一种带有屈光度的近眼显示装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种带有屈光度的近眼显示装置。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)是指在现实世界的实际影像上叠加由计算机等生成的虚拟的影像或图像，目前ar眼镜是最好的增强现实技术表现形式之一，戴上眼镜就可以将人的眼睛看到的真实的世界与虚拟图像相结合，在工业、医疗、教育行业都具有良好的前景。
3.而在现在社会中，近视是最常见的眼睛问题，据估计约有15亿人患有近视(约占全球人口22％)，尤其是在年轻人中比例更大，所以近视眼镜(近视，远视，散光等眼部问题的眼镜)成了很多人生活中的必备品，现在的ar眼镜在使用时还需要叠加不同度数的近视镜片，就如我们在电影院看3d电影还需要额外佩戴一副3d眼镜一样，舒适感与美观性较差，不适合长时间佩戴。
4.图1和图2分别为现有阵列光波导和衍射光波导ar眼镜的结构示意图，参考图1和图2，现在ar眼镜的主流方案为阵列光波导和衍射光波导，但其光学原理中，光线必须在波导片的前后表面一系列的全反射最后经过耦出结构平行光出射进入人眼。
5.光波导前后表面在整体的光学设计中具有多次全反射的作用，因此如果想兼具近视镜片的功能，即将平板玻璃变为具有一定光焦度的曲面，需要很复杂的光学设计才能实现，并且加工难度相当之大甚至不可能完成，因此现在都是采用直接在表面胶合一片具有光焦度的近视镜片来实现，那势必会增加重量及厚度。


技术实现要素：

6.本实用新型提供一种带有屈光度的近眼显示装置，以在实现增强现实显示的同时，兼具矫正视力的功能，满足近视用户的观看需求。
7.本实用新型实施例提供了一种带有屈光度的近眼显示装置，包括：像源、光束调整组件、反射镜组件和棱镜主体，所述棱镜主体自身具有预设屈光度，所述像源位于所述棱镜主体的第一侧，所述光束调整组件和所述反射镜组件集成设置于所述棱镜主体中；
8.所述像源用于出射第一光束；
9.所述光束调整组件包括多个光束调整透镜，所述光束调整透镜位于所述第一光束的传播路径上，用于调整所述第一光束为第二光束，所述第二光束的能量小于所述第一光束的能量；
10.所述反射镜组件位于所述第二光束的传播路径上，用于反射所述第二光束形成第三光束；
11.所述光束调整透镜还位于所述第三光束的传播路径上，用于反射所述第三光束并由所述棱镜主体的第二侧出射；
12.所述棱镜主体的第二侧和/或第三侧的表面为具有光焦度的曲面；其中，所述第一侧分别与所述第二侧和所述第三侧相邻，所述第二侧与所述第三侧相对。
13.可选地，所述棱镜主体的所述第二侧和/或所述第三侧的表面为球面、非球面或自由曲面。
14.可选地，所述光束调整透镜包括透反透镜；
15.所述透反透镜位于所述第一光束和所述第三光束的传播路径上，用于部分透过所述第一光束形成所述第二光束，以及反射所述第三光束由所述棱镜主体的第二侧出射。
16.可选地，所述光束调整透镜包括偏振分光透镜；
17.所述偏振分光透镜位于所述第一光束的传播路径上，用于透过所述第一光束中与所述偏振分光透镜的偏振方向相同的偏振光形成所述第二光束；
18.所述近眼显示装置还包括四分之一波片，所述四分之一波片分别位于所述第二光束和所述第三光束的传播路径上，所述第二光束经所述四分之一波片后入射至所述反射镜组件，所述第三光束经所述四分之一波片后入射至所述偏振分光透镜。
19.可选地，所述近眼显示装置还包括起偏组件；
20.所述起偏组件位于所述第一光束的传播路径上，用于调整所述第一光束为线偏振光束。
21.可选地，所述光束调整组件位于第一平面，所述第一平面与所述棱镜主体第二侧和第三侧的表面相交；
22.所述光束调整组件中的多个所述光束调整透镜在所述第一平面矩阵排布。
23.可选地，所述光束调整组件至少包括第一子光束调整组件和第二子光束调整组件，所述第一子光束调整组件位于第二平面，所述第二子光束调整组件位于第三平面，所述第二平面和所述第三平面平行设置，且均与所述棱镜主体第二侧和第三侧的表面相交；
