一种接目镜片及其生产方法和相应的设备与流程

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种接目镜片及其生产方法和相应的设备。

背景技术：

虚拟现实头戴显示器设备，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头盔一般包括屏幕、接目镜片和由塑料等材料组成的设备支架。而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头盔的接目镜片多为单片非球面设计，然而单片非球面透镜由于材料色散性限制，色差非常明显，在进行图像处理的时候，需要进行色散矫正。随着显示屏幕分辨率的提高，色散矫正的运算量会以倍数增长。

为了消除接目镜片的色差，有人提出将接目镜片设计成双胶合透镜，利用两种不同材料制成的透镜的色散程度差异进行色散补偿的方案，但是该方案极大了限制了设计自由度。为了增大设计自由度，有人提出将双胶合透镜分开，形成分离消色差型式。但是这种方案在大视场应用中，依然无法很好地矫正色差。

微软公司曾提出用两组双胶合透镜来修正Oculus VR Rift中的色差。虽然该方案比较好的矫正了色差，但是它的体积和重量都过大，影响用户体验。且该方案中使用了玻璃材料，使得设备的成本很高。此外，该设计方案仅能保证视场角为80度左右。

由此可知，在现有技术中，单片式接目镜片由于材料色散性限制，色差非常明显。双胶合透镜和分离型的双透镜都无法有效修正色差。而微软的方案虽然可以较好的矫正色差，但是体积和重量较大，影响用户体验，且造价昂贵，不利于商业化。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种接目镜片及其生产方法和相应的设备，可以有效解决现有技术中接目镜片色差较大的问题，有效修正了接目镜片的色差，并减小了接目镜片的体积和重量。

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接目镜片，该接目镜片包括第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜；

所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面相贴合，且所述第一菲涅尔透镜的色散程度与所述第二菲涅尔透镜的色散程度不同，以减少所述接目镜片的色差。

可选地，所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度；所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面是利用所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度，由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面转写而成。

可选地，所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面相贴合包括：所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面直接与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面贴合。

第二方面，本发明实施例还提供了一种生产第一方面所述的接目镜片的方法，包括：

注塑形成所述第二菲涅尔透镜，所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度；

在注塑形成所述第二菲涅尔透镜后，将形成所述第一菲涅尔透镜的材料注塑到模具中并贴合所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面，使得所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面转写而成且所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面直接与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面贴合。

第三方面，本发明实施例还提供了一种头戴式虚拟现实设备，包括接目镜片和设备支架；所述接目镜片被所述设备支架固定；

所述接目镜片包括第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜；所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面相贴合，且所述第一菲涅尔透镜的色散程度与所述第二菲涅尔透镜的色散程度不同，以减少所述接目镜片在所述虚拟现实设备中引入的色差。

本发明实施例的技术方案具有以下优点：利用了两种色散程度不同的材料的菲涅尔透镜贴合在一起组成了接目镜片，且其中的贴合面为菲涅尔面，这不仅增大了镜片曲率半径的设计自由度，使得这两片菲涅尔透镜的色散和视场角之间，不会像传统的双胶合透镜那样会相互牵制，有效的修正了色差，使得在边缘视场，该接目镜的色差都可以控制在一个像素之内，无需进行色差方面的图像处理，大大降低了计算量。此外，本发明实施例所述的接目镜片，是由两片菲涅尔透镜组成，减少了接目镜片的质量和体积。

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为一种菲涅尔透镜的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种接目镜片的结构组成示意图；

图3(a)为一种单片非球面透镜的色散程度仿真示意图；

图3(b)为一种单片菲涅尔透镜的色散程度仿真示意图；

图3(c)为一种双胶合透镜的色散程度仿真示意图；

图3(d)为一种分离型双透镜的色散程度仿真示意图；

图4为本发明实施例提供的一种接目镜片的色散程度仿真示意图；

图5为本发明实施例提供的一种头戴式虚拟现实设备的结构组成示意图。

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。

为了更好地理解本发明实施例，在描述本发明实施例前，对相关概念进行相应的介绍。

菲涅尔透镜(Fresnel Lens)，又名螺纹透镜，如图1所示。菲涅尔透镜透镜与普通透镜的曲率一致，但其表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜看上去像一片有多个同心圆纹路(即菲涅尔带)的玻璃，却能达到凸透镜的效果。

菲涅尔透镜的工作原理：如图1所示，通常使用的凸透镜，为了达到实际的加工性，保证中心与边缘厚度在一定范围内，这样会导致镜片较厚，尺寸加大，重量变大。增加了生产周期和成本，不利于商业化。光的折射只发生在介质的交界面。如果可以去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果，菲涅尔透镜就是采用这种原理。

