CN111077676A - 散光矫正透镜、头戴显示设备和散光矫正方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种散光矫正透镜，包括层叠设置的第一镜片和第二镜片，所述第一镜片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第二镜片包括相对设置的第三表面和第四表面，所述第一表面和所述第三表面为平面结构；所述第二表面和所述第四表面为三次曲面结构，面型结构表达式为：

z为所述三次曲面表面的矢高；x、y表示在正交轴上的位置；A的大小与所述第二表面和所述第四表面的面型起伏程度相关，D的大小与所述第二表面和所述第四表面的面型倾斜程度相关，E的大小与所述第二表面和所述第四表面的高度位置相关，所述第二表面和所述第四表面的区别在于E值的不同。本申请散光矫正透镜通过平移操作即可满足功能需求，不需要旋转操作，简单方便。

Description

散光矫正透镜、头戴显示设备和散光矫正方法

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种散光矫正透镜、头戴显示设备和散光矫正方法。

背景技术

目前的散光矫正方案是个性化的定制矫正透镜。首先通过验光得到患者的散光度数以及轴位角度，然后加工相应的柱面透镜以矫正散光。眼镜加工厂商会按25°一档加工散光度数在0～200°范围内散光矫正透镜作为库存透镜，可以让消费者在验光之后短时间内拿到加工好的眼镜。

在某些应用场合中，为每位消费者定制个性化的矫正透镜较难实现。例如，如果在虚拟现实(Virtual Reality,VR)和增强现实(Augmented Reality,AR)等头戴显示设备(Head Mounted Display,HMD)中为消费者定制个性化的矫正透镜，会使设备的通用性变差，即消费者购买的头显设备只能自己使用，不能借给别人使用。

发明内容

本申请提供一种散光矫正透镜、头戴显示设备和散光矫正方法，可方便调节散光度数以及轴位角度，以适用于不同的患者，增强了通用性，且是通过进行平移调节即可达到相应的散光矫正效果，不需要进行旋转操作，使得调节过程简单方便。

本申请所述散光矫正透镜包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片的表面与第二镜片的表面相对设置，所述第一镜片包括两个相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面为平面结构，所述第二表面为三次曲面结构。为了方便描述，规定本申请中所涉及表达式均在笛卡尔坐标系下，其中原点位于第一表面的中心，x轴和y轴位于第一表面上，z轴方向由第一表面指向第二表面。显而易见，所述第一表面的面型结构表达式为z＝0。所述第二表面的面型结构表达式为：

所述第二镜片包括两个相对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面为平面结构，表达式为z＝E₃，所述第四表面为三次曲面结构，所述第四表面的面型结构表达式为：

其中，z₁和z₂分别为所述第二表面和所述第四表面的矢高，x、y表示在正交轴上的位置，A、D、E₁、E₂和E₃为系数，所述A的大小与所述第二表面和所述第四表面的面型起伏程度相关，所述D的大小与所述第二表面和所述第四表面的面型倾斜程度相关，所述E₁、E₂和E₃的大小与所述第二表面、所述第四表面和所述第三表面的高度位置相关。

所述第二表面和所述第四表面的面型由上述面型结构表达式所示，设两个镜片沿x轴方向和y轴方向分别相对平移δ和β，具体地，所述第一镜片向x轴的负方向平移δ/2，向y轴的负方向平移β/2，所述第二镜片向x轴的正方向平移δ/2，向y轴的正方向平移β/2。需要注意的是，所述的平移距离δ和β可以正数也可以是负数。其中，所述δ和β通过公式：

由参数F和α来进行表示。在一个实施例中透镜组的第二表面和第四表面相对放置，此时E₂和E₃均为正值，且E₃>E₂。在另一个实施例中透镜组的第一表面和第三表面相对放置，此时E₂和E₃均为负值，且E₃>E₂。在所述的两个实施例中均可以推导出，所述第一镜片与所述第二镜片共同组成的所述散光矫正透镜的厚度公式为：

所述厚度公式的第三项为与x和y无关的常数项，不会影响所述散光矫正透镜的面型结构，因此不会对所述散光矫正透镜的光焦度造成影响，所述厚度公式的前两项表明所述散光矫正透镜的厚度变化为轴位方向与x轴成α角的双曲抛物面。因此，所述的散光矫正透镜在轴位方向上的光焦度为正值，而与轴位方向正交的方向上的光焦度为负值。此时，当所述的散光矫正透镜的轴位方向与患者的散光轴位方向相同，且轴位方向与其正交方向上的光焦度之差与患者的散光度数的百分之一的相反数相同时，所述的散光矫正透镜可以用于矫正患者的散光。需要注意的是，在矫正散光的同时需要与近视或远视配合矫正，因此，所述的散光矫正透镜需要配合近远视矫正机构使用。所述的近远视矫正机构可以是机械调焦机构、液晶透镜、液体透镜、Alvarez透镜等可以改变光焦度的机构。由所述厚度公式可知，本申请所述散光矫正透镜可以通过调节所述第一镜片和所述第二镜片的相对位置，从而满足不同散光患者的需求，通用性较强。并且，在使用本申请所述散光矫正透镜对任意散光轴位方向的散光患者进行视力矫正时，通过将所述第一镜片和所述第二镜片在x轴和y轴方向进行相对平移，即可满足矫正功能需求，无需进行旋转移动，使得散光矫正过程的操作更加简单方便。明显地，虽然上述的公式是在所述第一镜片和第二镜片分别向x轴负方向和正方向平移δ/2、同时分别向y轴负方向和正方向平移β/2的情况下推导出来，但只要所述第一镜片相对于第二镜片在x轴负方向和y轴负方向上的位移为δ和β时，所述散光矫正透镜即有上述的散光矫正能力。

