CN206541039U

CN206541039U - 一种菲涅尔透镜及虚拟现实装置

Info

Publication number: CN206541039U
Application number: CN201621457820.4U
Authority: CN
Inventors: 陈贵喜; 左惟涵; 郭福忠; 宋磊
Original assignee: SuperD Co Ltd
Current assignee: SuperD Co Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: CN106772717A; CN106772717B

Abstract

本实用新型公开了一种菲涅尔透镜及虚拟现实装置，用以提高菲涅尔透镜的成像质量。菲涅尔透镜包括基面和覆盖基面的菲涅尔面，菲涅尔面上设有多个依次向外设置的锯齿同心环，多个锯齿同心环的径向环间距不相等，其中，锯齿同心环包括第一表面和第二表面，第一表面的一端连接菲涅尔面，另一端连接第二表面，第二表面为弧形。第二表面为菲涅尔面的成像面，第一表面的面积越大，则画面的光损失越厉害，还会对第二表面的成像产生串扰，并且深度过深，串扰越厉害，导致菲涅尔面的光学成像效果极差，在合适的深度范围内，将多个锯齿同心环做成不等间距，使第一表面相对均匀，提高菲涅尔面的成像质量。

Description

一种菲涅尔透镜及虚拟现实装置

技术领域

本实用新型实施例涉及虚拟现实成像光学技术领域，尤其涉及一种菲涅尔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。

VR设备的原理是将显示器产生的近处影像通过光学系统拉到远处放大，近乎充满人的视野范围，从而产生沉浸感。由于人眼的视野范围非常的宽，所以为了保证足够视角，由y＝f*tan(w/2)(其中y是物高，w为视角，f为焦距)可知，在物高y(屏幕大小)不变的情况下，采用的整套光学系统的组合焦距一定要足够小，才能保证视角足够大，同时若要保证视角足够大，还要保证透镜的尺寸足够大，但是透镜的尺寸太大会增加佩戴者负担。在虚拟现实设备中，焦距、视场、透镜厚度之间存在一定的制约关系，单一透镜同时满足大视场、短焦距、薄透镜厚度是非常困难的。

为了保证VR设备使用的舒适度，该设备的重量必须足够轻便，同时显示图像的质量也必须足够高，不能有过大的像差产生，同时为了保证沉浸感，VR的视角必须保证在80°以上。目前市面上主要的解决方案是采用单片非球面透镜，但是为了保证图像的质量，非球面透镜的焦距不能过小，普遍要大于35mm，这就导致了整个显示设备无论横向还是纵向的尺寸都比较大，并且镜片的厚度也很厚，不利于VR设备的轻薄化。

传统的菲涅尔透镜在很短的焦距的情况下，仍然可以做的很薄，为了实现VR的轻薄化，可将菲涅尔透镜应用在VR装置的光学系统中，但是传统的菲涅尔透镜的画面透光率低，用在VR设备时画面不清晰，眼睛轻微晃动导致画面产生剧烈拖影进而使得眩晕感较强等缺点。

综上，现有技术中存在着传统的菲涅尔透镜的成像质量较差的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种菲涅尔透镜及虚拟现实装置，用以解决传统的菲涅尔透镜的成像质量较差的技术问题。

本实用新型实施例提供一种菲涅尔透镜，包括基面和覆盖所述基面的菲涅尔面，所述基面为球面或非球面，所述菲涅尔面上设有多个依次向外设置的锯齿同心环，所述多个锯齿同心环的径向环间距不相等，其中，所述锯齿同心环包括第一表面和第二表面，所述第一表面的一端连接所述菲涅尔面，另一端连接所述第二表面，所述第二表面为弧形。

可选的，所述多个锯齿同心环包括位于所述菲涅尔面中心的第1环，以及与所述第1环同心设置并依次向外设置的第2环、第3环、……第G环，其中G为正整数，且G≥4。

可选的，当G＝4时，所述第1环的外径不小于4.2mm，所述第2环的外径不小于6.4mm，所述第3环的外径不小于7.8mm，所述第4环的外径不小于13.9mm。

可选的，当G＝4时，所述第1环的视角为0～20°，所述第2环的视角为20～30°，所述第3环的视角为30～36°，所述第4环的视角为36～60°。

可选的，所述第3环与所述第4环之间的环形区域设置有多个子环，所述多个子环与所述第3环同心。

可选的，所述第一表面与所述菲涅尔透镜的光轴所形成的锐角为0～5°。

可选的，所述菲涅尔面的焦距大于30mm，以使所述菲涅尔透镜的焦距小于30mm。

可选的，所述基面的光焦度满足以下关系式：

其中，Φ为所述菲涅尔透镜的光焦度，f为所述菲涅尔透镜的焦距，n'为所述菲涅尔透镜的折射率，n为空气折射率，n₂'为所述菲涅尔面的折射率，D为所述菲涅尔透镜的有效口径。

