CN114384697A - 近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备。该近眼显示光学装置包括用于沿着发射路径发射图像光线的一图像显示组件，被对应地设置于该图像显示组件的该发射路径的一目视图像放大组件，其中该目视图像放大组件；以及一中间像形成组件。该中间像形成组件被设置于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间的光路中，并且该中间像形成组件用于调制来自该图像显示组件的该图像光线，以在该图像光线传播到该目视图像放大系统之前形成一中间像，进而通过该目视图像放大组件将该图像光线导入人眼以成像，其中该中间像形成组件被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，使得该近眼显示光学装置的视场在大视场角和小视场角之间对应地调整。

Description

近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备。

背景技术

近年来，微型显示芯片技术的出现，使得小型化和高分辨率的投影显示成为可能。随着投影显示技术的不断发展以及市场需求，可穿戴的微投影系统越来越受到重视，尤其是在现如今发展火热的增强现实(Augmented reality,AR)等领域。增强现实又称扩增现实或混合现实，是一种将虚拟物体叠加到真实环境并进行互动的技术，通过将虚拟物体的图像以及真实环境的图像透射到用户眼中，使用户获得虚拟与现实融合的体验。

目前，虽然市场上存在多种AR光学系统方案，但真正能够面向消费者的近眼显示设备仍然存在很多不足，比如，亮度低、视场角小、尺寸大、成本高、设备笨重等。特别是随着自发光显示芯片作为图像显示源的折反式光学系统出现，因其在控制成本、减小体积以及降低难度上具有一定优势而备受青睐。如图1所示，现有的折反式光学系统10P通常包括图像显示组件11P、透镜12P、半反半透镜13P以及曲面反射镜14P，通过该图像显示组件11P发射的图像光线，在经由该透镜12P聚焦后，再经由该半反半透镜13P和该曲面反射镜14P反射至人眼中以呈现放大的虚像，而人眼能够透过该半反半透镜13P和该曲面反射镜14P看到真实物体，使得虚拟图像与真实世界叠加即可完成增强交互。

然而，现有的折反式光学系统10P通常采用定焦设计并只能有一个视场的应用。此外，由于图像显示源通常选用诸如OLED等自发光显示芯片，而OLED的发光亮度较低，在设计成大视场角时入眼亮度低且在外界环境亮度高的情况下、图像显示对比度很低；在设计成小视场角的情况下，虽然能支持图像的高对比度，但又很难满足某些特定的情况下对大视场角的应用需求，这些都无疑降低了用户的体验感并限制了其应用范围。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其能够实现近眼显示的光学变焦，以满足用户对不同视场的体验需求。

本发明的另一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一实施例中，所述近眼显示光学装置能够实现短焦到长焦两个不同焦段的光学设计且成像质量表现较佳，以便在短焦段满足外界环境亮度较高的环境使用要求，而在室内或环境亮度较低的情况下能够满足用户的大视场体验。

本发明的另一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一实施例中，所述近眼显示光学装置能够通过沿光轴方向移动透镜组的方式来实现光学焦距的变化，以获得具有视场角调节的光学装置。

本发明的另一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一实施例中，所述近眼显示光学装置能够采用简单的光路架构和简易的结构调节设计，来实现在短焦段和长焦段之间的快速切换。

本发明的另一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一实施例中，所述近眼显示光学装置能够进行屈光度调节，以增强不同人群的体验，特别是针对近视人群或远视人群，使其无需佩戴近视镜或远视镜就能够获得良好的视觉体验。

本发明的另一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一实施例中，所述近眼显示光学装置能够通过沿光轴方向移动图像源的方式来实现屈光度的调节，以便获得具有屈光度调节的光学装置。

本发明的另一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一实施例中，所述近眼显示光学装置的半反半透元件与光学观看轴的夹角范围为50°至70°，有助于提升所述近眼显示光学装置的整体紧凑度。

本发明的另一目的在于提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，其中为了达到上述目的，在本发明中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本发明成功和有效地提供一解决方案，不只提供一种近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备，同时还增加了所述近眼显示光学装置及其方法和近眼显示设备的实用性和可靠性。

为了实现上述至少一发明目的或其他目的和优点，本发明提供了一近眼显示光学装置，包括：

一图像显示组件，其中所述图像显示组件具有一发射路径，用于沿着所述发射路径发射图像光线；

一目视图像放大组件，其中所述目视图像放大组件被对应地设置于所述图像显示组件的所述发射路径；以及

一中间像形成组件，其中所述中间像形成组件被设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间的光路中，并且所述中间像形成组件用于调制来自所述图像显示组件的该图像光线，以在该图像光线传播到所述目视图像放大组件之前形成一中间像，其中所述目视图像放大组件用于将形成该中间像后的该图像光线导入人眼以成像，其中所述中间像形成组件被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，使得所述近眼显示光学装置的视场在大视场角和小视场角之间对应地调整。

