CN106019596A - 一种用于虚拟现实显示设备的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，包括正透镜和负透镜，正透镜位于靠近人眼位置的一侧，负透镜位于靠近显示屏的一侧，正透镜的近眼侧设置衍射光学元件，正透镜的近显示屏侧设置菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的制造方法包括：步骤1：根据需要的菲涅尔透镜齿宽或齿距，定制菲涅尔透镜模具；步骤2：将步骤1所得菲涅尔透镜模具装入注塑机，对模具进行预热；步骤3：待模具温度达到90℃‑140℃时，控制注塑机的注射系统将熔化的PC或PMMA注入菲涅尔透镜模具中；步骤4：对步骤3的模具冷却，脱模得到成品。本发明一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，可以得到消色差和消畸变的大视场的高质量光学效果，整个光学系统口径大而长度短。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种用于虚拟现实显示设备的光学系统。
背景技术
随着虚拟现实技术在军事模拟、工业仿真、数字城市、数字娱乐及电子商务等各种领域的广泛应用，目前市场上各种虚拟现实产品层出不穷。其中应用于虚拟现实头盔显示设备的光学系统主要还是正透镜和负透镜的组合，其面型主要为球面、非球面或自由曲面。在使用该种光学系统时，为了给用户带来好的沉浸感，需要缩短系统焦距以增大视场，缩短焦距会使得色散和畸变加重，整个系统的成像质量不好。为解决该问题，本领域的技术人员通过增加凸透镜的数量或者负透镜的数量来改善成像的质量，而增加透镜个数会导致整个系统长度增加，使用不便，而如果缩短透镜之间的距离，从而达到缩短系统长度的目的，则系统口径做不大，视场难以扩大，仍旧无法给用户带来好的沉浸感。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，解决现有虚拟现实显示设备的光学系统存在的使用传统透镜不能同时获得高成像质量与较短的系统长度以及大口径大视场的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，包括正透镜和负透镜，所述正透镜的近眼侧设置衍射光学元件，所述负透镜为负弯月透镜，所述负弯月透镜的凹面位于近显示屏一侧。
在一种优选的实施方式中，所述正透镜的近显示屏侧设置菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的基底为平面或球面或非球面或自由曲面。
在一种优选的实施方式中，所述衍射光学元件的基底为平面或球面或非球面或自由曲面。
在一种优选的实施方式中，所述衍射光学元件的表面浮雕结构为连续浮雕结构或多阶浮雕结构或菲涅尔型结构。
在一种优选的实施方式中，所述负透镜位于正透镜与显示屏之间，所述正透镜位于靠近人眼一侧。
在一种优选的实施方式中，所述负弯月透镜的表面为球面或非球面或自由曲面或衍射光学表面。
在一种优选的实施方式中，所述菲涅尔透镜为等齿距菲涅尔透镜，所述齿距为0.2mm-1mm。
在一种优选的实施方式中，所述菲涅尔透镜为等齿宽菲涅尔透镜，所述齿宽为0.2mm-1mm。
在一种优选的实施方式中，所述菲涅尔透镜的制造方法包括以下步骤：
步骤1：根据需要的菲涅尔透镜齿宽或齿距，定制菲涅尔透镜模具；
步骤2：将步骤1所得菲涅尔透镜模具装入注塑机，对模具进行预热，预热时间为10s-20s，预热温度不低于80℃；
步骤3：待模具温度达到90℃-140℃时，控制注塑机的注射系统将熔化的PC或PMMA注入菲涅尔透镜模具中；
步骤4：对步骤3的模具进行冷却，冷却温度为10℃-40℃，冷却时间50s-130s，脱模得到成品。
在一种优选的实施方式中，所述菲涅尔透镜模具包括凹槽形基底及模板，所述凹槽形基底的内底面设置等齿距的齿纹，所述模板设置于所述凹槽形基底上表面，使所述模板与所述凹槽形基底之间形成空腔。
本发明一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，与现有技术相比，其有益效果为：
