JP7353282B2 - Ｖｒレンズ構造および表示装置 - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
本願は、2018年4月12日に提出された中国特許出願No.201810326480.9の優先権を主張し、当該特許出願のすべての内容を参照により本願に援用する。
本開示は表示技術分野に属し、具体的にはVRレンズ構造および表示装置に関するものである。
VR表示装置において、より良好な視覚体験を得るために、設計方法の1つとして、視野を増やして、没入感を高めるというものがある。
本開示の実施例では、VRレンズ構造および表示装置を提供する。
本開示の一態様ではVRレンズ構造を提供し、当該VRレンズ構造は、対向配置された第1レンズと第2レンズとを含み、
前記第1レンズは、対向配置された第1側面および第2側面を有し、且つ前記第1側面および前記第2側面の少なくとも一方は非球面であり、
前記第2レンズはフレネルレンズであり、前記第2レンズの光学面と前記第2側面とは近接して配置され、前記第2レンズのフレネル面は前記光学面よりも前記第2側面から離れて配置される。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面および第2側面はいずれも非球面であり、
前記第1側面の中間領域は、前記第2側面から離れた方向へ突出し、縁部領域は、前記第2側面に近い方向へ突出し、
前記第2側面は前記第1側面から離れた方向へ突出する。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面および第2側面はいずれも非球面であり、
前記第1側面は前記第2側面から離れた方向へ突出し、
前記第2側面は前記第1側面から離れた方向へ突出する。
一実施例において、前記第2レンズの光学面には平面または非球面が含まれる。
一実施例において、前記第2レンズの光学面は非球面であり、且つ前記フレネル面から離れた方向へ突出する。
一実施例において、前記第1レンズの屈折率は1.55～1.70である。
一実施例において、前記第2レンズのフレネル面の隣接する任意の2つのねじ山間の間隔は0.2mm～0.7mmである。
一実施例において、前記フレネル面におけるねじ山の深さが異なり、且つ前記ねじ山の深さが深いほど前記ねじ山の抜き勾配が大きい。
一実施例において前記第1レンズの光焦点力はΦ1であり、前記第2レンズの光焦点力はΦ2であり、両者は0.8Φ1≦Φ2≦2Φ1という式を満たす。
一実施例において、前記第1レンズの口径は前記第2レンズの口径よりも小さい。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面の中間領域の曲率半径が99.935mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-49.709mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが8.160mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
前記第2レンズの光学面の曲率半径が223.181mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-41.2mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが4.769mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01である。
なお、本開示における第1数値「±」第2数値は、第1数値「+」第2数値で得られる数値と、第1数値「-」第2数値で得られる数値との間の任意の数値（2つの端点の数値の一方）と、を含むものである。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面の中間領域の曲率半径が89.442mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-59.286mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが9.847mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
前記第2レンズの光学面の曲率半径が0mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-63.253mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが2.0mm±0.1mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01である。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面の曲率半径が72.002mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-283.789mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが6.729mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.68879±0.01であり、
