CN109507798A - 近眼显示装置 - Google Patents

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CN109507798A CN201710830603.8A CN201710830603A CN109507798A CN 109507798 A CN109507798 A CN 109507798A CN 201710830603 A CN201710830603 A CN 201710830603A CN 109507798 A CN109507798 A CN 109507798A
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庄福明
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Abstract

本发明提供一种近眼显示装置，其包括显示器以及透镜元件。显示器具有出光面。透镜元件位于显示器的出光面的前方。透镜元件包括N个环型透镜阵列，其中N为大于1的正整数，且N个环型透镜阵列具有中心轴。N个环型透镜阵列的每一个包括多个透镜单元。位于同一环型透镜阵列中的多个透镜单元的任相邻两个之间没有段差。在第i个环型透镜阵列中，多个透镜单元的总数与多个透镜单元的至少一个的位置相关，且多个透镜单元的总数与多个透镜单元的节距相关，i＝1到N。本发明的近眼显示装置具有好的成像品质、组装便利以及简化制程等优点。

Description

近眼显示装置
技术领域
本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种近眼显示装置。
背景技术
近眼显示装置是利用光场技术的一种显示装置，其通常包括显示器以及沿着正交的X方向和Y方向排列的XY透镜阵列(Lens Array)。XY透镜阵列配置在显示器的前方，以将显示器上的多个子影像(Elemental image)传递至使用者的眼中，让使用者在远方(显示器后方)看到一个由多个子影像拼接而成的完整虚像。在近眼显示装置中，透镜阵列影响虚像的成像品质，因此透镜阵列的光学设计及制造、以及透镜阵列与显示器的组装格外重要。
发明内容
本发明提供一种近眼显示装置，其具有好的成像品质、组装便利以及简化制程等优点。
本发明的其它目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部份或全部目的或是其它目的，本发明的实施例提出一种近眼显示装置，其包括显示器以及透镜元件。显示器具有出光面。透镜元件位于显示器的出光面的前方。透镜元件包括N个环型透镜阵列，其中N为大于1的正整数，且N个环型透镜阵列具有中心轴。N个环型透镜阵列的每一个包括多个透镜单元。位于同一环型透镜阵列中的多个透镜单元的任相邻两个之间没有段差。在第i个环型透镜阵列中，多个透镜单元的总数与多个透镜单元的至少一个的位置相关，且多个透镜单元的总数与多个透镜单元的节距相关，i＝1到N。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例的近眼显示装置中，环型透镜阵列比XY透镜阵列更容易对准显示器，且位于同一环型透镜阵列中的多个透镜单元的任相邻两个之间没有段差的设计除了有助于改善/解决杂散光以及透镜单元的有效面积缩小(或有效孔径缩小)使得入射光的进光量变少的问题之外，还有助于降低制程难度。因此，本发明的实施例的近眼显示装置具有好的成像品质、组装便利以及简化制程等优点。
附图说明
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1是依据本发明的实施例的近眼显示装置与使用者的眼睛的关系示意图；
图2A是依据本发明的实施例的近眼显示装置中的透镜元件的正视示意图；
图2B及图2C分别是图2A中剖线I-I’及剖线II-II’的剖面示意图；
图3A是依据本发明的实施例的近眼显示装置的显示器所显示的多个子影像的示意图；
图3B是使用本发明的实施例的近眼显示装置所产生的虚像；
图4是使用比较例的近眼显示装置所产生的虚像；
图5是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图；
图6是使用图5中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数(ModulationTransfer Function,MTF)曲线图；
图7是使用比较例的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图；
图8是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图；
图9是使用图8中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图；
图10是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图；
