CN217467353U - 一种近眼显示光学系统及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种近眼显示光学系统及头戴式显示设备，其中，该近眼显示光学系统包括：按相同凹凸方向设置的曲面显示器和曲面超透镜阵列；曲面显示器的凹侧用于显示图像；曲面超透镜阵列设置在曲面显示器的凹侧，曲面超透镜阵列与曲面显示器平行；曲面超透镜阵列用于将图像在曲面显示器远离曲面超透镜阵列的一侧，形成放大虚像。通过本实用新型实施例提供的近眼显示光学系统及头戴式显示设备，采用曲面超透镜阵列放大曲面显示器所显示的图像，在增大视场角带来更好视觉沉浸感的同时，没有慧差，所呈现的放大虚像的像质更好；且相对于曲面微透镜阵列而言，该近眼显示光学系统还具备质量轻、整体厚度薄、系统简单、价格更低以及产能高的优势。

Description

一种近眼显示光学系统及头戴式显示设备

技术领域

本实用新型涉及超表面应用技术领域，具体而言，涉及一种近眼显示光学系统及头戴式显示设备。

背景技术

虚拟现实(VR，Virtual reality)技术通过创造具有体验感的三维模拟环境，在军事、医疗、娱乐和教育等许多领域具有广泛的应用价值。对于VR光学系统而言，通常需要具备大视场角，以带给用户更好的沉浸体验，提高整个光学系统带给人眼的视觉舒适度。

目前，可以采用基于曲面微透镜阵列的VR光学系统，以达到大视场角的效果，但是，曲面微透镜阵列厚度较厚，不利于包含其的VR光学系统和头戴式显示设备往轻薄化方向发展。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种近眼显示光学系统及头戴式显示设备。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种近眼显示光学系统，包括：按相同凹凸方向设置的曲面显示器和曲面超透镜阵列；所述曲面显示器的凹侧用于显示图像；所述曲面超透镜阵列设置在所述曲面显示器的凹侧，所述曲面超透镜阵列与所述曲面显示器平行；所述曲面超透镜阵列用于将所述图像在所述曲面显示器远离所述曲面超透镜阵列的一侧，形成放大虚像。

可选地，曲面超透镜阵列包括多个焦距相同的曲面超透镜；或者，所述曲面超透镜阵列包括固定架和设置在所述固定架一侧表面的多个结构相同的柔性超透镜。

可选地，多个所述曲面超透镜共用同一基底。

可选地，曲面超透镜还包括：生长在所述基底一侧的第一纳米结构，以及填充在所述第一纳米结构周围的填充材料，所述填充材料为在工作波段透明或半透明材料，且所述填充材料的折射率与所述第一纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

可选地，固定架在工作波段透明，且所述固定架与所述曲面显示器平行。

可选地，柔性超透镜包括：柔性衬底和在所述柔性衬底一侧表面设置的多个第二纳米结构；所述柔性衬底在工作波段透明；所述第二纳米结构用于将所述图像在所述曲面显示器远离所述曲面超透镜阵列的一侧，形成放大虚像。

可选地，柔性超透镜还包括：填充在所述第二纳米结构表面的保护膜层；所述保护膜层在工作波段透明，用于保护所述第二纳米结构。

可选地，曲面显示器包括：曲面发光二极管显示器，曲面有机发光二极管显示器，曲面硅基液晶显示器，曲面数字微镜器件，基于微机电系统的激光束扫描曲面显示器。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种头戴式显示设备，包括：上述任一近眼显示光学系统和支撑壳体；所述近眼显示光学系统在所述支撑壳体内部设置；所述支撑壳体用于固定所述近眼显示光学系统。

可选的，该头戴式显示设备还包括：固定带，所述固定带用于与所述支撑壳体连接，并形成能够使用户穿戴于头部的环状结构。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，采用曲面超透镜阵列来放大曲面显示器所显示的图像，在增大视场角带来更好视觉沉浸感的同时，没有慧差，所呈现的放大虚像的像质更好；且相对于曲面微透镜阵列而言，该近眼显示光学系统还具备了质量轻、整体厚度薄、系统简单、价格更低以及产能高的优势。

本实用新型实施例上述第二方面提供的方案中，采用更加纤薄的近眼显示光学系统，可以使整个头戴式显示设备的结构更加轻薄紧凑，佩戴舒适度更高。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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，下面将对实施例或现有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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种近眼显示光学系统的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示光学系统生成放大虚像的示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示光学系统中，曲面超透镜阵列包括多个曲面超透镜的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的近眼显示光学系统中，曲面超透镜阵列包括固定架和多个柔性超透镜的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的一种头戴式显示设备的结构示意图。

