一种双通镜头及虚拟现实头戴显示器的制作方法

1.本技术涉及虚拟现实设备技术领域，尤其涉及一种双通镜头及虚拟现实头戴显示器。


背景技术：

2.随着科技的发展，虚拟现实(virtual reality，vr)设备在日常生活中越来越受欢迎，因此，人们希望vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，比如，vr设备能够支持手势识别。
3.如何提高vr设备的性能，是需要持续关注的问题。


技术实现要素：

4.本技术提供一种双通镜头及虚拟现实头戴显示器，用以提高vr设备的性能。
5.第一方面，本技术实施例提供一种双通镜头，用于虚拟现实头戴显示器，所述双通镜头具备6自由度功能，包括：镜片和传感器；所述镜片从物面至像面依次包括球面透镜和多个非球面透镜；所述传感器位于所述镜片之后，所述传感器用于接收可见光和/或红外光，所述传感器的像素大于等于第一阈值。
6.上述方案，镜片包括球面透镜和多个非球面透镜，能够准确清晰地对物体进行成像，使传感器能够获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高vr设备的性能；传感器不仅可以接收可见光，还可以接收来自手柄或者其他设备的红外光，因此能够实现更多的vr场景交互；传感器的像素大于等于第一阈值，能够准确获取手部动作，有效地进行手势识别，使vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高vr设备的性能。
7.一种可能的实现方法中，所述双通镜头还包括平板玻璃，所述平板玻璃位于所述镜片与所述传感器之间。
8.上述方案，可在平板玻璃上镀双通的膜，使得平板玻璃可以接收可见光和/或红外光，进而能够使传感器可以接收可见光和/或红外光，能够实现更多的vr场景交互，提高vr设备的性能。
9.一种可能的实现方法中，所述平板玻璃的厚度为0.21毫米、材料采用bk7。
10.上述方案，bk7材质硬度较高，能够防止划伤，而且可以透射可见光和/或红外光，进而能够使传感器可以接收可见光和/或红外光，能够实现更多的vr场景交互，提高vr设备的性能。
11.一种可能的实现方法中，所述多个非球面透镜包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜、第四非球面透镜和第五非球面透镜。
12.上述方案，多个非球面透镜之间相互配合，能够准确清晰的对物体进行成像，使传感器获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高vr设备的性能。
13.一种可能的实现方法中，所述双通镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第一非球面透镜与所述第二非球面透镜之间。
14.上述方案，光阑用于限制光束或限制视场(成像范围)大小，将光阑设置于第一非球面透镜与第二非球面透镜之间，能够获得较优的视场，进而使传感器获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高了vr设备的性能。
15.一种可能的实现方法中，所述球面透镜的物侧的面的曲率半径为13.32毫米、像侧的面的曲率半径为1.09毫米、厚度为0.34毫米、材料采用h-k9l；
16.所述第一非球面透镜的物侧的面的曲率半径为6.30毫米、像侧的面的曲率半径为94.52毫米、厚度为1.00毫米、材料采用ep6000；
17.所述第二非球面透镜的物侧的面的曲率半径为1.60毫米、像侧的面的曲率半径为-0.79毫米、厚度为0.32毫米、材料采用f52r_2017；
18.所述第三非球面透镜的物侧的面的曲率半径为-7.04毫米、像侧的面的曲率半径为4.25毫米、厚度为0.30毫米、材料采用ep6000；
19.所述第四非球面透镜的物侧的面的曲率半径为-6.02毫米、像侧的面的曲率半径为2.34毫米、厚度为0.30毫米、材料采用ep6000；
20.所述第五非球面透镜的物侧的面的曲率半径为1.84毫米、像侧的面的曲率半径为2.14毫米、厚度为0.30毫米、材料采用f52r_2017。
21.上述方案，多个非球面透镜之间相互配合，能够准确清晰的对物体进行成像，减少了畸变，垂轴色差，提高了相对照度，使传感器获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高了vr设备的性能。
