CN107024773A - 一种轻薄型虚像成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻薄型虚像成像装置和使用其的近眼显示设备，包括了放大透镜，反射型偏振片以及置于二者之间的相位改变元件，利用了光的偏振性以借助放大透镜两次放大，实现屏幕位于近眼区域内时对显示图像的放大要求，使整体设备很轻薄。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻薄型虚像成像装置，尤其涉及一种以无焦透镜实现的大视场轻薄化虚像成像装置，在使用透明显示元件的情况下，实现虚拟现实的近眼显示各种应用。
背景技术
虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，一直受限于图像处理器的数据处理量，显示器的刷新速率，传感器的反馈速度等因素，致使能够获得较好效果的VR/AR设备均难以避免相对较大的体积，而无法得到消费者层面上的广泛应用。而近年来，随着消费电子技术的蓬勃发展，头戴式的VR/AR显示器(又称VR/AR眼镜，或者近眼显示装置)在装置体积和用户交互性上逐步达到了消费者可以承受的范围，而越来越多的被喻为下一代计算平台而被各大厂商热捧。
在VR领域，为了追求沉浸感，大部分现有产品位于用户眼前的光学元件均有一定的厚度且被封闭于眼周，通过调节显示元件和光学元件的距离可以实现一定的视度普适性，但难以实现大视场下的轻薄化，佩戴时会带来负担。在AR领域，透射式的头戴显示器(HMD)使用诸如反射镜(reflect mirror)、棱柱和全息透镜等光学元件将来自一个或两个(甚至更多个)小尺寸显示元件的图像光添加到用户的视觉路径中，以虚像的形式而被用户的视觉系统感知。小尺寸显示元件提供的图像光能够达到的视角(FOV)和光强度依赖于光学元件的选择和设计，虽然通过拼接可以实现更为广阔的视角，但是使用拼接的方式将不可避免的增加图像光处理系统的复杂度，以及增加了装置的成本和体积。同时，从本质上说，光学元件旨在实现在用户的视觉路径中增加图像光，而受外界环境光的影响以及微型显示元件光亮度的限制，诸如增强现实图像等虚拟物品看上去半透明(translucent)或有重影(ghosted)，特别是具有低功耗优势的自主发光型微型显示元件发出的图像光强度难以达到较高的亮度等级，而不能要求外界环境光的强度主动适应微型显示元件发出的图像光亮度，使得增强现实或者其他混合现实情形下的影像看上去不真实。
发明内容
本发明涉及一种轻薄型虚像成像装置，基于无焦弯月型的放大透镜，实现轻薄大视场的虚拟现实或者增强现实显示，成像装置的整体厚度可以减小至约20mm以下，可以极大的提高使用者的使用体验。
根据本发明的一种虚像成像装置，包括：
放大透镜，包括第一表面和第二表面，所述第一表面或第二表面具有分光层以使自然光可以透过所述放大透镜；
相位改变元件，与所述放大透镜相邻，且与放大透镜同轴设置；
反射型偏振片，紧贴所述相位改变元件，置于所述放大透镜的相对侧，
其中，所述放大透镜在光轴方向上的厚度D满足1mm≤D≤10mm，所述虚像成像装置在沿光轴方向的厚度L满足10mm＜L＜21mm。
在一种具体的示例中，第一表面的面型和第二表面的面型一致，以使所述放大透镜对通过其的自然光不具备光焦度；或者，在另外的示例中，第一表面的面型和第二表面的面型不一致，以使所述放大透镜对通过其的自然光具备预定光焦度，这种预定的光焦度与观察者眼睛的视度相匹配。
优选的，相位改变元件为1/4波片；反射型偏振片可以为亚波长金属光栅结构。
进一步的，放大透镜包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜的相邻表面保持相同的表面面型且之间具有不超过0.3mm的面间距。
