一种近眼显示系统及装置的制作方法

1.本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统及装置。


背景技术：

2.增强现实(ar，augmented reality)是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育等各领域。目前主流的应用于增强现实的近眼显示设备，其小型化和性能的进步使得紧凑型和高性能近眼显示设备走向消费者成为了可能。
3.但是受限于现有的技术和工艺水平，增强现实显示设备的分辨率很难提高。并且，传统显示光学模组的显示视场与显示光学模组的体积密切相关。增大显示视场，传统显示光学模组的体积会随之剧增。如何减弱这些影响，实现真正可穿戴、小型化、显示清晰，视场角大，佩戴舒适的近眼显示装置，则有着重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种近眼显示系统及装置，无需额外光源照明，实现近眼显示系统的小体积、高清晰显示。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种近眼显示系统，包括：自发光型像源、偏振分光棱镜、至少一个第一相位延迟片、第一反射元件；
6.所述自发光型像源用于出射第一光束；
7.所述偏振分光棱镜位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为第一偏振光束；
8.所述第一相位延迟片和所述第一反射元件依次位于所述第一偏振光束的传播路径上，所述第一偏振光束经所述第一相位延迟片后被所述第一反射元件反射后再经所述第一相位延迟片后形成第二偏振光束；
9.所述偏振分光棱镜还位于所述第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射所述第二偏振光束并出射。
10.可选的，还包括：至少一个第二相位延时片和第二反射元件；
11.所述第二相位延迟片和所述第二反射元件依次位于所述第二偏振光束的传播路径上，所述第二偏振光束经所述第二相位延迟片后被所述第二反射元件反射后再经所述第二相位延迟片后形成第三偏振光束；
12.所述偏振分光棱镜还位于所述第三偏振光束的传播路径上，至少用于反射所述第三偏振光束并出射。
13.可选的，所述第一反射元件为准直元件；或者，所述第二反射元件为准直元件。
14.可选的，所述第一反射元件为准直元件时，所述第一反射元件为球面反射镜或非球面反射镜；或者，所述第二反射元件为准直元件时，所述第二反射元件为球面反射镜或非球面反射镜。
15.可选的，所述第一反射元件为准直元件。
16.可选的，至少一个所述第一相位延迟片的总的相位延迟量为λ/2 nλ；至少一个所述第二相位延迟片的总的相位延迟量为λ/2 mλ，其中，n和m均为大于或等于0的整数。
17.可选的，至少一个所述第一相位延迟片和至少一个所述第二相位延迟片均包括一个四分之一波片。
18.可选的，还包括起偏组件，所述起偏组件位于所述第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为线偏振光，
19.所述线偏振光的偏振方向与所述偏振分光棱镜的平行偏振分量的偏振方向相同。
20.可选的，所述自发光型像源为发光显示二极管、有机发光二极管或微型发光二极管的至少一种。
21.第二方面，本发明实施例还提供了一种近眼显示装置，包括光波导元件以及上述第一方面中任意一项所述的近眼显示系统。
22.本发明提供了一种近眼显示系统，近眼显示系统包括：自发光型像源、偏振分光棱镜、至少一个第一相位延迟片、第一反射元件；自发光型像源用于出射第一光束；偏振分光棱镜位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束；第一相位延迟片和第一反射元件依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经第一相位延迟片后被第一反射元件反射后再经第一相位延迟片后形成第二偏振光束；偏振分光棱镜还位于第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射第二偏振光束并出射。通过设置自发光型像源，避免额外的光源照明，结合偏光分光棱镜、至少一个第一相位延迟片和第一反射元件，改变第一光束的偏折状态和传播路径，有效减少近眼显示系统的体积，实现小型化。
附图说明
23.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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
24.图1为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的另一种近眼显示系统的结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的另一种近眼显示系统的结构示意图；
27.图4为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的点列图；
28.图5为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的mtf曲线图；
