CN209014753U - 可变焦透镜及vr设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可变焦透镜及VR设备，其中，包括如下的步骤：筒体、卡设于所述筒体一端的内壁上的刚性光学面、设于所述筒体另一端的限位挡壁、与所述限位挡壁连接的弹性光学面，以及用于控制所述刚性光学面在所述筒体一端的内壁上移动的驱动组件；其中，所述筒体、所述刚性光学面、所述限位挡壁以及所述弹性光学面形成封闭的腔体，所述腔体内含具有折射率的液体介质。本实用新型提供的技术方案，能够实现透镜的自动调焦。

Description

可变焦透镜及VR设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种可变焦透镜及VR设备。

背景技术

随着VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术的发展，VR产品越来越深入人们的生活，在游戏、医学、军事、教育等领域扮演者越来越重要的角色。

通常，VR产品包含显示屏以及具有特定焦距的透镜组成的叠层结构，显示屏显示的画面经透镜放大后进入人眼。但是，受这种叠层结构的限制，视力存在缺陷的用户，例如近视患者或远视患者在使用VR头戴设备的过程中，仍旧需要佩戴用于视力矫正的眼镜才能够正常观看VR场景。

实用新型内容

本实用新型提供一种可变焦透镜及VR设备，用以实现透镜的自动调焦。

本实用新型提供一种变焦透镜，包括：

筒体、卡设于所述筒体一端的内壁上的刚性光学面、设于所述筒体另一端的限位挡壁、与所述限位挡壁连接的弹性光学面，以及用于控制所述刚性光学面在所述筒体一端的内壁上移动的驱动组件；

其中，所述筒体、所述刚性光学面、所述限位挡壁以及所述弹性光学面形成封闭的腔体，所述腔体内含具有折射率的液体介质。

进一步可选地，所述驱动组件包括：附接于所述刚性光学面或所述限位挡壁中的一者的永磁体、附接于所述刚性光学面或所述限位挡壁中的另一者的电磁体，以及用于控制所述电磁体的磁极和磁场大小的控制电路；其中，所述永磁体与所述电磁体相对而设。

进一步可选地，所述限位挡壁为环形的限位挡壁，其上设有均匀分布的至少两个所述永磁体或所述电磁体。

进一步可选地，所述控制电路包括：用于根据调焦请求发出数字控制信号的控制器；与所述控制器电连接，且用于将所述控制信号转化为电压信号的数模转换器；以及，与所述数模转换器电连接，且用于将所述电压信号转化为电流信号的压控恒流源；其中，所述压控恒流源与所述电磁体电连接，用于通过所述电流信号控制所述电磁体的磁极和磁场大小。

进一步可选地，所述控制电路还包括：设于所述电磁体上的采样电阻；与所述采样电阻连接，且用于采集所述电磁体上电流的模数转换器；所述模数转换器与所述控制器电连接，用于将采集到的所述电磁体上的电流反馈至所述控制器，以使所述控制器根据所述电磁体上的电流调整所述数字控制信号。

进一步可选地，所述控制电路包括：与所述控制器电连接，且设于所述电磁体周围指定范围内的温度传感器。

进一步可选地，所述弹性光学面为二甲基硅氧烷薄膜面。

进一步可选地，所述刚性光学面为玻璃光学面。

进一步可选地，所述液体介质为铬酸钠溶液。

本实用新型还提供一种VR设备，包括：本实用新型提供的变焦透镜，以及与所述变焦透镜同轴的显示屏。

本实用新型中，采用筒体、刚性光学面、限位挡壁以及弹性光学面形成封闭的腔体，在腔体内填充具有折射率的液体介质，可得到具有折射率的透镜。驱动组件驱动刚性光学面在筒体内壁移动时，引起腔体内填充的液体介质发生流动，进而，弹性光学面的曲率的随之发生变化。随着弹性光学面的曲率发生变化，透镜的光焦度实现了自动调整。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例提供的变焦透镜的结构示意图；

