CN201173997Y - 单芯片的眼镜式显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单芯片的眼镜式显示装置，其中采用光学透镜组(2)对微显示芯片(1)产生的图像进行放大，然后由分光耦合单元(3)对光学透镜组输出的光线进行分离处理以将单一图像分离成两幅图像，再耦合进入光传导平板(4、5)，再利用光传导平板将放大后的图像传送到使用者左眼和右眼，以供使用者进行观察。其中分光耦合单元将来源于单一微显示芯片被光学透镜组放大的单一图像分离成两幅图像，光学传导平板可扩大出瞳尺寸，由于光传导平板非常薄，因此整个显示装置具有单芯片双图像、大视场、大出瞳尺寸和大眼点距的特点。

Description

单芯片的眼镜式显示装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像系统，涉及一种利用单个微显示芯片形成双图像，并具有较大视场、较大出瞳尺寸的眼镜式显示装置。

背景技术

眼镜式显示装置的作用，是将微显示芯片(如LCD、LCOS或者OLED)所产生的图像放大成虚像再供人眼进行观察，其中LCD(Liquid Crystal Display)为液晶显示，OLED(Organic Light Emitting Diode)为有机发光二极管，LCOS(Liquid Crystal on Silicon)为反射式硅基液晶。使用时，整个显示装置被佩戴于非常接近于人眼的位置，具有便携性、移动性等优点。为了便于佩戴，要求眼镜式显示装置在保证足够的成像质量、足够的视觉放大率的情况下，体积能尽量的小、重量能尽量的轻。

因具有便携性、移动性等优点，并可实时提供大屏幕显示效果，眼镜式显示装置不仅可以应用于军事领域满足实时观察图像的需求，更可广泛应用于民用多媒体视听领域。由于其广泛的市场应用前景，众多研究机构和公司对眼镜式显示技术进行了大量的投入，目前已经出现了多种眼镜式显示技术方案。

美国Micro Optical公司申请的美国专利中，提供了多种眼镜式显示技术方案，相关的美国专利包括US 5,715,377、US 5,886,822、US 6,023,372和US6,091,546。其中一种方案是将微显示芯片产生的光学图像经由光学系统放大后，再由导光装置将图像传导到人眼进行观察，其中图像可以传导至瞳孔的侧面或者正面，这种方案中，为了降低显示装置的体积，减小了显示的视场，因此无法提供大显示尺寸。另一种方案是通过半反半透棱镜来实现，这种显示装置的体积会随人眼可观察范围(出瞳尺寸)和视场的增加而急剧加大，所以仅适合小视场和低分辨率显示(例如11度水平视场，320×240分辨率)。

在美国专利US 6,028,708、US 6,097,354、US 5,436,765、US 5,959,780、以及US6,317,267中，提供了采用离轴自由曲面棱镜对图像进行放大的显示系统，这些方案中可达到较高的光学质量和高解析度，但是，如果想实现较大的出瞳尺寸和较大的视场，同样需要增大显示装置的体积和重量。不仅如此，由于光学系统离轴的缘故，会使得系统设计难度高，畸变难于消除(3％)，且非轴对称的自由曲面加工难度也非常大。

在美国专利US 09/801,405(公告号US 2001/0033401A1)和US 6,169,613中，采用了全息光学器件和光传导平板的方法，使得整个眼镜式显示装置可以实现轻薄化，但全息光学元件难于批量化、且其色差消除困难，这些缺点限制了此种方案的推广应用。