图11是使用图10中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图；
图12是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图；
图13是使用图12中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图。
具体实施方式
图1是依据本发明的实施例的近眼显示装置与使用者的眼睛的关系示意图。图2A是依据本发明的实施例的近眼显示装置中的透镜元件的正视示意图。图2B及图2C分别是图2A中剖线I-I’及剖线II-II’的剖面示意图。
请先参照图1，在本实施例中，近眼显示装置100用于配戴在使用者的眼睛(例如左眼LE及右眼RE)的前方，并利用光场技术将显示光束B传递至使用者的眼睛。在本实施例中，近眼显示装置100例如近眼光场显示装置(Near-Eye Light Field Display)。
近眼显示装置100包括显示器110以及透镜元件120。在本实施例中，显示器110用于提供显示光束B，且显示光束B从显示器110的出光面S110射出。显示器110可包括任何用于提供影像的显示器，如有机发光二极管显示器、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)显示器、液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)、微发光二极管(Micro LED)显示器、发光二极管(LED)显示器或数字微镜显示器(Digital Micro-mirror Devices,DMD)，但本发明不限于此。在本实施例中，透镜元件120位于显示器110的出光面S110的前方，且位于显示光束B的传递路径上。此外，在本实施例中，透镜元件120与显示器110之间的距离D小于透镜元件120的有效焦距，以让使用者看到正立放大的虚像。在本实施例中，如图1所示，距离D定义为透镜元件120的中心至显示器110的出光面S110的直线距离。
在本实施例中，近眼显示装置100包括两个显示器110以及两个透镜元件120，但本发明不限于此。在本实施例中，两个透镜元件120分别位于两个显示器110的出光面S110的前方，其中位于左眼LE前方的透镜元件120用于将给左眼LE的显示光束B汇聚至使用者的左眼LE，且位于右眼RE前方的透镜元件120用于将给右眼RE的显示光束B汇聚至使用者的右眼RE。然而，显示器110以及透镜元件120的数量可依实际需求改变，而不以图1所显示的为限。举例而言，在另一未绘示的实施例中，近眼显示装置100可以只包括一个显示器，且显示器的左半部及右半部分别显示左眼影像和右眼影像，但本发明仍不限于此。或者，在其他未绘示的实施例中，近眼显示装置100也可由一个显示器110以及一个透镜元件120所组成，但本发明仍不限于此。
请参照图2A至图2C，在本实施例中，透镜元件120包括N个环型透镜阵列(LensArray)，其中N为大于1的正整数。举例而言，如图2A所示，在本实施例中，透镜元件120可包括环型透镜阵列121、环型透镜阵列122、环型透镜阵列123、环型透镜阵列124及环型透镜阵列125等五个环型透镜阵列，但环型透镜阵列的数量可依需求改变，而不以图2A所显示的为限。在本实施例中，环型透镜阵列为环型的微透镜阵列(Micro‐Lens Array,MLA)。
举例而言，环型透镜阵列可以是圆环型透镜阵列或椭圆环型透镜阵列。图2A示出N个(例如五个)环型透镜阵列例如都为圆环型透镜阵列。然而，N个环型透镜阵列的形状可依需求改变，而不以图2A所显示的为限。
N个环型透镜阵列具有一个中心轴CA。具体地，在本实施例中，N个环型透镜阵列共用一个中心轴(即中心轴CA)，且N个环型透镜阵列例如只具有一个中心轴(即中心轴CA)。因此，在本实施例中，N个环型透镜阵列都环绕中心轴CA，且N个环型透镜阵列由中心轴CA向外排列。更具体地说，在本实施例中，每一个环型透镜阵列环绕中心轴CA，且第M个环型透镜阵列环绕第M-1个环型透镜阵列，其中M＝2到N。在本实施例中，环型透镜阵列121、122、123、124及125环绕中心轴CA，且环型透镜阵列125环绕环型透镜阵列124，环型透镜阵列124环绕环型透镜阵列123，环型透镜阵列123环绕环型透镜阵列122，环型透镜阵列122环绕环型透镜阵列121。在本实施例中，N个环型透镜阵列中的相邻两个环型透镜阵列相互连接；即，环型透镜阵列125连接于环型透镜阵列124，环型透镜阵列124连接于环型透镜阵列125与环型透镜阵列123之间，环型透镜阵列123连接于环型透镜阵列124与环型透镜阵列122之间，环型透镜阵列122连接于环型透镜阵列123与环型透镜阵列121之间。此外，在本实施例中，透镜元件120进一步包括中心透镜126。在本实施例中，中心透镜126被N个环型透镜阵列环绕，且N个环型透镜阵列的中心轴CA贯穿中心透镜126的中心。在本实施例中，中心透镜126例如被环型透镜阵列121、122、123、124及125所环绕，环型透镜阵列121、122、123、124及125的中心轴CA贯穿中心透镜126的中心。
