CN215494359U - 一种近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种近眼显示装置，该装置包括：沿光轴从物面到像面依次排列的显示模块和目镜镜组；目镜镜组包括沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为正光焦度透镜；第二透镜为负光焦度透镜；第三透镜为正光焦度透镜；第四透镜为正光焦度透镜；显示模块用于出射成像光束，成像光束经所述目镜镜组后出射至用户眼睛；目镜镜组的视场角为FOV，其中，30°≤FOV≤70°。通过显示模块出射的成像光束依次经过目镜镜组的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜对成像光束进行调试，可以有效减少像差，增大视场，提高显示效果，提升用户体验。

Description

一种近眼显示装置

技术领域

本实用新型实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置。

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LED技术和微型显示芯片技术的不断发展和市场的大量需求，高成像质量兼顾小体积，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近眼显示的领域。

因为近眼显示装置需要佩戴在人头部，所以其轻量化和良好的显示效果就尤为重要。同时光圈数是镜头设计中一个很重要的参数，光圈数越小，孔径越大，光学系统的艾里斑半径越小，分辨率越高，但一般随着孔径角增大，像差也会变大，各个视场位置处的均方根半径值就变大，同时其对应的衍射极限也就越高，但是设计难度就提高了很多，像差变得很难平衡。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种近眼显示装置，以提高显示效果，提升用户体验感。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种近眼显示装置，包括：沿光轴从物面到像面依次排列的显示模块和目镜镜组；

所述目镜镜组包括沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜为正光焦度透镜；所述第二透镜为负光焦度透镜；所述第三透镜为正光焦度透镜；所述第四透镜为正光焦度透镜；

所述显示模块用于出射成像光束，所述成像光束经所述目镜镜组后出射至用户眼睛；

所述目镜镜组的视场角为FOV，其中，30°≤FOV≤70°。

可选的，所述显示模块包括硅基液晶显示器、光源和偏振分光棱镜；

所述光源用于出射成像光束，所述成像光束经所述偏振分光棱镜反射后入射至所述硅基液晶显示器，经所述硅基液晶显示器调整后形成显示光束；所述显示光束经所述偏振分光棱镜透射后入射至所述目镜镜组，经所述目镜镜组出射至用户眼睛。

可选的，所述显示器包括自发光显示器，所述自发光显示器包括有机发光二极管显示器、微型液晶显示显示器或微型发光二极管显示器中的至少一种。

可选的，透镜邻近所述物面一侧的表面为物方表面，透镜邻近所述像面一侧的表面为像方表面；

所述第一透镜的物方表面朝向所述像面凸起或与所述像面平行，所述第一透镜的像方表面朝向所述像面凸起；

所述第二透镜的物方表面朝向所述物面凸起，所述第二透镜的像方表面朝向所述物面凸起；

所述第三透镜的物方表面朝向所述像面凸起，所述第三透镜的像方表面朝向所述物面凸起；

所述第四透镜的物方表面朝向所述像面凸起，所述第四透镜的像方表面朝向所述像面凸起。

可选的，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为球面透镜，所述第四透镜为非球面透镜。

可选的，所述第四透镜的非球面表面形状Z满足：

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D、E、F和G为高次非球面系数。

可选的，所述目镜镜组的有效焦距为EFL，其中，7mm≤EFL≤18mm。

可选的，所述近眼显示装置的出瞳距离为L，其中，L≥15mm。

可选的，所述近眼显示装置还包括光波导元件；

所述光波导元件位于所述目镜镜组的出光方向上。

可选的，所述光波导元件包括几何阵列光波导和衍射光波导的至少一种。

本实用新型实施例提供一种近眼显示装置，该装置包括：沿光轴从物面到像面依次排列的显示模块和目镜镜组；目镜镜组包括沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为正光焦度透镜；第二透镜为负光焦度透镜；第三透镜为正光焦度透镜；第四透镜为正光焦度透镜；显示模块用于出射成像光束，成像光束经所述目镜镜组后出射至用户眼睛；目镜镜组的视场角为FOV，其中，30°≤FOV≤70°。通过显示模块出射的成像光束依次经过目镜镜组的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜对成像光束进行调试，可以有效减少像差，增大视场，提高显示效果，提升用户体验。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的点列图；

图8为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的MTF曲线图；

图9为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的场曲畸变图；

图10为本实用新型实施例的另一种近眼显示装置的MTF曲线图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型实施例为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置器件结构的示意图并非按照一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度以及高度的三维空间尺寸。

图1为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图，如图1所示，该近眼显示装置100包括：沿光轴从物面到像面依次排列的显示模块101和目镜镜组102；

