CN114280708A - 菲涅尔透镜、光学模组和虚拟现实装置 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种菲涅尔透镜、光学模组和虚拟现实装置。菲涅尔透镜，包括第一侧和第二侧，至少第一侧设置有多个锯齿状结构，至少一个锯齿状结构包括有效面、无效面和承载面，承载面连接在有效面和无效面之间，有效面相对于无效面远离菲涅尔透镜的中心，承载面为平坦表面，承载面所在平面垂直于菲涅尔透镜的中心轴，菲涅尔透镜还包括挡光层，挡光层位于承载面。本公开中的菲涅尔透镜，可以防止一部分光线自有效面入射后从无效面出射，进而减少从无效面出射的光线数量，减少形成的杂散光，改善光线成像质量。

Description

菲涅尔透镜、光学模组和虚拟现实装置

技术领域

本公开涉及显示技术领域，尤其涉及一种菲涅尔透镜、光学模组和虚拟现实装置。

背景技术

以虚拟现实(VR)与增强现实(AR)为主要应用场景的近眼显示技术越来越成为人们获取信息的重要方式。目前，主流的近眼显示光学技术主要包括：波导显示、自由曲面显示及集成成像光场显示等方案，这些方案各有其优缺点，波导显示对入射光波长敏感，极易出现色散；波导光耦合结构对外界光线的也具有色散作用，佩戴过程中会出现“鬼像”等现象。自由曲面显示方案整体尺寸较大，且很难平衡大视场角与器件尺寸；集成成像光场显示较难实现对外界光线的透过，AR增强现实显示效果较差。

现有的VR光学方案中，存在轻薄化、光效高的产品，但这样的产品存在杂散光，影响了成像质量。

发明内容

本公开实施例提供一种菲涅尔透镜、光学模组和虚拟现实装置，以解决或缓解现有技术中的一项或更多项技术问题。

作为本公开实施例的第一个方面，本公开实施例提供一种菲涅尔透镜，包括相对设置的第一侧和第二侧，至少第一侧设置有多个锯齿状结构，至少一个锯齿状结构包括有效面、无效面和承载面，承载面连接在有效面和无效面之间，有效面相对于无效面远离菲涅尔透镜的中心，承载面为平坦表面，承载面所在平面垂直于菲涅尔透镜的中心轴，菲涅尔透镜还包括挡光层，挡光层位于承载面。

在一些可能的实现方式中，挡光层的宽度被配置为防止从有效面入射的光线自无效面出射。

在一些可能的实现方式中，承载面的宽度的范围大于0且小于或等于10μm。

在一些可能的实现方式中，挡光层自承载面的靠近无效面的边缘朝向靠近有效面的边缘延伸；

挡光层在承载面上的正投影范围位于承载面内；或者，挡光层在承载面上的正投影范围与承载面重合。

在一些可能的实现方式中，至少两个锯齿状结构的承载面位于同一平面；或者，各锯齿状结构的承载面位于不同平面。

在一些可能的实现方式中，挡光层还设置于无效面。

在一些可能的实现方式中，挡光层的材料为黑色树脂材料，挡光层的材料的光密度值为0～5。

在一些可能的实现方式中，挡光层的厚度范围为0～2μm。

作为本公开实施例的第二个方面，本公开实施例提供一种光学模组，包括多片如上任一项的菲涅尔透镜，多片菲涅尔透镜的中心位于同一直线上。

在一些可能的实现方式中，多片菲涅尔透镜的数量为三片，分别为第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜，第二菲涅尔透镜位于第一菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜之间，第一菲涅尔透镜的第一侧背离第二菲涅尔透镜，第三菲涅尔透镜的第一侧朝向第二菲涅尔透镜，第一菲涅尔透镜的第二侧与第二菲涅尔透镜的第二侧相互胶合。

