CN209400724U - 菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置 - Google Patents
菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN209400724U CN209400724U CN201822095522.0U CN201822095522U CN209400724U CN 209400724 U CN209400724 U CN 209400724U CN 201822095522 U CN201822095522 U CN 201822095522U CN 209400724 U CN209400724 U CN 209400724U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fresnel lenses
- fresnel
- annulus protrusion
- mirror surface
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Overhead Projectors And Projection Screens (AREA)
Abstract
本实用新型属于光学技术领域，公开了一种菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置，菲涅尔透镜包括至少有一个菲涅尔镜面，菲涅尔镜面是在基面上分布多层截面为齿形的同轴心圆环凸起，每层圆环凸起的内侧倾斜面与菲涅尔透镜的轴心线形成的大于零度的拔摸角度，且从最内层开始向外各层圆环凸起的拔摸角度是逐层递增的。本实用新型还公开了一种采用前述菲涅尔透镜的虚拟现实头戴装置。菲涅尔镜面的圆环凸起的内侧倾斜面对透镜成像而言属于无效区域，其对物体光的反射形成对透镜成像不利的杂散光，本实用新型通过改变该无效区域的内侧倾斜面的角度，以减少其反射的杂散光到透镜的成像上，从而改善了菲涅尔透镜的成像效果。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，特别是涉及一种菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置。
背景技术
菲涅尔透镜又叫螺纹透镜，是在透镜的镜面分布多层截面为齿形的同轴心圆环凸起的结构，齿形圆环凸起可看成是凸透镜的曲面为减小中心厚度分多个层级向透镜体内塌陷方式形成，每层都有保持原来凸透镜曲面对光形成有效折射的环形曲面有效区域，作为有效区域的环形曲面成为齿形圆环凸起的外侧面，而塌陷的断层面成为齿形圆环凸起的内侧面，一般是圆柱面。这种菲涅尔透镜不会改变原来凸透镜的焦距等重要光学参数，而减小了透镜本体厚度，节省了材料，也使得透镜更为轻便。
当前的虚拟现实VR(Virtual Reality)成像系统，大多是基于非球面或是菲涅尔透镜的成像系统，由前述可知基于菲涅尔透镜的成像系统较非球面的成像系统具有体积小，重量轻等优势。
但是，由于实际加工菲涅尔透镜齿形与理论设计一般相差较大，尤其是菲涅尔齿形的无效区域，这就导致菲涅尔透镜成像系统的杂散光是无可避免的，而无效区域折射所形成的杂散光影响了菲涅尔透镜的成像质量，进而影响了虚拟现实VR(Virtual Reality)成像系统给使用的感受效果。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种菲涅尔透镜，包含至少有一个菲涅尔镜面，菲涅尔镜面是在基面上分布多层截面为齿形的同轴心圆环凸起，每层圆环凸起的内侧倾斜面与菲涅尔透镜的轴心线形成的大于零度的拔摸角度，且每一层圆环凸起的拔摸角度是由内向外逐层递增的。
优选地，所述每层圆环凸起的拔摸角度满足以下等式：
θ＝θ1+K*R
式中：
θ表示圆环凸起的内侧倾斜面的拔摸角度；
θ1表示最内层圆环凸起的内侧倾斜面的拔模角度；
K表示圆环凸起拔模角度递增的倍率，K的取值范围为0.1-0.3；
R表示每层圆环凸起的半径，单位为mm。
优选地，所述菲涅尔镜面的基底为平面或者外凸曲面。
优选地，所述菲涅尔透镜的中心厚度大于7mm。
优选地，所述圆环凸起的相邻两层间距相等或者由轴心向外相邻两层间距逐渐变小。菲涅尔镜面的相邻两层的圆环凸起的间距也是相邻两层的圆环凸起的圆环半径之差。
优选地，所述每层圆环凸起的内侧倾斜面是粗糙的，或者表面有黑色镀层。把无效区域制作成一定的粗糙面，增加对光的散射而减少折射；表面增加黑色镀层同样可以起到减少折射的作用。
优选地，所述每层圆环凸起的外侧面镀材料为SiO2、Ti3O5的增透膜。
本实用新型还提供了一种虚拟现实头戴装置，包括框架及固定在框架内的演示屏，还包括至少两个前述的菲涅尔透镜，根据人的双眼距离并排把菲涅尔透镜安装在框架内，所述菲涅尔透镜的菲涅尔镜面朝向演示屏，使用者透过菲涅尔透镜能够看到演示屏上的图像。
优选地，所述菲涅尔透镜中心与演示屏的距离小于40mm。
优选地，所述菲涅尔透镜安装在框架内的位置使得菲涅尔透镜在背离演示屏一侧的镜面与框架外边缘的距离大于14mm。在使用者佩戴时，通过框架外边缘与使用者脸部接触，采用这种方式限定了菲涅尔透镜与使用者眼睛的距离，可增加用户使用时的舒适感。
