[发明专利]包括菲涅耳透镜元件的光学装置

说明书

本公开涉及包括菲涅耳透镜元件的光学装置。提供了一种光学透镜装置，包括第一菲涅耳透镜元件和第二透镜元件。第一菲涅耳透镜元件限定平坦表面侧和相反的小平面表面侧，所述小平面表面侧限定楔形面和拔模面。所述平坦表面侧面向用户的眼睛，并且所述相反的小平面表面侧背对用户的眼睛。第二透镜元件与第一菲涅耳透镜的所述小平面表面侧相交接。所述第二透镜元件选自由以下项组成的组：第二菲涅耳透镜元件、单片透镜元件、双合透镜元件及它们的任何组合。第一菲涅耳透镜相对于用户的眼睛处于近侧，并且第二透镜元件相对于用户的眼睛处于远侧。本发明提供了包括这些光学透镜装置的头戴式设备(HMD)。还提供了制造这种光学透镜装置和HMD的方法。

本申请是申请号为201780009430.1、申请日为2017年3月21日、发明名称为“包括菲涅耳透镜元件的光学装置”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2016年3月21日提交的美国临时专利申请No. 62/311,141的优先权，该美国专利申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及光学装置。更具体地但非排他性地，本公开涉及包括至少一个菲涅耳透镜元件的光学装置。

背景技术

虚拟现实是计算机模拟的环境，可以让用户沉浸在真实或虚拟的世界中。虽然虚拟现实系统已经有数十年了，但随着计算机和显示技术的发展，它才刚刚成熟到足以提供具有宽视场(FOV)、低延迟跟踪和高分辨率显示的立体观看。沉浸在虚拟现实中的目的是说服用户将非物理世界视为现实世界。这里的现实观念更多地指的是感知合理性的概念。有若干重要因素影响沉浸，并且这些因素包括但不限于系统延迟、显示分辨率、失真校正质量和FOV。头戴式显示器(HMD)最初是针对军事和航空应用而采用的头盔显示器甚至飞行模拟器的形式，但现在在游戏、娱乐、培训、模拟、制造/维护、设计和医疗应用中已变得司空见惯。

存在于军事和医疗设备中的光学系统通常是复杂的、制造成本昂贵，并且通常提供小FOV(对角线小于90°，高分辨率)。军事和医疗设备应用通常可容许小FOV和更多重量，然而，对于企业和消费者应用而言，成本、重量和FOV在决定产品的成功方面起着重要作用。光学系统需要简单、价格便宜、相对容易大批量制造并提供极佳的沉浸感。极佳的沉浸感意味着大FOV。在游戏应用中采用的透镜的功能可以说是不太苛刻，因为它们基本上起到放大电子显示器上呈现的图像的接目镜或目镜的作用。通常采用的透镜类型从单个元件到多达三个。但是，由于重量和尺寸的限制，单个的形式通常是最受欢迎的。允许一个或两个表面被非球面化，从而使单色像差校正相比于球面型透镜可大大改善，但色像差几乎保持不变。由于其比重低和生产成本低，因此所选材料通常是塑料，诸如丙烯酸、聚碳酸酯、环烯烃聚合物或共聚物。然而性能仍然受到影响，这是因为为了允许舒适的观看，透镜的规格要求非常苛刻，其中视场(FOV)通常超过90度，眼量测量高达12(W)×5(H)×5(D)mm。由于在单片透镜构造中仅使用一种类型的材料，所以不能实现色像差校正—色像差校正是对不可避免地存在的残余单色像差的补充。随着计算机速度越来越快，软件越来越复杂，由色像差引起的一些彩色边纹可得到补偿。然而，这只能被视为对问题的部分解决方案，因为边纹会随着在窥眼箱(eye-box)内眼睛的位置而发生变化。

目标

本公开的目标是提供包括至少一个菲涅耳透镜元件的光学装置。

发明内容

一种光学透镜装置，包括：第一菲涅耳透镜元件，其限定平坦表面侧和相反的小平面表面侧，该小平面表面侧限定楔形面和拔模面，该平坦表面侧面向用户的眼睛并且相反的小平面表面侧背对用户的眼睛；以及第二透镜元件，其与第一菲涅耳透镜的小平面表面侧相交接并且选自由以下项组成的组：第二菲涅耳透镜元件、单片透镜元件、双合透镜元件以及它们的任何组合，其中第一菲涅耳透镜相对于用户的眼睛处于近侧，并且第二透镜元件相对于用户的眼睛处于远侧。