根据本发明的一实施例，所述中间像形成组件包括同光轴布置的一固定透镜组和一移动透镜组，其中所述固定透镜组被固定地设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间，并且所述移动透镜组被可移动地设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间，以通过沿着光轴方向同步地移动所述移动透镜组和所述图像能显示组件来调整所述中间像形成组件的焦距，使得所述中间像形成组件在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换。

根据本发明的一实施例，所述移动透镜组被对应地设置于所述固定透镜组和所述图像显示组件之间，其中当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以远离所述固定透镜组时，所述中间像形成组件的焦距变大以处于所述长焦距状态，并且当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以靠近所述固定透镜组时，所述中间像形成组件的焦距变小以处于所述短焦距状态。

根据本发明的一实施例，所述移动透镜组被对应地设置于所述固定透镜组和所述目视图像放大组件之间，其中当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以靠近所述目视图像放大组件时，所述中间像形成组件的焦距变大以处于所述长焦距状态，并且当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以远离所述目视图像放大组件时，所述中间像形成组件的焦距变小以处于所述短焦距状态。

根据本发明的一实施例，所述中间像形成组件包括一液体变焦透镜或一液晶透镜。

根据本发明的一实施例，所述目视图像放大组件包括一半反半透元件和一部分反射元件，并且所述目视图像放大组件具有一光学观看轴，其中所述半反半透元件和所述光学观看轴之间具有一预定夹角，并且所述部分反射元件位于所述半反半透元件的反射侧，其中所述半反半透元件用于将形成该中间像后的该图像光线部分地反射至所述部分反射元件，其中所述部分反射元件用于将经由所述半反半透元件反射的该图像光线部分地反射回所述半反半透元件，以部分地透过所述半反半透元件而沿着所述光学观看轴入射至人眼中。

根据本发明的一实施例，所述半反半透元件与所述光学观看轴之间的所述预定夹角在50°至70°之间。

根据本发明的一实施例，所述图像显示组件为LCD型、OLED型和Micro LED型微型显示器件中的一种。

根据本发明的一实施例，所述的近眼显示光学装置，进一步包括一屈光度调节组件，其中所述屈光度调节组件被可驱动地设置于所述图像显示组件，用于驱动所述图像显示组件以沿着光轴方向移动，使得所述近眼显示光学装置的屈光度得以改变。

根据本发明的一实施例，所述近眼显示光学装置的屈光度调节范围为-5D至8D

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一近眼显示设备，包括：

一设备主体；以及

至少一近眼显示光学装置，其中所述近眼显示光学装置被设置于所述设备主体，以组装成可调视场的近眼显示设备，其中所述近眼显示光学装置包括：

一图像显示组件，其中所述图像显示组件具有一发射路径，用于沿着所述发射路径发射图像光线；

一目视图像放大组件，其中所述目视图像放大组件被对应地设置于所述图像显示组件的所述发射路径；以及

一中间像形成组件，其中所述中间像形成组件被设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间的光路中，并且所述中间像形成组件用于调制来自所述图像显示组件的该图像光线，以在该图像光线传播到所述目视图像放大组件之前形成一中间像，其中所述目视图像放大组件用于将形成该中间像后的该图像光线导入人眼以成像，其中所述中间像形成组件被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，使得所述近眼显示光学装置的视场在大视场角和小视场角之间对应地调整。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一近眼显示光学装置的制造方法，包括步骤：

对应地设置一目视图像放大组件于一图像显示组件的发射路径；和

对应地设置一中间像形成组件于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间的光路中，其中该中间像形成组件能够被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，以组装成能够在大视场角和小视场角之间对应地调整的近眼显示光学装置。

根据本发明的一实施例，所述对应地设置一中间像形成组件于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间的光路中，其中该中间像形成组件能够被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，以组装成能够在大视场角和小视场角之间对应地调整的近眼显示光学装置的步骤，包括步骤：

固定地设置该中间像形成组件的一固定透镜组于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间；和

可移动地设置该中间像形成组件的一移动透镜组于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间，其中当沿着光轴方向同步地移动该移动透镜组和该图像显示组件以使该移动透镜组远离该固定透镜组时，所述中间像形成组件处于所述长焦距状态；当沿着光轴方向同步地移动该移动透镜组和该图像显示组件以使该移动透镜组靠近该固定透镜组，所述中间像形成组件处于所述短焦距状态。

根据本发明的一实施例，所述对应地设置一中间像形成组件于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间的光路中，其中该中间像形成组件能够被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，以组装成能够在大视场角和小视场角之间对应地调整的近眼显示光学装置的步骤，包括步骤：