首先，正透镜的近眼侧设置衍射光学元件，利用衍射光学元件特殊的色散特性，与常规透镜组成折衍混合透镜，不仅可以减小折射器件的曲率而且可以有效消除色差、畸变等，提高成像质量。正透镜的近显示屏侧设置菲涅尔透镜，可以实现薄型化，主要通过几何光学的折射而发挥透镜作用，在厚度方向或半径方向等间隔的划分。采用菲涅尔透镜可以增大口径而不增加凸透镜中心厚度，可以进一步缩短焦距增大视场，本发明的焦距范围可以达到25mm-80mm，视场范围可达到70°-125°，同时，可以减少重量，缩短整个系统的长度。负弯月透镜设置于正透镜和显示屏之间，其可以进一步减少畸变，使得畸变降到5％以内。本发明提供的光学系统可以得到消色差和消畸变的大视场的高质量光学效果，整个光学系统口径大而长度短，而且所用透镜数量少、体积小、重量轻、成本低。
其次，本发明中的菲涅尔透镜可以为等齿距菲涅尔透镜，也可以为等齿宽菲涅尔透镜。等齿距或者等齿宽的菲涅尔透镜可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用，从而增强聚光。实验证明，齿距或者齿宽的范围为0.2mm-1mm时，聚光效果最好。
最后，本发明中给出了所使用的菲涅尔透镜的制造方法，通过该方法制得的菲涅尔透镜，聚光效果好、抗冲击能力强，将其应用于虚拟现实显示设备的光学系统中，可以达到很好的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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是本发明一种用于虚拟现实显示设备的光学系统的光路示意图；
图2是本发明一种用于虚拟现实显示设备的光学系统的畸变曲线示意图。
图中，1.正透镜，2.人眼位置，3.显示屏，4.负透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
根据图1所示，在本发明的一种实施方式中，公开了一种用于虚拟现实显示设备的光学系统的结构，包括正透镜1和负透镜4，正透镜1位于靠近人眼位置2的一侧，负透镜4位于靠近显示屏3的一侧。其中，正透镜1的近眼侧设置衍射光学元件，正透镜的近显示屏侧设置菲涅尔透镜，其中衍射光学元件包括平面或球面或非球面或自由曲面的基底，衍射光学元件的表面浮雕结构为连续浮雕结构或多阶浮雕结构或菲涅尔型结构。其中，菲涅尔透镜的基底为平面或球面或非球面或自由曲面。负透镜2为负弯月透镜，负弯月透镜的凹面位于靠近显示屏3的一侧，凸面位于靠近正透镜1一侧，负弯月透镜的表面为球面或非球面或自由曲面或衍射光学表面。衍射光学元件采用光刻工艺加工并注塑成型。菲涅尔透镜为等齿距或者等齿宽菲涅尔透镜，齿距、齿宽范围均为0.2mm-1mm。等齿距或者等齿宽的菲涅尔透镜可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用，从而增强聚光。菲涅尔透镜与正透镜的面积比例为1:1.2，该比例能够在节省菲涅尔透镜的基础上，达到有效的聚光效果，减少反射入眼底的光线，减少对于眼底的刺激，避免眼部干涩情况发生。且通过此比例进行组装，整体比例更加合理，结合更加紧实，使此光学系统具有良好的耐冲击效果。另外由于菲涅尔透镜价钱较高，该比例的设置，将会降低成本。
在本发明的一种实施方式中，菲涅尔透镜的制造方法包括以下步骤：
步骤1：根据需要的菲涅尔透镜齿宽或齿距，定制菲涅尔透镜模具；
步骤2：将步骤1所得菲涅尔透镜模具装入注塑机，对模具进行预热，预热时间为10s，预热温度为110℃；
步骤3：待模具温度达到90℃时，控制注塑机的注射系统将熔化的PC或PMMA注入菲涅尔透镜模具中；
步骤4：对步骤3的模具进行冷却，冷却温度为10℃，冷却时间60s，脱模得到成品。
其中，菲涅尔透镜模具包括凹槽形基底及模板，凹槽形基底的内底面设置等齿距的齿纹，模板设置于凹槽形基底上表面，使模板与凹槽形基底之间形成空腔。
在本发明的一种实施方式中，菲涅尔透镜的制造方法包括以下步骤：
步骤1：根据需要的菲涅尔透镜齿宽或齿距，定制菲涅尔透镜模具；
步骤2：将步骤1所得菲涅尔透镜模具装入注塑机，对模具进行预热，预热时间为20s，预热温度为80℃；
步骤3：待模具温度达到140℃时，控制注塑机的注射系统将熔化的PC或PMMA注入菲涅尔透镜模具中；
步骤4：对步骤3的模具进行冷却，冷却温度为20℃，冷却时间为110s，脱模得到成品。
