CN207992559U - 一种近眼显示镜片、视力矫正装置及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种近眼显示镜片、视力矫正装置及近眼显示装置，至少包含一层光栅结构，所述光栅结构的参数中的一个、两个或多个以改变光场相位为目的随位置变化，且所述光栅结构具有成像、屈光矫正功能。本实用新型创造性的通过光栅的整体结构设计，使光栅结构同时具备虚拟3D景物的显示及视力矫正的功能，使得具有视力缺陷的人士可以无需佩戴眼镜就可以直接使用近眼显示设备，体验的舒适性和便利性大大提高，具有较高的商业价值和社会价值。

Description

一种近眼显示镜片、视力矫正装置及近眼显示装置

技术领域

本发明涉及显示设备技术领域，更具体地说，涉及一种具有光学屈光度的近眼显示镜片、用于近眼显示的视力矫正装置及近眼显示装置。

背景技术

增强现实技术(AR)是一种将真实世界信息和虚拟世界信息融合的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。随着增强现实技术的不断发展，各种近眼显示设备竞相上市，例如谷歌的GoogleGlass和微软的HoloLens。

现今各种各样的电子产品占据了人们的生活，频繁的使用这些电子产品带来的弊端之一就是视力问题日益严重。仅中国就有大约4.5亿人需要长期配戴眼镜，然而目前近眼显示装置并没有针对视力有问题的人群提出特殊的设计方案。这使得很多需要使用近眼显示装置的人不得不再佩戴一副可以矫正视力的眼镜，这增加了鼻梁承受重量，也很大程度的降低了近眼显示装置的舒适性和实用性，因此矫正视力的近眼显示方案是增强现实和虚拟现实被视力缺陷患者广泛接受的基础。中国专利CN106707515公开了一种具有视力矫正功能的三维显示装置。其工作原理类似小孔成像。点光源光源位于光学镜片的一侧，入射光被光学镜片表面阵列化的光学微结构转换为点光源状的光束。空间光调制器位于光学镜片和人眼之间，是用来调制入射光线的振幅与相位，使出射光先显示信息投射进人眼。空间光调制器作为必不可少的器件会增加镜片厚度、体积和重量，且其通透性可能影响现实世界光的入射，对信息融合起到负面作用。这一设计方案成本高、实施难度大。

因此亟需一种可以与现有近眼显示设备有机结合的视力矫正镜片，便于近视人士方便舒适的使用近眼显示设备，或者一种直接具备视力矫正功能的近眼显示设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以与现有近眼显示设备有机结合的视力矫正镜片，便于近视人士方便舒适的使用近眼显示设备，或者一种直接具备视力矫正功能的近眼显示设备。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种的近眼显示镜片，所述镜片包括光栅结构和衬底，所述光栅结构的参数对应其位置，以改变光场相位，所述近眼显示镜片具有光学屈光度。

进一步的，依据光栅方程设计所述光栅结构参数组成结构单元像素，所有所述结构单元像素组成纳米透镜。

进一步的，所述结构单元像素包含3个结构子单元像素，分别对应于红色、绿色和蓝色。

进一步的，所述光栅结构制作于一薄膜上。

进一步的，所述薄膜结合于衬底上。

进一步的，所述衬底的第一表面和第二表面中的其中一面是曲面，另一面是平面，所述光栅结构直接制作在曲面上，或将光栅结构制作于一薄膜上，所述薄膜结合于所述曲面上。

本发明还提供一种用于近眼显示设备的视力矫正装置，包括至少一个上述的具有光学屈光度的近眼显示镜片和用于与近眼显示设备接驳的连接组件，所述具有光学屈光度的近眼显示镜片安装在连接组件上。

本发明还提供一种近眼显示装置，包括上述的具有光学屈光度的近眼显示镜片，或上述的视力矫正装置。

本发明创造性的通过光栅的整体结构设计，使光栅功能结构同时具备虚拟3维景物的显示及视力矫正的功能，使得具有视力缺陷的人士可以无需佩戴眼镜就可以直接使用近眼显示设备，体验的舒适性和便利性大大提高，具有较高的商业价值和社会价值。