根据本发明的放大透镜，当其包括两个透镜时，第一透镜和第二透镜具有不同的光焦度类型，构成凹-凸或者凸-凹的类双胶合透镜组。
本发明还提供一种具有上述虚像成像装置的近眼显示设备，其中进一步包括显示元件，所述显示元件用以显示图像，并向所述虚像成像装置一侧发出具有预定偏振态的偏振光。
这样的显示元件可以为液晶显示器件，包括光源，液晶层和透光性导光板，所述光源位于导光板的一侧表面附近。当实现非透射式的应用时，在所述导光板的远离液晶层一侧的表面覆有不透光的反射层。
可选的，这样的所述显示元件也可以为OLED型显示器件，在OLED型显示器件朝向所述虚像成像装置一侧的表面具有起偏层。
根据本发明的虚像成像装置和近眼显示设备，可以实现VR和AR模式下的应用，只借助放大透镜即可实现屏幕位于近眼区域内时，对显示图像的放大要求，使整体设备轻薄，作为近眼显示设备佩戴时更佳舒适。
附图说明
图1为具有本发明的虚像成像装置的近眼显示装置原理示意图
图2为根据本发明第一实施例的虚像成像装置示意图
图3为根据本发明使用本发明第一实施例的虚像成像装置构成近眼显示装置的示意图
图4为根据本发明第二实施例的虚像成像装置示意图
图5为根据本发明第三实施例的虚像成像装置示意图
具体实施方式
以下内容将参考附图和各元件的结构等来详细讨论具体实施本发明的虚像成像装置的实际示例，相同或相应的部件使用同样的标号。本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发明的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照下述实施例之外的方式组合，组合后的技术方案仍落在本申请的范围之内。
在本公开中，表述“第一”和“第二”等可以修饰本公开的多种组成元件，但是不限制对应的组成元件。例如，表述不限制对应的组成元件的顺序和/或重要性等。表述可以用于将一个组成元件与另一组成元件区分开来。例如，第一用户装置和第二用户装置全部为用户装置，且代表不同的用户装置。例如，第一组成元件可以被命名为第二组成元件而不脱离本公开的精神和范围。相同地，即使第二组成元件也可以被命名为第一组成元件。
[第一实施例]
图1示出具有增强现实能力的近眼显示设备一示例实施例，例如一种光学透视式HMD设备，包括用以添加图像光的虚像成像装置，虚像成像装置放置于用户眼睛的前方，类似于眼镜透镜，通常，提供一对虚像成像装置，每只眼睛对应一个。
虚像成像装置将增强现实(AR)图像射向用户的眼睛，具体的，来自现实世界场景120的光(即环境光)，比如光线114，与来自显示元件的光，如光线116，在用户眼睛处融合，从而使用户看到图像132。在图像132中，可以看到现实场景120的一部分，比如一个小树林，以及来自显示元件的用于增强现实的图像104，比如此时并不存在于树林中的飞鸟。在这个面向娱乐的示例中，可以叠加与现实场景不相关的图像，比如以海豚代替飞鸟，从而使用户看到海豚飞跃了树木的奇特图像。在面向广告的示例中，该增强现实的图像可以显现为希望展示给用户的影像，比如在桌面上的一罐汽水，以及，还可以拓展至许多其他的应用。本领域技术人员可以理解的，同样的虚像成像装置也可以适用于不具备增强显示能力的近眼显示设备，例如阻挡环境光进入虚拟成像装置时，用作虚拟现实(VR)的近眼显示设备。
根据本发明第一实施例的虚像成像装置，如图2所示，包括环境侧到观察者一侧依次排列着，放大透镜1，相位改变元件2和反射型偏振片3，其中放大透镜1为单透镜，具有靠近环境侧(显示元件)的第一表面11和靠近观察者侧的第二表面12，在本实施方式中，第一表面具有用于分光的半反半透膜，该半反半透膜不具备偏振性，环境光部分的通过时，不影响其偏振状态。当环境光以自然光形式入射至放大透镜1时，半反半透膜将反射部分自然光并透过部分自然光，典型的透反比例为1:1，但不限于此的，透反比可以根据光强度需求进行改变，相应的半反半透膜的膜系进行相应的改变，或者，可选择的，附加其他分光原理的分光层，当其不在第一表面上增加显著的厚度时，可以同样适用本发明。