22.一种可能的实现方法中，所述第一阈值为130万像素。
23.上述方案，能够准确获取手部动作，有效地进行手势识别，使vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高vr设备的性能。
24.一种可能的实现方法中，所述双通镜头的最大视场角为160
°
。
25.上述方案，双通镜头具有较大的最大视场角，能够观看到更多的东西，视野更加开阔，因而可以使vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高了vr设备的性能。
26.第二方面，本技术实施例提供一种虚拟现实头戴显示器，包括上述任一项所述的双通镜头。
27.一种可能的实现方法中，所述至少一个双通镜头位于所述虚拟现实头戴显示器的下端。
28.上述方案，能够准确获取手部动作，有效地进行手势识别，使vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高vr设备的性能。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本技术实施例提供的一种双通镜头的结构图；
31.图2为本技术实施例提供的一种双通镜头的结构图；
32.图3为本技术实施例提供的一种虚拟现实头戴显示器的结构图；
33.图4为本技术实施例提供的一种双通镜头的中心视场mtf结果图；
34.图5为本技术实施例提供的一种双通镜头的全视场mtf结果图；
35.图6为本技术实施例提供的一种双通镜头的畸变结果图；
36.图7为本技术实施例提供的一种双通镜头的垂轴色差结果图；
37.图8为本技术实施例提供的一种双通镜头的离焦mtf结果图；
38.图9为本技术实施例提供的一种双通镜头的相对照度结果图。
具体实施方式
39.为了使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
40.下面结合说明书附图对本技术实施例作进一步详细描述。
41.图1为本技术实施例提供的一种双通镜头的结构图。该双通镜头可用于虚拟现实(virtual reality，vr)头戴显示器，该双通镜头具有6自由度(degree of free，dof)功能，该双通镜头包括：镜片10和传感器20；该镜片10从物面至像面依次包括球面透镜11和多个非球面透镜12；传感器20位于该镜片10之后，传感器20用于接收可见光和/或红外光，传感器20的像素大于等于第一阈值。
42.上述方案，镜片包括球面透镜和多个非球面透镜，能够准确清晰的地对物体进行成像，使传感器能够获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高vr设备的性能；传感器不仅可以接收可见光，还可以接收来自手柄或者其他设备的红外光，因此能够实现更多的vr场景交互；传感器的像素大于等于第一阈值，能够准确获取手部动作，有效地进行手势识别，使vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高vr设备的性能。
43.一种可能的实现方法中，采用zemax软件进行光学设计，优化双通镜头。
44.一种可能的实现方法中，第一阈值为130万像素，当然第一阈值也可以为其他像素值，本技术对第一阈值的具体数值不做限定。该方案，能够准确获取手部动作，有效地进行手势识别，使vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高vr设备的性能。
45.一种可能的实现方法中，双通镜头接收来自vr手柄发出的红外光。
46.一种可能的实现方法中，双通镜头的最大视场角为160
°
，双通镜头的最大视场角也可以为其他数值，本技术对双通镜头的最大视场角不做限定。该方案，双通镜头具有较大的最大视场角，能够观看到更多的东西，视野更加开阔，因而可以使vr设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高了vr设备的性能。
47.一种可能的实现方法中，该双通镜头的结构图如图2所示，该双通镜头还包括平板玻璃13，该平板玻璃13位于镜片10与传感器20之间。可以在该平板玻璃13上渡双通的膜，使得该平板玻璃13可以透射可见光和/或红外光。该方案，可在平板玻璃上镀双通的膜，使得平板玻璃可以接收可见光和/或红外光，进而能够使传感器可以接收可见光和/或红外光，能够实现更多的vr场景交互，提高vr设备的性能。