此外，以上所提及专利中，均采用两片显示芯片分别产生一幅图像，并分别放大后供使用者左眼和右眼进行观察。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型要解决传统眼镜式显示装置中当增大视场和出瞳尺寸时必须增大尺寸和重量的问题，并采用单一显示芯片提供两幅放大后图像供使用者左眼和右眼分别观察，从而提供一种低成本，且具有较大视场、较大出瞳尺寸并支持高解析度的轻薄型眼镜式显示装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术方案：构造一种单芯片的眼镜式显示装置，其中包括微显示芯片，对所述微显示芯片产生的图像进行放大处理的光学透镜组，对所述光学透镜组输出的光线进行分离处理以将单一图像分离成两幅图像的分光耦合单元，以及将所述分光耦合单元输出的光线分别传送到使用者左眼和右眼的第一光传导平板和第二光导板；其中，所述微显示芯片、光学透镜组、分光耦合单元沿着光线传播方向依次放置；所述第一、第二光传导平板位于所述分光耦合单元的两侧，并分别与所述使用者左眼和右眼的观察轴线垂直；所述光学透镜组的轴线与所述使用者左眼和右眼的观察轴线之间相互平行。

本实用新型中的所述分光耦合单元中可包括分别位于上下部的第一、第二棱镜，两者均为三棱柱结构，所述两个三棱柱的截面为相似或相同的两个等腰三角形，且上部等腰三角形的两腰边分别与下部等腰三角形的两腰边连接成两条相互交叉的直线；其中第一棱镜的上表面与所述第一、第二光传导平板的上表面平齐，第二棱镜的下表面与所述第一、第二光传导平板的下表面平齐；还包括分别位于左右部的第三、第四棱镜，其中第三棱镜的左侧面与第一光传导平板的右侧面对接，第四棱镜的右侧面与第二光传导平板的左侧面对接；所述四个棱镜中，相邻两个棱镜的相邻表面相互紧贴，且各棱镜的每一表面均为部分反射面。

本实用新型中，所述分光耦合单元的第三、第四棱镜最好相互对称；所述两条相互交叉的直线在左右形成的夹角最好为20度～40度。所述各棱镜的每一表面的反射率可为50％。

本实用新型的所述光学透镜组中可包括用于对光束进行聚焦并消除色差的第一透镜、第二透镜和第三透镜，以及用于对主光线进行偏转处理以使之垂直于所述微显示芯片并消除畸变的第四透镜；所述第一、第二、第三、第四透镜沿着从所述分光耦合单元到所述微显示芯片的方向依次放置。

本实用新型的所述光学透镜组中，所述第一、第三、第四透镜最好为偶次非球面凸透镜，所述第二透镜为球面双凹透镜。

本实用新型的所述光学透镜组中，所述第一、第三、第四透镜可采用PMMA、COC或者COP树脂材料制成，该树脂材料的折射率为1.4～1.6，阿贝数为56～58；所述第二透镜可采用火石玻璃材料制成，该玻璃材料的折射率为1.6～1.9，阿贝数为20～40。

本实用新型中，所述微显示芯片与第四透镜之间的距离可为3mm～10mm；所述微显示芯片与第一透镜之间的总长度应小于50mm；所述使用者左眼和右眼的观察位置与光传导平板之间的距离可为10mm～25mm。

本实用新型中，每个光传导平板是由多个部分反射面结合而成的光学平板，其厚度为2mm～3mm；其中每一个部分反射面与该光传导平板底面之间的夹角25度～45度，每一个部分反射面的反射率为20％～30％。

由上述技术方案可以看出，本实用新型中采用光学透镜组对微显示芯片产生的图像进行放大，然后由分光耦合单元对光学透镜组输出的光线进行分离处理以将单一图像分离成两幅图像，再耦合进入光传导平板，再利用光传导平板将放大后的图像传送到使用者左眼和右眼，以供使用者进行观察。其中分光耦合单元将来源于单一微显示芯片被光学透镜组放大的单一图像分离成两幅图像，光学传导平板可扩大出瞳尺寸，由于光传导平板非常薄，因此整个显示装置具有单芯片双图像、大视场、大出瞳尺寸和大眼点距的特点；同时光学透镜组中的各个透镜加工难度低，使得生产成本和可靠性都得到了保证。

附图说明

图1是本实用新型一个优选实施例中的单芯片的眼镜式显示装置的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图1所示光学透镜组展开后的结构示意图；