对应地设置该中间像形成组件的一液体变焦透镜或一液晶透镜于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间，以通过改变液体的形状或改变液晶分子的取向来实现变焦，使得该中间像形成组件能够在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换。

根据本发明的一实施例，所述的近眼显示光学装置的制造方法，进一步包括步骤：

可驱动地设置一屈光度调节组件于该图像显示组件，用于驱动该图像显示组件以沿着光轴方向移动，使得该近眼显示光学装置的屈光度得以改变。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一近眼显示光学装置的视场调节方法，包括步骤：

沿着光轴方向移动该近眼显示光学装置的一图像显示组件和一中间像形成组件的一移动透镜组以使该移动透镜组靠近该中间像形成组件的一固定透镜组，使得该近眼显示光学装置具有大视场角；和

沿着光轴方向移动该图像显示组件和该移动透镜组以使该移动透镜组远离该固定透镜组，使得该近眼显示光学装置具有小视场角。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一近眼显示光学装置的屈光度调节方法，包括步骤：

沿着光轴方向移动该近眼显示光学装置的一图像显示组件以远离该近眼显示光学装置的一中间像形成组件，以实现正屈光度调节；和

沿着光轴方向移动该图像显示组件以靠近该中间像形成组件，以实现负屈光度调节。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1示出了现有技术的折反式光学系统的结构示意图。

图2是根据本发明的一第一实施例的近眼显示光学装置的结构示意图。

图3A和图3B分别示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置处于短焦距状态的光路示意图和对应的成像MTF曲线示意图。

图4A和图4B分别示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置处于长焦距状态的光路示意图和对应的成像MTF曲线示意图。

图5示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置的一第一变形实施方式。

图6示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置的一第二变形实施方式。

图7示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置的一第三变形实施方式。

图8A和图8B是根据本发明的一第二实施例的近眼显示光学装置的光路示意图和对应的成像MTF曲线示意图。

图9A和图9B是根据本发明的上述第二实施例的所述近眼显示光学装置的屈光度变小的光路示意图和对应的成像MTF曲线示意图。

图10A和图10B是根据本发明的上述第二实施例的所述近眼显示光学装置的屈光度变大的光路示意图和对应的成像MTF曲线示意图。

图11示出了根据本发明的一实施例的一近眼显示设备的一个示例。

图12是根据本发明的一实施例的近眼显示光学装置的制造方法的流程示意图。

图13示出了根据本发明的上述实施例的所述近眼显示光学装置的制造方法中步骤之一的流程示意图。

图14是根据本发明的一实施例的近眼显示光学装置的视场调节方法的流程示意图。

图15是根据本发明的一实施例的近眼显示光学装置的屈光度调节方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本发明的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

近年来，随着增强现实技术的飞速发展，能够实现增强现实的近眼显示设备越来越受到人们的欢迎和使用。但受限于现有的近眼显示设备中光学显示系统的自身结构的限制，该现有的光学显示系统往往是定焦设计且只能存在一个视场的应用，使得该现有的近眼显示设备在被设计成大视场角时因入眼亮度低且外界环境亮度高而导致图像显示对比度很低，而该现有的近眼显示设备在被设计成小视场角时又难以满足某些特定场景下对大视场角的应用需求。因此，为了解决上述问题，参考附图2所示，本发明的一第一实施例提供了一种新的近眼显示光学装置，其能够实现近眼显示的光学变焦，以满足用户对不同视场的体验需求。

具体地，如图2和图3A所示，所述近眼显示光学装置10包括一图像显示组件11、一目视图像放大组件12以及一中间像形成组件13，其中所述图像显示组件11具有一发射路径110，并且所述目视图像放大组件12被对应地设置于所述图像显示组件11的所述发射路径110，其中所述中间像形成组件13被设置于所述图像显示组件11和所述目视图像放大组件12之间的光路中。所述图像显示组件11用于沿着所述发射路径110发射图像光线1100。所述路中间像形成组件13用于调制来自所述图像显示组件11的该图像光线1100，以在该图像光线1100传播到所述目视图像放大组件12之前形成一中间像130。所述目视图像放大组件12用于将形成所述中间像130后的该图像光线1100导入人眼以成像。可以理解的是，本申请的该图像光线1100可以被实施为带有一定角度且携带图像信息的光线。

特别地，如图3A和图4A所示，所述中间像形成组件13能够被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，使得所述近眼显示光学装置10的视场在大视场角和小视场角之间对应地调整。换言之，当所述中间像形成组件13被调节以处于所述短焦距状态时，所述近眼显示光学装置10的视场角较大，以便在诸如室内等环境亮度较低的情况下满足用户对大视场体验的要求；而当所述中间像形成组件13被调节以处于所述长焦距状态时，所述近眼显示光学装置10的视场角较小，使得光能更集中，提高图像对比度，以满足外界环境亮度较高的欢迎使用。