29.图6为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例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所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.图1为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构示意图，如图1所示，该近眼显示系统100包括：自发光型像源101、偏振分光棱镜102、至少一个第一相位延迟片103、第一反射元件104；
32.自发光型像源101用于出射第一光束；
33.偏振分光棱镜102位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束；
34.第一相位延迟片103和第一反射元件104依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经第一相位延迟片103后被第一反射元件104反射后再经第一相位延迟片103后形成第二偏振光束；
35.偏振分光棱镜102还位于第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射第二偏振光束并出射。
36.其中，自发光型像源101出射第一光束，可用于眼睛视觉成像。相比于传统的硅基液晶，需要额外光源照明，引入光源增加整体近眼显示系统的体积，自发光型像源101无需额外光源照明，即可出射第一光束，有效降低近眼显示系统的体积，提高用户佩戴体验。设置偏光分光棱镜102位于第一光束的传播路径上，偏光分光棱镜102光束的传播路径上，偏振分光棱镜102具有选择入射光束偏振方向的功能，可以透过满足预设偏振方向的p偏振光束，同时反射与p偏振光束的偏振方向非平行的光束；或，透过满足预设偏振方向的s偏振光束，同时反射与s偏振光束的偏振方向非平行的光束，其中，p偏振光束的偏振方向和s偏振光束的偏振方向正交。当自发光型像源101出射第一光束，偏振分光棱镜102将第一光束选择形成第一偏振光束，第一偏振光束包括p偏振光束或s偏振光束。具体的，以近眼显示系统100包括一个第一相位延迟片103，第一偏振光束为p偏振光束，第一相位延迟片103为四分之一波片，第一反射元件104为具备准直效果的反射镜为例，设置一个第一相位延迟片103和第一反射元件104依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经第一相位延迟片103后被第一反射元件104反射准直后经过第一相位延迟片103后形成第二偏振光束。由于第一偏振光束两次经过第一相位延迟片103，出射的第二偏振光束相对入射的第一偏振光束存在一定相位差，此时，第二偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向满足正交，第二偏振光束满足s偏振光束。同时，偏振分光棱镜102位于第二偏振光束的传播路径上，当第二偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向满足正交时，偏振分光棱镜102反射第二偏振光束并出射，可以出射至用户眼睛，在用户眼睛视网膜上清晰的图像。
37.本发明实施例通过提供一种近眼显示系统，包括自发光型像源、偏振分光棱镜、至少一个第一相位延迟片、第一反射元件；自发光型像源用于出射第一光束，避免额外设置光源照明，减少近眼显示系统的体积和重量，提高可穿戴型；偏振分光棱镜位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束；第一相位延迟片和第一反射元件依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经第一相位延迟片后被第一反射元件反射后再经第一相位延迟片后形成第二偏振光束；偏振分光棱镜还位于第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射第二偏振光束并出射。利用偏振分光棱镜、第一相位延迟片和第一反射元件调节第一光束在近眼显示系统中的偏振状态和传播路径，提高入射至用户眼睛的成像效果，同时近眼显示系统的体积更加轻薄，利于集成，有利于实现小型化。
38.图2为本发明实施例提供的另一种种近眼显示系统的结构示意图，如图2所示，可
选的，还包括：至少一个第二相位延时片105和第二反射元件106；
39.第二相位延迟片105和第二反射元件106依次位于第二偏振光束的传播路径上，第二偏振光束经第二相位延迟片105后被第二反射元件106反射后再经第二相位延迟片105后形成第三偏振光束；
40.偏振分光棱镜102还位于第三偏振光束的传播路径上，至少用于反射第三偏振光束并出射。