前記第2レンズの光学面の曲率半径が0mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-58.943mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが2.0mm±0.1mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01である。
本開示の別の態様では表示装置を提供し、当該表示装置は、
表示パネルと、
前記表示パネルの出光面側に位置する、本開示の上記実施例におけるいずれか1つによるVRレンズ構造において、
前記第2レンズのフレネル面は、光学面よりも前記表示パネルに近く配置される。
一実施例において、前記第1レンズ、前記第2レンズ、前記表示パネルの中心点は同一の直線上に位置し、且つ前記表示パネルの中心点と前記第2レンズのフレネル面の中心点との間の距離が前記VRレンズ構造の有効焦点距離より小さい。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面の中間領域の曲率半径が99.935mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-49.709mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが8.160mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
前記第2レンズの光学面の曲率半径が223.181mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-41.2mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが4.769mm±0.1mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
前記表示パネルの中心点から前記第2レンズのフレネル面の中心点までの距離は、32.945mm±0.1mmである。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面の中間領域の曲率半径が89.442mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-59.286mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが9.847mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
前記第2レンズの光学面の曲率半径が0mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-63.253mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが2.0mm±0.1mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
前記表示パネルの中心点から前記第2レンズのフレネル面の中心点までの距離は、30.185mm±0.1mmである。
一実施例において、前記第1レンズの第1側面の曲率半径が72.002mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-283.789mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが6.729mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.68879±0.01であり、
前記第2レンズの光学面の曲率半径が0mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-58.943mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが2.0mm±0.1mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
前記表示パネルの中心点から前記第2レンズのフレネル面の中心点までの距離は、33.021mm±0.1mmである。