24.所述第一子光束调整组件的多个所述光束调整透镜阵列在所述第二平面矩阵排布；所述第二子光束调整组件的多个所述光束调整透镜在所述第三平面矩阵排布；且所述第一子光束调整组件的多个所述光束调整透镜在参考平面上的垂直投影与所述第二子光束调整组件的多个所述光束调整透镜在所述参考平面上的垂直投影不交叠，所述参考平面与所述第一光束的传播方向垂直。
25.可选地，所述光束调整透镜的尺寸小于用户瞳孔尺寸；
26.相邻两个所述光束调整透镜之间的间距小于用户瞳孔尺寸。
27.可选地，所述反射镜组件包括球面反射镜或非球面反射镜；
28.所述第三光束包括平行光束。
29.可选地，所述光束调整透镜与所述第一光束的传播方向的夹角α满足0
°
《α≤45
°
。
30.本实用新型实施例提供的带有屈光度的近眼显示装置，通过设置光束调整组件和反射镜组件内嵌集成设置于棱镜主体中，减少显示装置体积和重量，有利于系统集成以及提高可穿戴性；再通过设置光束调整组件包括多个光束调整透镜，像源发射的第一光束透过多个光束调整透形成能量较小的第二光束，反射镜组件将第二光束反射准直形成第三光束，第三光束到达多个光束调整透镜被反射平行进入用户眼睛，通过此结构设计在减少显示装置体积和重量，易系统集成和易穿戴的同时，提高了像源光束在棱镜主体内的反射次数，最终提高了用户眼睛的成像清晰度。此外，本实用新型实施例将棱镜主体的特定表面设
计为具有光焦度的曲面，可使棱镜主体本身具有屈光度，解决了现有近眼显示装置无法满足近视用户使用需求且现有近视用近眼显示装置结构复杂、设计难度大的问题，能使近视用户观看到清晰图像，在满足增强现实显示技术的同时兼具矫正视力的功能，设计难度低且更容易实现，结构简单、重量轻，外观也与真实眼镜无异，不会给使用者造成两个镜片叠加的负担。
附图说明
31.图1和图2分别为现有阵列光波导和衍射光波导ar眼镜的结构示意图；
32.图3是本实用新型实施例提供的一种带有屈光度的近眼显示装置的结构示意图；
33.图4是本实用新型实施例提供的另一种带有屈光度的近眼显示装置的结构示意图；
34.图5为本实用新型实施例提供的一种带有屈光度的近眼显示装置中光束调整组件分布示意图；
35.图6是一种现有近眼显示装置的mtf曲线图；
36.图7是本实用新型实施例提供的带有屈光度近眼显示装置的mtf曲线图。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
38.图3是本实用新型实施例提供的一种带有屈光度的近眼显示装置的结构示意图，参考图3，该近眼显示装置包括：像源1、光束调整组件2、反射镜组件3和棱镜主体4，棱镜主体4自身具有预设屈光度，像源1位于棱镜主体4的第一侧，光束调整组件2和反射镜组件3集成设置于棱镜主体4中；像源1用于出射第一光束；光束调整组件2包括多个光束调整透镜21，光束调整透镜21位于第一光束的传播路径上，用于调整第一光束为第二光束，第二光束的能量小于第一光束的能量；反射镜组件3位于第二光束的传播路径上，用于反射第二光束形成第三光束；光束调整透镜2还位于第三光束的传播路径上，用于反射第三光束并由棱镜主体4的第二侧出射；棱镜主体4的第二侧和/或第三侧的表面为具有光焦度的曲面(图3中仅示意第三侧表面为曲面)；其中，第一侧分别与第二侧和第三侧相邻，第二侧与第三侧相对。
39.其中，图3中右侧为该近眼显示的正视图，左侧为相应位置的侧视图。光束调整组件2和反射镜组件3集成内嵌于棱镜主体4中，目的是为了减少整个显示装置的体积和重量，利于系统集成以及提高可穿戴性。像源1可以是发光二极管显示装置、有机发光二极管显示装置、微型发光二极管显示装置以及液晶显示装置等，像源1出射第一光束a，用于眼睛视觉成像，其中，出射的第一光束a包括自然光。
40.如图3所示，以像源1位于棱镜主体4的上方即第一侧为例，光束调整组件2包括多个光束调整透镜21，多个光束调整透镜21阵列排布在第一光束a的传播路径上，光束调整透镜21将像源1出射的第一光束a经过透过和反射后由左侧即第二侧出射，最终进入用户眼睛。具体的，多个光束调整透镜21分别部分透射第一光束a形成第二光束b，其中，由于光束
