光学放大组合镜、双目头戴式虚拟现实显示设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学领域，尤其涉及应用于头戴显示设备上的光学放大组合镜，以及 带有该光学放大组合镜的头戴式虚拟现实显示设备。
【背景技术】
[0002] 目前头戴式虚拟现实显示系统的光学放大元件均采用传统透镜，如球面透镜、非 球面透镜或自由曲面光学透镜，受光学加工技术及光学材料的限制，显示系统中的光学放 大镜组的口径通常会做得比较小（若口径做大光学系统的重量和体积均会大幅增加），使 用者通过光学放大镜组所能观察到的视野被放大镜组的口径限制，放大镜组的视野相对人 眼自然状态下的视野显得很小，故此视野受限的图像显示系统给人眼带来的视觉冲击及沉 浸感将会受到很大的影响。在保证头戴设备体积足够小、重量足够轻的前提下，如何实现头 戴式虚拟现实显示系统大视场成为亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种光学放大组合镜，以及带有该光学放大组合镜的双目头 戴式虚拟现实显示设备，解决现有头戴式虚拟现实显示系统使用传统透镜导致的视野与产 品体积和重量不可兼顾的问题。
[0004] 为了实现上述发明目的，本发明提供了一种光学放大组合镜，在头戴式虚拟现实 显示设备中使用，所述光学放大组合镜包括中心区域和边缘区域，中心区域为凸透镜或组 合凸透镜，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，中心区域对应主视场成像，边 缘区域对应边缘视场成像。
[0005] 优选的，光学放大组合镜中心区域与边缘区域之间的焦距差小于10毫米。
[0006] 优选的，边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学 面的曲率半径一致。
[0007] 优选的，所述凸透镜表面刻有用于消色差的纹路。
[0008] 在一实施方式中，光学放大组合镜中心区域和边缘区域为一体注塑成型。
[0009] 在另一实施方式中，中心区域和边缘区域分别为单独元件，中心区域透镜的边缘 轮廓为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状是与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区 域透镜和边缘区域透镜通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。
[0010] 相应的，本发明还提出一种双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左 右两组光学放大镜组，图像显示源显示的光信息，经光学放大镜组放大后的投影虚像由人 眼接收，每组光学放大镜组包括至少一片前述的光学放大组合镜。
[0011] 相应的，本发明还提出一种双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左 右两组光学放大镜组，图像显示源显示的光信息，经光学放大镜组放大后的投影虚像由人 眼接收，每组光学放大镜组包括两片沿光路叠放的组合镜，每片组合镜由中心区域和边缘 区域构成，中心区域为凸透镜或组合凸透镜，边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔 透镜，中心区域对应主视场成像，边缘区域对应边缘视场成像，两组合镜的中心区域透镜的 组合焦距与两合镜边缘区域的组合焦距差小于10毫米。
[0012] 优选的，每片组合镜外边缘与其对应人眼中心点的连线，与该眼中心视线夹角范 围为70度~100度。
[0013] 一种实施方式中，每片组合镜的中心区域和边缘区域分别为单独元件，中心区域 透镜的边缘轮廓为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的内径形状是与中心区域透镜边缘匹配的锥 型，中心区域透镜和边缘区域透镜通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。在该实施方 式中，优选每片组合镜边缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧 光学面的曲率半径一致。
[0014] 在另一种实施方式中，每片组合镜的中心区域和边缘区域为一体注塑成型，其边 缘区域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径一致。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0016] 本发明光学放大组合镜，采用传统透镜与弧面基底的菲涅尔透镜的结合，运用于 头戴式虚拟现实显示设备上，既能保证中心画质，又同时扩大了人眼的边缘视野（能让用 户感觉屏幕无边界），增强了使用者的沉浸感；另外由于弧面基底的菲涅尔透镜的使用，很 大程度上减小了头戴式虚拟现实显示设备的重量，减轻了重量对佩戴造成的不适感。