目镜镜组102包括沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜1021、第二透镜1022、第三透镜1023和第四透镜1024；

第一透镜1021为正光焦度透镜；第二透镜1022为负光焦度透镜；第三透镜1023为正光焦度透镜；第四透镜1024为正光焦度透镜；

显示模块101用于出射成像光束，成像光束经目镜镜组102后出射至用户眼睛；

目镜镜组102的视场角为FOV，其中，30°≤FOV≤70°。

其中，显示模块101可以出射成像光束，不同尺寸的显示模块101出射成像光束的范围不同，进而实现的显示效果不同，因此，显示模块101的尺寸可以根据实际设计需求进行选择，本实用新型实施例对此不做具体限定。成像光束可以通过目镜镜组102，经目镜镜组102可以对成像光束进行矫正，以校正各种像差，提高在用户眼睛处显示图像的成像质量和清晰度。目镜镜组102可以包括沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜1021、第二透镜1022、第三透镜1023和第四透镜1024沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜1021、第二透镜1022、第三透镜1023和第四透镜1024，第一透镜1021与显示模块101相邻设置。第一透镜1021为正光焦度透镜；第二透镜1022为负光焦度透镜；第三透镜1023为正光焦度透镜；第四透镜1024为正光焦度透镜。光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。光焦度可以适用于表征一个透镜的某一个折射面(即透镜的一个表面)，可以适用于表征某一个透镜，也可以适用于表征多个透镜共同形成的系统(即透镜组)。显示模块101出射的成像光束被正光焦度的第一透镜1021接收，第一透镜1021对成像光束进行会聚后被负光焦度的第二透镜1022接收，第二透镜1022对成像光束进行发散后被正光焦度的第三透镜1023接收，第三透镜1023对成像光束进行会聚后被正光焦度的第四透镜接收，第四透镜1024对成像光束进行会聚后出射至用户眼睛，形成显示图像。目镜镜组102还可以设置有光阑，光阑可以调整成像光束的传播方向，调整成像光束入射角，进一步提升成像质量，如图1所示，光阑可以设置在目镜镜组102的第四透镜1024的出光方向上，调整入射至用户眼睛的成像光束的方向。并且目镜镜组102的视场角FOV满足30°≤FOV≤70°，可以在小体积的近眼显示装置下实现大视角的显示。

本实用新型实施例的近眼显示装置通过设置显示器和目镜镜组，使得显示器出射的成像光束依次经目镜镜组的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，对成像光束进行调整矫正，进而使得入射至用户眼睛的显示图像清晰，提高显示效果，提升用户体验感。

图2为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图，如图2所示，可选的，显示模块101包括硅基液晶显示器1011、光源1012和偏振分光棱镜1013；

光源1012用于出射成像光束，成像光束经偏振分光棱镜1013反射后入射至硅基液晶显示器1011，经硅基液晶显示器1011调整后形成显示光束；显示光束经偏振分光棱镜1013透射后入射至目镜镜组102，经目镜镜组102出射至用户眼睛。

其中，由于硅晶液晶显示器1011作为像源，但并不是自发光的像源，需要配置额外的光源1012出射成像光束以及偏振分光棱镜1013对成像光束的光路调节。偏振分光棱镜1013的横截面形状可以为如图1所示的正方体，或是图3为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图，如图3所示的等腰梯形结构，具体形状可以根据设计需求进行选择，本实用新型实施例不做具体限定。但偏振分光棱镜1013的形状对成像光束的调节不产生影响，由于偏振分光棱镜1013的斜面可以镀由透P返S膜或是透S返P膜，示例性的，偏振分光棱镜1013的斜面镀有透P返S膜，光源1012发出的成像光束，当光源1012发出的成像光束经过偏振分光棱镜1013的斜面之后反射S光进入硅晶液晶显示器1011，在硅晶液晶显示器1011内载有像源信息的显示光束反射之后第二次经过偏振分光棱镜1013的斜面，由于经过硅晶液晶显示器1011时显示光束相位进行了改变，变成了P光，可以直接透过硅晶液晶显示器1011的斜面，进入目镜镜组102的第一透镜1021，进而依次经过第二透镜1022、第三透镜1023和第四透镜1024出射显示光束，入射至用户眼睛。

图4为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图，如图4所示，可选的，显示器101包括自发光显示器，自发光显示器包括有机发光二极管显示器、微型液晶显示显示器或微型发光二极管显示器中的至少一种。

