本发明涉及一种光学领域，尤其涉及一种用菲涅尔镜片调节屈光度的头戴式虚拟现实光学系统。
背景技术：
虚拟现实技术(VirtualReality，VR)技术是20世纪80年代提出的一种利用计算机生成的、可交互的、具有沉浸感的视觉虚拟环境，可以按照需要生成多种虚拟环境，广泛应用于城市规划，驾驶培训，室内设计等领域。近年来随着计算机计算能力与各类型传感器的发展，各类型的虚拟现实头盔已出现于市场上，其基本由显示屏或手机以及一对目镜组成，人眼通过目镜可以看到显示屏上放大的图像，传感器感应人头部的变化调整左右显示屏中的图像，使得人眼能看到立体的，具有交互性的视觉图像。
目前虚拟显示显示系统大多采用传统透镜来获得放大的虚像，在设计镜片和显示屏距离时按照健康视力人群设计，对于近视或远视人群，一般采用在戴头盔前佩戴眼镜或是改变显示屏和传统透镜间的物距的方法来实现屈光度调节，前者会降低沉浸感、增加使用者负重，后者会造成头盔内部机械结构复杂、增加生产成本，这都会造成用户体验感下降，因此如何实现在不佩戴眼镜的情况下实现不同人群正常使用虚拟现实头盔就成了亟待解决的问题。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用菲涅尔镜片调节屈光度的头戴式虚拟现实光学系统，用于实现近视或远视用户在不佩戴眼镜情况下使用虚拟现实头盔的目的。
为了实现上述目的，本发明提供了采用以下技术方案：
本发明包括固定安装在虚拟现实头盔内的光学透镜和显示屏以及可拆取地安装在虚拟现实头盔中的菲涅尔附加镜片，光学透镜和显示屏依次置于人眼前方，菲涅尔附加镜片置于光学透镜和显示屏之间或者人眼和光学透镜之间，菲涅尔附加镜片与光学透镜的光轴共线。光学透镜固定在头盔内部不可取出，菲涅尔附加镜片可从头盔中插入或取出。
优选地，所述的菲涅尔附加镜片置于人眼和光学透镜之间。
对于正常视力者，菲涅尔附加镜片替换为相同厚度的平面镜片；对于远视或近视视力者，菲涅尔附加镜片具有正或者负的光焦度，其光焦度与其日常佩戴的眼镜的屈光度数相同或接近。
具体实施中的菲涅尔附加镜片具有-8D～+8D的光焦度调节量。
所述的菲涅尔附加镜片的菲涅尔面型朝向对着光学透镜或者显示屏或者人眼。
当菲涅尔附加镜片置于人眼和光学透镜之间时，菲涅尔附加镜片的菲涅尔面型朝向光学透镜或者人眼，优选的是朝向光学透镜，平面朝向人眼；当菲涅尔附加镜片置于光学透镜和显示屏之间时，菲涅尔附加镜片的菲涅尔面型可以朝向光学透镜或者显示屏，优选的是朝向显示屏，平面朝向光学透镜。
所述的菲涅尔附加镜片的单面或者双面为菲涅尔面型。
优选的，菲涅尔附加镜片采用一面为平面，另一面为菲涅尔面型的结构。
所述的菲涅尔附加镜片与光学透镜之间沿光轴的距离为1mm～5mm。
所述的菲涅尔附加镜片从虚拟现实头盔的顶面竖直插入或者从虚拟现实头盔侧面水平插入，插入后通过头盔框架内的凹槽固定。
所述的菲涅尔附加镜片和光学透镜的数量相同，为一片或者两片，双眼可以同时观看一片或者分别观看两片。显示屏可以为一块或者两块。优选的，菲涅尔附加镜片和光学透镜均采用两片，显示屏为同一块。
本发明可以包括左右两片菲涅尔附加镜片，左右两片菲涅尔附加镜片是分离地制造在不同基底材料上，或是制造在同一片基底材料上。
本发明的有益效果是：
本发明头戴显示设备在不增加附加调节机构的情况下，使近视或远视患者可以按自己的视力情况插入相应度数的菲涅尔附加镜片，用以调节目视系统的屈光度，从而简化了头盔的结构，降低了头盔的重量和成本，使用者在不佩戴眼镜的情况下就可以获得极大的沉浸感。
1.菲涅尔镜片厚度薄，重量轻，制造成本低，由于光学镜片负担了主要的屈光度，而菲涅尔镜片产生的光焦度很小，螺纹台阶很小，产生的杂光也小，使用者不易感受到眩光或螺纹。
2.菲涅尔镜片的材料可以与光学透镜的材料不同，互相配合可以实现消除色散的功能。
附图说明
图1是本发明实施例菲涅尔附加镜片插入头盔的方式。
图2是本发明实施例中侧视剖面光学结构图。
图3是本发明菲涅尔附加镜片的侧视图。
图4是本发明两片分离的菲涅尔附加镜片示意图。
图5是本发明两片连接成整体的菲涅尔附加镜片的示意图。
图6是本发明菲涅尔镜片的剖面结构图。
图7是本发明实施例1的正常视力使用时的光路图。
图8是本发明实施例2的400度近视者使用时的光路图。
图9是本发明实施例3的400度远视者使用时的光路图。
图中：菲涅尔附加镜片1、透镜2、显示屏3、人眼4、头盔框架5、虚拟现实头盔6。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括固定安装在虚拟现实头盔6内的透镜2和显示屏3以及可拆取地安装在虚拟现实头盔6中的菲涅尔附加镜片1，透镜2和显示屏3依次置于人眼4前方，菲涅尔附加镜片1置于透镜2和显示屏3之间或者人眼4和透镜2之间，菲涅尔附加镜片1与透镜2的光轴共线，使近视或远视使用者可在不佩戴眼镜的情况下可使用本虚拟现实头盔6。