如图3所示，近眼显示设备中提供图像光的显示元件10可以为小尺寸的LCD显示元件，用以显示图像并向图像光向观察者一侧发出，一般的，LCD显示元件发出的图像光具有预定的偏振态，出射光的偏振态由LCD显示元件内部的偏振元件配合确定；显示元件10发出的具有预定偏振态的图像光入射至放大透镜1，经放大透镜1的第一表面11的半反半透层后，透射的图像光从第一表面11进入放大透镜1，在放大透镜1内传播到达第二表面12，第一次透射出放大透镜1，进入相位改变元件2。作为一种典型的方式，相位改变元件2是1/4波片，图像光经过相位改变元件2，第一次到达反射型偏振片3，反射型偏振片3可以选自诸如亚波长金属光栅一类的、对特定偏振方向的偏振光高反射，而对与之偏振方向正交的偏振光高透射；上述第一次到达反射型偏振片3的图像光的偏振态与反射型偏振片3的特定偏振方向相匹配，从而从反射型偏振片3反射再次进入相位改变元件2，经相位改变元件2和放大透镜1的第二表面12透射，到达放大透镜1的第一表面11被反射回放大透镜内，再次经过第二表面12透射和相位改变元件2后，偏振态达到满足被反射型偏振片3透射的状态，从而到达观察者眼睛进行成像，由于两次在具有曲率的表面透射和反射，等效于利用了两次曲面光焦度以改变传播方向，从而达到了对显示元件所显示的图像进行光学放大的倍数要求。
透明型显示元件
透明型显示元件是本发明的虚像成像装置实现增强现实(AR)工作模式的前提，一种典型的透明型显示元件可以是液晶显示器件(LCD)，作为本发明中的一种优选的实施方式，如图3所示的，液晶显示器件LCD包括液晶LC层，LED/QD等高亮度低功耗光源和透光性导光板，LED光源设置在透光性导光板的一侧，透光性导光板包括相互平行的两表面，以及在两表面之间与两表面具有预定倾斜角的分光面，由光源发出的光经由导光板的侧面入射，以全反射的方式在导光板内传播，分光面上具有半反半透膜，当光传到至分光面时，由于分光面的反射作用，被分光面反射的光不再满足全反射条件而从互相平行的两表面中面对LC层的一侧出射，作为LC层的照明光，使LCD成为透明的显示器。当LC层面积较小时，分光面可以只分布于导光板中正对LC层的区域内。LED光源的强度可以调整，受增强现实图像控制器的控制。
在图1示出具有增强现实能力的近眼显示设备中，还包括环境光传感器(未图示)，用以感测环境光强度，增强现实图像控制器接收到从环境光传感器提供的信号，可以减弱或者加强LED的光源亮度，以适应环境光和图像光在用户视觉上的对比度要求。例如，当环境光强度比较高时，环境光本身经过透光性导光板进入透射进入液晶显示器件的强度也相对较高，可以作为LCD的外光源使用，此时LED/QD光源的强度可以维持在一定的亮度，作为补偿环境光经过导光板层后的损失的强度，以达到环境光强度和LCD发出的图像光强度在经过后续光学元件时具有大概一致的强度，使用户看到的图像具有真实感。当环境光的强度较低时，环境光经过透光性导光板进入透射进入液晶显示器件的强度将明显较小，此时LED光源的强度需要提高，以确保LCD发出的图像光达到一定的亮度。但不限于此的，也可以根据场景对比度的需要根据环境光强度调节LED的亮度，使增强现实的显示效果更佳舒适和真实。
不限于上述模式的，图1所示的近眼显示设备的示例还可以作为VR模式使用，VR模式下由于无需透射环境光，透光性导光板面对LC层一面的相对面上涂覆反光层，以屏蔽环境光并提高LED光源的照明效率。
