近眼显示设备及终端的制作方法

1.本技术涉及投影显示领域，特别涉及一种近眼显示设备及终端。


背景技术：

2.目前，随着增强显示技术(英文：augmented reality，简写：ar)的发展，能够进行增强显示的终端的形态与种类也越来越多，应用领域也日渐广泛。这种终端通常包括：近眼显示设备和控制器，控制器用于控制近眼显示设备发光。
3.近眼显示设备通常包括：光源组件、中继镜组、光处理芯片、投影镜头和光波导器件。其中，光源组件发出的光束导向中继镜组，中继镜组将光束导向光处理芯片，通过光处理芯片将光束调制成图像光束之后，进而通过投影镜头向光波导器件出射图像光束。图像光束可以在光波导器件中传输至人眼，以使得人眼看到虚拟图像。光处理芯片通常为液晶附硅(英文：liquid crystal on silicon；简称：lcos)芯片或数字光处理(英文：digital light processing；简称：dlp)芯片等。
4.然而，现有的近眼显示设备中通常需要光源组件、中继镜组和光处理芯片的配合，向光波导器件出射图像光束，导致近眼显示设备的体积较大，进而导致终端的体积较大。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种近眼显示设备和终端。可以解决现有技术中的近眼显示设备的体积较大的问题，所述技术方案如下：
6.一方面，提供了一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括：
7.微显示器、透镜组和光波导器件；
8.所述微显示器用于出射图像光束；
9.所述透镜组位于所述微显示器的出光侧，所述透镜组用于调整所述微显示器出射的图像光束，所述透镜组包括：双胶合透镜；
10.所述光波导器件具有入光区和出光区，所述光波导器件的入光区位于所述透镜组的出光侧，所述光波导器件被配置为：将所述入光区射入的调整后的图像光束传输至所述出光区。
11.另一方面，提供了一种终端，所述终端包括：
12.近眼显示设备和控制器，所述控制器与所述近眼显示设备连接，所述近眼显示设备为上述中给出的任一所述的近眼显示设备；
13.其中，所述控制器被配置为：控制所述近眼显示设备发射图像光束。
14.本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
15.一种近眼显示设备，包括：微显示器、透镜组和光波导器件。该近眼显示设备中的微显示器能够直接出射图像光束，并将图像光束通过透镜组的调整后传输到光波导器件进行成像，无需通过光源组件、中继镜组和光处理芯片的配合，向光波导器件出射图像光束。如此，能够有效的减小近眼显示设备的体积，进而使得集成有该近眼显示设备的终端的体
积较小。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本技术实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图；
18.图2是本技术实施例提供的一种近眼显示设备的部分结构示意图；
19.图3是本技术实施例提供的一种光学系统的调制传递函数曲线示意图；
20.图4是本技术实施例提供的一种光学系统的场曲的曲线示意图；
21.图5是本身请实施例提供的一种光学系统的畸变的曲线示意图；
22.图6是本技术实施例提供的一种光学系统的色差的曲线示意图。
23.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
24.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
25.增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息融合集成的新技术，是将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。
26.请参考图1，图1是本技术实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图。该近眼显示设备000可以包括：微显示器100、透镜组200和光波导器件300。
27.近眼显示设备000中的微显示器100可以用于出射图形光束。