菲涅尔面：通常我们将菲涅尔透镜上刻有同心圆的那个表面，称之为该透镜的菲涅尔面。

色散：材料的折射率随入射光频率的减小(或波长的增大)而减小的性质，称为“色散”。

关于玻璃化转变温度：非晶聚物有三种力学状态，它们是玻璃态、高弹态和粘流态。在温度较低时，材料为刚性固体状，与玻璃相似，在外力作用 下只会发生非常小的形变，此状态即为玻璃态:当温度继续升高到一定范围后，材料的形变明显地增加，并在随后的一定温度区间形变相对稳定，此状态即为高弹态，温度继续升高形变量又逐渐增大，材料逐渐变成粘性的流体，此时形变不可能恢复，此状态即为粘流态。我们通常把玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，它所对应的转变温度即是玻璃化转变温度，或是玻璃化温度。

本发明实施例提供了一种接目镜片，如图2所示，所述接目镜片包括第一菲涅尔透镜21和第二菲涅尔透镜22；

所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面相贴合，且所述第一菲涅尔透镜的色散程度与所述第二菲涅尔透镜的色散程度不同，以减少所述接目镜片的色差。

在本发明实施例中，利用了两种阿贝数(即色散程度)不同的材料注塑而成的菲涅尔透镜贴合在一起组成了接目镜片，且其中的贴合面为菲涅尔面，这不仅增大了镜片曲率半径的设计自由度，使得这两片菲涅尔透镜的色散和视场角之间，不会像传统的双胶合透镜那样会相互牵制，有效的修正了色差，使得在边缘视场，该接目镜的色差都可以控制在一个像素之内，无需进行色差方面的图像处理，大大降低了计算量。此外，本发明实施例所述的接目镜片，是由两片菲涅尔透镜组成，减少了接目镜片的质量和体积。

可选地，所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度与所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度不同，所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度。所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面可以利用所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度，由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面转写而成，即所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面上的同心圆的大小、形状和圈数完全由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面决定，保证了所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面上的多圈齿纹可以完美的与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面多圈齿纹贴合，所述第一菲涅尔透镜 的菲涅尔面上的由同心圆形成的齿纹的凸起部分，其形状和大小完全是由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面上的由同心圆形成的齿纹的凹陷处的形状和大小决定，有效避免两个透镜的菲涅尔面的加工误差而影响贴合效果，保证了所述接目镜的成像效果和产业化。

可选地，在本发明实施例中，可以将所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面直接与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面贴合，即不通过光学胶等物质将所述第一菲涅尔透镜与所述第二菲涅尔透镜贴合而直接将这两块菲涅尔透镜贴合。这样做可以避免在所述接目镜片中引入杂质，保证所述接目镜片的性能和成像效果，同时也降低了加工的复杂度。

以所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度可以高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度为例。可以先通过模具注塑形成所述第二菲涅尔透镜；然后降低温度，使得温度接近所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度(此时所述第二菲涅尔透镜为玻璃态)，将形成所述第一菲涅尔透镜的材料注塑到模具中并贴合所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面，形成所述第一菲涅尔透镜，使得所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面是由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面转写而成，并且在温度恢复常温时(低于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转化温度)所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面就可以直接与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面贴合，无需使用光学胶等物质。

可选地，所述第一菲涅尔透镜可以由聚甲基丙烯酸甲酯(Poly Methyl Methacrylate，PMMA)制成。可选地，在本发明实施例中，所述第二菲涅尔透镜可以由聚碳酸酯树脂制成，例如可以采用日本三菱集团的EP6000。可选地，所述接目镜片用于头戴式虚拟现实设备中，从而有效修正所述头戴式虚拟现实设备中的色散，降低所述头戴式虚拟现实设备的计算量。

为了检验本发明实施例所述的接目镜片的性能，发明人对本发明实施例所述的接目镜片的性能和现有技术中的单片非球面透镜、单片菲涅尔透镜、双胶合透镜以及分离型的双透镜的性能进行了对比仿真实验。

在该实验中，让上述镜片都处于相同的使用条件下，拥有相同的视场角，对上述镜片的色散程度进行仿真，可以得到现有技术中各个透镜的色散程度如图3(a)-图3(d)所示，本发明实施例提供的接目镜片的色散程度图如图4所示。图3和图4中，横坐标表示色差的大小，纵坐标表示相对视场角，纵坐标越小表示视场角越小，纵坐标越大表示视场角越大。

通过图3(a)-图3(d)可知，现有技术中单片非球面透镜、单片菲涅尔透镜、双胶合透镜以及分离型的双透镜都未能很好的修正色差，尤其是在越靠近透镜的边缘处，色差非常明显，过软件进行后期的色差修正。而通过图4可知，本发明实施例提供的接目镜片，能够很好的修正色差，即使在接目镜片的边缘视场，该接目镜的色差都可以控制在一个像素之内，无需通过软件进行后期的色差修正，跟现有技术相比，可以节省60％的图形计算量。