值得注意的是，在本发明的这个第一实施例中，所述目视图像放大组件12还用于将环境光线导入人眼以成像而被观看到，使得用户能够借助所述近眼显示光学装置10同时看到与所述图像光线1100对应的虚像和与所述环境光线对应的实像，进而获得增强现实(AR)的体验。可以理解的是，在本发明的其他示例中，所述目视图像放大装置12也可以不将环境光线导入人眼以形成相应的实像，使得用户能够借助所述近眼显示光学装置10仅能够看到与所述图像光线1100对应的虚像，以获得虚拟现实(VR)的体验。

更具体地，根据本发明的上述第一实施例，如图2和图3A所示，所述中间像形成组件13可以包括同光轴布置的一固定透镜组131和一移动透镜组132，其中所述固定透镜组131被固定地设置于所述图像显示组件11和所述目视图像放大组件12之间，并且所述移动透镜组132被可移动地设置于所述图像显示组件11和所述目视图像放大组件12之间，以通过沿着光轴方向同步地移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11来调整所述中间像形成组件13的焦距，使得所述中间像形成组件13在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换。

优选地，如图3A和图4A所示，所述移动透镜组132被对应地设置于所述固定透镜组131和所述图像显示组件11之间，其中当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11，使得所述移动透镜组132远离所述固定透镜组131时，所述中间像形成组件13的焦距变大以处于所述长焦距状态，对应地所述近眼显示光学装置10的视场角较小；而当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11，使得所述移动透镜组132靠近所述固定透镜组131时，所述中间像形成组件13的焦距变小以处于所述短焦距状态，对应地所述近眼显示光学装置10的视场角较大。

更优选地，所述固定透镜组131可以由一片透镜组成，所述移动透镜组132可以由三片透镜组成，使得所述近眼显示光学装置10的光路结构简单，结构调节结构设计简易，仅通过所述移动透镜组132和所述图像显示组件11沿光轴方向的移动，就能够快速地调整所述中间像形成组件13的焦距，进而使所述近眼显示光学装置10的视场角得以改变。

值得注意的是，所述中间像形成组件13的所述固定透镜组131和所述移动透镜组132中的透镜可以但不限于具有诸如标准球面、非球面、自由曲面或衍射面等面型。此外，所述图像显示组件11可以但不限于被实施为诸如LCD型、OLED型或Micro LED型等之类的微型显示器件。

示例性地，以所述图像显示组件11采用0.39英寸的OLED为例，如图3A所示，当所述中间像形成组件13处于所述短焦距状态时，可实现光学系统的短焦距为8.5mm，对应的对角视场约为60°，此时的立体角为Ω₁＝4πsin²(15)＝0.8413；如图4A所示，当通过沿光轴方向同步地移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11使得所述中间像形成组件13处于所述长焦距状态时，所述移动透镜组132和所述图像显示组件11的移动量约为1.5mm，可实现光学系统的长焦距则为13.5mm，对应的对角视场约为40°，此时的立体角为Ω₂＝4πsin²(10)＝0.3787。假定发光强度为I,那么在长焦段的亮度相对于在短焦段的亮度提高(I/0.3787)/(I/0.8413)≈2.22倍，光能更集中，入眼亮度更高。可以理解的是，图3B和图4B分别示出了在所述短焦距状态和所述长焦距状态下对应的成像质量MTF的设计曲线，由图易知：所述近眼显示光学装置10在所述短焦距状态和所述长焦距状态下具备较高的成像质量，能够满足用户对成像质量的要求。

根据本发明的上述第一实施例，如图2所示，所述近眼显示光学装置10的所述目视图像放大组件12具有一光学观看轴120，使得用户能够沿着所述光学观看轴120同时看到与所述图像光线1100对应的虚像和与所述环境光线对应的实像，进而获得增强现实的体验。

具体地，如图2和图3A所示，所述目视图像放大组件12包括一半反半透元件121和一部分反射元件122，其中所述半反半透元件121和所述光学观看轴120之间具有一预定夹角θ，并且所述部分反射元件122位于所述半反半透元件121的反射侧，其中所述半反半透元件121用于将形成所述中间像130的该图像光线1100部分地反射至所述部分反射元件122，其中所述部分反射元件122用于将经由所述半反半透元件121反射的该图像光线1100部分地反射回所述半反半透元件121，以在透过所述半反半透元件121之后，沿着所述光学观看轴120入射至人眼中以形成放大的虚像。与此同时，来自真实世界的环境光线能够依次部分地透过所述部分反射元件122和所述半反半透元件121，以沿着所述光学观看轴120入射至人眼中以形成实像，使得用户能够沿着所述光学观看轴120同时看到与所述图像光线1100对应的虚像和与所述环境光线对应的实像，进而获得增强现实的体验。