上述菲涅尔透镜可以是其中一个面为菲涅尔镜面，另一个面为光滑的非球面；也可以是两个面是菲涅尔镜面。菲涅尔镜面的圆环凸起的内侧倾斜面对透镜成像而言属于无效区域，其对物体光的反射形成对透镜成像不利的杂散光，本实用新型通过改变该无效区域的内侧倾斜面的角度，以减少其反射的杂散光到透镜的成像上，从而改善了菲涅尔透镜的成像效果。
附图说明
图1是一侧为菲涅尔镜面的菲涅尔透镜截面示意图；
图2是菲涅尔镜面齿形圆环凸起截面放大示意图；
图3是菲涅尔镜面齿形圆环凸起的拔摸角度逐层递增函数示意图；
图4是基面为平面的菲涅尔镜面0.2mm等深齿形圆环凸起截面放大示意图；
图5是基面为平面的菲涅尔镜面从中心到边缘齿形圆环凸起截面放大示意图；
图6是基面为曲面的菲涅尔镜面从中心到边缘齿形圆环凸起截面放大示意图；
图7是一种虚拟现实头戴装置实施例侧立面剖面示意图；
图8是虚拟现实头戴装置实施例横向剖面示意图；
图9是菲涅尔透镜的菲涅尔镜面的无效区域杂散光处理原理示意图；
图10是虚拟现实头戴装置采用发实用新型的菲涅尔透镜的效果对比图。
图中：1-菲涅尔透镜，101-菲涅尔镜面，102-非球面镜面，103-圆环凸起，1031-圆环凸起的内侧倾斜面(无效区域)，1032-圆环凸起的外侧面(有效区域)，2-演示屏，3-框架，θ-圆环凸起的内侧倾斜面的拔摸角度，D-虚拟现实头戴装置中菲涅尔透镜中心与演示屏的距离，d-虚拟现实头戴装置中菲涅尔透镜在背离演示屏一侧的镜面与框架外边缘的距离。
具体实施方式
为了更进一步阐述本实用新型为解决技术问题所采取的技术手段及功效，以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，需要说明的是，附图只是为了说明本实用新型的示意，并非实物按比例绘制，只用于加深对本实用新型的理解，不作为本实用新型要求的保护范围限定。
目前市场上低成本VR成像系统的视场角FOV一般在90°附近。本实用新型提供了一种视场角FOV为110°高沉浸感的菲涅尔光学系统设计，且通过模拟菲涅尔面实际加工齿形杂散光分布，得到了杂散光最弱的齿形方式。
如图1所示的一侧为菲涅尔镜面的菲涅尔透镜实施例，菲涅尔透镜1的一个侧面为菲涅尔镜面101，菲涅尔镜面101在基面上分布多层截面为齿形的同轴心圆环凸起103，每层圆环凸起103的内侧倾斜面1031与菲涅尔透镜的轴心线形成的大于零度的拔摸角度，且从最内层开始向外各层圆环凸起103的拔摸角度是逐层递增，即对于相邻的两层圆环凸起中的靠外一层圆环凸起的拔摸角度比靠内一层的角度更大；菲涅尔透镜1的另一个侧面为非球面镜面102，圆环凸起103的外侧面1032为菲涅尔透镜1对入射光开始形成折射的有效区域，每层圆环凸起103的内侧倾斜面1031为主要产生杂散光的无效区域。该实施例的菲涅尔透镜的两个面的光焦度是正的，一面是菲涅尔镜面，菲涅尔镜面的光焦度φ1的范围是0<φ1<0.025，另一面是非球面镜面，非球面镜面的光焦度φ2的范围是0<φ2<0.01；为了保证低成本，该菲涅尔透镜的材料可采用光学塑料，光学塑料的折射率n和色散系数v范围最好满足：1.45<n<1.60，50<v<75，为了降低菲涅尔镜面的光焦度，可保证菲涅尔透镜的厚度>7mm。
如图2所示的菲涅尔镜面齿形圆环凸起截面放大后，可以看到每层的齿形圆环凸起103的内侧倾斜面1031所形成的大于零的拔摸角度θ的情况。
如图3所示的实施例的菲涅尔镜面齿形圆环凸起的拔摸角度逐层递增函数，该函数为一条斜线，其函数等式为：
θ＝θ1+K*R
式中：
θ表示圆环凸起的内侧倾斜面的拔摸角度；
θ1表示最内层圆环凸起的内侧倾斜面的拔模角度，范围可以为1-3度，本例中θ1＝1°；
K表示圆环凸起拔模角度递增的倍率，本例中K的取值为0.2；
R表示每层圆环凸起的半径，单位为mm。
如图4所示基面为平面的菲涅尔镜面0.2mm等深齿形圆环凸起截面，该实施例中齿形圆环凸起103的顶部到齿形根部的高差都为0.2mm。等深与等距齿形是常用的两种形式，下表1是实际加工菲涅尔透镜的不同齿形下该系统杂散光能量占总能量的比例，其中列举了齿形为0.2mm等深、齿形的齿间距为0.2mm等距以及齿形的齿间距为0.5mm等距三种齿形在不同视场角情况下的产生的杂散光能量占比，通过综合对比表1杂散光能量所占比例，选择设计齿形为等深0.2mm形式产生的杂散光能量占比较小。
表1不同齿形的菲涅尔透镜杂散光能量占总能量的比例
| FOV | 0.2mm等深齿形 | 0.2mm等距齿形 | 0.5mm等距齿形 |
| 0 | 0.000856 | 0.001295 | 0.001088 |
| 0.3 | 0.004517 | 0.006921 | 0.004156 |
| 0.5 | 0.000581 | 0.000700 | 0.001438 |
| 0.7 | 0.000406 | 0.000847 | 0.000407 |
| 1 | 0.000632 | 0.000664 | 0.000609 |
如图5所示的可选实施例，本实施中菲涅尔镜面是以平面为基面加工形成的，齿形圆环凸起不是等距的，而是从中心到边缘齿形圆环凸起的间距逐渐减小的。
如图6所示的可选实施例，本实施中的菲涅尔透镜的菲涅尔镜面是以曲面为基面加工形成的，齿形圆环凸起不是等距的，而是从中心到边缘齿形圆环凸起的间距逐渐减小的。