本发明侧视剖面光学结构如图2所示，透镜2被头盔框架5固定于头盔内部，不能取出或前后移动。正常视力者使用时，眼睛位于人眼4，使用平面镜片代替菲涅尔附加镜片1，从显示屏3发出的光线经过平面镜片和透镜2后可在人眼4看清图像。近视或远视者使用该设备时，需要从头盔框架5上方开口处插入菲涅尔附加镜片1，该镜片底部可固定于头盔框架5底部的凹槽内，从显示屏3发出的所有成像光线都会在穿过菲涅尔附加镜片1后再进入人眼，并且从显示屏3上同一点发出的光线在到达人眼4时会具有一定的发散度或汇聚度，分别适合近视或远视的人使用。
如图3所示，为本发明菲涅尔附加透镜1的几种结构，菲涅尔透镜的菲涅尔表面的剖面为锯齿状结构，其基底剖面可以是平面或曲面的，厚度为1mm～3mm，可是单面具有菲涅尔结构，也可以是两面均为菲涅尔结构，优选的采用一面为平面的单面菲涅尔透镜，这样菲涅尔透镜空间尺寸最小，最容易制造，成本最低。在使用该菲涅尔附加透镜1时，可以是平面朝向人眼方向，也可以是锯齿状结构朝向人眼，优选的采用平面朝向人眼的结构。
使用时菲涅尔附加镜片1可位于人眼4与透镜2之间，或透镜2与显示屏3之间，优选的采用放置于人眼4与透镜2之间。
菲涅尔附加透镜1的材料一般为可压模生产的光学塑料，为了达到消除光学系统色差的目的，优选的采用与透镜2阿贝常数差距比较大的材料。若虚拟现实头盔6不设置瞳距调节结构，可以将左右两个菲涅尔附加透镜1制作在一个基底上，如图5所示，否则需要分开制作，如图4所示，优选的采用分开制作的结构。
如图6所示，是典型的菲涅尔镜片剖面结构图，菲涅尔镜片是一种具有环形同心圆凹槽的透镜，与传统透镜类似其具有汇聚或发散光线的能力，而厚度非常薄，一般其表面面型一面为平面，一面为同心圆凹槽，镜片的焦距由同心圆环宽度d，齿高h，与底面的夹角θ1和与顶端的夹角θ2控制。
本发明的实施例如下：
实施例1
如图7所示，为正常人眼在使用该虚拟现实头盔6时的光路图，平面镜片不产生光焦度，系统焦距为40mm～50mm，相对孔径即光圈为f/4～f/5.6，单眼对角线视场角为80°～100°，采用低色散光学塑料，色散系数为45～65，折射率为1.48～1.55，前后表面镀增透膜，镜片口径为30mm～50mm，镜片厚度为5mm～15mm。透镜2的两侧面型均为偶次非球面，其描述方程如下：
具体实施例中，前表面的面型系数分别为：c＝-0.0054，k＝-51.78，A4＝6.413342E-006，A6＝-3.325306E-08，A8＝6.186407E-011，其余系数为0；后表面的面型系数分别为c＝0.000625，k＝-0.75909，A4＝6.828006E-006，A6＝-3.956315E-08，A8＝3.984756E-011，透镜2的材料为E48R，中心厚度为8mm，口径为35mm。平面镜片的材料为POLYCARB，厚度为2mm，口径为35mm，距离人眼4的距离为8mm，距离透镜2为1mm，透镜2距离显示屏3表面中心为36.2mm，显示屏3为尺寸大小为5.7英寸的16:9的1080pOLED显示屏。整个光学系统的焦距约为40mm，相对孔径为f/4，单眼对角线视场角为90°。
实施例2
如图8所示，将实施例1的平板镜片替换为具有负光焦度菲涅尔附加透镜1后的光路图，其他结构与实施例1的图6保持一致，该结构适合近视度数为400度的使用者裸眼使用头盔，由于人眼具有一定的调节能力，因此近视度数在400度左右的近视使用者也可以使用该头盔。菲涅尔附加透镜1的通光口径为35mm，焦距约-560mm，距离人眼8mm，厚度1mm，距离透镜2为1mm。镜片表面的同心圆环间距d为1mm，齿高为0.2mm，θ1为6.5°，θ2为63°。
实施例3
如图9所示，将实施例1的平板镜片替换为具有正光焦度菲涅尔附加透镜1后的光路图，其他结构与实施例1的图6保持一致，该结构适合远视度数为400度的使用者裸眼使用头盔，由于人眼具有一定的调节能力，因此远视度数在400度左右的远视使用者也可以使用该头盔。该菲涅尔附加透镜1的通光口径为35mm，焦距约317mm，距离人眼8mm，厚度1mm，距离透镜2为1mm。镜片表面的同心圆环间距d为3mm，齿高为0.5mm，，θ1为65°，θ2为5.5°。
本方案在保持原有头盔结构紧凑的前提下，通过插拔不同菲涅尔附加透镜的方法来适配不同近视或远视度数的使用者，使其能在不佩戴眼镜的情况下体验虚拟现实眼镜，保持了原有的沉浸感。并且菲涅尔附加透镜的厚度薄，重量轻，成本非常低，适合大规模压模生产。