[发明专利]一种短焦距目镜以及VR头戴显示设备

说明书

技术领域

本发明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，本发明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。

发明内容

基于上述存在的技术问题，本发明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；

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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；所述菲涅尔镜片要求：焦距F＝18mm～30mm；折射率Nd＝1.4～1.6；阿贝数Vd＝40～68；所述非球面镜片要求：焦距F＝200mm～∞；折射率Nd＝1.52～1.7；阿贝数Vd＝20～45。

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，本发明的目镜在应用时的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，本发明的短焦距目镜具有如下有益效果：

一、本发明的短焦距目镜，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发明优选选用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、本发明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、本发明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：本发明实施例中目镜的结构示意图。

图2：本发明实施例中目镜的光路图。

图3：本发明实施例中目镜光学性能效果中的MTF曲线图。

图4：本发明实施例中目镜光学性能效果中的场曲和畸变示意图。

图5：本发明实施例中目镜光学性能效果中的点列图。

图6：本发明实施例中目镜光学性能效果中的横向色差示意图。