一种近眼显示系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及投影显示技术领域，特别涉及一种近眼显示系统。


背景技术：

2.近眼显示系统，也称为头盔显示器，它最初起源于空军领域，主要是解决驾驶员面对飞机上日益增多的精密仪器及武器系统所收集的大量信息的困扰，利用近眼显示产品可以将各仪器仪表的所有的信息全部呈现在驾驶员前面的视场内,使驾驶员集中精力操作飞机和进行瞄准。随着技术的成熟和普及化，近眼显示系统在民用领域也有着广泛的应用，因其具有将增加的部分信息或图像与真实环境重叠，能够在同一空间和时间内同时存在的特性，其被广泛应用到消防、教育、广告、信息检索和设计交互等领域。
3.在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：随着民用的普及以及人群的复杂化，例如，不同用户的眼睛的屈光度是不同，对于产品的适用性成为一个新的挑战，由于近眼显示系统中眼睛到显示系统的空间有限，因此在增加调焦单元的同时还要兼顾系统的小型化就成为了一个设计难题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例的目的是提供一种可调焦且小型化的近眼显示系统。
5.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.为解决上述技术问题，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示系统，包括：
7.图像显示单元，用于出射包含图像信息的光束；
8.波导片，其设置在所述图像显示单元的出光方向上，用于传输所述光束；
9.调焦单元，其包括两块阿尔瓦雷斯透镜，所述调焦单元设置在所述波导片的出光方向上，用于调整所述光束的成像位置。
10.在一些实施例中，还包括：
11.驱动单元，其与所述调焦单元连接，且配置为能够移动所述两块阿尔瓦雷斯透镜中的至少任意一块，以改变所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移，从而调整所述调焦单元的焦长。
12.在一些实施例中，所述调焦单元的焦长满足以下关系：
13.φ
x,y
＝a
x
x3 a
x
yx2 a
y
y3 a
y
xy2 bx2 cxy dy2 ex fy g
14.其中，φ
x,y
表示所述调焦单元的焦长，(x,y)表示所述两块阿尔瓦雷斯透镜在ex和ey两个方向上的相对位移量，ex和ey为垂直于所述阿尔瓦雷斯透镜的曲面且相互垂直的两个方向，(a,b,c,d,e,f,g)为所述调焦单元的焦长与所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移的三次拟合常数。
15.在一些实施例中，所述两块阿尔瓦雷斯透镜皆包括相对设置的一矩形平面和一自由曲面，所述两块阿尔瓦雷斯透镜的矩形平面相邻设置。
16.在一些实施例中，所述两块阿尔瓦雷斯透镜中心对称设置。
17.在一些实施例中，所述图像显示单元包括：
18.像源，用于出射所述包含图像信息的光束；
19.光机放大模块，其设置在所述像源和所述波导片之间，用于放大所述光束。
20.在一些实施例中，所述像源为反射式像源时，所述图像显示单元还包括照明模块，其由发光二极管与至少一个准直透镜、衍射器件、微透镜阵列和/或散射片组成。
21.在一些实施例中，所述系统还包括：
22.度数输入单元，其与所述调焦单元连接，用于获取用户输入的近视或远视度数，
23.所述调焦单元还配置为能够根据所述用户输入的近视或远视度数，确定所述调焦单元的目标焦长并根据所述目标焦长调整所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移。
24.在一些实施例中，所述系统还包括：
25.人眼位置检测单元，其与所述调焦单元连接，用于检测人眼所在的位置信息，
26.所述调焦单元还配置为能够根据所述人眼所在的位置信息，确定所述调焦单元的目标焦长并根据所述目标焦长调整所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移。
27.在一些实施例中，所述系统还包括：
28.调节旋钮，其与所述调焦单元连接，用于接收用户的手势动作，并根据所述用户的手势动作调整所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移。
29.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示系统，其包括用于出射包含图像信息的光束的图像显示单元，以及依次设置在图像显示单元的出光方向上的波导片和调焦单元，调焦单元包括两块阿尔瓦雷斯透镜，用于调整所述光束的成像位置，本实用新型实施例提供的近眼显示系统在波导片出光侧设置一由两块阿尔瓦雷斯透镜的调焦单元，能够使得真实环境和图像同时进行屈光度的调整，在不影响真实环境和图像的差异性的情况下能够满足更多的人群，且系统体积较小。
附图说明
30.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
31.图1是本实用新型实施例提供的近眼显示系统的一种结构示意图；
32.图2是本实用新型实施例提供的近眼显示系统的另一种结构示意图；
33.图3是本实用新型实施例提供的近眼显示系统的一种示例的具体结构示意图；
34.图4是图3所示近眼显示系统中波导片和调焦单元的局部放大示意图；
35.图5是图4所示波导片和调焦单元的三维结构示意图；
36.图6是图3所示近眼显示系统的光路示意图。
