CN112946893B - 近场显示装置 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种近场显示装置，包括：图像显示源、微光学阵列和耦合镜头。所述图像显示源包括Y个子显示区域，Y为大于等于1的整数；所述微光学阵列包括Y个微光学结构，每个所述微光学结构形成一个光学通道；所述图像显示源的Y个子显示区域和所述微光学阵列的Y个光学通道一一对应，从每个子显示区域发出的图像光经过对应的光学通道聚焦到所述耦合镜头。本公开实施例的近场显示装置可以提高图像显示质量，并且结构简单，有助于降低成本。

Description

近场显示装置

技术领域

本公开实施例涉及一种近场显示装置，具体的，涉及一种基于微光学阵列的近场显示装置。

背景技术

增强现实显示技术以及近场显示装置等均需通过一组光学系统放大超微显示屏上的图像，将影像投射于视网膜上，进而呈现于观看者眼中大屏幕图像。光学系统中的各种精密光学元件的设计对于成像质量、最终产品的体积与重量等的改善具有重要的影响。

发明内容

根据本公开的实施例提供一种近场显示装置，包括：图像显示源、微光学阵列和耦合镜头，其中，所述图像显示源包括Y个子显示区域，Y为大于等于1的整数；所述微光学阵列包括Y个微光学结构，每个所述微光学结构形成一个光学通道；所述图像显示源的Y个子显示区域和所述微光学阵列的Y个光学通道一一对应，从每个子显示区域发出的图像光经过对应的光学通道聚焦到所述耦合镜头。

在一些示例中，所述Y为大于等于2的整数，所述Y个微光学结构中的至少部分微光学结构被配置为具有不同的参数。

在一些示例中，所述Y个子显示区域中的每个子显示区域对应于所述图像显示源的一个像素点的区域，所述图像显示源的像素点的数量与所述微光学结构的数量相同。

在一些示例中，所述微光学阵列包括X层微光学阵列结构，X为等于或大于1的整数。

在一些示例中，所述图像显示源所处的介质或空间的折射率大于1；和/或，所述耦合镜头的出瞳所述的介质或空间的折射率大于1。

在一些示例中，近场显示装置还包括光波导传输基片，所述耦合镜头的出瞳与所述光波导传输基片的入瞳重合，从所述耦合镜头的出瞳射出的光通过所述光波导传输基片的入瞳进入到所述光波导传输基片。

在一些示例中，所述微光学结构包括球面、非球面、自由曲面、平面中的至少之一且具有光学折射功能的面型结构。

在一些示例中，每个所述微光学结构包括微透镜和微倾斜平面，所述微光学阵列包括重叠设置的微透镜阵列和微倾斜平面阵列。

在一些示例中，所述Y个微光学结构的参数被配置为使得所述微光学阵列补偿不同子显示区域发出的不同光谱的光线之间，在所述耦合镜头与所述光波导传输基片中传播的相对偏差，所述偏差包括球差、色差、慧差中的任意一种或几种光学像差。

在一些示例中，所述耦合镜头将来自对应的光学通道的图像光进行准直，从所述光波导传输基片的入瞳射入的不同方向的平行光，在所述光波导传输基片内经过多次内全反射后，从光波导传输基片的出瞳射出。

根据本公开实施例的近场显示装置，可以提高图像显示质量，并且结构简单，有助于降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明实施例一所描述的一种基于微光学阵列的近场显示装置结构示意图。

附图标记说明：1—OLED屏幕图像显示源；11—OLED屏幕图像显示源所处介质；12—像素点；13—像素点发出的光束；2—微光学阵列；21—微透镜阵列；211—微透镜；22—微倾斜平面阵列；221—微倾斜平面；23—光学通道；3—耦合镜头；31—耦合镜头的透镜；32—耦合镜头的出瞳；33—耦合镜头出瞳所处介质；34—从耦合镜头出射的平行光；4—光波导传输基片；41—光波导传输基片的入瞳；42—光波导传输基片的出瞳。

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在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

