近眼显示装置以及制备近眼显示装置的方法与流程

本发明涉及显示技术领域，具体地，涉及近眼显示装置以及制备近眼显示装置的方法。

背景技术

近眼显示技术通过光学方式将显示图像信息直接透射到人眼中，实现信息到用户的直接传递。近眼显示的应用场景包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)以及混合现实(MR)等，其主要光学实现手段包括光波导、自由曲面、光场显示等技术。其中，依靠光波导器件实现近眼显示的显示装置中，波导器件自身器件尺寸小，但波导材料对波长敏感，显示图像色差相对严重。基于自由曲面的显示技术的像差校正能力强，大视场角显示需要大幅增大光学显示装置的尺寸及体积。微显示自由曲面显示技术的器件尺寸较小，但同样难以在较小的系统尺寸限制下实现大视场显示。

综上所述，目前的装置以及制备近眼显示装置的方法仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种近眼显示装置。该近眼显示装置包括：像素岛组件，所述像素岛组件包括多个发光元件；以及微透镜阵列组件，所述微透镜阵列组件包括微透镜阵列以及光学面元件，所述光学面元件具有彼此相邻的透射光学自由曲面、平面全反射面和反射光学自由曲面，所述像素岛组件和所述微透镜阵列组件的位置被配置为可令所述像素岛组件发出的光自所述透射自由曲面入射至所述光学面元件内，并依次经所述平面反射面和所述反射自由曲面之后经所述微透镜阵列之后射出。该装置采用微透镜阵列以及区域像素岛(像素岛组件)组合实现近眼显示，每组微透镜-发光元件提供完整视场中的一部分视场，成像光束进入人眼并在视网膜上进行图像角度拼接显示。该装置中光学面元件可起到折叠光路的作用，可在保证出瞳大小及出瞳距离的条件下缩小光学器件尺寸及显示装置的尺寸，有效地扩大显示视场。同时光学面元件的自由曲面结合微透镜阵列的结构能够实现较强的像差的功能，进而该近眼显示装置可实现较大视场、轻薄、高成像能力的近眼VR/AR/MR拼接显示。

根据本发明的实施例，所述光学面元件包括由高分子构成的棱柱状结构，所述透射光学自由曲面、平面全反射面和反射光学自由曲面为所述棱柱状结构的非平行面。由此，有利于进一步减小该显示装置的尺寸。

根据本发明的实施例，形成所述光学面元件的高分子的折射率为1.49-1.6，光学透过率不小于90％。由此，可保证该光学面元件具有足够高的透过率，且有利于像素岛组件发出的光在平面全反射面发生全反射。

根据本发明的实施例，高分子包括PMMA、PC、COC的至少之一。由此，可简便地通过注塑等方式形成光学面元件。

根据本发明的实施例，所述光学面元件的厚度为5-15mm，沿着所述平面反射面所在平面的高度为10-30mm。由此，可进一步提高该近眼显示装置的性能。

根据本发明的实施例，所述反射光学自由曲面远离所述像素岛组件发出的光的一侧具有半透半反膜。由此，可在保证光学组件功能的同时，提高人眼接收的环境光的亮度。

根据本发明的实施例，所述透射光学自由曲面、平面全反射面和反射光学自由曲面之间的夹角被配置为可令所述像素岛组件发出的光以平行光的方式入射至所述微透镜阵列组件。由此，可保证像素岛组件以及微透镜阵列组可配合实现视场拼接显示。

根据本发明的实施例，所述透射光学自由曲面和所述反射光学自由曲面的形状被配置为可具有像差校正能力。由此，可进一步提高该装置的显示性能。

根据本发明的实施例，所述微透镜阵列组件进一步包括自然光校正元件，所述自然光校正元件的位置被配置为可令环境光经所述自然光校正元件之后，从所述反射光学自由曲面侧入射至所述光学面元件之后射出，且所述自然光校正元件的入光侧表面为可校正所述环境光经所述反射光学自由曲面发生的畸变的自由曲面。由此，可进一步提高该装置的显示性能。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的近眼显示装置的方法。该方法包括：提供像素岛组件，所述像素岛组件包括多个发光元件；以及提供微透镜阵列组件，所述微透镜阵列组件包括微透镜阵列以及光学面元件，所述光学面元件具有彼此相邻的透射光学自由曲面、平面全反射面和反射光学自由曲面，并将所述微透镜阵列设置在所述光学面元件中所述平面全反射面所在的表面。由此，可简便地获得前述的近眼显示装置。

