CN113759446A - 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、出光面和侧面；入光面呈弧面型；出光面与入光面至少部分相对设置；侧面连接入光面和出光面；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锯齿状结构的侧面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、出光面和侧面；所述入光面呈弧面型；所述出光面与所述入光面至少部分相对设置；所述侧面连接所述入光面和所述出光面；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锯齿状结构的所述侧面的光线进行遮挡或吸收。

可选地，所述杂散光消除结构覆盖锯齿状结构的所述侧面。

可选地，所述锯齿状结构的所述侧面具有一个或多个凹槽；

所述杂散光消除结构填充于所述一个或多个凹槽内。

可选地，所述凹槽的深度小于或等于H；H＝L*tanα；其中，L为所述锯齿状结构的高度，α为所述锯齿状结构的所述侧面与法向面之间的夹角。

可选地，所述凹槽在垂直于所述侧面方向上的截面形状为三角形、方形、梯形或半圆形。

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。

可选地，所述菲涅尔透镜组件的焦距为10毫米至25毫米。

第三方面，本公开实施例提供一种虚拟现实显示装置，所述虚拟显示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菲涅尔透镜中的锯齿状结构的示意图；

图8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9为图8所示的菲涅尔透镜组件的调制传递函数的曲线图；

图10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11为图10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、出光面1012和侧面1013；入光面1011呈弧面型；出光面1012与入光面1011至少部分相对设置；侧面1013连接入光面1011和出光面1012。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1012出射，实现光线的会聚效果。当光线由入光面1011的边缘位置入射时，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，此时光线可以从侧面1013出射后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1012出射。

可以看出，由入光面1011入射的大部分光线，在锯齿状结构101的内部仅发生了一次折射，但是由入光面1011的边缘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，可以将锯齿状结构101的入光面1011定义为有效面，可以将锯齿状结构101的侧面1013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、出光面1012和侧面1013；入光面1011呈弧面型；出光面1012与入光面1011至少部分相对设置；侧面1013连接入光面1011和出光面1012；菲涅尔透镜还包括：杂散光消除结构102；杂散光消除结构102被配置为将经过锯齿状结构101的侧面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，当大部分的光线经过入光面1011入射后，大部分的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；当一小部分的光线经过入光面1011的边缘位置入射后，这一小部分光线可以在锯齿状结构101的内部发生一次折射，经过一次折射的光线照射至锯齿状结构101的侧面1013时，杂散光消除结构102可以对这部分光线进行遮挡或吸收，避免这部分光线再次经过锯齿状结构101的侧面1013进入至相邻的锯齿状结构101的入光面1011而发生二次折射，即对经过无效面的光线进行遮挡或吸收，这样可以防止在锯齿状结构101的出光面1012形成杂散光进入用户的视野，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，进而可以提高用户的使用体验。

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，且设置有相应的多个杂散光消除结构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1011的弧度、与侧面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，杂散光消除结构102覆盖锯齿状结构101的侧面1013。

在本公开实施例中，杂散光消除结构102可以覆盖在锯齿状结构101的侧面1013，杂散光消除结构102可以对经过锯齿状结构101的侧面1013的光线进行遮挡或吸收，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，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，如图5所示，锯齿状结构101的侧面1013具有一个凹槽1014，如图6所示，锯齿状结构101的侧面具有多个凹槽1014；杂散光消除结构102填充于一个或多个凹槽1014内。

例如，可以利用光刻工艺，对锯齿状结构101的侧面1013进行刻蚀，在锯齿状结构101的侧面1013形成一个或多个凹槽1014，其中，形成的一个或多个凹槽1014可以为杂散光消除结构102提供涂覆或沉积位置，保证在制备过程中，杂散光消除结构102可以稳定地涂覆或沉积在锯齿状结构101的侧面1013上，使得杂散光消除结构102可以对由锯齿状结构101的入光面1011的边缘入射的部分光线进行遮挡或吸收，避免这部分光线再次经过锯齿状结构101的侧面1013进入至相邻的锯齿状结构101的入光面1011而发生二次折射，即对经过无效面的光线进行遮挡或吸收，这样可以防止在锯齿状结构101的出光面1012形成杂散光进入用户的视野，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，进而可以提高用户的使用体验。