在一些可能的实现方式中，第三菲涅尔透镜与第二菲涅尔透镜之间的距离为0～8mm。

作为本公开实施例的第二个方面，本公开实施例提供一种虚拟现实装置，包括：

包括显示模组和如上任一项的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的第一侧朝向显示模组；或者，

包括显示模组和如上任一项的光学模组，靠近显示模组的菲涅尔透镜的第一侧朝向显示模组。

本公开实施例的技术方案，通过在菲涅尔透镜的锯齿状结构上设置承载面以及在承载面上设置挡光层，可以防止一部分光线自有效面入射后从无效面出射，进而减少从无效面出射的光线数量，减少形成的杂散光，改善光线成像质量。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本公开进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本公开范围的限制。

图1为一种菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图2为菲涅尔透镜在虚拟现实装置中的光路示意图；

图3为本公开一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图4为本公开另一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图5为本公开另一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图6为本公开另一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图；

图7为采用本公开一实施例中光学模组的虚拟现实装置的示意图；

图8为本公开一实施例中光学模组的调制传递函数的曲线图。

附图标记说明：

10、菲涅尔透镜；11、第一侧；12、第二侧；13、出光面；20、锯齿状结构；21、有效面；22、无效面；23、承载面；40、挡光层。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例，不同的实施例在不冲突的情况下可以任意结合。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

虚拟现实装置中，直通式非球面透镜组具有设计和加工难度较低、光效高(>80％)、无杂散光等优点，但是其厚度较大(>35mm)，不利于产品轻薄化。折反式具有成像质量更好且厚度较薄(≤30mm)的优势，但光效较低(＜25％)，且存在鬼影等现象。直通式菲涅尔透镜组可以兼具直通式非球面透镜组高光效和折反式***较轻薄的优势。但是，直通式菲涅尔透镜组存在菲涅尔透镜，菲涅尔透镜存在无效面，导致产生杂散光，杂散光会影响成像质量。

图1为一种菲涅尔透镜的截面结构示意图。普通透镜中，光线的折射只发生在透镜表面，菲涅尔透镜是在普通透镜的基础上，去除普通透镜中的多余的光学材料，仅保留其中部分表面的弯曲度而形成的，菲涅尔透镜的表面刻录了由小到大的多个同心圆，如图1所示。因此，菲涅尔透镜比普通头颈重量轻、厚度薄。

如图1所示，菲涅尔透镜包括第一侧11和第二侧12，第一侧11可以朝向光源，第二侧12与第一侧11相对设置。菲涅尔透镜的第一侧11设置有多个锯齿状结构20，锯齿状结构20包括有效面21和无效面22，有效面21与无效面22连接，有效面21和无效面22为锯齿状结构20的侧面，有效面21相对于无效面22远离菲涅尔透镜的中心。菲涅尔透镜的第二侧12设置有出光面13，出光面13为球面或者非球面。在实际应用中，每个锯齿状结构20的宽度可以相等，以形成等间距的菲涅尔透镜；或者，每个锯齿状结构20的高度可以相等，以形成等齿高的菲涅尔透镜。在实际应用中，可以根据需要合理设置菲涅尔透镜中的锯齿状结构的尺寸，在此不再进行限定。

图2为菲涅尔透镜在虚拟现实装置中的光路示意图。如图2所示，显示模组50产生的光线1从有效面21进入菲涅尔透镜10，在锯齿状结构20a中产生折射并从出光面13出射进入人眼。但是，显示模组产生的一部分光线例如光线2从有效面21的靠近无效面22的边缘进入菲涅尔透镜后，在锯齿状结构20a中产生折射后从无效面22出射，并进入相邻的锯齿状结构20b并在锯齿状结构20b中产生第二次折射后，从出光面13出射进入人眼。

从图2可以看出，光线1经过菲涅尔透镜时产生了一次折射，光线2经过菲涅尔透镜时经过无效面22并产生了两次折射。经过锯齿状结构20的无效面22的光线容易形成杂散光，因此，光线2容易形成杂散光，影响成像质量，降低用户使用体验。

