一種短焦距目鏡以及VR頭戴顯示設備的制作方法
本發明屬于近眼顯示系統領域，更具體為一種虛擬現實目鏡，可配合小尺寸屏幕使用；同時，本發明還涉及一種可配合小尺寸屏幕使用的vr頭戴顯示設備。
背景技術：
虛擬現實裝置可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，利用多源信息融合形成交互式的三維動態視景，使用戶沉浸到該環境中。但是現有的虛擬現實顯示裝置體積龐大，這些設備均給人沉重的感覺，透鏡比較厚，設備比較重，透鏡到屏幕距離過大，設備體積過大，不便于攜帶，如果長時間帶在眼睛上，會給人負擔感，壓迫接觸的皮膚，帶來不適。
對于目前虛擬現實(vr)頭盔產品，多數的外形尺寸都比較大，質量比較重，嚴重的影響用戶體驗，這也是vr目前沒有被廣泛接受的原因之一。因此，只有使用小尺寸屏幕和短的ttl才能達到要求，而小尺寸屏幕和短的ttl都要求目鏡具有短焦距。但鏡片的焦距越短，帶來的像差就會越多，單鏡片根本無法滿足設計要求，而使用多鏡片就會增加重量，同時鏡片組的整體厚度不一定會使ttl減小。因此，如何降低鏡片焦距顯得尤為重要。
技術實現要素：
基于上述存在的技術問題，本發明所要解決的第一個技術問題在于提供一種緊湊式、短焦距目鏡，該目鏡能夠做到整體小于12mm，并且焦距做到20mm以下仍然可以保證超高的成像質量；
本發明所要解決的第二個技術問題在于提供一種應用上述短焦距目鏡做成的vr頭戴顯示設備。
為了解決上述所要解決的技術問題，本發明采用如下技術方案：
一種短焦距目鏡，所述目鏡由位于近眼端的菲涅爾鏡片和位于外端的非球面鏡片疊加組合而成；菲涅爾鏡片最大厚度和非球面鏡片的最大厚度均低于6mm；菲涅爾鏡片的菲涅爾面位于菲涅爾鏡片的背眼面；所述菲涅爾鏡片要求：焦距f＝18mm～30mm；折射率nd＝1.4～1.6；阿貝數vd＝40～68；所述非球面鏡片要求：焦距f＝200mm～∞；折射率nd＝1.52～1.7；阿貝數vd＝20～45。
進一步的，所述菲涅爾鏡片和非球面鏡片的疊加最大厚度小于11.5mm。
進一步的，菲涅爾鏡片采用pmma材料；非球面鏡片選擇如下材料中的一種：pc、ps、ep或okp。
進一步的，所述菲涅爾鏡片要求：焦距f＝22mm～28mm；折射率nd＝1.4～1.6；阿貝數vd＝44～68；所述非球面鏡片要求：焦距f＝400～∞；折射率nd＝1.52～1.65；阿貝數vd＝20～44。其中，兩種材料的vd的差值越大，效果會越好。
進一步的，所述短焦距目鏡應用時的ttl能控制在18-30mm之間。ttl是從鏡片第一表面到屏幕面的距離，本發明的目鏡在應用時的ttl能控制在30mm，依然保持很好的成像和視覺效果。
一種vr頭戴顯示設備，包括上述技術方案的目鏡。
與現有的目鏡相比，本發明的短焦距目鏡具有如下有益效果：
一、本發明的短焦距目鏡，目鏡的組成結構為：菲涅爾鏡片加非球面鏡片。菲涅爾鏡片最大厚度和非球面鏡片的最大厚度均低于6mm，并且菲涅爾鏡片和非球面鏡片采用上述的參數之后，它能夠在保證光學成像質量的前提下，焦距做到20mm以下。即應用與小尺寸屏幕和短的ttl的vr頭戴顯示設備時，仍然可以保證超高的成像質量。最終使得目鏡系統重量和厚度大大降低。