此外，在现有技术的几种镜片与本发明实施例所述的接目镜片在相同的使用条件下，拥有相同的视场角时，其重量，色差和光学厚度的对比，如表所示。

表1

由表1可知，本发明实施例所述的接目镜片，不仅可以有效修正色差，还可以降低镜片体积和重量，缩减成本。

本发明实施例还提供了一种生产如图2所述的接目镜片的方法，包括：

注塑形成所述第二菲涅尔透镜，所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度 高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度；

在注塑形成所述第二菲涅尔透镜后，将形成所述第一菲涅尔透镜的材料注塑到模具中并贴合所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面，使得所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面转写而成且所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面直接与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面贴合。

在本发明实施例中，所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面是由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面转写而成，使得所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面可以直接与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面完美贴合，无需使用光学胶等物质，可以避免在所述接目镜片中引入杂质，同时也有效避免了两个透镜的菲涅尔面的加工误差而影响贴合效果，保证所述接目镜片的性能和成像效果，同时也降低了加工的复杂度，有利于产业化。

本发明实施例还提供了一种头戴式虚拟现实设备，其特征在于，包括接目镜片和设备支架；所述接目镜片被所述设备支架固定；所述接目镜片可以是图2对应的实施例中的接目镜片。

具体地，所述接目镜片包括第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜；所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面相贴合，且所述第一菲涅尔透镜的色散程度与所述第二菲涅尔透镜的色散程度不同，以减少所述接目镜片在所述虚拟现实设备中引入的色差。

在本发明实施例中，头戴式虚拟现实设备中采用的接目镜片是由色散程度不同的第一菲涅尔透镜和第二菲涅尔透镜贴合而成，且其中的贴合面为菲涅尔面，这不仅增大了镜片曲率半径的设计自由度，使得这两片菲涅尔透镜的色散和视场角之间，不会像传统的双胶合透镜那样会相互牵制，有效的修正了色差，使得在边缘视场，该接目镜的色差都可以控制在一个像素之内，无需进行色差方面的图像处理，大大降低了头戴式虚拟显示设备的图像处理运算量。此外，由于所述接目镜片是由两片菲涅尔透镜组成，减少了接目镜 片的质量和体积，从而减少了头戴式虚拟显示设备的质量和体积，提升了用户体验。

可选地，所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度与所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度不同，所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度可以高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度。所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面可以利用所述第二菲涅尔透镜的玻璃化转变温度高于所述第一菲涅尔透镜的玻璃化转变温度，由所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面转写而成，保证了所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面上的多圈齿纹可以完美的与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面多圈齿纹贴合，有效避免两个透镜的菲涅尔面的加工误差而影响贴合效果，保证了所述接目镜的成像效果和产业化。

可选地，所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面相贴合可以包括：所述第一菲涅尔透镜的菲涅尔面直接与所述第二菲涅尔透镜的菲涅尔面贴合。即不通过光学胶等物质将所述第一菲涅尔透镜与所述第二菲涅尔透镜贴合而直接将这两块菲涅尔透镜贴合。这样做可以避免在所述接目镜片中引入杂质，保证所述接目镜片的性能和成像效果，同时也降低了加工的复杂度。

可选地，在本发明实施例中，所述第一菲涅尔透镜可以由PMMA制成。可选地，所述第二菲涅尔透镜可以由聚碳酸酯树脂制成。

可选地，本发明实施例所述的头戴式虚拟显示设备可以如图5所述，图中51表示设备支架，52表示接目镜片，可以针对左右眼分别采用两块接目镜片。所述设备外壳51可以对接目镜片52进行固定和保护，所述设备外壳还可以于人脸进行紧密贴合，避免佩戴时外界光线进入，同时也提高佩戴舒适性。

可选地，所述设备外壳51可以由多个零部件组成，所述设备外壳可以一体成型，也可以是分别制造后连接在一起。可选地，所述设备外壳51还可以包含鼻梁托起部件，则所述两片接目镜片52可以被设置于所述鼻梁托起部件 的两侧，并与所述设备外壳51相连，从而通过所述设备外壳51和所述鼻梁托起部件，所述头戴式虚拟现实设备可以与人脸紧密贴合，并为人的鼻梁留出空间，佩戴后所述接目镜片52位于佩戴者双眼的前方。

所述设备外壳可以为其它形状和构造，所述鼻梁托起部件也可以为其它形状和构造本发明实施例在此不作限定。所述头戴式虚拟现实设备还可以包括显示屏、其他控制电路、接口和电源等部件，图5中均未示出。

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。