图4是图1中所示分光耦合单元的工作原理图；

图5是图1中所示光传导平板的工作原理图；

图6是图3所示光学透镜组的工作原理图；

图7是图1所示眼镜式显示装置的成像质量示意图，其中示出了场曲和畸变；

图8是另一个成像质量示意图，其中示出了各视场点的点列图。

图中，1是微显示芯片，2是透镜组，21、22、23、24分别是第一、二、三、四透镜，3是分光耦合单元，31为分光耦合单元入射光线，32、33为反射率50％的部分反射膜，4、5是光传导平板(简称光导板)，41为来自分光耦合单元的入射光，42为部分反射面，6、7是使用者左眼和右眼，8是透镜组轴线，9、10是使用者左眼和右眼轴线。

具体实施方式

本实用新型的一个优选实施例中，单芯片的眼镜式显示装置的结构如图1、图2和图3所示。在图1、图2中示出的是光学透镜组2的整体结构，图3则示出了光学透镜组2具体由四个透镜组成。其中，微显示芯片1与第四透镜24之间的距离可为3mm～10mm，本实施例中为5mm；微显示芯片与第一透镜21之间的总长度应小于50mm，本实施例中为49mm；使用者左眼和右眼6、7的观察位置与光传导平板4、5之间的距离为10mm～25mm，本实施例中为15mm。其中两个光传导平板的厚度为3mm，还可以进一步缩小至2mm。该单芯片的眼镜式显示装置的出瞳尺寸为15mm×8mm，半视场为15度×9度。

图4示出了分光耦合单元产生分光作用。该分光耦合单元中包括分别位于上下部的第一、第二棱镜，两者均为三棱柱结构，两个三棱柱的截面为相似(也可为相同)的两个等腰三角形，且上部等腰三角形的两腰边分别与下部等腰三角形的两腰边连接成两条相互交叉的直线；其中第一棱镜的上表面与光传导平板4、5的上表面平齐，第二棱镜的下表面与光传导平板4、5的下表面平齐；该分光耦合单元中还包括分别位于左右部的第三、第四棱镜，其中第三棱镜的左侧面与光传导平板4的右侧面对接，第四棱镜的右侧面与光传导平板5的左侧面对接；所述四个棱镜中，相邻两个棱镜的相邻表面相互紧贴，且各棱镜的每一表面均为部分反射面。其中，分光耦合单元的第三、第四棱镜相互对称；两条相互交叉的直线在左右两侧形成的夹角最好为20度～40度，本实施例中为38度。且各棱镜的每一表面的反射率可为50％。

具体工作时，从图像发出的任一光线入射进入分光耦合单元，图中用31表示其中一条光线。光线进入分光耦合单元后，分别被32、33部分反射，32反射面将光线反射到右方，33将光线反射到左方，32、33所反射光线再进入光传导平板。由于32和33均为反射率50％的部分反射平面，在32、33作用下，入射光线31被分离成为左右两根光线，对其他光线的作用也是如此。因此，通过分光耦合单元3之后，一幅图像被分解成为两幅等同的图像并被耦合进入光传导平板传输。

图5示出了光传导平板4、5对光线的传输效果，由于4、5工作原理相同，图中仅示出了一个传导平板4。该光传导平板为多个部分反射面结合而成的光学平板；其中每一个部分反射面与该光传导平板底面之间的夹角25度～45度，每一个部分反射面的反射率为20％～30％。

当来自于分光耦合单元的入射光41射进光传导平板4后，由于光线满足光传导平板全反射条件，因此在全反射作用下，光线被约束于光传导平板4中，并传输至各个部分反射面42。

每一个部分反射面42的作用是对照射在其上的光束进行部分反射。具体来说，针对光传导平板中的任一部分反射面42，入射光41的部分反射光垂直于光传导平板的表面，由于不满足全反射条件从而被耦合出传导平板4，照射到使用者左眼和右眼6；透射光由于全反射作用继续在光传导平板中传输至下一个部分反射面。部分反射面42成水平阵列排布，因此反射光亦在水平方向重复排布。亦即入射光束41的宽度在水平方向得到扩展。通过这种光束宽度扩展作用，光传导平板可以很大程度上扩展光束的可观察范围，从而将透镜组所成虚像经分光耦合单元分离后传输至使用者左眼和右眼观察，并同时扩展可观察范围。