48.一种可能的实现方法中，多个非球面透镜包括第一非球面透镜121、第二非球面透镜122、第三非球面透镜123、第四非球面透镜124和第五非球面透镜125。该方案，多个非球
面透镜之间相互配合，能够准确清晰的对物体进行成像，使传感器获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高vr设备的性能。
49.一种可能的实现方法中，双通镜头还包括光阑14，该光阑14采用中置方式。当然，该光阑14也可以放置于其它位置，本技术对光阑14的具体位置不做限定。
50.一种可能的实现方法中，双通镜头的光阑14位于第一非球面透镜121与第二非球面透镜122之间。该方案，光阑用于限制光束或限制视场(成像范围)大小，将光阑设置于第一非球面透镜与第二非球面透镜之间，能够获得较优的视场，进而使传感器获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高了vr设备的性能。
51.一种可能的实现方法中，第一非球面透镜121、第二非球面透镜122、第三非球面透镜123、第四非球面透镜124、第五非球面透镜125和平板玻璃13的基础参数如表1所示。也即，球面透镜11的物侧的面的曲率半径为13.32毫米、像侧的面的曲率半径为1.09毫米、厚度为0.34毫米、材料采用h-k9l；第一非球面透镜121的物侧的面的曲率半径为6.30毫米、像侧的面的曲率半径为94.52毫米、厚度为1.00毫米、材料采用ep6000；第二非球面透镜122的物侧的面的曲率半径为1.60毫米、像侧的面的曲率半径为-0.79毫米、厚度为0.32毫米、材料采用f52r_2017；第三非球面透镜123的物侧的面的曲率半径为-7.04毫米、像侧的面的曲率半径为4.25毫米、厚度为0.30毫米、材料采用ep6000；第四非球面透镜124的物侧的面的曲率半径为-6.02毫米、像侧的面的曲率半径为2.34毫米、厚度为0.30毫米、材料采用ep6000；第五非球面透镜125的物侧的面的曲率半径为1.84毫米、像侧的面的曲率半径为2.14毫米、厚度为0.30毫米、材料采用f52r_2017；平板玻璃13的厚度为0.21毫米、材料采用bk7。当然，第一非球面透镜121、第二非球面透镜122、第三非球面透镜123、第四非球面透镜124、第五非球面透镜125和平板玻璃13也可以采用其它的曲率半径、厚度和材料，本技术对第一非球面透镜121、第二非球面透镜122、第三非球面透镜123、第四非球面透镜124、第五非球面透镜125和平板玻璃13的曲率半径、厚度和材料不做限定。
52.上述方案，一方面，多个非球面透镜之间相互配合，能够准确清晰的对物体进行成像，减少了畸变，垂轴色差，提高了相对照度，使传感器获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高了vr设备的性能；另一方面，bk7材质硬度较高，能够防止划伤，而且可以透射可见光和/或红外光，进而能够使传感器可以接收可见光和/或红外光，能够实现更多的vr场景交互，提高vr设备的性能。
53.表1
[0054][0055]
一种可能的实现方法中，多个非球面透镜非球面面型系数如表2所示，其中，a表示第一非球面透镜121物侧的面，b表示第一非球面透镜121像侧的面，c表示第二非球面透镜122物侧的面，d表示第二非球面透镜122像侧的面，e表示第三非球面透镜123物侧的面，f表示第三非球面透镜123像侧的面，g表示第四非球面透镜124物侧的面，h表示第四非球面透镜124像侧的面，i表示第五非球面透镜125物侧的面，j表示第五非球面透镜125像侧的面。当然，上述多个非球面透镜也可以采用其它非球面面型系数，本技术对多个非球面透镜的非球面面型系数不做限定。
[0056]
表2
[0057] 圆锥系数4阶项6阶项8阶项10阶项a30.52-1.61e+077.24e+12-9.40e+16-9.46e+21b-85.825.27e+089.92e+13-1.08e+18-1.91e+25c-69.488.05e+082.92e+13-2.09e+19-2.20e+24d0.72-4.36e+08-1.24e+139.68e+183.00e+24e99.00-6.67e+08-3.11e+13-6.38e+18-6.27e+23f24.592.01e+08-4.85e+13-3.81e+18-1.28e+23g-59.21-1.41e+071.69e+137.42e+17-3.34e+22h-1.41-3.75e+071.29e+129.60e+171.51e+21i-9.31-2.76e+07-2.85e+121.30e+17-2.83e+21j-5.42-2.32e+083.97e+12-1.84e+15-8.46e+20
[0058] 12阶项14阶项16阶项18阶项20阶项a1.17e+272.59e+301.10e+35-1.72e+40-1.42e+45b4.21e+302.30e+341.77e+39-1.44e+457.91e+49c5.56e+29-1.99e+34-3.80e+39-7.48e+447.74e+50d-3.00e+29-7.21e+33-1.04e+39-4.15e+44-1.31e+50e4.35e+283.40e+331.22e+381.15e+442.35e+49f1.49e+28-3.05e+311.69e+379.31e+41-1.84e+47
g-2.18e+28-5.67e+31-9.42e+36-4.18e+41-2.33e+47h-2.75e+275.93e+302.43e+35-2.39e+40-2.33e+45i-4.26e+252.55e+296.04e+333.03e+371.57e+41j-3.87e+254.18e+284.39e+339.84e+371.38e+42
[0059] 22阶项24阶项26阶项28阶项30阶项a1.60e+49-2.44e+54-3.36e+59-2.77e+641.31e+69b-3.18e+55-4.40e+60-2.53e+66-7.67e+71-1.76e+77c-4.40e+54-2.76e+603.38e+661.25e+723.71e+77d-7.77e+54-1.04e+60-1.22e+65-1.78e+70-1.16e+75e-2.56e+54-4.76e+59-8.29e+64-1.91e+70-3.68e+75f2.14e+52-4.83e+577.23e+611.79e+674.21e+72g-3.51e+51-1.33e+57-3.82e+61-1.85e+67-4.61e+71h-5.91e+50-3.48e+55-3.72e+60-2.73e+65-8.72e+69i-7.22e+46-2.60e+51-1.02e+56-5.18e+60-2.41e+64j1.52e+461.34e+49-2.25e+55-7.02e+59-1.77e+64
[0060]
一种可能的实现方法中，针对可见光的不同波长范围和红外线的波长范围设置不同的权重，比如，针对人眼可感知的电磁波的波长范围设置较高的权重，针对红外线的波长范围设置较高的权重。
[0061]
一种可能的实现方法中，可见光波长为0.470um，设置权重为91；可见光波长为0.510um，设置权重为503；可见光波长为0.555um，设置权重为1000；可见光波长为0.610um，设置权重为503；可见光波长为0.650um，设置权重为107；红外光波长为0.850um，设置权重为1000。
[0062]
本技术实施例提供一种虚拟现实头戴显示器，包括上述任一项所列的双通镜头。
[0063]
一种可能的实现方法中，至少一个双通镜头位于虚拟现实头戴显示器的下端，如图3所示。
[0064]
一种可能的实现方法中，根据算法要求调整至少一个双通镜头的光轴方向和位于虚拟现实头戴显示器的位置，也即本技术对至少一个双通镜头的光轴方向不做限定，也对至少一个双通镜头位于vr头戴显示器下端的具体位置不做限定。
[0065]
一种可能的实现方法中，双通镜头的中心视场的调制传递函数(modulation transfer function，mtf)值如图4所示。mtf通常介于0-1之间，当mtf＝0时，表示经过该成像系统后无法获得目标物体的任何信息；当mtf＝1时，表示经过该成像系统后目标物体的所有信息都被呈现出来了，也即mtf值越高，镜头的清晰度越高。mtf是光学传递函数otf模值，用来描述成像系统在空间频率范围上的响应和分辨率。
[0066]
一种可能的实现方法中，双通镜头的全视场的mtf值如图5所示，其中，全视场包括中心视场和外视场。
[0067]
一种可能的实现方法中，双通镜头的畸变如图6所示，其中，图6的横坐标表示畸变程度，纵坐标表示视场。畸变指的是物体上的直线经过透镜成像后，变成弯曲的现象。畸变是由于透镜的放大率随光束和主轴间所成角度改变而引起。光线离主轴越远，畸变越大，但是若与主轴正交并通过主轴，则不发生畸变。放大率随入射角度增加而增大时称为正畸变