调整透镜21表面存在一定的反射，第二光束b的能量会小于第一光束a的能量；然后，反射镜组件3位于第二光束b的传播路径上，会将多个光束调整透镜21反射的第二光束b准直反射后形成第三光束c。优选的，反射镜组件3可选采用球面反射镜或非球面反射镜，通过合理设置球面反射镜或非球面反射镜的焦距等参数，可使反射镜组件3准直输出第三光束c，第三光束c满足平行光束出射。继而，光束调整透镜21位于第三光束c的传播路径上，可将第三光束c反射由左侧即第二侧出射，以进入用户眼睛。需要说明的是，该实施例中可通过调整每个光束调整透镜21的尺寸以及每个光束调整透镜21在空间上的排布，如在同一平面间隔排布，在垂直平面错开排布，实现第三光束c的光强度一致且平行出射进入用户眼睛，形成的视觉图像清晰度高，且具有较大的动眼范围。同时，可以理解的是，棱镜主体4本身为透明体，其右侧即第三侧入射的光线是可以透过该棱镜主体4同样进入人眼，因此，在右侧即第三侧提供现实场景的情况之下，同时有像源1提供虚拟显示画面，即可实现增强现实显示效果。
41.在上述近眼显示装置工作原理基础上，需要注意的是，对于近视用户而言，本实用新型实施例中的棱镜主体4为具有预设屈光度的光学组件，其通过在第二侧和/或第三侧的表面设置具有光焦度的曲面，可使得该棱镜主体4本身具有屈光度，从而适应相应近视程度的用户佩戴使用，保证清晰成像，适应近视用户的观看需求。需要说明的是，本实用新型实施例中棱镜主体的屈光度需要根据用户需求来设计，从而匹配用户眼镜的近视度数，保证用户能看到清晰图像。
42.综上所述，本实用新型实施例提供的带有屈光度的近眼显示装置，通过设置光束调整组件和反射镜组件内嵌集成设置于棱镜主体中，减少显示装置体积和重量，有利于系统集成以及提高可穿戴性；再通过设置光束调整组件包括多个光束调整透镜，像源发射的第一光束透过多个光束调整透形成能量较小的第二光束，反射镜组件将第二光束反射准直形成第三光束，第三光束到达多个光束调整透镜被反射平行进入用户眼睛，通过此结构设计在减少显示装置体积和重量，易系统集成和易穿戴的同时，提高了像源光束在棱镜主体内的反射次数，最终提高了用户眼睛的成像清晰度。此外，本实用新型实施例将棱镜主体的特定表面设计为具有光焦度的曲面，可使棱镜主体本身具有屈光度，解决了现有近眼显示装置无法满足近视用户使用需求且现有近视用近眼显示装置结构复杂、设计难度大的问题，能使近视用户观看到清晰图像，在满足增强现实显示技术的同时兼具矫正视力的功能，设计难度低且更容易实现，结构简单、重量轻，外观也与真实眼镜无异，不会给使用者造成两个镜片叠加的负担。
43.进一步地，本实用新型实施例中可选棱镜主体4的第二侧和/或第三侧的表面为球面、非球面和自由曲面。其中棱镜主体4可选由玻璃或树脂制备，对于玻璃材质的棱镜主体4而言，考虑到制备难度，可选设计第二侧和/或第三侧的表面为球面；对于树脂材质的棱镜主体4而言，可选设计第二侧和/或第三侧的表面为非球面或自由曲面。本领域技术人员可以理解的是，玻璃材质的光学组件对温度不敏感，能够保证成像的稳定性，减少温度变化过大引起的像差问题。同时，对于树脂材质的光学组件而言，其制备为非球面或自由曲面，可以利用非球面和自由曲面对色差、畸变、场曲等像差进行像质矫正，以此实现更清晰的成像。
44.另外需要说明的是，为使棱镜主体4的左侧即第二侧出射平行光，保证人眼可以接
收到清晰完整的图形，可设置第二侧表面为平面，即不具有光焦度，而仅设置棱镜主体4第三侧的表面为曲面，仅通过第三侧的表面的光焦度设计，使棱镜主体4具有预设的屈光度。
45.当然，在本实用新型的另一实施例中，也可选通过合理设计棱镜主体4中反射镜组件3(即球面反射镜或非球面反射镜)以及第二侧表面的光焦度，使得第二侧出射的光线为平行光，而在第二侧表面的光焦度基础上，设计第三侧表面的光焦度，使棱镜主体4具有预设的屈光度。在此基础上，将反射镜组件3和棱镜主体4第二侧表面设置为光学组合，负责向人眼输出像源1的虚拟图像，可以在虚拟图像的光学系统中利用反射镜组件3和该棱镜主体4的第二侧表面，对图像的像质进行校正，保证图像的清晰。同时，棱镜主体4第二侧表面和第三侧表面同样为传输现实图像的光学组合，可以在现实图像的光学系统中对像质进行校正，保证图像的清晰。
