CN113740944A - 菲涅尔透镜、菲涅尔透镜组件及虚拟现实显示装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种菲涅尔透镜、菲涅尔透镜组件及虚拟现实显示装置，属于显示技术领域，其可解决现有的菲涅尔透镜中容易形成杂散光，对正常光线造成干扰，降低显示效果的问题。本公开的菲涅尔透镜的至少一面具有多个锯齿状结构，锯齿状结构包括：入光面、侧面、及连接入光面和侧面的圆角；菲涅尔透镜还包括：杂散光消除结构；杂散光消除结构被配置为将经过侧面和圆角的光线进行遮挡或吸收。

Description

菲涅尔透镜、菲涅尔透镜组件及虚拟现实显示装置

技术领域

本公开属于显示技术领域，具体涉及一种菲涅尔透镜、菲涅尔透镜组件及虚拟现实显示装置。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality，VR)显示技术中，通常采用透镜将显示面板呈现的显示画面成像到人眼前25毫米至50毫米处或者更近的位置，由于人的左右眼分别看到不同的画面，经过大脑处理后，便会产生立体感，使得用户具有身临其境的感觉。

目前的虚拟现实显示装置中可以采用直通式非球面透镜组件、折返式透镜组件来实现光线的会聚，其中，直通式非球面透镜组件的光效较高，可以达到80％以上，但是其厚度较厚，一般大于35毫米；折返式透镜组件的厚度较薄，可以达到25毫米以下，但是其光效较低，一般小于25％。为了实现高光效并且厚度较薄的效果，往往采用菲涅尔透镜组件，然而在菲涅尔透镜中，存在无效面，光线通过无效面后容易产生杂散光，影响显示效果，从而降低了用户的使用体验。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种菲涅尔透镜、菲涅尔透镜组件及虚拟现实显示装置。

第一方面，本公开实施例提供一种菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的至少一面具有多个锯齿状结构，所述锯齿状结构包括：入光面、侧面、及连接所述入光面和所述侧面的圆角；所述菲涅尔透镜还包括：杂散光消除结构；

所述杂散光消除结构被配置为将经过所述侧面和所述圆角的光线进行遮挡或吸收。

可选地，所述锯齿状结构还包括：与所述入光面相对设置的出光面；

所述杂散光消除结构位于所述出光面的一侧，且设置于经过所述侧面和所述圆角的光线的光路上。

可选地，所述杂散光消除结构嵌入所述出光面内。

可选地，所述杂散光消除结构包括：第一楔形部和第二楔形部；

所述第一楔形部覆盖所述锯齿状结构的所述侧面；

所述第二楔形部覆盖所述锯齿状结构的所述圆角。

可选地，所述第一楔形部和所述第二楔形部为一体成型结构。

可选地，所述杂散光消除结构还包括：透明基底；

所述第一楔形部和所述第二楔形部均位于所述透明基底靠近所述入光面的一侧。

可选地，所述杂散光消除结构包括：黑矩阵。

第二方面，本公开实施例提供一种菲涅尔透镜组件，所述菲涅尔透镜组件包括多个如上述提供的菲涅尔透镜；

多个所述菲涅尔透镜的中心位于同一直线上。

可选地，多个所述菲涅尔透镜中部分相邻的所述菲涅尔透镜之间设置有空气间隙。

第三方面，本公开实施例提供一种虚拟现实显示装置，所述虚拟现实显示装置包括如上述提供的菲涅尔透镜组件。

附图说明

图1为一种示例性的菲涅尔透镜的结构示意图；

图2为图1所示的菲涅尔透镜沿A-A’方向上的截面结构示意图；

图3为图2所示的菲涅尔透镜的光路图；

图4为本公开实施例提供的一种菲涅尔透镜的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的另一种菲涅尔透镜的结构示意图；

图6为本公开实施例提供的又一种菲涅尔透镜的结构示意图；

图7为本公开实施例提供的一种菲涅尔透镜组件的结构示意图；

图8为图7所示的菲涅尔透镜组件的调制传递函数的曲线图；

图9为本公开实施例提供的另一种菲涅尔透镜组件的结构示意图；

图10为图9所示的菲涅尔透镜组件的调制传递函数的曲线图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

图1为一种示例性的菲涅尔透镜的结构示意图，如图1所示，菲涅尔透镜是在普通透镜的基础上，利用刻蚀工艺将普通透镜中的多余的光学材料去除，仅保留其中部分表面的弯曲度，经过刻蚀可以形成由小到大的多个同心圆环，多个同心圆环可以构成菲涅尔透镜，其可以减少透镜整体的重量和厚度。图2为图1所示的菲涅尔透镜沿A-A’方向上的截面结构示意图，如图2所示，该菲涅尔透镜的至少一面具有多个锯齿状结构101，在本公开实施例中，以其中一面具有多个锯齿状结构101为例进行说明，其另一面可以为球面或者非球面。锯齿状结构包括：入光面1011、侧面1012、连接入光面1011和侧面1012的圆角1013、及与入光面1011相对设置的出光面1014。在实际应用中，每个锯齿状结构101的宽度可以相等，以形成等间距的菲涅尔透镜结构，或者，每个锯齿状结构101的高度可以相等，以形成等齿高的菲涅尔透镜结构。可以根据实际需要合理设置菲涅尔透镜中的锯齿状结构101的尺寸，在此不再进行限定。