在本实施例中，每一个环型透镜阵列(即N个环型透镜阵列的每一个)包括多个透镜单元U，且每一个环型透镜阵列的多个透镜单元U以中心轴CA为中心围成一圈。更具体地说，在本实施例中，如图2A所示，每一个透镜单元U(即多个透镜单元U的每一个)为四边形，且所述四边形由两条弧线与两条直线组成，且两条弧线例如是两个劣弧(minor arc)。在本实施例的每一透镜单元U中，两条直线的延伸线相交于中心轴CA，使得两条直线的任意一条与两个劣弧垂直。然而，透镜单元U的形状可依需求改变，而不以图2A显示的为限。
在本实施例的第i个环型透镜阵列中，多个透镜单元U的总数与多个透镜单元U的至少一个的位置相关，且多个透镜单元U的总数与多个透镜单元U的节距(pitch)相关，i＝1到N。在本实施例中，上述「多个透镜单元U的总数与多个透镜单元U的至少一个的位置相关」中所谓的「位置」例如是透镜单元U的中心位置。在本实施例的同一个环型透镜阵列中，多个透镜单元U到中心透镜126的距离相同，且多个透镜单元U与中心轴CA的距离也相同。举例而言，在本实施例中，最靠近中心透镜126的环型透镜阵列121中的所有透镜单元U的中心位置与中心轴CA的距离定义为1(省略单位)，第二靠近中心透镜126的环型透镜阵列122中的所有透镜单元U的中心位置与中心轴CA的距离定义为2，第三靠近中心透镜126的环型透镜阵列123中的所有透镜单元U的中心位置与中心轴CA的距离定义为3，其余的环型透镜阵列依此类推。
在本实施例中，每一个环型透镜阵列(即N个环型透镜阵列的每一个)的多个透镜单元U的总数满足式一：
在本实施例中，T为第i个环型透镜阵列中的多个透镜单元U的总数。在本实施例中，Int()为取整数的函数。当括号内的计算结果并非整数时，此函数可以将小数点以下无条件舍去，也可以四舍五入，或将小数点以下无条件进位。在本实施例中，h为第i个环型透镜阵列中的多个透镜单元U的任一个的中心位置与中心轴CA的距离，即h为第i个环型透镜阵列中的任一个透镜单元U的中心位置与中心轴CA的距离，如图2A所示。在本实施例中，P为第i个环型透镜阵列中的多个透镜单元U的节距。更具体地说，在本实施例的第i个环型透镜阵列中，相邻两个透镜单元U的两个的中心位置以中心轴CA为圆心可构成圆弧(circulararc)，而此圆弧的长度(弧长)即为节距P，如图2A所示，其可视实际需求设定。在本实施例中，如图2A所示，T(第i个环型透镜阵列中的多个透镜单元U的总数)随着i增加而增加。也就是说，在本实施例中，越远离中心透镜126的环型透镜阵列中的所有透镜单元U的总数越多；越靠近中心透镜126的环型透镜阵列中的所有透镜单元U的总数越少。更详细地说，在本实施例中，最远离中心透镜126的环型透镜阵列125中的所有透镜单元U的总数最多，最靠近中心透镜126的环型透镜阵列121中的所有透镜单元U的总数最少，较远离中心透镜126的环型透镜阵列124中的所有透镜单元U的总数比较靠近中心透镜126的环型透镜阵列122中的所有透镜单元U的总数还多，其余依此类推。
在本实施例中，每一个环型透镜阵列(即N个环型透镜阵列的多个透镜单元U的每一个)具有内表面SI以及外表面SO，即环型透镜阵列121、122、123、124以及125都具有内表面SI以及外表面SO。此外，在本实施例中，中心透镜126也具有内表面SI以及外表面SO。在本实施例中，内表面SI面向显示器110，外表面SO相对于内表面SI且面向使用者的眼睛。在本实施例中，每一个透镜单元U以及中心透镜126的外表面SO可以是平面或曲面，且所述曲面可以是球面或非球面。此外，在本实施例中，每一个透镜单元U以及中心透镜126的内表面SI可以是凸面，且所述凸面可以是球面或非球面。
在本实施例中，非球面的公式如式二及式三所示：
x、y、Z分别为透镜元件120在x方向X1、y方向X2及厚度方向X3上的座标。R为曲率半径。k为二次曲面常数(conic constant)。A、B、C、D为非球面系数(aspheric coefficient)。
类似于图2B及图2C中透镜元件的外表面SO为平面与内表面SI为凸面，以下将举例说明具有平面的外表面SO与具有凸面的内表面SI的透镜元件的相关参数的一实施例，如表一所示。然而，本发明的透镜元件的光学参数可依需求设计，而不限于表一所显示的参数。
表一
在表一的实施例中，透镜元件的环型透镜阵列的个数例如为7，其中第一个环型透镜阵列至第七个环型透镜阵列从中心透镜126向外排列。也就是说，在本实施例中，第一个环型透镜阵列最靠近中心透镜126，而第七个环型透镜阵列最远离中心透镜126。在表一中，第一环的透镜单元指第一个环型透镜阵列的透镜单元U，而第二环的透镜单元指第二个环型透镜阵列的透镜单元U，其余依此类推。此外，在本实施例中，第一环的透镜单元U至第七环的透镜单元U及中心透镜126的外表面SO的非球面系数A、B、C、D及倾斜角度θ(容后详述)都为0，且第一环的透镜单元U至第七环的透镜单元U及中心透镜126的内表面SI的非球面系数D为0，因此省略示出。在本实施例中，外表面SO的曲率半径R为无穷大(∞)表示外表面SO为平面。在本实施例中，θ是指透镜单元U的光轴(容后详述)的倾斜角度。
