光學(xué)放大組合鏡、雙目頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及應(yīng)用于頭戴顯示設(shè)備上的光學(xué)放大組合鏡， 以及帶有該光學(xué)放大組合鏡的頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)的光學(xué)放大元件均采用傳統(tǒng)透鏡，如球面透鏡、非 球面透鏡或自由曲面光學(xué)透鏡，受光學(xué)加工技術(shù)及光學(xué)材料的限制，顯示系統(tǒng)中的光學(xué)放 大鏡組的口徑通常會(huì)做得比較?。ㄈ艨趶阶龃蠊鈱W(xué)系統(tǒng)的重量和體積均會(huì)大幅增加），使 用者通過光學(xué)放大鏡組所能觀察到的視野被放大鏡組的口徑限制，放大鏡組的視野相對人 眼自然狀態(tài)下的視野顯得很小，故此視野受限的圖像顯示系統(tǒng)給人眼帶來的視覺沖擊及沉 浸感將會(huì)受到很大的影響。在保證頭戴設(shè)備體積足夠小、重量足夠輕的前提下，如何實(shí)現(xiàn)頭 戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)大視場成為亟待解決的問題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型的目的是提供一種光學(xué)放大組合鏡，以及帶有該光學(xué)放大組合鏡的雙 目頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，解決現(xiàn)有頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)使用傳統(tǒng)透鏡導(dǎo)致的視野 與產(chǎn)品體積和重量不可兼顧的問題。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供了一種光學(xué)放大組合鏡，在頭戴式 虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備中使用，所述光學(xué)放大組合鏡包括中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，中心區(qū)域?yàn)橥?透鏡或組合凸透鏡，邊緣區(qū)域?yàn)橄蛉搜蹆?nèi)凹的弧面基底的菲涅爾透鏡，中心區(qū)域?qū)?yīng)主視 場成像，邊緣區(qū)域?qū)?yīng)邊緣視場成像。
[0005] 優(yōu)選的，光學(xué)放大組合鏡中心區(qū)域與邊緣區(qū)域之間的焦距差小于10毫米。
[0006] 優(yōu)選的，邊緣區(qū)域弧面基底的菲涅爾透鏡的曲率半徑與中心區(qū)域透鏡近眼側(cè)光學(xué) 面的曲率半徑一致。
[0007] 優(yōu)選的，所述凸透鏡表面刻有用于消色差的紋路。
[0008] 在一實(shí)施方式中，光學(xué)放大組合鏡中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?yàn)橐惑w注塑成型。
[0009] 在另一實(shí)施方式中，中心區(qū)域和邊緣區(qū)域分別為單獨(dú)元件，中心區(qū)域透鏡的邊緣 輪廓為錐型，邊緣凹面菲涅爾透鏡的內(nèi)徑形狀是與中心區(qū)域透鏡邊緣匹配的錐型，中心區(qū) 域透鏡和邊緣區(qū)域透鏡通過光學(xué)膠合或機(jī)械組合方式結(jié)合在一起。
[0010] 相應(yīng)的，本實(shí)用新型還提出一種雙目頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，包括圖像顯示源 和左右兩組光學(xué)放大鏡組，圖像顯示源顯示的光信息，經(jīng)光學(xué)放大鏡組放大后的投影虛像 由人眼接收，每組光學(xué)放大鏡組包括至少一片前述的光學(xué)放大組合鏡。
[0011] 相應(yīng)的，本實(shí)用新型還提出一種雙目頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，包括圖像顯示源 和左右兩組光學(xué)放大鏡組，圖像顯示源顯示的光信息，經(jīng)光學(xué)放大鏡組放大后的投影虛像 由人眼接收，每組光學(xué)放大鏡組包括兩片沿光路疊放的組合鏡，每片組合鏡由中心區(qū)域和 邊緣區(qū)域構(gòu)成，中心區(qū)域?yàn)橥雇哥R或組合凸透鏡，邊緣區(qū)域?yàn)橄蛉搜蹆?nèi)凹的弧面基底的菲 涅爾透鏡，中心區(qū)域?qū)?yīng)主視場成像，邊緣區(qū)域?qū)?yīng)邊緣視場成像，兩組合鏡的中心區(qū)域透 鏡的組合焦距與兩合鏡邊緣區(qū)域的組合焦距差小于10毫米。
