一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，包括正透鏡和負(fù)透鏡，正透鏡位于靠近人眼位置的一側(cè)，負(fù)透鏡位于靠近顯示屏的一側(cè)，正透鏡的近眼側(cè)設(shè)置衍射光學(xué)元件，正透鏡的近顯示屏側(cè)設(shè)置菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的制造方法包括：步驟1：根據(jù)需要的菲涅爾透鏡齒寬或齒距，定制菲涅爾透鏡模具；步驟2：將步驟1所得菲涅爾透鏡模具裝入注塑機(jī)，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱；步驟3：待模具溫度達(dá)到90℃?140℃時(shí)，控制注塑機(jī)的注射系統(tǒng)將熔化的PC或PMMA注入菲涅爾透鏡模具中；步驟4：對(duì)步驟3的模具冷卻，脫模得到成品。本發(fā)明一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，可以得到消色差和消畸變的大視場(chǎng)的高質(zhì)量光學(xué)效果，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)口徑大而長(zhǎng)度短。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事模擬、工業(yè)仿真、數(shù)字城市、數(shù)字娛樂(lè)及電子商務(wù)等各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，目前市場(chǎng)上各種虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品層出不窮。其中應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)主要還是正透鏡和負(fù)透鏡的組合，其面型主要為球面、非球面或自由曲面。在使用該種光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，為了給用戶帶來(lái)好的沉浸感，需要縮短系統(tǒng)焦距以增大視場(chǎng)，縮短焦距會(huì)使得色散和畸變加重，整個(gè)系統(tǒng)的成像質(zhì)量不好。為解決該問(wèn)題，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)增加凸透鏡的數(shù)量或者負(fù)透鏡的數(shù)量來(lái)改善成像的質(zhì)量，而增加透鏡個(gè)數(shù)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)度增加，使用不便，而如果縮短透鏡之間的距離，從而達(dá)到縮短系統(tǒng)長(zhǎng)度的目的，則系統(tǒng)口徑做不大，視場(chǎng)難以擴(kuò)大，仍舊無(wú)法給用戶帶來(lái)好的沉浸感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)存在的使用傳統(tǒng)透鏡不能同時(shí)獲得高成像質(zhì)量與較短的系統(tǒng)長(zhǎng)度以及大口徑大視場(chǎng)的技術(shù)問(wèn)題。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，包括正透鏡和負(fù)透鏡，所述正透鏡的近眼側(cè)設(shè)置衍射光學(xué)元件，所述負(fù)透鏡為負(fù)彎月透鏡，所述負(fù)彎月透鏡的凹面位于近顯示屏一側(cè)。
[0005]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述正透鏡的近顯示屏側(cè)設(shè)置菲涅爾透鏡，所述菲涅爾透鏡的基底為平面或球面或非球面或自由曲面。
[0006]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述衍射光學(xué)元件的基底為平面或球面或非球面或自由曲面。
[0007]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述衍射光學(xué)元件的表面浮雕結(jié)構(gòu)為連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)或多階浮雕結(jié)構(gòu)或菲涅爾型結(jié)構(gòu)。
[0008]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述負(fù)透鏡位于正透鏡與顯示屏之間，所述正透鏡位于靠近人眼一側(cè)。
[0009]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述負(fù)彎月透鏡的表面為球面或非球面或自由曲面或衍射光學(xué)表面。
[0010]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述菲涅爾透鏡為等齒距菲涅爾透鏡，所述齒距為0.2mm-lmmo
[0011]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述菲涅爾透鏡為等齒寬菲涅爾透鏡，所述齒寬為0.2mm-lmmo
[0012]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述菲涅爾透鏡的制造方法包括以下步驟:
[0013]步驟1:根據(jù)需要的菲涅爾透鏡齒寬或齒距，定制菲涅爾透鏡模具；
[0014]步驟2:將步驟I所得菲涅爾透鏡模具裝入注塑機(jī)，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為10s_20s，預(yù)熱溫度不低于80°C;
[0015]步驟3:待模具溫度達(dá)到90 °C_140°C時(shí)，控制注塑機(jī)的注射系統(tǒng)將熔化的PC或PMMA注入菲涅爾透鏡模具中；
[0016]步驟4:對(duì)步驟3的模具進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為10 °C-40 °C，冷卻時(shí)間50s_l30s，脫模得到成品。