这种虚拟景物成像和真实景物成像解耦的方法，有利于镜片设计与制作，方便像差控制与系统优化。

虚拟景物通过波导传输或投影传输的方法进入虚实融合镜片。纳米光栅功能薄膜和曲面镜片同时参与虚拟景物和真实景物成像。因此，镜片结构紧凑，舒适度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有近眼显示设备中无屈光度镜片的示意图

图2a-b近眼显示设备中无屈光度镜片用于视力缺陷用户的示意图

图3a-b是本发明一种实施方案下结构示意图。

图4a-b是本发明一种实施方案下结构示意图。

图5a-b是纳米透镜波导镜片单元的平面结构示意图。

图6a和图6b是结构尺度在纳米级别的纳米衍射光栅在XZ平面和XY平面下的结构图

图7a-b是现在技术包括一组光栅分光薄膜层的透明镜片示意图。

图8a-b是包括一区纳米光栅组的波导镜片示意图。

图9a-b是含有纳米光栅像素结构的功能薄膜的具有屈光度的镜片的结构示意图。

图10a-b是该种纳米透镜波导镜片实施方案平面结构分布示例示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，现有AR近眼显示设备所用的镜片为不具有屈光度的镜片。人眼11 位于镜片12的一侧，通过镜片接收信息。镜片12的波导上制作有微纳结构(纳米光栅结构)，用于耦合在镜片12波导中光线的转折、偶入或偶出。对于无视力缺陷的人群，这种镜片可以很好地融合真实世界信息和虚拟世界信息。一些用户因为眼屈光系统的屈光力减弱，真实世界信息在通过眼的屈光系统曲折后，焦点无法落在视网膜上。比如，焦点落在视网膜之前的屈光状态称为近视，如图2a；焦点落在视网膜之后的屈光状态称为远视，如2b。有视力缺陷的用户无法通过不具有屈光度的镜片的近眼显示设备看清现实物体21。而且，不具屈光度的镜片可能也无法将虚拟信息的焦点落在此类用户的视网膜上。因此有视力缺陷的人只能佩戴视力矫正眼镜后再佩戴近眼近眼显示设备，但是，舒适性很差。所以，这种镜片无法为有视力缺陷的用户提供实用、舒适的近眼显示设备。

为了解决这一问题，本发明提出一种的近眼显示镜片，所述镜片包括光栅结构和衬底，所述光栅结构的参数对应其位置，以改变光场相位，所述近眼显示镜片具有光学屈光度。

本发明创造性的通过光栅的整体结构设计，使光栅功能结构同时具备虚拟3维景物的显示及视力矫正的功能，使得具有视力缺陷的人士可以无需佩戴眼镜就可以直接使用近眼显示设备，体验的舒适性和便利性大大提高，具有较高的商业价值和社会价值。

这种虚拟景物成像和真实景物成像解耦的方法，有利于镜片设计与制作，方便像差控制与系统优化。

虚拟景物通过波导传输或投影传输的方法进入虚实融合镜片。纳米光栅功能薄膜和曲面镜片同时参与虚拟景物和真实景物成像。因此，镜片结构紧凑，舒适度高。在实际应用中，光栅可以采用纳米尺寸级别的纳米光栅。

进一步的，依据光栅方程设计所述光栅结构参数组成结构单元像素，所有所述结构单元像素组成纳米透镜。

进一步的，所述结构单元像素包含3个结构子单元像素，分别对应于红色、绿色和蓝色。

进一步的，所述光栅结构制作于一薄膜上。

进一步的，所述薄膜结合于衬底上。

进一步的，所述衬底的第一表面和第二表面中的其中一面是曲面，另一面是平面，所述光栅结构直接制作在曲面上，或将光栅结构制作于一薄膜上，所述薄膜结合于所述曲面上。

本发明还提供一种用于近眼显示设备的视力矫正装置，包括至少一个上述的具有光学屈光度的近眼显示镜片和用于与近眼显示设备接驳的连接组件，所述具有光学屈光度的近眼显示镜片安装在连接组件上。

