一种菲涅尔透镜和虚拟现实设备的制作方法

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于虚拟现实设备的菲涅尔透镜和虚拟现实设备。

背景技术：

虚拟现实通过几成计算机三维模型处理、立体现实、人机交互等技术，提供真实的虚拟仿真环境，使用户能够沉浸其中，与虚拟物体和场景进行自然交互，能够消除人与虚拟环境件的隔膜，并激发用户的主动性和想象力，给用户带来逼真、效果新奇的沉浸式体验。根据应用的不同需求，产生了头盔、可穿戴设备、半沉浸式、沉浸式等不同的虚拟现实产品和系统。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，透镜和由塑料等材料组成的设备支架，其中透镜可以修正晶状体的光源的角度，重新被人眼读取，使得人们可以看清距离眼睛很近的事物。

为了使VR头盔中的透镜能更薄更轻，大部分的VR头盔中透镜采用的是菲涅尔透镜(Fresnel Lens)，又名螺纹透镜，如图1(a)和图1(b)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，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的，特性为面积大、厚度薄及侦测距离远。菲涅尔透镜看上去像一片有无数多个同心圆纹路(即菲涅尔带)的玻璃，如图1(b)所示，却能达到凸透镜的效果。

然而，在实现本发明的过程中，发明人发现现有的菲尼尔透镜，不可避免的会在虚拟现实设备中引入很多的杂散光，使得用户使用虚拟现实设备时，看到的视觉虚景图像的边缘是模糊的甚至出现形成拖影或鬼影，严重的降低了虚拟现实设备的视觉效果，影响了用户体验。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种用于虚拟现实设备的菲涅尔透镜和虚拟现实设备，可以减少菲涅尔透镜在虚拟现实设备中引入的杂光，提高虚拟现实设备的视觉效果，从而提高用户体验。

本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供一种用于虚拟现实设备的菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜包含第一外表面和第二外表面；所述第一外表面为光滑面；所述第二外表面上刻有多个同心圆，所述多个同心圆在所述第二外表面上形成多圈齿纹；其中，所述多圈齿纹之间的齿纹间距为非等间距，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

可选地，所述多圈齿纹中任意相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距不同。

可选地，在靠近所述菲涅尔透镜中心处的齿纹间距大于靠近所述菲涅尔透镜边缘处的齿纹间距，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

可选地，所述多圈齿纹之间的齿纹间距由所述第二外表面的有效面的倾斜角度确定。

可选地，所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度不大于5度，且所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度之间是无序的，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

本发明实施例还提供了一种虚拟现实设备，该虚拟现实设备包括设备外壳和菲涅尔透镜；所述菲涅尔透镜被所述设备外壳固定；

所述菲涅尔透镜包含第一外表面和第二外表面；所述第一外表面为光滑面，所述第二外表面上刻有多个同心圆，所述多个同心圆在所述第二外表面上形成多圈齿纹；其中，所述多圈齿纹之间的齿纹间距为非等间距，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

可选地，在靠近所述菲涅尔透镜中心处的齿纹间距大于靠近所述菲涅尔透镜边缘处的齿纹间距，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

可选地，所述多圈齿纹中任意相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距不同。

可选地，所述多圈齿纹之间的齿纹间距由所述第二外表面的有效面的倾斜角度确定。

可选地，所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度不大于5度，且所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度之间是无序的，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

本发明实施例的技术方案具有以下优点：本发明实施例的菲涅尔透镜的第二外表面上刻的多个同心圆之间不再是等间距的，即第二外表面所述多圈齿纹之间的齿纹间距不再相同，改变了光线的折射或反射，因而光入射时，光在菲尼尔透镜的各个齿纹之间传输将不再具有特定的规律，因而在某个齿纹的无效面上产生的杂散光可以在菲涅尔透镜内相互抵消，而不会进入人眼，从而消除了拖影或鬼影，提高虚拟现实设备的视觉效果。

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(a)为一种菲涅尔透镜与普通透镜的结构组成示意图；

图1(b)为一种菲涅尔透镜示意图；

图2为一种菲涅尔透镜的结构组成示意图；

图3为本发明实施例提供的一种菲涅尔透镜的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种虚拟现实设备的结构组成示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种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。

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

菲涅尔透镜的工作原理：如图1(a)所示，通常使用普通的凸透镜，会出现边角变暗、模糊的现象，这是因为光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减。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。