图3为本公开一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图。如图3所示，菲涅尔透镜可以包括第一侧11和第二侧12，第一侧11可以朝向光源，第二侧12与第一侧11相对设置。至少第一侧11设置有多个锯齿状结构20，至少一个锯齿状结构20可以包括有效面21、无效面22和承载面23，有效面21和无效面22为锯齿状结构20的侧面，承载面23连接在有效面21和无效面22之间，有效面21相对于无效面22远离菲涅尔透镜的中心。承载面23可以为平坦表面，承载面23所在平面垂直于菲涅尔透镜的中心轴OO’。菲涅尔透镜还可以包括挡光层40，挡光层40位于承载面23。可选的，当第一侧11的有效面21和无效面22之间存在顶角，对顶角进行削平处理得到承载面23。

本公开实施例中的菲涅尔透镜，通过设置承载面23以及在承载面23上设置挡光层40，可以防止一部分光线自有效面21入射后从无效面22出射，进而减少从无效面22出射的光线数量，减少形成的杂散光，改善光线成像质量。

需要说明的是，各锯齿状结构20均围绕菲涅尔透镜的中心呈闭合状。锯齿状结构20可以呈闭合的环状，例如圆环状、椭圆状等，或者，锯齿状结构20可以呈闭合的多边形形状，例如四边形、五边形等形状。

在一种实施方式中，有效面21可以呈平面，如图3所示。

图4为本公开另一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图。在另一种实施例中，如图4所示，有效面21可以为弧形面。

示例性地，第二侧12设置有出光面13，出光面13为球面或非球面，例如出光面13可以为平面。

在一种实施方式中，如图3所示，挡光层40的宽度被配置为防止从有效面21入射的光线自无效面22出射。例如，图3中，挡光层40的宽度为w，使得从有效面21入射的光线3在锯齿状结构20中发生折射后不会自无效面22出射，从而，避免了从有效面21入射的光线经过无效面22，避免了杂散光。

需要说明的是，在本文中，A的宽度为A在与锯齿状结构的延伸方向相垂直的方向上的尺寸。

在一种实施方式中，如图3所示，承载面23的宽度w的范围大于0且小于或等于10μm(包括端点值)。承载面23的宽度可以为0～10μm之间的任意值，例如5μm、8μm、9μm、10μm等中的一个。将承载面23的宽度设置为大于0且小于或等于10μm，有利于加工形成承载面23。而且相对于常规的菲涅尔透镜，将承载面23的宽度设置为0～10μm不会过多减小有效面21的面积，可以保证足够多的光线通过有效面21进入菲涅尔透镜，保证虚拟现实装置的亮度和显示效果。

在一种实施方式中，挡光层40自承载面23的靠近无效面22的边缘朝向靠近有效面21的边缘延伸，挡光层40在承载面23上的正投影范围位于承载面23内。

在一种实施方式中，挡光层40自承载面23的靠近无效面22的边缘朝向靠近有效面21的边缘延伸，挡光层40在承载面23上的正投影范围与承载面23重合。这样的方式，挡光层40可以完全覆盖承载面23，避免光线从承载面23入射至菲涅尔透镜。并且，通过合理设置承载面23的宽度，挡光层40的宽度与承载面23相同，便可以防止大部分甚至所有的可能经过无效面22的光线入射至菲涅尔透镜，杜绝由于光线经过无效面22而引起的杂散光。

在一种实施方式中，为了方便在承载面23上形成挡光层40，承载面23上可以设置多个槽坑，以增加挡光层40在承载面23上的附着力。

图5为本公开另一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图。在一种实施方式中，如图5所示，挡光层40还可以设置于无效面22。当在无效面22设置挡光层40后，即使锯齿状结构20内的光线出射至无效面22，由于无效面22设置挡光层40，挡光层40可以阻止光线从无效面22出射，避免杂散光。