图7所示的是一种虚拟现实头戴装置实施例的侧立面剖面，包括框架3及固定在框架3内的演示屏2，还包括两个前述的菲涅尔透镜1，本实施例中所使用的菲涅尔透镜的一个面为菲涅尔镜面，另一个面为光滑的非球面；由于图形的视角方向两个菲涅尔透镜在图7中是重合的，根据人的双眼距离并排(即在图7中的垂直图纸面的纵深方向)把菲涅尔透镜安装在框架内，菲涅尔透镜1的菲涅尔镜面朝向演示屏2，菲涅尔透镜1的中心与演示屏2的距离为D，D＜40mm，使用者透过菲涅尔透镜1能够看到演示屏2上的图像。本实施例中，菲涅尔透镜在背离演示屏一侧的镜面与框架外边缘的距离为d，d＞14mm，这样在使用者佩戴时，通过框架外边缘与使用者脸部接触，采用这种方式限定了菲涅尔透镜与使用者眼睛的距离大于14mm，可以增加用户使用时的舒适感。同时菲涅尔透镜的视场角FOV为110°，增强了用户体验的沉浸感。
图8所示的虚拟现实头戴装置实施例横向剖面，该实施例中的虚拟现实头戴装置有两个在框架3中隔离固定的演示屏2，分别与两个菲涅尔透镜1相互对应，两个菲涅尔透镜1的距离与人的双眼距离对应。
图9所示的菲涅尔透镜的菲涅尔镜面的无效区域杂散光处理原理示意，物体或者图像的光线入射在圆环凸起的内侧倾斜面1031(无效区域)上，圆环凸起的内侧倾斜面1031对发生光线反射，在拔模角度为零时，其反射光的方向为杂散光路径Ⅰ，而把拔模角度改变为大于零时后，反射光方向成了杂散光路径Ⅱ，反射光发生偏转，这样就可减少反射光进入成像面(在虚拟现实头戴装置中成像面指人眼)，达到了改善成像质量的目的。
图10所示为虚拟现实头戴装置采用发实用新型的菲涅尔透镜的效果对比，改变拔模角度前的到成像位置的杂散光总能量为0.000244W，改变后到成像位置的杂散光总能量为0.000032951768W。
当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本实用新型的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种菲涅尔透镜，包含至少有一个菲涅尔镜面，菲涅尔镜面是在基面上分布多层截面为齿形的同轴心圆环凸起，其特征在于：每层圆环凸起的内侧倾斜面与菲涅尔透镜的轴心线形成的大于零度的拔摸角度，且每一层圆环凸起的拔摸角度是由内向外逐层递增的。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述每层圆环凸起的拔摸角度满足以下等式：
θ＝θ1+K*R
式中：
θ表示圆环凸起的内侧倾斜面的拔摸角度；
θ1表示最内层圆环凸起的内侧倾斜面的拔模角度；
K表示圆环凸起拔模角度递增的倍率，K的取值范围为0.1-0.3；
R表示每层圆环凸起的半径，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述菲涅尔镜面的基底为平面或者外凸曲面。
4.根据权利要求1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大于7mm。
5.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述圆环凸起的相邻两层间距相等或者由轴心向外相邻两层间距逐渐变小。
6.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述每层圆环凸起的内侧倾斜面是粗糙的，或者表面有黑色镀层。
7.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于：所述每层圆环凸起的外侧面镀材料为SiO2、Ti3O5的增透膜。
8.一种虚拟现实头戴装置，包括框架及固定在框架内的演示屏，其特征在于：还包括至少两个权利要求1-7之一所述的菲涅尔透镜，根据人的双眼距离并排把菲涅尔透镜安装在框架内，所述菲涅尔透镜的菲涅尔镜面朝向演示屏，使用者透过菲涅尔透镜能够看到演示屏上的图像。
9.根据权利要求8所述的虚拟现实头戴装置，其特征在于：所述菲涅尔透镜中心与演示屏的距离小于40mm。
10.根据权利要求8所述的虚拟现实头戴装置，其特征在于：所述菲涅尔透镜安装在框架内的位置使得菲涅尔透镜在背离演示屏一侧的镜面与框架外边缘的距离大于14mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201822095522.0U CN209400724U (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201822095522.0U CN209400724U (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN209400724U true CN209400724U (zh) | 2019-09-17 |
Family