可选的，所述菲涅尔透镜的有效口径D≥22mm。

可选的，所述菲涅尔透镜的中心厚度为3～7mm。

可选的，所述菲涅尔透镜的边缘厚度大于或等于1.5mm。

本实用新型实施例还提供一种虚拟现实装置，包括上述任一种菲涅尔透镜。

上述实施例中，因为第二表面为菲涅尔面的成像面，如果环间距相等，边缘环带深度往往过深，并且第一表面的面积也会过大，面积越大的第一表面的光损失越大，并且会对第二表面的成像产生串扰，导致菲涅尔面的光学成像效果极差，将多个锯齿同心环做成不等间距，可以有效减小第一表面面积及边缘环带的深度对第二表面的成像串扰，进而提高了菲涅尔面的成像质量。

附图说明

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

图1为本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的菲涅尔面的各个环的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜的各个环与视角的对应关系的示意图；

图6为本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜的成像光路示意图；

图7为本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜的MTF分析结果示意图；

图8为本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜的光效分析示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、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实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。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。

为了保证图像的质量，应用在虚拟现实装置中的光学透镜的焦距不能过小，普遍要大于35mm，并且镜片的厚度也很厚，约为10～20mm左右，这就导致了整个VR设备无论横向还是纵向的尺寸都比较大，过大的体积带来了极为不良的用户体验。为了改善用户体验，小型化、轻量化是虚拟显示设备急需解决的问题。

传统的菲涅尔透镜包括菲涅尔面和一个平面，具有重量轻，体积小的特点，在很短的焦距的情况下，仍然可以做的很薄，其厚度不到普通非球面厚度的三分之一。但是菲涅尔透镜的缺点是像差校正能力较弱，尤其是画面边缘区域的像差。另外，传统的菲涅尔透镜包括一个基面和菲涅尔面，菲涅尔面由多个环间距相等的同心圆环组成，每个同心圆环包括第二表面(也称工作面)和第一表面(也称非工作面)，第一表面垂直于基面，基面为垂直于光轴的平面，第一表面与弧状的第二表面相接，由于相邻环之间的第一表面也能使光透过，造成一部分光损失，传统的菲涅尔透镜因画面透光率低，用在VR设备时画面不清晰，眼睛轻微晃动导致画面产生剧烈拖影进而使得眩晕感较强等缺点。

为了有效的减小VR设备中的光学透镜的体积，本实用新型实施例提供了应用于VR设备中的一种成像质量高的菲涅尔透镜，有利于VR设备同时具备短焦距、小尺寸的特点。

本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜为单个透镜，参照图1，图2和图3，所示，包括基面1和覆盖基面1的菲涅尔面2，参照图6，在光学系统中，本实施例提供的菲涅尔透镜安装在观看者的瞳孔与显示屏之间，其中，显示屏为投放虚拟现实图像的显示装置，基面1朝向观看者的瞳孔一侧。基面1的形状为球面或者非球面，本实施例中的非球面是指该基面1的曲率半径由基面1中心向边缘逐渐增加，菲涅尔面2上设有多个依次连接的锯齿同心环，每一个锯齿同心环包括第一表面22和第二表面21，考虑到加工及非工作面光损失率，第一表面22与菲涅尔透镜的光轴所形成的锐角为0至5度，即菲涅尔透镜的光轴在第一表面22上的投影与菲涅尔透镜的光轴所形成的锐角为0至5度，第一表面22的一端连接菲涅尔面2，另一端连接第二表面21，第二表面21为弧形。

