CN111308710A - 光学显示装置及头戴式成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学显示装置，包括：多个显示模组；多个微透镜阵列，用于使得显示模组出射的光线转化成第一光线；第一光学分束结构，包括第一透明基材，和设置于第一透明基材的多个第一离子膜，每个第一离子膜用于透过第一光线中的第一部分光线，反射第一光线中的第二部分光线，第一部分光线位于人眼的视线范围之外；第二光学分束结构，包括第二透明基材，和设置于第二透明基材的多个第二离子膜，每个第二离子膜用于透过第二部分光线中的第三部分光线，并将第二部分光线中的第四部分光线反射回对应的第一离子膜，第一离子膜将第四部分光线中的第五部分光线透射至人眼。本发明还涉及头戴式成像装置。

Description

光学显示装置及头戴式成像装置

技术领域

本发明涉及显示产品制作技术领域，尤其涉及一种光学显示装置及头戴式成像装置。

背景技术

目前，头戴成像装置中，只能对一个屏幕的内容进行呈现，受限于光路结构的特点，水平视场角也较小。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光学显示装置及头戴式成像装置，解决只能呈现一个屏幕的内容的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光学显示装置，包括：

多个显示模组，对称设置于单眼视线中心的周边区域，所述显示模组相对于人眼视线倾斜设置，且所述显示模组的出光侧面向人眼；

多个微透镜阵列，与多个所述显示模组一一对应，每个微透镜阵列位于对应的所述显示模组的出光侧，用于使得所述显示模组出射的光线转化成沿第一方向出射第一光线；

第一光学分束结构，位于所述微透镜阵列的出光侧，包括第一透明基材，和设置于所述第一透明基材面向所述微透镜阵列的一面的多个第一离子膜，多个所述第一离子膜与多个所述微透镜阵列一一对应，每个所述第一离子膜用于接收对应的所述微透镜阵列发出的所述第一光线、并透过所述第一光线中的第一部分光线，反射所述第一光线中的第二部分光线，所述第一部分光线位于人眼的视线范围之外；

第二光学分束结构，位于所述第一光学分束结构的反射光线的路径上，包括第二透明基材，和设置于所述第二透明基材面向所述第一光学分束结构的一面的多个第二离子膜，多个所述第二离子膜与多个所述第一离子膜一一对应，每个所述第二离子膜用于接收对应的所述第一离子膜反射的第二部分光线，并透过所述第二部分光线中的第三部分光线，并将所述第二部分光线中的第四部分光线反射回对应的所述第一离子膜，所述第一离子膜将所述第四部分光线中的第五部分光线透射至人眼、以在远离人眼的第一位置形成虚拟成像面。

可选的，所述第一离子膜为半透半反膜，且多个所述第一离子膜间隔设置于所述第一透明基材上。

可选的，所述第一透明基材为平面或曲面，所述第一透明基材为曲面时，凹面面向所述第二光学分束结构设置。

可选的，所述第一透明基材相对于人眼视线倾斜设置，以使得每个所述第一离子膜接收对应的所述微透镜阵列发出的第一光线，并将所述第一光线中的第二部分光线反射至对应的所述第二离子膜。

可选的，所述第二离子膜为半透半反膜。

可选的，所述第二透明基材包括多个与多个所述第二离子膜一一对应的多个承载部，每个所述承载部呈自由曲面。

可选的，相邻两个所述承载部之间的连接区域为平面或曲面，且所述连接区域与对应的所述承载部的连接处平滑过渡。

可选的，相邻两个所述承载部之间的连接区域为曲面，所述连接区域面向所述第一光学分束结构的一面与对应的所述承载部面向所述第一光学分束结构的一面相切，且形成的切线角R由以下公式获得：