分光耦合单元和光传导平板为同样材料，可采用无色光学玻璃或光学塑料制作。本例中选用k9玻璃(亦可选用其他牌号的光学玻璃)，将k9玻璃磨成图中所示形状后，在其上蒸镀部分反射铝膜，并将其粘接得到分光耦合单元和光传导平板。在本专利的另一实施例中选用光学塑料，将光学塑料压制成图中所示形状，在其上蒸镀部分反射铝膜，并将其粘接得到分光耦合单元和光传导平板。两种方法制作均可实现本专利所述功能，但塑料模压更适于大批量生产。

从图4和图5中可以看出，本实施例中，只需要一个微显示芯片、一套光学透镜组、一个分光耦合单元，即可配设两个光传导平板供使用者的左眼和右眼进行观察。

如图6所示，具体实施时，光学系统采用反向设计，即假设光线由使用者左眼和右眼(左方)发出，经光传导平板、分光耦合单元，然后顺序通过第四透镜24、第三透镜23、第二透镜22和第一透镜21最终成像于微显示芯片1的平面。由于平行光束在光传导平板中传输不产生任何像差，理想反射面也不产生象差。所以设计中可以将其作为平行平板考虑，在图6中则未画出。孔径光阑设置于使用者左眼和右眼处(左方)，大小设为60mm×8mm；并且在第一透镜21的左方8.1mm处设置附加光阑，以对光束水平方向孔径大小进行限制。

图6中，第一透镜21可采用PMMA、COC或者COP等树脂材料制成，该树脂材料的折射率为1.4～1.6，阿贝数为56～58；第二透镜22可采用折射率为1.6～1.9，阿贝数为20～40的火石玻璃制成；第三透镜23由与第一透镜相同的材料制成。第一、第二、第三透镜组成前组透镜，对来自使用者左眼和右眼的光线进行聚焦作用，其中不同材料透镜的搭配给消除倍率色差提供了可能，可以降低显示装置的色差，显示装置的其他像差如球差、彗差等则通过透镜组各个光学表面的配置进行修正。第四透镜24的作用是尽量将主光线偏转以垂直于微显示芯片，并消除畸变。

为了提供提高像质，第一、第三、第四透镜被设置为轴对称非球面凸透镜，这些非球面透镜的材料均为光学塑料，加工难度低，因此在批量化生产时可以使用成型模具，以便于大批量压制透镜，使得生产成本和可靠性都得到了保证。其中的第二透镜22则是球面凹透镜。本实施例的工作波段为可见光波段，设计时采用0.486μm的F光、0.588μm的d光、以及0.656μm的C光。

在图7和图8中示出了本实施例的成像质量，其中，图7示出了场曲(FIELDCURVATURE)和畸变(DISTORTION)，从中右方曲线可以看出，Y向畸变小于1.6％。本实例光学系统的失真变形程度较小。

图8表示各视场点的点列图(SPOT DIAGRAM)，视场点选取为(0，0)、(10.5，0)、(15，0)、(0，6.3)、(0，9)、(10.5，6.3)、(15，9)、(-15，9)、(-10.5，6.3)、(-15，0)、(-10.5，0)度。图中给出了各视场点的点列图RMS半径分别为：12.452μm、15.472μm、21.034μm、17.405μm、17.372μm、16.097μm、15.536μm、15.561μm、14.874μm、18.180μm、13.128μm。足以满足目视光学系统的要求。

本实用新型并不限于上述具体实施方式，根据不同使用需求，还可将眼镜式显示装置的出瞳尺寸范围设计为：水平方向(4mm～15mm)×垂直方向(4mm～8mm)，并将半视场范围设计为：水平方向(10度～15度)×垂直方向(6度～9度)。