二、其中第一片菲涅爾鏡片設在內部即近眼端，用戶無法觸摸到菲涅爾面，充分考慮了對菲涅爾面的保護；菲涅爾鏡片承擔主要的光焦度，其焦距(f)為18mm～30mm；菲涅爾鏡片的材料本發明優選選用pmma材料，該材料具體優秀的流動性和穩定性，制造方便。
三、第二片非球面鏡片的作用為矯正系統像差，同時控制cra，可有效的控制成像圓的尺寸，與屏幕達到極高的匹配度。
四、本發明的目鏡具有優秀的公差寬度，在瞳孔偏移±3mm時，瞳孔上下移動一定距離時同樣能看清屏幕。
五、本發明的目鏡具有有效矯正系統的畸變及色差；系統的畸變根據屏幕尺寸大小變化而變化，屏幕越大，畸變矯正的越好，屏幕越小，畸變會相應增加，但最差也會跟現有的vr單鏡片的畸變持平。
附圖說明
圖1：本發明實施例中目鏡的結構示意圖。
圖2：本發明實施例中目鏡的光路圖。
圖3：本發明實施例中目鏡光學性能效果中的mtf曲線圖。
圖4：本發明實施例中目鏡光學性能效果中的場曲和畸變示意圖。
圖5：本發明實施例中目鏡光學性能效果中的點列圖。
圖6：本發明實施例中目鏡光學性能效果中的橫向色差示意圖。
圖7：本發明實施例中目鏡在瞳孔偏移±3mm時的光學路示意圖。
圖8：在瞳孔偏移±3mm時，本發明實施例中目鏡光學性能效果中的mtf曲線圖。
圖9：在瞳孔偏移±3mm時，本發明實施例中目鏡光學性能效果中的場曲和畸變示意圖。
圖10：在瞳孔偏移±3mm時，本發明實施例中目鏡光學性能效果中的橫向色差示意圖。
圖11：本發明實施例中在人眼上下移動±4mm時的mtf曲線圖。
具體實施方式
以上是對本發明技術方案的舉例詳細說明，不能作為本發明保護范圍的限定。
實施例1：如圖1和圖2所示，本發明的目鏡的組成結構為：菲涅爾鏡片加非球面鏡片。菲涅爾鏡片和非球面鏡片的每片鏡片的中心厚度都在6mm以下，加上中心厚度，整體厚度也小于11.5mm，基本小于一般的vr單透鏡厚度(非球面透鏡)。
在保證光學成像質量的前提下，焦距需要做到多少，要根據具體屏幕的尺寸，因為需要考慮成像圓尺寸及放大率等；根據調整材料，焦距做到20mm以下仍然可以保證超高的成像質量是現有技術中很難做到的。
如圖1、圖2所示的目鏡具體結構以及光路圖，其中上述的菲涅爾鏡片位于近眼端，非球面鏡片位于外端。而菲涅爾鏡片的菲涅爾面位于背眼面，即靠近非球面鏡片的內面。如圖2所示，以成像圓為
1：菲涅爾鏡片的第一非球面；2：菲涅爾面；3：非球面鏡片的第一非球面；4：非球面鏡片的第二非球面；5：入瞳；6：像面。
其中，像面6即屏幕。菲涅爾鏡片和非球面鏡片疊加之后，從近眼端至遠眼端，菲涅爾鏡片的最內面具有菲涅爾鏡片的第一非球面1，其反面即菲涅爾鏡片的菲涅爾面2，位于菲涅爾鏡片的背眼面，也就是靠近非球面鏡片的內面，非球面鏡片的內面是非球面鏡片的第一非球面3，非球面鏡片的最外面是非球面鏡片的第二非球面4。光從像面6發出，依次經過非球面鏡片的第二非球面4、非球面鏡片的第一非球面3、菲涅爾面2和菲涅爾鏡片的第一非球面1。