图2是本实用新型另一实施例提供的变焦透镜的结构示意图；

图3a是本实用新型又一实施例提供的变焦透镜的结构示意图；

图3b是本实用新型又一实施例提供的变焦透镜的结构示意图；

图4是本实用新型一实施例提供的控制电路143的结构示意图；

图5是本实用新型另一实施例提供的控制电路143的结构示意图；

图6是本实用新型一实施例提供的调焦时液体介质15的流动示意图；

图7是本实用新型一实施例提供的VR设备的结构示意图；

图8是近视患者使用本实用新型实施例提供的VR设备时的调焦示意图；

图9是远视患者使用本实用新型实施例提供的VR设备时的调焦示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

现有技术中，一种透镜变焦方式可通过马达带动多个不同焦距的镜片进行切换实现变焦。但这种方式的缺点在于，变焦过程不连续，响应时间长，用户体验不佳。另一种变焦方式可通过马达带动镜片组件沿光轴前后移动实现焦点调节。但是这种方式占用空间大，同样有响应时间长缺点。除此之外，上述现有技术记载的通过机械齿轮传动实现变焦的透镜通常具有体积和重量较大的缺陷，应用于具体的产品(例如VR产品)时，不利于产品的小型化和轻量化。

为解决上述缺陷，本实用新型提供了一种透镜，其核心在于：采用刚性结构和弹性结构设计可发生形变的腔体，在腔体内填充具有折射率的液体介质。通过改变腔体的形状来使弹性结构发生变化，进而实现透镜光焦度的变化。以下部分将结合具体的实施例对本实用新型提供的变焦透镜进行具体说明。

图1是本实用新型提供的变焦透镜的结构示意图，如图1所示，该透镜包括：

筒体10、卡设于筒体10一端的内壁上的刚性光学面11、设于筒体10另一端的限位挡壁12、与限位挡壁12连接的弹性光学面13，以及用于控制刚性光学面11在筒体10一端的内壁上移动的驱动组件14。其中，筒体10、刚性光学面11、限位挡壁12以及弹性光学面13形成封闭的腔体，腔体内含具有折射率的液体介质15。如图1所示，该封闭的腔体以及腔体内包含的液体介质15，可视为具有折射率的透镜。透镜的折射率由液体介质15的折射率决定，透镜的光焦度由透镜的折射率、刚性光学面11的曲率以及弹性光学面13的曲率决定。其中，刚性光学面11的曲率是固定的，可通过调整弹性光学面13的曲率得到具有目标光焦度的透镜。

在图1所示的结构中，驱动组件14可以驱动刚性光学面11在筒体10内壁移动。刚性光学面11的移动将引起腔体内填充的液体介质15发生流动，进而，弹性光学面13的曲率的随之发生变化。例如，刚性光学面11向限位挡壁12方向移动时，弹性光学面13向外凸，曲率变小；刚性光学面11向远离限位挡壁12的方向移动时，弹性光学面13回缩，曲率变大。随着弹性光学面13的曲率发生变化，腔体和液体介质15形成的透镜的光焦度实现了自动调整。

可选的，在图1所示的结构中，限位挡壁12可限制刚性光学面11的移动范围，以避免刚性光学面11对液体介质15的过度挤压对弹性光学面13造成损伤。可选的，限位挡壁12和筒体10可以加工成一体式的，也可以是分离式的。弹性光学面13可以采用胶粘的方式与限位挡壁12连接。

可选的，除上述作用外，限位挡壁12还可以用于安装驱动组件14，以下将结合图2、图3a以及图3b进行具体说明。

可选的，在图1所示结构的基础上，驱动组件14可如图2、图3a以及图3b所示，包括：附接于刚性光学面11或限位挡壁12中的一者的永磁体141、附接于刚性光学面11或限位挡壁12中的另一者的电磁体142，以及用于控制电磁体142的磁极和磁场大小的控制电路143；其中，永磁体141与电磁体142相对而设。图2、图3a以及图3b中，以永磁体141附接于刚性光学面11上、电磁体142附接于限位挡壁12上为例对本实用新型的技术方案进行示意。当然在实际中，永磁体141可以附接于限位挡壁12上、电磁体142可以附接于刚性光学面11上，本实施例对此不做限制。