図1は、本開示の実施例によるVRレンズ構造および表示装置の概念図である。 図2Aは、本開示の図1に示される実施例によるVRレンズ構造の像面湾曲曲線の概念図である。 図2Bは、本開示の図1に示される実施例によるVRレンズ構造の像面湾曲曲線の概念図である。 図2Cは、本開示の図1に示す実施例のVRレンズ構造の焦点距離位置における拡散スポットのドットチャートである。 図3は、本開示の図1に示す実施例のVRレンズ構造の歪み曲線の概念図である。 図4は、本開示の実施例による別のVRレンズ構造および別の表示装置の概念図である。 図5Aは、本開示の図4に示す実施例のVRレンズ構造の像面湾曲曲線の概念図である。 図5Bは、本開示の図4に示す実施例のVRレンズ構造の像面湾曲曲線の概念図である。 図6は、本開示の図4に示す実施例のVRレンズ構造の歪み曲線の概念図である。 図7は、本開示の実施例の別のVRレンズ構造および別の表示装置の概念図である。 図8Aは、本開示の図7に示す実施例のVRレンズ構造の像面湾曲曲線の概念図である。 図8Bは、本開示の図7に示す実施例のVRレンズ構造の像面湾曲曲線の概念図である。 図9は、本開示の図7に示す実施例のVRレンズ構造の歪み曲線の概念図である。
本開示の技術案を当業者がより明確に理解できるよう、以下では図面と具体的な実施形態を組み合わせて、本開示についてさらに詳細に説明する。
上記のように、VR(VirtualReality)表示装置において、より良好な視覚体験を得るために、設計方法の1つとして、視野を増やして、没入感を高めるというものがある。しかしながら、本開示の発明者は、単レンズを用いた従来のVRレンズは、両眼間隔の制限により視野角が狭くなることを発見した。人間とコンピュータのやり取りを無視して、強制的に両眼間隔を狭めて画角を大きくしても、単レンズ収差および深刻な歪みという問題が存在し、体験効果に影響を与える。よって、単レンズVRの光路構成は、レンズの曲率および厚さに制限されてしまい、両目の総合視野が120°を超えるという効果の要求に達することは困難である。
VRレンズの視野角および結像品質を向上させ、VRレンズの光路系の長さを制御するために、マルチレンズを用いたVRレンズ構造が提案され、実用化されている。画面のパラメータを一致させることによって、マルチレンズを用いた適切なVRレンズ構造を見つけることは、VRレンズ構造の表示効果を高める道筋である。
本開示の実施例では、対向配置された第1レンズと第2レンズとを含み、第1レンズは、対向配置された第1側面および第2側面を有し、且つ第1側面および第2側面の少なくとも一方は非球面であり、第2レンズはフレネルレンズであり、対向配置されたフレネル面と光学面を有し、且つ当該第2レンズの光学面と第2側面とは近接して配置され、当該第2レンズのフレネル面は光学面よりも前記第2側面から離れて配置される、VRレンズ構造を提供する。なお、前記第2レンズの前記フレネル面は、ねじ山(または、同心円)が設けられた表面、即ち、実質的に光線の伝播方向を変化させる表面であると理解されたい。前記第2レンズの前記光学面は、前記フレネル面に対向する表面である。
本実施例におけるVRレンズ構造は、第1レンズと第2レンズという2つのレンズから構成されるため、当該VRレンズ構造を表示装置に適用すると、当該VRレンズ構造は、第1レンズの第1側面と第2側面、および第2レンズのフレネル面と光学面という4つの光学有効面を有する。したがって、VRレンズ構造を設計する際に、4つの光学有効面のパラメータを設定することができ、これにより、形成されたVRレンズ構造が表示装置に適用される際に、より大きい視野角、より優れた構造を有し、ユーザ体験を向上させる。
例えば、本実施例において、第2レンズのフレネル面の隣接する任意の2つのねじ山間の間隔は0.2mm～0.7mmであり、且つねじ山の深さが異なり、ねじ山の深さが深いほどねじ山の抜き勾配が大きく、即ち、各ねじ山の抜き勾配が異なり、段階的に分布することから、取出しの難易度を軽減できる。
また、本実施例において、VRレンズ構造の第1レンズの光焦点力はΦ1であり、第2レンズの光焦点力はΦ2であり、両者は0.8Φ1≦Φ2≦2Φ1という式を満たす。このような設置方式は、当該VRレンズ構造を適用する仮想表示装置の単眼視野角FOVを115°より大きく、両眼視野角FOVを130°とすることができるだけでなく、より広い視野範囲を実現し、かつ、表示の没入感を高めることができる。また、単レンズの装置と比較して、より大きい仮想現実感装置の視野角を提供すると同時に、装置全体を軽減でき、特に画面サイズを小さくでき、VR表示装置をコンパクトにすることができる。
具体的には以下の実施例と組み合わせて、本実施例におけるVRレンズ構造、および当該VRレンズ構造を適用する表示装置の構造と効果についてさらに説明する。
本開示の実施例は、VRレンズ構造と、当該VRレンズ構造を応用する表示装置を提供する。そのうち、VRレンズ構造は、図1に示すように、対向配置された第1レンズ1と第2レンズ2とを含んでいる。第1レンズ1は非球面レンズであり、即ち、第1レンズ1の第1側面S1および第2側面S2はいずれも非球面である。そのうち、第1側面S1を第1非球面と呼び、第2側面S2を第2非球面と呼ぶことができる。また、第1非球面の中間領域は、第2非球面から離れた方向へ突出し、縁部領域は、第2非球面に近い方向へ突出する。第2非球面は、第1非球面から離れた方向へ突出する。第2レンズ2はフレネルレンズであり、第2レンズ2の光学面S4は非球面であり、フレネル面S3から離れた方向へ突出する。