[0012] 優(yōu)選的，每片組合鏡外邊緣與其對應(yīng)人眼中心點(diǎn)的連線，與該眼中心視線夾角范 圍為70度~100度。
[0013] -種實(shí)施方式中，每片組合鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域分別為單獨(dú)元件，中心區(qū)域 透鏡的邊緣輪廓為錐型，邊緣凹面菲涅爾透鏡的內(nèi)徑形狀是與中心區(qū)域透鏡邊緣匹配的錐 型，中心區(qū)域透鏡和邊緣區(qū)域透鏡通過光學(xué)膠合或機(jī)械組合方式結(jié)合在一起。在該實(shí)施方 式中，優(yōu)選每片組合鏡邊緣區(qū)域弧面基底的菲涅爾透鏡的曲率半徑與中心區(qū)域透鏡近眼側(cè) 光學(xué)面的曲率半徑一致。
[0014] 在另一種實(shí)施方式中，每片組合鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?yàn)橐惑w注塑成型，其邊 緣區(qū)域弧面基底的菲涅爾透鏡的曲率半徑與中心區(qū)域透鏡近眼側(cè)光學(xué)面的曲率半徑一致。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果：
[0016] 本實(shí)用新型光學(xué)放大組合鏡，采用傳統(tǒng)透鏡與弧面基底的菲涅爾透鏡的結(jié)合，運(yùn) 用于頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備上，既能保證中心畫質(zhì)，又同時(shí)擴(kuò)大了人眼的邊緣視野（能 讓用戶感覺屏幕無邊界），增強(qiáng)了使用者的沉浸感；另外由于弧面基底的菲涅爾透鏡的使 用，很大程度上減小了頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的重量，減輕了重量對佩戴造成的不適感。
【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖：
[0018] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例光學(xué)放大組合鏡的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2(a)、（b)均為本實(shí)用新型實(shí)施例光學(xué)放大組合鏡在光路圖中的元件示意圖；
[0020] 圖3為雙目頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的一種光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖4為雙目頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的另一種光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖5為組合鏡外邊緣與其對應(yīng)人眼中心點(diǎn)的連線，與該眼中心視線夾角示意圖；
[0023] 圖6(a)為中心區(qū)域透鏡邊緣輪廓為圓形時(shí)，圖像顯示源發(fā)出的光線經(jīng)兩組合鏡 的成像光路圖；
[0024] 圖6(b)為中心區(qū)域透鏡邊緣輪廓為錐型時(shí)，圖像顯示源發(fā)出的光線經(jīng)兩組合鏡 的成像光路圖；
[0025] 圖7 (a)為組合鏡2和3的中心區(qū)域結(jié)構(gòu)標(biāo)注示意圖；
