CN209879150U - 一种可调节焦距的近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可调节焦距的近眼显示设备。该设备包括成像系统和显示系统，成像系统包括成像单元和成像透镜组，成像透镜组包括依次设置的偏振分光棱镜、阿尔瓦雷斯透镜组和普通透镜组，成像单元发出的光依次经过偏振分光棱镜、阿尔瓦雷斯透镜组和普通透镜组后传播至显示系统。本实用新型在光学设计过程中使用阿尔瓦雷斯透镜组，该透镜组由有两个具有自由曲面的透镜组成，使用过程中通过移动两透镜的相对位置，可以改变系统的焦距，从而可以达到调焦的目的。

Description

一种可调节焦距的近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及增强现实显示领域，特别是涉及一种可调节焦距的近眼显示设备。

背景技术

自从2012年谷歌发布第一款Google glass以来，增强现实(Augmented Reality，简称AR)显示技术便迎来了飞快的发展。AR的特点在于，它能使用户在可看见虚拟现实的同时也能看见现实中场景，使虚拟与现实的交流更加便捷，也正是由于该特点，AR逐渐得到了更多人的接受，也已在越来越多的行业内得到了应用，可以预见，近几年AR行业的需求也会迎来极大的增长。

专利号为CN202421643U的专利为一种自动变焦眼镜，该专利所述的具体自动调焦眼镜由两个圆筒形镜架代替原来的镜片，圆筒形镜架的外端为物镜，内端为目镜，中间内置电动对焦装置和数据处理器，两圆筒形镜架的中间固定连接，两圆筒形镜架的外侧各有一段横向支撑，其上与目镜相同方向的一侧，各内置有一个红外传感器，红外传感器接收的信号由电线经横向支撑内部传给圆筒形镜架中间的数据处理器，经数据处理器处理后，向电动对焦装置发出指令，实现焦距的自动调节；眼镜腿末端的挂钩部分是电池，上设充电孔，电池由电线经眼镜腿内部分别与红外传感器、数据处理器和电动对焦装置连接，为其供电。但是该专利所述的自动变焦眼镜使用较为复杂，且完全不具备AR现实功能。

专利号为CN107450188A的专利为一种3D近眼显示装置及方法，该专利所述的3D近眼显示装置具体包括依次连接的能够形成3D实像的集成成像单元、第一偏振分光棱镜、双胶合镜、第二偏振分光棱镜、耦合棱镜和波导阵列基片。装置整体结构紧凑、轻薄，实现出瞳扩展的光波导近眼显示系统；采用集成化显示，降低了设计和加工难度，且对数据带宽要求低，无海量计算。本实用新型还提供了一种3D近眼显示方法，利用微透镜阵列记录和再现3D场景，缓解2D近眼显示与人眼视觉生理之间的矛盾。但是该专利所述的近眼显示装置不具备自动调焦的功能，目前戴眼镜的人在人群中所占比例越来越大，显然该装置对于这类人群而言具有很大的不便性。

以往的AR显示设备光机部分大多都是固定曲率、厚度和折射率的透镜组在固定的相对位置下工作，所有原件保持不变，理论下会造成成像结果固定不变，这就使得系统有唯一固定的焦距。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可调节焦距的近眼显示设备，能够解决AR显示设备在使用时不可调节焦距的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种可调节焦距的近眼显示设备，包括成像系统和显示系统，所述成像系统包括成像单元和成像透镜组，所述成像透镜组包括依次设置的偏振分光棱镜、阿尔瓦雷斯透镜组和普通透镜组，所述成像单元发出的光依次经过所述偏振分光棱镜、所述阿尔瓦雷斯透镜组和所述普通透镜组后传播至显示系统。

可选的，所述显示系统采用光栅波导片、矩形阵列光波导片或其它任意形式用于近眼显示的波导片。

可选的，所述阿尔瓦雷斯透镜组包括两个具有自由曲面的透镜。

可选的，所述阿尔瓦雷斯透镜组中的透镜位置不固定，可上下移动。

可选的，所述成像单元采用形成3D实像的集成成像单元。

可选的，所述成像单元采用Micro-LED或OLED或LCOS中的任意一种。

可选的，所述普通透镜组包含多个凹透镜和凸透镜。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供一种可调节焦距的近眼显示设备，包括成像系统和显示系统，所述成像系统包括成像单元和成像透镜组，所述成像透镜组包括依次设置的偏振分光棱镜、阿尔瓦雷斯透镜组和普通透镜组，所述成像单元发出的光依次经过所述偏振分光棱镜、所述阿尔瓦雷斯透镜组和所述普通透镜组后传播至显示系统。本实用新型在光学设计过程中使用阿尔瓦雷斯透镜组，该透镜组由有两个具有自由曲面的透镜组成，使用过程中通过移动两透镜的相对位置，可以改变系统的焦距，从而可以达到调焦的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型可调节焦距的近眼显示设备组成示意图；