具体实施方式
37.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领
域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
38.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
39.需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。
40.为了便于连接结构限定，本实用新型以光束的传输方向为参考进行部件的位置限定。
41.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
42.此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
43.具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
44.本实用新型实施例提供了一种近眼显示系统，请参见图1，其示出了本实用新型实施例提供的近眼显示系统的一种结构，如图1所示，所述近眼显示系统100包括：图像显示单元101、波导片201和调焦单元301。所述图像显示单元101，用于出射包含图像信息的光束；所述波导片201，其设置在所述图像显示单元101的出光方向上，用于传输所述光束；调焦单元301，其包括两块阿尔瓦雷斯(alvarez lens)透镜，所述调焦单元301设置在所述波导片201的出光方向上，用于调整所述光束的成像位置。本实用新型实施例利用阿尔瓦雷斯透镜(alvarez lens)来实现紧凑式变焦系统，来实现对成像屈光度的调整，缩减调焦单元的体积，且调焦范围更广、调节方式更加简单。
45.进一步地，请一并参见图2，其示出了本实用新型实施例提供的近眼显示系统的另一种结构，所述近眼显示系统还可以包括：驱动单元401，其与所述调焦单元301连接，且配置为能够移动所述两块阿尔瓦雷斯透镜中的至少任意一块，以改变所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移，从而调整所述调焦单元301的焦长。所述驱动单元401可以包括控制器和驱动电机，其中，控制器为具有计算能力的芯片或模块，其能够根据根据调焦单元301的焦长计算两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移，或者，根据两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移计算调焦单元301的焦长；所述驱动电机用于根据所述控制器下发的控制指令移动所述两块阿尔瓦雷斯透镜中的至少任一块。
46.所述阿尔瓦雷斯透镜由一个或两个三次曲面构成，其中，所述调焦单元301的焦长满足以下关系：
47.φ
x,y
＝a
x
x3 a
x
yx2 a
y
y3 a
y
xy2 bx2 cxy dy2 ex fy g
48.其中，φ
x,y
表示所述调焦单元301的焦长，(x,y)表示所述两块阿尔瓦雷斯透镜在ex和ey两个方向(可参考下述图5所示调焦单元的三维结构)上的相对位移量，ex和ey为垂直于所述阿尔瓦雷斯透镜的曲面且相互垂直的两个方向，(a,b,c,d,e,f,g)为所述调焦单
元301的焦长与所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移的三次拟合常数。
49.具体地，如从一位角度分析时，假设只控制所述两块阿尔瓦雷斯透镜在ex方向移动，令ey方向的相对位移为0，则上述调焦单元301的焦长计算公式可简化为如下关系式：
50.φ
x
＝a
x
x3 bx2 ex g
51.不难看出，所述调焦单元301的焦长φ
x
与相对位移量x成三次函数的关系，因此在ex方向产生位移时，所述调焦单元301的焦长φ
x
会随之变化，从而达到在ex方向上的屈光度的调整。同理，对于三维空间，在ex和ey两个方向产生位移，则可实现对不同屈光度进行调节，从而使得系统能够适用更多人群。
52.进一步地，请继续参见图2，所述图像显示单元101包括：像源110和光机放大模块120。其中，
53.所述像源110，用于出射所述包含图像信息的光束；所述像源110为lcd、oled、lcos、dm、micro
‑
led中的一种，且当所述像源110为lcos等反射式像源时，所述图像显示单元101还包括照明模块，其由发光二极管(led)与至少一个准直透镜、衍射器件、微透镜阵列和/或散射片组成，其中，所述发光二极管(led)可为单色光或多色光的任意一种；所述至少一个准直透镜为球面透镜、非球面透镜和/或菲涅尔透镜；所述衍射器件为闪耀光栅、面浮雕光栅、全息透镜或体光栅中的任意一种；所述微阵列透镜为复眼透镜或柱面透镜；所述的散射片为扩散片或散射片(diffuser)。
54.所述光机放大模块120，其设置在所述像源110和所述波导片201之间，用于放大所述光束。所述光机放大单元120由偏振分光棱镜(pbs，polarization beam splitter)和至少一个球面透镜组成，其中，所述偏振分光棱镜具有偏振特性，可为栅式或镀膜的任意一种；所述的球面透镜包括凹凸、平凹、平凸和凸透镜，材质可为玻璃或者树脂任意一种。
55.所述波导片201可为几何阵列光波导片、光栅波导片中的一种。