头戴显示器、近场显示装置的技术越来越成熟。其中，基于光波导技术的虚拟现实眼镜和增强现实眼镜，以其紧凑的结构，成为最具潜力的头戴显示产品。在一些头戴显示器技术中提出用于将图像显示源准直成像到光学无穷远的光学模块，特别是当近场显示装置需要很大视场角的时候，已有技术设计的光学模块变得非常复杂和庞大，造成加工困难，成本高，设备笨重。在一些轻量化光学模块的设计中，采用了棱镜等光学结构，形成转折光路，虽然模块的占用空间减少了，但是重量没有明显减少，且各种棱镜、平板和镜头的贴合组装，仍然需要非常复杂的加工方法，导致生产效率低，成本高。

因此，如何简化头戴显示器、近场显示装置中的用于准直成像图像显示源的光学模块，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

如图1所示，一种基于微光学阵列的近场显示装置，包括：有机发光二极管（OLED）图像显示源1、微光学阵列2、耦合镜头3、光波导传输基片4。在一些示例中，OLED图像显示源1所处介质11的折射率大于1。例如，微光学阵列2包括Y个光学通道23（Y为大于等于1的整数）。在一些示例中，Y为大于等于2的整数，以将所述OLED图像显示源1中的不同局部视场通过不同的光学通道聚焦到耦合镜头3。例如，不同的光学通道配置成不同参数，结合耦合镜头3的配置参数，从而使得OLED图像显示源1中的不同局部视场能够更好地在耦合镜头3处进行聚焦。

例如，上述实施例中以OLED图像显示源1作为图像显示源的示例进行描述，然而，根据本公开的实施例不限于此，图像显示源可以为其他任意合适类型的显示源，例如，LCD图像显示源等。

图像显示源中的不同局部视场可以是将图像显示源的显示区域划分为不同的子显示区域而形成。每个子显示区域形成一个局部视场。不同的子显示区域彼此连接而形成了整个图像显示源的显示区域。在本公开的实施例中，由于不同的局部视场（即，不同的子显示区域）处于不同的位置，因此，与近场显示装置中的光学元件的位置关系也不相同。本公开的实施例通过形成微光学阵列的不同光学通道来传输不同的局部视场的光，可以通过具有不同参数的光学通道来对各个局部视场的光线进行调整，从而使得不同的局部视场区域的光可达到最好的传输状态。

例如，上述的不同子显示区域中的每个子显示区域可以为由多个像素点组成的区域。每个子显示区域的形状可以为正方向、长方形、五边形、六边形或其他多边形，或者也可以为其他任意合适的形状。上述多个子显示区域可以密集排列，从而形成连续的整个显示区域以显示整幅图像。例如，上述子显示区域仅仅是对显示区域的划分，从而使得不同子显示区域能够对应于不同的光学通道，相邻子显示区域之间不必设置实体的间隔或者界线。

例如，上述不同子显示区域在平行于图像显示源的显示面的方向上的最大尺寸可以为图像显示源的显示面的1/2。也就是说，在对应的方向上，子显示区域为图像显示源的显示面的1/2。例如，如果显示面为矩形结构，子显示区域相邻两个边的尺寸分别为图像显示源的显示面的对应的相邻两个边的尺寸的一半。在这种情况下，可以形成2×2的子显示区域的阵列排布。然而，根据本公开的实施例不限于此，子显示区域的尺寸可以更小，以在图像显示源中形成更多个子显示区域。

例如，这里的子显示区域可以为能够显示不同颜色和亮度的显示单元。例如，每个显示单元包括多个不同颜色的子像素，通过调整不同颜色子像素的发光亮度，从而能够使得每个显示单元显示不同颜色和不同亮度的光，以使得整个显示区域显示彩色画面。例如，每个显示单元可以包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，通过不同颜色子像素发出的光进行混合而显示不同颜色及不同亮度。

例如，在垂直于图像显示源的显示面的方向上，对应的子显示区域与光学通道至少彼此重叠，从而使得从子显示区域发出的光线能够尽量多地入射至对应的光学通道中。在一些示例中，也可以在相邻子显示区域之间设置遮挡物以防止同一光学通道能够接受到相邻的不同子显示区域的光而形成串扰，但本公开实施例对此没有特别限制。

例如，图像显示源中的多个子显示区域和微透镜阵列中的多个微光学结构一一对应，图像显示源的子显示区域的数量与微光学结构的数量相同。

在一些示例中，如图1所示，微光学阵列2包括两层微光学结构阵列，分别为微透镜阵列21和微倾斜平面阵列22，其中微透镜阵列21包括Y个微透镜211，微倾斜平面阵列22包括Y个微倾斜平面221。例如，Y个微透镜211和Y个微倾斜平面一一对应，使得每个微透镜211和对应的微倾斜平面形成一个光学通道23。也就是说，在该实施例中，每个微透镜211和对应的微倾斜平面221形成一个微光学结构，每个微光学结构形成一个光学通道。例如，上述光学通道的参数可以包括微透镜的面型、尺寸、焦距、倾斜角度等等以及微倾斜平面的尺寸、倾斜角度等等。然而，根据本公开的实施例中所涉及的光学通道的参数不限于此，可以为上述参数中的某一个或几个的结合，也可以为其他未详细描述的一个或者几个参数的结合。只要能够通过调整光学通道的参数，具体为微透镜阵列21的参数和微倾斜平面221的参数，以达到针对不同子显示区域发出的光进行个别的优化，即可以实现本公开实施例的至少部分技术效果。

上述微光学阵列通过包括两层微光学结构阵列的结构为例进行了描述，然而，根据本公开的实施例不限于此，微光学阵列可以仅包括一层微光学结构阵列，或者包括三层以上的微光学结构阵列。

耦合镜头3包括一个透镜31和一个出瞳32。例如，耦合镜头3的出瞳32所处介质33的折射率大于1。例如，这里的耦合镜头可以为单个透镜或者由多个透镜形成的透镜组，本公开的实施例对此没有特别限定。例如，耦合镜头3可以将来自微透镜阵列2的图像光耦合到下面描述的光波导传输基片4。例如，耦合镜头3可以将来自微透镜阵列的图像光进行准直。

例如，光波导传输基片4包括入瞳41和出瞳42。耦合镜头的出瞳32与光波导传输基片的入瞳41重合。例如，图像光从耦合镜头3经过出瞳32和入瞳41进入光波导传输基片4。从耦合镜头3的出瞳32射出的一系列不同方向的平行光34通过光波导传输基片4的入瞳41进入光波导传输基片4并在光波导传输基片中传播。例如，上述光可以在光波导传输基片4内经过多次内全反射后，从光波导传输基片4的出瞳42射出，被人眼5捕获。

例如，上述出瞳32和入瞳42例如为孔径光阑，上述出瞳32和入瞳42可以一体形成或者二者共用一个孔径光阑。也就是说，耦合镜头3的出瞳32和光波导传输基片4的入瞳42重合，从所述耦合镜头的出瞳射出的光通过所述光波导传输基片的入瞳进入到所述光波导传输基片。

例如，在上述微光学阵列的Y个光学通道23中，所有微透镜211和微倾斜平面221配置成不同参数，并结合耦合镜头3的配置参数，使得OLED图像显示源1上不同局部视场通过不同的光学通道23聚焦到耦合镜头。例如，图像显示源1中的不同局部视场与微光学阵列2中的光学通道23一一对应。

例如，在一些示例中，上述的子显示区域可以仅包括一个像素点。也就是说，每个子显示区域对应于一个像素点的区域。如图1所示，显示图像源1包括了多个像素点12。因此，在这些示例中，不同像素点12发出的光束13，分别被其对应的光学通道23聚焦到耦合镜头3相对于该通道光束最佳的准直成像位置，再经过耦合镜头3准直后。从耦合镜头3的出瞳32射出一系列不同方向的平行光34，通过光波导传输基片4的入瞳41进入光波导传输基片4。在这些示例中，通过分别对每个像素点优化配置一个光学通道，有利于达到图像显示质量的进一步改善。