其中，所述A的值越大，所述第二表面和所述第四表面的所述面型起伏程度越大。所述A为设计值，即在设计制造本申请所述散光矫正透镜时，可通过调节所述A的值，来制造出不同面型起伏程度的所述散光矫正透镜，从而满足不同散光患者的视力矫正需求。

其中，所述D的值越大，所述第二表面和所述第四表面的所述面型倾斜程度越大。所述D为设计值，即在设计制造本申请所述散光矫正透镜时，可通过调节所述D的值，来制造出不同面型倾斜程度的所述散光矫正透镜。

其中，所述E₁和所述E₂的绝对值越大，所述第二表面和所述第四表面的矢高越大。因此，根据使用需求，可调节所述E₁和所述E₂的值，从而调整所述第二表面与所述第四表面之间的相对高度位置。

在一种实施方式中，所述第二表面与所述第四表面的面型结构表达式中，具有相同的参数A。当上述两个表面的面型结构表达式具有不同的参数A值时，所述第一镜片和所述第二镜片组成的所述散光矫正透镜的散光矫正效果较差，为了使所述散光矫正透镜具有更好的散光矫正效果，且更加便于将散光矫正透镜调节至所需位置，从而更好的满足散光患者的需求，需将所述第二表面与所述第四表面的面型结构表达式中的参数A设置为同一数值。

在一种实施方式中，所述第二表面与所述第四表面的面型结构表达式中，具有相同的参数D。当上述两个表面的面型结构表达式具有不同的参数D值时，所述第一镜片和所述第二镜片组成的所述散光矫正透镜在使用时容易出现色散现象，从而使得所述散光矫正透镜的使用效果变差，并影响散光患者的使用体验，因此，所述第二表面和所述第四表面设置相同的参数D，可有效避免色散现象的发生，提高所述散光矫正透镜的使用效果。

在一种实施方式中，所述第一镜片的表面与所述第二镜片的表面相对设置时，存在多种不同的情况，即所述第一表面与所述第三表面相对设置以及所述第二表面与所述第四表面相对设置。根据之前对坐标系的规定，在所述第二表面与所述第四表面相对设置的情况下，所述E₁的值小于所述E₂的值，表明所述第一镜片与所述第二镜片之间存在间隙。在所述第一表面与所述第三表面相对设置的情况下，所述E₁的值为正值，而所述E₂的值为负值。

在一种实施方式中，所述第一镜片的所述第二表面与所述第二镜片的所述第四表面相对设置，所述第一镜片与所述第二镜片之间存在间隙。由于所述第二表面与所述第四表面均为三次曲面表面，所述第一镜片和所述第二镜片之间进行相对平移，容易导致所述第二表面与所述第四表面相接触，即导致所述第一镜片与所述第二镜片相碰撞，从而造成不必要的损伤，因此，当所述第一镜片与所述第二镜片之间存在间隙时，调节所述第一镜片和所述第二镜片之间的相对位置，不会造成两者之间发生碰撞，避免了损失。

在一种实施方式中，所述第一镜片的所述第一表面与所述第二镜片的所述第三表面相对设置。所述第一镜片的所述第一表面与所述第二镜片的所述第三表面相对设置，组成的所述散光矫正透镜同样具有较好的矫正功能。

本申请所述头戴显示设备，包括眼罩、镜架、显示屏、目镜、调节组件和本申请所述散光矫正透镜，所述眼罩与所述镜架的后端连接，所述显示屏设置在镜架内，所述目镜和所述散光矫正透镜安装在所述眼罩与所述镜架的连接处，所述散光矫正透镜安装在所述目镜背离所述显示屏方向，所述调节组件与所述散光矫正透镜连接，用于对所述散光矫正透镜中第一镜片和第二镜片的相对位置进行调节。由于所述头戴显示设备中，所述散光矫正透镜具有如上述面型结构表达式所示的三次曲面表面，使得在使用本申请所述的头戴显示设备时，通过调节组件对所述散光矫正透镜中所述第一镜片和所述第二镜片进行平移，即可适用于不同散光度数以及散光轴位方向的散光患者，通用性较强，且无需进行旋转或更复杂的操作，使得调节操作简单方便。

所述调节组件与所述第一镜片和/或所述第二镜片连接，使所述第一镜片和/或所述第二镜片在沿x轴和/或y轴方向进行相对平移，所述第一表面和所述第三表面，与所述x轴和所述y轴所在的平面平行。

在一种实施方式中，所述调节组件与所述第一镜片连接，调节所述第一镜片，使其在沿x轴和y轴方向进行平移运动，即在本申请所述头戴显示设备中，保持所述第二镜片的位置固定不变，通过调节所述第一镜片，使所述第一镜片和所述第二镜片之间的相对位置发生改变，从而达到对不同散光患者进行散光矫正的目的，在此调节过程中，由于通过调节一个镜片，即可满足功能需求，使得操作更加简单明确。

在一种实施方式中，所述调节组件与所述第二镜片连接，调节所述第二镜片，使其在沿x轴和y轴方向进行平移运动，即在本申请所述头戴显示设备中，保持所述第一镜片的位置固定不变，通过调节所述第二镜片，使所述第二镜片和所述第一镜片之间的相对位置发生改变，从而达到对不同散光患者进行散光矫正的目的，在此调节过程中，由于通过调节一个镜片，即可满足功能需求，使得操作更加简单明确。

在一种实施方式中，所述调节组件分别与所述第一镜片和所述第二镜片连接，其中，一个所述调节组件控制所述第一镜片沿x轴和y轴中的一个方向进行平移，同时，一个所述调节组件控制所述第二镜片沿x轴和y轴中的另一个方向进行平移，从而调节所述第一镜片与所述第二镜片之间的相对位置，达到对不同散光患者进行散光矫正的目的，在此调节过程中，由于调节组件分别控制所述第一镜片和所述第二镜片沿x轴和y轴中的两个不同方向进行平移，使得调节方式更加多样，选择性更强。

在一种实施方式中，所述调节组件分别与所述第一镜片和所述第二镜片连接，其中，所述第一镜片和所述第二镜片在沿x轴和y轴方向均设置有所述调节组件，即通过调节组件，所述第一镜片和所述第二镜片均可以在沿x轴和y轴两个方向上进行平移移动，从而调节所述第一镜片与所述第二镜片之间的相对位置，达到对不同散光患者进行散光矫正的目的，在此调节过程中，由于所述第一镜片和所述第二镜片均可以在沿x轴和y轴两个方向上进行平移移动，若其中一个调节组件意外损坏，所述散光矫正透镜仍可以进行正常调节，达到散光矫正功能，不会影响本申请所述头戴显示设备的正常工作，提高了所述头戴显示设备的稳定性。

所述调节组件包括导轨、驱动件和测量件，所述导轨用于提供第一镜片和第二镜片的移动轨道，所述驱动件与所述导轨连接，所述驱动件用于提供使所述第一镜片和所述第二镜片进行平移的驱动力，所述测量件与所述导轨连接，用于测量所述第一镜片和所述第二镜片的位置和平移量。通过上述结构即可实现对所述散光矫正透镜的调节，且通过计算得到的平移量，准确将所述第一镜片和所述第二镜片调节到相应位置。

在一种实施方式中，所述导轨包括直线导轨，所述驱动件包括直线电机，所述测量件包括光栅尺。所述直线电机和所述直线导轨用于调节所述镜片沿x轴和/或y轴方向进行平移移动，所述光栅尺用于准确测量所述第一镜片和所述第二镜片的位置和平移量，使用上述结构即可准确将所述第一镜片和所述第二镜片调节到相应位置。其中，所述导轨不仅限于所述直线导轨，所述驱动件不仅限于所述直线电机，可以为其他类型的电机，在具体的实施方式中，所述驱动件不仅限于电机，可以为其他传动装置，所述测量件也不仅限于所述光栅尺，可以为其他种类的测量装置，能够准确测量所述第一镜片和所述第二镜片的位置和平移量即可。

本申请所述散光矫正的方法，其步骤包括：

步骤1：获取需矫正的散光度数和散光轴位方向，以及近远视度数。在此步骤中，对于所需矫正的散光患者的散光度数、散光轴位方向和近远视度数，可通过相应的专业设备进行测量获取。

步骤2：确定散光矫正透镜需调节到的轴位方向，以及所述散光矫正透镜在所述轴位方向和与其正交方向的光焦度差值，所述散光矫正透镜中的两个镜片包括三次曲面表面，所述三次曲面表面的面型结构表达式为：

其中，z为所述三次曲面表面的矢高，x、y表示在正交轴上的位置，A、D、E为系数。通过上述步骤得到的散光度数和散光轴位方向，得到本申请所述散光矫正透镜需调节到的轴位方向，以及所述散光矫正透镜在所述轴位方向和与其正交方向的光焦度差值，其中，所述散光矫正透镜的轴位方向应与所述散光轴位方向相同，所述光焦度差值所述散光度数的百分之一的相反数，当本申请所述散光矫正透镜满足上述光焦度差值以及轴位方向时，即可对相应散光患者进行视力矫正。

步骤3：计算得到所述两个镜片需在x轴和y轴方向上的相对平移量δ和β。在此过程中，需先确定系数F，F可通过公式：

计算得到，其中，Δφ为散光矫正透镜在轴位方向和与其正交方向的光焦度差值，n为所述散光矫正透镜材料的折射率，所述δ和β可通过公式

由系数F计算得到，其中，α为所述轴位方向与x轴方向之间的夹角。

步骤4：调节所述两个镜片在x轴和y轴方向上平移δ和β，使用调节好的所述散光矫正透镜对相应的散光进行矫正。在此过程中，通过对所述第一镜片和所述第二镜片进行平移移动，而不用对其进行复杂的旋转移动，即通过调节所述两个镜片在x轴和y轴方向上平移δ和β，即可使所述散光矫正透镜对相应的散光进行矫正，操作简单且满足功能需求。

步骤5：调节近远视调节机构，矫正患者的近远视。其中近远视调节机构需要矫正的度数为患者的近远视度数加上散光度数的一半，例如，患者的近视度数为-600°，散光度数为-200°，则近远视调节机构需要矫正的度数为-700°。近远视调节机构可以通过调整光焦度来矫正近远视。