可以理解的是，所述目视图像放大装置12的所述光学观看轴120可以由所述半反半透元件121和所述部分反射元件122共同定义的主观看轴，使得用户沿着所述光学观看轴120既能够看到所述图像显示组件11发射的图像光线，又能够看到外部的环境光线，以获得虚实融合的增强现实体验。

优选地，所述半反半透元件121与所述光学观看轴120之间的所述预定夹角θ在50°至70°之间，有助于减小所述近眼显示光学装置10的厚度，便于用户佩戴，提升舒适度。可以理解的是，由于所述半反半透元件121与所述光学观看轴120之间的夹角θ在50°至70°之间，使得所述近眼显示光学装置10的eye-relief(即眼点距，如镜片到额头的距离)增大，以便近视或远视用户增加适配器，提高用户佩戴的体验感和舒适度。此外，这种配置也有助于通过整个系统的设计调整，使得所述近眼显示光学装置10比现有光机的尺寸更加紧凑，适于满足当下小型化、轻薄化的发展趋势。

值得注意的是，本发明的上述第一实施例中，所述半反半透元件121的面型可以但不限于被实施为平面面型、球面面型、非球面面型以及自由曲面面型中的一种或多种。例如，所述半反半透元件121可以但不限于被实施为具有诸如平面、球面、非球面或/和自由曲面等面型的半反半透镜。

此外，所述部分反射元件122的面型可以但不限于被实施为选自标准球面面型、非球面面型以及自由曲面面型中的一种或多种。例如，所述部分反射元件122可以但不限于被实施为具有诸如标准球面、非球面或/和自由曲面等面型的部分反射镜。

附图5示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置10的第一变形实施方式。相比于根据本发明的上述第一实施例，根据本发明的所述第一变形实施方式的所述近眼显示光学装置10的不同之处在于：所述目视图像放大组件12'可以包括一偏振分光元件121'、一透视反射元件122'以及一偏振转换元件123'。

如图5所示，所述偏振分光元件121'被设置于所述图像显示组件11的所述发射路径110，并且所述中间像形成组件13位于所述图像显示组件11和所述偏振分光元件121'之间，其中所述偏振分光元件121'用于反射形成所述中间像130的图像光线1100中的第一偏振图像光线1101，并且透射形成所述中间像130的图像光线1100中的第二偏振图像光线1102。

如图5所示，所述透视反射元件122'被设置于所述偏振分光元件121'的反射侧，并且所述偏振转换元件123'被设置于所述偏振分光元件121'和所述透视反射元件122'之间，其中所述透视反射元件122'用于将经由所述偏振分光元件121'反射的所述第一偏振图像光线1101中的一部分或全部反射回所述偏振分光元件121'，以使被反射的所述第一偏振图像光线1101两次穿过所述偏振转换元件123'；其中所述偏振转换元件123'用于将两次穿过所述偏振转换元件123’的所述第一偏振图像光线1101转换成所述第二偏振图像光线1102，使得被转换成的所述第二偏振图像光线1102能够透过所述偏振分光元件121'以沿着所述目视图像放大组件12'的光学观看轴120入射至人眼中而形成放大的虚像。与此同时，环境光线也能够依次透过所述透视反射元件122'、所述偏振转换元件123'以及所述偏振分光元件121'以入射至人眼中而形成实像，进而实现增强现实的体验。

值得注意的是，正是由于经由所述偏振转换元件123'转换成的所述第二偏转图像光线1102能够完全透过所述偏振分光元件121'，不会因所述偏振分光元件121'的反射而发生损耗，因此有助于提高所述近眼显示光学系统10对图像光线的光能利用率。

优选地，所述偏振转换元件123'可以但不限于被实施为一1/4波片，用于将两次穿过所述1/4波片的所述第一或第二偏振图像光线1101、1102转换成所述第二或第一偏振图像光线1102、1101。此外，所述偏振分光元件12可以但不限于被实施为镀有偏振分光膜的光学镜片，用于反射所述图像光线1100中的所述第一偏振图像光线1101，并透射所述图像光线1100中的所述第二偏振图像光线1102。

附图6示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置10的第二变形实施方式。相比于根据本发明的上述第一实施例，根据本发明的所述第二变形实施方式的所述近眼显示光学装置10的不同之处在于：所述中间像形成组件13中的所述移动透镜组132可以位于所述固定透镜组132和所述目视图像放大组件12之间，其中当沿着所述光轴方向同步地移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11，使得所述移动透镜组132靠近所述目视图像放大组件12时，所述中间像形成组件13的焦距变大以处于所述长焦距状态，对应地所述近眼显示光学装置10的视场角较小；而当沿着所述光轴方向同步地移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11，使得所述移动透镜组132远离所述目视图像放大组件12时，所述中间像形成组件13的焦距变小以处于所述短焦距状态，对应地所述近眼显示光学装置10的视场角较大。

