CN107272210A - 一种能改善视觉体验的波导显示结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能改善视觉体验的波导显示结构，在传统波导近眼端放置屈光度为负的成像矫正镜片，在传统波导另一侧放置屈光度为正的系统矫正镜片，成像矫正镜片与系统矫正镜片相互补偿，此波导显示结构整体屈光度为0。本发明能在不改变传统波导本身的前提下，对显示成像结构做出修改，结构简单，加工成本低廉，能够令视力在‑120°到800°范围内的视力受损者、视力矫正者包括视力正常者从波导中看到清晰的图像，明显提升波导显示效果，同时不影响佩戴者对外界的观察，对改善波导视觉体验、推广波导显示技术应用有重要意义。

Description

一种能改善视觉体验的波导显示结构

技术领域

本发明属于光学波导技术领域，具体涉及一种能改善视觉体验的波导显示结构。

背景技术

随着现实增强技术与抬头显示技术在军事、生活中越来越多的应用，人们愈加重视现实增强与抬头显示的视觉体验。光学波导因具有重量轻、体积小、结构紧凑以及厚度薄等优点，是实现现实增强极好的载体。

然而，光学波导受其显示原理的限制，从波导射入人眼的光束都是平行光，这种显示结构对人眼要求较高，没有视力问题或有极轻微视力问题的佩戴者才能看清图像，如果佩戴者视力有哪怕仅仅50度的近视情况，从波导出射的光束入射人眼便不能理想地成像，佩戴者会看不清波导出射光束所携带的图像信息，影响视觉体验。如今的社会环境中充满了种种电子显示设备，受其影响，大部分人视力（包括视力矫正者）都会有超过50°的近视或远视情况，在这种大环境下，直接佩戴以光学波导为显示模组的智能穿戴设备，其视觉体验会大受影响。

能够解决上述问题的方法就是改变整体显示系统，或者外部增加屈光度调节结构。专利2015100311565曾提出一种带有屈光度的波导结构设计，能够在一定程度上缓解上述问题，然而波导本身的设计加工难度便很高，这种带有屈光度的波导更是增加了其设计、加工难度；而且这种波导一旦加工成型，其屈光度便固定不可更改，对不同视力情况的佩戴者，适应性上还是存在问题的。

伴随波导智能穿戴设备的推广，这种对佩戴者有严格视力要求的光学波导显示结构引起的视觉体验问题会显得愈加突出、严重。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种能改善视觉体验的波导显示结构，在不改变传统光学波导本身结构的前提下，能够使得在一定范围内的视力受损者获得更好的视觉体验。

本发明提出的一种改视觉体验的波导显示结构，包括：传统波导近眼端放置屈光度为负的成像矫正镜片；传统波导另一侧放置屈光度为正的系统矫正镜片；成像矫正镜片与系统矫正镜片相互补偿，此波导显示结构整体屈光度为0。

可选的，所述成像矫正镜片屈光度为-100度。

可选的，所述系统矫正镜片屈光度为+99度。

可选的，所述成像矫正镜片一面是平面、一面是球面；其中平面靠近传统波导，球面靠近人眼。

可选的，所述系统矫正镜片一面是平面、一面是球面；其中平面靠近传统波导，球面远离人眼。

所述成像矫正镜片与传统波导之间、系统矫正镜片与传统波导之间均有空气间隔，空气间隔厚度从20um-2mm不等，根据实际要求确定；所述成像矫正镜片与传统波导之间的空气间隔，系统矫正镜片与传统波导之间的空气间隔，两者可相同或不同。

可选的，所述成像矫正镜片与系统矫正镜片的外形均与传统波导相似或相同。

可选的，所述成像矫正镜片与系统矫正镜片做过表面硬化处理与镀膜处理。

经过本发明的结构设计后，对从波导出射的光束进行适当调制，可以使得在-120°~800°范围内的视力校正者、视力正常者与视力受损者都能看清波导器件显示的图像，同时不影响佩戴者观察外界环境，提升了佩戴者的视觉体验。

附图说明

图1 是传统波导的成像显示结构示意图；

图2 是本发明提出的一种能改善视觉体验的波导显示结构示意图；

图3 是不同程度视力受损者观看波导中图片的效果示意图，其中(a)为视力正常者观看波导中图片的效果，(b)为50°近视者观看波导中图片的效果，(c)为100°近视者观看波导中图片的效果，(d)为100°远视者观看波导中图片的效果，(e)为100°近视者佩戴本结构观看波导中图片的效果；

附图标记说明：

1、成像矫正镜片；21、传统波导；22、传统波导出光口；23、携带图像信息的入射平行光；24、从传统波导出光口出射的平行光；25、从传统波导出光口出射，经过成像矫正镜片调制的发散出射光；3、系统矫正镜片；4、外界环境入射光线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，本实施例中列举的传统波导结构非对本发明中“传统波导”的限定，事实上任何出射光束为平行光的显示波导都可认为被包含在本发明“传统波导”的定义内。

图1为传统波导的成像显示结构，携带图像信息的平行光23在传统波导21内部通过全反射的方式曲折前进，在经过传统波导出光口22时，由于22特殊的表面设计，部分光束的全反射条件被破坏，会从22出射。在传统波导的显示结构中，从22出射的光束是平行光24，24会直接射入人眼并在视网膜上成像。但这种显示结构对人眼要求较高，没有视力问题或有极轻微视力问题的佩戴者才能看清图像，如果佩戴者视力有哪怕仅仅50度的近视情况，原本细节清晰的图像就会变得模糊，具体效果如图3所示。