28.近眼显示设备000中的透镜组200可以位于微显示器100的出光侧，该透镜组200可以用于调整微显示器100出射的图像光束。透镜组200可以包括：双胶合透镜201。
29.近眼显示设备000中的光波导器件300可以具有入光区300a和出光区300b，该光波导器件的入光区300a可以位于透镜组200的出光侧。该光波导器件300可以被配置为：将光波导器件300的入光区300a射入的经透镜组200调整后的图像光束传输至光波导器件300的出光区300b。
30.示例的，近眼显示设备000中的微显示器100可以出射图像光束，该图像光束首先可以经过位于微显示器100的出光侧的透镜组200进行调整后出射，进而图像光束进入光波导器件300中的入光区300a；然后，该图像光束能够在光波导器件300内进行传输至光波导器件300的出光区300b；最后，该图像光束经光波导器件300的出光区300b出射。在这种情况下，由于双胶合透镜均具有较高的色差的校正能力，且双胶合透镜与其他透镜相互配合时，可以使透镜组同时具有较高的色差和像差的校正能力，可以大大减少常规透镜及透镜组合的使用数量，从而使得透镜组在具有较高的解像力的同时，透镜组整体镜片的数量相应减
少，有效缩短了集成有透镜组的近眼显示设备的长度。
31.例如，光波导器件300可以包括：光波导片301、耦入光栅302和耦出光栅303，耦入光栅302和耦出光栅303分别设置的在光波导片301的两端。耦入光栅302可以设置在光波导器件300中的光波导片301上的入光区300a，耦出光栅303可以设置在光波导片301的出光区300b。其中，耦入光栅302可以用于将透镜组200出射的图像光束耦入到光波导片301内，耦出光栅303用于接收耦入光栅302发出的图像光束，并将图像光束耦出光波导片301以进入人眼进行成像。
32.本技术中，近眼显示设备000中的微显示器100能够直接出射图像光束，并将该图像光束通过透镜组200调整后传输到光波导器件300进行成像，无需通过光源组件、中继镜组和光处理芯片的配合，向光波导器件300出射图像光束。如此，能够有效的减小近眼显示设备000的体积，进而使得集成有该近眼显示设备000的终端的体积较小。
33.综上所述，本技术实施例提供了一种近眼显示设备，包括：微显示器、透镜组和光波导器件。该近眼显示设备中的微显示器能够直接出射图像光束，并将图像光束通过透镜组的调整后传输到光波导器件进行成像，无需通过光源组件、中继镜组和光处理芯片的配合，向光波导器件出射图像光束。如此，能够有效的减小近眼显示设备的体积，进而使得集成有该近眼显示设备的终端的体积较小。
34.可选的，请参考图2，图2是本技术实施例提供的一种近眼显示设备的部分结构示意图。透镜组200中的双胶合透镜201可以包括：沿背离近眼显示设备000中的微显示器100的方向依次排布的第一子透镜2011和第二子透镜2012，该第一子透镜2011可以具有负光焦度，第二子透镜2012可以具有正光焦度。在本技术中，具有负光焦度的第一子透镜2011能够对图像光束起到发散的作用，具有正光焦度的第二子透镜2012能够对光线起到汇聚的作用。在这种情况下，为了使双胶合透镜201可以对透镜组200的色差进行校正，双胶合透镜201中的第一子透镜2011和第二子透镜2012应选用阿贝数(也称色散系数)相差较大的材料进行搭配。例如，第一子透镜2011的阿贝数可以为28.0，第二子透镜2012的阿贝数可以为64.0。
35.在本技术实施例中，双胶合透镜201中的第一子透镜2011和第二子透镜2012均可以为球面透镜。在本技术中，该第一子透镜2011可以具有入光面s1和第一胶合面，第一胶合面即为该第一子透镜2011的出光面s2。第一子透镜2011的入光面s1和第一胶合面均可以为球面。第二子透镜2012具有第二胶合面和出光面s3，该第二胶合面即为第二子透镜2012的入光面s4。第二子透镜2012的第二胶合面和出光面均可以为球面。第一子透镜2011中的第一胶合面与第二子透镜2012中的第二胶合面胶合以形成双胶合透镜201。