当近眼显示设备工作在VR模式时，第一表面的面型和第二表面的面型根据显示元件尺寸和放大倍率的要求可以进行设置；而当近眼显示设备工作在AR模式时，需要使用透明型显示元件，并且优选的，使第一表面11与第二表面12具有一致的面型，此时，对于环境光而言，由于其为自然光，绝大部分不具备偏振态，两表面面型相同的情况下，放大透镜1对于透射通过的环境光而言不引入光焦度，即环境光依次经过放大透镜1、相位改变元件2和反射型偏振片3，仅仅发生光能量损失，而不会改变传播方向，从观察者目视效果看来表现为亮度降低，而不影响环境光在眼球内的正常成像，因此，可以实现增强现实的显示效果。
作为一种可选的方式，第一表面11和第二表面12可以具有不同的面型，以使放大透镜1可以相对于环境光等效于矫正视力用的镜片，通过第一表面11和第二表面12的面型差异形成预定的视度以适应观察者的视度需求，第一表面11依然作为半反半透面，为显示元件发出的图像光提供曲面光焦度，以确保显示元件显示的图像满足光学放大倍数的要求。
根据本发明第一实施例的虚像成像装置，一种具体的放大透镜1可以具有如表1所示的各表面参数，这样的单透镜可以达到1mm的厚度，并向显示元件方向弯曲以形成弯月状，从反射型偏振片3最靠近人眼侧的表面至放大透镜1最靠近显示元件侧的表面，所述虚像成像装置的轴向厚度L不大于13mm，缩小了占用使用者视线方向上的体积，有利于装置的小型化和轻量化。
| 表面标号 | 曲率(单位mm) | 厚度(单位mm) | 折射率 |
| 1 | ∞ | 1 | 16.5270053837925 |
| 2 | ∞ | 0.1 | 16.8756545625419 |
| 3 | ∞ | 1 | 16.9332895894609 |
| 4 | ∞ | 4.93070726476682 | 17.2819387682103 |
| 5 | -33.6539903291253 | 1 | 17.3395819764002 |
| 6 | -33.6539903291253 | 0 | 14.8545154251814 |
| 7 | ∞ | 3.80134632929511 | 12.2410812048296 |
| 8 | ∞ | 1 | 9.35113657659484 |
| 9 | ∞ | 0 | 8.91599516990909 |
表1
[第二实施例]
如图4所示，实现本发明的近眼显示装置还可以使用如第二实施例的虚像成像装置，包括环境侧到观察者一侧依次排列着的，放大透镜1，相位改变元件2和反射型偏振片3，与第一实施例不同的是，放大透镜1为双透镜1A，双透镜包括凹透镜和凸透镜，两透镜间具有一细小的空气隙，两透镜相邻的表面分别为凸透镜上靠近环境侧(显示元件)的表面11A和凹透镜上靠近观察者侧的表面12A，表面11A和表面12A具有一致的面型。在本实施方式中，表面11A具有半反半透膜，该半反半透膜不具备偏振性，环境光部分的通过时，不影响其偏振状态。当环境光以自然光形式入射至放大透镜1时，半反半透膜将反射部分自然光并透过部分自然光。
相应的，与第一实施例类似，作为双透镜1A构成的放大透镜1，具有靠近环境侧的第一表面11和靠近观察者侧的第二表面12，如图4所示。当近眼显示设备工作在VR模式时，第一表面的面型和第二表面的面型根据显示元件尺寸和放大倍率的要求可以进行设置；而当近眼显示设备工作在AR模式时，需要使用透明型显示元件，并且优选的，使第一表面11与第二表面12具有一致的面型，此时，对于环境光而言，由于其为自然光，绝大部分不具备偏振态，上述两表面面型相同的情况下，放大透镜1A整体上依然等效于平板玻璃，如果环境光依次经过放大透镜1A、相位改变元件2和反射型偏振片3，仅仅发生光能量损失，而不会改变传播方向，从观察者目视效果看来表现为亮度降低，而不影响环境光在眼球内的正常成像，因此，可以实现增强现实的显示效果。
