift的光学系统，每个眼前只有一个光学目镜，图形的畸变矫正、色差处理等部分交给图形处理软件完成［3］，这一类系统，结构简单，视场角度大，价格低廉，迅速引起了关注。
虽然目镜的视场角公式早已经存在，但是具体应用中，出瞳距离设计多少，视场角对目镜直径的敏感性等，却很少有分析。本文针对单个镜片的光学系统，分析了镜片大小以及出瞳距离对视场角的影响。然后，根据选定的视场角和镜片直径，采用Zemax软件，设计了球面镜片和非球面镜片，并对他们的成像效果进行了对比，发现采用非球面透镜可以大大的降低弥散斑和轴外像差的大小。
1 系统构成
1.1 系统构成及显示原理
产品的系统构成如图1所示，包括LCD或LED屏幕及其驱动模块、光学镜片、头部姿态检测模块。另外，系统需要连接到电脑上才能运行。
如图2所示为5～7in（1in＝2.54cm）的显示器被分为左右两个部分，分别显示左右眼看到的图像。由于左右眼分别看图像，所以会有3D效果。光学镜片为凸透镜，将显示图像放大。由于通过光学系统，人眼看到的景象视角比较大，可以达到100°，所以极大的增强了人们体验的临场感。同时，姿态检测系统会将头部的姿态传给电脑，电脑会根据头部的姿态，调整看到的视场角，从而使人仿佛在现实中观看一样。我们把这种体验称为沉浸式体验。 1.2 人眼睛的视觉原理
人眼睛通过左右眼关注到某点的直线交点确定空间中点的位置，如图3所示［4］。视野指头部、眼球固定不动时所能看到的空间范围，可分为动视野、静视野和注视野。动视野是头部固定不动，自由转动眼球时的可见范围；静视野是头部固定不动，眼球静止不动状态下的自然可见范围；注视野是头部固定不动，转动眼球而只盯视某中心时的可见范围。
正常人的视力范围比视野要小，因为视力范围是要求能迅速、清晰地看清目标细节的范围，只能是视野的一部分。例如，在垂直方向的视野中，立姿时视线方向在视轴以下10°；坐姿时视线方向在视轴以下15°；而当视角为30°～40°时，可以迅速而有效地扫视，称其为有效视力范围。所以，该范围是布置机器装置最适宜的范围［5］。人眼的水平视场角和垂直视场角如图4、图5所示。
2 视场角的分析
如图6所示，将物象放在透镜的焦距附近时，人眼睛可以看到放大的像。放大倍数为［6］：
式中f′为透镜的焦距。 人眼镜看到的视场角为：
式中：γ为透镜的半径；ρ为出瞳距离。 2.1 透镜半径与视场角
对于单独的双凸或平凸非球面镜片，焦距f可以做到与透镜的通光口径D大小相近，比通光口径略小。f／D的大小不可能无限小，该值越小，镜片越厚。以眼睛与镜片的距离为8mm计算，透镜半径与视场角的关系为： 图形显示如图7、图8所示
我们定义单眼视场角对半径的敏感度为：
由图可以看出，对于单眼的视场角，当镜片半径增大到30mm之后，视场角已经达到75°，再增加视场角需要增加的半径比较大。比如当镜片半径为35mm，时，视场角为77°，只增加了2°。
对于双眼视场角，与单眼视场角的关系如下： 对于上述图形，其对应的数值见表1。
虚拟现实眼镜光学组件的设计与分析