ID=67894623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201822095522.0U Active CN209400724U (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN209400724U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114280708A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-05 | 京东方科技集团股份有限公司 | 菲涅尔透镜、光学模组和虚拟现实装置 |
| CN116953824A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-10-27 | 江西联昊光电有限公司 | 菲涅尔透镜及其制备方法、光学成像设备 |
-
2018
- 2018-12-13 CN CN201822095522.0U patent/CN209400724U/zh active Active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114280708A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-04-05 | 京东方科技集团股份有限公司 | 菲涅尔透镜、光学模组和虚拟现实装置 |
| CN116953824A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-10-27 | 江西联昊光电有限公司 | 菲涅尔透镜及其制备方法、光学成像设备 |
| CN116953824B (zh) * | 2023-09-21 | 2024-02-06 | 江西联昊光电有限公司 | 菲涅尔透镜及其制备方法、光学成像设备 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI624685B (zh) | 目鏡光學系統 | |
| TWI594015B (zh) | 目鏡光學系統 | |
| CN209400724U (zh) | 菲涅尔透镜和虚拟现实头戴装置 | |
| CN105629479B (zh) | 用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统 | |
| CN106405819B (zh) | 一种目镜镜头和头戴光学系统 | |
| CN106773008A (zh) | 目镜光学系统 | |
| CN104898283A (zh) | 一种目镜系统和头戴显示器 | |
| CN106970464B (zh) | 目镜光学系统 | |
| TWI754465B (zh) | 目鏡光學系統 | |
| US10025066B1 (en) | Ocular optical system | |
| TWI664460B (zh) | 目鏡光學系統 | |
| CN106405820A (zh) | 目镜 | |
| CN108051920A (zh) | 一种适用于虚拟现实设备的光学系统 | |
| CN204989624U (zh) | 一种目镜系统和头戴显示器 | |
| CN106371212A (zh) | 双元素凸凹镜片的vr/mr光学系统及vr/mr设备 | |
| CN104898267A (zh) | 一种扩大视场角的目镜 | |
| CN106371214A (zh) | 用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构 | |
| CN105589208A (zh) | 一种内对焦虚拟现实光学系统 | |
| TW201901217A (zh) | 目鏡光學系統 | |
| CN205539724U (zh) | 一种用于呈现三维场景的折反射式头戴显示光学系统 | |
| TWI592693B (zh) | 光學成像鏡頭 | |
| CN206863256U (zh) | 一种弯月型vr透镜系统 | |
| CN105511062B (zh) | 一种光学成像模组 | |
| CN206362959U (zh) | 一种光学透镜及虚拟现实vr装置 | |
| CN205485019U (zh) | 一种光学系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201015 Address after: 261031 north of Yuqing street, east of Dongming Road, high tech Zone, Weifang City, Shandong Province (Room 502, Geer electronic office building) Patentee after: GoerTek Optical Technology Co.,Ltd. Address before: 266100 Qingdao, Laoshan District, North House Street investment service center room, Room 308, Shandong Patentee before: GOERTEK TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |