菲涅尔透镜、用于制造菲涅尔透镜的模具及其生产方法与流程

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种菲涅尔透镜、用于制造菲涅尔透镜的模具及其生产方法。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality,VR)头戴显示设备，简称VR头盔、VR头显或者VR眼镜，是利用仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、传感技术和网络技术等多种技术集合的产品，能够实现立体图像的显示。VR头戴显示设备目前发展如火如荼，其接目镜片的设计和加工方式，关系到成像质量好坏，直接影响用户佩戴体验及视觉舒适性。目前VR头戴显示设备的接目镜片主要分为两类：第一类是单片非球面透镜；第二类是菲涅尔透镜(Fresnel Lens)。其中，单片非球面透镜由于自身结构限制，视场角不能做到非常大，因此对视场角有较大要求的时候，通常选择菲涅尔透镜作为接目镜片，例如Oculus和HTC都在VR头戴显示设备中使用了菲涅尔透镜。

如图1所示，菲涅尔透镜的表面一面为非球面或平面，另一面为菲涅尔面，菲涅尔面上刻录了由小到大的同心圆。虽然菲涅尔透镜有制造周期短、生产成本低、重量轻等诸多优点，但是其菲涅尔面上有多圈齿形的同心圆结构，导致面型不连续，可能会引入大量的杂散光。如图2所示，通常情况下，光线通过菲涅尔面的有效面进行折射，最终在人眼上形成影像；然而，光线也可能通过菲涅尔面的无效面，进行反射或折射最终进入人眼，该部分光线的传播偏离了正常路径，形成了杂散光(即非序列光)。杂散光的出现会导致影像对比度降低，给人感觉影像画面蒙上了一层白雾，通透性降低，从而导致VR头戴显示设备使用体验不佳。

对于菲涅尔透镜的杂散光的消除，是亟待解决的问题。当前对菲涅尔透的杂散光的消除，主要有以下两种方式。第一种方式是从结构入手，进行乱数拔模。具体的，如图3所示，我们将无效面与参考面法线的夹角定义为拔模角，乱数拔模的意思是使相邻的无效面与参考面法线的夹角不相同，这样可以使得在临近的几个无效面上产生的杂散光可以在后面的光传播路径中离散开，不让无效面的反射光线在一个方向汇聚，从而不会在影像面上形成很高亮或很明显的杂散光斑。第二种方式是从菲涅尔透镜的透过率入手，通过对菲涅尔透镜镀增透膜，增加菲涅尔透镜表面透过率，降低光线在无效面的反射，从而减少杂散光。

然而，在实现本发明的过程中，发明人发现乱数拔模的方法只能尽可能的抑制杂散光，不让其在一个方向汇聚，杂散光没有消除，而是较为均匀地弥漫到影像画面上，在影像上形成一层薄雾的感觉。镀增透膜的方法虽然可以在一定程度上抑制无效面的反射作用来抑制杂散光，但是抑制效果不是特别明显。这主要是因为增透膜随着光线入射角的增大，其抑制作用将减小，然而VR头戴显示设备的视场角通常都较大，所以镀了增透膜的菲涅尔透镜还是有明显的杂光，尤其是越往边缘视场，杂光越明显。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种菲涅尔透镜、用于制造菲涅尔透镜的模具以及模具的生产方法，用以解决现有技术中菲涅尔透镜引入大量杂散光的问题，有效减少菲涅尔透镜引入的杂散光。

本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜包括菲涅尔面，所述菲涅尔面包括有效面和无效面；

所述菲涅尔面的无效面经过了雾化处理，以减少所述菲涅尔透镜引入的杂散光。

可选地，所述菲涅尔面的无效面的粗糙度为0.8～1.2微米。

可选地，所述菲涅尔透镜的拔模角为3～8度。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于制造菲涅尔透镜的模具，所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面，所述菲涅尔面包括有效面和无效面；

