一种短焦距目镜以及VR头戴显示设备的制作方法

本实用新型属于近眼显示系统领域，更具体为一种虚拟现实目镜，可配合小尺寸屏幕使用；同时，本实用新型还涉及一种可配合小尺寸屏幕使用的VR头戴显示设备。

背景技术：

虚拟现实装置可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合形成交互式的三维动态视景，使用户沉浸到该环境中。但是现有的虚拟现实显示装置体积庞大，这些设备均给人沉重的感觉，透镜比较厚，设备比较重，透镜到屏幕距离过大，设备体积过大，不便于携带，如果长时间带在眼睛上，会给人负担感，压迫接触的皮肤，带来不适。

对于目前虚拟现实(VR)头盔产品，多数的外形尺寸都比较大，质量比较重，严重的影响用户体验，这也是VR目前没有被广泛接受的原因之一。因此，只有使用小尺寸屏幕和短的TTL才能达到要求，而小尺寸屏幕和短的TTL都要求目镜具有短焦距。但镜片的焦距越短，带来的像差就会越多，单镜片根本无法满足设计要求，而使用多镜片就会增加重量，同时镜片组的整体厚度不一定会使TTL减小。因此，如何降低镜片焦距显得尤为重要。

技术实现要素：

基于上述存在的技术问题，本实用新型所要解决的第一个技术问题在于提供一种紧凑式、短焦距目镜，该目镜能够做到整体小于12mm，并且焦距做到20mm以下仍然可以保证超高的成像质量；

本实用新型所要解决的第二个技术问题在于提供一种应用上述短焦距目镜做成的VR头戴显示设备。

为了解决上述所要解决的技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种短焦距目镜，所述目镜由位于近眼端的菲涅尔镜片和位于外端的非球面镜片叠加组合而成；菲涅尔镜片最大厚度和非球面镜片的最大厚度均低于6mm；菲涅尔镜片的菲涅尔面位于菲涅尔镜片的背眼面。

进一步的，所述菲涅尔镜片是焦距F＝18mm～30mm，折射率Nd＝1.4～1.6，阿贝数Vd＝40～68的菲涅尔镜片；所述非球面镜片是焦距F＝200mm～∞，折射率Nd＝1.52～1.7，阿贝数Vd＝20～45的非球面镜片。

进一步的，所述菲涅尔镜片和非球面镜片的叠加最大厚度小于11.5mm。

进一步的，菲涅尔镜片采用PMMA材料；非球面镜片选择如下材料中的一种：PC、PS、EP或OKP。

进一步的，所述菲涅尔镜片要求：焦距F＝22mm～28mm；折射率Nd＝1.4～1.6；阿贝数Vd＝44～68；所述非球面镜片要求：焦距F＝400～∞；折射率Nd＝1.52～1.65；阿贝数Vd＝20～44。其中，两种材料的Vd的差值越大，效果会越好。

进一步的，所述短焦距目镜应用时的TTL能控制在18-30mm之间。TTL是从镜片第一表面到屏幕面的距离，本实用新型的目镜在应用时的TTL能控制在30mm，依然保持很好的成像和视觉效果。

一种VR头戴显示设备，包括上述技术方案的目镜。

与现有的目镜相比，本实用新型的短焦距目镜具有如下有益效果：

一、本实用新型的短焦距目镜，目镜的组成结构为：菲涅尔镜片加非球面镜片。菲涅尔镜片最大厚度和非球面镜片的最大厚度均低于6mm，并且菲涅尔镜片和非球面镜片采用上述的参数之后，它能够在保证光学成像质量的前提下，焦距做到20mm以下。即应用与小尺寸屏幕和短的TTL的VR头戴显示设备时，仍然可以保证超高的成像质量。最终使得目镜系统重量和厚度大大降低。