在图2、图3a以及图3b所示的结构中，控制电路143能够给电磁体142通电，使得电磁体产生磁场，该磁场能够与永磁体141的磁场相互作用，产生的作用力能够带动刚性光学面11在腔体10的内壁上进行移动，例如，电磁体142与永磁体141相斥时，刚性光学面11向远离限位挡壁12的方向移动，弹性光学面13的曲率减小，可得到光焦度增大的透镜；电磁体142与永磁体141相斥时，刚性光学面11向靠近限位挡壁12的方向移动，弹性光学面13的曲率增大，可得到光焦度减小的透镜。

在一可选的实施方式中，限位挡壁12可为如图3a所示的环形的限位挡壁。如图3a所示，环形的限位挡壁12上可设有均匀分布的至少两个永磁体141或电磁体142。此处应当理解为：限位挡壁12上设有的均匀分布永磁体141或电磁体142的总数量不少于两个，并不仅限于均匀分布永磁体141的数量不少于两个或者电磁体142的数量不少于两个。

应当理解，由于永磁体141与电磁体142相对而设，则限位挡壁12上设有的至少两个永磁体141或电磁体142，应当分别与附接于刚性光学面11上的同等数量的电磁体142或永磁体142相对。图3a中，以限位挡壁12上设有均匀分布的两个电磁体142为例进行示意，在实际中，限位挡壁12上也可设有均匀分布的至少两个永磁体141，或者也可设有均匀分布的至少一个永磁体141和至少一个电磁体142。以图3a为例，在这种结构中，限位挡壁12上的两个电磁体142均匀分布，通过这两个电磁体142与附接于刚性光学面11上的永磁体141之间的吸引或者排斥力来驱动刚性光学面11移动时，各个方向上的驱动力较为均为，能够确保刚性光学面11能够始终沿着光轴方向移动，保证了最终得到的透镜具有均匀的厚度。

在另一可选实施方式中，如图3b所示，环形的限位挡壁12上可设有环形的永磁体141或电磁体142。相应地，刚性光学面11上附接有相对的环形电磁体142或环形的永磁体142。通过这种结构，环形的电磁体142与环形的永磁体141之间能够产生均匀的磁场，进而使得作用在刚性光学面11上的驱动力较为均匀，刚性光学面11能够始终沿着光轴方向移动，保证了最终得到的透镜具有均匀的厚度。如3b中，环形的限位挡壁12被电磁体142遮挡，并未进行示意。

在前述实施例的基础上，可选的，如图4所示，控制电路143包括：用于根据调焦请求发出数字控制信号的控制器1431；与控制器1431电连接，且用于将控制信号转化为电压信号的数模转换器1432；以及，与数模转换器1432电连接，且用于将电压信号转化为电流信号的压控恒流源1433；其中，压控恒流源1433与电磁体142电连接，用于通过电流信号控制电磁体142的磁极和磁场大小。

其中，调焦请求可以是用户发出的。例如在一种应用场景中，本实用新型提供的变焦透镜可应用于VR产品中作为VR透镜使用。当近视的用户佩戴VR产品观看VR场景时，可适当增大VR透镜的焦距，以实现裸眼看到高清VR场景的效果。此时，用户可通过VR产品向控制器1431发出增大光焦度的调焦请求。

可选的，控制器1431可以使用各种应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、微中控元件、微处理器或其他电子元件实现，此处不赘述。