根据本发明的实施例，所述像素岛组件包括多个阵列排布的发光元件，所述微透镜阵列包括多个阵列排布的微透镜，所述方法包括：根据单个所述发光元件的长度、所述微透镜的焦距确定单个所述发光元件提供的视场角；根据出瞳距离、所述视场角确定相邻两个所述微透镜之间的距离；根据所述出瞳距离、所述微透镜的焦距以及所述视场角确定相邻两个所述发光元件之间的距离。由此，可保证像素岛组件以及微透镜阵列组可配合实现视场拼接显示。

根据本发明的实施例，所述光学面元件是通过对塑料进行注塑而形成的。由此，可简便地获得具有自由曲面的光学面元件。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：提供自然光校正元件，所述自然光校正元件位于环境光入射所述反射光学自由曲面的一侧，所述自然光校正元件是通过对塑料进行注塑而形成的。由此，可简便地形成前述的自然光校正元件。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明一个实施例的近眼显示装置的结构示意图；

图2显示了根据本发明一个实施例的近眼显示装置的部分结构示意图；

图3显示了根据本发明一个实施例的制备近眼显示装置的方法流程图；以及

图4显示了根据本发明一个实施例的角度拼接显示的原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种近眼显示装置。参考图1，该近眼显示装置包括,像素岛组件100，像素岛组件包括多个发光元件110。微透镜阵列组件包括微透镜阵列300以及光学面元件200，光学面元件200具有彼此相邻的透射光学自由曲面210、平面全反射面220和反射光学自由曲面230，像素岛组件100和微透镜阵列组件的位置被配置为可令像素岛组件100发出的光自透射自由曲面入射至光学面元件内，并依次经平面反射面和反射自由曲面之后射出光学面元件，并经微透镜阵列300之后射出。该装置采用微透镜阵列以及区域像素岛(像素岛组件)组合实现近眼显示，每组微透镜-发光元件提供完整视场中的一部分视场，成像光束进入人眼并在视网膜上进行图像角度拼接显示。该装置中光学面元件可起到折叠光路的作用，可在保证出瞳大小及出瞳距离的条件下缩小光学器件尺寸及显示装置的尺寸，有效地扩大显示视场。同时光学面元件的自由曲面结合微透镜阵列的结构能够实现较强的像差的功能，进而该近眼显示装置可实现较大视场、轻薄、高成像能力的近眼VR/AR/MR拼接显示。

为了方便理解，下面首先对该近眼显示装置的工作原理进行简单说明：

根据本发明的实施例，该近眼显示装置利用像素岛组件100和微透镜阵列300，通过光束角度拼接的方式实现显示。具体地，像素岛组件100具有多个规则排列的发光元件110，例如可包括多个排列成列的有机发光二极管(OLED)。参考图4，每一个OLED负责显示整体显示画面中特定角度的画面，例如位于一列的中心的OLED负责显示自-2至2度的显示画面。该OLED发出的光经过微透镜阵列中与其对应的微透镜之后入射至人眼，多个OLED和微透镜组合共同显示VR或AR等显示效果中的显示画面。具体地，一定光束宽度且角度相同的多束平行光入射人眼，经过晶状体汇聚作用后将聚焦在视网膜上同一点上。微透镜阵列和像素岛组件100控制相邻的两个OLED(像素岛)发出的成像光线进行角度衔接，成像光束入射人眼后在视网膜上实现子图像的拼接显示。例如图4中发光元件110B与微透镜310B形成子图像显示组合，中心组合显示子图像的成像视场为-θlens到 θlens视场；相邻一组的发光元件110C与微透镜310C提供的图像与中心视场图像、出射角度进行衔接，提供角度为 2θlens到 4θlens视场。以此类推，阵列排布的像素岛组件100和微透镜阵列300组合进行角度拼接显示。由于微透镜310的本质为一光学凸透镜，因此经过微透镜之后人眼可观测到的像具有相差。为了获得好的显示效果往往需要引入光学自由曲面对微透镜阵列成像进行像差校正，进而使得利用光束角度拼接和自由曲面技术实现近眼显示的装置往往存在大视场显示装置体积较大、装置整体环境光透过率低，显示效果不理想等问题。根据本发明实施例的近眼显示装置在像素岛组件100和微透镜阵列300的光路中增加光学面元件，进而可利用光学面元件200的自由曲面和平面可对像素岛组件发出的光进行投射、全反射等一系列光学过程，从而实现校正像差、缩短光路的作用。同时由于该光学面元件具有3个彼此相连的光学面，且像素岛组件100发出的光需要经透射自由曲面210入射并依次经平面反射面220后从反射自由曲面230反射之后射出，因此此时微透镜阵列300需位于反射自由曲面230的对侧。而反射自由曲面230一侧并不具有像素岛组件，因此此时环境光的一部分可自反射自由曲面230一侧与像素岛阵列发出的光一起入射至人眼，从而可提高环境光的亮度，从而可起到增强近眼显示效果的作用。