本実施例のVRレンズ構造は2つのレンズから構成され、即ち、第1レンズ1と、フレネルレンズを適用した第2レンズ2という2つの非球面のレンズを有し、且つフレネルレンズの光学面も非球面であり、つまり、本実施例における第1レンズ1と第2レンズ2はいずれも非球面レンズであり、これにより、光の屈折方向を制御して広い視野を実現することに有利であり、ユーザの体験を向上させることが可能となる。
一例として、上記のVRレンズ構造を表示装置に適用し、図1の左側から右側に向かって、観察者の瞳4の位置、第1レンズ1、第2レンズ2、表示パネル3とする画面を提示する。そのうち、瞳4の焦点位置と、第1レンズ1の中心点(例えば、幾何学的中心点)1Cと、第2レンズ2の中心点(例えば、幾何学的中心点)2Cと、表示パネル3の中心点(例えば、幾何学的中心点)3Cとは、同一直線上にあるべきである。第2レンズ2の口径(例えば、直径)は第1レンズ1の口径よりも大きく、これにより、入射光線角度に対して顕著な屈折作用を及ぼし、表示パネル3のサイズに合わせることができる。例えば、第1レンズおよび第2レンズの材料として、光学樹脂またはガラスを用いることができ、軽量化のために、樹脂材料を用いることができる。本実施例における表示パネル3の中心点から第2レンズ2のフレネル面S3の中心点までの距離、即ち、物体距離は、第1レンズ1と第2レンズ2とで形成される合成レンズの有効焦点距離EFLよりも小さい。一例として、第1レンズ1および第2レンズ2は、それぞれ円形形状を有することができる。しかし、本開示はこれに限定されず、例えば、第1レンズ1および第2レンズ2のそれぞれの形状は、表示パネル3の形状と同一であってもよい。
第1レンズおよび第2レンズの各光学有効面の曲率半径、レンズ中心の厚さ、第1レンズと第2レンズとの間、および第1レンズと観察者の瞳4との間、第2レンズと表示パネル3との間の間隔等のパラメータは以下のとおりである。
第1レンズと第2レンズとが形成する複合レンズの有効焦点距離EFLは36.1mm、第1レンズと観察者の瞳4との距離は11mm、第1レンズ1の第1側面S1の（例えば、中間領域の）曲率半径は99.935mm、第2側面S2の曲率半径は-49.709mm、第1レンズ1の厚さは8.160mm、第1レンズ1の屈折率は1.4918、第1レンズ1のアッベ係数（アッベ数（Abbenumber）とも称される）は57.44、第2レンズ2の光学面S4の曲率半径は223.181mm、フレネル面S3の（例えば、輪郭の）曲率半径は-41.2mm、第2レンズ2の厚さは4.769mm、第2レンズ2の屈折率は1.4918、第2レンズ2のアッベ数は57.44、第1レンズ1と第2レンズ2との間隔は0.5mm、表示パネル3の中心点から第2レンズ2のフレネル面S3の中心点までの距離は32.945mmである。
上記のパラメータに従って設定されたVRレンズ構造の性能を検証するために、本開示の発明者は、米国Zemax社によって提供された光学設計ソフトウェアZemaxを用いて、その性能をシミュレーションした。シミュレーション結果は、当該VRレンズ構造の像面湾曲、拡散スポットおよび歪み性能は、それぞれ図2A、図2B、図2C、図3に示すとおりである。なお、図2A、図2B、図5A、図5B、図8A、図8Bにおいて、座標原点は図1、図4、図7における瞳4の位置を示し、横軸の負方向は図に示す瞳4の左側を示し、横軸の正方向は図に示す瞳4の右側を示している。また、縦軸（即ち、Y軸）は、図1、図4、図7に示す垂直方向の正規化された寸法であるため、寸法単位はない。図2Aに示す横軸範囲では、赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)の像面湾曲曲線は実際には互いに重なっている。図2Bは、赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)のより小さい横軸範囲での像面湾曲曲線を示している。図2Bに示す横軸範囲では、赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)の像面湾曲曲線が若干ずれている。図2B（および図5B、図8B）において、下付き文字「S」および「T」は、Zemaxソフトウェアで設定された互いに垂直な2つの方向をそれぞれ示し、即ち、図2B、図5B、図8Bにおける像面湾曲曲線RS、GS、BSは、それぞれ図2A、図5A、図8Aの「メリジオナル像面湾曲」に対応し、図2B、図5B、図8Bにおける像面湾曲曲線RT、GT、BTは、それぞれ図2A、図5A、図8Aの「サジタル像面湾曲」に対応する。図2Cは、本開示の図1に示す実施例のVRレンズ構造の焦点距離位置における拡散スポットのドットチャートである。