使用本申请所述的散光矫正的方法对相应散光进行矫正时，通过对所述散光矫正透镜中的所述两个镜片进行平移移动即可达到相应的散光矫正功能，无需进行旋转移动以及其他更加复杂的操作，使得操作更加简单，方便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图进行说明。

图1是本申请实施例提供的散光矫正透镜的结构示意图。

图2是图1所示散光矫正透镜中第一镜片的结构示意图。

图3a是图1所示散光矫正透镜中的两个镜片进行相对平移的一种结构示意图。

图3b是图1所示散光矫正透镜中的两个镜片进行相对平移的另一种结构示意图。

图4是图1所示散光矫正透镜在另一种实施方式下的结构示意图。

图5a是图4所示散光矫正透镜中的两个镜片进行相对移动的一种结构示意图。

图5b是图4所示散光矫正透镜中的两个镜片进行相对移动的另一种结构示意图。

图6是本申请实施例提供的一种头戴显示设备的结构示意图。

图7是图6所示头戴显示设备中调节组件的结构示意图。

图8是使用本申请所示散光矫正透镜进行散光矫正的方法的流程示意图。

图9a是正常视力观察到的图像。

图9b是一种散光眼观察到的图像。

图9c是一种散光眼观察到图9b中所示图像的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先请一并参见图1和图2，图1是本申请实施例提供的散光矫正透镜100的结构示意图。

图2是图1所示散光矫正透镜100中第一镜片11的结构示意图。

本申请实施例提供的散光矫正透镜100可应用于多种具有一定的通用性要求的近眼显示设备中，其中，近眼显示设备包括但不限于虚拟现实(Virtual Reality,VR)、增强现实(Augmented Reality,AR)和混合现实(Mixed Reality,MR)等。在散光患者使用上述近眼显示设备时，可使用本申请实施例提供的散光矫正透镜100对散光患者进行视力矫正，从而使散光患者能够正常使用上述近眼显示设备，增大了近眼显示设备的受众面。同时，可以对散光矫正透镜100的相对位置进行调节，使其适用于不同散光度数以及轴位角度的视力散光患者，进而满足了上述近眼显示设备的通用性要求。

需要说明的是，为了方便表示，图中的散光矫正透镜100的边缘外形为矩形，但在本实施例实施的过程中散光矫正透镜100的外形并不受限，可以为任意形状；

在本实施例中，散光矫正透镜100包括第一镜片11和第二镜片12，第一镜片11与第二镜片12层叠设置，第一镜片11的光轴与第二镜片12的光轴平行，沿光轴延伸方向依次设置有第一镜片11和第二镜片12，第一镜片11包括两个相对设置的第一表面111和第二表面112，其中，第一表面111为平面结构，第二表面112为三次曲面结构；第二镜片12包括两个相对设置的第三表面121和第四表面122，其中，第三表面121为平面结构，第四表面122为三次曲面结构。第二表面112和第四表面122的面型结构均可由下述面型结构表达式来表示：

其中，z为镜片10表面的矢高；

x、y表示在正交轴上的位置，需要说明的是，为了便于描述，规定本申请中所涉及表达式均在笛卡尔坐标系下，其中原点位于第一表面111的中心，x轴和y轴位于第一表面111上，z轴方向由第一表面111指向第二表面112。

A、D和E为系数，上述系数为设计值，通过光焦度的调节范围来设计不同的系数值，通过设计不同的系数能够改变三次曲面的面型结构，从而影响由镜片10组成的散光矫正透镜100的光焦度调节特性以及可加工性，在以上述系数对散光矫正透镜100中的第一镜片11和第二镜片12进行设计加工完毕后，上述系数无法再改变，为定值。

其中，A的大小决定了镜片10面型的起伏程度，A的绝对值越大面型的起伏程度越大；D的大小决定了面型的倾斜程度，D越大面型的倾斜角度越大；E的大小与镜片10表面的高度位置相关，E的大小影响散光矫正透镜100的厚度，E的大小不进行限定，但E的取值必须确保散光矫正透镜的结构刚度。可以理解的是，在工艺流程中，可以根据设计需要调整系数A、D和E的值，以满足功能需求。

需要说明的是，透镜表面的面型结构能通过相应的测量方法进行测量，得到透镜表面的面型所对应的面型结构表达式。

需要说明的是，组成散光矫正透镜100的第一镜片11和第二镜片12之间的相对位置是可调节的，使得本申请实施例所述的散光矫正透镜100能够对不同散光度数以及轴位角度的散光患者的视力进行矫正。在本申请实施例所示的散光矫正透镜100中，第一镜片11的第二表面112和第二镜片12的第四表面122相对放置，此时第一镜片11的第一表面111、第一镜片11的第二表面112、第二镜片12的第四表面122和第二镜片12的第三表面121的面型可分别由以下公式表示：

z₁＝0

z₃＝E₃

其中，坐标系的原点位于第一镜片11的第一表面111的中心，z轴的正方向指向第二表面112。为了矫正散光，上式中的参数需满足A₁＝A₂＝A；为了减少镜片10的色散，上式中的参数需满足D₁＝D₂＝D；为了使两个镜片10之间留有一定的间隙，以防止镜片10在相对移动的过程中产生碰撞，在第二表面112和第四表面122相对放置的情况下，上式中的参数需满足E₁＜E₂，两镜片10之间的间隙为E₂-E₁；在第一表面111和第三表面121相对放置的情况下，上式中的参数需满足E₂>0，两镜片10之间的间隙为E₂。根据两个镜片10表面的面型，可以计算得到第一镜片11和第二镜片12的厚度分别为：