示例性地，设置于承载面23的挡光层的厚度可以与设置于无效面22的挡光层的厚度不相同。设置于无效面22的挡光层的厚度可以小于或等于设置于承载面23的挡光层的厚度。

在一种实施方式中，至少两个锯齿状结构的承载面23位于同一平面。例如，图3中，锯齿状结构的承载面23a与另一个锯齿状结构的承载面23b位于同一平面。

示例性地，菲涅尔透镜可以为等齿高的菲涅尔透镜。

图6为本公开另一实施例中菲涅尔透镜的截面结构示意图。在一种实施方式中，如图6所示，各锯齿状结构的承载面23位于不同平面。例如，图6中，各锯齿状结构20的承载面23均位于不同平面。

需要说明的是，由于锯齿状结构20呈围绕菲涅尔透镜中心的闭环形状，所以，在菲涅尔透镜的截面结构示意图中，位于中心两侧的锯齿状结构对称。

示例性地，菲涅尔透镜可以为等间距的菲涅尔透镜。

在一种实施方式中，挡光层40的材料可以为不透光金属，例如银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、钛(Ti)和钼(Mo)中的任意一种或更多种。

在一个实施例中，挡光层40的材料可以为黑色树脂材料。这种材料的挡光层40，采用涂覆工艺便可以形成在承载面上，简化了菲涅尔透镜的制备工艺。示例性地，挡光层40的材料的光密度值(OD)可以为0～5/μm。挡光层40的材料的光密度值可以为0～5/μm中的任意值，例如，1、2、3、4、5中的一个值。这种材料的挡光层具有更好的挡光作用。

在一种实施方式中，如图3所示，挡光层40的厚度的范围可以为0～2μm，即挡光层40的厚度大于0且小于或等于2μm。示例性地，挡光层40的厚度可以为1.1μm。

需要说明的是，在实际应用中，可以根据需要合理选择菲涅尔透镜的类型，例如，菲涅尔透镜可以为等齿高的菲尼尔透镜或等间距的菲涅尔透镜，在此不作具体限定。

需要说明的是，本文中示出的菲涅尔透镜的第一侧设置有本公开实施例中的锯齿状结构，可以理解的是，在实际应用中，根据需要可以在第二侧也设置本公开实施例中的锯齿状结构，在此不作限制。

基于前述实施例的发明构思，本公开实施例还提供一种光学模组，光学模组可以包括多片如本公开任一实施例中的菲涅尔透镜，多片菲涅尔透镜的中心位于同一直线上。

在一种实施方式中，多片菲涅尔透镜的数量为三片，分别为第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜，第二菲涅尔透镜位于第一菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜之间，第一菲涅尔透镜的第一侧背离第二菲涅尔透镜，第三菲涅尔透镜的第一侧朝向第二菲涅尔透镜，第一菲涅尔透镜的第二侧与第二菲涅尔透镜的第二侧相互胶合。

下面结合具体应用，对本公开实施例中光学模组进行进一步说明。图7为采用本公开一实施例中光学模组的虚拟现实装置的示意图。

如图7所示，光学模组可以包括三片本公开任一实施例中的菲涅尔透镜，分别为第一菲涅尔透镜10a、第二菲涅尔透镜10b和第三菲涅尔透镜10c，三个菲涅尔透镜的中心位于同一直线上。其中，第二菲涅尔透镜10b位于第一菲涅尔透镜10a和第三菲涅尔透镜10c之间，第一菲涅尔透镜10a的第一侧11a背离第二菲尼尔透镜10b而朝向显示模组50，第二菲涅尔透镜10b的第一侧11b背离显示模组50，第一菲涅尔透镜10a的第二侧和第二菲涅尔透镜10b的第二侧相互胶合，第三菲涅尔透镜10c的第一侧11c朝向第二菲涅尔透镜10b而显示模组50。显示模组50发出的光线由第一菲涅尔透镜10a的第一侧11c进入光学模组后，从第三菲涅尔透镜10c的第二侧12c出射后进入人眼。