在图2C的实施例中，每一个透镜单元U(即多个透镜单元U的每一个)以及中心透镜126具有光轴OA，中心透镜126的光轴OA通过中心透镜126的内表面SI的中心，且中心透镜126的光轴OA垂直于内表面SI的中心的切面。在图2C的实施例中，中心透镜126的光轴OA与中心轴CA平行且重叠，而每一个透镜单元U(即多个透镜单元U的每一个)的光轴OA朝远离中心轴CA的方向倾斜。在本实施例的同一环型透镜阵列中，每一个透镜单元U(即多个透镜单元U的每一个)的光轴OA的倾斜角度θ例如相同。另一方面，在本实施例的不同环型透镜阵列中，当透镜单元U与中心轴CA的距离越远时，透镜单元U的光轴OA的倾斜角度θ例如越大，如表一所示。在本实施例中，外环的透镜单元U的内表面SI的光轴OA的倾斜角度θ比内环的透镜单元U的内表面SI的光轴OA的倾斜角度θ大，即第七环的透镜单元U的内表面SI的光轴OA的倾斜角度θ比第六环的透镜单元U的内表面SI的光轴OA的倾斜角度θ大，第六环的透镜单元U的内表面SI的光轴OA的倾斜角度θ比第五环的透镜单元U的内表面SI的光轴OA的倾斜角度θ大，其余依此类推。
利用上述倾斜角度θ的设计，可使离轴(Off‐axis)的显示光束有效聚焦，从而使产生的虚像的边缘更清楚，如此可产生清晰的完整虚像，进而提升成像品质。
然而，若传统的XY透镜阵列采用上述倾斜角度θ向外增加(即采用上述实施例中当透镜单元U距离中心轴CA越远时则光轴OA的倾斜角度θ越大)的设计，则每一个透镜单元与X方向上相邻的透镜单元之间会存在段差(高低落差)，且每一个透镜单元与Y方向上相邻的透镜单元之间也会存在段差。段差在加工上通常采用小角度倾斜及R角来制作，但这会衍生出杂散光及透镜单元的有效面积缩小(或有效孔径缩小)使得入射光的进光量变少的问题，而影响成像品质。
相较之下，在本实施例中，N个环型透镜阵列的多个透镜单元U以及中心透镜126的外表面SO可共同形成没有段差的平面或曲面。另外，在本实施例中，N个环型透镜阵列的多个透镜单元U以及中心透镜126的内表面SI在透镜元件120的圆周方向上没有段差，且N个环型透镜阵列的多个透镜单元U的内表面SI在透镜元件120的径向上有段差。换句话说，在本实施例中，位于同一环型透镜阵列中的任相邻两个透镜单元U(即多个透镜单元U的任相邻两个)之间没有段差，而位于不同环型透镜阵列中的任相邻两个透镜单元U(即多个透镜单元U的任相邻两个)之间有段差。如图2B所示，在本实施例中，在环型透镜阵列124中的多个透镜单元U的任相邻两个之间没有段差，即环型透镜阵列124中的任相邻两个透镜单元U之间没有高低落差(相邻两个透镜单元U在交界处无厚度差异)；类似地，在环型透镜阵列125中的多个透镜单元U的任相邻两个之间也没有段差，即环型透镜阵列125中的任相邻两个透镜单元U之间也没有段差。另一方面，如图2B及图2C中的圆形标记处所示，在本实施例的不同环型透镜阵列中的多个透镜单元U的任相邻两个之间有高低落差。
此外，相较于传统的XY透镜阵列与显示器彼此对位时需考量XY透镜阵列的四边与显示器/显示影像的四边之间的对位关系，其繁复度高且对位精准度尚待提升。然而，本实施例的环型透镜阵列的一个环型轮廓比XY透镜阵列的四个侧边轮廓简化；因此，在本实施例中，藉由环型透镜阵列的设计，除了可降低透镜元件120与显示器110的对位难度与繁复度之外，还可使位于同一环型透镜阵列中的多个透镜单元U的任相邻两个之间没有段差，也就是使多个透镜单元U的任相邻两个之间在透镜元件120的圆周方向上无段差。如此，有助于改善透镜元件120的圆周方向上的杂散光以及的问题，并可改善/解决因透镜单元的有效面积缩小(或有效孔径缩小)使得入射光(显示器所提供的显示光束)的进光量变少而导致亮度降低的问题，还有助于降低制程难度。因此，本实施例的近眼显示装置100可具有好的成像品质、组装便利以及简化制程等优点。
图3A是依据本发明的实施例的近眼显示装置的显示器所显示的多个子影像的示意图，其中显示器110所显示的多个子影像E以中心子影像E0为中心排列成环型阵列。图3B是使用本发明的实施例的近眼显示装置所产生的虚像。图4是使用比较例的近眼显示装置所产生的虚像，其中图4是采用XY透镜阵列且无倾斜角度的设计的近眼显示装置所产生的虚像。比较图3B及图4可知，图4中的整体成像较清晰，且图4中成像的边缘也较清晰。由此可知，藉由本实施例的倾斜角度θ向外增加(即上述实施例中当透镜单元U距离中心轴CA越远时则光轴OA的倾斜角度θ越大)的设计，可使虚像的边缘更清楚/清晰，进而使整体的虚像具有良好的成像品质。此外，藉由进一步搭配环型透镜阵列来使透镜元件的圆周方向上无段差，可明显提升虚像的对比度。