(即枕形畸变)；放大率随入射角度增加而减小时称为负畸变(即桶形畸变)。
[0068]
一种可能的实现方法中，双通镜头的垂轴色差如图7所示，垂轴色差，指的是当物体通过透镜有不同波长的光成像时，由于放大率的不同从而使所成像的高度不同，即由于不同光线波长的折射率不同，导致像平面上不同颜色波长的光线产生横向色散。其中，图7的横坐标表示色差值，纵坐标表示视场。
[0069]
一种可能的实现方法中，双通镜头的离焦mtf值如图8所示，离焦现象是指焦点没有对到拍摄物体上造成的模糊不清。
[0070]
一种可能的实现方法中，双通镜头的相对照度值如图9所示，相对照度值用于评估镜头透镜在不同区域的照度分布，即在图像中心和边缘区域所接受的光线强度之比。
[0071]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0072]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种双通镜头，其特征在于，用于虚拟现实头戴显示器，所述双通镜头具备6自由度功能，包括：镜片和传感器；所述镜片从物面至像面依次包括球面透镜和多个非球面透镜；所述传感器位于所述镜片之后，所述传感器用于接收可见光和/或红外光，所述传感器的像素大于等于第一阈值。2.如权利要求1所述的双通镜头，其特征在于，所述双通镜头还包括平板玻璃，所述平板玻璃位于所述镜片与所述传感器之间。3.如权利要求2所述的双通镜头，其特征在于，所述平板玻璃的厚度为0.21毫米、材料采用bk7。4.如权利要求1所述的双通镜头，其特征在于，所述多个非球面透镜包括第一非球面透镜、第二非球面透镜、第三非球面透镜、第四非球面透镜和第五非球面透镜。5.如权利要求4所述的双通镜头，其特征在于，所述双通镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第一非球面透镜与所述第二非球面透镜之间。6.如权利要求4或5所述的双通镜头，其特征在于，所述球面透镜的物侧的面的曲率半径为13.32毫米、像侧的面的曲率半径为1.09毫米、厚度为0.34毫米、材料采用h-k9l；所述第一非球面透镜的物侧的面的曲率半径为6.30毫米、像侧的面的曲率半径为94.52毫米、厚度为1.00毫米、材料采用ep6000；所述第二非球面透镜的物侧的面的曲率半径为1.60毫米、像侧的面的曲率半径为-0.79毫米、厚度为0.32毫米、材料采用f52r_2017；所述第三非球面透镜的物侧的面的曲率半径为-7.04毫米、像侧的面的曲率半径为4.25毫米、厚度为0.30毫米、材料采用ep6000；所述第四非球面透镜的物侧的面的曲率半径为-6.02毫米、像侧的面的曲率半径为2.34毫米、厚度为0.30毫米、材料采用ep6000；所述第五非球面透镜的物侧的面的曲率半径为1.84毫米、像侧的面的曲率半径为2.14毫米、厚度为0.30毫米、材料采用f52r_2017。7.如权利要求1至5中任一项所述的双通镜头，其特征在于，所述第一阈值为130万像素。8.如权利要求1至5中任一项所述的双通镜头，其特征在于，所述双通镜头的最大视场角为160
°
。9.一种虚拟现实头戴显示器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至8中任一项所述的双通镜头。10.如权利要求9所述的虚拟现实头戴显示器，其特征在于，所述至少一个双通镜头位于所述虚拟现实头戴显示器的下端。

技术总结
本申请提供一种双通镜头及虚拟现实头戴显示器，包括镜片和传感器；该镜片从物面至像面依次包括球面透镜和多个非球面透镜；该传感器位于镜片之后，该传感器用于接收可见光和/或红外光，该传感器的像素大于等于第一阈值。该方案，镜片包括球面透镜和多个非球面透镜，能够准确清晰地对物体进行成像，使传感器能够获取准确清晰的图像，便于传感器的后续处理，提高VR设备的性能；传感器不仅可以接收可见光，还可以接收来自手柄或者其他设备的红外光，因此能够实现更多的VR场景交互；传感器的像素大于等于第一阈值，能够准确获取手部动作，有效地进行手势识别，使VR设备能够具有更多的功能，实现更多的场景交互，提高VR设备的性能。性能。性能。


技术研发人员：张振超 陈必然 朱能胜 张恒溢 漆亚欢
受保护的技术使用者：上海摩软通讯技术有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/5