控制器1431接收到调焦请求后，可根据调焦请求发出数字控制信号，数模转换器1432可将该控制信号转化为电压信号，接着压控恒流源1433可将电压信号转化为电流信号。电流信号通入电磁体142后，电磁体142内的导电线圈产生具有一定磁极和磁场大小的磁场。该磁场可与永磁体141的产生的磁场相互作用，带动刚性光学面11移动以使液体介质15发生流动。

本实施例中，将焦距的调节转化为了电流大小的调节，并可通过控制器1431实现数字化调焦，使得调焦的过程更稳定、调节精度更高。另外，本实施例提供的可调焦透镜的焦距调节方式灵敏度高，响应时间迅速，且调节过程不产生机械噪声，有利于提升用户体验。除此之外，本实施例提供的驱动组件14没有过多机械结构，重量轻，且可以附接在光学面或限位挡板上，有利于减小透镜的体积。

在一可选实施方式中，如图5所示，在上述实施例记载的结构的基础上，控制电路143还可包括：设于电磁体142上的采样电阻1434；与采样电阻1434连接，且用于采集电磁体142上电流的模数转换器1435；模数转换器1435与控制器1431电连接，用于将采集到的电磁体142上的电流反馈至1431控制器。在这种结构中，制器1431可根据采集到的采样电阻1435的电流做电流闭环，以在采样得到的电流不符合要求时，调整数字控制信号。

可选的，如图5所示，控制电路143还包括：与控制器1431电连接，且设于电磁体142周围指定范围内的温度传感器1436。温度传感器1436能够实时检测电磁体142内导电线圈的温度，避免线圈过热。

基于上述实施例，图6示意了一种调焦时液体介质15的流动过程。如图6所示，当刚性光学面11在永磁体141和电磁体142产生的电磁力的推拉下沿着光轴移动距离d1时，会导致一部分液体发生流动，标记流动的液体的体积V1。因为液体介质15的总体积不变，体积为V1的液体将对弹性光学面13造成挤压，于是弹性光学面13与限位挡板12围成的球缺区内的液体介质也随之流动，标记此时流动的液体介质的体积为V2,并标记球缺的高度变化为Δh。标记s1为刚性光学面11的面积，s2为弹性光学面13与限位挡板12围成的球缺区的底面积，h为刚性光学面11移动前球缺区的高度。理论上，V1与V2相等，V1与V2的计算公式可如公式1以及公式2所示：

因此，则根具公式1以及公式2，可得到位移量d与Δh的对应关系,也就是说，当已知目标光焦度时，可根据目标光焦度确定弹性光学面13的目标曲率。基于弹性光学面13的当前曲率与目标曲率之差，可确定Δh的值。在确定Δh之后，基于Δh和d的对应关系，可控制刚性光学面11移动d距离，以最终得到具有目标光焦度的透镜。

还需要说明的是，在上述结构中，由于s1大于s2，进而刚性光学面11移动很小距离时，就能使弹性光学面13形成较大的曲率变化，可实现透镜焦距的快速调节，并可在控制刚性光学面11发生极小位移的情况下完成较大范围的焦距调节。

在上述或下述实施例中，可选的，弹性光学面13可以为二甲基硅氧烷薄膜面。刚性光学面11可以为玻璃光学面，例如玻璃平面或者具有一定曲率的玻璃曲面。当然，在实际中，弹性光学面13也可以选用其他材质的薄膜面，刚性光学面11也可以是树脂或橡胶等其他材质的光学面，本实施例不做限制。可选的，腔体内填充的液体介质15可以为铬酸钠溶液，该溶液的折射率为1.5。实际中，根据需求，可采用具有其他折射率的溶液来填充腔体，以得到不同折射率的透镜。

如图7所示，本使用新型还提供一种VR设备，该VR设备包括左眼显示模组以及右眼显示模组，每一显示模组包含显示屏71，以及前述实施提供的可变焦的透镜72。其中，显示屏71与透镜72同轴而设。在这种VR设备中，左眼显示模组以及右眼显示模组均可根据实际需求进行焦距调节，进而针对不同用户可实现左右眼差异化调焦对焦，提升用户体验。