以下搭配图5至图13说明本发明的近眼显示装置的透镜元件的其他实施例及其效果。图5是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图。图6是使用图5中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数(Modulation TransferFunction,MTF)曲线图。图7是使用比较例的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图，其中图7是图4的近眼显示装置(即使用比较例的近眼显示装置)所产生的调制转换函数曲线图。图8是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图。图9是使用图8中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图。图10是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图。图11是使用图10中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图。图12是依据本发明的另一实施例的近眼显示装置中的透镜元件的剖面示意图。图13是使用图12中的透镜元件的近眼显示装置所产生的调制转换函数曲线图。图6、图7、图9、图11及图13示出不同位置的子影像在空间频率(spatial frequency)为64线对/毫米(line pair/mm,lp/mm)的MTF曲线，其中，横座标为子影像E与中心子影像E0的距离，而纵座标为64lp/mm的MTF数值。曲线S及曲线T分别是弧矢(sagittal)方向及子午(tangential)方向上的MTF曲线。
图5、图8、图10、图12的实施例中的透镜元件相似于图2的实施例中的透镜元件。这些实施例的透镜元件的主要差异在于中心透镜126及每一环的透镜单元U的两个表面(外表面SO及内表面SI)的光学参数设计。关于图5的实施例的光学参数设计，请参照表二。关于图8的实施例的光学参数设计，请参照表三。关于图10的实施例的光学参数设计，请参照表四之一及表四之二。关于图12的实施例的光学参数设计，请参照表五之一及表五之二。
在图7的比较例中，弧矢方向及子午方向上的MTF数值随着子影像E与中心子影像E0的距离增加而快速衰减，此表示离轴的显示光束无法聚焦，从而使虚像的边缘是模糊的。相较之下，如图6、图9、图11及图13的实施例所示，利用倾斜角度θ向外增加(即上述实施例中当透镜单元U距离中心轴CA越远时则光轴OA的倾斜角度θ越大)的设计可使弧矢方向及子午方向上的MTF数值有效提升，此表示传统上离轴的显示光束无法聚焦的问题被有效改善，从而使虚像的边缘是清楚的，如图3B所示。
表二
如表二与图5所示，在本实施例中，透镜元件的外表面SO为凹面与内表面SI为凸面，其中每一个透镜单元的外表面SO为凹面(即多个透镜单元的外表面SO分别为多个凹面)。在本实施例中，外环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ比内环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ大，即第七环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ比第六环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ大，其余依此类推。此外，在本实施例中，第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的外表面SO的非球面系数A、B、C、D及倾斜角度θ都为0，且第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的内表面SI的非球面系数D为0，因此省略示出。
表三
如表三与图8所示，在本实施例中，透镜元件的外表面SO为凸面与内表面SI为凸面，其中每一个透镜单元的外表面SO为凸面(即多个透镜单元的外表面SO分别为多个凸面。在本实施例中，外环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ比内环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ大，即第七环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ比第六环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ大，其余依此类推。此外，在本实施例中，第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的外表面SO的非球面系数A、B、C、D及倾斜角度θ都为0，且第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的内表面SI的非球面系数D为0，因此省略示出。
表四之一
表四之二