图3为图2所示的菲涅尔透镜的光路图，如图3所示，当光线由入光面1011入射时，光线经过入光面1011后，可以在锯齿状结构101的内部发生一次折射，并由出光面1014出射，实现光线的会聚效果。当光线由圆角1013位置入射时，光线经过圆角1013后，可以在锯齿状结构101的内部发生一次折射，光线可以从侧面1012出射并再次入射至相邻的锯齿状结构101的入光面1011且再次发生一次折射，最终由相邻的锯齿状结构101的出光面1014出射。

可以看出，由入光面1011入射的光线在锯齿状结构101的内部仅发生了一次折射，但是由圆角1013位置入射的光线在锯齿状结构101的内部发生了两次折射。在实际应用中，大部分光线是由锯齿状结构101的入光面1011入射的，可以将锯齿状结构101的入光面1011定义为有效面，将锯齿状结构101的侧面1012及圆角1013位置定义为无效面，由于有效面和无效面入射的光线在锯齿状结构101的内部发生的折射次数不同，其光路也不同，经过锯齿状结构101的无效面的光线容易形成杂散光，影响显示效果，从而降低用户的使用体验。

为了至少解决上述的技术问题之一，本公开实施例提供了一种菲涅尔透镜、菲涅尔透镜组件及虚拟现实显示装置，下面将结合附图和具体实施方式，对本公开实施例提供的菲涅尔透镜、菲涅尔透镜组件及虚拟现实显示装置进行进一步详细描述。

图4为本公开实施例提供的一种菲涅尔透镜的结构示意图，如图4所示，该菲涅尔透镜的至少一面具有多个锯齿状结构101，在本公开实施例中，以其中一面具有多个锯齿状结构101为例进行说明，其另一面可以为球面或者非球面。锯齿状结构101包括：入光面1011、侧面1012、及连接入光面1011和侧面1012的圆角1013；菲涅尔透镜还包括：杂散光消除结构102；杂散光消除结构102被配置为将经过侧面1012和圆角1013的光线进行遮挡或吸收。

例如，锯齿状结构101可以采用玻璃、亚克力等透明度较高的材料制成，以使得光线可以在锯齿状结构101中可以极性有效传输，降低锯齿状结构101对光线的阻挡，以提高菲涅尔透镜的光效。杂散光消除结构102可以采用黑色或其他深色的遮光材料制成，以对光线进行有效遮挡或吸收，防止形成杂散光，进一步防止杂散光对正常光线的干扰。

本公开实施例提供的菲涅尔透镜中，当光线经过入光面1011后，光线可以锯齿状结构101内部发生一次折射，实现光线的会聚效果；当光线经过侧面1012和圆角1013位置后，光线可以在锯齿状结构101的内部发生两次折射，形成与经过入光面1011的光线光路不同的杂散光。其中，杂散光消除结构102可以将经过侧面1012和圆角1013位置的光线进行遮挡或吸收，即对经过无效面形成的杂散光进行遮挡或吸收，以防止杂散光由菲涅尔透镜出射进入用户的视野，因此可以避免杂散光对正常光线的干扰，从而可以提高显示效果，进而可以提高用户使用体验。

可以理解的是，本公开实施例提供的菲涅尔透镜还可以双面均具有多个锯齿状结构101，且设置有相应的杂散光消除结构102，其实现原理与上述的菲涅尔透镜的实现原理相同，在此不再进行赘述。在实际应用中，可以根据实际需要合理选择菲涅尔透镜的类型，在此不再进行限定。另外，锯齿状结构101的入光面101的弧度，圆角1013的角度等尺寸也可以根据实际需要进行设置，在此也不再进行限定。

在一些实施例中，如图4所示，锯齿状结构101还包括：与入光面1011相对设置的出光面1014；杂散光消除结构102位于出光面1014的一侧，且设置于经过侧面1012和圆角1013的光线的光路上。