在一可选的实施方式中，不同的用户在使用本实施例提供的VR设备时，可将个人对应的焦距调节数据作为参数存储在变焦透镜62的控制器中，当用户再次调焦时，可直接调取之前调节好的参数进行调焦。在另一可选的实施方式中，用户在使用本实施例提供的VR设备时，可在VR设备上登陆用户的个人账户，并从个人账户中调取对应的参数来调节焦距。上述两种实施方式均可重复的调焦过程，实现了差异化无感调焦和无感视力适配。

如图8示意了近视患者使用VR设备时的调焦过程。在图8中，实线绘制的透镜72的状体一可根据VR设备的目标放大倍数进行设计，适用于正常视力的用户。虚线部分绘制的透镜72的状体二相对于状体一而言，折光曲面的曲率增大，折光能力增强，能够补偿近视患者的晶状体折光能力较弱的缺陷，使得近视患者不戴矫正眼镜也能够清楚地看见VR设备展示的VR场景。

如图9示意了远视患者使用VR设备时的调焦过程。在图9中，实线绘制了的透镜72的状体一可根据VR设备的目标放大倍数进行设计，适用于正常视力的用户。虚线部分绘制的透镜72的状体二相对于状体一而言，折光曲面的曲率减小，折光能力降低，能够补偿远视患者的晶状体折光能力过强的不足，使得远视患者不戴矫正眼镜也能够清楚地看见VR设备展示的VR场景。

本实施例提供的VR设备，采用了本实施例上述技术方案提供的可变焦的透镜作为VR透镜，一方面，实现了不同视力水平的用户在裸眼条件下的良好观看效果，另一方面，和现有技术中采用不可调焦的透镜作为VR透镜的VR设备相比，本实施例提供的VR设备的体积并没有改变。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可变焦透镜，其特征在于，包括：

筒体、卡设于所述筒体一端的内壁上的刚性光学面、设于所述筒体另一端的限位挡壁、与所述限位挡壁连接的弹性光学面，以及用于控制所述刚性光学面在所述筒体一端的内壁上移动的驱动组件；

其中，所述筒体、所述刚性光学面、所述限位挡壁以及所述弹性光学面形成封闭的腔体，所述腔体内含具有折射率的液体介质。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述驱动组件包括：

附接于所述刚性光学面或所述限位挡壁中的一者的永磁体、附接于所述刚性光学面或所述限位挡壁中的另一者的电磁体，以及用于控制所述电磁体的磁极和磁场大小的控制电路；其中，所述永磁体与所述电磁体相对而设。

3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述限位挡壁为环形的限位挡壁，其上设有均匀分布的至少两个所述永磁体或所述电磁体。

4.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述控制电路包括：

用于根据调焦请求发出数字控制信号的控制器；

与所述控制器电连接，且用于将所述控制信号转化为电压信号的数模转换器；以及，

与所述数模转换器电连接，且用于将所述电压信号转化为电流信号的压控恒流源；

其中，所述压控恒流源与所述电磁体电连接，用于通过所述电流信号控制所述电磁体的磁极和磁场大小。

5.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述控制电路还包括：

设于所述电磁体上的采样电阻；

与所述采样电阻连接，且用于采集所述电磁体上电流的模数转换器；

所述模数转换器与所述控制器电连接，用于将采集到的所述电磁体上的电流反馈至所述控制器，以使所述控制器根据所述电磁体上的电流调整所述数字控制信号。

6.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述控制电路包括：

与所述控制器电连接，且设于所述电磁体周围指定范围内的温度传感器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的透镜，其特征在于，所述弹性光学面为二甲基硅氧烷薄膜面。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的透镜，其特征在于，所述刚性光学面为玻璃光学面。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的透镜，其特征在于，所述液体介质为铬酸钠溶液。

10.一种VR设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-9中任一项所述的可变焦透镜，以及与所述可变焦透镜同轴的显示屏。