図2Cの右上の3つの数字は、シミュレーションで用いた赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)の波長(ミクロン単位)を下から上にそれぞれ示している。図面から見て取れるように、本実施例におけるVRレンズ構造では、広い視野角のときに像面湾曲値は大幅に増加せず、良好な画質が得られる。同時に、レンズ群の歪み値は、視野角の変化に伴って徐々に大きくなり、滑らかな増加カーブを有するため、後でソフトウェア方法で逆歪みを補正することで、表示シーンが歪んで視聴の快適性に影響を与えるという問題を回避することができる。本実施例におけるVRレンズ構造は、片目で120°の視野範囲、両目の総視野が135°を超えることを実現することで、VR表示装置の没入感を大幅に向上させることができる。本実施例において第1レンズ1(非球面レンズ)の光焦点力Φ1=146.111/m(単位1/mは、m-1と表すこともできる)、第2レンズ2(フレネルレンズ)の光焦点力Φ2=146.131/mは、フレネル面の光焦点力が、非球面の光焦点力の0.8倍よりも大きく、非球面の光焦点力の2倍よりも小さいという所定の要求に適合する。上記設定により、VRレンズ構造の全体の厚み、結像品質が良好に保たれる。
例えば、本実施例において、第1レンズ1と第2レンズ2の各光学有効面の曲率半径、レンズ中心の厚さ、第1レンズ1と第2レンズ2の間、第1レンズ1と観察者の瞳4の間、第2レンズ2と表示パネル3の間の間隔は、上記数値に限定されず、上記数値を基準として±0.1mmの範囲内の任意の数値を選択することができ、第1レンズ1と第2レンズ2に用いる材料の屈折率も、上記数値を基準として±0.01の範囲内の任意の数値を選択することができる。
本開示の実施例では、別のVRレンズ構造および当該VRレンズ構造を適用した別の表示装置を提供する。そのうち、VRレンズ構造は、図4に示すように、対向配置された第1レンズと第2レンズとを含む。第1レンズ1は非球面レンズであり、第1レンズ1の第1側面S1および第2側面S2はいずれも非球面である。そのうち、第1側面S1を第1非球面、第2側面S2を第2非球面と称することができる。且つ、第1非球面の中間領域は、第2非球面から離れた方向へ突出し、縁部領域は、第2非球面に近い方向へ突出する。第2非球面は、第1非球面から離れた方向へ突出する。第2レンズ2はフレネルレンズであり、第2レンズ2の光学面S4は平面である。
本実施例のVRレンズ構造は2つのレンズから構成され、即ち、第1レンズ1と、フレネルレンズを適用した第2レンズ2という2つの非球面のレンズを有するため、当該VRレンズ構造を表示装置に適用すると、当該VRレンズ構造は、第1レンズ1の第1側面S1と第2側面S2、および第2レンズのフレネル面S3と光学面S4という4つの光学有効面を有する。これによって、当該VRレンズ構造を設計する際に、4つの光学有効面のパラメータを設定することができ、これにより、形成されるVRレンズ構造を表示装置に適用する際に、より広い視野角、およびより優れた構造を有して、ユーザ体験を向上させる。また、図1に示すVRレンズ構造と異なるのは、本実施例におけるフレネルレンズの光学面S4は平面であるという点であり、製造が容易で、構成が簡単である。
一例として、上記のVRレンズ構造を表示装置に適用し、図4の左側から右側に向かって、観察者の瞳4の位置、第1レンズ1、第2レンズ2、表示パネル3とする画面を提示する。そのうち、瞳4の焦点位置と、第1レンズ1の中心点(例えば、幾何学的中心点)1Cと、第2レンズ2の中心点(例えば、幾何学的中心点)2Cと、表示パネル3の中心点(例えば、幾何学的中心点)3Cとは、同一直線上にあるべきである。第2レンズ2の口径は第1レンズ1の口径よりも大きく、これにより、入射光線角度に対して顕著な屈折作用を及ぼし、表示パネル3のサイズに合わせることができる。第1レンズおよび第2レンズの材料として、光学樹脂またはガラスを使用し、軽量化のために、樹脂材料を用いることができる。本実施例における表示パネル3の中心点から第2レンズ2のフレネル面S3の中心点までの距離、即ち、物体距離は、第1レンズ1と第2レンズ2とで形成される合成レンズの有効焦点距離EFLよりも小さい。
第1レンズおよび第2レンズの各光学有効面の曲率半径、レンズ中心の厚さ、第1レンズと第2レンズとの間、および第1レンズと観察者の瞳4との間、第2レンズと表示パネル3との間の間隔等のパラメータは以下のとおりである。
第1レンズと第2レンズとが形成する複合レンズの有効焦点距離EFLは36.0mm、第1レンズと観察者の瞳4との距離は11mm、第1レンズ1の第1側面S1の（例えば、中間領域の）曲率半径は89.442mm、第2側面S2の曲率半径は-59.286mm、第1レンズ1の厚さは9.847mm、第1レンズ1の屈折率は1.4918、第1レンズ1のアッベ数は57.44、第2レンズ2の光学面S4の曲率半径は0mm、フレネル面S3の曲率半径は-63.253mm、第2レンズ2の厚さは2.0mm、第2レンズ2の屈折率は1.4918、第2レンズ2のアッベ数は57.44、第1レンズ1と第2レンズ2との間隔は0.5mm、表示パネル3の中心点から第2レンズ2のフレネル面S3の中心点までの距離は30.185mmである。