在一种实施方式中，第三菲涅尔透镜10c与第二菲涅尔透镜10b之间的距离d1可以为0～8mm(包括端点值)，d1可以为0～8mm中的任意值，例如d1可以为2mm、4mm、6mm、8mm中的一个值。

图8为本公开一实施例中光学模组的调制传递函数的曲线图。如图7和图8所示，三片式菲涅尔透镜可以实现焦距18.7mm，***总长25mm，视场角(FOV)70°，Eye box 8*8mm的效果。

本公开实施例还提供一种虚拟现实装置，包括显示模组和本公开任一实施例中的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的第一侧朝向显示模组。

本公开实施例还提供一种虚拟现实装置，如图7所示，包括显示模组50或本公开任一实施例中的光学模组，靠近显示模组50的菲涅尔透镜的第一侧朝向显示模组50，例如，在图7中，第一菲涅尔透镜的第一侧朝向光学模组50。

本公开实施例的虚拟现实装置，可以实现产品的轻薄化、高光效，通过在菲涅尔透镜的锯齿状结构设置承载面以及在承载面上设置挡光层，减少了的杂散光，改善了整体***的光线成像质量。

在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种菲涅尔透镜，其特征在于，包括相对设置的第一侧和第二侧，至少所述第一侧设置有多个锯齿状结构，至少一个所述锯齿状结构包括有效面、无效面和承载面，所述承载面连接在所述有效面和所述无效面之间，所述有效面相对于所述无效面远离所述菲涅尔透镜的中心，所述承载面为平坦表面，所述承载面所在平面垂直于所述菲涅尔透镜的中心轴，所述菲涅尔透镜还包括挡光层，所述挡光层位于所述承载面。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述挡光层的宽度被配置为防止从所述有效面入射的光线自所述无效面出射。

3.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述承载面的宽度的范围大于0且小于或等于10μm。

4.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述挡光层自所述承载面的靠近所述无效面的边缘朝向靠近所述有效面的边缘延伸；

所述挡光层在所述承载面上的正投影范围位于所述承载面内；或者，所述挡光层在所述承载面上的正投影范围与所述承载面重合。

5.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，至少两个所述锯齿状结构的承载面位于同一平面；或者，各所述锯齿状结构的承载面位于不同平面。

6.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述挡光层还设置于所述无效面。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述挡光层的材料为黑色树脂材料，所述挡光层的材料的光密度值为0～5。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的菲涅尔透镜，其特征在于，所述挡光层的厚度范围为0～2μm。

9.一种光学模组，其特征在于，包括多片如权利要求1-8中任一项所述的菲涅尔透镜，多片菲涅尔透镜的中心位于同一直线上。

10.根据权利要求9所述的光学模组，其特征在于，多片菲涅尔透镜的数量为三片，分别为第一菲涅尔透镜、第二菲涅尔透镜和第三菲涅尔透镜，所述第二菲涅尔透镜位于所述第一菲涅尔透镜和所述第三菲涅尔透镜之间，所述第一菲涅尔透镜的第一侧背离所述第二菲涅尔透镜，所述第三菲涅尔透镜的第一侧朝向所述第二菲涅尔透镜，所述第一菲涅尔透镜的第二侧与所述第二菲涅尔透镜的第二侧相互胶合。

11.根据权利要求10所述的光学模组，其特征在于，所述第三菲涅尔透镜与所述第二菲涅尔透镜之间的距离为0～8mm。

12.一种虚拟现实装置，其特征在于，包括：

显示模组和权利要求1-8中任一项所述的菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜的第一侧朝向所述显示模组；或者，

包括显示模组和权利要求9-11中任一项所述的光学模组，靠近所述显示模组的菲涅尔透镜的第一侧朝向所述显示模组。

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