56.进一步地，为了确定所述调焦单元310所需要调整至的目标焦长，以确定所要调整的所述调焦单元中两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移，从而调节到适用于用户的屈光度，一方面，可以是由用户输入其屈光度信息后，所述调焦单元301根据输入的屈光度数据进行自动调节；另一方面，可以是在所述近眼显示设备100上增加设置能够检测定位人眼甚至视网膜的装置，以实现焦长的自动调节，这种方式通常更加适用于没有近视的人群；另外，还可以是设置一物理的可调节旋钮，用户使用时佩戴搭载有所述近眼显示系统的近眼显示设备，用户根据自身需要，如通过图像的清晰度自行调节旋钮，以调节焦长，直到图像清晰度达到用户需求。
57.进一步地，请继续参见图2，所述系统还包括：度数输入单元501，其与所述调焦单元301连接，用于获取用户输入的近视或远视度数，所述调焦单元301还配置为能够根据所述用户输入的近视或远视度数，确定所述调焦单元301的目标焦长并根据所述目标焦长调整所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移。具体地，设备或者系统上可以设置有实体按钮和/或触控屏，用户通过实体按钮或者触控屏上的虚拟按钮输入其近视或者远视度数，或者，通过麦克风语音输入等方式，具体地，可根据实际需要设置所述度数输入单元501。
58.进一步地，请继续参见图2，所述系统还包括：人眼位置检测单元601，其与所述调焦单元301连接，用于检测人眼所在的位置信息，所述调焦单元301还配置为能够根据所述人眼所在的位置信息，确定所述调焦单元301的目标焦长并根据所述目标焦长调整所述两
块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移。具体地，可以是结合距离传感器和测距算法等检测所述用户人眼/瞳孔视网膜所在的位置来实现人眼位置的检测，例如，通过摄像头采集的图像确定瞳孔位置等，具体地，可根据实际需要设置所述人眼位置检测单元601。
59.进一步地，请继续参见图2，调节旋钮701，其与所述调焦单元301连接，用于接收用户的手势动作，并根据所述用户的手势动作调整所述两块阿尔瓦雷斯透镜的相对位移。具体地，所述调节旋钮701可配置旋转/移动所述调节旋钮701时，相应地，能够调整所述阿尔瓦雷斯透镜的相对位移，以实现焦长的调节。
60.需要说明的是，可以设置上述其中的一种方式，或者同时设置几种方式来确定所述调焦单元310的目标焦长，以实现不同场景下的应用，例如，可以同时设置具备有自动调节能力的人眼位置检测单元601，以及可以让用户手动调节的调节旋钮701或者度数输入单元501，以实现在视力正常的用户能够自动调节，视力存在一定问题的用户能够根据需要进行调整。
61.具体地，请一并参见图3、图4和图5，其中，图3示出了本实用新型实施例提供的近眼显示系统的一种示例的具体结构，图4是图3所示近眼显示系统中波导片和调焦单元的局部放大图，图5是图4所示波导片和调焦单元的三维结构图。
62.在图3所示示例中，其以反射式像源为例，因此，所述图像显示单元101中设置有照明模块，该照明模块采用发光二极管led作为照明光源111，在照明光源111的出光方向上依次设置有菲涅尔透镜112、衍射光栅113、微阵列透镜114、散射片115和偏振分光棱镜123，所述偏振分光棱镜123的斜面一侧朝向所述照明光源111，另一侧则朝向反射式像源121。在本实用新型实施例中，所述像源121采用硅基液晶(lcos，liquid crystal on silicon)作为像源，在其出光方向上依次设置有第一透镜122、偏振分光棱镜123、第二透镜124、第三透镜125、第四透镜126和波导片201。所述波导片201的出光侧上则设置有调焦单元301，其中，如图3、图4和图5所示，所述调焦单元301包括两块阿尔瓦雷斯透镜，所述两块阿尔瓦雷斯透镜皆包括相对设置的一矩形平面和一自由曲面，所述两块阿尔瓦雷斯透镜的矩形平面相邻设置。且有，所述两块阿尔瓦雷斯透镜中心对称设置。
63.本实用新型实施例提供的近眼显示系统100工作时，请一并参见图6，其示出了图3所示近眼显示系统的光路，照明光源111产生的光(s光)经菲涅尔透镜112、衍射光栅113、微阵列透镜114、散射片115后产生均匀的照明光。均匀的照明光进入偏振分光棱镜123后，由于偏振分光棱镜123对偏振光的偏振特性，使得照明光(s光)经45度斜面后，反射至像源121上，经过调制后的s光变为p光反射至第一透镜122，在进入偏振分光棱镜后p光直射进入第二透镜124，经过第三透镜125和第四透镜126进行光束整形和放大后的耦合至波导片201。在波导片201内进行全反射，进过一系列具有一定透过率和反射率的斜面时，反射光进入调焦单元301，透射的光继续传播，再经下一个斜面后反射光再反射至调焦单元301，依次传播反射，使得反射光在所述波导片201的传输方向有一个扩瞳的作用，且经过一定透射和折射的反射面能够将图像均匀的反射至调焦单元301。所述调焦单元301则通过阿尔瓦雷斯透镜对屈光度的调节，实现不同焦长的调控，使得图像能够在视网膜上成像更加清晰，最终适用更多人群。
64.本实用新型实施例中提供了一种近眼显示系统，其包括用于出射包含图像信息的光束的图像显示单元，以及依次设置在图像显示单元的出光方向上的波导片和调焦单元，
调焦单元包括两块阿尔瓦雷斯透镜，用于调整所述光束的成像位置，本实用新型实施例提供的近眼显示系统在波导片出光侧设置一由两块阿尔瓦雷斯透镜的调焦单元，能够使得真实环境和图像同时进行屈光度的调整，在不影响真实环境和图像的差异性的情况下能够满足更多的人群，且系统体积较小。
65.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
66.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。