本发明还提供一种近眼显示装置，包括上述的具有光学屈光度的近眼显示镜片，或上述的视力矫正装置。

在一些实施例中，一种具有光学屈光度的近眼显示镜片，至少包含一层光栅功能结构，所述纳米光栅功能结构的光栅结构参数中的一个、两个或多个以改变光场相位为目的随位置变化，且所述纳米光栅功能结构具有屈光矫正功能。

本发明创造性的通过纳米光栅的整体结构设计，使纳米光栅功能结构同时具备虚拟3维景物的显示及视力矫正的功能，使得具有视力缺陷的人士可以无需佩戴眼镜就可以直接使用近眼显示设备，体验的舒适性和便利性大大提高，具有较高的商业价值和社会价值。

这种虚拟景物成像和真实景物成像解耦的方法，有利于镜片设计与制作，方便像差控制与系统优化。

虚拟景物通过波导传输或投影传输的方法进入虚实融合镜片。纳米光栅功能薄膜和曲面镜片同时参与虚拟景物和真实景物成像。因此，镜片结构紧凑，舒适度高。利用纳米光栅功能结构实现虚拟三维景物的显示，同时进行视力矫正，直接将视力矫正镜片整合到一个镜片组件中，使之在构建三维近眼显示装置时，能获得和普通三维近眼显示装置一样简洁的结构，视力缺陷认识佩戴该近眼三维显示装置和普通视力正常的人佩戴普通近眼三维显示装置的体验相似，舒适自然。

进一步的，所述光栅结构参数包括但不限于光栅的周期、取向、深度、倾角、占空比。

进一步的，所述纳米光栅功能结构为具有光学成像功能及起到矫正视力功能的纳米透镜。

进一步的，所述纳米透镜为等效离轴菲尼尔透镜。

进一步的，所述纳米光栅功能结构制作于一纳米光栅功能薄膜上，所述纳米光栅功能薄膜整体呈曲面结构。

进一步的，所述具有光学屈光度的近眼显示镜片还包括衬底，所述纳米光栅功能薄膜复合于衬底上，所述衬底与纳米光栅功能薄膜复合的一面具有与纳米光栅功能薄膜一致的曲面。

进一步的，所述具有光学屈光度的近眼显示镜片还包括衬底，所述衬底的第一表面和第二表面中的其中一面是曲面，另一面是平面，所述纳米光栅功能结构直接制作在镜弯曲面的平面上，或将纳米光栅功能结构制作于一纳米光栅功能薄膜上，所述纳米光栅功能薄膜复合于曲面镜片的平面或曲面上。

进一步的，所述纳米光栅功能结构由像素型结构子单元像素光栅构成，每个结构子单元像素光栅内设有纳米衍射光栅且这些纳米衍射光栅的周期和取向不同，所有的结构子单元光栅像素结合形成纳米透镜。

本文中所谓第一表面是指在使用过程中，衬底的两个表面中远离人眼的一面，而第二表面是指靠近人眼的另一面。

出于加工方便及成本的考量，可以将纳米光栅功能结构压印在一个功能薄膜上(习惯称为纳米光栅功能薄膜)，然后再将该薄膜复合在一个衬底上，构成近眼三维显示用的镜片。当然也可以直接将纳米光栅结构加工在波导表面。当波导和纳米光栅功能薄膜的复合体都是透明的时候，可以实现虚拟镜像与现实镜像的融合，即实现AR功能。