46.继续参考图3，可选地，光束调整透镜21包括透反透镜；透反透镜位于第一光束a和第三光束c的传播路径上，用于部分透过第一光束a形成第二光束b，以及反射第三光束c由棱镜主体4的第二侧出射。
47.通过合理设置透反透镜的透过率和反射率的比值，使反射进入用户眼睛的光强度最佳，进而提高光源1的能量利用率以及成像效果等。可选的，透反透镜的反射率和透过率的比值为1：1。此时，满足第一光束a一半透过形成第二光束b，一半反射形成杂散光，同时，当反射组件3准直反射形成的第三光束c再次到达半透半反镜时，存在一半光强的第三光束c被反射进入用户眼睛，在保证像源1出射光的反射次数最少和系统集成度高的前提下，达到最佳视觉成像效果。
48.图4是本实用新型实施例提供的另一种带有屈光度的近眼显示装置的结构示意图，参考图4，右侧为近眼显示的正视图，左侧为相应的位置的侧视图，其中，光束调整透镜21包括偏振分光透镜；偏振分光透镜位于第一光束a的传播路径上，用于透过第一光束a中与偏振分光透镜的偏振方向相同的偏振光形成第二光束b’；近眼显示装置还包括四分之一波片5，四分之一波片5分别位于第二光束b’和第三光束c’的传播路径上，第二光束b’经四分之一波片5后入射至反射镜组件3，第三光束c’经四分之一波片5后入射至偏振分光透镜。
49.其中，偏振分光镜具有选择入射光束偏振方向的功能。如图4所示，偏振分光透镜位于第一光束a的传播路径上，可以透过第一光束a中与偏振分光透镜的偏振方向相同的偏振光形成第二光束b’，第二光束b’包括p偏振光束或s偏振光束，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。通过在第二光束b’的传播路径上依次设置四分之一波片5和反射镜组件2，当第二光束b’透过四分之一波片5经反射镜组件2准直反射后再次透过四分之一波片5形成第三光束c’，由于四分之一波片5具有调整光的偏振方向的功能，使第三光束c’的偏振方向与第二光束b’的偏振方向垂直，进而被偏振分光透镜反射并由第二侧出射至用户眼睛。通过引入四分之一波片5和尺寸较小的偏振分光透镜，实现偏振光束准直出射进入眼睛形成清晰的视觉图像。
50.可选的，上述近眼显示装置还包括起偏组件；起偏组件位于第一光束的传播路径上，用于调整第一光束为线偏振光束。
51.具体的，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，近眼显示装置还包括起偏组件，起偏组件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。当像源发出的第一光束为自然光，设置起偏组件位于第一光束的传播路径上，起
偏组件从第一光束获得线偏振光束，当偏振光束入射到光束调整透镜，选择起偏组件与光束调整透镜的选偏方向一致，可以提高线偏振光束入射到光束调整透镜的入射效率，进一步提高进入眼睛光束的能量利用率以及提高成像清晰度。
52.继续参考图3和图4，可选光束调整组件2位于第一平面p1，第一平面p1与棱镜主体4第二侧和第三侧的表面相交；光束调整组件2中的多个光束调整透镜21在第一平面p1矩阵排布。
53.示例性的，如图3或图4所示，光束调整组件2位于第一平面p1内，利用第一平面p1内阵列排布的多个光束调整透镜21，可以有效扩展显示装置在横向上的动眼范围。
54.可选的，光束调整组件2至少包括第一子光束调整组件和第二子光束调整组件，第一子光束调整组件位于第二平面p2，第二子光束调整组件位于第三平面p3，第二平面p2和第三平面p3平行设置，且均与棱镜主体4第二侧和第三侧的表面相交；第一子光束调整组件的多个光束调整透镜21在第二平面p2矩阵排布；第二子光束调整组件的多个光束调整透镜21在第三平面p3矩阵排布；且第一子光束调整组件的多个光束调整透镜21在参考平面上的垂直投影与第二子光束调整组件的多个光束调整透镜21在述参考平面上的垂直投影不交叠，参考平面与第一光束的传播方向垂直。
