CN112415753A - 一种近眼显示装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示装置及制备方法，显示装置包括：像源、偏振分光组件、四分之一波片、反射镜组件和棱镜主体；偏振分光组件、四分之一波片和反射镜组件集成设置于棱镜主体中；像源用于出射第一光束；偏振分光组件位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束；四分之一波片和反射镜组件依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经四分之一波片后被反射镜组件反射后经过四分之一波片后形成第二偏振光束，第二偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向正交；偏振分光组件还位于第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射第二偏振光束至用户眼睛。解决近眼显示设备结构复杂、不利系统集成、影响穿戴性的问题。

Description

一种近眼显示装置及制备方法

技术领域

本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置及制备方法。

背景技术

增强现实技术是采用近眼显示方案实现将虚拟图像叠加到现实场景上，向用户提供具有沉浸式和交互式的体验，除了在娱乐方面，在工业、医学等领域都有重要的意义。现有的显示方案有如共轴棱镜方案、阵列光波导、全息光栅等方案。但是以上相关技术中至少存在如下问题：现有的增强现实的近眼显示设备，通常采用旁置显示设备，采用旁置折反系统将显示设备发出的光准直并耦合入一个光学平板中，实现大视场角观看。这种系统一般会体积大、重量大且结构复杂，不利于系统集成并影响近眼显示设备的可穿戴性。

棱镜方案以Google Glass为例，其光学显示系统主要由投影仪和棱镜组成。其中，投影仪把图像投射出来，棱镜将图像直接反射到人眼视网膜中，与现实图像相叠加。由于系统处于人眼上方，需要将眼睛聚焦到右上方才能看到图像信息，而且这套系统，存在视场角和体积的天然矛盾。Google Glass系统视场角较小，仅有15度的视场角，但是光学镜片却有10mm的厚度，显然15度的视场角对于实际使用是不够的，但是如果想增大视场角必须成倍的增加体积，对于近眼显示中大的体积不仅穿戴不方便，也会影响外观更加笨重。图1为现有技术中近眼显示阵列波导结构的波导示意图。如图1所示，lumus的阵列波导方案中，存在一个复杂的光源耦入结构，显然，对于近眼显示来说，轻薄化小型化才是更加理想的形态。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种近眼显示装置及制备方法，解决了现在有技术中近眼显示设备体积大、重量大且结构复杂，不利于系统集成并影响近眼显示设备的可穿戴性的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种近眼显示装置，包括：像源、偏振分光组件、四分之一波片、反射镜组件和棱镜主体；所述像源位于所述棱镜主体的一侧，所述偏振分光组件、所述四分之一波片和所述反射镜组件集成设置于所述棱镜主体中；

所述像源用于出射第一光束；

所述偏振分光组件位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为第一偏振光束；

所述四分之一波片和所述反射镜组件依次位于所述第一偏振光束的传播路径上，所述第一偏振光束经所述四分之一波片后被所述反射镜组件反射后再次经过所述四分之一波片后形成第二偏振光束，所述第二偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交；

所述偏振分光组件还位于所述第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

可选的，所述偏振分光组件包括第一偏振分光镜；

所述第一偏振分光镜位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为所述第一偏振光束；

所述第一偏振分光镜还位于所述第二偏振光束的传播路径上，用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

可选的，所述偏振分光组件包括至少两个偏振分光镜；至少两个所述偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；

所述第一偏振分光镜位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为所述第一偏振光束；

所述第i偏振分光镜和所述第N偏振分光镜依次位于所述第一偏振光束的传播路径上，用于透过所述第一偏振光束；

所述第N偏振分光镜、所述第i偏振分光镜和所述第一偏振分光镜依次位于所述第二偏振光束的传播路径上；所述第N偏振分光镜和所述第i偏振分光镜用于部分反射所述第二偏振光束至用户眼睛，部分透过所述第二偏振光束；所述第一偏振分光镜用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

可选的，所述第N偏振分光镜、所述第i偏振分光镜和所述第一偏振分光镜分别反射的所述第二偏振光束光强度一致。

可选的，所述反射镜组件包括球面反射镜或非球面反射镜；

所述第二偏振光束包括平行光束。

可选的，所述近眼显示装置还包括起偏组件；

所述起偏组件位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为线偏振光束。

可选的，所述偏振分光组件与所述第一光束的传播方向的夹角α满足0°<α≤45°；

所述用户眼睛的视场角β满足-40°<β≤40°.

第二方面，本发明实施例还提供了一种近眼显示装置的制备方法，用于制备第一方面的近眼显示装置，包括：

提供像源，所述像源用于出射第一光束；

提供棱镜主体，所述棱镜主体位于所述像源一侧；

在所述棱镜主体中制备偏振分光组件，所述偏振分光组件位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为第一偏振光束；

在所述棱镜主体中制备四分之一波片；

在所述棱镜主体中制备反射镜组件；所述四分之一波片和所述反射镜组件依次位于所述第一偏振光束的传播路径上，所述第一偏振光束经所述四分之一波片后被所述反射镜组件反射后再次经过所述四分之一波片后形成第二偏振光束，所述第二偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交；

所述偏振分光组件还位于所述第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

可选的，所述偏振分光组件包括第一偏振分光镜；

所述棱镜主体包括独立设置的第一分部、第二分部和第三分部；

在所述棱镜主体中制备偏振分光组件，包括：

在所述第一分部朝向所述第二分部的一侧表面，和/或，所述第二分部朝向所述第一分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第一偏振分光镜；

在所述棱镜主体中制备反射镜组件，包括：

在所述第二分部朝向所述第三分部的一侧表面，和/或，所述第三分部朝向所述第二分部的表面制备反射膜，形成所述反射镜组件。

可选的，所述偏振分光组件包括至少两个偏振分光镜；至少两个所述偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；

所述棱镜主体包括独立设置的第一分部、第i分部、第N分部、第(N+1)分部和第(N+2)分部；

在所述棱镜主体中制备偏振分光组件，包括：

在所述第一分部朝向所述第二分部的一侧表面，和/或，所述第二分部朝向所述第一分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第一偏振分光镜；

在所述第i分部朝向所述第(i+1)分部的一侧表面，和/或，所述第(i+1)分部朝向所述第i分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第i偏振分光镜；

在所述第N分部朝向所述第(N+1)分部的一侧表面，和/或，所述第(N+1)分部朝向所述第N分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第N偏振分光镜；

在所述棱镜主体中制备反射镜组件，包括：

在所述第(N+1)分部朝向所述第(N+2)分部的一侧表面，和/或，所述第(N+2)分部朝向所述第(N+1)分部的表面制备反射膜，形成所述反射镜组件。

本发明实施例提供的一种近眼显示装置，包括：像源、偏振分光组件、四分之一波片、反射镜组件和棱镜主体；通过设置像源位于棱镜主体的一侧，偏振分光组件、四分之一波片和反射镜组件集成设置于棱镜主体中，减少显示装置体积和重量，易系统集成以及提高可穿戴性。具体的，设置像源出射第一光束，第一光束经偏振分光组件后被选择为第一偏振光束，四分之一波片和反射镜组件依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经四分之一波片后被反射镜组件反射后再次经过四分之一波片后形成第二偏振光束，由于四分之一波片和反射镜选择后的第二偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向正交，当第二偏振光束入射偏振分光组件后被第二次反射直接进入至用户眼睛，减少像源发射的第一光束在显示装置内的二次反射次数，避免鬼像，提高入眼成像清晰度。因此，本发明实施例在减少显示装置体积和重量的同时，减少二次反射，提高成像清晰度，显示装置更轻薄，利于系统集成，从而提高装置的可穿戴性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中近眼显示阵列波导结构的波导示意图；

图2为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的制备方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种近眼显示装置制备过程中的结构意图；

图6为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的点列图；

图7为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的MTF曲线图；

图8为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的场曲和F-tan(Theta)畸变图；

图9为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的成像效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。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，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例

本发明实施例提供一种近眼显示装置。图2为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。如图2所示，近眼显示装置包括：像源1、偏振分光组件2、四分之一波片3、反射镜组件4和棱镜主体5；像源1位于棱镜主体5的一侧，偏振分光组件2、四分之一波片3和反射镜组件4集成设置于棱镜主体1中；像源1用于出射第一光束；偏振分光组件2位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束A；四分之一波片3和反射镜组件4依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束A经四分之一波片3后被反射镜组件4反射后经过四分之一波片3后形成第二偏振光束B，第二偏振光束B的偏振方向与第一偏振光束A的偏振方向正交；偏振分光组件2还位于第二偏振光束B的传播路径上，至少用于反射第二偏振光B束至用户眼睛。

示例性的，如图2所示，本实施例提供了一种不需要旁置准直耦合结构的近眼显示方案，直接将准直元件内嵌在棱镜结构内。具体的，近眼显示装置包括：像源1、偏振分光组件2、四分之一波片3、反射镜组件4和棱镜主体5，偏振分光组件2、四分之一波片3和反射镜组件4集成内嵌设置于棱镜主体1中。像源1包括发光二极管显示装置、有机发光二极管显示装置、微型发光二极管显示装置以及液晶显示装置中的至少一种，这里像源1出射第一光束，用于眼睛视觉成像，其中，出射的第一光束包括自然光。设置像源1位于棱镜主体5的一侧，例如，设置像源1在棱镜主体5的上方，即眼睛的上方，如图2所示；或者，设置像源1在棱镜主体5的两侧，即眼睛的左侧或者右侧，匹配增强现实单目或者双目眼镜的需求。棱镜主体5包括玻璃或者透光率好的材料，作为近眼显示装置的固定主体，承载内部感光元件。

参考图2，像源1在棱镜主体5的上方入射第一光束，设置偏振分光组件2位于第一光束的传播路径上，偏振分光组件2具有选择入射光束偏振方向的功能，可以透过满足预设偏振方向的P偏振光束，同时反射与P偏振光束的偏振方向非平行的光束；或，透过满足预设偏振方向的S偏振光束，同时反射与S偏振光束的偏振方向非平行的光束，其中，P偏振光束的偏振方向和S偏振光束的偏振方向正交。当第一光束为自然光，偏振分光组件2将第一光束选择形成第一偏振光束A，第一偏振光束A包括P偏振光束或S偏振光束。具体的，以第一偏振光束A为P偏振光束为例，设置四分之一波片3和反射镜组件4依次位于第一偏振光束A的传播路径上，第一偏振光束A经四分之一波片3后被反射镜组件4反射准直后经过四分之一波片3后形成第二偏振光束B。由于第一偏振光束A两次经过四分之一波片3，出射的第二偏振光束B相对入射的第一偏振光束A存在一定相位差，此时，第二偏振光束B的偏振方向与第一偏振光束A的偏振方向满足正交，第二偏振光束B满足S偏振光束。同时，偏振分光组件2还位于第二偏振光束B的传播路径上，当第二偏振光束B的偏振方向与第一偏振光束A的偏振方向满足正交时，偏振分光组件2反射第二偏振光束B至用户眼睛，在用户眼睛视网膜上成清晰的图像。进一步的，设置反射镜组件4位于棱镜主体5的一侧边缘位置不影响眼睛接收真实世界的光线，同时合理设置反射镜组件4的焦距等参数满足准直输出第二偏振光束B的要求。进一步，通过合理设置偏振分光组件2透射第一光束和反射第二偏振光束B的感光面积，当眼睛左右移动时都是能接收到反射的第二偏振光束B，形成完整的像，从而可以扩展用户眼睛在水平方向的视场范围，可以在较大视场范围内都能接收到清晰的完整的图像。

综上所述，本发明实施例提供的一种近眼显示装置，包括：像源、偏振分光组件、四分之一波片、反射镜组件和棱镜主体；通过设置像源位于棱镜主体的一侧，偏振分光组件、四分之一波片和反射镜组件集成设置于棱镜主体中，减少显示装置体积和重量，易系统集成以及提高可穿戴性。具体的，设置像源出射第一光束，第一光束经偏振分光组件后被选择为第一偏振光束，四分之一波片和反射镜组件依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经四分之一波片后被反射镜组件反射后再次经过四分之一波片后形成第二偏振光束，由于四分之一波片和反射镜选择后的第二偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向正交，当第二偏振光束入射偏振分光组件后被第二次反射直接进入至用户眼睛，减少像源发射的第一光束在显示装置内的二次反射次数，避免鬼像，提高入眼成像清晰度。因此，本发明实施例在减少显示装置体积和重量的同时，减少二次反射，提高成像清晰度，显示装置更轻薄，利于系统集成，从而提高装置的可穿戴性。这种更轻薄、简单紧凑的集成化结构外观与普通眼镜更为相似，满足近眼显示装置的成像要求。

作为一种可行的实施例方式，继续参照图2，偏振分光组2包括第一偏振分光镜21；第一偏振分光镜21位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束A；第一偏振分光镜21还位于第二偏振光束B的传播路径上，用于反射第二偏振光束B至用户眼睛。