值得注意的是，相比于所述固定透镜组131，无论所述移动透镜组132是位于靠近所述图像显示组件11的一侧，还是位于靠近所述目视图像放大组件12的一侧，只要沿着所述光轴方向同步地移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11以使所述移动透镜组132远离所述固定透镜组131，所述中间像形成组件13的焦距都将变大以处于所述长焦距状态，使得所述近眼显示光学装置10的视场角得以变小；而当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组132和所述图像显示组件11以使所述移动透镜组132靠近所述固定透镜组131时，所述中间像形成组件13的焦距都将变小以处于所述短焦距状态，使得所述近眼显示光学装置10的视场角得以变大。

附图7示出了根据本发明的上述第一实施例的所述近眼显示光学装置10的第三变形实施方式。相比于根据本发明的上述第一实施例，根据本发明的所述第三变形实施方式的所述近眼显示光学装置10的不同之处在于：所述中间像形成组件13可以包括一液体变焦透镜133，以通过改变液体的形状来实现变焦，使得所述中间像形成组件13能够在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换。

具体地，所述液体变焦透镜133可以但不限于被实施为力致变形驱动变焦透镜(如机械-力驱动的柔性变焦透镜、液体压力驱动的柔性变焦透镜或电磁驱动变焦镜头)或电致变形驱动的柔性变焦透镜等等。当然，在本发明的其他示例中，如图7所示，所述中间像形成组件13也可以包括液晶透镜134(以替代所述液体变焦透镜133)，以通过外加电压来改变液晶分子的取向，进而改变所述液晶透镜的折射率来实现变焦，使得所述中间像形成组件13能够在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换。

值得注意的是，受限于本发明的上述第一实施例及其变形实施方式中的所述近眼显示光学装置10的光学结构，虽然其能够通过所述中间像形成组件13实现光学变焦，但所述近眼显示光学装置10因不具备屈光度调节功能而很大程度地限制了近视或远视人群的佩戴和体验。虽然现有技术中存在一些将所述目视图像放大组件设计成具有屈光度的光学系统以使近眼显示光学装置满足特殊人群的使用，但具有屈光度的所述目视图像放大组件将会导致整个近眼显示光学装置的系统变得极其复杂，难以调试，使得所述近眼显示光学装置的制造成本变大。此外，所述目视图像放大组件的屈光度一旦确定就无法改变，这就造成同一个所述近眼显示光学装置只能具有一种屈光度，不利于所述近眼显示光学装置的推广和普及。

为了解决上述问题，本发明的第二实施例提供了一种近眼显示光学装置，其能够调节自身的屈光度，以满足不同近视或远视人群的需求，使其在无需佩戴近视或远视眼镜的情况下就能够获得较好的视觉体验。具体地，如图8A、图9A以及图10A所示，相比于根据本发明的上述第一实施例，根据本发明的所述第二实施例的所述近眼显示光学装置的不同之处在于：所述近眼显示光学装置10可以进一步包括一屈光度调节组件14，其中所述屈光度调节组件14被可驱动地设置于所述图像显示组件11，用于驱动所述图像显示组件11以沿着光轴方向移动，使得所述近眼显示光学装置10的屈光度得以改变，有助于满足不同近视或远视人群的需求。

更具体地，如图9A所示，当所述屈光度调节组件14驱动所述图像显示组件11，使得所述图像显示组件11沿着所述光轴方向移动以靠近所述中间像形成组件13时，所述近眼显示光学装置10的屈光度逐渐变小，以进行负屈光度调节；如图10A所示，而当所述屈光度调节组件14驱动所述图像显示组件11，使得所述图像显示组件11沿着所述光轴方向移动以远离所述中间像形成组件13时，所述近眼显示光学装置10的屈光度逐渐变大，以进行负屈光度调节。

示例性地，图8A示出了屈光度为0D的所述近眼显示光学装置10，其成像MTF曲线如图8B所示；当通过所述屈光度调节组件14驱动所述图像显示组件11，使得所述图像显示组件11沿着所述光轴方向从如图8A所示的位置移动至如图9A所示的位置(即靠近所述中间像形成组件13)时，所述近眼显示光学装置10的屈光度为-5D，其成像MTF曲线如图9B所示；而当通过所述屈光度调节组件14驱动所述图像显示组件11，使得所述图像显示组件11沿着所述光轴方向从如图8A所示的位置移动至如图10A所示的位置(即远离所述中间像形成组件13)时，所述近眼显示光学装置10的屈光度为8D，其成像MTF曲线如图10B所示。