36.可选的，如图2所示，近眼显示设备000中的透镜组200还可以包括：第一透镜202和第二透镜203，该第一透镜202和第二透镜203均可以位于微显示器100和双胶合透镜201之间。第一透镜202可以具有正光焦度，该第二透镜203可以具有负光焦度。其中，透镜组200中的第一透镜202、第二透镜203和双胶合透镜201可以沿远离微显示器100的方向依次排布，且第一透镜202、第二透镜203和双胶合透镜201可以共光轴l。在这种情况下，能够通过透镜组200中的具有正光焦度的第一透镜202对微显示器100出射的图像光束进行汇聚，通过具有负光焦度的第二透镜203对从第一透镜202出射的图像光束进行发散。
37.在本技术实施例中，如图2所示，透镜组200中的第一透镜202和第二透镜203均可
以为非球面透镜。本技术中，透镜组200中的第一透镜202可以具有入光面s5和出光面s6，第一透镜202的入光面s5和出光面s6均可以为非球面。透镜组200中的第二透镜203可以具有入光面s7和出光面s8，该第二透镜203的入光面s7和出光面s8均可以为非球面。在这种情况下，通过呈非球面的第一透镜202和第二透镜203，能够对近眼显示设备光学系统内的像差(例如，场曲、畸变和球差)进行校正，以使得近眼显示设备000的成像质量较好。
38.需要说明的是，非球面透镜的特点是：从透镜中心到透镜周边，曲率是连续变化的，与从透镜中心到透镜周边具有恒定曲率的球面透镜不同，非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而改善成像质量。
39.可选的，由于对称非球面透镜的形状规则，便于加工制造，特别是旋转对称非球面透镜，更容易加工制造，因此，当该投影镜头中的非球面透镜，如第一非球面透镜、第二非球面透镜和第三非球面透镜，均采用旋转对称结构时，可以使该非球面透镜的加工方式简单，进而利于简化该投影镜头的加工，并降低生产成本。
40.需要说明的是，透镜组200中的的镜片通常采用玻璃材料制成，但是玻璃材料的价格较高，且对于非球面透镜，玻璃材料的非球面透镜加工较为困难，故第一透镜和第二透镜的材料可以为塑胶，例如480r，塑胶材料的价格较低，且对于非球面透镜，塑胶材料的非球面透镜加工较为容易。还需要说明的是，第一透镜和第二透镜的材料也可以为玻璃，本技术实施例对此不做具体的限定。
41.在本技术实施例中，双胶合透镜201中的第二子透镜2012背离第一子透镜2011的一面与微显示器100的出光面之间在光轴l上的距离可以小于12.5毫米。也即是，第二子透镜2012的出光面与光轴l的交点与微显示器100的出光面之间的水平距离可以小于12.5毫米。如此，进一步使得近眼显示设备000的体积较小，当该近眼显示设备000集成在终端中时，使得该终端的体积较小。
42.可选的，近眼显示设备000中的透镜组200的有效焦距的范围可以为：9毫米至10毫米。示例的，该透镜组200的有效焦距的值可以为9.56毫米。
43.在本技术实施例中，透镜组200中的第一透镜202和第二子透镜2012均可以为双凸透镜，第二透镜203和第一子透镜2011均可以为双凹透镜。在本技术中，第一透镜202的入光面s5可以为凸面，第一透镜202的出光面s6也可以为凸面；第二子透镜2012的入光面s4可以为凸面，第二子透镜2012的出光面s3也可以为凸面。第二透镜203的入光面s7可以为凹面，第二透镜203的出光面s8也可以为凹面；第一子透镜2011的入光面s1可以为凹面，第一子透镜2011的出光面s2也可以为凹面。
44.在这种情况下，当采用尺寸较小微显示器100时，微显示器100出射的图像光束首先经过双凸的第一透镜202汇聚后，然后经过双凹的第二透镜203进行发散。使得再经过后场中的双凹的第一子透镜2011进行发散时，不需要使得双凹的第一子透镜2011的曲率较大。如此，降低了双凹的第一子透镜2011的加工制造难度。在相关技术中，光处理芯片出射的光束经过两片相邻的双凸透镜将光束进行两次汇聚后，再经过后场中的双凹透镜进行光束的发散。这样，为了保证出瞳直径需要双凹透镜具备较大的曲率，导致双凹透镜的加工制造难度较大。
45.可选的，近眼显示设备000中的微显示器100可以包括：微型有机发光二极管(英