[0017]在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述菲涅爾透鏡模具包括凹槽形基底及模板，所述凹槽形基底的內(nèi)底面設(shè)置等齒距的齒紋，所述模板設(shè)置于所述凹槽形基底上表面，使所述模板與所述凹槽形基底之間形成空腔。
[0018]本發(fā)明一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為:
[0019]首先，正透鏡的近眼側(cè)設(shè)置衍射光學(xué)元件，利用衍射光學(xué)元件特殊的色散特性，與常規(guī)透鏡組成折衍混合透鏡，不僅可以減小折射器件的曲率而且可以有效消除色差、畸變等，提高成像質(zhì)量。正透鏡的近顯示屏側(cè)設(shè)置菲涅爾透鏡，可以實(shí)現(xiàn)薄型化，主要通過(guò)幾何光學(xué)的折射而發(fā)揮透鏡作用，在厚度方向或半徑方向等間隔的劃分。采用菲涅爾透鏡可以增大口徑而不增加凸透鏡中心厚度，可以進(jìn)一步縮短焦距增大視場(chǎng)，本發(fā)明的焦距范圍可以達(dá)到25mm-80mm，視場(chǎng)范圍可達(dá)到70° -125°，同時(shí)，可以減少重量，縮短整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)度。負(fù)彎月透鏡設(shè)置于正透鏡和顯示屏之間，其可以進(jìn)一步減少畸變，使得畸變降到5%以內(nèi)。本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)可以得到消色差和消畸變的大視場(chǎng)的高質(zhì)量光學(xué)效果，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)口徑大而長(zhǎng)度短，而且所用透鏡數(shù)量少、體積小、重量輕、成本低。
[0020]其次，本發(fā)明中的菲涅爾透鏡可以為等齒距菲涅爾透鏡，也可以為等齒寬菲涅爾透鏡。等齒距或者等齒寬的菲涅爾透鏡可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用，從而增強(qiáng)聚光。實(shí)驗(yàn)證明，齒距或者齒寬的范圍為0.時(shí)，聚光效果最好。
[0021]最后，本發(fā)明中給出了所使用的菲涅爾透鏡的制造方法，通過(guò)該方法制得的菲涅爾透鏡，聚光效果好、抗沖擊能力強(qiáng)，將其應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)中，可以達(dá)到很好的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0022]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1是本發(fā)明一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線示意圖。
[0025]圖中，1.正透鏡，2.人眼位置，3.顯示屏，4.負(fù)透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)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，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0027]根據(jù)圖1所示，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，公開(kāi)了一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括正透鏡I和負(fù)透鏡4，正透鏡I位于靠近人眼位置2的一側(cè)，負(fù)透鏡4位于靠近顯示屏3的一側(cè)。其中，正透鏡I的近眼側(cè)設(shè)置衍射光學(xué)元件，正透鏡的近顯示屏側(cè)設(shè)置菲涅爾透鏡，其中衍射光學(xué)元件包括平面或球面或非球面或自由曲面的基底，衍射光學(xué)元件的表面浮雕結(jié)構(gòu)為連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)或多階浮雕結(jié)構(gòu)或菲涅爾型結(jié)構(gòu)。其中，菲涅爾透鏡的基底為平面或球面或非球面或自由曲面。負(fù)透鏡2為負(fù)彎月透鏡，負(fù)彎月透鏡的凹面位于靠近顯示屏3的一側(cè)，凸面位于靠近正透鏡I 一側(cè)，負(fù)彎月透鏡的表面為球面或非球面或自由曲面或衍射光學(xué)表面。衍射光學(xué)元件采用光刻工藝加工并注塑成型。菲涅爾透鏡為等齒距或者等齒寬菲涅爾透鏡，齒距、齒寬范圍均為0.等齒距或者等齒寬的菲涅爾透鏡可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用，從而增強(qiáng)聚光。菲涅爾透鏡與正透鏡的面積比例為1:1.2，該比例能夠在節(jié)省菲涅爾透鏡的基礎(chǔ)上，達(dá)到有效的聚光效果，減少反射入眼底的光線，減少對(duì)于眼底的刺激，避免眼部干澀情況發(fā)生。且通過(guò)此比例進(jìn)行組裝，整體比例更加合理，結(jié)合更加緊實(shí)，使此光學(xué)系統(tǒng)具有良好的耐沖擊效果。另外由于菲涅爾透鏡價(jià)錢(qián)較高，該比例的設(shè)置，將會(huì)降低成本。
[0028]在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，菲涅爾透鏡的制造方法包括以下步驟:
[0029]步驟1:根據(jù)需要的菲涅爾透鏡齒寬或齒距，定制菲涅爾透鏡模具；
[0030]步驟2:將步驟I所得菲涅爾透鏡模具裝入注塑機(jī)，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為1s，預(yù)熱溫度為110 °c;
[0031 ]步驟3:待模具溫度達(dá)到90 °C時(shí)，控制注塑機(jī)的注射系統(tǒng)將熔化的PC或PMMA注入菲涅爾透鏡模具中；
[0032]步驟4:對(duì)步驟3的模具進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為10°C，冷卻時(shí)間60s，脫模得到成品。
[0033]其中，菲涅爾透鏡模具包括凹槽形基底及模板，凹槽形基底的內(nèi)底面設(shè)置等齒距的齒紋，模板設(shè)置于凹槽形基底上表面，使模板與凹槽形基底之間形成空腔。