在实际应用中，光线经过锯齿状结构101的侧面1012和圆角1013的光线形成杂散光，杂散光消除结构102可以设置在出光面1014的一侧，并且设置在杂散光线的光路上，这样，杂散光消除结构102可以对杂散光进行遮挡或吸收，防止杂散光由锯齿状结构101的出光面1014出射进入用户的视野，因此可以避免杂散光对正常光线的干扰，从而可以提高显示效果，进而可以提高用户使用体验。

在一些实施例中，图5为本公开实施例提供的另一种菲涅尔透镜的结构示意图，如图5所示，杂散光消除结构102嵌入出光面1014内。

图5所示的菲涅尔透镜与图4所示的菲涅尔透镜的不同之处在于，图4所示的菲涅尔透镜，在制备过程中，杂散光消除结构102可以直接形成在锯齿状结构101的出光面1014一侧，其制备工艺简单，可以节约制备成本；图5所示的菲涅尔透镜，杂散光消除结构102可以嵌入在锯齿状结构101的出光面1014内，在制备过程中，可以首先在锯齿状结构101的出光面1014形成相应的凹槽，再将杂散光消除结构102形成在各个凹槽内，使得杂散光消除结构102嵌入到凹槽内，这样可以使得杂散光消除结构102与锯齿状结构101的出光面1014处于同一平面上，因此可以避免杂散光消除结构102增加菲涅尔透镜整体的厚度，从而有利于菲涅尔透镜的轻薄化。

在一些实施例中，图6为本公开实施例提供的又一种菲涅尔透镜的结构示意图，如图6所示，杂散光消除结构102包括：第一楔形部1021和第二楔形部1022；第一楔形部1021覆盖锯齿状结构101的侧面1012；第二楔形部1022覆盖锯齿状结构101的圆角1013。

在本公开实施例中，第一楔形部1021可以覆盖在锯齿状结构101的侧面1012，第二楔形部1022可以覆盖在锯齿状结构101的圆角1013位置，其中，第一楔形部1021和第二楔形部1022可以对光线进行遮挡或吸收，第一楔形部1021可以阻挡光线入射至锯齿状结构101的侧面1012，第二楔形部1022可以阻挡光线入射至锯齿状结构101的圆角1013位置，这样，可以防止光线在锯齿状结构101的内部传播并发生多次折射而形成杂散光，从而可以避免杂散光对正常光线的干扰，以提高显示效果，进而可以提高用户使用体验。

在一些实施例中，第一楔形部1021和第二楔形部1022为一体成型结构。

在实际应用中，第一楔形部1021和第二楔形部1022可以采用相同的材料，同一工艺制备而成，可以减少工艺步骤，降低工艺难度，以节约制备成本。另一方面，第一楔形部1021和第二楔形部1022为一体成型结构，可以有效增加杂散光消除结构102整体的强度，避免第一楔形部1021和第二楔形部1022之间产生缝隙，造成漏光而形成杂散光。并且，第一楔形部1021的表面弧度与锯齿状结构102的侧面1012的弧度相同，以保证第一楔形部1021与侧面1012紧密贴合。同理，第二楔形部1022的表面弧度与锯齿状结构102的圆角1023的弧度相同，以保证第二楔形部1022与圆角紧密贴合。

在一些实施例中，如图6所示，杂散光消除结构102还包括：透明基底1023；第一楔形部1021和第二楔形部1022均位于透明基底1023靠近入光面1011的一侧。

透明基底1023可以采用玻璃、亚克力等刚性且透明度较高的材料制成，在保证透光的同时，可以提高透明基底1023对其上的第一楔形部1021和第二楔形部1022的承载能力。在制备过程中，首先将第一楔形部1021和第二楔形部1022形成在透明基底1023上，之后将形成有第一楔形部1021和第二楔形部1022的透明基底1023与多个锯齿状结构101对盒贴合，使得第一楔形部1021可以覆盖锯齿状结构101的侧面1012，第二楔形部1022可以覆盖锯齿状结构101的圆角1013位置，这样，可以防止光线在锯齿状结构101的内部传播并发生多次折射而形成杂散光，从而可以避免杂散光对正常光线的干扰，以提高显示效果，进而可以提高用户使用体验。另一方面，首先将第一楔形部1021和第二楔形部1022形成在透明基底1023上，之后将形成有第一楔形部1021和第二楔形部1022的透明基底1023与多个锯齿状结构101对盒贴合，可以防止在形成第一楔形部1021和第二楔形部1022的刻蚀过程中对锯齿状结构101造成损坏，从而可以提高菲涅尔透镜的产品良率，以节约制备成本。