二、其中第一片菲涅尔镜片设在内部即近眼端，用户无法触摸到菲涅尔面，充分考虑了对菲涅尔面的保护；菲涅尔镜片承担主要的光焦度，其焦距F为18mm～30mm；菲涅尔镜片的材料本实用新型优选选用PMMA材料，该材料具体优秀的流动性和稳定性，制造方便。

三、第二片非球面镜片的作用为矫正系统像差，同时控制CRA，可有效的控制成像圆的尺寸，与屏幕达到极高的匹配度。

四、本实用新型的目镜具有优秀的公差宽度，在瞳孔偏移±3mm时，瞳孔上下移动一定距离时同样能看清屏幕。

五、本实用新型的目镜具有有效矫正系统的畸变及色差；系统的畸变根据屏幕尺寸大小变化而变化，屏幕越大，畸变矫正的越好，屏幕越小，畸变会相应增加，但最差也会跟现有的VR单镜片的畸变持平。

附图说明

图1：本实用新型实施例中目镜的结构示意图。

图2：本实用新型实施例中目镜的光路图。

图3：本实用新型实施例中目镜光学性能效果中的MTF曲线图。

图4：本实用新型实施例中目镜光学性能效果中的场曲和畸变示意图。

图5：本实用新型实施例中目镜光学性能效果中的点列图。

图6：本实用新型实施例中目镜光学性能效果中的横向色差示意图。

图7：本实用新型实施例中目镜在瞳孔偏移±3mm时的光学路示意图。

图8：在瞳孔偏移±3mm时，本实用新型实施例中目镜光学性能效果中的MTF曲线图。

图9：在瞳孔偏移±3mm时，本实用新型实施例中目镜光学性能效果中的场曲和畸变示意图。

图10：在瞳孔偏移±3mm时，本实用新型实施例中目镜光学性能效果中的横向色差示意图。

图11：本实用新型实施例中在人眼上下移动±4mm时的MTF曲线图。

具体实施方式

以上是对本实用新型技术方案的举例详细说明，不能作为本实用新型保护范围的限定。

实施例1：如图1和图2所示，本实用新型的目镜的组成结构为：菲涅尔镜片加非球面镜片。菲涅尔镜片和非球面镜片的每片镜片的中心厚度都在6mm以下，加上中心厚度，整体厚度也小于11.5mm，基本小于一般的VR单透镜厚度(非球面透镜)。

在保证光学成像质量的前提下，焦距需要做到多少，要根据具体屏幕的尺寸，因为需要考虑成像圆尺寸及放大率等；根据调整材料，焦距做到20mm以下仍然可以保证超高的成像质量是现有技术中很难做到的。

如图1、图2所示的目镜具体结构以及光路图，其中上述的菲涅尔镜片位于近眼端，非球面镜片位于外端。而菲涅尔镜片的菲涅尔面位于背眼面，即靠近非球面镜片的内面。如图2所示，以成像圆为(可配合1.8寸屏幕以上)为例设计的参数：目镜系统焦距：23mm；成像圆：Eye relief：≥12mm；Clear aperture：43mm；FOV：≥100°；在图2光路图如下，附图标记：

1：菲涅尔镜片的第一非球面；2：菲涅尔面；3：非球面镜片的第一非球面；4：非球面镜片的第二非球面；5：入瞳；6：像面。

其中，像面6即屏幕。菲涅尔镜片和非球面镜片叠加之后，从近眼端至远眼端，菲涅尔镜片的最内面具有菲涅尔镜片的第一非球面1，其反面即菲涅尔镜片的菲涅尔面2，位于菲涅尔镜片的背眼面，也就是靠近非球面镜片的内面，非球面镜片的内面是非球面镜片的第一非球面3，非球面镜片的最外面是非球面镜片的第二非球面4。光从像面6发出，依次经过非球面镜片的第二非球面4、非球面镜片的第一非球面3、菲涅尔面2和菲涅尔镜片的第一非球面1。