如表四之一、表四之二与图10所示，在本实施例中，透镜元件的外表面SO为凸面与内表面SI为凸面，其中多个(所有的)透镜单元的外表面SO构成一个凸面。在本实施例中，外环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ比内环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ大，即第七环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ比第六环的透镜单元的内表面SI的光轴的倾斜角度θ大，其余依此类推。此外，在本实施例中，第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的外表面SO的倾斜角度θ都为0，且第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的内表面SI的非球面系数D为0，因此省略示出。
表五之一
表五之二
如表五之一、表五之二与图12所示，在本实施例中，透镜元件的外表面SO为凸面与内表面SI为凸面，其中每一个透镜单元的外表面SO为凸面(即多个透镜单元的外表面SO分别为多个凸面)。在本实施例中，每一环的透镜单元的外表面SO与内表面SI都具有倾斜角度θ。此外，在本实施例中，第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的外表面SO的非球面系数A、B、C、D都为0，且第一环的透镜单元至第七环的透镜单元及中心透镜的内表面SI的非球面系数D为0，因此省略示出。
上述实施例中的部分曲面例如是非球面透镜，但本发明并不限定。举例来说，在其他实施例中，曲面也可以为自由(freeform)曲面，其中自由曲面满足以下关系式：
anm为自由曲面系数。然而，本发明仍不限定曲面为自由曲面。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例的近眼显示装置中，环型透镜阵列比XY透镜阵列更容易对准显示器，且位于同一环型透镜阵列中的任相邻两个透镜单元(即多个透镜单元的任相邻两个)之间没有段差的设计除了有助于改善/解决杂散光以及透镜单元的有效面积缩小(或有效孔径缩小)使得入射光的进光量变少的问题之外，还有助于降低制程难度。因此，本发明的实施例的近眼显示装置具有好的成像品质、组装便利以及简化制程等优点。在一实施例中，可进一步搭配透镜单元的光轴的倾斜角度向外增加(即当透镜单元距离中心轴越远时则光轴的倾斜角度越大)的设计，以使离轴的显示光束可有效聚焦，从而使虚像的边缘可更清楚。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：
显示器，具有出光面；以及
透镜元件，位于所述显示器的所述出光面的前方，所述透镜元件包括N个环型透镜阵列，N为大于1的正整数，且所述N个环型透镜阵列具有中心轴，所述N个环型透镜阵列的每一个包括多个透镜单元，
其中位于同一环型透镜阵列中的所述多个透镜单元的任相邻两个之间没有段差，
其中在第i个环型透镜阵列中，所述多个透镜单元的总数与所述多个透镜单元的至少一个的位置相关，且所述多个透镜单元的总数与所述多个透镜单元的节距相关，i＝1到N。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述N个环型透镜阵列的每一个满足：
其中T为第i个环型透镜阵列中的所述多个透镜单元的总数；
Int()为取整数的函数；
h为第i个环型透镜阵列中的所述多个透镜单元的任一个的中心位置与所述中心轴的距离；且
P为第i个环型透镜阵列中的所述多个透镜单元的节距。
3.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，T随着i增加而增加。
4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多个透镜单元的每一个具有光轴，所述多个透镜单元的每一个的所述光轴朝远离所述中心轴的方向倾斜，且位于同一环型透镜阵列中的所述多个透镜单元的每一个的所述光轴的倾斜角度相同，其中当所述透镜单元与所述中心轴的距离越远时，所述透镜单元的所述光轴的所述倾斜角度越大。
5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述N个环型透镜阵列的所述多个透镜单元的每一个具有内表面以及外表面，所述内表面面向所述显示器，所述外表面相对于所述内表面，其中所述N个环型透镜阵列的所述多个透镜单元的所述外表面共同形成没有段差的曲面，所述N个环型透镜阵列的所述多个透镜单元的所述内表面在所述透镜元件的圆周方向上没有段差，且所述N个环型透镜阵列的所述多个透镜单元的所述内表面在所述透镜元件的径向上有段差。
6.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述N个环型透镜阵列的所述多个透镜单元的每一个具有内表面以及外表面，所述内表面面向所述显示器，所述外表面相对于所述内表面，且所述内表面以及所述外表面都为非球面。
7.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述N个环型透镜阵列的所述多个透镜单元的每一个为四边形，且所述四边形由两个劣弧与两条直线组成。