具体的，继续参照图2，偏振分光组件2包括第一偏振分光镜21，第一偏振分光镜21包括偏振分光镜基体和偏振分光膜(图中未示出)，可以通过改变偏振分光膜实现偏振分束。设置第一偏振分光镜21位于第一光束的传播路径上，第一偏振分光镜21将入射的第一光束选择为满足偏振方向的第一偏振光束A透射，第一偏振光束A包括P偏振光束或S偏振光束，当第一偏振光束A两次透过四分之一波片3后形成与第一偏振光束A的偏振方向正交的第二偏振光束B，此时第一偏振分光镜21不满足透射二偏振光束B的要求，将第二偏振光束B反射至用户眼睛。

可选的，偏振分光组件2包括至少两个偏振分光镜；至少两个偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；第一偏振分光镜位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束；第i偏振分光镜和第N偏振分光镜依次位于第一偏振光束的传播路径上，用于透过第一偏振光束；第N偏振分光镜、第i偏振分光镜和第一偏振分光镜依次位于第二偏振光束的传播路径上；第N偏振分光镜和第i偏振分光镜用于部分反射第二偏振光束至用户眼睛，部分透过第二偏振光束；第一偏振分光镜用于反射第二偏振光束至用户眼睛。

示例性的，图3为本发明实施例提供的另一种近眼显示装置的

结构示意图。偏振分光组件2包括至少两个偏振分光镜，至少两个偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数。以3个偏振分光镜为例，如图3所示，第一偏振分光镜21位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束A，第一偏振光束A包括P偏振光束或S偏振光束，设置第二偏振分光镜22和第三偏振分光镜23依次位于第一偏振光束A的传播路径上，通过合理设置第二偏振分光镜22和第三偏振分光镜23透过第一偏振光束A，第一偏振光束A第一次透过四分之一波片3偏振方向发生偏转后到达反射组件4。通过合理设置偏振分光镜的数量，可以有效扩展第二偏振光束B在垂直方向上的出射面积，从而提高用户眼睛在垂直方向的视场范围。

具体的，第一偏振光束A被反射镜组件4反射后第二次透过四分之一波片3偏振方向再次偏转，经过两次偏振方向偏转形成与第一偏振光束A的偏振方向正交的第二偏振光束B，同时保证第三偏振分光镜23、第二偏振分光镜22和第一偏振分光镜21依次位于第二偏振光束B的传播路径上。通过合理设置第三偏振分光镜23透射和反射第二偏振光束B的比例，满足第三偏振分光镜23部分反射第二偏振光束B至用户眼睛，部分透过第二偏振光束B；合理设置第二偏振分光镜22透射和反射第二偏振光束B的比例，满足第二偏振分光镜22部分反射第二偏振光束B至用户眼睛，部分透过第二偏振光束B；以及设置第一偏振分光镜21透射和反射第二偏振光束B的比例，满足第一偏振分光镜21完全反射第二偏振光束B至用户眼睛，最终可实现第二偏振光束B光强度一致均匀入射至用户眼睛成像。

可选的，第N偏振分光镜、第i偏振分光镜和第一偏振分光镜分别反射的第二偏振光束光强度一致。

具体的，至少两个偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数。其表明，当偏振分光镜的数量为N个时，通过合理设置偏振分光镜与第一光束的传播方向的夹角以及偏振分光镜的透过率，保证第N偏振分光镜、第i偏振分光镜和第一偏振分光镜分别反射的第二偏振光束光强度一致，提高视觉成像效果。

可选的，反射镜组件4包括球面反射镜或非球面反射镜；第二偏振光束B包括平行光束。通过合理设置球面反射镜或非球面反射镜的焦距等参数，可以实现对入射光束准直调节，将非平行光反射为平行光束，提高用户眼睛成像清晰度。

与此同时，通过合理设计近眼显示装置的光学结构，比如选择棱镜主体5的厚度或减少二次反射光成像来避免鬼像，满足第三偏振分光镜23、第二偏振分光镜22和第一偏振分光镜21分别反射的第二偏振光束B的光强相同，提高成像的均匀性和清晰度。

作为一种可行的实施方式，近眼显示装置还包括起偏组件(图中未示出)；起偏组件位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为线偏振光束。

具体的，为了提高进入眼睛光束的能量利用率以及提高成像清晰度，近眼显示装置还包括起偏组件，起偏组件包括市面上常用的偏振片、尼科耳棱镜等，可以从自然光中获得偏振光。当像源发出的第一光束为自然光，设置起偏组件位于第一光束的传播路径上，起偏组件从第一光束获得线偏振光束，当偏振光束入射到偏振分光组件，选择起偏组件与偏振分光组件的选偏方向一致，可以提高线偏振光束入射到偏振分光组件的入射效率，进一步提高进入眼睛光束的能量利用率以及提高成像清晰度。

可选的，继续参考图2或图3，偏振分光组件2与第一光束的传播方向的夹角α满足0<α≤45°；用户眼睛(图中未示出)的视场角β(图中未示出)满足-40°<β≤40°。

具体的，继续参考图2或图3，偏振分光组件2的感光平面与第一光束的传播方向的夹角α可以选择设置在0<α≤45°，考虑到人眼最舒适的视场范围，优选的，设置α＝45°，此时，经偏振分光组件2反射的第二偏振分光束B水平入射进入用户眼睛，沿第二偏振分光束B的传播方向为基准线，眼睛在像源发射的光束有效反射区域的对角线视场角可达到-40°<β≤40°，实现具有较大的视场角和动眼范围。以设置两排偏振分光组件作为反射平面的时候，满足横向动眼范围30mm和纵向动眼范围8mm，通过设置反射平面的横向面积和纵向数量，可以扩展更大的动眼范围。通过此结构设置，用户在较大的动眼范围内仍能体验到清晰的成像，具有较高的视觉成像体验。

本发明实施例还提供一种近眼显示装置的制备方法，用于制备上述实施例提供的近眼显示装置。图4为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的制备方法流程示意图。如图4所示，制备方法包括：

S101、提供像源，像源用于出射第一光束。

具体的，继续参照图2或图3，提供成像像源1，像源1包括发光二极管显示装置、有机发光二极管显示装置、微型发光二极管显示装置以及液晶显示装置中的至少一种，像源1出射第一光束，用于眼睛视觉成像，其中，第一光束包括自然光。

S102、提供棱镜主体，棱镜主体位于像源一侧。

具体的，继续参照图2或图3，提供棱镜主体5，设置在像源1的出射光的传播路径上，棱镜主体5包括玻璃或者透光率好的材料，作为近眼显示装置的光学元件的固定主体，承载内部感光元件。

S103、在棱镜主体中制备偏振分光组件，偏振分光组件位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束。

具体的，继续参照图2或图3，预先在棱镜主体5中制备偏振分光组件2，设置偏振分光组件位于第一光束的传播路径上，偏振分光组件2通过选偏选择第一光束为第一偏振光束A，偏振分光组件2的感光平面与第一光束的传播路径存在夹角α，优选的设置α＝45°。通过此结构设置，用户在较大的动眼范围内仍能体验到清晰的成像，具有较高的视觉成像体验。

S104、在棱镜主体中制备四分之一波片。

具体的，继续参照图2或图3，继续沿第一偏振光束A的传播方向在棱镜主体5中内嵌设置四分之一波片3，用于偏转第一偏振光束A为第二偏振光束B，具体原理，这里不再做详细描述。

S105、在棱镜主体中制备反射镜组件；四分之一波片和反射镜组件依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束经四分之一波片后被反射镜组件反射后再次经过四分之一波片后第二偏振光束，第二偏振光束的偏振方向与第一偏振光束的偏振方向正交；偏振分光组件还位于第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射第二偏振光束至用户眼睛。

示例性，继续参照图2或图3，在棱镜主体5中内嵌设置反射镜组件4，反射镜组件4包括球面反射镜或非球面反射镜，通过合理设置反射镜的焦距等参数，可以实现对入射光束准直调节，将非平行光反射为平行光束，提高眼睛成像清晰度。设置四分之一波片3和反射镜组件4依次位于第一偏振光束的传播路径上，当第一偏振光束A经四分之一波片3后被反射镜组件4反射后再次经过四分之一波片3后形成偏振方向与第一偏振光束A的偏振方向正交的第二偏振光束B，此时，当第二偏振光束B沿光束传播方向到达偏振分光组件2，由于不满足预设的透射要求，偏振分光组件2至少部分反射第二偏振光束B至用户眼，第二偏振光束B在眼睛内聚焦成像。

综上所述，本发明实施例提供的一种近眼显示装置的制备方法，通过设置像源位于棱镜主体的一侧，像源发射成像光束，将偏振分光组件、四分之一波片和反射镜组件依次集成设置于棱镜主体中，沿成像光束的传播路径上，使成像光束依次透过偏振分光组件、透过四分之一波片、被反射镜组件反射、再次透过四分之一波片、被偏振分光组件反射，出射具有特定偏振方向的第二偏振光束直接进入至用户眼睛，通过减少显示装置体积和重量，利于系统集成、提高可穿戴性，同时减少成像光束在棱镜主体内的反射次数，避免鬼像，提高入眼成像清晰度。因此，本发明实施例在减少显示装置体积和重量的同时，减少二次反射，提高成像清晰度，显示装置更轻薄，利于系统集成，从而提高装置的可穿戴性。

可选的，图5为本发明实施例提供的一种近眼显示装置制备过程中的结构意图。如图5所示，偏振分光组件包括第一偏振分光镜；棱镜主体5包括独立设置的第一分部51、第二分部52和第三分部53。

具体的，以偏振分光组件2包括第一偏振分光镜21为例，继续参照图2，第一偏振分光镜21具有将第一光束偏振分束选择为第一偏振光束A，并将四分之一波片选择偏转方向的第二偏振光束反射B至用户眼睛成像。设置棱镜主体5包括独立设置的第一分部51、第二分部52和第三分部53。

在棱镜主体中制备偏振分光组件，包括：在第一分部51朝向第二分部52的一侧表面A’，和/或，第二分部52朝向第一分部51的表面B’制备偏振分光膜，形成第一偏振分光镜。

具体的，参照图5，在第一分部51朝向第二分部52的一侧表面A’镀偏振分光膜，形成第一偏振分光镜；和/或，第二分部52朝向第一分部51的表面B’镀偏振分光膜，形成第一偏振分光镜。

在棱镜主体中制备反射镜组件，包括：在第二分部52朝向第三分部53的一侧表面C，和/或，第三分部53朝向第二分部52的表面D制备反射膜，形成反射镜组件。

具体的，参照图5，可以采用镀膜的工艺，在第二分部52朝向第三分部53的一侧表面C镀反射膜，形成反射镜组件；和/或，第三分部53朝向第二分部52的表面D镀反射膜，形成反射镜组件。

其中，在表面A’或表面B’的和在表面C和表面D任一一面镀膜都能实现相同的效果，同时为了实现用户眼睛视场的均匀性，可以通过选择不同部分偏振分光膜的光透射和反射比例从而尽可能实现到达眼睛的光强度一致，具有较好的成像效果。

可选的，偏振分光组件包括至少两个偏振分光镜；至少两个偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；棱镜主体包括独立设置的第一分部、第i分部、第N分部、第(N+1)分部和第(N+2)分部。

具体的，偏振分光组件包括至少两个偏振分光镜，通过合理设置偏振分光镜的数量，实现在第二偏振光束在光束传播方向的扩展，从而扩展了人眼的垂直视场角范围。具体的，眼镜的垂直视场角可以达到-40°<ω≤40°。至少两个偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数。以N为正数三，在棱镜主体中制备3个偏振分光镜为例，对应的，设置棱镜主体包括独立设置的第一分部、第二分部、第三分部、第四分部和第五分部，依次制备得到第一偏振分光镜，第二偏振分光镜、第三偏振分光镜和反射镜。

在棱镜主体中制备偏振分光组件，包括：

在第一分部朝向第二分部的一侧表面，和/或，第二分部朝向第一分部的表面制备偏振分光膜，形成第一偏振分光镜。

具体的，可以采用镀膜的工艺，在第一分部朝向第二分部的一侧表面镀偏振分光膜，形成第一偏振分光镜；和/或，在第二分部朝向第一分部的表面镀偏振分光膜，形成第一偏振分光镜。

在第i分部朝向第(i+1)分部的一侧表面，和/或，第(i+1)分部朝向第i分部的表面制备偏振分光膜，形成第i偏振分光镜。

具体的，以在棱镜主体中制备3个偏振分光镜为例，可以采用镀膜的工艺，在第二分部朝向第三分部的一侧表面镀偏振分光膜，形成第二偏振分光镜；和/或，在第三分部朝向第二分部的表面镀偏振分光膜，形成第二偏振分光镜。

在第N分部朝向所述第(N+1)分部的一侧表面，和/或，第(N+1)分部朝向第N分部的表面制备偏振分光膜，形成第N偏振分光镜。

具体的，以在棱镜主体中制备3个偏振分光镜为例，可以采用镀膜的工艺，在第三分部朝向第四分部的一侧表面镀偏振分光膜，形成第三偏振分光镜，和/或，在第四分部朝向第三分部的表面镀偏振分光膜，形成第三偏振分光镜。

在棱镜主体中制备反射镜组件，包括：

在第(N+1)分部朝向第(N+2)分部的一侧表面，和/或，第(N+2)分部朝向第(N+1)分部的表面制备反射膜，形成反射镜组件。

具体的，以在棱镜主体中制备3个偏振分光镜为例，可以采用镀膜的工艺，在第四分部朝向第五分部的一侧表面镀反射膜，形成反射镜组件；和/或，第四分部朝向第五分部的表面镀反射膜，形成反射镜组件。

综上所述，本发明实施例提供的一种近眼显示装置的制备方法，通过设置像源位于棱镜主体的一侧，发射成像光束，沿成像光束的传播路径上，偏振分光组件包括偏振分光镜，合理设置偏振分光镜的数量从而划分棱镜主体模块化，采用在棱镜主体的模块的横截面分别制备偏振分光膜和反射膜，制备得到偏振分光组件、四分之一波片和反射镜组件依次集成设置于棱镜主体中的结构，以及成像光束依次透过偏振分光组件、透过四分之一波片、被反射镜组件反射、再次透过四分之一波片、被偏振分光组件反射，出射具有特定偏振方向的第二偏振光束直接进入至用户眼睛，以及设置多个偏振分光镜扩展第二偏振光束在垂直方向进入至用户眼睛的偏振光束范围，实现在水平方向和垂直方向扩展用户眼睛的视场范围的目的。本实施例通过减少显示装置体积和重量，利于系统集成、提高可穿戴性，同时减少成像光束在棱镜主体内的反射次数，避免鬼像，提高入眼成像清晰度。

作为一个可行的实施方式，列举一个具体的实施例，基于上述实施例提供的制备方法制备得到近眼显示装置，对制备得到的近眼显示装置进行光学仿真测试。

继续参考图2，近眼显示装置包括：像源1、偏振分光组件2、四分之一波片3、反射镜组件4和棱镜主体5；像源1位于棱镜主体5的一侧，偏振分光组件2、四分之一波片3和反射镜组件4集成设置于棱镜主体1中；像源1用于出射第一光束；偏振分光组件2位于第一光束的传播路径上，用于选择第一光束为第一偏振光束A；四分之一波片3和反射镜组件4依次位于第一偏振光束的传播路径上，第一偏振光束A经四分之一波片3后被反射镜组件4反射后经过四分之一波片3后形成第二偏振光束B，第二偏振光束B的偏振方向与第一偏振光束A的偏振方向正交；偏振分光组件2还位于第二偏振光束B的传播路径上，至少用于反射第二偏振光B束至用户眼睛。

采用Optic Studio软件对本发明实施例提供的近眼显示装置进行了光学仿真测试，图6为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的点列图。点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一，由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。如图6所示，本发明实施例提供的一种近眼显示装置出射的进入用户眼睛的第二偏振光束为平行光，近眼显示装置在各个视场位置处的均方根半径值(RMS radius)均控制在RMS<13μm，说明了近眼显示装置出射的偏振光束在眼睛的水平和垂直视场下具有较低的色差和像差，用户可以看清晰度高的视觉成像。

图7为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的MTF曲线图。如图8所示，MTF曲线中的空间频率满足12周期/mm时传递函数基本都在0.8以上，在眼睛的水平和垂直方向的视场范围内，具有较大的动眼范围，可在眼睛视网膜上可高清成像。

图8为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的场曲和F-Theta畸变图。图9为发明实施例提供的一种近眼显示装置的成像效果图。如图8所示，左侧为近眼显示装置的场曲图，右边为近眼显示装置的F-Theta畸变图，其中，场曲图坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧失；由图8中场曲图可以看出，本实施例提供的近眼显示装置的场曲被有效地控制在<0.4mm内，即在眼睛视网膜上成像时，中心的像质和周边的像质差距较小，如图9所示；F-tan(Theta)畸变图坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图8中F-Theta畸变图可以看出，本实施例提供的近眼显示装置的光学畸变被有效控制在≤1.6％，得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足图像在眼睛视网膜上低畸变，真实成像的要求，如图9所示。

本发明实施例提供的这种棱镜主体内反射出射平行光的结构和现有技术阵列波导的结构相比无需复杂的光机耦入结构，外形看起来和普通的眼镜更为一样，且动眼范围较大，用户可以在较大视场范围内都能接收到清晰的完整的图像。反射球面在边缘位置不影响眼睛接收真实世界的光线，而且偏振分束镜可以是镀一层透明且薄的偏振分束膜实现，也不会遮挡视线。这种更轻薄、简单紧凑的集成化结构外观与普通眼镜更为相似，满足近眼显示装置的成像要求。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新选择、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：像源、偏振分光组件、四分之一波片、反射镜组件和棱镜主体；所述像源位于所述棱镜主体的一侧，所述偏振分光组件、所述四分之一波片和所述反射镜组件集成设置于所述棱镜主体中；