[0034]在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，菲涅爾透鏡的制造方法包括以下步驟:
[0035]步驟1:根據(jù)需要的菲涅爾透鏡齒寬或齒距，定制菲涅爾透鏡模具；
[0036]步驟2:將步驟I所得菲涅爾透鏡模具裝入注塑機(jī)，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為20s，預(yù)熱溫度為80 °C;
[0037]步驟3:待模具溫度達(dá)到140°(:時(shí)，控制注塑機(jī)的注射系統(tǒng)將熔化的PC或PMMA注入菲涅爾透鏡模具中；
[0038]步驟4:對(duì)步驟3的模具進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為200C，冷卻時(shí)間為I 1s，脫模得到成品O
[0039]其中，菲涅爾透鏡模具包括凹槽形基底及模板，凹槽形基底的內(nèi)底面設(shè)置等齒距的齒紋，模板設(shè)置于凹槽形基底上表面，使模板與凹槽形基底之間形成空腔。
[0040]在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，菲涅爾透鏡的制造方法包括以下步驟:
[0041 ]步驟I:根據(jù)需要的菲涅爾透鏡齒寬或齒距，定制菲涅爾透鏡模具；
[0042]步驟2:將步驟I所得菲涅爾透鏡模具裝入注塑機(jī)，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為15s，預(yù)熱溫度為100 °C;
[0043]步驟3:待模具溫度達(dá)到110°C時(shí)，控制注塑機(jī)的注射系統(tǒng)將熔化的PC或PMMA注入菲涅爾透鏡模具中；
[0044]步驟4:對(duì)步驟3的模具進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為40°C，冷卻時(shí)間130s，脫模得到成品。
[0045]其中，菲涅爾透鏡模具包括凹槽形基底及模板，凹槽形基底的內(nèi)底面設(shè)置等齒距的齒紋，模板設(shè)置于凹槽形基底上表面，使模板與凹槽形基底之間形成空腔。
[0046]使用時(shí)，顯示屏3上的圖像經(jīng)負(fù)透鏡4和正透鏡I成像，人眼觀察到放大的虛像。由于正透鏡I的近眼側(cè)設(shè)置衍射光學(xué)元件，由于衍射光學(xué)元件與傳統(tǒng)折射透鏡具有相反的色散規(guī)律，因此，將正透鏡的一個(gè)表面設(shè)置為衍射光學(xué)元件，不僅可以減小折射器件的曲率而且可以有效消除色差、畸變等，使得成像質(zhì)量有較大提高。本發(fā)明的畸變曲線如圖2所示，從圖中可以看出，畸變可以降到5%以內(nèi)。
[0047]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，包括正透鏡和負(fù)透鏡，其特征在于:所述正透鏡的近眼側(cè)設(shè)置衍射光學(xué)元件，所述負(fù)透鏡為負(fù)彎月透鏡，所述負(fù)彎月透鏡的凹面位于近顯示屏一側(cè)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述正透鏡的近顯示屏側(cè)設(shè)置菲涅爾透鏡，所述菲涅爾透鏡的基底為平面或球面或非球面或自由曲面。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述衍射光學(xué)元件的基底為平面或球面或非球面或自由曲面。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述衍射光學(xué)元件的表面浮雕結(jié)構(gòu)為連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)或多階浮雕結(jié)構(gòu)或菲涅爾型結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述負(fù)透鏡位于正透鏡與顯示屏之間，所述正透鏡位于靠近人眼一側(cè)。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述負(fù)透鏡的表面為球面或非球面或自由曲面或衍射光學(xué)表面。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述菲涅爾透鏡為等齒距菲涅爾透鏡，所述齒距為0.8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述菲涅爾透鏡為等齒寬菲涅爾透鏡，所述齒寬為0.9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述菲涅爾透鏡的制造方法包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)需要的菲涅爾透鏡齒寬或齒距，定制菲涅爾透鏡模具； 步驟2:將步驟I所得菲涅爾透鏡模具裝入注塑機(jī)，對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間為1s-20s，預(yù)熱溫度不低于80 °C; 步驟3:待模具溫度達(dá)到90°C_140°C時(shí)，控制注塑機(jī)的注射系統(tǒng)將熔化的PC或PMMA注入菲涅爾透鏡模具中； 步驟4:對(duì)步驟3的模具進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為10°C_40°C，冷卻時(shí)間50s-130s，脫模得到成品。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述菲涅爾透鏡模具包括凹槽形基底及模板，所述凹槽形基底的內(nèi)底面設(shè)置等齒距的齒紋，所述模板設(shè)置于所述凹槽形基底上表面，使所述模板與所述凹槽形基底之間形成空腔。
【文檔編號(hào)】G02B27/01GK106019596SQ201610602655
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月28日
【發(fā)明人】鄭鵬飛, 黃金蘋(píng), 柯真?zhèn)? 楊偉
【申請(qǐng)人】成都瀚德勝邦光學(xué)有限公司