上式中使用A和D取代原式中的A₁、A₂和D₁、D₂。将两个镜片10沿x轴方向和y轴方向分别相对移动δ和β，具体地，将第一镜片11向x轴的负方向平移δ/2，向y轴的负方向平移β/2，将第二镜片12向x轴的正方向平移δ/2，向y轴的正方向平移β/2，其中x轴正交于y轴，此时，结合上述面型结构表达式可以得到由第一镜片11和第二镜片12组成的散光矫正透镜100的厚度公式，厚度公式为：

厚度公式中第三项为与x和y无关的常数项，只会改变散光矫正透镜100的厚度而不会影响散光矫正透镜100的面型结构，因此第三项的存在不会影响散光矫正透镜100的光焦度，在计算散光矫正透镜100的视力矫正能力时可以不考虑这部分。

用参数F和α值来表示δ和β：

此时，由第一镜片11和第二镜片12组成的散光矫正透镜100的厚度公式可推导为：

其中，公式前两项表明散光矫正透镜100的厚度变化为轴位方向与x轴成α角的双曲抛物面，因此，通过对散光矫正透镜100中的第一镜片11和/或第二镜片12进行平移移动，即可对散光轴位为与x轴成α角方向的散光患者的视力进行矫正，其中α角可以为任意角度，即通过平移移动第一镜片11和/或第二镜片12就能使得散光矫正透镜100对任意轴位方向的散光患者进行视力矫正。明显地，虽然上述的公式是在第一镜片11和第二镜片12分别向x轴负方向和正方向平移δ/2、同时分别向y轴负方向和正方向平移β/2的情况下推导出来，但只要第一镜片11相对于第二镜片12在x轴负方向和y轴负方向上的相对位移为δ和β时，所述散光矫正透镜即有上述的散光矫正能力。

其中，散光矫正透镜100的轴位方向由α值决定，散光矫正透镜100的光焦度大小由系数A和F决定；公式的第三项为常数项，既不会影响散光矫正透镜100的光焦度也不会影响散光矫正透镜100的轴位方向。

需要说明的是，系数F需要由下列公式计算得到，公式为：

其中，Δφ为散光矫正透镜100在轴位方向和与其正交方向的光焦度的差值，n为透镜材料的折射率，系数A为设计值，系数A和n在透镜设计加工完成时即可确定，通过上述公式即可得到系数F，从而通过系数F和α值以及公式

可得到两个散光矫正透镜100沿x轴方向和y轴方向分别相对移动δ和β的值，进而得到满足患者视力矫正要求的散光矫正透镜100。

在使用本申请实施例所示的散光矫正透镜100对散光患者进行视力矫正时，通过将两个散光矫正透镜10沿x轴方向和y轴方向进行平移移动，即可得到对不同散光度数以及轴位角度的散光患者进行视力矫正的散光矫正透镜100，具有较强的通用性，且使用过程中无需进行旋转移动，操作简单方便。

请一并参见图3a和图3b，图3a是图1所示散光矫正透镜100中的两个镜片10进行相对平移的一种结构示意图。

图3b是图1所示散光矫正透镜100中的两个镜片10进行相对平移的另一种结构示意图。

在本实施例中，第一镜片11和第二镜片12的三次曲面透镜表面相对放置，组成散光矫正透镜100，两个镜片10之间会存在间隙，以保证在散光矫正透镜100中的第一镜片11和/或第二镜片12进行x轴和y轴方向相对移动的过程中，不会发生碰撞。可以理解的是，一般情况下，进行散光矫正时，所需调节的光焦度的范围较小，两个镜片10相对移动的距离较小，略微调节第一镜片11和第二镜片12的位置即可满足矫正功能，第一镜片11和第二镜片12之间存在的间隙不会产生较大的影响，但是仍有可能产生较大的轴外像差，不利于矫正效果，同时，当调节的光焦度的范围较大时，上述结构的散光矫正透镜100的矫正效果会更差，无法达到较好的散光矫正效果。

可以理解的是，第一镜片11和第二镜片12相对设置组成散光矫正透镜100时，第一镜片11和第二镜片12表面相对存在多种方式，可以如上述实施例中，第二表面112与第四表面122相对设置，也可以为第一表面111与第三表面121相对设置，根据具体情况确定相应的放置方式。

请一并参见图4、图5a和图5b，图4是图1所示散光矫正透镜100在另一种实施方式下的结构示意图。

图5a是图4所示散光矫正透镜100中的两个镜片10进行相对移动的一种结构示意图。

图5b是图4所示散光矫正透镜100中的两个镜片10进行相对移动的另一种结构示意图。

本实施方式所示的散光矫正透镜100与上述实施方式中的散光矫正透镜100的不同之处在于，第一镜片11的第一表面111与第二镜片12的第三表面121相对放置，组成散光矫正透镜100。

本申请设计的散光矫正透镜为一种双曲抛物面透镜，沿轴线方向上的光焦度为正，与轴线正交的方向上的光焦度为负。在一种实施方式下，第一镜片11与第二镜片12相对于z轴横向偏移，第二表面112和第四表面122的凹面相对设置。在另一种实施方式下，第一镜片11与第二镜片12相对于z轴沿相反方向横向偏移，第二表面112和第四表面122的凸面相对设置。