关于有效面和无效面：如图1(a)或者如图2所示菲涅尔透镜通常都包含第一外表面和第二外表面，其中，第一外表面为光滑面，第二外表面上刻有多个同心圆，从而在第二外表面上形成了多圈齿纹，每圈齿纹的表面都包含有无效面和有效面(即第二外表面上的每圈齿纹都对应有无效面和有效面)，通常情况下，虚拟现实设备的显示屏发出的光通过是通过有效面进行折射在人眼上形式视觉虚景图像。

而杂散光，即非序列光，是指在菲涅尔透镜中通过无效面(如图2所示)反射或折射所形成的进入人眼的光线，它将影响最终的显示效果，甚至形成拖影或鬼影，降低了成像的质量。

在本发明实施例中，无效面的倾斜角度是指无效面相对水平方向的倾斜角度；当无效面的设计不是平面，而是弧面时，无效面的倾斜角度是指与该无效面相切的平面与水平方向所形成的夹角。同理，有效面的倾斜角度是指，有效面相对水平方向的倾斜角度；当有效面的设计不是平面，而是弧面时，有效面的倾斜角度是指与该有效面相切的平面与水平方向所形成的夹角。

经发明人研究和分析发现，在现有技术中，虚拟现实设备采用的菲涅尔透镜，表面均采用的是同心圆如图2所示，即表面上的齿纹之间均是等间距的(如图2齿纹之间的间距都是d)。光入射到菲涅尔透镜之后，在某个齿纹的无效面上产生的杂散光可能回传输到另外一个齿纹的表面上，由于齿纹都是等间距的，那么光在菲尼尔透镜的各个齿纹之间传输将具有一定的规律，杂散光无法消除最终可能进入人眼，引起拖影或鬼影，降低了成像的质量。

本发明实施例提供了一种用于虚拟现实设备的菲涅尔透镜，如图3所示，所述菲涅尔透镜包含第一外表面31和第二外表面32；所述第一外表面31为光滑面；所述第二外表面32上刻有多个同心圆，所述多个同心圆在所述第二外表面上形成多圈齿纹；其中，所述多圈齿纹之间的齿纹间距为非等间距，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

在本发明实施例中，菲涅尔透镜的第二外表面32上刻的多个同心圆之间，不再是等间距的，即第二外表面32的所述多圈齿纹之间的齿纹间距不再相同，改变了光线的折射或反射，因而光入射时，光在菲尼尔透镜的各个齿纹之间传输将不再具有特定的规律，因而在某个齿纹的无效面上产生的杂散光可以在菲涅尔透镜内相互抵消，而不会进入人眼，从而消除了拖影或鬼影，提高虚拟现实设备的视觉效果。

进一步的，通过利用光线的入射、反射和折射的原理，发明人反复分析和实验发现，对所述多圈齿纹之间的齿纹间距进行非等间距设计时，如果能够满足相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距有差异，那么将可以得到较优的杂散光消除效果。因此，在本发明实施例中，所述多圈齿纹中任意相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距可以不同。

可选地，对所述多圈齿纹之间的齿纹间距进行非等间距设计时，所述多圈齿纹之间的齿纹间距该如何确定，在本发明实施例中，所述多圈齿纹之间的齿纹间距可以由所述第二外表面的有效面的倾斜角度确定。因为当所述第二外表面的有效面的倾斜角度不同时，相同角度入射的光在所述菲涅尔透镜种反射和折射的角度也将不同，因为为了消除杂散光，所述多圈齿纹之间的齿纹间距的设计必然需要有差异。

可选地，发明人通过反复的计算、仿真和试验发现，所述第二外表面的所述多圈齿纹中，如果使得在靠近所述菲尼尔透镜中心处的齿纹间距较大，即齿纹相对稀疏，在靠近所述菲尼尔透镜边缘处的齿纹间距较小，即齿纹相对较密，可以进一步减少杂散光。即在靠近所述菲涅尔透镜中心处的齿纹间距大于靠近所述菲涅尔透镜边缘处的齿纹间距，可以进一步减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

可选地，当所述多圈齿纹中任意相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距不同时，其间距的确定，可以根据所述第二外表面的有效面的倾斜角度确定。可以按照反射角、折射角等计算得到。