8.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述透镜元件包括中心透镜，所述中心透镜被所述N个环型透镜阵列环绕，其中所述中心轴贯穿所述中心透镜的中心，且所述中心透镜的光轴与所述中心轴平行。
9.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示器包括有机发光二极管显示器、硅基液晶显示器、液晶显示器、微发光二极管显示器、发光二极管显示器或数字微镜显示器。
10.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述透镜元件与所述显示器之间的距离小于所述透镜元件的有效焦距。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110749975A (zh) * 2019-10-31 2020-02-04 Oppo广东移动通信有限公司 镜头模组和电子装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114578555A (zh) * 2020-11-30 2022-06-03 京东方科技集团股份有限公司 一种光场显示装置、vr设备、显示装置以及显示方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014045340A1 (ja) * 2012-09-18 2014-03-27 パイオニア株式会社 光学素子、光源ユニット及びヘッドアップディスプレイ
CN103713388A (zh) * 2012-10-01 2014-04-09 纬创资通股份有限公司 头部穿戴式显示系统
CN106464861A (zh) * 2013-11-25 2017-02-22 特塞兰德有限责任公司 沉浸式紧凑显示眼镜
CN106772717A (zh) * 2016-12-22 2017-05-31 深圳超多维科技有限公司 一种菲涅尔透镜及虚拟现实装置
CN206270594U (zh) * 2016-12-15 2017-06-20 金华唯见科技有限公司 一种用于虚拟现实的近眼显示系统及头戴显示设备
US20170176753A1 (en) * 2015-12-21 2017-06-22 Oculus Vr, Llc Wide Angle Beam Steering in Sunglasses for Virtual Reality and Augmented Reality

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10359545B2 (en) * 2010-10-21 2019-07-23 Lockheed Martin Corporation Fresnel lens with reduced draft facet visibility
US20130285885A1 (en) 2012-04-25 2013-10-31 Andreas G. Nowatzyk Head-mounted light-field display
CN103823305B (zh) 2014-03-06 2016-09-14 成都贝思达光电科技有限公司 一种基于曲面微透镜阵列的近眼显示光学系统
WO2017138480A1 (ja) * 2016-02-09 2017-08-17 株式会社ソニー・インタラクティブエンタテインメント フレネルレンズ及びフレネルレンズの製造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014045340A1 (ja) * 2012-09-18 2014-03-27 パイオニア株式会社 光学素子、光源ユニット及びヘッドアップディスプレイ
CN103713388A (zh) * 2012-10-01 2014-04-09 纬创资通股份有限公司 头部穿戴式显示系统
CN106464861A (zh) * 2013-11-25 2017-02-22 特塞兰德有限责任公司 沉浸式紧凑显示眼镜
US20170176753A1 (en) * 2015-12-21 2017-06-22 Oculus Vr, Llc Wide Angle Beam Steering in Sunglasses for Virtual Reality and Augmented Reality
CN206270594U (zh) * 2016-12-15 2017-06-20 金华唯见科技有限公司 一种用于虚拟现实的近眼显示系统及头戴显示设备
CN106772717A (zh) * 2016-12-22 2017-05-31 深圳超多维科技有限公司 一种菲涅尔透镜及虚拟现实装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110749975A (zh) * 2019-10-31 2020-02-04 Oppo广东移动通信有限公司 镜头模组和电子装置

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