因为第二表面21为菲涅尔面2的成像面，如果环间距相等，则边缘环带的深度越深，过深的环带深度会导致重影及光学成像质量变差，同时第一表面22的面积越大，光损失也会越厉害，对第二表面21的成像造成串扰，使得第二表面21的成像效果变差，进而导致菲涅尔面2的光学成像效果极差。

因此，为了保证菲涅尔面2具有较好的成像质量，本实用新型实施例中，菲涅尔透镜的菲涅尔面2的多个锯齿同心环的环间距不相等。将多个锯齿同心环做成不等间距，能够使第一表面22的环带深度相对均匀，边缘环带不会过深，能有效减小第一表面22的总面积，提高光利用率，减小对第二表面21的成像串扰，进而提高了菲涅尔面2的成像质量。

如图2和图3所示，多个锯齿同心环的径向环间距不相等，多个锯齿同心环包括位于菲涅尔面2中心的第1环，以及与第1环同心设置并依次向外设置的第2环、第3环、……第G环，其中G为正整数，且G≥4。

具体的，多个锯齿同心环的环间距取决于各个同心环的外径，各个同心环的外径是指各个同心环的最大直径。

可选的，锯齿同心环的外径尺寸由锯齿同心环对应的视角范围所确定，锯齿同心环对应的视角范围根据人眼对各个视角内的图像敏感度划分。本实用新型实施例中的视角是指人眼通过菲尼尔透镜观看显示屏投射的图像时的视场角，不同锯齿同心环对应的视角是指人眼通过各个锯齿同心环所在区域观看显示屏投射的图像时的视场角。

这是因为，人眼在10度视角范围内对图像信息比较敏感，在10～20°视角范围内可以正确识别图像信息，在20～30°度视角范围内对动态图像比较敏感。当图像垂直方向的视角为20°，水平方向的视角为36°时，人眼就会有非常好的视觉临场感，而且也不因为频繁转动眼球造成疲倦。

例如，考虑到人眼对视角20°范围内的图像信息的高度敏感，因此，设定第1环的外径尽可能大，以使第1环的外径对应的视角至少为20°，并且应尽量避免视角20°内的光在第一表面22产生光效损失，以及尽量避免第一表面22对第二表面21视角20°内的图像产生串扰。

可选的，本实用新型实施例中，将人眼的敏感区域按照人眼对图像的敏感度由高到低划分为第一敏感区域带，第二敏感区域带、第三敏感区域带、第四敏感区域带和第五敏感区域带。

可选的，本实用新型实施例的菲涅尔透镜的基面1和菲涅尔面2为旋转对称面，基面1是以基面1的中心点为对称中心的旋转对称图形；菲涅尔面2是以菲涅尔面2的中心点为对称中心的旋转对称图形，其中，基面1和菲涅尔面2的中心点同轴。基于此，人眼敏感区域带与透镜视角的对应关系可以设置为：

第一敏感区域带对应的视角为：水平方向、垂直方向最大为0～20°；

第二敏感区域带对应的视角为：水平方向、垂直方向最大为20～30°；

第三敏感区域带对应的视角为：水平方向、垂直方向最大为30～36°；

第四敏感区域带对应的视角为：水平方向、垂直方向最大为36～60°；

人眼在第五敏感区域带的敏感度较低，可将水平方向、垂直方向的视角大于60度的视角范围统一作为第五敏感区域带。

基于人眼敏感区域带与透镜视角的对应关系，锯齿同心环对应的视角范围可参见图5。如图5所示，当G＝4时，所述第1环的视角为0～20°，所述第2环的视角为20～30°，所述第3环的视角为30～36°，所述第4环的视角为36～60°。第1环的外径为D1，第2环的外径为D2，第3环的外径为D3，第4环的外径为D4。