所述模具中用于形成所述菲涅尔面的无效面所对应的表面的粗造度满足预设粗糙度范围，以实现对所述菲涅尔面的无效面的雾化处理。

可选地，所述预设粗糙度范围为0.8～1.2微米，所述模具中用于形成所述菲涅尔面的无效面所对应的表面的粗造度为0.8～1.2微米。

可选地，利用所述模具制造的所述菲涅尔透镜的拔模角为3～8度。

第三方面，本发明实施例还提供了一种第二方面所述的模具的生产方法，所述方法包括：对所述模具中用于形成所述菲涅尔透镜的所述菲涅尔面所对应的表面进行粗加工，以使所述模具中用于形成所述菲涅尔面所对应的表面的粗糙度满足所述预设粗糙度范围；对所述模具中用于形成所述菲涅尔面的有效面所对应的表面进行精加工。

本发明实施例的技术方案具有以下优点：通过对菲涅尔透镜的菲涅尔面的无效面进行雾化处理，来增大所述菲涅尔面的无效面的表面粗糙度，使得光线在所述菲涅尔的无效面的反射可以由镜面反射转变成漫反射，大部分光线通过该无效面的反射之后，其路径是杂乱无章的，能够进入人眼视觉范围内的杂散光占总的杂散光的比重将非常少，因此能够有效的减少甚至消除杂散光。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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所示为一种菲涅尔透镜的示意图；

图2所示为光线在菲涅尔透镜透中传播的示意图；

图3所示为一种乱数拔模的方法对杂散光进行抑制的示意图；

图4(a)所示为菲涅尔面的无效面上产生镜面反射的光线传播示意图；

图4(b)所示为菲涅尔面的无效面上产生漫反射的光线传播示意图；

图5所示为本发明实施例提供了一种模具的生产方法的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

经发明人分析发现，菲涅尔透镜产生的杂散光的主要原因是菲涅尔透镜的菲涅尔面的无效面对光线进行了反射。因此减少或者消除菲涅尔透镜的杂散光可以主要集中在减少菲涅尔面的无效面的反射。

因此，本发明实施例提供了一种用于制造菲涅尔透镜的模具，所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面，所述菲涅尔面包括有效面和无效面；所述模具中用于形成所述菲涅尔面的无效面所对应的表面的粗造度满足预设粗糙度范围，以实现对所述菲涅尔面的无效面的雾化处理。

本发明实施例通过让模具的某些表面的粗糙度满足预设粗糙度范围，使得在模具加工阶段就可以实现对所述菲涅尔透镜的菲涅尔面的无效面进行雾化处理，以增大所述菲涅尔面的无效面的表面粗糙度，使得光线在所述菲涅尔的无效面的反射可以由镜面反射转变成漫反射，从而大幅降低影像画面的杂散光。

如图4(a)和图4(b)分别为菲涅尔面的无效面上产生镜面反射和漫反射的光线传播示意图，通过对比可知，对于现有技术中的菲涅尔透镜，光线在其无效面上进行了镜面反射，因此杂散光将基本上按照既定路线，进入到人眼视觉范围以内，影响影像的观赏效果。但对于本发明实施例中经过雾化之后的菲涅尔面的无效面，由于其表面粗糙度很高，光线在其上变成了漫反射。也就是说，大部分光线通过该无效面的反射之后，其路径是杂乱无章的，能够进入人眼视觉范围内的杂散光占总的杂散光的比重将非常少，因此能够有效的减少甚至消除杂散光。

需要注意的是，在本发明所有实施例中，对菲涅尔面的无效面进行雾化处理是指增大该菲涅尔面的无效面的表面粗糙度，可以有多种实现方式，本发明实施例在此不作限定。

通常情况下，所述菲涅尔面的无效面和有效面的粗糙度在纳米级，在本发明实施例中，可以让所述模具中用于形成所述菲涅尔面的无效面所对应的表面，其粗造度为0.8～1.2微米，即所述预设粗糙度范围为0.8～1.2微米，从而可以提高菲涅尔透镜的菲涅尔面的无效面的粗糙度，达到不错的杂散光消除效果。