根据本发明第二实施例的虚像成像装置，一种具体的双透镜1A构成的放大透镜1可以具有如表2所示的各表面参数，这样的双透镜1A具有不超过6mm的沿光轴方向厚度，其中包括在表面11A和表面12A之间的具有约0.1mm的空气间隔，以类似双胶合的透镜的构成方式实现双透镜1A，这样可以实现虚像成像装置实际像差的减小和放大率的增加，但相应的，从反射型偏振片3最靠近人眼侧的表面至放大透镜1最靠近显示元件侧的表面，所述虚像成像装置的轴向厚度L大约21mm。
| 表面标号 | 曲率(单位mm) | 厚度(单位mm) | 折射率 |
| 1 | ∞ | 1 | 16 |
| 2 | ∞ | 0.1 | 16 |
| 3 | ∞ | 1 | 16 |
| 4 | ∞ | 0.1 | 16 |
| 5 | 60.4789995842229 | 4.17 | 16 |
| 6 | -94.2651543543704 | 0.1 | 16 |
| 7 | -94.2651543543704 | 1 | 16 |
| 8 | 60.4789995842229 | 0 | 16 |
| 9 | ∞ | 12.2 | 13.9088872254126 |
| 10 | ∞ | 1 | 16 |
| 11 | ∞ | 0 | 10.8189036548695 |
表2
[第三实施例]
如图3所示，根据本发明第三实施例的虚像成像装置，与第二实施例不同的是，包括环境侧到观察者一侧依次排列着，反射型偏振片3，相位改变元件2和放大透镜1，与第二实施例类似的是，放大透镜1为双透镜1B，双透镜1B包括凹透镜和凸透镜，两透镜间具有一细小的空气隙，两透镜相邻的表面分别为凹透镜上靠近环境侧(显示元件)的表面11B和凸透镜上靠近观察者侧的表面12B，表面11B和表面12B具有一致的面型。在本实施方式中，表面11B具有半反半透膜，该半反半透膜不具备偏振性(即不影响光的偏振态)，当环境光以自然光形式入射至放大透镜1时，半反半透膜将反射部分自然光并透过部分自然光。
相应的，与第一、二实施例类似，作为双透镜1B构成的放大透镜1，具有靠近环境侧的第一表面11和朝向环境侧的第二表面12，如图3所示。当近眼显示设备工作在VR模式时，第一表面的面型和第二表面的面型根据显示元件尺寸和放大倍率的要求可以进行设置；而当近眼显示设备工作在AR模式时，需要使用透明型显示元件，并且优选的，使第一表面11与第二表面12具有一致的面型，此时，对于环境光而言，由于其为自然光，绝大部分不具备偏振态，上述两表面面型相同的情况下，放大透镜1B整体上依然等效于平板玻璃，如果环境光依次经过反射型偏振片3、相位改变元件2和放大透镜1B，仅仅发生光能量损失，而不会改变传播方向，从观察者目视效果看来表现为亮度降低，而不影响环境光在眼球内的正常成像，因此，可以实现增强现实的显示效果。
根据本发明第三实施例的虚像成像装置，一种具体的双透镜1B构成的放大透镜1可以具有约表3所示各表面参数，这样的双透镜1B具有不超过5mm的沿光轴方向厚度，其中包括在表面11B和表面12B之间的具有约0.1mm的空气间隔，以类似双胶合的透镜的构成方式实现双透镜1B，这样可以实现虚像成像装置实际像差的减小和放大率的增加，但相应的，从放大透镜1最靠近人眼侧的表面至反射型偏振片3最靠近显示元件侧的表面，所述虚像成像装置的轴向厚度L大约21mm。
| 表面标号 | 曲率(单位mm) | 厚度(单位mm) | 折射率 |
| 1 | -361.104887244362 | 0.85 | 14.2399436126742 |
| 2 | 56.4077576062901 | 0.1 | 15.6523597694952 |
| 3 | 56.4077576062901 | 3.5 | 15.8781832040196 |
| 4 | -361.104887244362 | 0.1 | 16.2340457291648 |
| 5 | ∞ | 1 | 16.5416969483132 |