在一些实施例中，杂散光消除结构102包括：黑矩阵。

杂散光消除结构102可以采用显示领域中常用的黑矩阵形成，这样可以不必研发新材料来进行光线的遮挡或吸收，以降低制备成本。

本公开实施例还提供了一种菲涅尔透镜组件，该菲涅尔透镜组件包括多个如上述任一实施例提供的非菲涅尔透镜；多个菲涅尔透镜的中心位于同一直线上。

下面将结合具体地实例，对本公开实施例提供的菲涅尔透镜对光线的会聚效果进行进一步详细说明。

实例一：图7为本公开实施例提供的一种菲涅尔透镜组件的结构示意图，如图7所示，菲涅尔透镜组件中的菲涅尔透镜数量为三片，其菲涅尔透镜两面均设置有多个锯齿状结构。图8为图7所示的菲涅尔透镜组件的调制传递函数的曲线图，如图7和图8所示，三片式菲涅尔透镜组件可以实现焦距21毫米，组件总长20毫米，视场角90°，Eye box8毫米*8毫米的效果。

实例二：图9为本公开实施例提供的另一种菲涅尔透镜组件的结构示意图，如图9所示，菲涅尔透镜组件中的菲涅尔透镜数量为五片，其菲涅尔透镜两面均设置有多个锯齿状结构。图10为图9所示的菲涅尔透镜组件的调制传递函数的曲线图，如图9和图10所示，三片式菲涅尔透镜组件可以实现焦距16.9毫米，组件总长20毫米，视场角65°，Eye box9毫米*9毫米的效果。

由上述的两个示例可以看出，本公开实施例提供的菲涅尔透镜组件可以有效降低透镜组件的厚度(厚度小于或等于20毫米)，同时可以实现较高的光效(光效大于或等于80％)。并且，本公开实施例提供的菲涅尔透镜组件，当光线经过锯齿状结构的入光面后，光线可以锯齿状结构内部发生一次折射，实现光线的会聚效果；当光线经过侧面圆角位置后，光线可以在锯齿状结构的内部发生两次折射，形成与经过入光面的光线光路不同的杂散光。其中，杂散光消除结构可以将经过侧面和圆角位置的光线进行遮挡或吸收，即对经过无效面形成的杂散光进行遮挡或吸收，以防止杂散光由菲涅尔透镜出射进入用户的视野，因此可以避免杂散光对正常光线的干扰，从而可以提高显示效果，进而可以提高用户使用体验。

在一些实施例中，如图7和图9所示，多个菲涅尔透镜中部分相邻的菲涅尔透镜之间设置有空气间隙。

部分相邻的菲涅尔透镜之间设置有一定的空气间隙，其具体宽度可以进行调节，以对菲涅尔透镜组件的焦距以及厚度进行调整，以使得在用户的视野内形成清晰的显示图像，从而提高显示效果，进而提高用户的使用体验。

本公开实施例还提供了一种虚拟现实显示装置，该虚拟现实显示装置包括如上述任一实施例提供的菲涅尔透镜组件，其实现原理及技术效果与上述的菲涅尔透镜及菲涅尔透镜组件的实现原理及技术效果相同，在此不在赘述。可以理解的是，本公开实施例提供的菲涅尔透镜组件可以应用于虚拟现实显示装置中，还可以应用于增强现实显示装置、以及调光眼镜等其他近眼显示装置中，在此不在一一进行列举。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜的至少一面具有多个锯齿状结构，所述锯齿状结构包括：入光面、侧面、及连接所述入光面和所述侧面的圆角；所述菲涅尔透镜还包括：杂散光消除结构；

所述杂散光消除结构被配置为将经过所述侧面和所述圆角的光线进行遮挡或吸收。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述锯齿状结构还包括：与所述入光面相对设置的出光面；

所述杂散光消除结构位于所述出光面的一侧，且设置于经过所述侧面和所述圆角的光线的光路上。

3.根据权利要求2所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述杂散光消除结构嵌入所述出光面内。

4.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述杂散光消除结构包括：第一楔形部和第二楔形部；

所述第一楔形部覆盖所述锯齿状结构的所述侧面；

所述第二楔形部覆盖所述锯齿状结构的所述圆角。

5.根据权利要求4所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述第一楔形部和所述第二楔形部为一体成型结构。

6.根据权利要求4所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述杂散光消除结构还包括：透明基底；

所述第一楔形部和所述第二楔形部均位于所述透明基底靠近所述入光面的一侧。

7.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述杂散光消除结构包括：黑矩阵。

8.一种菲涅尔透镜组件，其特征在于，所述菲涅尔透镜组件包括多个如权利要求1-7任一项所述的菲涅尔透镜；

多个所述菲涅尔透镜的中心位于同一直线上。

9.根据权利要求8所述的菲涅尔透镜组件，其特征在于，多个所述菲涅尔透镜中部分相邻的所述菲涅尔透镜之间设置有空气间隙。

10.一种虚拟现实显示装置，其特征在于，所述虚拟现实显示装置包括如权利要求8-9任一项所述的菲涅尔透镜组件。

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