基于上述对应关系，菲涅尔面2的多个锯齿同心环的外径可按照以下示例进行取值，具体为：

可选的，令第1环对应人眼的第一敏感区域带，第1环的外径为D1，即第1环的外径D1对应的最大视角为20°。

根据公式w1＝20°，为保证人眼舒适度，l应大于8mm，d取4mm，则第1环的外径D1至少为4.2mm。

可选的，令第2环对应人眼的第二敏感区域带，第2环的外径为D2，第2环的外径D2对应的最大视角为30°。

根据公式w2＝30°，l大于8mm，d取4mm，第2环的外径D2至少为6.4mm。

可选的，令第3环对应人眼的第三敏感区域带，第3环的外径为D3，第3环的外径D3对应的最大视角为36°。

根据公式w3＝36°，l大于8mm，d取4mm，第3环的外径D3至少为7.8mm。

当第4环对应人眼的第四敏感区域带，第4环的外径为D4，第4环的外径D4对应的最大视角为60°。

根据公式w4＝60°，l大于8mm，d取4mm，第4环的外径D4至少为13.9mm。

在菲涅尔面2的加工过程中，如果相邻两环的环间距变化过大，将导致相应环的环带深度过深，因环带过深会导致菲涅尔面2的第一表面22光损失增加以及图像重影，且考虑到每个环的环带深度需要保持在0.25mm以下，所以需要将第3环与第4环之间的环形区域设置有多个子环，各个子环与第3环同心，以满足每个环的环带深度不大于0.25mm为宜，例如，第3环与第4环之间的环形区域为图3中虚线环区域，多个同圆心的子环，参照图3中的虚线环。

例如，参照图3，假设第四敏感区域带所在的环形区域，即第3环与第4环之间的环形区域包括第4子环至第n子环，则第一表面22的面积为S＝∑π*(h4*D4+h5*D5+…+hn*Dn)，其中h4，h5，…，hn分别是第4子环至第n子环的环带深度。第一表面的面积越小，则光损失越少，所以尽量使第一表面22的面积小，且多个子环的深度不应超过0.25mm。

因人眼在第五敏感区域带的敏感度较低，所以对第五敏感区域带的环形区域的划分不做特别要求，只需第五敏感区域带的环形区域的每个环的环带深度不大于0.25mm。

在保证菲涅尔透镜的成像质量的基础上，为了进一步的减小VR装置的体积，需要使菲涅尔透镜还具备短焦距的特点。

可选的，菲涅尔透镜的菲涅尔面2的焦距大于30mm，以使菲涅尔透镜的焦距小于30mm。

为了得到短焦距的菲涅尔透镜，尽量减小菲涅尔面2的光焦度，通过设置菲涅尔面2的焦距大于30mm，可将菲涅尔面2的光焦度减小到合适的范围内，菲涅尔面2的光焦度尽可能小时，基面1可分配较多的光焦度，从而可在合适范围内减小基面1的焦距，进而将菲涅尔透镜的整体焦距减小在30mm以内，由于菲涅尔面2在短焦下依然可以做得很薄，使得菲涅尔透镜的整体厚度变薄，实现了菲涅尔透镜同时具备短焦和小尺寸。

本方案实施例的菲涅尔透镜的形状可以依据结构设计需要制作成任意形状(如圆形、方形、椭圆、多边形等)，其采用的透镜材料主要是光学塑料，可以是PMMA，PC，COC等材料，但不限于这几种材料。本实用新型实施例以圆形的菲涅尔透镜为例进行说明。

采用基面1与菲涅尔面2组合，并让两个面的光焦度达到合理的分配，使透镜在短焦、轻薄情况下，依然可以有好的成像质量，较少雾状感。本实用新型实施例提供一种合理分配基面1与菲涅尔面2的光焦度来获得短焦距菲涅尔透镜的可选实施例。

采用基面1与菲涅尔面2组合，并让两个面的光焦度达到合理的分配，使得菲涅尔透镜的焦距缩小在30mm以内的可选实施例，具体包括：

第一，分配基面1和菲涅尔面2的光焦度时，尽量让菲涅尔面2的光焦度小，基面1的光焦度大。

这是因为菲涅尔面2的第一表面22直接影响光的透过率以及成像质量，菲涅尔面2所承担的光焦度越大，菲涅尔面2的第一表面22的面积也越大，光损失就越厉害，此时第一表面22对第二表面21的串扰也越严重，使得整体画面会有一种雾状感，影响人的视觉体验。在满足厚度及视角、放大率要求的前提下，菲涅尔面2承担的光焦度越小，越利于减小光损失，提升画面清晰度，减弱雾状感，也更利于加工。