可选地，在增加了所述模具中用于形成所述菲涅尔面的无效面所对应的表面的粗糙度(即所述菲涅尔面的无效面的粗糙度)之后，为了保证利用所述模具注塑成型的菲涅尔透镜可以顺利脱模，以及为了提高所述模具的耐用性，可以对模具进行设计，使得利用所述模具注塑成型的菲涅尔透镜的菲涅尔面的拔模角在3度与8度之间(包含端点3度和8度)。

本发明实施例提供了一种模具的生产方法，如图5所示，利用该方法可以生产前述实施例中所述的模具，具体方法包括：

501：对模具中用于形成菲涅尔透镜的菲涅尔面所对应的表面进行粗加工，以使所述模具中用于形成所述菲涅尔面所对应的表面的粗糙度满足所述预设粗糙度范围。

可选地，根据上述实施例可知，所述预设粗糙度范围可以为0.8～1.2微米。

502：对所述模具中用于形成所述菲涅尔面的有效面所对应的表面进行精加工。

在本发明实施例中，在对所述模具进行加工过程中，先对所述模具中用于形成所述菲涅尔面所对应的表面进行整体的粗加工，然后只对所述模具中用于形成所述菲涅尔面的有效面所对应的表面进行精加工，使得所述模具中用于形成所述菲涅尔面的无效面所对应的表面仍旧是粗糙表面，并满足所述预设粗糙度范围，从而后续所述菲涅尔透镜的菲涅尔面的无效面的表面粗糙度较高，有效减少或消除了所述菲涅尔透镜引入的杂散光。

由图2可知，菲涅尔透镜的菲涅尔面上，刻有多圈同心圆，每圈同心圆上都对应有无效面和有效面，菲涅尔面的无效面包括所有同心圆对应的无效面，菲涅尔面的有效面包括所有同心圆对应的有效面。可选地，在进行步骤502时，具体可以是：假设所述菲涅尔面上两个相邻的同心圆对应的无效面分别为m1和m2，对应的有效面分别为y1和y2，则对所述模具进行加工时，如果加工完所述模具中用于形成y1所对应的表面后，跳过所述模具中用于形成m1所对应的表面，直接对所述模具中用于形成y2所对应的表面进行精加工。这样在实现本发明的同时，也有高效的完成所述模具的生产制造。

本发明实施例提供了一种菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜包括菲涅尔面，所述菲涅尔面包括有效面和无效面；所述菲涅尔面的无效面经过了雾化处理，以减少所述菲涅尔透镜引入的杂散光。

在本发明实施例中，由于所述菲涅尔面的无效面是经过了雾化处理的，所述菲涅尔面的无效面的表面粗糙度较高，使得光线在所述菲涅尔的无效面的反射可以由镜面反射转变成漫反射，大部分光线通过该无效面的反射之后，其路径是杂乱无章的，能够进入人眼视觉范围内的杂散光占总的杂散光的比重将非常少，从而大幅降低了杂散光。

可选地，经过雾化处理之后，所述菲涅尔面的无效面的粗糙度可以为0.8～1.2微米。

可选地，所述菲涅尔透镜的拔模角为3～8度，使得所述菲涅尔透镜可以顺利脱模，同时也提高了模具的耐用性和使用寿命。

可选地，本发明实施例所述的菲涅尔透镜可以用于VR头戴显示设备中。

为了进一步验证本发明实施例的有效性，发明人对现有技术中的菲涅尔透镜和本发明实施例中所述的菲涅尔透镜进行了杂散光对比试验。现有技术中的菲涅尔透镜采用的是拔模角为5°，无效面的表面粗糙度为7纳米的菲涅尔透镜。本发明实施例中所述的菲涅尔透镜采用的是拔模角为5°无效面的表面粗糙度为1微米的菲涅尔透镜。且这两块菲涅尔透镜的有效面的表面粗糙度相同。通过分别测量这两块菲涅尔透镜在相同测试条件下引入的杂散光可知，本发明实施例中所述的菲涅尔透镜引入的杂散光只是现有技术中的菲涅尔透镜引入的杂散光的百分之三十。这说明利用对菲涅尔透镜的菲涅尔面的无效面进行雾化处理的方法，可以显著降低菲涅尔透镜引入的杂散光，从而提升VR头戴显示设备的显示体验。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。