其中，显示器101可以为自发光显示器，无需额外配置光源提供光线，显示器101与目镜镜组102之间距离较短，有利于实现近眼显示装置的小型化制造。自发光显示器可以为有机发光二极管显示器、微型液晶显示显示器或微型发光二极管显示器，由于不同的自发光显示器在一定工作功率条件下对应不同亮度，亮度为用户眼睛对光的强度的感受，可以用来表示显示画面的明亮程度，为满足不同的设计需求，可以根据实际需要进行自发光显示器的选择，本实用新型实施例不做具体限定。

继续参考图1-图3，作为一种可行的实施方式，定义各个透镜中透镜邻近物面一侧的表面为物方表面，透镜邻近像面一侧的表面为像方表面；第一透镜1021的物方表面朝向像面凸起或与像面平行，第一透镜1021的像方表面朝向像面凸起；第二透镜1022的物方表面朝向物面凸起，第二透镜1022的像方表面朝向物面凸起；第三透镜1023的物方表面朝向像面凸起，第三透镜1023的像方表面朝向物面凸起；第四透镜1024的物方表面朝向像面凸起，第四透镜1024的像方表面朝向像面凸起。

示例性的，如图1-图3所示，通过合理设置各个透镜的面型，保证各个透镜的光焦度和焦距满足设计要求的同时，还可以保证整个近眼显示装置结构紧凑，集成度高。

可选的，第一透镜1021、第二透镜1022和第三透镜1023均为球面透镜，第四透镜1024为非球面透镜。

其中，第一透镜1021、第二透镜1022和第三透镜1023均为球面透镜，第四透镜1024为非球面透镜，第四透镜1024的像方表面可以为非球面，用于对出射光束的进一步调节，保证显示图像更加清晰。第一透镜1021、第二透镜1022、第三透镜1023和第四透镜1024的材质可以为光学玻璃，也可以为光学树脂，其中，光学玻璃和光学树脂均可为本领域技术人员可知的各种光学树脂和各种类型的光学玻璃，可根据实际的设计需要进行选择和搭配，本实用新型实施例对此不赘述也不作限定。

可选的，第四透镜1024的非球面表面形状Z满足：

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D、E、F和G为高次非球面系数。

其中，通过对第四透镜1024的非球面表面的形状Z根据公式中的各个参数调节，可以获得不同的非球面表面形状，具体的非球面表面形状可以根据实际设计需求进行选择，本实用新型实施例对此不赘述也不作限定。

可选的，目镜镜组102的有效焦距为EFL，其中，7mm≤EFL≤18mm。

其中，不同尺寸的显示器101及视场角对应不同的有效焦距EFL，具体数值选择可以根据设计需求进行相应参数调节，本实用新型实施例不做具体限定。设置目镜镜组102的有效焦距EFL满足7mm≤EFL≤18mm，配合第一透镜1021为正光焦度透镜；第二透镜1022为负光焦度透镜；第三透镜1023为正光焦度透镜；第四透镜1024为正光焦度透镜，经目镜镜组102对显示光束的像差进行矫正，且保证整个目镜镜组102总长较短，有利于实现近眼显示装置100的小型化。

可选的，近眼显示装置100的出瞳距离为L，其中，L≥15mm。

其中，合理设置近眼显示装置100的出瞳距离L满足L≥15mm，保证用户眼睛能看到整个市场，进而实现显示图像在用户眼睛的整体呈现，保证显示效果，提升用户体验。

在图3的基础上，图5为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图，图6为本实用新型实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图，如图5和如6所示，可选的，近眼显示装置100还包括光波导元件103；

光波导元件103位于目镜镜组102的出光方向上。

其中，光波导元件103用于通过其内部将经目镜镜组02出射的显示光束线进行全反射，从而实现显示光束的横向传输、以及增大显示光是的传播距离，进而实现对光路的折叠，有效解决光束离轴传播问题，保证近眼显示装置的成像质量。光波导元件103还设置有入射棱镜片，入射棱镜片设置在目镜镜组102的出光方向上，用于对目镜镜组102出射的显示光束起到聚光作用，进而提高显示亮度。参见图5和图6，对应不同形状的光波导元件103调整显示模块101和目镜镜组102放置位置，保证经目镜镜组102出射的显示光束可入射至光波导元件103，保证最终显示成像效果。具体的光波导元件103的形状选择可以根据实际设计需求进行选择，本实用新型实施例对此不赘述也不作限定。

可选的，光波导元件103包括几何阵列光波导和衍射光波导的至少一种。

其中，光波导元件可以为几何阵列光波导或衍射光波导，光波导元件的材料可以包括氧化硅、硅等材料。在其他实施例中，光波导元件还可以为其他类型和结构的光波导，所述波导片的材料相应也可以为其他合适的材料。