在一些实施例中，凹槽1014的深度小于或等于H；H＝L*tanα；其中，L为锯齿状结构的高度，α为锯齿状结构的侧面与法向面之间的夹角。

图7为本公开实施例提供的菲涅尔透镜中的锯齿状结构的示意图，如图7所示，在理想状态下，锯齿状结构101的侧面1013需要垂直于水平面，即锯齿状结构101的侧面1013与法向面平行，然而由于在制备过程需要进行拔模，由于工艺误差，锯齿状结构101的侧面1013与法向面一般形成有15度左右的夹角α，即拔模角，在锯齿状结构101的侧面1013的位置形成冗余的结构，在形成一个或多个凹槽1014时，凹槽1014的深度需要参考冗余结构的厚度。冗余结构的厚度H与锯齿状结构101的高度L，及拔模角α之间需满足如下关系：H＝L*tanα，凹槽1014的深度需要小于或等于冗余结构的厚度H。例如，在靠近入光面1011一端，凹槽1014的深度可以较小，在靠近出光面1012一端，凹槽1014的深度可以较大。凹槽1014的深度一般不超过冗余结构的厚度，这样可以避免凹槽深度过深，影响锯齿状结构101的光学性能。

在一些实施例中，凹槽1014在垂直于侧面1013方向上的截面形状为三角形、方形、梯形或半圆形。

凹槽1014在垂直于侧面1013方向上的截面形状可以为三角形、方形、梯形或半圆形，在本公开实施例中，以截面形状为半圆形为例进行说明，在形成的半圆形凹槽1014内可以沉积或涂覆遮光材料形成杂散光消除结构，半圆形凹槽1014可以为遮光材料提供沉积或涂覆位置，保证在制备过程中，杂散光消除结构102可以稳定地涂覆或沉积在锯齿状结构101的侧面1013上，使得杂散光消除结构102可以对由锯齿状结构101的入光面1011的边缘入射的部分光线进行遮挡或吸收，避免这部分光线再次经过锯齿状结构101的侧面1013进入至相邻的锯齿状结构101的入光面1011而发生二次折射，即对经过无效面的光线进行遮挡或吸收，这样可以防止在锯齿状结构101的出光面1012形成杂散光进入用户的视野，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，进而可以提高用户的使用体验。可以理解的是，凹槽1014还可以制成其他的形状，只要其可以为遮光材料提供沉积或涂覆位置即可，在此不在一一进行列举。

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8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8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9为图8所示的菲涅尔透镜组件的调制传递函数的曲线图，如图8和图9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10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10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11为图10所示的菲涅尔透镜组件的调制传递函数的曲线图，如图10和图11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。

由上述的两个实例可以看出，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，当大部分的光线经过入光面入射后，大部分的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；当一小部分的光线经过入光面的边缘位置入射后，这一小部分光线可以在锯齿状结构的内部发生一次折射，经过一次折射的光线照射至锯齿状结构的侧面时，杂散光消除结构可以对这部分光线进行遮挡或吸收，避免这部分光线再次经过锯齿状结构的侧面进入至相邻的锯齿状结构的入光面而发生二次折射，即对经过无效面的光线进行遮挡或吸收，这样可以防止在锯齿状结构的出光面形成杂散光进入用户的视野，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，进而可以提高用户的使用体验。

在一些实施例中，如图8和图10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。

在一些实施例中，菲涅尔透镜组件的焦距为10毫米至25毫米。

在本公开实施例中，菲涅尔透镜组件的焦距可以为10毫米至25毫米，可以根据实际需要，通过设置菲涅尔透镜组中的菲涅尔透镜的数量，以及其中部分相邻的菲涅尔透镜之间的空气间隙，来获得较小的焦距，从而实现近眼显示。

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、出光面和侧面；所述入光面呈弧面型；所述出光面与所述入光面至少部分相对设置；所述侧面连接所述入光面和所述出光面；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锯齿状结构的所述侧面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，所述杂散光消除结构覆盖锯齿状结构的所述侧面。

3.根据权利要求2所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述锯齿状结构的所述侧面具有一个或多个凹槽；

所述杂散光消除结构填充于所述一个或多个凹槽内。

4.根据权利要求3所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述凹槽的深度小于或等于H；H＝L*tanα；其中，L为所述锯齿状结构的高度，α为所述锯齿状结构的所述侧面与法向面之间的夹角。

5.根据权利要求3所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述凹槽在垂直于所述侧面方向上的截面形状为三角形、方形、梯形或半圆形。

6.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。

7.一种菲涅尔透镜组件，其特征在于，所述菲涅尔透镜组件包括多个如权利要求1-6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。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求7所述的菲涅尔透镜组件，其特征在于，所述菲涅尔透镜组件的焦距为10毫米至25毫米。

10.一种虚拟现实显示装置，其特征在于，所述虚拟显示显示装置包括如权利要求7-9任一项所述的菲涅尔透镜组件。

Images