根据本发明的实施例，光学面元件200包括由高分子构成的棱柱状结构。例如具体地，光学面元件200可以为高分子材料，例如塑料通过注塑而形成的一体化棱柱状部件，例如可以为三棱柱型的。其中透射光学自由曲面210、平面全反射面220和反射光学自由曲面230为棱柱状结构的非平行面，进而只要将像素岛组件100设置在透射光学自由曲面210一侧，微透镜阵列300设置在平面反射面220一侧即可令像素岛组件发出的光按照前述的光路入射至人眼。并且，像素岛组件发出的光经透射光学自由曲面210入射至光学面元件200内部之后有利于通过折叠光路的方式，进一步减小该显示装置的尺寸。

根据本发明的实施例，形成光学面元件的高分子的折射率可以为1.49-1.6，光学透过率不小于90％。由此，可保证该光学面元件具有足够高的透过率，且有利于像素岛组件发出的光在平面全反射面发生全反射。更具体地，高分子可以包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)的至少之一。由此，可简便地通过注塑等方式形成光学面元件。

根据本发明的实施例，光学面元件的具体尺寸不受特别限制。透射光学自由曲面和反射光学自由曲面为自由曲面，表面具有多个曲率不同的弧形结构。透射光学自由曲面和反射光学自由曲面的形状被配置为可具有像差校正能力。透射光学自由曲面和反射光学自由曲面的具体形状不受特别限制，本领域技术人员可根据实际成像情况进行优化设计。根据本发明的一些实施例，该光学面元件的厚度可以为5-15mm，沿着平面反射面所在平面的高度为10-30mm。由此，可进一步提高该近眼显示装置的性能。

具体地，参考图2，根据本发明实施例的近眼显示装置将像素岛组件100和微透镜阵列300相分离，发光元件110发出的光首先经透射光学自由曲面210入射至光学面元件200内部，进而可经透射光学自由曲面210进行对发光元件110的光进行像差校正，例如可校正包括但不限于慧差、场曲、像散等，且由于自由曲面具有一定的曲率，因此可以压缩发光元件110出射的成像光束角度，进而使得整个近眼显示装置更加紧凑。入射至光学面元件200内部的光经过透射光学自由曲面210之后到达平面全反射面220表面发生全反射。例如可通过控制像素岛组件100和平面全反射面220之间的夹角角度，并根据形成光学面元件的材料的折射率，使得光在平面全反射面220表面发生全反射。随后发生全反射的光入射至反射光学自由曲面230表面。反射光学自由曲面230也为自由曲面，例如可以是由高阶多项式描述的光学折射面，可通过计算多项式系数确定自由曲面面型使其具有校正入射成像光束像差的能力。并且由于反射光学自由曲面230具有光焦度，因此能将多路入射光束进行汇聚并进一步缩小显示器件体积。发光元件110发出的光经过反射光学自由曲面230之后，可以由平面全反射面220所在平面一侧出射，并进入微透镜阵列300进行成像。由此，微透镜阵列300可设置在平面全反射面220所在平面上。由于光学面元件200的透射光学自由曲面210、平面全反射面220和反射光学自由曲面230是彼此相邻的，因此该近眼显示装置中的像素岛组件并不位于微透镜阵列的正前方。而由于光学面元件200的透光性要远高于像素岛组件，因此环境光10可更多地经过反射光学自由曲面230一侧入射至人眼，从而令该近眼显示装置具有更高的环境光透过率，进而可调高该近眼显示装置的近眼显示效果。根据本发明的实施例，反射光学自由曲面远离像素岛组件发出的光的一侧可具有半透半反膜。即反射光学自由曲面靠近空气介质的一侧可具有半透半反膜。由于反射光学自由曲面230要求对发光元件发出的光进行反射，同时需要令一部分环境过透过反射光学自由曲面230入射至人眼，因此反射光学自由曲面靠近空气介质的一侧形成半透半反膜。该半透半反膜的透过率和反射率可均接近50％，在反射光学自由曲面230处，环境光10和发光元件发出的光均发生半透过半反射。由此，可在保证光学组件功能的同时，提高人眼接收的环境光的亮度。

如前所述，像素岛组件100和微透镜阵列300是相配合实现角度拼接显示的，因此平面全反射面和反射光学自由曲面之间的夹角可被配置为可令像素岛组件发出的光以平行光的方式入射至微透镜阵列组件。由此，可保证像素岛组件以及微透镜阵列组可配合实现视场拼接显示。