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| 7 | ∞ | 1 | 17.1958857605869 |
| 8 | ∞ | 13.3 | 16.8874213927637 |
| 9 | ∞ | 1 | 10.6237277172717 |
| 10 | ∞ | 0 | 10.4995236955036 |
表3
可选的，OLED型显示器件也可以作为本发明中的透明型显示元件，但由于OLED型显示器件本身不会发出具有偏振态的图像光，当使用OLED型显示器件时，在OLED显示器件的出光面具有起偏层。
根据本发明的虚像成像装置和近眼显示设备，可以实现VR和AR模式下的应用，第一表面和第二表面的面型可以实现为球面，非球面，自由曲面等面型，使单透镜构成的放大透镜在光轴上的厚度减小至1-3mm，双透镜构成的放大透镜在光轴上的厚度也不超过10mm，考虑到装配精度和总长度的要求，双透镜相邻表面间的间隔不超过0.3mm，从而可以实现大视场下整体虚像成像装置的轻薄化；成像过程中可以利用放大透镜的半反半透面实现两次放大，满足了屏幕位于近眼区域内时，对显示图像的放大要求，而且适当降低能量的环境光还有效的提高了显示元件投射出的图像光与环境光在人眼处目视图像时的对比度过强感，使增强现实的显示效果更佳舒适。
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种轻薄型虚像成像装置，包括：
放大透镜，包括第一表面和第二表面，所述第一表面或第二表面具有分光层以使自然光可以透过所述放大透镜；
相位改变元件，与所述放大透镜相邻，且与放大透镜同轴设置；
反射型偏振片，紧贴所述相位改变元件，置于所述放大透镜的相对侧，
其中，所述放大透镜在光轴方向上的厚度D满足1mm≤D≤10mm，所述虚像成像装置在沿光轴方向的厚度L满足10mm＜L＜21mm。
2.如权利要求1所述的轻薄型虚像成像装置，其特征在于所述第一表面的面型和第二表面的面型一致，以使所述放大透镜对通过其的自然光不具备光焦度；或者，所述第一表面的面型和第二表面的面型不一致，以使所述放大透镜对通过其的自然光具备预定光焦度，所述预定的光焦度与观察者眼睛的视度相匹配。
3.如权利要求1所述的轻薄型虚像成像装置，其特征在于所述相位改变元件为1/4波片。
4.如权利要求1所述的轻薄型虚像成像装置，其特征在于所述反射型偏振片包括亚波长金属光栅结构。
5.如权利要求1所述的轻薄型虚像成像装置，其特征在于所述放大透镜包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜的相邻表面保持相同的表面面型且之间具有不超过0.3mm的面间距。
6.如权利要求6所述的轻薄型虚像成像装置，其特征在于所述第一透镜和第二透镜具有不同的光焦度类型，构成凹-凸或者凸-凹的类双胶合透镜组。
7.一种具有权利要求1-6任一轻薄型虚像成像装置的近眼显示设备，其特征在于，还包括显示元件，所述显示元件用以显示图像，并向所述虚像成像装置一侧发出具有预定偏振态的偏振光。
8.如权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于所述显示元件为液晶显示器件，包括光源，液晶层和透光性导光板，所述光源位于导光板的一侧表面附近。
9.如权利要求8所述的近眼显示设备，其特征在于，在所述导光板的远离液晶层一侧的表面覆有不透光的反射层。
10.如权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，所述显示元件为OLED型显示器件，所述OLED型显示器件朝向所述虚像成像装置一侧的表面具有起偏层。
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