第二，菲涅尔面2的光焦度尽可能小时，菲涅尔面2的焦距至少要大于30mm，并且菲涅尔面2的焦距至少大于菲涅尔透镜的有效口径D。具体理由如下：

一般来说，适合成像的菲涅尔面2的焦距应大于30mm，同时，考虑到菲涅尔透镜的有效口径D对菲涅尔面2的曲率半径的限制，菲涅尔面2的曲率半径决定了菲涅尔面2的焦距f2，所以菲涅尔面2的曲率半径至少要大于D/2，即菲涅尔面2的焦距要大于或等于D。

所以，可选的，菲涅尔面2的焦距应同时满足大于30mm且大于菲涅尔透镜的有效口径D。

第三，根据菲涅尔面2能够提供的最大光焦度，可确定基面1的最小光焦度；

菲涅尔面2的光焦度与菲涅尔面2的焦距存在的关系式为：其中，n₂'为菲涅尔面2的折射率，f2为菲涅尔面2的焦距。因此，根据菲涅尔面2的焦距的最小值，可以确定出菲涅尔面2能够提供的最大光焦度，即(或者)；

而菲涅尔透镜的整体光焦度与基面1的光焦度、菲涅尔面2的光焦度满足关系式其中，Φ为菲涅尔透镜的整体光焦度，为基面1的光焦度，为菲涅尔面2的光焦度。

因此，根据菲涅尔面2能够提供的最大光焦度，确定出基面1的最小光焦度，即其中Φ为菲涅尔透镜的光焦度，n₂'为菲涅尔面2的折射率。

所以，可选的，基面1的光焦度

第四，菲涅尔面2的光焦度尽可能小时，根据菲涅尔透镜的有效口径D确定基面1的最大光焦度。

为了使透镜轻薄，其基面1的光焦度不能无限大，以及基面1的焦距不能无限小，因此，需要确定基面1的光焦度的最大值，即基面1的最小焦距。

此时，考虑到菲涅尔透镜的最小口径、基面1的曲率半径等对基面1的焦距的限制，基面1的光焦度的表达式为其中，为基面1的光焦度，n'为菲涅尔透镜的折射率，n为空气折射率，r为菲涅尔透镜的曲率半径。当菲涅尔透镜的有效口径为D时，此时基面1的最小曲率半径为0.5D，基面1的最大光焦度在基面1曲率半径最小时取得，即其中，为基面1的光焦度，n'为菲涅尔透镜的折射率，n为空气折射率，D为菲涅尔透镜的有效口径。

所以，可选的，基面1的光焦度

可选的，基面1的最小曲率半径为0.8D，基面1的光焦度

由上述第一至第四所述的内容，可以得出：基面1的光焦度ψ1满足以下关系式：

其中，Φ为菲涅尔透镜的光焦度，f为菲涅尔透镜的焦距，n'为菲涅尔透镜的折射率，n为空气折射率，n₂'为菲涅尔面2的折射率，D为菲涅尔透镜的有效口径。

菲涅尔面2所提供的光焦度较大时，基面1提供的光焦度较小，并且同种折射率的透镜材质下，光焦度越大，焦距越小。

进一步地，根据基面1的光焦度的取值，可以确定基面1的焦距的取值范围，使得菲涅尔透镜的焦距缩小在30mm以内。

首先，根据可以确定基面1的最小光焦度和最大光焦度。

菲涅尔透镜的光焦度与菲涅尔透镜的焦距存在以下关系：其中，n'为菲涅尔透镜的折射率，f为菲涅尔透镜的焦距。因此，根据菲涅尔透镜的焦距f≤30mm，可以确定Φ的值。

一般情况下菲涅尔透镜作为一个整体，所以菲涅尔面2和基面1的折射率相同，即n'＝n₁'＝n₂'。

基面1的光焦度与基面1的焦距存在的关系式为：其中，n₁'为基面1的折射率，f1为基面1的焦距。根据基面1的最小光焦度和最大光焦度，以及可以确定基面1的焦距最大值和焦距最小值。

综上，采用基面1与菲涅尔面2组合，并让两个面的光焦度达到合理的分配，使菲涅尔透镜的焦距缩小在30mm以内，使得菲涅尔透镜具备短焦的特点。

可选的，在菲涅尔透镜具备短焦的基础上，本实用新型实施例中的基面1为球面。

优选的，本实用新型实施例中的基面1为非球面，非球面相对于球面可以很好的校正像差。基于基面1为非球面，菲涅尔透镜可以具备较大的视场角，为了满足较大的沉浸感，所以菲涅尔透镜的最大视角至少为80°。