在一些实施例中，所述衬底的第一表面和第二表面中的其中一面是曲面，另一面是平面，所述纳米光栅功能结构直接制作在衬底的平面上，或将纳米光栅功能结构制作于一纳米光栅功能薄膜上，所述纳米光栅功能薄膜复合于衬底的平面上。这样的设置，可以降低光栅的复杂程度，降低加工成本。同时，衬底的曲面也起到了视力矫正的作用，它与纳米光栅功能结构一起协同进行视力矫正，以满足不同情形的需要。如图9a和图9b所示。

如果需要，在一些实施例中，所述衬底的第一表面及第二表面两面都是曲面，第一表面的曲率半径大于第二表面的曲率半径，或所述曲面镜片的第一表面的曲率半径小于第二表面的曲率半径。不同的选择，可以满足近视和远视的视力矫正。在一些实施例中，所述纳米平面衬底及其对应的纳米光栅功能结构均为3层或4 层，分别对应三基色或四基色光信号。具体来说，就是将三个或四个衬底(每个衬底上加工有纳米光栅结构或复合有纳米光栅功能薄膜)重叠在一起，这些衬底及其纳米光栅结构分别对应于显示三基色(如红绿蓝)或四基色(如红绿蓝黄) 光信号。从而实现彩色三维显示。

本发明还提供本发明还提供一种用于近眼显示设备的视力矫正装置，包括至少具有光学屈光度的近眼显示镜片和用于与近眼显示设备接驳的连接组件，所述具有光学屈光度的近眼显示镜片安装在连接组件上。

为了满足现有普通没有视力矫正功能的近眼显示设备可以供有视力缺陷的人士舒适的使用，而采用这种组件，利用连接组件直接将具有光学屈光度的近眼显示镜片或者曲面镜片(视力矫正镜片)接驳到普通近眼显示设备上，这样，就无需佩戴眼镜再使用近眼显示设备了，大大提高了使用的舒适性。

本发明还提供一种近眼显示装置(例如AR或VR领域)，包括上述任一所述的具有光学屈光度的近眼显示镜片，或视力矫正装置。

这种虚拟景物成像和真实景物成像解耦的方法，有利于镜片设计与制作，方便像差控制与系统优化。

虚拟景物通过波导传输或投影传输的方法进入虚实融合镜片。纳米光栅功能薄膜和曲面镜片同时参与虚拟景物和真实景物成像。因此，镜片结构紧凑，舒适度高。本发明提出的一种具有光学屈光度的近眼显示镜片，在一些实施例中，该镜片上包括至少一层纳米光栅结构功能薄膜和至少一个曲面镜片，该镜片纳米光栅结构功能薄膜的特征是将虚拟图像投影至人眼观察区域。所述曲面镜片具有一个弯曲曲面，弯曲曲面可以是球面或非球面。弯曲曲面对现实世界的光线进行弯曲，起到矫正视力的作用，使得真实世界的光和纳米结构功能薄膜投射过来的虚拟景物的光都可以落到人眼的视网膜上，从而实现真实世界信息和虚拟世界信息的融合。纳米光栅结构功能薄膜可直接制作在具有屈光度的曲面镜片的弯曲表面上，如图 3a-b和图4a-b所示。图3a-b和图4a-b分别是采用两种不同的曲面镜片的示意图。或为了制作简单，也可以制作在一个平面衬底上，然后该平面衬底和曲面镜片再复合在一起，例如距离眼睛由近至远一次设置曲面镜片和平面衬底。假设镜片上离眼球远的一面称为第一表面31，离眼球近的一面称为第二表面32。在一个实施例中，该镜片的第一表面的曲率半径小于第二表面的曲率半径，如图3a，真实世界光线在通过该屈光系统曲折后的焦点会前移，则该镜片可以对远视人群起到视力矫正作用3b。在另一个实施例中，该镜片的第一表面的曲率半径大于第二表面的曲率半径，如图4a，真实世界信息在通过该屈光系统曲折后的焦点会后移，则该镜片可以对近视人群起到视力矫正作用4b。在这两个实施例中，纳米光栅结构功能薄膜中的纳米光栅结构制作在曲面镜片的第一表面31上，需通过渐变的纳米结构(纳米结构周期、取向、深度、占空比等参数的改变)消除镜片波导厚度不均匀对虚拟图像光场产生的相位差。上述示例中，纳米光栅功能结构本身具有和曲面镜片第一表面一致的曲面，二者可以很好的贴合，也可以是直接加工于曲面镜片上。