上記パラメータに従って設定されるVRレンズ構造において、当該VRレンズ構造の像面湾曲および歪み性能のシミュレーション結果を図5A、図5B、図6にそれぞれ示す(本実施例における拡散スポットのドットチャートは、図2Cに示す状況に類似するため、単独では示さない)。図面から見て取れるように、本実施例におけるVRレンズ構造では、広い視野角のときに像面湾曲値は大幅に増加せず、良好な画質が得られる。同時に、レンズ群の歪み値は、視野角の変化に伴って徐々に大きくなり、滑らかな増加カーブを有するため、後でソフトウェア方法で逆歪みを補正することで、表示シーンが歪んで視聴の快適性に影響を与えるという問題を回避することができる。本実施例に示すVRレンズ構造は、片目で130°の視野範囲、両目の総視野が115°を超えることを実現することで、VR表示装置の没入感を大幅に向上させることができる。
例えば、本実施形態において、第1レンズ1と第2レンズ2の各光学有効面の曲率半径、レンズ中心の厚さ、第1レンズ1と第2レンズ2の間、第1レンズ1と観察者の瞳4の間、第2レンズ2と表示パネル3の間の間隔は、上記数値に限定されず、上記数値を基準として±0.1mmの範囲内の任意の数値を選択することができ、第1レンズ1と第2レンズ2に用いる材料の屈折率も、上記数値を基準として±0.01の範囲内の任意の数値を選択することができる。
本開示の実施例では、別のVRレンズ構造および当該VRレンズ構造を適用した別の表示装置を提供する。そのうち、VRレンズ構造は、図7に示すように、対向配置された第1レンズと第2レンズとを含む。第1レンズ1は非球面レンズであり、第1レンズ1の第1側面S1および第2側面S2はいずれも非球面である。そのうち、第1側面S1を第1非球面、第2側面S2を第2非球面と称することができる。且つ、第1非球面は、第2非球面から離れた方向へ突出し、第2非球面は、第1非球面から離れた方向へ突出する。第2レンズ2はフレネルレンズであり、第2レンズ2の光学面S4は平面である。
本実施例のVRレンズ構造は2つのレンズから構成され、即ち、第1レンズ1と、フレネルレンズを適用した第2レンズ2という2つの非球面のレンズを有するため、当該VRレンズ構造を表示装置に適用すると、当該VRレンズ構造は、第1レンズ1の第1側面S1と第2側面S2、および第2レンズのフレネル面S3と光学面S4という4つの光学有効面を有する。これによって、当該VRレンズ構造を設計する際に、4つの光学有効面のパラメータを設定することができ、これにより、形成されるVRレンズ構造を表示装置に適用する際に、より広い視野角、およびより優れた構造を有して、ユーザ体験を向上させる。
一例として、上記のVRレンズ構造を表示装置に適用し、図7の左側から右側に向かって、観察者の瞳4の位置、第1レンズ1、第2レンズ2、表示パネル3とする画面を提示する。そのうち、瞳4の焦点位置と、第1レンズ1の中心点(例えば、幾何学的中心点)1Cと、第2レンズ2の中心点(例えば、幾何学的中心点)2Cと、表示パネル3の中心点(例えば、幾何学的中心点)3Cとは、同一直線上にあるべきである。第2レンズ2の口径は第1レンズ1の口径よりも大きく、これにより、入射光線角度に対して顕著な屈折作用を及ぼし、表示パネル3のサイズに合わせることができる。第1レンズおよび第2レンズの材料として、光学樹脂またはガラスを使用し、軽量化のために、樹脂材料を用いることができる。同時に、第1レンズが用いる材料の屈折率は1.55～1.70と比較的高い。本実施例における表示パネル3の中心点から第2レンズ2のフレネル面S3の中心点までの距離(即ち、物体距離)は、第1レンズ1と第2レンズ2とで形成される複合レンズの有効焦点距離EFLよりも小さい。
第1レンズおよび第2レンズの各光学有効面の曲率半径、レンズ中心の厚さ、第1レンズと第2レンズとの間、および第1レンズと観察者の瞳4との間、第2レンズと表示パネル3との間の間隔等のパラメータは以下のとおりである。
第1レンズと第2レンズとが形成する複合レンズの有効焦点距離EFLは35.37mm、第1レンズと観察者の瞳4との距離は11mm、第1レンズ1の第1側面S1の曲率半径は72.002mm、第2側面S2の曲率半径は-283.789mm、第1レンズ1の厚さは6.729mm、第1レンズ1の屈折率は1.68879、第1レンズ1のアッベ数は52.868、第2レンズ2の光学面S4の曲率半径は0mm、フレネル面S3の曲率半径は-58.943mm、第2レンズ2の厚さは2.0mm、第2レンズ2の屈折率は1.4918、第2レンズ2のアッベ数は57.44、第1レンズ1と第2レンズ2との間隔は0.5mm、表示パネル3の中心点から第2レンズ2のフレネル面S3の中心点までの距離は33.021mmである。