值得注意的是，在本发明的其他示例中，所述近眼显示光学装置10在视场角不可调整的情况下，也可以具备屈光度调节的功能。换言之，所述近眼显示光学装置10的所述中间像形成组件13被设计成定焦而无法在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换时，所述近眼显示光学装置10也可以进一步包括所述屈光度调节组件14，以调节所述近眼显示光学装置10的屈光度，使之满足不同近视或远视人群的需求。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了配置有近眼显示光学装置的近眼显示设备。示例性地，如图11所示，所述近眼显示设备1可以包括上述至少一近眼显示光学装置10和一设备主体20，其中所述近眼显示光学装置被设置于所述设备主体20，以组装成可调视场的所述近眼显示设备1，使得所述近眼显示设备满足不同应用场景的需求。

值得注意的是，所述设备主体20可以但不限于被实施为一眼镜主体，使得所述近眼显示设备1被实施为AR眼镜，有助于提升用户的使用体验。可以理解的是，在本发明的其他示例中，所述近眼显示设备1也可以被实施为诸如AR头盔等等其他类型的AR设备。

根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一种近眼显示光学装置的制造方法。具体地，如图12所示，所述近眼显示光学装置10的制造方法，可以包括步骤：

S100：对应地设置一目视图像放大组件于一图像显示组件的发射路径；和

S200：对应地设置一中间像形成组件于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间的光路中，其中该中间像形成组件能够被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，以组装成能够在大视场角和小视场角之间对应地调整的近眼显示光学装置。

更具体地，在本发明的一示例中，如图13所示，所述近眼显示光学装置10的制造方法的所述步骤S200可以包括步骤：

S210：固定地设置该中间像形成组件的一固定透镜组于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间；和

S220：可移动地设置该中间像形成组件的一移动透镜组于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间，其中当沿着光轴方向同步地移动该移动透镜组和该图像显示组件以使该移动透镜组远离该固定透镜组时，所述中间像形成组件处于所述长焦距状态；当沿着光轴方向同步地移动该移动透镜组和所述图像显示组件以使该移动透镜组靠近该固定透镜组，所述中间像形成组件处于所述短焦距状态。

在本发明的另一示例中，如图13所示，所述近眼显示光学装置10的制造方法的所述步骤S200可以包括步骤：

S210’：对应地设置该中间像形成组件的一液体变焦透镜或一液晶透镜于该图像显示组件和该目视图像放大组件之间，以通过改变液体的形状或改变液晶分子的取向来实现变焦，使得该中间像形成组件能够在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换。

根据本发明的上述实施例，如图12所示，所述的近眼显示光学装置的制造方法，可以进一步包括步骤：

S300：可驱动地设置一屈光度调节组件于该图像显示组件，用于驱动该图像显示组件以沿着光轴方向移动，使得该近眼显示光学装置的屈光度得以改变。

值得一提的是，根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一种近眼显示光学装置的视场调节方法。具体地，如图14所示，所述近眼显示光学装置10的视场调节方法，可以包括步骤：

沿着光轴方向移动所述近眼显示光学装置的一图像显示组件和一中间像形成组件的一移动透镜组以使所述移动透镜组靠近所述中间像形成组件的一固定透镜组，使得所述近眼显示光学装置具有大视场角；和

沿着光轴方向移动所述图像显示组件和所述移动透镜组以使所述移动透镜组远离所述固定透镜组，使得所述近眼显示光学装置具有小视场角。

另外，根据本发明的另一方面，本发明进一步提供了一种近眼显示光学装置的屈光度调节方法。具体地，如图15所示，所述近眼显示光学装置10的屈光度调节方法，可以包括步骤：

沿着光轴方向移动所述近眼显示光学装置的一图像显示组件以远离所述近眼显示光学装置的一中间像形成组件，以实现正屈光度调节；和

沿着光轴方向移动所述图像显示组件以靠近所述中间像形成组件，以实现负屈光度调节。

值得注意的是，当所述近眼显示光学装置进行正屈光度调节时，所述近眼显示光学装置能够适配远视人群；而当所述近眼显示光学装置进行负屈光度调节时，所述近眼显示光学装置能够适配近视人群。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (13)

1.一近眼显示光学装置，其特征在于，包括：

一图像显示组件，其中所述图像显示组件具有一发射路径，用于沿着所述发射路径发射图像光线；

一目视图像放大组件，其中所述目视图像放大组件被对应地设置于所述图像显示组件的所述发射路径；以及

一中间像形成组件，其中所述中间像形成组件被设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间的光路中，并且所述中间像形成组件用于调制来自所述图像显示组件的该图像光线，以在该图像光线传播到所述目视图像放大系统之前形成一中间像，其中所述目视图像放大组件用于将形成该中间像后的该图像光线导入人眼以成像，其中所述中间像形成组件被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，使得所述近眼显示光学装置的视场在大视场角和小视场角之间对应地调整。