【附图说明】
[0017] 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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 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性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图：
[0018] 图1为本发明实施例光学放大组合镜的一种结构不意图；
[0019] 图2(a)、（b)均为本发明实施例光学放大组合镜在光路图中的元件示意图；
[0020] 图3为双目头戴式虚拟现实显示设备的一种光学系统结构示意图；
[0021] 图4为双目头戴式虚拟现实显示设备的另一种光学系统结构示意图；
[0022] 图5为组合镜外边缘与其对应人眼中心点的连线，与该眼中心视线夹角示意图；
[0023] 图6(a)为中心区域透镜边缘轮廓为圆形时，图像显示源发出的光线经两组合镜 的成像光路图；
[0024] 图6(b)为中心区域透镜边缘轮廓为锥型时，图像显示源发出的光线经两组合镜 的成像光路图；
[0025] 图7 (a)为组合镜2和3的中心区域结构标注示意图；
[0026] 图7 (b)为组合镜2和3的边缘区域结构标注示意图。
【具体实施方式】
[0027] 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，所描述的实施例仅仅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。
[0028] 参见图1，为本发明实施例光学放大组合镜的一种结构不意图，本实施例光学放大 组合镜包括中心区域A和边缘区域B两部分，边缘区域B的内径与中心区域A的外径紧密 配合。中心区域A为凸透镜（单凸或双凸）或组合凸透镜，所述凸透镜为传统球面透镜、非 球面透镜或自由曲面光学透镜；所述组合凸透镜指至少两块凸透镜组合在一起形成一个透 镜组，例如两块口径一致的圆形的非球面透镜胶合在一起形成组合凸透镜；边缘区域B为 向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜。中心区域A对应主视场成像，具有优质的画质；边缘 区域B对应边缘视场成像，由于边缘区域为向人眼内凹的弧面基底的菲涅尔透镜，可以增 加人眼的边缘视野甚至覆盖人眼具有的动视野范围，极大的扩大了近眼显示的可视区域， 增强了沉浸感。
[0029] 本发明实施例中，中心区域A和边缘区域B的材质可以是相同的，如都是光学塑料 PMMA，也可以是不同的，如区域A材质为光学塑料PMMA，区域B的材质为E48R。
[0030] 将本发明实施例光学放大组合镜运用到头戴式VR设备上时，在不采用特定补偿 光学元件的情况下，需要光学放大组合镜中心区域A与边缘区域B之间的焦距相当，本处焦 距相当可理解为焦距接近，可定义为二者焦距差在10毫米以内。
[0031] 本发明实施例中，光学放大组合镜边缘区域B的外围轮廓形状不限，可依据需要 任意设计边缘区域的外围轮廓形状，图1中示意出的光学放大组合镜边缘区域的外围轮廓 形状为矩形，该示意图不构成对边缘区域外围轮廓形状的限制。
[0032] 在一种实施例中，光学放大组合镜的凸透镜表面刻有用于消色差的纹路，也就是 说，光学放大组合镜的中心区域A可以为折衍混合消色差透镜。
[0033] 常规由于光学放大组合镜中心区域A和边缘区域B边界存在矢高差，会有一道明 显拼接线，该拼接线会对视觉效应产生影响为了解决这一问题，在一种实施例中，将边缘区 域弧面基底的菲涅尔透镜的曲率半径与中心区域透镜近眼侧光学面的曲率半径设计为一 致，使二者在近眼侧处于同一个曲面上，减弱拼接线视觉效果。
[0034] 本发明实施例光学放大组合镜的中心区域和边缘区域为可以为一体注塑成型，也 可以分别为单独元件，通过光学胶合或机械组合方式结合在一起。当中心区域和边缘区域 分别为单独原件时，可以将中心区域透镜的边缘轮廓设计为锥型，边缘凹面菲涅尔透镜的 内径形状设计为与中心区域透镜边缘匹配的锥型，中心区域透镜和边缘区域透镜，从人眼 视觉角度看，锥形的边界轮廓可最大程度的削弱主、附镜边界到来的视觉干扰。
[0035]由于本发明实施例光学放大组合镜为非标准透镜，在本说明书附图中，将其以图 2(a)或图2(b)的形式在光路图中示意。
[0036] 本发明实施例光学放大组合镜主要为头戴式虚拟现实显示设备设计，利用本发明 光学放大组合镜的双目头戴式虚拟现实显示设备，包括图像显示源和左右两组光学放大镜 组，图像显示源显示的光信息，经光学放大镜组放大后的投影虚像由人眼接收，每组光学放 大镜组包括至少一片本发明实施例所述的光学放大组