可以理解的是，第一镜片和第二镜片可以由任何合适的透镜材料制成，透镜材料包括但不限于火石玻璃或光学级塑料。第一镜片和第二镜片可以选择使用可模制的材料，如聚碳酸酯或其他合适的光学级塑料。

请参见图6，图6是本申请实施例提供的一种头戴显示设备1000的结构示意图。

本申请实施例所述的头戴显示设备1000包括眼罩200、镜架(图未示)、显示屏(图未示)、目镜300、调节组件400和本申请所述散光矫正透镜100，眼罩200与镜架(图未示)的后端连接，共同组成头戴显示设备1000的主体框架，其中，显示屏(图未示)设置在镜架(图未示)内，用于提供显示画面，目镜300和散光矫正透镜100安装在眼罩200与镜架(图未示)的连接处，散光矫正透镜100安装在所述目镜300背离所述显示屏(图未示)方向，即在本申请实施例所述的头戴显示设备1000中，散光矫正透镜100设置于目镜300的近眼端一侧，在散光矫正透镜100的镜片10边缘位置连接有调节组件400，调节组件400用于对散光矫正透镜100中第一镜片11和第二镜片12的相对位置进行调节。

由于在本申请实施例所述的头戴显示设备1000中，组成散光矫正透镜100的第一镜片11和第二镜片12具有如上述面型结构表达式所示的三次曲面表面，使得在使用本申请所述的头戴显示设备1000时，通过调节组件400对所述散光矫正透镜100中所述第一镜片11和所述第二镜片12进行平移，即可适用于不同散光度数以及散光轴位方向的散光患者，通用性较强，且无需进行旋转或其他更复杂的操作，使得调节操作简单方便。

本申请实施例所述的头戴显示设备1000包括两个散光矫正透镜100，两个散光矫正透镜100分别位于对应患者眼部位置，以达到更好的视力矫正效果。这两个散光矫正透镜100可以为相同的散光矫正透镜100，也可以为不同的散光矫正透镜100，可以根据不用的使用需求设置不用的散光矫正透镜100，以满足视力矫正。

头戴显示设备1000中的两个散光矫正透镜100表面正对设置且能在x轴和y轴方向进行相对移动，在散光矫正透镜100边缘位置设置有调节组件400，从而实现第一镜片11和第二镜片12之间的相对移动，以使本申请实施例提供的头戴显示设备1000能够对不同散光度数以及轴位角度的视力散光患者的视力进行矫正。

可以理解的是，由于本实施例所示的头戴显示设备1000需适用于各个散光度数以及轴位角度的视力散光患者，必须将散光矫正透镜100准确调节到相对应的位置，为了便于操作以及便于计算，通常用调节组件400对两个镜片10进行驱动，使其在正交方向上进行相对移动。具体的，在第一镜片11的边缘位置沿x轴方向连接有调节组件400，使第一镜片11在x轴方向上进行移动，在第二镜片12的边缘位置沿y轴方向同样连接有调节组件400，使第二镜片12在y轴方向上进行移动；同样的，可以在第一镜片11的边缘位置沿y轴方向连接有调节组件400，使第一镜片11在y轴方向上进行移动，在第二镜片12的边缘位置沿x轴方向同样连接有调节组件400，使第二镜片12在x轴方向上进行移动。在上述两种调节方式中，由于调节组件400分别控制所述第一镜片11和所述第二镜片12沿x轴和y轴中的两个不同方向进行平移，使得调节方式更加多样，选择性更强。

在一种实施方式中，在第一镜片11的边缘位置沿x轴和y轴方向都连接有调节组件400，使第一镜片11能够同时在x轴和y轴方向上移动，同时固定第二镜片12的位置保持不变；同样的，可以在第二镜片12的边缘位置沿x轴和y轴方向都连接有调节组件400，使第二镜片12能够同时在x轴和y轴方向上移动，同时固定第一镜片11的位置保持不变。在上述两种调节方式中，由于通过调节一个镜片10，即可满足功能需求，使得操作更加简单明确。

在一种实施方式中，第一镜片11和第二镜片12的边缘位置在沿x轴和y轴方向均连接有调节组件400，即通过调节组件400，所述第一镜片11和所述第二镜片12均可以在沿x轴和y轴两个方向上进行平移移动，从而调节所述第一镜片11与所述第二镜片12之间的相对位置，达到对不同散光患者进行散光矫正的目的，在此调节过程中，由于所述第一镜片11和所述第二镜片12均可以在沿x轴和y轴两个方向上进行平移移动，若其中一个调节组件400意外损坏，所述散光矫正透镜100仍可以进行正常调节，达到散光矫正功能，不会影响本申请所述头戴显示设备1000的正常工作，提高了所述头戴显示设备1000的稳定性。

其中，在每个方向上的调节组件400根据使用需求可以为一个或多个。需要说明的是，调节组件400可以通过胶合、机械安装以及胶合和机械安装混合等多种连接方式与散光矫正透镜100连接。

可以理解的是，调节组件400不仅限于使得两个镜片10沿正交方向移动，可以调节两个镜片10沿任意方向移动，只需使得第一镜片11和第二镜片12分别达到相应的相对位置即可。

使用本申请实施例提供的头戴显示设备1000时，由于其中散光矫正透镜100的三次曲面透镜表面的面型结构特殊，通过调节组件400对第一镜片11和第二镜片12进行平移，使其达到相应位置即可对不同散光度数以及轴位角度的散光患者的视力进行矫正，增强了散光矫正透镜100的通用性，且仅需调节镜片10进行平移运动而不用进行旋转即可满足功能需求，使得矫正操作更加简单方便。