其中，菲涅尔透镜模具包括凹槽形基底及模板，凹槽形基底的内底面设置等齿距的齿纹，模板设置于凹槽形基底上表面，使模板与凹槽形基底之间形成空腔。
在本发明的一种实施方式中，菲涅尔透镜的制造方法包括以下步骤：
步骤1：根据需要的菲涅尔透镜齿宽或齿距，定制菲涅尔透镜模具；
步骤2：将步骤1所得菲涅尔透镜模具装入注塑机，对模具进行预热，预热时间为15s，预热温度为100℃；
步骤3：待模具温度达到110℃时，控制注塑机的注射系统将熔化的PC或PMMA注入菲涅尔透镜模具中；
步骤4：对步骤3的模具进行冷却，冷却温度为40℃，冷却时间130s，脱模得到成品。
其中，菲涅尔透镜模具包括凹槽形基底及模板，凹槽形基底的内底面设置等齿距的齿纹，模板设置于凹槽形基底上表面，使模板与凹槽形基底之间形成空腔。
使用时，显示屏3上的图像经负透镜4和正透镜1成像，人眼观察到放大的虚像。由于正透镜1的近眼侧设置衍射光学元件，由于衍射光学元件与传统折射透镜具有相反的色散规律，因此，将正透镜的一个表面设置为衍射光学元件，不仅可以减小折射器件的曲率而且可以有效消除色差、畸变等，使得成像质量有较大提高。本发明的畸变曲线如图2所示，从图中可以看出，畸变可以降到5％以内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，包括正透镜和负透镜，其特征在于：所述正透镜的近眼侧设置衍射光学元件，所述负透镜为负弯月透镜，所述负弯月透镜的凹面位于近显示屏一侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述正透镜的近显示屏侧设置菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的基底为平面或球面或非球面或自由曲面。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件的基底为平面或球面或非球面或自由曲面。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述衍射光学元件的表面浮雕结构为连续浮雕结构或多阶浮雕结构或菲涅尔型结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述负透镜位于正透镜与显示屏之间，所述正透镜位于靠近人眼一侧。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述负透镜的表面为球面或非球面或自由曲面或衍射光学表面。
7.根据权利要求2所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜为等齿距菲涅尔透镜，所述齿距为0.2mm-1mm。
8.根据权利要求2所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜为等齿宽菲涅尔透镜，所述齿宽为0.2mm-1mm。
9.根据权利要求7或8所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜的制造方法包括以下步骤：
步骤1：根据需要的菲涅尔透镜齿宽或齿距，定制菲涅尔透镜模具；
步骤2：将步骤1所得菲涅尔透镜模具装入注塑机，对模具进行预热，预热时间为10s-20s，预热温度不低于80℃；
步骤3：待模具温度达到90℃-140℃时，控制注塑机的注射系统将熔化的PC或PMMA注入菲涅尔透镜模具中；
步骤4：对步骤3的模具进行冷却，冷却温度为10℃-40℃，冷却时间50s-130s，脱模得到成品。
10.根据权利要求9所述的一种用于虚拟现实显示设备的光学系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜模具包括凹槽形基底及模板，所述凹槽形基底的内底面设置等齿距的齿纹，所述模板设置于所述凹槽形基底上表面，使所述模板与所述凹槽形基底之间形成空腔。
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| GR01 | Patent grant | ||
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