[0026] 圖7 (b)為組合鏡2和3的邊緣區(qū)域結(jié)構(gòu)標(biāo)注示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的 實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下 所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0028] 參見圖1，為本實(shí)用新型實(shí)施例光學(xué)放大組合鏡的一種結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例光學(xué) 放大組合鏡包括中心區(qū)域A和邊緣區(qū)域B兩部分，邊緣區(qū)域B的內(nèi)徑與中心區(qū)域A的外徑 緊密配合。中心區(qū)域A為凸透鏡（單凸或雙凸）或組合凸透鏡，所述凸透鏡為傳統(tǒng)球面透 鏡、非球面透鏡或自由曲面光學(xué)透鏡；所述組合凸透鏡指至少兩塊凸透鏡組合在一起形成 一個(gè)透鏡組，例如兩塊口徑一致的圓形的非球面透鏡膠合在一起形成組合凸透鏡；邊緣區(qū) 域B為向人眼內(nèi)凹的弧面基底的菲涅爾透鏡。中心區(qū)域A對應(yīng)主視場成像，具有優(yōu)質(zhì)的畫 質(zhì)；邊緣區(qū)域B對應(yīng)邊緣視場成像，由于邊緣區(qū)域?yàn)橄蛉搜蹆?nèi)凹的弧面基底的菲涅爾透鏡， 可以增加人眼的邊緣視野甚至覆蓋人眼具有的動(dòng)視野范圍，極大的擴(kuò)大了近眼顯示的可視 區(qū)域，增強(qiáng)了沉浸感。
[0029] 本實(shí)用新型實(shí)施例中，中心區(qū)域A和邊緣區(qū)域B的材質(zhì)可以是相同的，如都是光學(xué) 塑料PMMA，也可以是不同的，如區(qū)域A材質(zhì)為光學(xué)塑料PMMA，區(qū)域B的材質(zhì)為E48R。
[0030] 將本實(shí)用新型實(shí)施例光學(xué)放大組合鏡運(yùn)用到頭戴式VR設(shè)備上時(shí)，在不采用特定 補(bǔ)償光學(xué)元件的情況下，需要光學(xué)放大組合鏡中心區(qū)域A與邊緣區(qū)域B之間的焦距相當(dāng)，本 處焦距相當(dāng)可理解為焦距接近，可定義為二者焦距差在10毫米以內(nèi)。
[0031] 本實(shí)用新型實(shí)施例中，光學(xué)放大組合鏡邊緣區(qū)域B的外圍輪廓形狀不限，可依據(jù) 需要任意設(shè)計(jì)邊緣區(qū)域的外圍輪廓形狀，圖1中示意出的光學(xué)放大組合鏡邊緣區(qū)域的外圍 輪廓形狀為矩形，該示意圖不構(gòu)成對邊緣區(qū)域外圍輪廓形狀的限制。
[0032] 在一種實(shí)施例中，光學(xué)放大組合鏡的凸透鏡表面刻有用于消色差的紋路，也就是 說，光學(xué)放大組合鏡的中心區(qū)域A可以為折衍混合消色差透鏡。
[0033] 常規(guī)由于光學(xué)放大組合鏡中心區(qū)域A和邊緣區(qū)域B邊界存在矢高差，會(huì)有一道明 顯拼接線，該拼接線會(huì)對視覺效應(yīng)產(chǎn)生影響為了解決這一問題，在一種實(shí)施例中，將邊緣區(qū) 域弧面基底的菲涅爾透鏡的曲率半徑與中心區(qū)域透鏡近眼側(cè)光學(xué)面的曲率半徑設(shè)計(jì)為一 致，使二者在近眼側(cè)處于同一個(gè)曲面上，減弱拼接線視覺效果。
[0034] 本實(shí)用新型實(shí)施例光學(xué)放大組合鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?yàn)榭梢詾橐惑w注塑成 型，也可以分別為單獨(dú)元件，通過光學(xué)膠合或機(jī)械組合方式結(jié)合在一起。當(dāng)中心區(qū)域和邊緣 區(qū)域分別為單獨(dú)原件時(shí)，可以將中心區(qū)域透鏡的邊緣輪廓設(shè)計(jì)為錐型，邊緣凹面菲涅爾透 鏡的內(nèi)徑形狀設(shè)計(jì)為與中心區(qū)域透鏡邊緣匹配的錐型，中心區(qū)域透鏡和邊緣區(qū)域透鏡，從 人眼視覺角度看，錐形的邊界輪廓可最大程度的削弱主、附鏡邊界到來的視覺干擾。
[0035] 由于本實(shí)用新型實(shí)施例光學(xué)放大組合鏡為非標(biāo)準(zhǔn)透鏡，在本說明書附圖中，將其 以圖2(a)或圖2(b)的形式在光路圖中示意。
[0036] 本實(shí)用新型實(shí)施例光學(xué)放大組合鏡主要為頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備設(shè)計(jì)，利用本 實(shí)用新型光學(xué)放大組合鏡的雙目頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，包括圖像顯示源和左右兩組光 學(xué)放大鏡組，圖像顯示源顯示的光信息，經(jīng)光學(xué)放大鏡組放大后的