其中，k为所述承载部的与所述连接区域连接处的斜率，d为所述连接区域在第一方向上的长度的一半，所述第一方向为垂直于人眼视线的方向。

可选的，所述连接区域面向所述第一光学分束结构的一面为球面。

可选的，所述第二透明基材远离所述第一光学分束结构的一侧设置有补偿透镜，用于使得入射至所述第二光学分束结构的平行光、以平行光的形式从所述第二光学分束结构中出射。

本发明还提供一种头戴式成像装置，包括上述的光学显示装置。

本发明的有益效果是：通过第一光学分束结构和第二光学分束结构的设置，实现多个显示模组的内容的同时呈现，增加信息量，且使得视野扩大。

附图说明

图1表示相关技术中光学显示装置的结构示意图；

图2表示本发明实施例中光学显示装置结构示意图一；

图3表示本发明实施例中光学显示装置结构示意图二；

图4表示本发明实施例中两个承接部之间的连接区域的结构示意图一；

图5表示本发明实施例中两个承接部之间的连接区域的结构示意图二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1表示了相关技术中的一个光学显示装置的示意图，光学组件包括发射图像源16910的上部光学器件16903、一个或多个透镜16920和光阱16930、以及包括有角度分束器16950和弯曲部分反射镜16960的下部光学器件16907。发射图像源16910提供具有图像内容的图像光16940，光学器件具有从发射图像源16920垂直延伸的第一光轴16946。有角度分束器16950通过反射来重定向图像光16940的一部分，以使得图像光16940沿第二光轴16943传递出去。弯曲部分反射镜16960反射图像光16940的一部分，以使得其沿第二光轴16943往回传递并朝向眼睛框16970传递。同时，来自周围环境的情景光16973被弯曲部分反射镜16960和有角度分束器16950透射以向眼睛框16970提供周围环境的透视视图。因而，弯曲部分反射镜16960充当组合器，其中用户看到叠覆到由情景光16972提供的周围环境的透视视图上的由图像光16940提供的显示图像。

图1中发射图像源只有一个，也就是说，图1中的光学显示装置只能显示一个屏幕的内容，信息量少，视场角也比较小。针对此问题，本实施例提供一种光学显示装置，参考图2和图3，包括：

多个显示模组1，对称设置于单眼视线中心的周边区域，所述显示模组1相对于人眼视线倾斜设置，且所述显示模组1的出光侧面向人眼10；

多个微透镜阵列2，与多个所述显示模组1一一对应，每个微透镜阵列2位于对应的所述显示模组1的出光侧，用于使得所述显示模组1出射的光线转化成沿第一方向出射第一光线；

第一光学分束结构3，位于所述微透镜阵列2的出光侧，包括第一透明基材31，和设置于所述第一透明基材31面向所述微透镜阵列2的一面的多个第一离子膜32，多个所述第一离子膜32与多个所述微透镜阵列2一一对应，每个所述第一离子膜32用于接收对应的所述微透镜阵列2发出的所述第一光线、并透过所述第一光线中的第一部分光线，反射所述第一光线中的第二部分光线，所述第一部分光线位于人眼10的视线范围之外；

第二光学分束结构4，位于所述第一光学分束结构3的反射光线的路径上，包括第二透明基材，和设置于所述第二透明基材面向所述第一光学分束结构3的一面的多个第二离子膜42，多个所述第二离子膜42与多个所述第一离子膜32一一对应，每个所述第二离子膜42用于接收对应的所述第一离子膜32反射的第二部分光线，并透过所述第二部分光线中的第三部分光线，并将所述第二部分光线中的第四部分光线反射回对应的所述第一离子膜32，所述第一离子膜32将所述第四部分光线中的第五部分光线透射至人眼10、以在远离人眼10的第一位置形成虚拟成像面。

多个显示模组1倾斜设置，且对称设置于人眼10视线中心的周边区域，通过微透镜阵列2、第一光学分束结构3和第二光学分束结构4的配合，实现多个显示模组1的内容的共同呈现，即人员可同时看到多个显示模组1上显示的内容，对应的虚拟成像面上具有与多个显示模组1一一对应的至少两个子成像面，提高视场角度，为观看者提供更多的信息。

所述第一方向为从所述微透镜阵列2到对应的所述第一离子膜32的方向，所述微透镜阵列2的设置改变了光路。

所述显示模组1相对于人眼视线呈角度倾斜设置，且所述显示模组1面向人眼方向设置，利于光线的传播，便于成像。

需要说明的是，所述显示模组1的数量可以根据实际需要设定，图2和图3中的光学显示装置中表示出了两个显示模组1，但并不以此为限。

本实施例中，两个显示模组1以单眼的中轴线对称设置。

需要说明的是，单眼对应于多个显示模组1，每个眼睛对应的显示模组1的数量相同，且两个眼睛对应的显示模组1显示的内容可以是相同的，也可以是不同的(两个眼睛可看到具有视差的不同图像，从而形成3D显示效果)，在此并不做限制。