表1以另一种可行的实施方式，详细说明了本实用新型实施例提供的目镜镜组102中各个透镜的具体设置参数。

表1目镜镜组的光学参数的设计值

面号	表面类型	曲率半径	中心厚度	折射率	色散系数	圆锥系数
							10	非球面	6.531	1.641	1.81	40.9	0.559
9	球面	50.956	3.113			0
							8	球面	-7.205	0.5	1.92	18.9	0
7	球面	9.128	1.055			0
							6	球面	-19.423	1.454	1.91	35.3	0
5	球面	-6.409	0.05			0
							4	球面	7.906	4.868	1.90	30	0
3	平面	无限	0			0
							2	平面	无限	4	1.61	54	0
1	平面	无限	0.5	1.57	56	0

其中，面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，其中“1”代表第一透镜1021的物面表面，“2”代表第一透镜1021的像面表面，依次类推；曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。折射率是光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，主要用来描述材料对光的折射能力，不同的材料的折射率不同。

本实施例的目镜镜组102达到了如下的技术指标：

有效焦距：EFL＝9.1mm；

光圈数：F＝1.26；

视场角：2w＝40°；

适用谱线范围：436～656nm。

进一步的，采用Optic Studio软件对本实用新型实施例提供的近眼显示装置进行了光学仿真测试，对应图1所示的近眼显示装置，图7为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的点列图。点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一，由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。如图7所示，本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置出射的进入用户眼睛的偏振光束为平行光，近眼显示装置在各个视场位置处的均方根半径值((RMS radius)均控制在RMS<9um，说明了近眼显示装置出射的偏振光束在眼睛的水平和垂直视场下具有较低的色差和像差，用户可以看清晰度高的视觉成像。

图8为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的MTF曲线图，如图8所示，MTF曲线中的空间频率满足20周期/mm时传递函数基本都在0.8以上，在眼睛的水平和垂直方向的视场范围内，具有较大的眼睛活动范围，可在眼睛视网膜上可高清成像。

图9为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的场曲畸变图，如图9所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧失；由图9可以看出，本实施例提供的近眼显示装置从波长为486nm的光到656nm的光，在场曲上被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；由图9可以看出，本实施例提供的近眼显示装置的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

对应图4所示的近眼显示装置，图10为本实用新型实施例的另一种近眼显示装置的MTF曲线图，如图10所示，MTF曲线中的空间频率满足25周期/mm时传递函数基本都在0.3以上，在眼睛的水平和垂直方向的视场范围内，具有较大的眼睛活动范围，可在眼睛视网膜上实现一个高像质的显示效果。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：沿光轴从物面到像面依次排列的显示模块和目镜镜组；

所述目镜镜组包括沿光轴从物面到像面依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜为正光焦度透镜；所述第二透镜为负光焦度透镜；所述第三透镜为正光焦度透镜；所述第四透镜为正光焦度透镜；

所述显示模块用于出射成像光束，所述成像光束经所述目镜镜组后出射至用户眼睛；

所述目镜镜组的视场角为FOV，其中，30°≤FOV≤70°。

2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示模块包括硅基液晶显示器、光源和偏振分光棱镜；

所述光源用于出射成像光束，所述成像光束经所述偏振分光棱镜反射后入射至所述硅基液晶显示器，经所述硅基液晶显示器调整后形成显示光束；所述显示光束经所述偏振分光棱镜透射后入射至所述目镜镜组，经所述目镜镜组出射至用户眼睛。

3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示模块包括自发光显示器，所述自发光显示器包括有机发光二极管显示器、微型液晶显示显示器或微型发光二极管显示器中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，透镜邻近所述物面一侧的表面为物方表面，透镜邻近所述像面一侧的表面为像方表面；

所述第一透镜的物方表面朝向所述像面凸起或与所述像面平行，所述第一透镜的像方表面朝向所述像面凸起；

所述第二透镜的物方表面朝向所述物面凸起，所述第二透镜的像方表面朝向所述物面凸起；

所述第三透镜的物方表面朝向所述像面凸起，所述第三透镜的像方表面朝向所述物面凸起；

所述第四透镜的物方表面朝向所述像面凸起，所述第四透镜的像方表面朝向所述像面凸起。

5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为球面透镜，所述第四透镜为非球面透镜。

6.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第四透镜的非球面表面形状Z满足：

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为y的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D、E、F和G为高次非球面系数。

7.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述目镜镜组的有效焦距为EFL，其中，7mm≤EFL≤18mm。

8.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置的出瞳距离为L，其中，L≥15mm。

9.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置还包括光波导元件；

所述光波导元件位于所述目镜镜组的出光方向上。

10.根据权利要求9所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光波导元件包括几何阵列光波导和衍射光波导的至少一种。

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