CN108227052A

CN108227052A - 一种光学透镜及虚拟现实装置

Info

Publication number: CN108227052A
Application number: CN201611129828.2A
Authority: CN
Inventors: 左惟涵; 陈贵喜; 郭福忠; 宋磊
Original assignee: SuperD Co Ltd
Current assignee: SuperD Co Ltd
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-29

Abstract

本发明公开了一种光学透镜及虚拟现实装置，可应用于虚拟现实成像光学技术领域，解决了现有虚拟现实装置内的光学透镜的短焦距和轻薄不能同时兼备的技术问题。光学透镜为双凸透镜；双凸透镜的两个凸面均为非球面；双凸透镜的折射率大于1.5，双凸透镜的焦距不大于30mm。本发明实施例中的光学透镜采用折射率大于1.5的材质制备，能够将双凸透镜的焦距减小到30mm以下，在此基础上双凸透镜的中心厚度和边缘厚度适当的减小，可将双凸透镜的整体体积可以缩小，配合光学透镜的焦距，相对于现有技术，光学透镜同时具备短焦距和轻薄。

Description

一种光学透镜及虚拟现实装置

技术领域

本发明实施例涉及虚拟现实成像光学技术领域，尤其涉及一种光学透镜及虚拟现实装置。

背景技术

近年来，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术是一种基于计算机生成的信息交互，具有一定沉浸感的视觉虚拟环境，人眼通过透镜观察屏幕，由于左右眼所看到的图像视场不一致，从而可以看到立体图像。

目前市场上用于虚拟现实头盔目镜普遍存在焦距过长、中心厚度太厚的缺陷，增加了使用者负担。在虚拟现实头盔中，焦距、视场、透镜厚度有一定的制约关系。同时满足大视场、短焦距、薄透镜厚度是非常困难的，且考虑到加工难度，透镜边缘厚度也需控制在1mm以上。

现有技术公开了一种VR眼镜用双凸透镜，双凸透镜主体为两个曲面都外凸的球面镜，但是这样的面型结构将导致边缘图像有非常严重的畸变，并且初级像差较大，双凸透镜的视场角很小。

现有技术公开了一种扩大视场角的目镜，它之所以有较大的视场角，是因为目镜的两个曲面设计成边缘曲率与中间曲率不同的非球面透镜，且该两个曲面一个是向外凸，另一个是向内凸，根据仿真结果，这样的非球面透镜可有效校正边缘像差，满足大视场角。但是目前存在的问题是：现有设计的目镜的焦距较大，焦距不低于40mm，而且透镜中心厚度也较厚，中心厚度不低于12mm，这样做出来的VR设备重量大，体积大，增加了使用者的负担。

综上，现有VR透镜在保持大视场角的情况下，VR透镜的中心厚度与焦距往往互相制约，在现有的设计中，满足短焦距时不能满足薄透镜，而当满足薄透镜时，不能满足短焦距。因此，现有的VR目镜不能同时实现大视场角、短焦距、薄厚度。

发明内容

本发明提供一种光学透镜及虚拟现实装置，用以解决现有虚拟现实装置内光学透镜的短焦距和轻薄不能同时兼备的技术问题。

本发明实施例提供一种光学透镜，所述光学透镜为两个凸面均为非球面的双凸透镜；所述双凸透镜的折射率大于1.5，所述双凸透镜的焦距不大于30mm。

可选的实施例中，所述双凸透镜的焦距为20mm～30mm，和/或所述双凸透镜的中心厚度为6.5mm～10mm。

可选的实施例中，所述双凸透镜的焦距为26.45mm时，所述双凸透镜的中心厚度为8.18mm。

可选的实施例中，所述双凸透镜的视场角≥90°。

可选的实施例中，所述双凸透镜的折射率为1.5～1.65。

可选的实施例中，所述双凸透镜的边缘厚度为1.5mm～2.5mm。

可选的实施例中，所述双凸透镜的外径不小于25mm。

可选的实施例中，所述两个凸面为第一曲面和第二曲面，所述第一曲面是以所述第一曲面的中心点为对称中心的旋转对称图形；所述第二曲面是以所述第二曲面的中心点为对称中心的旋转对称图形，其中，所述第一曲面的中心点与所述第二曲面的中心点同轴。