图2为可调节焦距的近眼显示设备应用示意图；

图3为照明部分光路示意图；

图4为阿尔瓦雷斯透镜组第一横向调节示意图；

图5为阿尔瓦雷斯透镜组第二横向调节示意图；

图6为对应1倍焦距时的调制传递函数值；

图7为对应1倍焦距时的光斑大小值；

图8为对应3倍焦距时的调制传递函数值；

图9为对应3倍焦距时的光斑大小值。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种可调节焦距的近眼显示设备，能够解决AR显示设备在使用时不可调节焦距的问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型可调节焦距的近眼显示设备组成示意图。如图1所示，一种可调节焦距的近眼显示设备，包括成像系统1和显示系统2，所述成像系统包括成像单元11和成像透镜组，所述成像透镜组包括依次设置的偏振分光棱镜12、阿尔瓦雷斯透镜组13和普通透镜组，所述成像单元11发出的光依次经过所述偏振分光棱镜12、所述阿尔瓦雷斯透镜组13和所述普通透镜组后传播至显示系统2。

所述显示系统2采用光栅波导片、矩形阵列光波导片或其它任意形式用于近眼显示的波导片。

所述阿尔瓦雷斯透镜组13包括两个具有自由曲面的透镜，所述阿尔瓦雷斯透镜组13中的透镜位置不固定，可上下移动，调节阿尔瓦雷斯透镜组13的相对位置时可改变系统的焦距。

所述成像单元11采用能够形成3D实像的集成成像单元。具体的，所述成像单元11采用Micro-LED或OLED或LCOS中的任意一种。Micro-LED是新一代显示技术，比现有的OLED技术亮度更高、发光效率更好、但功耗更低。OLED为有机发光二极管，LCOS为硅基液晶。

所述普通透镜组包含多个凹透镜和凸透镜。

实施例：

图2为可调节焦距的近眼显示设备应用示意图。如图2所示，成像系统1包含一个偏振分光棱镜12，五个折射率为1.2-1.9的玻璃透镜和一组阿尔瓦雷斯透镜组13，上述系统能够实现1-3倍变焦。

图3为照明部分光路示意图，如图3所示，3为一块尺寸为0.39inch的硅基液晶显示屏，像素大小为4.5um，4为偏振分光棱镜，经由LED系统的光线垂直打到偏振分光棱镜上，光线经由偏振分光棱镜反射到硅基液晶显示屏上，硅基液晶显示屏连接视频输入设备便可将视频输出。

图4为阿尔瓦雷斯透镜组第一横向调节示意图。图5为阿尔瓦雷斯透镜组第二横向调节示意图。如图4和图5所示，阿尔瓦雷斯透镜组可横向调节，当改变该透镜组的相对位置时，其作用到成像系统中的有效光学孔径的曲率和厚度都将发生改变，从而使系统的焦距得到改变，实现变焦的目的。由硅基液晶显示屏所发出的图像经过偏振分光棱镜后再经过成像透镜组准直后变成平行光输入阵列光波导片中，光线在矩形整列光波导中遵循折反射定律向前传播，波导片中有数个镀有半透半反膜的斜面，当光线经过波导片中的这些斜面时，一部分光线继续向前传播，另一部分被反射出。

图6为对应1倍焦距时的调制传递函数值；图7为对应1倍焦距时的光斑大小值；图8为对应3倍焦距时的调制传递函数值；图9为对应3倍焦距时的光斑大小值。图6-图8体现了本实用新型可调节焦距的近眼显示设备在不同的焦距下的成像质量。

本实用新型的可调节焦距的近眼显示设备，在光学设计过程中使用阿尔瓦雷斯透镜组，该透镜组由有两个具有自由曲面的透镜组成，使用过程中通过移动两透镜的相对位置，可以改变系统的焦距，从而可以达到调焦的目的。

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，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种可调节焦距的近眼显示设备，其特征在于，包括成像系统和显示系统，所述成像系统包括成像单元和成像透镜组，所述成像透镜组包括依次设置的偏振分光棱镜、阿尔瓦雷斯透镜组和普通透镜组，所述成像单元发出的光依次经过所述偏振分光棱镜、所述阿尔瓦雷斯透镜组和所述普通透镜组后传播至显示系统。

2.根据权利要求1所述的可调节焦距的近眼显示设备，其特征在于，所述显示系统采用光栅波导片、矩形阵列光波导片或其它任意形式用于近眼显示的波导片。

3.根据权利要求1所述的可调节焦距的近眼显示设备，其特征在于，所述阿尔瓦雷斯透镜组包括两个具有自由曲面的透镜。

4.根据权利要求1所述的可调节焦距的近眼显示设备，其特征在于，所述阿尔瓦雷斯透镜组中的透镜位置不固定，可上下移动。

5.根据权利要求1所述的可调节焦距的近眼显示设备，其特征在于，所述成像单元采用形成3D实像的集成成像单元。

6.根据权利要求1所述的可调节焦距的近眼显示设备，其特征在于，所述成像单元采用Micro-LED或OLED或LCOS中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的可调节焦距的近眼显示设备，其特征在于，所述普通透镜组包含多个凹透镜和凸透镜。