55.其中，沿光的传播方向增加光束调整透镜的阵列排布数量，可以有效扩展显示装置在纵向上的动眼范围。具体的，如图3和图4所示，设置光束调整组件2至少包括第一子光束调整组件和第二子光束调整组件，设置第一子光束调整组件的多个光束调整透镜21在第二平面p2矩阵排布，第二子光束调整组件的多个光束调整透镜21在第三平面p3矩阵排布，使得光束调整透镜21不仅在横向平面上阵列排布多个，同时也能在纵向上呈现分布，保证第三光束c光强一致且平行出射的同时，使其覆盖更大的动眼范围。
56.具体的，通过调整光束调整透镜21与第一光束a的传播方向的夹角、光束调整透镜21的尺寸以及相邻光束调整透镜21的间距，实现在保证第一光束a透过形成第二光束b，同时反射第三光束c完全水平出射至用户眼睛，可在水平和垂直方向达到最大动眼范围。其中，沿第一光束a的传播方向，第二平面p2和第三平面p3平行设置，且均与棱镜主体4左右两侧的表面相交，第二平面p2和第三平面p3之间的间距根据光束调整透镜21的尺寸以及相邻光束调整透镜21的间距确定。参考平面与第一光束a的传播方向垂直，反射组件2的尺寸覆盖所有光束调整透镜21在参考平面的参考平面上的垂直投影。
57.可选的，光束调整透镜21的尺寸小于用户瞳孔尺寸；相邻两个光束调整透镜21之间的间距小于用户瞳孔尺寸。通常眼睛的瞳孔直径为3.6mm，当设置光束调整透镜的尺寸小于眼睛的瞳孔直径以及相邻两个光束调整透镜之间的间距小于用户瞳孔尺寸时，光束调整透镜位于眼睛的正前方并不会阻挡眼睛接收外界环境光，像源发射的光与外界自然光均会在视网膜上形成清晰的视觉显示效果，相对于大尺寸的光束调整透镜消除了光栅感的视觉问题。
58.可选的，如图3或图4所示，光束调整透镜21与第一光束a的传播方向的夹角α满足0
°
《α≤45
°
；用户眼睛的视场角满足-40
°
《β≤40
°
。
59.其中，偏振分光组件2的多个光束调整透镜21的感光平面与第一光束的传播方向的夹角α可以选择设置在0《α≤45
°
，考虑到人眼最舒适的视场范围，优选的，设置α＝45
°
，此时，经光束调整透镜21反射的第三光束c水平入射进入用户眼睛，沿第三光束c的传播方向
为基准线，用户眼睛向多个光束调整透镜21的所在平面的最大对角线视场角可达到-40
°
《β≤40
°
，仍能看到清晰的图像。
60.图5为本实用新型实施例提供的一种带有屈光度的近眼显示装置中光束调整组件分布示意图，参考图5，沿光的传播方向，以设置偏振分光组件2包括9个光束调整透镜21为例，继续参照图3或图4，再结合图5所示，依次设置5枚光束调整透镜21等间距排布在第一表面p1，依次设置4枚光束调整透镜21等间距排布在与第一表面平行的第二表面p2，设置每个光束调整透镜的圆形直径为1.6mm，在横向x方向和纵向y方向，相邻两个光束调整透镜圆心之间的间距为2mm，每个光束调整透镜的尺寸以及相邻两个光束调整透镜的间距均小于眼睛瞳孔尺寸，通过此结构设置，可以实现横向动眼范围16mm，纵向动眼范围4mm，对角线视场角范围-16
°
至16
°
。
61.图6是一种现有近眼显示装置的mtf曲线图，图7是本实用新型实施例提供的带有屈光度近眼显示装置的mtf曲线图，其中，图7所示近眼显示装置中第二侧和第三侧表面均为曲面，即设置有光焦度，并且反射镜组件3采用具有光焦度的反射镜。对比图6和图7可知，本实用新型实施例提供的带有屈光度近视显示装置，在虚拟图像的光学系统中设置具有光焦度的反射镜组件以及第二侧表面，对虚拟图像的像差具有一定的校正作用，可以提高系统的解像力，增加图像分辨率。
62.本实用新型实施例提供的光束调整透镜类似于细光束成像，像差更小，成像质量更好。理论上可以创建具有接近无限景深的图像，通过将光量限制为更小、更集中的光束，让所有事物都集中在焦点上，通过设置光束调整透镜在水平方向和垂直方向的阵列排布数量，比如在横向和纵向上的反射镜数量的扩展来对应增加某个方向的视场，设计实现不同视场的方案更加的灵活简便。可以满足很好的显示效果，同时光束调整透镜也并不会阻挡人眼接收外界环境。
63.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型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、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。