2.如权利要求1所述的近眼显示光学装置，其中，所述中间像形成组件包括同光轴布置的一固定透镜组和一移动透镜组，其中所述固定透镜组被固定地设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间，并且所述移动透镜组被可移动地设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间，以通过沿着光轴方向同步地移动所述移动透镜组和所述图像显示组件来调整所述中间像形成组件的焦距，使得所述中间像形成组件在所述短焦距状态和所述长焦距状态之间被切换。

3.如权利要求2所述的近眼显示光学装置，其中，所述移动透镜组被对应地设置于所述固定透镜组和所述图像显示组件之间，其中当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以远离所述固定透镜组时，所述中间像形成组件的焦距变大以处于所述长焦距状态，并且当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以靠近所述固定透镜组时，所述中间像形成组件的焦距变小以处于所述短焦距状态。

4.如权利要求2所述的近眼显示光学装置，其中，所述移动透镜组被对应地设置于所述固定透镜组和所述目视图像放大组件之间，其中当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以靠近所述目视图像放大组件时，所述中间像形成组件的焦距变大以处于所述长焦距状态，并且当沿着所述光轴方向移动所述移动透镜组和所述图像显示组件以远离所述目视图像放大组件时，所述中间像形成组件的焦距变小以处于所述短焦距状态。

5.如权利要求1所述的近眼显示光学装置，其中，所述中间像形成组件包括一液体变焦透镜或一液晶透镜。

6.如权利要求1至5中任一所述的近眼显示光学装置，其中，所述目视图像放大组件包括一半反半透元件和一部分反射元件，并且所述目视图像放大组件具有一光学观看轴，其中所述半反半透元件和所述光学观看轴之间具有一预定夹角，并且所述部分反射元件位于所述半反半透元件的反射侧，其中所述半反半透元件用于将形成该中间像后的该图像光线部分地反射至所述部分反射元件，其中所述部分反射元件用于将经由所述半反半透元件反射的该图像光线部分地反射回所述半反半透元件，以部分地透过所述半反半透元件而沿着所述光学观看轴入射至人眼中。

7.如权利要求6所述的近眼显示光学装置，其中，所述半反半透元件与所述光学观看轴之间的所述预定夹角在50°至70°之间。

8.如权利要求1至5中任一所述的近眼显示光学装置，其中，所述图像显示组件为LCD型、OLED型和Micro LED型微型显示器件中的一种。

9.如权利要求1至5中任一所述的近眼显示光学装置，进一步包括一屈光度调节组件，其中所述屈光度调节组件被可驱动地设置于所述图像显示组件，用于驱动所述图像显示组件以沿着光轴方向移动，使得所述近眼显示光学装置的屈光度得以改变。

10.如权利要求9所述的近眼显示光学装置，其中，所述近眼显示光学装置的屈光度调节范围为-5D至8D。

11.一近眼显示设备，其特征在于，包括：

一设备主体；以及

至少一近眼显示光学装置，其中所述近眼显示光学装置被设置于所述设备主体，以组装成可调视场的近眼显示设备，其中所述近眼显示光学装置包括：

一图像显示组件，其中所述图像显示组件具有一发射路径，用于沿着所述发射路径发射图像光线；

一目视图像放大组件，其中所述目视图像放大组件被对应地设置于所述图像显示组件的所述发射路径；以及

一中间像形成组件，其中所述中间像形成组件被设置于所述图像显示组件和所述目视图像放大组件之间的光路中，并且所述中间像形成组件用于调制来自所述图像显示组件的该图像光线，以在该图像光线传播到所述目视图像放大系统之前形成一中间像，其中所述目视图像放大组件用于将形成该中间像后的该图像光线导入人眼以成像，其中所述中间像形成组件被调节以在短焦距状态和长焦距状态之间切换，使得所述近眼显示光学装置的视场在大视场角和小视场角之间对应地调整。

12.一近眼显示光学装置的视场调节方法，其特征在于，包括步骤：

沿着光轴方向移动该近眼显示光学装置的一图像显示组件和一中间像形成组件的一移动透镜组以使该移动透镜组靠近该中间像形成组件的一固定透镜组，使得该近眼显示光学装置具有大视场角；和

沿着光轴方向移动该图像显示组件和该移动透镜组以使该移动透镜组远离该固定透镜组，使得该近眼显示光学装置具有小视场角。

13.一近眼显示光学装置的屈光度调节方法，其特征在于，包括步骤：

沿着光轴方向移动该近眼显示光学装置的一图像显示组件以远离该近眼显示光学装置的一中间像形成组件，以实现正屈光度调节；和

沿着光轴方向移动该图像显示组件以靠近该中间像形成组件，以实现负屈光度调节。

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