从上述实施例可以看出，本实用新型中采用光学透镜组对微显示芯片产生的图像进行放大后，通过分光耦合单元将单一图像分离成两幅图像，再利用光传导平板将放大后的图像传送到使用者左眼和右眼，以供使用者左眼和右眼进行观察。其中光学传导平板可扩大出瞳尺寸，由于光传导平板非常薄，因此整个显示装置具有单芯片双图像、大视场、大出瞳尺寸和大眼点距的特点；同时光学透镜组中的各个透镜加工难度低，使得生产成本和可靠性都得到了保证。

Claims (10)

1、一种单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，包括微显示芯片(1)，对所述微显示芯片(1)产生的图像进行放大处理的光学透镜组(2)，对所述光学透镜组(2)输出的光线进行分离处理以将单一图像分离成两幅图像的分光耦合单元(3)，以及将所述分光耦合单元(3)输出的光线分别传送到使用者左眼和右眼的第一光传导平板(4)和第二光导板(5)；

其中，所述微显示芯片(1)、光学透镜组(2)、分光耦合单元(3)沿着光线传播方向依次放置；所述第一、第二光传导平板位于所述分光耦合单元(3)的两侧，并分别与所述使用者左眼和右眼的观察轴线(9、10)垂直；所述光学透镜组的轴线(8)与所述使用者左眼和右眼的观察轴线(9、10)之间相互平行。

2、根据权利要求1所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，所述分光耦合单元(3)包括分别位于上下部的第一、第二棱镜，两者均为三棱柱结构，所述两个三棱柱的截面为相似或相同的两个等腰三角形，且上部等腰三角形的两腰边分别与下部等腰三角形的两腰边连接成两条相互交叉的直线；其中第一棱镜的上表面与所述第一、第二光传导平板的上表面平齐，第二棱镜的下表面与所述第一、第二光传导平板的下表面平齐；

所述分光耦合单元(3)还包括分别位于左右部的第三、第四棱镜，其中第三棱镜的左侧面与第一光传导平板的右侧面对接，第四棱镜的右侧面与第二光传导平板的左侧面对接；

所述四个棱镜中，相邻两个棱镜的相邻表面相互紧贴，且各棱镜的每一表面均为部分反射面。

3、根据权利要求2所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，所述第三、第四棱镜相互对称；所述两条相互交叉的直线在左右形成的夹角为20度～40度。

4、根据权利要求3所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，所述各棱镜的每一表面的反射率为50％。

5、根据权利要求1所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，所述光学透镜组(2)中包括用于对光束进行聚焦并消除色差的第一透镜(21)、第二透镜(22)和第三透镜(23)，以及用于对主光线进行偏转处理以使之垂直于所述微显示芯片并消除畸变的第四透镜(24)；所述第一、第二、第三、第四透镜沿着从所述分光耦合单元到所述微显示芯片的方向依次放置。

6、根据权利要求5所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，所述第一、第三、第四透镜为偶次非球面凸透镜，所述第二透镜为球面双凹透镜。

7、根据权利要求6所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，所述第一、第三、第四透镜采用PMMA、COC或者COP树脂材料制成，该树脂材料的折射率为1.4～1.6，阿贝数为56～58；所述第二透镜采用火石玻璃材料制成，该玻璃材料的折射率为1.6～1.9，阿贝数为20～40。

8、根据权利要求6所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，所述微显示芯片与第四透镜之间的距离为3mm～10mm；所述微显示芯片与第一透镜之间的总长度小于50mm；所述使用者左眼和右眼的观察位置与光传导平板之间的距离为10mm～25mm。

9、根据权利要求1～8中任一项所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，每个光传导平板是由多个部分反射面结合而成的光学平板，其厚度为2mm～3mm；其中每一个部分反射面与该光传导平板底面之间的夹角25度～45度，每一个部分反射面的反射率为20％～30％。

10、根据权利要求9所述的单芯片的眼镜式显示装置，其特征在于，该眼镜式显示装置的出瞳尺寸范围为：水平方向(4mm～15mm)×垂直方向(4mm～8mm)；半视场范围为：水平方向(10度～15度)×垂直方向(6度～9度)。

Images