文：micro organic light-emitting diode；简称：micro oled)、微型发光二极管(英文：micro light-emitting diode；简称：micro led)或者微型液晶显示屏(英文：liquid crystal display；简称：lcd)。其中，在工作功率条件下micro-oled的亮度小于5000尼特(nits)，lcd的亮度小于15000尼特。本技术实施例中的微显示器为micro-led显示器时，例如可以为绿光micro-led，也可以是其他单色micro-led或彩色micro-led。相比于micro-oled和lcd，micro-led的亮度可达2000000至3000000尼特，远远高于micro-oled和lcd。此外，由于micro-led是自发光光源，搭配micro-led的投影系统具有更好的对比度及更好的显示延迟。
46.需要说明的是，尼特(nits)是衡量亮度的计量单位，亮度是人对光的强度的感受，可以用来表示画面的明亮程度。
47.在本技术实施例中，为了配合近眼显示设备000的小型化，微显示器100采用小尺寸的型号。示例的，微显示器100的有效发光区域对角线尺寸可以为0.22英寸，有效发光区域长宽比为4:3。其中，微显示器100的有效发光表面外设置有玻璃盖板，玻璃盖板可以以独立形式存在或集成封装在微显示器100上的形式存在。该玻璃盖板能够对微显示器的出光面进行保护，该玻璃盖板厚度可以为0.3mm。
48.表1是本技术实施例中的透镜组中的各个透镜的曲率半径r、厚度t、折射率nd、阿贝数vd。其中，曲率半径r和厚度t的单位均为毫米(mm)。
49.表1
50.面号曲率半径r厚度t折射率nd阿贝数vd第二子透镜5.1092.2811.8164.0第一子透镜-150.8001.5528.0 10.6090.800
ꢀꢀ
第二透镜-5.7950.8001.5445.0 4.7890.690
ꢀꢀ
第一透镜9.4972.3491.8054.0
ꢀ‑
8.9624.259
ꢀꢀ
51.首先需要说明的是，透镜组200中的球面镜片的镜片表面的曲率半径是指镜片表面的球面半径，非球面镜片的曲率半径是指镜片表面的顶点处的半径。为了更清楚的表示出镜片表面的弯曲方向，假设规定从像面到物面的方向为正，则透镜组中的镜片的表面到该镜片的圆心的方向与从像面到物面的方向相同时，该镜片的曲率半径为正；光学系统中的镜片的表面到该镜片的圆心的方向与从像面到物面的方向相反时，该镜片的曲率半径为负。需要说明的是，本技术中微显示器所在的一侧为物面，沿图像光束的传输方向远离微显示器的一侧为像面。
52.两个相邻透镜之间的中心距离，是指沿光轴方向，该两个透镜相邻的两个表面的端点位置处之间的水平距离。
53.如表1所示，第二子透镜2012的出光面s3的曲率半径的值为5.109毫米，第二子透镜2012的入光面s4的曲率半径的值为-15毫米；第一子透镜2011的出光面s2的曲率半径的值为-15毫米，第一子透镜2011的入光面s1的曲率半径的值为10.609毫米；第二透镜203的出光面s8的曲率半径的值为-5.795毫米，第二透镜203的入光面s7的曲率半径的值为4.789
毫米；第一透镜202的出光面s6的曲率半径的值为9.497毫米，第一透镜202的入光面s5的曲率半径的值为-8.962毫米。
54.第二子透镜2012的中心厚度的值为2.281毫米，第一子透镜2011的中心厚度的值为0.800毫米，第一子透镜2011与第二透镜203之间的中心距离为0.800毫米。第二透镜203的中心厚度的值为0.800毫米，第二透镜203和第一透镜202之间的中心距离为0.690毫米。第一透镜202的中心厚度的值为2.349毫米，第一透镜202与微显示器100表面的玻璃盖板之间的中心距离为4.259毫米。
55.第二子透镜2012的折射率为1.81，第二子透镜2012的阿贝数为64.0；第一子透镜2011的折射率为1.55，第一子透镜2011的阿贝数为28.0；第二透镜203的折射率为1.54，第二透镜203的阿贝数为45.0；第一透镜202的折射率为1.80，第一透镜202的阿贝数为54.0。
56.在本技术中，透镜组200中的第一透镜202的焦距的值为6.106毫米，第二透镜203的焦距的值为-4.730毫米，该第一子透镜2011的焦距的值为-29.830毫米，该第二子透镜2012的焦距的值为5.794毫米。该第一透镜202的通光口径的值为4.02毫米，该第二透镜203的通光口径的值为3.62毫米，该第一子透镜2011的通光口径的值为4.2毫米，该第二子透镜2012的通光口径的值为4.65毫米。