例如，这里所述的像素点12可以为能够独立控制且能够显示某种颜色的最小单元（子像素）。例如，像素点12可以为红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素或其他任何合适颜色的子像素。通过不同颜色的像素点使用不同的光学通道，相对于不同颜色共用光学通道，可以在大视场的情况下也能很好地消除色差。另外，每个像素点都有自己的光学通道，排除了光学渐晕效应，并且能够排除光学畸变效应。例如，当图像显示源为OLED图像显示源的情况下，每个像素点可以为对应于一个有机发光二极管器件的部分。

在本公开实施例的近场显示装置中，通过每个光学通道针对对应的子像素区域进行参数的调整，从而可以消除光线传播产生的畸变、渐晕、视场不均匀、颜色不均匀等等一系列问题。此外，本公开实施例中的这种结构设计可以使得近场显示装置的光学系统的结构更加紧凑，轻薄，从而能够使得最终产品的体积和重量均能够减少。例如，如图1所示，由于不同的子显示区域相对于光学系统中后续的光学元件（例如，耦合透镜和光波导传输基片）的位置不同，或者不同的子显示区域发出的图像光的颜色不同，从而在耦合镜头和光波导传输基片任意之一或者二者中，不同的子显示区域发出的图像光之间会有偏差，例如，这里所述的偏差包括但不限于球差、色差、慧差中的任意一种或几种光学像差。如果使用共用的光学通道来传输不同子显示区域发出的图像光，则不同的子显示区域中的至少部分子显示区域发出的图像光不能被很好地调制，最终使得图像质量下降。在本公开的实施例中，不同的子显示区域（图1的示例中以像素点为例进行说明）发出的光通过不同的光学通道来传输，通过不同的光学通道针对不同的子显示区域的情况进行参数配置，从而能够使得微光学阵列补偿不同子显示区域发出的不同光谱的光线之间，在所述耦合镜头与所述光波导传输基片中传播的相对偏差。

例如，在上述以图1为例描述的实施例中，近场显示装置包括图像显示源1、微光学阵列2、耦合镜头3和光波导传输基片4四个主要部分，然而，根据本公开的实施例可以在此基础上增加或者减少部分部件。如上所述，不同光学通道对不同的子显示区域的图像光进行个别优化，从而能够减少在耦合镜头和光波导传输基片中的至少之一的光学偏差，因此，在包括图像显示源1、微光学阵列2和耦合镜头3中的近场显示装置中，则可以实现一定的技术效果，即，可以减少不同子显示区域发出的图像光在耦合镜头中的光学偏差。

例如，在一些实例中，上述Y为大于等于2的整数。也就是说，微光学阵列2至少包括两个微光学结构。然而，根据本公开的实施例不限于，微光学阵列2可以包括三个以上的更多个微光学结构，从而能够针对更多个子显示区域进行个别优化设置。例如，多个微光学结构中的至少部分微光学结构被配置为具有不同的参数是指多个微光学结构中的任意两个的参数均不同，或者微光学结构中至少部分微光学结构的参数与其他微光学结构的参数不同。

例如，上述的每个子显示区域在平行于图像显示源的显示面的方向上的最大尺寸与每个光学通道在这个方向上的最大尺寸相同，或者，上述每个子显示区域在平行于图像显示源的显示面的方向上的最大尺寸小于每个光学通道在这个方向上的最大尺寸相同。例如，上述每个子显示区域在平行于图像显示源的显示面的平面上的正投影落入对应的光学通道在平行于图像显示源的显示面的平面上的正投影内，从而使得每个子显示区域发出的光线可以更好地进入到对应的光学通道中。通过这种设置，可以更好地确保每个子显示区域发出的图像光通过对应的光学通道进行传输，从而能够通过不同的光学通道参数对不同的子显示区域进行分别优化调整。

例如，光波导传输基片4可以选用标准的几何光波导也可以选用标准的衍射光波导，从入瞳41射入的不同方向的平行光34，在光波导传输基片4内经过多次内全反射后，从光波导传输基片4的出瞳42射出。根据本公开的实施例对于光波导传输基片4的具体结构和类型没有特别限制，光波导传输基片可以根据具体的产品以及应用场景进行选择。

例如，OLED图像显示源1所处介质11的折射率大于1，优选地配置为1.613，配置微光学阵列2和耦合镜头3相对OLED屏幕图像显示源1的视场角达到53°，可以使人眼观察OLED图像显示源1的视场角达到90°。

在本公开的实施例中，例如，通过配置每个光学通道23中微透镜211的面型和微倾斜平面221的倾角，可以使每个光学通道23补偿通过该光学通道23的光线在后续耦合镜头3和光波导传输基片4中产生的折射角非线性误差，比如球差、色差、慧差等光学像差。因此，针对显示区域中的每个子显示区域，甚至是针对每个显示区域中的每个像素点，优化设置微光学阵列中的每个光学通道的参数，使得到达人眼的整个显示图像的画质可以有效改善。

基于以上实施例的描述，本公开提供了以下的近场显示装置，并起到了了如下的技术效果。

本公开实施例提供一种基于微光学阵列的近场显示装置，包括：图像显示源、微光学阵列、耦合镜头以及光波导传输基片，其中，图像显示源所处介质或空间的折射率大于1；微光学阵列包括X层微光学结构阵列，X为大于等于1的整数，每层微光学结构阵列包括Y个微光学结构，所有微光学结构组成Y个光学通道，Y为大于等于1的整数；耦合镜头包括N个透镜和1个出瞳，N为大于等于0的整数，耦合镜头的出瞳所处介质或空间的折射率大于1，耦合镜头的出瞳与光波导传输基片的入瞳重合；所有微光学结构可以配置成相同参数，也可以配置成不同参数，并结合耦合镜头的配置参数，使得图像显示源上不同局部视场发出的光束，分别被其对应的光学通道聚焦到耦合镜头相对于该通道光束最佳的准直成像位置，再经过耦合镜头准直后，从耦合镜头的出瞳射出，形成一系列不同方向的平行光，通过光波导传输基片的入瞳进入光波导传输基片后，在光波导传输基片内经过多次内全反射后，从光波导传输基片的出瞳射出，被人眼捕获。

图像显示源配置为L个具有光学图像显示功能的发光面或其经过成像镜头所成的实像，L为大于等于1的整数，图像显示源包括M个像素，M为大于等于1的整数。例如，如果每个发光面包括N个像素，则图像显示源所包括的M个像素可以为L×N个像素。

微光学结构可以配置为球面、非球面、自由曲面、平面等具有光学折射功能的面型结构。

配置微光学结构的参数，使得微光学阵列可以补偿不同视场不同光谱的光线之间，在耦合镜头与光波导传输基片中传播的相对偏差，比如球差、色差、慧差等光学像差。

从光波导传输基片的入瞳射入的不同方向的平行光，在光波导传输基片内经过多次内全反射后，从光波导传输基片的出瞳射出。

由一般光学知识可知，同一光束在不同折射率的介质中传播时，该光束组成的孔径角与折射率的大小相关，折射率越大，该光束的孔径角越小，反之亦然。在头戴显示器中，所研究的视场角（FOV）为不同视场主光线组成光束的孔径角。在一些近场显示技术中，人眼和图像显示源均被置于空气中，人眼通过头戴显示器观察图像显示源上的图案时，理想的视场角需求是大于90°，所以图像显示源的准直成像系统的视场角需要与人眼视场角一样大。大视场角的准直成像系统结构复杂，其光学模块很难做到小巧简单。所以本公开实施例将图像显示源置于折射率大于1的介质中，通过提高准直成像系统的物方折射率，减小准直成像系统的物方视场角，从而大大降低了准直成像系统的结构复杂度。这里“将图像显示源置于折射率大于1的介质中”是指至少从图像显示源到微阵列结构之间的图像光传播路径置于折射率大于1的介质中。

在单通道光学系统的头戴显示器、近场显示装置中，光学系统，需要平衡不同光谱不同视场光线，在准直成像系统和光波导传输基片中传播时，折射角度的非线性误差，比如球差、色差、慧差等光学像差，使得准直成像系统的设计非常复杂，结构庞大。甚至制约了更大视场角的设计可行性，在先技术的最大视场角设计仅有55°，远小于理想目标90°。本公开实施例将准直成像系统设计为微光学阵列和耦合镜头的组合，微光学阵列中不同光学通道分别对应图像显示源中的不同局部视场，通过优化配置每个光学通道的参数，可以分别针对每一个局部视场补偿从该局部发出的光束在耦合镜头和光波导传输基片中传播时的折射角非线性误差。进一步地，通过优化每个局部视场在图像显示源中的占比，可以进一步优化该近场显示装置的性能。

本公开实施例提供的微光学阵列和耦合镜头，是多层光学结构，可以利用晶圆级光学（WLO）加工工艺，在大尺寸晶元上一层层叠加不同结构，一次性加工多个产品。本公开实施例提供的设计，结构简单，合适半导体化晶圆级光学加工，生产效率高，生产成本低。另外，本公开实施例中，采用微光学阵列，结构简单，易于加工，更有助于降低成本。

本公开实施例的近场显示装置可以为头戴显示器或者其他增强现实或者虚拟现实显示装置，本公开近场显示装置的上述技术效果也可以在头戴显示器或者其他增强现实或虚拟现实显示装置中得以体现。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本公开实施例可以有各种更改和变化。凡在本公开实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种近场显示装置，包括：图像显示源、微光学阵列和耦合镜头，其中，

所述图像显示源包括Y个子显示区域，Y为大于等于1的整数；

所述微光学阵列包括Y个微光学结构，每个所述微光学结构形成一个光学通道；

所述图像显示源的Y个子显示区域和所述微光学阵列的Y个光学通道一一对应，从每个子显示区域发出的图像光经过对应的光学通道后的通道光束聚焦到所述耦合镜头相对于该通道光束最佳的准直成像位置，所述耦合镜头对所述通道光束进行准直；

不同的光学通道配置成不同参数，结合所述耦合镜头的配置参数，以使所述图像显示源中的不同局部视场在所述耦合镜头处进行聚焦；

所述近场显示装置还包括光波导传输基片，所述耦合镜头的出瞳与所述光波导传输基片的入瞳重合，从所述耦合镜头的出瞳射出的光通过所述光波导传输基片的入瞳进入到所述光波导传输基片，所述Y个微光学结构的参数被配置为使得所述微光学阵列补偿不同子显示区域发出的不同光谱的光线之间，在所述耦合镜头与所述光波导传输基片中传播的相对偏差，所述偏差包括球差、色差、慧差中的任意一种或几种光学像差；

每个所述微光学结构包括微透镜和微倾斜平面，所述微光学阵列包括重叠设置的微透镜阵列和微倾斜平面阵列。

2.根据权利要求1所述的近场显示装置，其中，所述Y为大于等于2的整数，所述Y个微光学结构中的至少部分微光学结构被配置为具有不同的参数。

3.根据权利要求1所述的近场显示装置，其中，所述Y个子显示区域中的每个子显示区域对应于所述图像显示源的一个像素点的区域，所述图像显示源的像素点的数量与所述微光学结构的数量相同。

4.根据权利要求1所述的近场显示装置，其中，所述微光学阵列包括X层微光学阵列结构，X为等于或大于1的整数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的近场显示装置，其中，所述图像显示源所处的介质或空间的折射率大于1；和/或，所述耦合镜头的出瞳所述的介质或空间的折射率大于1。

6.根据权利要求1-4任一项所述的近场显示装置，其中，所述微光学结构包括球面、非球面、自由曲面、平面中的至少之一且具有光学折射功能的面型结构。

7.根据权利要求1所述的近场显示装置，其中，从所述光波导传输基片的入瞳射入的不同方向的平行光，在所述光波导传输基片内经过多次内全反射后，从所述光波导传输基片的出瞳射出。