所述像源用于出射第一光束；

所述偏振分光组件位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为第一偏振光束；

所述四分之一波片和所述反射镜组件依次位于所述第一偏振光束的传播路径上，所述第一偏振光束经所述四分之一波片后被所述反射镜组件反射后再次经过所述四分之一波片后形成第二偏振光束，所述第二偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交；

所述偏振分光组件还位于所述第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振分光组件包括第一偏振分光镜；

所述第一偏振分光镜位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为所述第一偏振光束；

所述第一偏振分光镜还位于所述第二偏振光束的传播路径上，用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振分光组件包括至少两个偏振分光镜；至少两个所述偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；

所述第一偏振分光镜位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为所述第一偏振光束；

所述第i偏振分光镜和所述第N偏振分光镜依次位于所述第一偏振光束的传播路径上，用于透过所述第一偏振光束；

所述第N偏振分光镜、所述第i偏振分光镜和所述第一偏振分光镜依次位于所述第二偏振光束的传播路径上；所述第N偏振分光镜和所述第i偏振分光镜用于部分反射所述第二偏振光束至用户眼睛，部分透过所述第二偏振光束；所述第一偏振分光镜用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

4.根据权利要求3所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第N偏振分光镜、所述第i偏振分光镜和所述第一偏振分光镜分别反射的所述第二偏振光束光强度一致。

5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述反射镜组件包括球面反射镜或非球面反射镜；

所述第二偏振光束包括平行光束。

6.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置还包括起偏组件；

所述起偏组件位于所述第一光束的传播路径上，用于调整所述第一光束为线偏振光束。

7.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振分光组件与所述第一光束的传播方向的夹角α满足0°<α≤45°；

所述用户眼睛的视场角满足-40°<β≤40°。

8.一种近眼显示装置的制备方法，用于制备权利要求1-7任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，包括：

提供像源，所述像源用于出射第一光束；

提供棱镜主体，所述棱镜主体位于所述像源一侧；

在所述棱镜主体中制备偏振分光组件，所述偏振分光组件位于所述第一光束的传播路径上，用于选择所述第一光束为第一偏振光束；

在所述棱镜主体中制备四分之一波片；

在所述棱镜主体中制备反射镜组件；所述四分之一波片和所述反射镜组件依次位于所述第一偏振光束的传播路径上，所述第一偏振光束经所述四分之一波片后被所述反射镜组件反射后再次经过所述四分之一波片后形成第二偏振光束，所述第二偏振光束的偏振方向与所述第一偏振光束的偏振方向正交；

所述偏振分光组件还位于所述第二偏振光束的传播路径上，至少用于反射所述第二偏振光束至用户眼睛。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述偏振分光组件包括第一偏振分光镜；

所述棱镜主体包括独立设置的第一分部、第二分部和第三分部；

在所述棱镜主体中制备偏振分光组件，包括：

在所述第一分部朝向所述第二分部的一侧表面，和/或，所述第二分部朝向所述第一分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第一偏振分光镜；

在所述棱镜主体中制备反射镜组件，包括：

在所述第二分部朝向所述第三分部的一侧表面，和/或，所述第三分部朝向所述第二分部的表面制备反射膜，形成所述反射镜组件。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述偏振分光组件包括至少两个偏振分光镜；至少两个所述偏振分光镜包括第一偏振分光镜，第i偏振分光镜和第N偏振分光镜；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；

所述棱镜主体包括独立设置的第一分部、第i分部、第N分部、第(N+1)分部和第(N+2)分部；

在所述棱镜主体中制备偏振分光组件，包括：

在所述第一分部朝向所述第二分部的一侧表面，和/或，所述第二分部朝向所述第一分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第一偏振分光镜；

在所述第i分部朝向所述第(i+1)分部的一侧表面，和/或，所述第(i+1)分部朝向所述第i分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第i偏振分光镜；

在所述第N分部朝向所述第(N+1)分部的一侧表面，和/或，所述第(N+1)分部朝向所述第N分部的表面制备偏振分光膜，形成所述第N偏振分光镜；

在所述棱镜主体中制备反射镜组件，包括：

在所述第(N+1)分部朝向所述第(N+2)分部的一侧表面，和/或，所述第(N+2)分部朝向所述第(N+1)分部的表面制备反射膜，形成所述反射镜组件。

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