请一并参见图7，图7是图6所示头戴显示设备1000中调节组件400的结构示意图。

调节组件400包括导轨60、驱动件70和测量件80。在本实施例中，调节组件400包括直线导轨61、直线电机71和光栅尺81，其中，直线导轨61用于提供镜片10的移动轨道，在直线导轨61上设置有直线电机71，直线电机71与镜片10的边缘连接，从而可以驱动镜片10沿直线导轨61方向移动，进而对散光矫正透镜100的两个镜片10之间的相对位置进行调节，直线电机71可以为圆柱形动磁体直线电机71、U型槽式直线电机71和平板式直线电机71，在此不限定直线电机71的种类。其中，光栅尺81与直线电机71和直线导轨61相连接，光栅尺81能够准确的显示测量直线电机71驱动的镜片10的位置和平移量，从而提高头戴显示设备1000的矫正精度。

可以理解的是，调节组件400不限于用电机进行传动调节，可以使用其他任意传动方式的驱动件70，用于显示测量镜片10位置的装置也不仅限于光栅尺81，可以为具有同样功能的其他测量件80，在此不进行举例说明。

请一并参阅图8，图8是使用本申请所示散光矫正透镜100进行散光矫正的方法的流程示意图。

使用本申请所示头戴显示设备1000进行视力矫正包括以下步骤：

步骤1，获取需矫正的散光度数、散光轴位方向以及近远视度数。

对患者的视力进行矫正，需要同时确定患者的散光度数、散光轴位方向以及近远视度数，不同的散光度数和近远视度数会影响患者的视力模糊程度，而不同的散光轴位方向则会导致患者在不同方向上的视力缺陷。

请一并参见图9a、图9b和图9c，图9a是正常视力观察到的图像。

图9b是一种散光眼观察到的图像。

图9c是一种散光眼观察到图9b中所示图像的原理示意图。

例如，-1.ODC×180度的散光眼，其散光力在垂直子午线，水平子午线是正视。换言之，该散光眼垂直子午线屈光力较水平子午线屈光力强。如上所述，当该眼注视远方一个物点时，由此物点反射出的光线经过垂直子午线后在视网膜前聚焦，成为横向焦线，而经过水平子午线后在视网膜上集合成为竖向焦点。所以该眼所看到的不是一个清晰的点，而是模糊的小竖线。而任何一条直线都是由无数个点组成，一条横线是无数点并行排列而成。每个点都呈模糊小竖线，因此该眼看散光表上横线条自然感觉模糊。而一条竖线是无数点纵向排列而成，每个点虽呈模糊小竖线，但因其是纵向重叠排列，故整个竖线条看起来要比横线条清楚。即在一条子午线上的屈光力不正常时，会对与其垂直方向上的线视觉模糊，此时，通过相应设备获取患者的散光度数和散光轴位方向，再将散光矫正透镜100的轴位方向设置为与视力模糊的方向一致，即可对该轴位方向上的散光进行矫正。

步骤2，确定散光矫正透镜100需调节到的轴位方向，以及所述散光矫正透镜100在所述轴位方向和与其正交方向的光焦度差值，所述散光矫正透镜100中的两个镜片10包括三次曲面表面，所述三次曲面表面的面型结构表达式为：

其中，z为所述三次曲面表面的矢高，x、y表示在正交轴上的位置，A、D、E为系数。

在确定了散光患者的散光度数和轴位方向后，需要确定头戴显示设备1000中散光矫正透镜100的相应轴位方向以及散光矫正透镜100在轴位方向和与其正交方向的光焦度差值，其中，散光矫正透镜100中第一镜片11的第二表面112以及第二镜片12的第四表面122的面型均满足上述面型结构表达式。通常情况下，将散光矫正透镜100的光焦度设置为患者的散光度数÷100的相反数，假设患者的散光度数为S，则为了矫正患者的散光，散光矫正透镜100在轴位方向和与其正交方向的光焦度差值需满足Δφ＝-S/100。将散光矫正透镜100的轴位方向设置为与患者的散光轴位方向一致，即轴位方向为与x轴方向成α角的方向。

步骤3，计算得到所述两个镜片10需在x轴和y轴方向上的相对平移量δ和β。

由上述论述可知，使用本申请实施例提供的散光矫正透镜100的厚度公式可推导为：

t＝AF(x²-y²)cos 2α-2AF xy sin 2α+C

其中，C为与x和y无关的常数，公式前两项表明散光矫正透镜100的厚度变化为轴位方向与x轴成α角的双曲抛物面，因此，对于散光轴位为与x轴成α角方向的视力患者，可以使用上述两个镜片10组成的散光矫正透镜100对其进行有效矫正。

确定系数F，通过公式：

计算得到系数F。其中系数A为设计值，n为透镜材料的折射率，Δφ为散光矫正透镜100在轴位方向和与其正交方向的光焦度差值，均为已知量；

确定δ和β，在上述散光矫正透镜100的厚度公式中，δ和β是通过公式：

来由系数F进行了替换，在计算得到系数F，并且α值已知的情况下，可通过上述公式计算得到δ和β。

步骤4，调节所述第一镜片11相对第二镜片12分别向x轴和y轴的负方向平移δ和β，使用调节好的所述散光矫正透镜100对相应的散光进行矫正。需要注意的是，这里只需保证两镜片之间的相对位移距离为δ和β即可，可以是某个镜片移动，另一个镜片固定不动，或两个镜片同时移动。