需要说明的是，所述第一位置可根据实际需要设定，本实施例中，所述虚拟成像面与人眼10之间的距离为1.5米～2米，但并不以此为限。

所述第一离子膜32可以实现透过所述第一光线中的第一部分光线，并将所述第一光线中的第二部分光线进行反射，所述第一部分光线和所述第二部分光线的比例可根据实际需要设定，本实施例中，所述第一离子膜32为半透半反膜，且多个所述第一离子膜32间隔设置于所述第一透明基材31上。

所述第一离子膜32为半透半反膜，即所述第一部分光线和所述第二部分光线所占比例相同，均为所述第一光线的一半。

多个所述第一离子膜32间隔设置于所述第一透明基材31上，避免入射至所述第一离子膜32上的光线出现重叠，从而避免相邻两个显示模组1的图像内容产生重叠，保证显示效果。

本实施例中，所述第一透明基材31为平面或曲面，所述第一透明基材31为曲面时，凹面面向所述第二光学分束结构4设置。

所述第一透明基材31的形状选择范围较宽，可以是平面也可以是曲面，只要其上的第一离子膜32实现对所述第一光线进行分束，即一部分反射、一部分透射即可。

本实施例中，所述第一透明基材31相对于人眼视线倾斜设置，以使得每个所述第一离子膜32接收对应的所述微透镜阵列2发出的第一光线，并将所述第一光线中的第二部分光线反射至对应的所述第二离子膜42。

在应用于头戴式成像装置时，为了便于佩戴，避免压迫鼻梁而为佩戴者带来不适感，所述第一透明基材31倾斜设置，且在佩戴时，所述第一透明基材31靠近佩戴者鼻梁的一端向远离人眼的方向倾斜。

所述第二离子膜42可以实现透过所述第二部分光线中的第三部分光线，并将所述第二部分光线中的第四部分光线进行反射，所述第三部分光线和所述第四部分光线的比例可根据实际需要设定，本实施例中，所述第二离子膜42为半透半反膜。

所述第二离子膜42为半透半反膜，即所述第三部分光线和所述第四部分光线所占比例相同，均为所述第二部分光线的一半。

本实施例中，所述第二透明基材包括多个与多个所述第二离子膜42一一对应的多个承载部41，每个所述承载部41呈自由曲面。

本实施例的一具体实施方式中，所述第二离子膜42完全覆盖对应的所述承载部41，以更大限度的接收从所述第一光学分束结构3反射的光线。

多个所述承载部41可以是分体设置也可以是整体设置，本实施例中，所述第二透明基材一体成型，相邻两个所述承载部41之间的连接区域5为平面或曲面，且所述连接区域5与对应的所述承载部41的连接处平滑过渡。

相邻两个承载部41若直接接合，即所述连接区域5的大小和宽度为0，如图4所示，则此时人眼10观察到的虚像，也可以重合，但此时人眼10正前方会有一凸起的锐角。因注塑及模具加工工艺所限，注塑后锐角处实际上会形成一个带有R角的圆弧，形成杂散光，参考图4中的虚线圆圈所表示的位置。所以本实施例中，为了减少杂散光，相邻两个所述承载部41之间的连接区域5为平面或曲面，且所述连接区域5与对应的所述承载部41的连接处平滑过渡。

本实施例中，相邻两个所述承载部41之间的连接区域5为曲面，所述连接区域5面向所述第一光学分束结构3的一面与对应的所述承载部41面向所述第一光学分束结构3的一面相切，且形成的切线角R由以下公式获得：

其中，k为所述承载部41的与所述连接区域5连接处的斜率，d为所述连接区域5在第一方向上的长度的一半，所述第一方向为垂直于人眼10视线的方向，参考图5。

需要说明的是，因人眼视觉分辨力主要为正前方5°以内区域，在观察其他区域时，人会不由自主的转头以使其位于视线正中心处。所述连接区域5位于单眼正前方视场角不大于5度的区域内，但并不以此为限，避免过多的占据虚拟成像面上显示画面的空间。

本实施例中，所述连接区域5面向所述第一光学分束结构3的一面为球面，但并不以此为限。

本实施例中，所述第二透明基材远离所述第一光学分束结构3的一侧设置有补偿透镜6，用于使得入射至所述第二光学分束结构4的外界平行光100、以平行光的形式从所述第二光学分束结构4中出射。