本发明实施例中的光学透镜是采用折射率大于1.5的材质制备的，将双凸透镜的焦距减小到30mm以内，将双凸透镜的中心厚度和边缘厚度适当的减小，以此缩小双凸透镜的整体体积。相对于现有技术，该光学透镜可以同时具备短焦距和轻薄的优势。

本发明实施例提供一种虚拟现实装置，包括上述实施例中的任一光学透镜，还包括与所述光学透镜同轴的显示屏；

所述光学透镜的两个凸面分别为第一曲面和第二曲面，其中，所述第二曲面靠近所述显示屏，所述第一曲面与所述显示屏的中心间距不大于30.5mm。

可选的实施例中，所述光学透镜还包括一固定框架，所述固定框架固定在所述光学透镜的外边缘，所述固定框架的厚度与所述光学透镜的边缘厚度一致。

可选的实施例中，所述固定框架的外径比所述双凸非球面透镜主体的外径大1mm～3mm。

本发明实施例中的虚拟现实装置采用了同时具备短焦距和轻薄特点的光学透镜，该光学透镜是采用折射率大于1.5的材质制备的，焦距在30mm以内，，中心厚度和边缘厚度适当的减小后，光学透镜的整体体积得以减小，进而可有效减小虚拟现实装置的体积。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a为本发明实施例提供的基于已有专利CN 105785487 A的双凸透镜参数的成像光路示意图；

图1b为基于已有专利CN 105785487 A球面双凸透镜参数得到的仿真数据的示意图；

图2a为本发明实施例提供的基于已有专利CN 104898267 A的双凸透镜参数的成像光路示意图；

图2b为基于已有专利CN 104898267 A非球面双凸透镜参数得到的仿真数据的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光学透镜的结构示意图；

图4a为本发明实施例提供的一种光学透镜的成像光路示意图；

图4b为本发明实施例提供的一种光学透镜的仿真数据的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种VR装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种带有固定框架的光学透镜的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的发明人在研发大视场角、焦距更短、厚度更薄的VR目镜时，分别对现有技术中的球面双凸透镜和非球面双凸透镜的面型以及面型参数进行仿真，其中，球面双凸透镜为两个曲面都外凸的球面透镜，非球面双凸透镜为一个面向外凸，另一个面向内凸的非球面透镜，得到的仿真结果分别为：

请参阅图1a所示，球面双凸透镜应用在虚拟现实装置的成像光路仿真图中，随着视场角在0°～45°的区间的增大，由仿真图可以看出光线在屏幕处不能很好的聚焦，这将导致较大的像差。因此，若通过球面透镜做成相应的透镜，较小的视场角的情况下可以确保图像边缘清晰，但VR头盔一个重要的指标是必须有足够大的视场角度，然而该利用球面双凸透镜的VR头盔在大视场角的情况下，边缘图像极度模糊，无法确保边缘图像的清晰。

图1b为基于球面双凸透镜参数得到的仿真数据，可以看出，双凸透镜的焦距为42.56898mm，瞳孔到显示屏幕的距离为61.5mm，由于出瞳距离为10mm，即双凸透镜靠近瞳孔侧的曲面的中心到显示屏幕的距离实际为51.5mm，因此，整体尺寸过大，增加使用者负担。其中，出瞳距离是瞳孔到双凸透镜靠近瞳孔侧的曲面的中心的距离。

如图2a所示，非球面双凸透镜应用在虚拟现实装置的成像光路仿真图中，因双凸透镜的两个曲面都是非球面，且其中一个球面是外凸，另一个是内凸，有效的矫正了图像边缘的像差。

图2b为基于非球面双凸透镜参数的仿真数据，可以看出，该双凸透镜的焦距为40.54826mm，瞳孔到显示屏幕的距离为66mm，瞳孔到显示屏幕的距离加入了出瞳距离10mm，即双凸透镜靠近瞳孔侧的曲面的中心到显示屏幕的距离实际为56mm，这样的面形能够满足较大的视场角，但是根据其数据模拟得到，其焦距在大于40mm，并且其透镜中心厚度为12～20mm，边缘厚度为1～9mm，中心厚度过厚，尺寸较大，导致镜片重量较重，其次，应用在VR头盔中的光学系统中，增加VR头盔的重量和体积，加重了使用者的负担。