57.可选的，本技术实施例提供的近眼显示设备000的出瞳直径的值可以为4毫米，由于光波导器件300的入瞳直径的值与近眼显示设备000的出瞳直径的值相同。因此，该光波导器件300的入瞳直径的值也可以为4毫米。另外，本技术实施例提供的近眼显示设备所形成的视场角(英文：field angle of view；简称：fov)的值可以为30度。
58.请参考图3，图3是本技术实施例提供的一种光学系统的调制传递函数曲线示意图。其中，横坐标用于表示空间每毫米线对数，纵坐标用于表示调制传递函数。调制传递函数曲线(英文：modulation transfer function；简写：mtf)是指调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，用于评价光学元件对景物细部还原能力。
59.从图3可以看出，透镜组200在125线对(ip)/毫米的空间频率下的光学传递函数mtf的数值大于0.29，由此可知，该透镜组200具有良好的分辨率及解像能力。
60.请参考图4，图4是本技术实施例提供的一种光学系统的场曲的曲线示意图。其中，横坐标用于表示光学系统的场曲的变化值，单位为毫米，纵坐标用于表示光学系统的半视场角度值，单位为度。从图4中可以看出，场曲的数值在-0.03至0.03之间的范围内波动，说明该光学系统所成像面的弯曲度和翘曲度都比较小，场曲得到了良好的矫正。
61.请参考图5，图5是本身请实施例提供的一种光学系统的畸变的曲线示意图。其中，横坐标用于表示光学系统的畸变量的百分比，纵坐标用于表示光学系统的半视场角度值，单位为度。从图5中可以看出，最大光学畸变量小于1.5％，说明光学系统的成像画面的变形程度比较小。
62.请参考图6，图6是本技术实施例提供的一种光学系统的色差的曲线示意图。其中，横坐标用于表示光学系统的色差的变化数值，单位为微米(μm)，纵坐标用于表示光学系统的半视场角度值，单位为度。从图6中可以看出，光学系统的色差的数值控制在5微米以内，说明本光学系统采用双胶合透镜能够明显的消除色差，使得成像质量较好。
63.综上所述，本技术实施例提供了一种近眼显示设备，包括：微显示器、透镜组和光波导器件。该近眼显示设备中的微显示器能够直接出射图像光束，并将图像光束通过透镜
组的调整后传输到光波导器件进行成像，无需通过光源组件、中继镜组和光处理芯片的配合，向光波导器件出射图像光束。如此，能够有效的减小近眼显示设备的体积，进而使得集成有该近眼显示设备的终端的体积较小。
64.本技术实施例还提供了一种终端，该终端可以为头戴式设备或者ar眼睛。该终端可以包括：近眼显示设备000和控制器(图中未示出)，该控制器可以与近眼显示设备000连接，该控制器可以被配置为：控制该近眼显示设备000发射图像光束，以使该图像光束能够在近眼显示设备中的光波导器件300内进行传输，以进入人眼后成像。该近眼显示设备000可以为上述中任一给出的近眼显示设备。
65.可选的，该终端还可以包括至少一个网络接口、存储器、至少一个总线，总线用于实现控制器、网络接口、存储器和近眼显示设备之间的连接通信；存储器与网络接口分别通过总线与控制器相连。控制器还可以执行存储器中存储的可执行模块，例如计算机程序。存储器可能包含高速随机存取存储器(random accessmemory，ram)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个网络接口(有线或者无线)实现终端与至少一个其他设备之间的通信连接。在一些实施方式中，存储器存储了程序，程序能够被控制器执行以控制近眼显示设备发出携带虚拟图像信息的光线，且调节该虚拟图像信息。
66.在本技术中，术语“第一”和“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。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
67.以上所述仅为本技术的可选的实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。