其中內端的第一片菲涅爾鏡片承擔主要的光焦度，其焦距(f)為21mm；菲涅爾面設在內部，用戶無法觸摸到菲涅爾面，充分考慮了對菲涅爾面的保護；對于設計本身而言，材料的選擇較寬泛，但是限制于目前的菲涅爾鏡片制作工藝，因此選用pmma材料，主要是由于其優秀的流動性和穩定性，若工藝上可以實現其它材料注塑成型菲涅爾鏡片，同樣可以選用。
本實施例對菲涅爾鏡片參數要求的折射率和阿貝數分別為：nd＝1.4～1.6；vd＝40～68；
第二片非球面鏡片的作用為矯正系統像差，同時控制cra，可有效的控制成像圓的尺寸，與屏幕達到極高的匹配度。其焦距(f)為：401mm，折射率和阿貝數為：nd＝1.52～1.7；vd＝20～45。由于非球面成型工藝比較成熟，其可選范圍比較寬，比如：pc、ps、ep系列、okp系列等等都有低阿貝數。
如圖3、圖4、圖5和圖6所示，本實施例目鏡系統的mtf曲線圖、場曲畸變曲線圖、點列圖、橫向色差曲線圖可以看出，它們均在現有的單鏡片目鏡之上。同時fov≥100°；焦距為23mm；而一般單片vr眼鏡的非球面鏡片焦距為37mm左右。
如圖7、圖8、圖9和圖10所示，mtf曲線圖、場曲畸變曲線圖、橫向色差曲線圖可以看出，在瞳孔偏移±3mm時目鏡系統的光學性能變化并不大；說明在人眼在觀看屏幕時，上下移動±3mm時，并沒有感覺；表明本實施例的目鏡系統具有優秀的公差寬度，即瞳孔上下移動一定距離時同樣能看清屏幕。
如圖11為人眼上下移動±4mm時的mtf圖，由圖11可以看出，當人眼上下移動4mm時光學性能才會有下降。
以上達到的效果為以成像圓
實施例2：
本發明的目鏡的組成結構為：由位于近眼端的菲涅爾鏡片和位于外端的非球面鏡片疊加組合而成；菲涅爾鏡片最大厚度和非球面鏡片的最大厚度均低于6mm；菲涅爾鏡片的菲涅爾面位于菲涅爾鏡片的背眼面；
目鏡系統整體焦距：30mm；
菲涅爾鏡片要求：焦距f＝30mm；折射率nd＝1.49；阿貝數vd＝57；非球面鏡片要求：焦距f＝∞；折射率nd＝1.59；阿貝數vd＝29。
實施例3：
本發明的目鏡的組成結構為：由位于近眼端的菲涅爾鏡片和位于外端的非球面鏡片疊加組合而成；菲涅爾鏡片最大厚度和非球面鏡片的最大厚度均低于6mm；菲涅爾鏡片的菲涅爾面位于菲涅爾鏡片的背眼面；
目鏡系統整體焦距：28mm；
菲涅爾鏡片要求：焦距f＝28mm；折射率nd＝1.44；阿貝數vd＝55；非球面鏡片要求：焦距f＝∞；折射率nd＝1.58；阿貝數vd＝29。
實施例4：
本發明的目鏡的組成結構為：由位于近眼端的菲涅爾鏡片和位于外端的非球面鏡片疊加組合而成；菲涅爾鏡片最大厚度和非球面鏡片的最大厚度均低于6mm；菲涅爾鏡片的菲涅爾面位于菲涅爾鏡片的背眼面；
目鏡系統整體焦距：28mm；
菲涅爾鏡片要求：焦距f＝26mm；折射率nd＝1.44；阿貝數vd＝55；非球面鏡片要求：焦距f＝1000mm；折射率nd＝1.61；阿貝數vd＝32。
上述實施例1-4不僅可以應用在vr頭戴顯示設備上，同時由于其高分辨率也可以應用在其它某些光學儀器上。
實施例5：一種vr頭戴顯示設備，采用實施例1-4的目鏡制成。
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