图2为本发明公布的一种改视觉体验的波导显示结构，其中1是靠近人眼的成像矫正镜片，材质使用光学塑料PC，中心厚度为0.7mm，焦距为-1000mm；1的两个面一个是平面，一个是球面，球面靠近人眼，曲率半径为589mm，球面中心与瞳孔中心对齐。由专利2016106807776知，波导表面不易直接覆盖材料，因此成像矫正镜片1的平面靠近波导21，但需要与波导之间有着一定空气间隔，此间隔我们一般取20um-2mm，具体数值由实际要求确定，在本例中，空气间隔为0.05mm。3是远离人眼的系统矫正镜片，材质使用光学塑料PC，中心厚度为1.2mm，焦距约为1012mm；3的两个面一个是平面，一个是球面，球面远离人眼，曲率半径为597mm，球面中心与瞳孔中心对齐，平面靠近波导21，与波导距离0.05mm。

成像矫正镜片1与传统波导21的空气间隔、系统矫正镜片3与传统波导21的空气间隔，两者没有必然数值关系，可相同可不同，具体由实际情况确定。为了方便结构上的设计，外形上，成像矫正镜片1、系统矫正镜片3均与传统波导21相同或相似。成像矫正镜片1与系统矫正镜片3的表面都做过硬化、防雾、增透以及抗紫外处理，具有较好的综合光学特性。

在本结构设计中，1具有负屈光度，会对从出光口22射出的平行光束24产生发散作用，变成有一定角度的发散光束25，其等效光学效果为：将原本位于无穷远处的图像呈现在人眼前方1m（依照1的屈光度计算）左右，根据25岁人眼平均调节能力计算，视力范围在 -120°~800°（即近视小于120度，远视小于800度）的视力受损者、视力正常者与视力矫正者都能看清波导显示的图像，具体效果如图3(e)所示，佩戴者能观察到清晰的图像，视觉体验效果明显提升，能够获得更好的现实增强体验。

系统矫正镜片3位于传统波导2外围，具有矫正系统光线的作用。由于1对透过的光束都会进行发散，外界环境的入射光线4如果不经矫正直接穿过结构21、1入射人眼，可能会造成视物不清。本显示结构经过设计，3的屈光度为+99°，可以使得本结构系统的整体屈光度为0，这样一来，3可以对射入的外界光线提前进行矫正，保证了使用者佩戴本结构观察到的外界环境与使用者不佩戴本结构直接观察到的外界环境无异。故而，本发明能够令 -120°~800°的视力受损者、视力正常者与视力矫正者从波导中看到清晰的图像，同时不会影响佩戴者对外界环境的观察，能够明显地改善传统波导显示结构的视觉效果，提升现实增强体验。

专利2015100311565曾提出一种屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件，这种结构是对波导经过特殊设计，从出光口出射的光束不是平行光，而是带有一定发散角度的光束，本身具有一定屈光度，能够将图像成像在人眼前方某个位置，与本专利具有相近的改善效果。然而，该专利对波导结构进行特殊设计，波导的设计、加工门槛本身就较高，这无疑更增加了其设计、加工难度，制约了波导显示技术的推广与发展，而且该专利结构一旦成型，其屈光度便固定不可更改，其适用人群也固定。

本发明在不改变传统波导本身的基础上，对波导显示结构略做修改，能够保证不影响佩戴者观察外界场景的同时，在一定程度上改善成像质量，令视力在-100 °~800°内的佩戴者清晰观察到传统波导所成图像，对视力正常以及视力矫正者同样适用，可为较大范围的佩戴者提供更优质的视觉体验。本发明可以根据实际需求确定成像矫正镜片、系统矫正镜片的度数，能够适应不同情况的佩戴者，而且本发明结构简单、效果明显，能够提高视觉显示效果、对波导显示技术的推广与发展有重要作用。

本发明上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于，包括：

传统波导近眼端放置屈光度为负的成像矫正镜片；

传统波导另一侧放置屈光度为正的系统矫正镜片；

成像矫正镜片与系统矫正镜片相互补偿，此波导显示结构整体屈光度为0。

2.根据权利要求1所述的一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于：所述成像矫正镜片屈光度为-100度。

3.根据权利要求1所述的一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于：所述系统矫正镜片屈光度为+99度。

4.根据权利要求2所述的一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于：所述成像矫正镜片一面是平面、一面是球面；其中平面靠近传统波导，球面靠近人眼。

5.根据权利要求3所述的一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于：所述系统矫正镜片一面是平面、一面是球面；其中平面靠近传统波导，球面远离人眼。

6.根据权利要求1-5所述的一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于：所述成像矫正镜片与传统波导之间、系统矫正镜片与传统波导之间均有空气间隔，空气间隔厚度从20um-2mm不等，根据实际要求确定；

所述成像矫正镜片与传统波导之间的空气间隔，系统矫正镜片与传统波导之间的空气间隔，两者可相同或不同。

7.根据权利要求1-5所述的一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于：所述成像矫正镜片与系统矫正镜片的外形均与传统波导相似或相同。

8.根据权利要求1-5所述的一种能改善视觉体验的波导显示结构，其特征在于：所述成像矫正镜片与系统矫正镜片做过表面硬化处理与镀膜处理。