本发明中所述的纳米光栅功能薄膜可以是一种制备有纳米光栅区域的透明薄膜，也可以是指直接加工于衬底表面(具有平面或曲面的表面)表面上的纳米光栅区域。而不仅仅是特指某种加工有纳米光栅功能区域的薄膜。上述示例中的曲面镜片，可以是衬底，也可以是视力矫正镜片，它们可以与纳米光栅功能结构一起协同进行视力矫正。

如图7a-b、图8a-b所示，在一些实施例中，也可以不需要曲面镜片，直接将加工纳米光栅功能结构的薄膜加工为曲面结构，纳米光栅功能结构本身就具有视力矫正能力的纳米透镜，利用反射投影三维虚拟显示装置，可以同时实现近眼显示，及视力矫正功能。

在一些实施例中，也可以不需要衬底，直接将加工纳米光栅功能结构的薄膜加工为曲面结构，可以与曲面镜片贴合，进一步的，纳米光栅功能结构本身也可以是具有视力矫正能力的纳米透镜，利用反射投影三维虚拟显示装置，可以同时实现近眼显示，及与曲面镜片一起协同实现视力矫正功能。

纳米光栅区域主要功能是将空间光调制器中传播过来的光信号耦入、转折、和最终投射进入人眼，从而实现虚拟景物的呈现，根据需要，通过同时利用纳米光栅的合理排布，使纳米光栅具有视力矫正功能，同时等同于一个用于矫正视力的球面或非球面透镜，此时则可以省去曲面镜面(衬底或视力矫正镜片)。例如将纳米光栅功能结构进行合理设计及排布，使其等同一个纳米透镜，这个纳米透镜，同时具备光学成像和视力矫正功能。

为了使纳米光栅功能结构具有视力矫正的功能，在实际应用中，如图10a-b所示，纳米光栅功能结构可以由光栅结构单元构成，每个光栅结构单元包括像素型结构子单元光栅像素，每个结构子单元光栅像素内设有的纳米衍射光栅的周期和取向不同，所有光栅像素结合形成具有光学成像作用的纳米透镜。这一实施方案可以有效减小镜片厚度，减小AR镜片体积和重量，提升佩戴舒适度。其结构示意图如图10a。优选地，图10b是结构尺度在纳米范畴的纳米光栅功能结构的平面结构分布示例示意图。在一个实施例中，其纳米光栅结构相当于单个离轴纳米菲涅尔透镜结构，可以使图像发散或汇聚于人眼，由此实现镜片的屈光矫正效果。每个结构单元像素30可包括红色结构子单元光栅像素301、绿色结构子单元光栅像素302、蓝色结构子单元光栅像素303。多个结构子单元光栅像素构成了不同焦点的离轴菲涅尔透镜结构。或纳米光栅功能结构由三层纳米光栅功能结构组成，分别对应于红色、绿色、蓝色入射光，实现相应波长光线弯折。透过纳米透镜的光场分布可以通过改变单个像素纳米结构的设计来实现。传统光栅波导结构具有固定的光栅周期和取向，可以达到折叠光路、将虚拟景象与现实融合的目的。而纳米透镜除了实现光路折叠和图像融合外，还对特定入射角的光线具有成像功能，通过设计每个光栅像素的光栅周期与取向，成像效果可相当于单个理想球面镜，或非球面(自由曲面)透镜，从而达到优化系统成像的目的，例如，可以通过设计纳米透镜增大增强显示系统的视场角、出瞳距离或者观察范围。此外，图上像素形状不限于矩形，也可以是圆形、菱形、六方形等等。图上像素也可相互分立，适当改变像素间距离，可使之满足照明空隙要求。此外，通过调节图上个像素的像素大小、结构或槽深等结构参数依空间分布变化，可使各像素点获得理想的衍射效率，达到均匀照明的目的。单个子像素的纳米光栅周期可在20nm-2000nm 范围内。另外，对应不同的颜色的纳米透镜子像素具有不同的衍射角和焦距，来满足放大成像和彩色合成的要求。