41.其中，以近眼显示系统100包括一个第一相位延迟片103，一个第二相位延迟片105，第一偏振光束为p偏振光束，第一相位延迟片103和第二相位延迟片105均为四分之一波片，第一反射元件104为平面反射镜，第二反射元件106为具备准直效果的反射镜为例，设置一个第一相位延迟片103和第一反射元件104依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经第一相位延迟片103后被第一反射元件104反射后经过第一相位延迟片103后形成第二偏振光束，设置第二相位延迟片105和第二反射元件106依次位于第二偏振光束的传播路径上，第二偏振光束经第二相位延迟片105后被第二反射元件106反射准直后再经第二相位延迟片105后形成第三偏振光束；由于第一偏振光束两次经过两次第一相位延迟片103出射的第二偏振光束，第二偏振光束满足s偏振光束，第二偏振光束两次经过第二相位延迟片105出射的第三偏振光束，第三偏振光束相对第二偏振光束存在一定相位差，此时，第三偏振光束的偏振方向与第二偏振光束的偏振方向满足正交，第三偏振光束满足p偏振光束。同时，偏振分光棱镜102位于第三偏振光束的传播路径上，当第三偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向满足平行时，偏振分光棱镜102反射第三偏振光束并出射，可以出射至用户眼睛，在用户眼睛视网膜上清晰的图像。通过对第一光束可进行两次折叠光路调节，可进一步减小近眼显示系统100的体积，实现显示效果。
42.图3为本发明实施例提供的另一种近眼显示系统的结构示意图，可选的，第一反射元件104为准直元件；或者，第二反射元件106为准直元件。
43.其中，如图3所示，以近眼显示系统包括一个第一相位延迟片103，一个第二相位延迟片105，第一偏振光束为p偏振光束，第一相位延迟片103和第二相位延迟片105均为四分之一波片，第一反射元件104为具备准直效果的反射镜，第二反射元件106为平面反射镜为例，设置一个第一相位延迟片103和第一反射元件104依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经第一相位延迟片103后被第一反射元件反射准直后经过第一相位延迟片103后形成第二偏振光束，设置第二相位延迟片105和第二反射元件106依次位于第二偏振光束的传播路径上，第二偏振光束经第二相位延迟片105后被第二反射元件106反射后再经第二相位延迟片105后形成第三偏振光束；由于第一偏振光束两次经过两次第一相位延迟片103出射的第二偏振光束，第二偏振光束满足s偏振光束，第二偏振光束两次经过第二相位延迟片105出射的第三偏振光束，第三偏振光束相对第二偏振光束存在一定相位差，此时，第三偏振光束的偏振方向与第二偏振光束的偏振方向满足正交，第三偏振光束满足p偏振光束。同时，偏振分光棱镜102位于第三偏振光束的传播路径上，当第三偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向满足平行时，偏振分光棱镜102反射第三偏振光束并出射，可以出射至用户眼睛，在用户眼睛视网膜上清晰的图像。
44.继续参考图2，第一反射元件104为平面反射镜，第二反射元件106为准直元件，当第一偏振光束满足p偏振光束，经偏振分光棱镜102、第一相位延迟片103、第一反射元件
104、第二相位延迟片105、第二反射元件106后，以保证第三偏振光束满足p偏振光束经偏振分光棱镜102反射后出射至用户眼睛。
45.继续参考图2和图3，可选的，第一反射元件为准直元件时，第一反射元件为球面反射镜或非球面反射镜；或者，第二反射元件为准直元件时，第二反射元件为球面反射镜或非球面反射镜。
46.其中，第一反射元件104为准直元件，第一反射元件104可以为球面反射镜或非球面反射镜，通过调节球面反射镜或非球面反射镜的焦距和面型，进而保证第一反射元件104的准直效果，同理当第二反射元件106为准直元件时，第二反射元件106可以为球面反射镜或非球面反射镜。对于第一反射元件104为准直元件或第二反射元件106为准直元件时，反射镜的类型选择可以根据实际设计需求进行相应选择，本发明实施例不做具体限定。
47.继续参考图1，可选的，第一反射元件104为准直元件。
48.其中，第一反射元件104为准直元件，第一反射元件104可以为球面反射镜或非球面反射镜，对经偏振分光棱镜102反射的第一偏振光束，第一偏振光束为p偏振光束，第一偏振光束经第一相位延时片103在经过为准直元件的第一反射元件104反射准直后，再经过第一相位延时片103改变偏折转态，形成为第二偏振光束出射，第二偏振光束为s偏振光束，可由偏振分光棱镜102直接出射至用户眼睛。
49.可选的，至少一个第一相位延迟片103的总的相位延迟量为λ/2 nλ；至少一个第二相位延迟片105的总的相位延迟量为λ/2 mλ，其中，n，m均为大于或等于0的整数。
50.其中，近眼显示系统100中至少设置一个第一相位延迟片103和第二相位延迟片105，当仅设置一个第一相位延迟片103和一个第二相位延迟片105时，第一偏振光束经第一相位延迟片103的总的相位延迟量为λ/2，第二偏振光束经第一相位延迟片103的总的相位延迟量为λ/2，使得第一偏振光束经偏振分光棱镜102、第一相位延迟片103、第一反射元件104、第二相位延迟片105和第二反射元件106后，最终形成的第三偏振光束可以经偏振分光棱镜102平行出射至用户眼睛，实现图像显示。
51.继续参考图2，可选的，至少一个第一相位延迟片103和至少一个第二相位延迟片105均包括一个四分之一波片。