如前所述，由于环境光10可更多地通过反射光学自由曲面230一侧入射至人眼，而反射光学自由曲面230具有自由曲面的形状，因此入射至人眼的环境光会发生一定程度的畸变。为了进一步提高该近眼显示装置的显示效果，参考图2，微透镜阵列组件可进一步包括自然光校正元件500。自然光校正元件500的位置被配置为可令环境光10经自然光校正元件之后，从反射光学自由曲面侧入射至光学面元件之后射出。且自然光校正元件的入光侧510表面为可校正环境光经反射光学自由曲面发生的畸变的自由曲面。由此，可进一步提高该装置的显示性能。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面的近眼显示装置的方法。关于近眼显示装置的具体结构以及工作原理前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。具体地，参考图3，该方法可以包括以下步骤：

S100：提供像素岛组件，像素岛组件包括多个发光元件

根据本发明的实施例，在该步骤中提供像素岛组件。具体地，像素岛组件可以由多个规则排列的发光元件，例如多个OLED构成。像素岛组件用于与微透镜阵列配合进行角度拼接显示。

S200：提供微透镜阵列组件，微透镜阵列组件包括微透镜阵列以及光学面元件

根据本发明的实施例，在该步骤中提供微透镜阵列组件。如前所述，微透镜阵列组件包括光学面元件以及微透镜阵列。微透镜阵列设置在光学面元件的平面全反射面一侧。微透镜阵列可以和光学面元件是通过一体注塑形成的，或者也单独制备微透镜阵列，再将微透镜阵列设置在光学面元件中平面全反射面所在的表面上。由此，可简便地获得前述的近眼显示装置。

根据本发明的实施例，像素岛组件包括多个阵列排布的发光元件，微透镜阵列包括多个阵列排布的微透镜。如前所述，二者需要相互配合实现角度拼接显示。因此微透镜阵列中相邻两个透镜之间的距离、像素岛组件相邻两个发光元件之间的距离以及单个发光元件的长度等参数需要相互配合，以保证不同角度的显示图像可在瞳孔处汇集为一点。具体可以根据单个发光元件的长度、微透镜的焦距确定单个发光元件提供的视场角，根据出瞳距离、视场角确定相邻两个微透镜之间的距离，并根据出瞳距离、微透镜的焦距以及视场角确定相邻两个发光元件之间的距离。由此，可保证像素岛组件以及微透镜阵列组可配合实现视场拼接显示。

具体地，参考图4，由于单个微透镜-发光元件提供的视场角θlens较小，可近似地将涉及发光元件提供的视场角θlens以及人眼中单个微透镜-发光元件组合提供的画面角度θcen的三角函数均视为直角三角形的三角函数。具体地，发光元件110长度中点以及微透镜310中心之间的三角形视为直角三角形，θlens为该三角形的一个锐角，发光元件110长度中点以及微透镜310中心之间的连线和发光元件110的边缘构成该三角形的两个直角边。由此，θlens可利用下式(1)简便地视为由发光元件110(如图中所示出的110A-110C)的长度do、微透镜焦距f(发光元件110和微透镜310之间的距离)共同决定：

2θlens＝tan(do/f) (1)

类似地，参考式(2)，相邻两个微透镜(如图中所示出的310B和310A)间的距离Llens由出瞳距离le(人眼到微透镜之间距离)以及单个微透镜-发光元件组合提供的画面角度θcen决定，其中θcen＝2θlens：

Llens＝leⅹtan(2θ) (2)

参考式(3)，相邻两个发光元件之间的距离Loled由出瞳距离le、微透镜焦距f以及θlens决定：Loled＝(le f)×tan(2θ)

Loled＝(le f)×tan(2θ) (3)

微透镜-区域像素岛的排布需满足上述公式并计算得到各项位置参数，同时也应满足每一个微透镜阵列-区域像素岛能够提供整个视场中固定的一部分视场角(-θlens到 θlens)。相邻的微透镜-区域像素岛组合中，前一个组合最上边缘像素点提供的视场，必须和下一个微透镜阵列-区域像素岛最下边缘像素提供的视场角相同，即在人眼视网膜上重叠为一个点，此时不会出现相邻两块图像之间的拼缝或间隙。减小微透镜焦距能实现器件轻薄化，减小微透镜口径及像素岛大小将提升AR显示透明度。

根据本发明的实施例，光学面元件是通过对塑料进行注塑而形成的。由此，可简便地获得具有自由曲面的光学面元件。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：提供自然光校正元件，自然光校正元件位于环境光入射反射光学自由曲面的一侧，自然光校正元件是通过对塑料进行注塑而形成的。由此，可简便地形成前述的自然光校正元件。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”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发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。