在计算得到散光矫正透镜100中两个散光矫正透镜100在x轴和y轴方向上的相对位移量δ和β后，通过调节两个镜片10分别在x轴和y轴方向上移动δ和β，使其组成的散光矫正透镜100能够对轴位方向与x轴方向成α角，且具有相应散光度数的散光患者进行视力矫正，在此过程中，通过对两个镜片10进行平移操作，不需进行旋转或其他更加复杂的操作即可使散光矫正透镜100满足功能需求，即对相应的散光进行矫正。

步骤5：调节近远视调节机构，矫正患者的近远视。其中近远视调节机构需要矫正的度数为患者的近远视度数加上散光度数的一半，例如，患者的近视度数为-600°，散光度数为-200°，则近远视调节机构需要矫正的度数为-700°。近远视调节机构可以通过调整光焦度来矫正近远视。

在使用本申请实施例所示的散光矫正方法对散光进行矫正时，通过将散光矫正透镜100中的两个镜片10沿x轴方向和y轴方向进行平移移动，即可对不同散光度数以及轴位角度的散光患者进行视力矫正，无需进行旋转或其他更加复杂的操作，使得矫正过程简单方便。

Claims (13)

1.一种散光矫正透镜，其特征在于，包括层叠设置的第一镜片和第二镜片，所述第一镜片包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第二镜片包括相对设置的第三表面和第四表面，所述第一表面和所述第三表面为平面结构，所述第二表面和所述第四表面为三次曲面结构；

所述第二表面的面型结构表达式为：

所述第四表面的面型结构表达式为：

z₁为所述第二表面的矢高；z₂为所述第四表面的矢高；x、y表示在正交轴上的位置；A的大小与所述第二表面和所述第四表面的面型起伏程度相关，D的大小与所述第二表面和所述第四表面的面型倾斜程度相关，E₁和E₂的大小与所述第二表面和所述第四表面的高度位置相关。

2.根据权利要求1所述的散光矫正透镜，其特征在于，所述A的值越大，所对应的表面的面型起伏程度越大。

3.根据权利要求1所述的散光矫正透镜，其特征在于，所述D的值越大，所对应的表面的面型倾斜程度越大。

4.根据权利要求1所述的散光矫正透镜，其特征在于，所述E₁和所述E₂的绝对值越大，所述第二表面和所述第四表面的矢高越大。

5.根据权利要求4所述的散光矫正透镜，其特征在于，所述E₁的值小于所述E₂的值。

6.根据权利要求1所述的散光矫正透镜，其特征在于，所述第二表面朝向所述第四表面，所述第二表面与所述第四表面之间存在间隙。

7.根据权利要求1所述的散光矫正透镜，其特征在于，所述第一表面朝向所述第三表面。

8.一种头戴显示设备，其特征在于，包括调节组件和权利要求1至7中任一项所述的散光矫正透镜，所述调节组件与所述散光矫正透镜连接，用于对所述散光矫正透镜中第一镜片和第二镜片的相对位置进行调节。

9.根据权利要求8所述的头戴显示设备，其特征在于，所述调节组件与所述第一镜片和/或所述第二镜片连接，使所述第一镜片和/或所述第二镜片在沿x轴和/或y轴方向进行相对平移，所述第一表面和所述第三表面与所述x轴和所述y轴所构建的平面平行。

10.根据权利要求9所述的头戴显示设备，其特征在于，所述调节组件包括导轨、驱动件和测量件，所述导轨用于提供第一镜片和第二镜片的移动轨道，所述驱动件与所述导轨连接，所述驱动件用于提供使所述第一镜片和所述第二镜片进行平移的驱动力，所述测量件与所述导轨连接，用于测量所述第一镜片和所述第二镜片的位置和平移量。

11.一种散光矫正的方法，其特征在于，包括：

获取需矫正的散光度数和散光轴位方向；

确定散光矫正透镜需调节到的轴位方向，以及所述散光矫正透镜在所述轴位方向和与其正交方向的光焦度差值，所述散光矫正透镜中的两个镜片包括三次曲面表面，所述三次曲面表面的面型结构表达式为：

其中，z为所述三次曲面表面的矢高，x、y表示在正交轴上的位置，A、D、E为系数；

计算得到所述两个镜片需在x轴和y轴方向上的相对平移量δ和β；

调节所述两个镜片在x轴和y轴方向上平移δ和β，使用调节好的所述散光矫正透镜对相应的散光进行矫正。

12.根据权利要求11所述的散光矫正方法，其特征在于，在确定所述散光矫正透镜需调节到的所述轴位方向，以及所述散光矫正透镜在所述轴位方向和与其正交方向的所述光焦度差值的过程中，所述轴位方向与所述散光轴位方向相同，所述光焦度差值与所述散光度数的百分之一的相反数的数值相同。

13.根据权利要求11所述的散光矫正方法，其特征在于，在计算所述δ和β的过程中，需确定系数F，F可通过公式：

计算得到，其中，Δφ为所述散光矫正透镜在所述轴位方向和与其正交方向的所述光焦度差值，n为所述散光矫正透镜材料的折射率，所述δ和β可通过公式：

由系数F计算得到，其中，α为所述轴位方向与x轴方向之间的夹角。

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