如图5a-b所示，所述纳米光栅结构功能薄膜直接复合或制备于曲面镜片的第一表面上，曲面镜片同时也是波导130(兼具曲面镜片矫正视力的作用和波导的作用)。所述纳米光栅结构功能薄膜中的纳米光栅结构包括入射功能性区域、中继功能性区域(不是必须的，根据实际需要来决定是否需要一个或多个中继功能性区域)和出射功能性区域，入射功能性区域201将波导传导过来的图像光信息改变方向，经波导130全反射直接传导至出射功能性区域203，或经过中继功能性区域202改变图像光的传导方向后至出射功能性区域203。在实际应用中，为了在较小的波导130上获得足够的光学视角放大，在入射功能性区域201和出射功能性区域203之间的光息传播路径上设置中继功能性区域202。经过出射功能性区域203的衍射和汇聚作用，输出光线聚焦至人眼形成虚拟三维图像。通过具有透明光学成像和波导折弯功能的功能性区域及波导的配合，可以大大降低装置的体积和厚度，并且经过各功能性区域中由纳米衍射光栅构成的纳米透镜进行图像视角多次放大，可以获得大视角三维显示装置。由于巧妙的将波导加工为用于矫正近视或远视缺陷的曲面(可以是球面或非球面)，并与纳米光栅结构功能薄膜复合，从而实现近眼显示功能的同时，适于视力缺陷的人群舒适的使用。

图6a和图6b是衍射光栅分在XZ平面和XY平面的示意图。光线以θ(x)角度入射功能性区域201，以β(x)角度耦合进入光波导130，衍射角满足波导130全反射要求，为衍射方位角，用于改变光波导内光线方向。光线(光束)从入射功能性区域201传播，经过中继功能性区域202，从出射功能性区域203传播出去，聚集输出的光线至人眼视网膜，使人眼看到逼真的虚拟立体图像。三个功能性区域位相之和为0，不存在相位改变。功能性区域的衍射光栅子单元设计依据前述光栅方程，通过设计光栅周期及取向,进行光线定向传导。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种的近眼显示镜片，所述镜片包括光栅结构和衬底，其特征在于，所述光栅结构设置在所述衬底的表面上，所述光栅结构的参数对应其位置，以改变光场相位，且所述光栅结构具有屈光矫正功能，所述近眼显示镜片具有光学屈光度。

2.根据权利要求1所述的近眼显示镜片，其特征在于，依据光栅方程设计所述光栅结构参数组成结构单元像素，所有所述结构单元像素组成纳米透镜。

3.根据权利要求2所述的近眼显示镜片，其特征在于，所述结构单元像素包含3个结构子单元像素，分别对应于红色、绿色和蓝色。

4.根据权利要求1所述的近眼显示镜片，其特征在于，所述光栅结构制作于一薄膜上。

5.根据权利要求4所述的近眼显示镜片，其特征在于，所述薄膜结合于衬底上。

6.根据权利要求1所述的近眼显示镜片，其特征在于，所述衬底的第一表面和第二表面中的其中一面是曲面，另一面是平面，所述光栅结构直接制作在曲面上，或将光栅结构制作于一薄膜上，所述薄膜结合于所述曲面上。

7.一种视力矫正装置，用于近眼显示设备，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-6任一所述的近眼显示镜片和用于与近眼显示设备接驳的连接组件，所述近眼显示镜片安装在连接组件上。

8.一种近眼显示装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一所述的近眼显示镜片，或权利要求7所述的视力矫正装置。