基于上述发现，为了保证较高的成像质量，同时为了减轻使用者负担，增加舒适感，整体减小光学系统尺寸是非常有必要的。

本发明实施例提供一种同时具备短焦距和小尺寸的光学透镜，将该短焦距和小尺寸的光学透镜作为虚拟现实装置的目镜使用，可以同时达到广视角和减小虚拟现实装置的体积的目标。显而易见，该光学透镜应用在其他领域，也能达到短焦距、小尺寸、重量轻的效果。下述各实施方案中，仅举例光学透镜应用在虚拟现实装置说明该光学透镜实际应用的有益效果，其他应用领域不再一一例举。

首先，本发明实施例提供的光学透镜为两个凸面均为非球面的双凸透镜，请参阅图3和图4a，双凸透镜101的两个凸面分别为第一曲面102和第二曲面103，第一曲面102和第二曲面103的外凸方向相反，可以保证光学透镜的视场角≥90°，当该双凸透镜101应用在虚拟现实设备时，第一曲面102朝向观看侧，第二曲面103朝向虚拟现实设备的显示屏幕。显而易见，第一曲面102也可朝向显示屏幕，而第二曲面103朝向观看侧。且本发明实施例提供的光学透镜的折射率＞1.5，使得光学透镜的焦距可减小至30mm以下，实现了短焦距的光学透镜。进一步的，当该虚拟现实装置中采用该光学透镜时，使得该虚拟现实装置的体积较小。

由上可知，本发明的光学透镜通过采用双面外凸的非球面透镜实现了大视场角，在控制光学透镜的折射率大于1.5的同时使得光学透镜的焦距可设置为小于30mm(现有技术的光学透镜的折射率通常小于1.5，例如现有技术通常采用PMMA的材料制作，而该PMMA的折射率为1.49，因而现有技术的光学透镜的焦距是无法设计到小于30mm的，一般在40mm左右)，从而最终同时实现了光学透镜的大视场角、短焦距，并使得应用该光学透镜的虚拟现实装置具备大视场角、短焦距及体积小的优点。

即可选的，在一些实施例中，双凸透镜101的折射率可选的范围为1.5～1.65之间，具体可选例如为：1.53，1.54，1.58，1.62，1.63等等，材质可以为塑料。

在控制透镜的折射率的同时，为了使应用该光学透镜的虚拟现实装置的光学结构更加紧凑，整体进一步减小虚拟现实装置的体积，双凸透镜101的第一曲面102的中心到显示屏幕的距离最大为30.5mm，且双凸透镜的焦距控制在30mm以内(包括30mm)，即双凸透镜101的焦距≤30mm。显而易见，应用该光学透镜的其他光学装置的光学结构也会减小。

在虚拟现实装置的体积缩小的同时，为保证较好的成像质量、低色散，且使得双凸透镜重量较轻进而使得该虚拟现实装置的重量较轻，双凸透镜101的中心厚度控制在6.5mm～10mm之间。为了同时使得虚拟现实装置的重量较轻，双凸透镜101的焦距设置在20mm～30mm之间(包括20mm和30mm)。例如：当双凸透镜101的焦距为30mm时，双凸透镜101的中心厚度最薄可以达到6.5mm；双凸透镜101的中心厚度为10mm时，双凸透镜101的焦距最小可达20mm。

优选的，为了使双凸透镜101具有较高的成像质量进而使得应用该双凸透镜的虚拟现实装置具有较高的成像质量，双凸透镜101设置为轴对称形状，具体的，第一曲面102是以第一曲面102的中心点为对称中心的旋转对称图形；第二曲面103是以第二曲面103的中心点为对称中心的旋转对称图形，其中，第一曲面102的中心点与第二曲面103的中心点同轴。

因第一曲面102和第二曲面103都是非球面，在一款光学透镜产品的设计中，需要调整光学透镜的两个非球面的非球面参数，来获得同时具备短焦距、薄厚度的光学透镜。

例如，通过设计双凸透镜101的第一曲面102和第二曲面103的非球面系数，可以满足双凸透镜101的焦距为20mm，双凸透镜101的中心厚度为10mm的边界条件。第一曲面102和第二曲面103的非球面系数可以有多种。