可选地，除了将所述多圈齿纹之间的齿纹间距设计为非等间距，从而减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光之外，还可以对所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度进行设计，使其满足预设的角度范围，从而进一步减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。具体地，所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度可以不大于5度，且所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度之间是无序的，使杂散光反射、折射的方向多样化，而不是朝向一个方向，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。在本发明实施例中，所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度之间是无序的是指，所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度不是都相同，例如相邻的第一圈齿纹、第二圈齿纹和第三圈齿纹的无效面的倾斜角度可以分别为1°，2°和3°，从而达到使杂散光反射、折射的方向多样化的效果。

可选地，所述菲涅尔透镜可以是圆形，还可以是其他形状。例如，当菲涅尔透镜应用于虚拟现实设备时，除了可以是圆形，还可能是在靠近所述虚拟现实设备的鼻梁托起部件侧被切边，则被切边后所述变为其他形状。

本发明实施例提供了一种虚拟现实设备，所述虚拟现实设备包括设备外壳和菲涅尔透镜；所述菲涅尔透镜被所述设备外壳固定；所述菲涅尔透镜为图3实施例所述的菲涅尔透镜。

具体地，所述菲涅尔透镜可以包含第一外表面和第二外表面；所述第一外表面为光滑面，所述第二外表面上刻有多个同心圆，所述多个同心圆在所述第二外表面上形成多圈齿纹；其中，所述多圈齿纹之间的齿纹间距为非等间距，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

在本发明实施例中，由于虚拟现实设备中采用的菲涅尔透镜的第二外表面32上刻的多个同心圆之间，不再是等间距的，即第二外表面32的所述多圈齿纹之间的齿纹间距不再相同，改变了光线的折射或反射，因而光入射时，光在菲尼尔透镜的各个齿纹之间传输将不再具有特定的规律，在某个齿纹的无效面上产生的杂散光可以在菲涅尔透镜内相互抵消，而不会进入人眼，从而消除了拖影或鬼影，提高虚拟现实设备的视觉效果。

可选地，通过利用光线的入射、反射和折射的原理，发明人反复分析和实验发现，对所述多圈齿纹之间的齿纹间距进行非等间距设计时，如果能够满足相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距有差异，那么将可以得到较优的杂散光消除效果。因此，在本发明实施例中，所述多圈齿纹中任意相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距可以不同。

可选地，所述多圈齿纹之间的齿纹间距可以由所述第二外表面的有效面的倾斜角度确定。因为当所述第二外表面的有效面的倾斜角度不同时，相同角度入射的光在所述菲涅尔透镜种反射和折射的角度也将不同，因为为了消除杂散光，所述多圈齿纹之间的齿纹间距的设计必然需要有差异。

可选地，发明人通过反复的计算、仿真和试验发现，所述第二外表面的所述多圈齿纹中，如果使得在靠近所述菲尼尔透镜中心处的齿纹间距较大，即齿纹相对稀疏，在靠近所述菲尼尔透镜边缘处的齿纹间距较小，即齿纹相对较密，可以进一步减少杂散光。即在靠近所述菲涅尔透镜中心处的齿纹间距大于靠近所述菲涅尔透镜边缘处的齿纹间距，可以进一步减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

可选地，当所述多圈齿纹中任意相邻的三圈齿纹之间的齿纹间距不同时，其间距的确定，可以根据所述第二外表面的有效面的倾斜角度确定。可以按照反射角、折射角等计算得到。

可选地，除了将所述多圈齿纹之间的齿纹间距设计为非等间距，从而减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光之外，还可以对所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度进行设计，使其满足预设的角度范围，从而进一步减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。具体地，所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度可以不大于5度，且所述第二外表面上的每圈齿纹所对应的无效面的倾斜角度之间是无序的，使杂散光反射、折射的方向多样化，而不是朝向一个方向，以减少所述菲涅尔透镜在所述虚拟现实设备中引入的杂散光。

可选地，所述头戴式虚拟现实设备的视线还可以包括显示屏，所述显示屏可以是独立的显示屏，也可以是手机等移动终端，所述显示屏用于显示视觉虚景图像。

可选地，在本发明实施例中，所述虚拟现实设备的组成结构示意图可以如图5所示，包括设备外壳51和一对菲涅尔透镜52。所述设备外壳51可以对菲涅尔透镜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，则所述菲涅尔透镜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，佩戴后所述菲涅尔透镜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。