在菲涅尔透镜具备短焦的基础上，为了进一步减小VR装置的体积，需要使菲涅尔透镜还具备小尺寸的特点。

可选的，为了使菲涅尔透镜尽量轻薄，需减小菲涅尔透镜横向和纵向的尺寸，一方面在满足大视角的同时，需要减小菲涅尔透镜的有效口径；另一方面，在满足短焦距的同时，需要减小菲涅尔透镜的厚度。

一方面，本实用新型实施例的菲涅尔透镜的视场角FOV≥80°，可使菲涅尔透镜的有效口径D≥22mm，进而减小菲涅尔透镜的纵向体积。

参照图4，菲涅尔透镜的有效口径为菲涅尔面2的直径D，菲涅尔面2的直径如图4所示，l为瞳孔到菲涅尔透镜的基面1中心的距离，d为菲涅尔透镜的中心厚度，w为菲涅尔透镜的最大视角，通常l的取值大于或等于8mm，本实用新型实施例中d的取值范围为3～7mm，为了满足较大的沉浸感，所以菲涅尔透镜的最大视角至少为80°，即w取值至少为80°，可选的，若取极限值，l＝10mm，d＝3mm，w＝80°则D≥22mm。

另一方面，由于菲涅尔透镜的菲涅尔面2在短焦下依然可以做得很薄，因此，可以将菲涅尔透镜的整体厚度做薄，在菲涅尔透镜的整体焦距小于30mm的同时，菲涅尔透镜的中心厚度可以减小至3～7mm，进而减小菲涅尔透镜的横向体积。

此外，在菲涅尔透镜具备短焦和轻薄的同时，本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜还具备容易加工的特点。

可选的，考虑到菲涅尔透镜的边缘加工难易程度，菲涅尔透镜的边缘厚度至少应大于1mm或者1.5mm。

可选的，为了减小菲涅尔面2的第一表面22的加工难度，菲涅尔面2的多个锯齿同心环的环带深度不超过0.25mm，即锯齿同心环的第一表面22的加工深度不超过0.25mm。主要原因如下：

由于菲涅尔透镜是一种具有细微结构的光学透镜元件，它是由一环环的同心圆构成，同心圆只保留了能够产生折射的第二表面，因此可以将菲涅尔透镜做的很薄，但是正是这种细微结构，使菲涅尔面2的加工存在一定的困难。并且在成像光学中，菲涅尔面2的环带深度受菲涅尔面2的光焦度制约，光焦度越大，环带深度越深，加工越困难。本实用新型上述实施例中尽可能的减小菲涅尔面2的光焦度，还有利于减小菲涅尔面2的各个锯齿同心环的第一表面22的加工深度。

参照图2，菲涅尔面2的环带深度为h，可选的，每个锯齿同心环的环带深度不大于0.25mm。

为了使菲涅尔透镜同时具备短焦距、小体积、大视角，同时考虑到加工的难易度，因此对菲涅尔透镜进行边界控制，以满足设计及加工要求。菲涅尔透镜的边界条件如下：

第一、菲涅尔透镜的边缘厚度大于1mm；

第二、菲涅尔透镜的中心厚度为T，3mm<T<7mm

第三、基面1的光焦度为f小于或等于30mm。

第四、菲涅尔面2的环带最大深度h：h<0.25mm；

第五、第1环对应的最大视角为20°；第2环对应的最大视角为30°；第3环对应的最大视角为36°；第4环对应的最大视角为60°，第4环包括多个同心子环。

第六、菲涅尔面2第1环的外径D1大于4.2mm，第2环的外径D2大于6.4mm；第3环的外径D3大于7.8mm；第4环外径大于13.9mm。

根据上述边界条件，模拟出满足上述条件的基面1的面型，以及满足上述条件的菲涅尔面2的面型。

表1

r	31.24901
		c	0
k	0
		α₁	0
α₂	-2.9620128e-05
		α₃	2.4128641e-07
α₄	-1.5530116e-09
		α₅	5.7424283e-12
α₆	-9.0294645e-15
		α₇	0e+00
α₈	0e+00

表2

r	17.842
		c	0
k	-0.066276755
		α₁	0
α₂	-2.273e-05
		α₃	3.384e-07
α₄	-6.422e-09
		α₅	5.275e-11
α₆	-2.395e-13
		α₇	5.506e-16
α₈	-4.957e-19