其中，非球面系数的表达式如下：

其中，z为非球面的矢高，c为非球面的曲率，r为非球面在XY坐标平面的半径，k为圆锥系数，α1至α8为非球面系数。

一种可选的实施例中，满足双凸透镜101的焦距为20mm，双凸透镜101的中心厚度为10mm的边界条件时，第一曲面102的非球面系数参见表1，第二曲面103的非球面系数参见表2。

一种可选的实施例中，满足双凸透镜101的焦距为30mm，双凸透镜101的中心厚度为6.5mm的边界条件时，第一曲面102的非球面参数参见表3，第二曲面103的非球面参数表4。

一种优选实施例中，采用折射率大于1.5的透镜材质PC，并设计出的第一曲面102的非球面参数(参见表5)和第二曲面103的非球面参数(参见表6)，满足双凸透镜101的焦距为26.45mm，双凸透镜101的中心厚度为8.18mm，双凸透镜101的外径为29mm。

进一步的，本发明的任一实施例中，双凸透镜101的外径不小于25mm。为了防止人眼睫毛扫到临近人眼的第一曲面102，需要在人眼和第一曲面102之间保留一定的出瞳距离，其中，出瞳距离一般在10mm～25mm。

同时，假如出瞳直径为5mm，出瞳距离为10mm，视场角为90°时，根据几何关系可知，双凸透镜101的外径尺寸应不小于25mm。

对于出瞳直径很小的系统，不同的使用者必须进行瞳距的调节，这给使用者带来不必要的麻烦。当上述双凸透镜101应用在虚拟现实装置时，因出瞳直径较大，所以对瞳距的调节要求很低，很大程度的可以减少因需要调节瞳距给使用者使用虚拟现实装置带来的麻烦。

表1

r	28.51619034
		c	8.3229e-004
α₁	0
		α₂	-5.379e-005
α₃	1.5021e-007
		α₄	-5.164e-010
α₅	1.7818e-012
		α₆	0e+00
α₇	0e+00
		α₈	0e+00

表2

r	-0.20784394
		c	-1.070e-004
α₁	0e+00
		α₂	-3.096e-006
α₃	5.3917e-007
		α₄	-4.397e-009
α₅	1.2378e-011
		α₆	0+00e
α₇	0+00e
		α₈	0+00e

表3

r	56.56802271
		c	0.348093630
α₁	3.8476e-003
		α₂	4.2360e-005
α₃	3.5741e-007
		α₄	-4.350e-009
α₅	8.9018e-012
		α₆	0e+00
α₇	0e+00
		α₈	0e+00

表4

r	-20.1826405
		c	-1.30573430
α₁	8.1356e-003
		α₂	2.6394e-005
α₃	1.0163e-006
		α₄	-6.864e-009
α₅	1.0412e-011
		α₆	0+00e
α₇	0+00e
		α₈	0+00e

表5

r	1.216687210
		c	-1
α₁	-0.40273524
		α₂	1.4012e-005
α₃	-4.423e-008
		α₄	7.9554e-011
α₅	0+00e
		α₆	0+00e
α₇	0+00e
		α₈	0+00e

表6

r	-0.20784394
		c	-1
α₁	2.380326860
		α₂	-3.1876e-006
α₃	2.7949e-007
		α₄	-1.446e-009
α₅	2.7050e-012
		α₆	0+00e
α₇	0+00e
		α₈	0+00e

在上述任一实施例中，为了进一步减轻双凸透镜的重量，双凸透镜的边缘厚度为1.5mm～2.5mm。

根据透镜加工工艺，双凸透镜101的边缘厚度d>0.04D，其中，D为双凸透镜101的外径，因本发明实施例中，D≥25mm，因此双凸透镜101的边缘厚度d满足：d>1mm。但从加工的难易程度来看，双凸透镜101的边缘厚度不宜太薄，为使透镜容易加工且保证面型精度，双凸透镜101的边缘厚度至少为1.5mm，且为确保整体缩小双凸透镜101的厚度，双凸透镜101的边缘厚度最大为2.5mm。所以，本发明实施例中，双凸透镜101的边缘厚度为1.5mm～2.5mm。