其中内端的第一片菲涅尔镜片承担主要的光焦度，其焦距F为21mm；菲涅尔面设在内部，用户无法触摸到菲涅尔面，充分考虑了对菲涅尔面的保护；对于设计本身而言，材料的选择较宽泛，但是限制于目前的菲涅尔镜片制作工艺，因此选用PMMA材料，主要是由于其优秀的流动性和稳定性，若工艺上可以实现其它材料注塑成型菲涅尔镜片，同样可以选用。

本实施例对菲涅尔镜片参数要求的折射率和阿贝数分别为：Nd＝1.4～1.6；Vd＝40～68；

第二片非球面镜片的作用为矫正系统像差，同时控制CRA，可有效的控制成像圆的尺寸，与屏幕达到极高的匹配度。其焦距F为：401mm，折射率和阿贝数为：Nd＝1.52～1.7；Vd＝20～45。由于非球面成型工艺比较成熟，其可选范围比较宽，比如：PC、PS、EP系列、OKP系列等等都有低阿贝数。

如图3、图4、图5和图6所示，本实施例目镜系统的MTF曲线图、场曲畸变曲线图、点列图、横向色差曲线图可以看出，它们均在现有的单镜片目镜之上。同时FOV≥100°；焦距为23mm；而一般单片VR眼镜的非球面镜片焦距为37mm左右。

如图7、图8、图9和图10所示，MTF曲线图、场曲畸变曲线图、横向色差曲线图可以看出，在瞳孔偏移±3mm时目镜系统的光学性能变化并不大；说明在人眼在观看屏幕时，上下移动±3mm时，并没有感觉；表明本实施例的目镜系统具有优秀的公差宽度，即瞳孔上下移动一定距离时同样能看清屏幕。

如图11为人眼上下移动±4mm时的MTF图，由图11可以看出，当人眼上下移动4mm时光学性能才会有下降。

以上达到的效果为以成像圆(配合1.8寸～2.3寸屏幕)为例设计的结果，用这种结果设计的成像圆范围：配合屏幕尺寸：1.5寸～2.89寸。

实施例2：

本实用新型的目镜的组成结构为：由位于近眼端的菲涅尔镜片和位于外端的非球面镜片叠加组合而成；菲涅尔镜片最大厚度和非球面镜片的最大厚度均低于6mm；菲涅尔镜片的菲涅尔面位于菲涅尔镜片的背眼面；

目镜系统整体焦距：30mm；

菲涅尔镜片要求：焦距F＝30mm；折射率Nd＝1.49；阿贝数Vd＝57；非球面镜片要求：焦距F＝∞；折射率Nd＝1.59；阿贝数Vd＝29。

实施例3：

本实用新型的目镜的组成结构为：由位于近眼端的菲涅尔镜片和位于外端的非球面镜片叠加组合而成；菲涅尔镜片最大厚度和非球面镜片的最大厚度均低于6mm；菲涅尔镜片的菲涅尔面位于菲涅尔镜片的背眼面；

目镜系统整体焦距：28mm；

菲涅尔镜片要求：焦距F＝28mm；折射率Nd＝1.44；阿贝数Vd＝55；非球面镜片要求：焦距F＝∞；折射率Nd＝1.58；阿贝数Vd＝29。

实施例4：

本实用新型的目镜的组成结构为：由位于近眼端的菲涅尔镜片和位于外端的非球面镜片叠加组合而成；菲涅尔镜片最大厚度和非球面镜片的最大厚度均低于6mm；菲涅尔镜片的菲涅尔面位于菲涅尔镜片的背眼面；

目镜系统整体焦距：28mm；

菲涅尔镜片要求：焦距F＝26mm；折射率Nd＝1.44；阿贝数Vd＝55；非球面镜片要求：焦距F＝1000mm；折射率Nd＝1.61；阿贝数Vd＝32。

上述实施例1-4不仅可以应用在VR头戴显示设备上，同时由于其高分辨率也可以应用在其它某些光学仪器上。

实施例5：一种VR头戴显示设备，采用实施例1-4的目镜制成。