上記パラメータに従って設定されるVRレンズ構造において、当該VRレンズ構造の像面湾曲および歪み性能のシミュレーション結果を図8A、図8B、図9にそれぞれ示す(本実施例における拡散スポットのドットチャートは、図2Cに示す状況に類似するため、単独では示さない)。当該実施例では、第1レンズに高屈折率材料を使用し、例として、当該材料の屈折率nを1.68879とし、これにより、第1レンズはより薄い厚みを有することができる。レンズ群の性能を確保した上で、VRレンズ構造の薄型化、軽量化を図ることができ、実用上のメリットが大きい。本実施例におけるVRレンズ構造では、広い視野角のときに像面湾曲値は大幅に増加せず、良好な画質が得られる。同時に、レンズ群の歪み値は、視野角の変化に伴って徐々に大きくなり、滑らかな増加カーブを有するため、後でソフトウェア方法で逆歪みを補正することで、表示シーンが歪んで視聴の快適性に影響を与えるという問題を回避することができる。本実施例に示すVRレンズ構造は、片目で118°の視野範囲、両目の総視野が130°を超えることを実現することで、VR表示装置の没入感を大幅に向上させることができる。
例えば、本実施例において、第1レンズ1と第2レンズ2の各光学有効面の曲率半径、レンズ中心の厚さ、第1レンズ1と第2レンズ2の間、第1レンズ1と観察者の瞳4の間、第2レンズ2と表示パネル3の間の間隔は、上記数値に限定されず、上記数値を基準として±0.1mmの範囲内の任意の数値を選択することができ、第1レンズ1と第2レンズ2に用いる材料の屈折率も、上記数値を基準として±0.01の範囲内の任意の数値を選択することができる。
本開示の上記実施例によるいずれか1つのVRレンズ構造は少なくとも、具体的に以下のような有益な効果が得られる。本実施例のVRレンズ構造は、第1レンズと第2レンズという2つのレンズから構成されるため、当該VRレンズ構造を表示装置に適用すると、当該VRレンズ構造は、第1レンズ1の第1側面と第2側面、および第2レンズのフレネル面と光学面という4つの光学有効面を有し、これによって、当該VRレンズ構造を設計する際に、4つの光学有効面のパラメータを設定することができ、これにより、形成されるVRレンズ構造を表示装置に適用する際に、より広い視野角、およびより優れた構造を有して、ユーザ体験を向上させる。
本開示の実施例では表示装置を提供する。当該表示装置は、表示パネル3と、前記表示パネル3の出光面側に位置した、図1、図4、図7に示すようなVRレンズ構造とを含む。前記第2レンズ2のフレネル面S3は、光学面S4よりも前記表示パネル3に近く配置される。
本開示の図1、図4、図7に示す実施例によるVRレンズ構造を含むことにより、前記表示装置は、より広い視野角とより小さいサイズを有し、没入感が改善される。
なお、光路が可逆性を有するため、図1、図4、図7に示すVRレンズ構造および表示装置では、図面符号「4」は貫通孔を示しているが、VRレンズ構造および表示装置の製品において、図面符号「4」の位置に光源を配置でき、ユーザから見た位置は表示パネル3の右側に位置してもよい。よって、上記のように、光源と第1レンズ1との間隔は11mmとすることができる。
前記表示装置の他の態様およびその詳細は、図1～図9の上記説明を参照されたい。
以上の実施例は本開示の原理を説明するために用いた例示的な実施形態に過ぎず、本開示はこれに限定されない。当業者にとって、本公開の精神と実質的な状況を逸脱しない範囲で種々の変形と改良が可能であり、本公開の請求範囲には、それらの変形と改良も含まれる。
１ 第１レンズ
１Ｃ 中心点
２ 第２レンズ
２Ｃ 中心点
３ 表示パネル
３Ｃ 中心点
４ 瞳
Ｂ 青色光
ＢＳ 像面湾曲曲線
ＢＴ 像面湾曲曲線
Ｇ 緑色光
ＧＳ 像面湾曲曲線
ＧＴ 像面湾曲曲線
Ｒ 赤色光
ＲＳ 像面湾曲曲線
ＲＴ 像面湾曲曲線
Ｓ１ 第１側面
Ｓ２ 第２側面
Ｓ３ フレネル面
Ｓ４ 光学面
ＶＲ 単レンズ

Claims (16)

  1. 対向配置された第1レンズと第2レンズとからなり、
    前記第1レンズは、対向配置された第1側面および第2側面を有し、且つ前記第1側面および前記第2側面の少なくとも一方は非球面であり、
    前記第2レンズはフレネルレンズであり、前記第2レンズの光学面と前記第2側面とは近接して配置され、前記第2レンズのフレネル面は前記光学面よりも前記第2側面から離れて配置され、
    前記第1レンズの第1側面および第2側面はいずれも非球面であり、
    前記第1側面の中間領域は、前記第2側面から離れた方向へ突出し、縁部領域は、前記第2側面に近い方向へ突出し、
    前記第2側面は、前記第1側面から離れた方向へ突出する
    VRレンズ構造。
  2. 前記第2レンズの光学面には平面または非球面が含まれる
    請求項1に記載のVRレンズ構造。
  3. 前記第2レンズの光学面は非球面であり、且つ前記フレネル面から離れた方向へ突出する
    請求項2に記載のVRレンズ構造。
  4. 前記第1レンズの屈折率は1.55～1.70である