在一最佳实施例中，双凸透镜101的两个曲面为非球面以确保视场角FOV≥90°，双凸透镜101选取折射率＞1.5的PC材质，双凸透镜101的焦距≤30mm，且双凸透镜101的边缘厚度≥1.5mm，双凸透镜101的中心厚度为6.5mm～10mm，双凸透镜101的外径尺寸在25mm～32mm。该种双凸透镜视场角大、焦距短且重量轻。且进一步的在优选的虚拟现实装置中，优选该种双凸透镜，使得该虚拟现实装置的视场角大、重量轻、焦距短且同时使得该虚拟现实装置的整体体积小。仿真出的双凸透镜101的成像光路图参见图4a，通过图4a可以看出，视场角在0°～45°范围内的像差满足目视系统要求，由于本发明实施例的光学透镜的两个凸面都为旋转对称图形，该透镜的视场角为0～90°都可以有很高的成像质量，大的视场角给用户更好的沉浸感。

根据本发明实施例提供的双凸透镜101的焦距、中心厚度、边缘厚度、外径尺寸，以及两个凸面的非球面参数，将此双凸透镜应用在虚拟现实装置的成像光路中仿真出的光学透镜的光学系统数据，参见图4b，从图4b中可以看出，该光学透镜的焦距只有26.45mm(即表中的Effective focal length)，总长度(人眼到显示屏的距离)仅有40.18mm(即表中的total track，该尺寸加入了出瞳距离10mm)，也即双凸透镜靠近瞳孔侧的曲面的中心到显示屏幕的距离仅为30.18mm，极大的减小了光学系统尺寸，因此应用在虚拟现实装置中时，使得该虚拟现实装置同时具备大视角、短焦距和轻薄的特点，可减轻使用者的佩戴负担。

基于相同的发明构思，本发明实施例提供一种如图5所示的虚拟现实装置，该虚拟现实装置100包括上述任一实施方式中的光学透镜，该光学透镜为包括两个凸面的双凸透镜101，还包括与光学透镜同轴的显示屏105；

光学透镜的两个凸面分别为第一曲面102和第二曲面103，其中，第二曲面103靠近显示屏105，第一曲面102的中心与显示屏的距离不大于30.5mm。

较佳的实施例中，第一曲面102是以第一曲面102的中心点为对称中心的旋转对称图形；第二曲面103是以第二曲面103的中心点为对称中心的旋转对称图形，其中，第一曲面102的中心点与第二曲面103的中心点同轴。

此外，为了便于透镜安装，本发明实施例中的光学透镜还包括一固定框架104，固定框架104固定在双凸透镜101的外边缘，如图5和图6所示。

可选的，本发明实施例中，固定框架104的外径比双凸透镜101的外径大1mm～3mm。

可选的，如图5所示，固定框架104的厚度与双凸透镜101的边缘厚度一致。

可选的，本发明实施例中，第一曲面102、第二曲面103为非球面、自由曲面中的任意一种。

可选的，本发明实施例中，固定框架104的外沿可以是圆形、椭圆、多边形的任意一种。本实施例的固定框架104首选圆形。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作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发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种光学透镜，其特征在于，所述光学透镜为两个凸面均为非球面的双凸透镜；所述双凸透镜的折射率大于1.5，所述双凸透镜的焦距不大于30mm。

2.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述双凸透镜的焦距为20mm～30mm，和/或所述双凸透镜的中心厚度为6.5mm～10mm。

3.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，所述双凸透镜的焦距为26.45mm时，所述双凸透镜的中心厚度为8.18mm。

4.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述双凸透镜的视场角≥90°。

5.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述双凸透镜的折射率为1.5～1.65。

6.如权利要求1至5任一项所述的光学透镜，其特征在于，所述双凸透镜的边缘厚度为1.5mm～2.5mm。

7.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述双凸透镜的外径不小于25mm。

8.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，所述两个凸面为第一曲面和第二曲面，所述第一曲面是以所述第一曲面的中心点为对称中心的旋转对称图形；所述第二曲面是以所述第二曲面的中心点为对称中心的旋转对称图形，其中，所述第一曲面的中心点与所述第二曲面的中心点同轴。

9.一种虚拟现实装置，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的光学透镜，还包括与所述光学透镜同轴的显示屏；

10.如权利要求9所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述光学透镜还包括一固定框架，所述固定框架固定在所述光学透镜的外边缘，所述固定框架的厚度与所述光学透镜的边缘厚度一致。

11.如权利要求10所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述固定框架的外径比所述双凸非球面透镜主体的外径大1mm～3mm。