而基面1与菲涅尔面2的拟合面型公式相同，具体为：

其中c为曲率，k为圆锥系数，α为对应的系数，z为矢高，r为xy平面的半径。

可选的，满足上述边界条件的基面1的面型参数为参见表1。

可选的，满足上述边界条件的菲涅尔面2的面型参数为参见表2。

根据图6模拟的菲涅尔透镜的成像光路，根据光路的可逆性，人眼瞳孔看到的显示屏的中心和边缘的图像都很清晰，基面1为非球面，较好的校正了像差，因此，本实用新型实施例的菲涅尔透镜的成像质量较高。

根据图7，菲涅尔透镜在30lp/mm处对应的最低MTF值大于0.1，低频高频的分辨率都很高。

根据图8，菲涅尔透镜的透光光效示意图中，中心区域光能量十分集中，说明菲涅尔透镜的中心处清晰度高。

综上，本实用新型通过将菲涅尔透镜的菲涅尔面2的多个锯齿同心环设置成不等间距，保证了菲涅尔面2的成像质量，在此基础上，设置菲涅尔面2的焦距大于30mm，尽量减小菲涅尔面2的光焦度，进而将菲涅尔透镜的整体焦距减小在30mm以内，保证了菲涅尔透镜的短焦距，在此基础上，由于菲涅尔面2的各个第二表面21在短焦下依然可以做得很薄，菲涅尔透镜的整体厚度变薄，实现了菲涅尔透镜同时具备短焦和小尺寸。所以，本实用新型实施例提供的菲涅尔透镜在满足短焦、轻薄的情况下，依然可以有很好的成像质量。

本实用新型实施例还提供一种虚拟现实装置，包括上述实施例中的任一种菲涅尔透镜，菲涅尔透镜与显示屏构成的光学系统参见图6，如图6，菲涅尔面2朝向显示屏，基面1朝向人眼瞳孔。当然，也可以将光学系统变形为菲涅尔面2朝向人眼瞳孔，基面1朝向显示屏。

基于上述具有短焦距、小体积和高成像质量的菲涅尔透镜，尽量减小菲涅尔面2的光焦度，将菲涅尔透镜应用在虚拟现实装置中，可实现虚拟现实装置的轻薄化、短焦距以及高成像质量。

尽管已描述了本实用新型的可选实施例，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实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种菲涅尔透镜，其特征在于，包括：基面和覆盖所述基面的菲涅尔面，所述基面为球面或非球面，所述菲涅尔面上设有多个依次向外设置的锯齿同心环，其中，所述多个锯齿同心环的径向环间距不相等，其中，所述锯齿同心环包括第一表面和第二表面，所述第一表面的一端连接所述菲涅尔面，另一端连接所述第二表面，所述第二表面为弧形，所述第一表面与所述菲涅尔透镜的光轴所形成的锐角为0～5°。

2.如权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述多个锯齿同心环包括位于所述菲涅尔面中心的第1环，以及与所述第1环同心设置并依次向外设置的第2环、第3环、……第G环，其中G为正整数，且G≥4。

3.如权利要求2所述的菲涅尔透镜，其特征在于，当G＝4时，所述第1环的外径不小于4.2mm，所述第2环的外径不小于6.4mm，所述第3环的外径不小于7.8mm，所述第4环的外径不小于13.9mm。

4.如权利要求3所述的菲涅尔透镜，其特征在于，

当G＝4时，所述第1环的视角为0～20°，所述第2环的视角为20～30°，所述第3环的视角为30～36°，所述第4环的视角为36～60°。

5.如权利要求4所述的菲涅尔透镜，其特征在于，

所述第3环与所述第4环之间的环形区域设置有多个子环，所述多个子环与所述第3环同心。

6.如权利要求5所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔面的焦距大于30mm，以使所述菲涅尔透镜的焦距小于30mm。

7.如权利要求6所述的菲涅尔透镜，其特征在于，

所述基面的光焦度满足以下关系式：

8.如权利要求7所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜的有效口径D≥22mm。

9.如权利要求6所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述菲涅尔透镜的中心厚度为3～7mm。

10.一种虚拟现实装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的菲涅尔透镜。