52.其中，近眼显示系统100中设置一个第一相位延迟片103和第二相位延迟片105，第一相位延迟片103和第二相位延迟片105均为四分之一波片，当第一偏振光束为p偏振光束，第一偏振光束两次经过第一相位延迟片103，形成呈s偏振光束的第二偏振光束，第二偏振光束两次经过第二相位延迟片105，形成呈p偏振光束的第三偏振光束，最终经偏振分光棱镜102反射后出射，仅设置一个第一相位延迟片103和第二相位延迟片105可有效减少近眼显示系统的体积，便于后续集成，提高用户佩戴体验。
53.继续参考图3，可选的，还包括起偏组件107，起偏组件107位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为线偏振光，线偏振光的偏振方向与偏振分光棱镜102的平行偏振分量的偏振方向相同。
54.其中，为了提高进入眼睛光束的能量利用率以及提高成像清晰度，近眼显示系统100还包括起偏组件107，起偏组件107包括市面上常用的偏振片、尼科耳棱镜等，可以从自然光中获得偏振光。当自发光型像源101发出的第一光束，设置起偏组件107位于第一光束的传播路径上，起偏组件107从第一光束获得线偏振光束，当偏振光束入射到偏振分光棱镜
102，选择线偏振光的偏振方向与偏振分光棱镜102的平行偏振分量的偏振方向相同，平行偏振分量即p偏振光，以使线偏振光经偏振分光棱镜102后反射形成第一偏振光束，可以隔离能够透射偏振分光棱镜102的偏振光，避免与最终出射的进入眼睛的光线重合，造成重影等现象，提高成像的清晰度。
55.可选的，自发光型像源101为发光显示二极管、有机发光二极管或微型发光二极管的至少一种。
56.其中，自发光像源101可以为发光显示二极管、有机发光二极管或微型发光二极管的至少一种，无需额外设置光源照明，在通电条件下，由发光显示二极管、有机发光二极管或微型发光二极管构成像源可自行出射的第一光束，用于视觉成像，有效降低近眼显示系统的体积。
57.作为一个可行的实施方式，列举一个具体的实施例，基于上述实施例提供的近眼显示系统进行光学仿真测试。
58.继续参考图2和3，近眼显示系统100包括：自发光型像源101、偏振分光棱镜102、至少一个第一相位延迟片102、第一反射元件104、至少一个第二相位延时片105和第二反射元件106；自发光型像源101用于出射第一光束偏振分光棱镜位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束；第一相位延迟片103和第一反射元件104依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经第一相位延迟片103后被第一反射元件104反射后再经第一相位延迟片103后形成第二偏振光束；偏振分光棱镜102还位于第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射第二偏振光束并出射。第二相位延迟片105和第二反射元件106依次位于第二偏振光束的传播路径上，第二偏振光束经第二相位延迟片105后被第二反射元件106反射后再经第二相位延迟片105后形成第三偏振光束；偏振分光棱镜102还位于第三偏振光束的传播路径上，至少用于反射第三偏振光束并出射。
59.采用optic studio软件对本发明实施例提供的近眼显示系统进行了光学仿真测试，图4为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的点列图。点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一，由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。如图4所示，本发明实施例提供的一种近眼显示系统出射的进入用户眼睛的偏振光束为平行光，近眼显示系统在各个视场位置处的均方根半径值((rms radius)均控制在rms<17um，说明了近眼显示系统出射的偏振光束在眼睛的水平和垂直视场下具有较低的色差和像差，用户可以看清晰度高的视觉成像。
60.图5为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的mtf曲线图。如图5所示，mtf曲线中的空间频率满足12周期/mm时传递函数基本都在0.7以上，在眼睛的水平和垂直方向的视场范围内，具有较大的眼睛活动范围，可在眼睛视网膜上可高清成像。
61.本发明实施例提供的近眼显示系统与现有技术中的近眼显示系统相比，无需额外的光源照明，通过改变第一光束的折射光路能在小体积的近眼显示系统下实现用户可以在较大市场范围内都能接收到清晰的完整的图像，且近眼显示系统更轻薄、简单紧凑，易于集成化。
62.图6为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图，如图6所示，近眼显示装置200包括光波导元件201以及上述实施例中任意一项所述的近眼显示系统100。
63.其中，光波导元件用于通过其内部将入射光线进行全反射，从而实现入射光线的横向传输、以及增大光线的传播距离，进而实现对光路的折叠。光波导元件可以为几何阵列光波导或衍射光波导，光波导元件的材料可以包括氧化硅、硅等材料。在其他实施例中，光波导元件还可以为其他类型和结构的光波导，所述波导片的材料相应也可以为其他合适的材料。
64.需要说明的是，由于本实施例提供的近眼显示装置具备上述实施例相同或相应的有益效果，此处不做赘述。
65.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。