沉浸式虚拟现实头盔显示器光学系统的研究

摘要

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，能使用户沉浸到虚拟世界的环境中。头盔显示器（Head Mounted Display,HMD）是实现虚拟现实显示技术的重要设备，头盔显示器把计算机输出的数字图像成像到人眼，使人眼观察到立体的场景，并覆盖人眼的大部分视场，模拟一种真实的场景。通过虚拟现实技术，可以将特定场景进行模拟仿真，对医学、航天、娱乐、建筑等都有重要的帮助作用。沉浸式虚拟现实头盔显示技术可以使人们在感受模拟场景的同时具有强烈的沉浸感，使人身临其境。沉浸感是评判沉浸式虚拟现实头盔显示器的重要标准，为了达到高沉浸感，必须在保证像质的前提下使头盔显示器的光学系统具有较大的视场角。 本文针对大视场沉浸式头盔显示器的光学特性，对大视场沉浸式头盔显示器的参数指标进行分析。选择分辨率为2436×1125，像元尺寸为61.33μm的液晶屏（IPHONEX屏幕）与分辨率为2688×1242，像元尺寸为61.84μm的液晶屏（IPHONEXS MAX屏幕）作为虚拟现实头盔显示器的显示屏，分别设计视场角为90°的两片式和视场角为100°的三片式光学镜头。在设计过程中通过加入多个非球面，在保证各个视场角下光学系统的像质的同时，系统具有较低的畸变，透镜数量也减少。同时为了减轻系统的重量，本文设计的光学系统采用低密度的APEL、480R与IKP-4HT等树脂材料。 针对近视与远视人群使用沉浸式头盔时存在的不适感，对头盔显示器的屈光度调节进行分析，提出两种HMD光学系统的屈光度矫正方案。对设计完成的镜头进行公差分析和光学加工，最后对装配完成的光学系统进行成像实验。 本文设计的HMD光学系统在保证大视场的前提下，使中心与边缘视场同时具有较高的成像质量。相对于目前市场上常用的单片式结构，两片或者三片式结构能更好地校正各类像差，得到更大的视场角；而相对于镜头数量更多的结构，两片或者三片式结构具有更紧凑的结构，更轻的重量，更低的制造成本，可应用于新一代虚拟现实设备的头盔显示系统。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 虚拟现实简介

1.2 虚拟现实头盔显示器的类型

1.3 国内外研究进展

1.4 本文研究的目的及意义

1.5 本文研究的主要内容

第二章 沉浸式虚拟现实头盔显示技术的原理

2.1 沉浸式虚拟现实头盔显示器光学系统的像差特性

2.2 沉浸式虚拟现实头盔显示器光学系统的特征

2.3 非球面的像差校正

2.4 沉浸式虚拟现实头盔显示器光学系统设计要求

2.5 本章小结

第三章 沉浸式虚拟现实头盔显示器光学系统设计

3.1 沉浸式虚拟现实头盔显示器初始结构

3.2 两片式头盔显示器光学系统设计

3.3 三片式头盔显示器光学系统设计

3.4 头盔显示器的屈光度调节

3.5 本章小结

第四章 沉浸式虚拟现实头盔显示器光学系统的公差分析及实验

4.1 公差分析基础

4.2 两片式与三片式头盔显示器光学系统公差分析

4.3 沉浸式HMD光学系统镜筒结构设计

4.4 沉浸式头盔显示器实物加工及成像实验

4.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录

作者简历