    請求項1に記載のVRレンズ構造。
  5. 前記第2レンズのフレネル面の隣接する任意の2つのねじ山間の間隔は0.2mm～0.7mmである
    請求項1～4のいずれか1項に記載のVRレンズ構造。
  6. 前記フレネル面におけるねじ山の深さが異なり、且つ前記ねじ山の深さが深いほど前記ねじ山の抜き勾配が大きい
    請求項1～5のいずれか1項に記載のVRレンズ構造。
  7. 前記第1レンズの光焦点力はΦ1であり、前記第2レンズの光焦点力はΦ2であり、両者は0.8Φ1≦Φ2≦2Φ1という式を満たす
    請求項1～6のいずれか1項に記載のVRレンズ構造。
  8. 前記第1レンズの口径は前記第2レンズの口径よりも小さい
    請求項1～7のいずれか1項に記載のVRレンズ構造。
  9. 前記第1レンズの第1側面の中間領域の曲率半径が99.935mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-49.709mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが8.160mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
    前記第2レンズの光学面の曲率半径が223.181mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径
    が-41.2mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが4.769mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01である
    請求項1～3および5～8のいずれか1項に記載のVRレンズ構造。
  10. 前記第1レンズの第1側面の中間領域の曲率半径が89.442mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-59.286mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが9.847mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.4918±0.01であり、
    前記第2レンズの光学面の曲率半径が0mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-63.253mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが2.0mm±0.1mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01である
    請求項1、2および5～8のいずれか1項に記載のVRレンズ構造。
  11. 前記第1レンズの第1側面の曲率半径が72.002mm±0.1mmであり、第2側面の曲率半径が-283.789mm±0.1mmであり、前記第1レンズの厚さが6.729mm±0.1mmであり、前記第1レンズの屈折率が1.68879±0.01であり、
    前記第2レンズの光学面の曲率半径が0mm±0.1mmであり、フレネル面の曲率半径が-58.943mm±0.1mmであり、前記第2レンズの厚さが2.0mm±0.1mmであり、前記第2レンズの屈折率が1.4918±0.01である
    請求項1、2および4～8のいずれか1項に記載のVRレンズ構造。
  12. 表示パネルと、
    前記表示パネルの出光面側に位置する、請求項1～11のいずれか1項に記載のVRレンズ構造とを含み、
    前記第2レンズのフレネル面は、光学面よりも前記表示パネルに近く配置される
    表示装置。
  13. 前記第1レンズ、前記第2レンズ、前記表示パネルの中心点は、同一の直線上に位置し、且つ前記表示パネルの中心点と前記第2レンズのフレネル面の中心点との間の距離が前記VRレンズ構造の有効焦点距離より小さい
    請求項12に記載の表示装置。
  14. 前記VRレンズ構造は請求項9に記載のVRレンズ構造であり、
    前記表示パネルの中心点から前記第2レンズのフレネル面の中心点までの距離は、32.945mm±0.1mmである
    請求項12に記載の表示装置。
  15. 前記VRレンズ構造は請求項10に記載のVRレンズ構造であり、
    前記表示パネルの中心点から前記第2レンズのフレネル面の中心点までの距離は、30.185mm±0.1mmである
    請求項12に記載の表示装置。
  16. 前記VRレンズ構造は請求項11に記載のVRレンズ構造であり、
    前記表示パネルの中心点から前記第2レンズのフレネル面の中心点までの距離は、33.021mm±0.1mmである
    請求項12に記載の表示装置。
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