所述补偿透镜6的设置用于补偿外界环境光线，避免所述第二光学分束结构4对环境光的焦度产生影响，所述补偿透镜6的形状与所述承载部41面向所述第一光学分束结构3的一面的结构相符，实际应用中，可根据平行光式的环境光追迹、以进行面型的计算(一般是经过光学软件进行模拟)。

所述连接区域5面向所述第一光学分束结构3的一面为球面，便于补偿透镜6的补偿计算。

本实施例中，所述补偿透镜6与所述第二透明基材为一体结构，即所述第二透明基材面向所述第一光学分束结构的一面设置第二离子膜，实现光线的半透半反，所述第二透明基材的背离所述第一光学分束结构的一面设置补偿透镜，使得入射至所述第二光学分束结构4的外界平行光100、以平行光的形式从所述第二光学分束结构4中出射。

本发明还提供一种头戴式成像装置，包括上述的光学显示装置。

所述光学显示装置应用于所述头戴式成像装置时，在佩戴时，对应于单眼的多个显示模组1设置于人眼10的上方，并相对于单眼的中轴线对称。

以上所述为本发明较佳实施例，需要说明的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润湿，这些改进和润湿也应视为本发明保护范围。

Claims (11)

1.一种光学显示装置，其特征在于，包括：

多个显示模组，对称设置于单眼视线中心的周边区域，所述显示模组相对于人眼视线倾斜设置，且所述显示模组的出光侧面向人眼；

多个微透镜阵列，与多个所述显示模组一一对应，每个微透镜阵列位于对应的所述显示模组的出光侧，用于使得所述显示模组出射的光线转化成沿第一方向出射第一光线；

第一光学分束结构，位于所述微透镜阵列的出光侧，包括第一透明基材，和设置于所述第一透明基材面向所述微透镜阵列的一面的多个第一离子膜，多个所述第一离子膜与多个所述微透镜阵列一一对应，每个所述第一离子膜用于接收对应的所述微透镜阵列发出的所述第一光线、并透过所述第一光线中的第一部分光线，反射所述第一光线中的第二部分光线，所述第一部分光线位于人眼的视线范围之外；

第二光学分束结构，位于所述第一光学分束结构的反射光线的路径上，包括第二透明基材，和设置于所述第二透明基材面向所述第一光学分束结构的一面的多个第二离子膜，多个所述第二离子膜与多个所述第一离子膜一一对应，每个所述第二离子膜用于接收对应的所述第一离子膜反射的第二部分光线，并透过所述第二部分光线中的第三部分光线，并将所述第二部分光线中的第四部分光线反射回对应的所述第一离子膜，所述第一离子膜将所述第四部分光线中的第五部分光线透射至人眼、以在远离人眼的第一位置形成虚拟成像面。

2.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第一离子膜为半透半反膜，且多个所述第一离子膜间隔设置于所述第一透明基材上。

3.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第一透明基材为平面或曲面，所述第一透明基材为曲面时，凹面面向所述第二光学分束结构设置。

4.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第一透明基材相对于人眼视线倾斜设置，以使得每个所述第一离子膜接收对应的所述微透镜阵列发出的第一光线，并将所述第一光线中的第二部分光线反射至对应的所述第二离子膜。

5.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第二离子膜为半透半反膜。

6.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第二透明基材包括多个与多个所述第二离子膜一一对应的多个承载部，每个所述承载部呈自由曲面。

7.根据权利要求6所述的光学显示装置，其特征在于，相邻两个所述承载部之间的连接区域为平面或曲面，且所述连接区域与对应的所述承载部的连接处平滑过渡。

8.根据权利要求7所述的光学显示装置，其特征在于，相邻两个所述承载部之间的连接区域为曲面，所述连接区域面向所述第一光学分束结构的一面与对应的所述承载部面向所述第一光学分束结构的一面相切，且形成的切线角R由以下公式获得：

其中，k为所述承载部的与所述连接区域连接处的斜率，d为所述连接区域在第一方向上的长度的一半，所述第一方向为垂直于人眼视线的方向。

9.根据权利要求8所述的光学显示装置，其特征在于，所述连接区域面向所述第一光学分束结构的一面为球面。

10.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第二透明基材远离所述第一光学分束结构的一侧设置有补偿透镜，用于使得入射至所述第二光学分束结构的平行光、以平行光的形式从所述第二光学分束结构中出射。

11.一种头戴式成像装置，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的光学显示装置。

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