图标：

1-近眼显示光学系统、2-支撑壳体、3-固定带、11-曲面显示器、12-曲面超透镜阵列、121-曲面超透镜、122-固定架、123-柔性超透镜。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种近眼显示光学系统，参见图1所示，包括：按相同凹凸方向设置的曲面显示器11和曲面超透镜阵列12；曲面显示器11的凹侧用于显示图像；曲面超透镜阵列12设置在曲面显示器11的凹侧，曲面超透镜阵列12与曲面显示器11平行；曲面超透镜阵列12用于将图像在曲面显示器11远离曲面超透镜阵列12的一侧，形成放大虚像。

如图1所示，该近眼显示光学系统中的曲面显示器11和曲面超透镜阵列12的凹凸方向一致，例如，令该曲面显示器11的凹侧与该曲面超透镜阵列12的凸侧相对，其中，凹侧为向内凹陷的一侧，凸侧为向外凸出的一侧。该曲面显示器11的凹侧用于显示图像，其所显示的图像为真实图像，即实像；可选地，该曲面显示器11包括：曲面发光二极管显示器，曲面有机发光二极管显示器，曲面硅基液晶显示器，曲面数字微镜器件，基于微机电系统的激光束扫描曲面显示器。这些显示器的整体结构较小，属于微型曲面显示器，更加适用于该近眼显示光学系统。在本实用新型实施例中，曲面超透镜阵列12包括多个超透镜；其中，该曲面超透镜阵列12上任意一点到该曲面显示器11的垂直距离相同，使得二者之间相互平行。在本实用新型实施例中，该曲面显示器11与该曲面超透镜阵列12之间的最大距离与最小距离相差在预设范围之内，均可视作二者平行。其中，与该曲面显示器11的凹侧相对的曲面超透镜阵列12能够针对该图像生成放大虚像，该放大虚像位于该曲面显示器11远离该曲面超透镜阵列12的一侧，如该曲面显示器11不能显示图像的凸侧。

相比于平面结构的近眼显示光学系统而言，本实用新型实施例所采用曲面显示器11与曲面超透镜阵列12相结合的曲面结构，在使用过程中其所能提供的视场角FOV更大，参见图2所示，图2中示出的椭圆形图像表示人眼，在曲面显示器11凸侧方向上的圆弧表示由曲面超透镜阵列12生成的放大虚像。本实用新型实施例所提供的近眼显示光学系统所能提供的视场角FOV近似满足关系式FOV＝Nα≈2Narcsin(D/2r)。其中，r表示人眼与该曲面超透镜阵列12中任意一个超透镜的边缘之间的距离；D表示该曲面超透镜阵列12中任意一个超透镜的尺寸，如图2中超透镜的直径；α表示曲面超透镜阵列12中任意一个超透镜的两边缘分别与人眼连线之间的夹角，即以人眼为顶点、以人眼中心分别向超透镜两边缘形成的连线为边，由这两条边与顶点所构成的夹角；N表示该曲面超透镜阵列12中，与视平面相交的超透镜的个数。因此，该近眼显示光学系统所能提供的视场角大小与该曲面超透镜阵列12中，每个超透镜(如曲面超透镜阵列12中，与视平面相交的超透镜)的两边缘与人眼连线之间的夹角的总和相同，该曲面超透镜阵列12的视场角相当于其中每一个超透镜(如曲面超透镜阵列12中，与视平面相交的超透镜)所能提供的视场角之和。此外，基于此曲面结构的近眼显示光学系统，该曲面超透镜阵列12关于中心视场完全对称，该曲面超透镜阵列12中的每一个超透镜所调制的光线也与各自超透镜的主光轴对称，不会产生慧差。

本实用新型实施例所提供的近眼显示光学系统，采用曲面超透镜阵列12来放大曲面显示器11所显示的图像，在增大视场角带来更好视觉沉浸感的同时，没有慧差，所呈现的放大虚像的像质更好；且相对于曲面微透镜阵列而言，该近眼显示光学系统由于采用了曲面超透镜阵列12，能够具备质量轻、整体厚度薄、系统简单、价格更低以及产能高的优势。

可选地，参见图3所示，曲面超透镜阵列12包括多个焦距相同的曲面超透镜121；或者，参见图4所示，曲面超透镜阵列12包括固定架122和设置在固定架122一侧表面的多个结构相同的柔性超透镜123。

如图3所示，曲面超透镜阵列12可以是多个曲面超透镜121相连排布所形成的阵列，这些曲面超透镜121的焦距都相同，以保证由每个曲面超透镜121所形成的部分放大虚像分别与曲面显示器11的距离都相同，即得到一个完整的放大虚像。在需要进行大量生产的情况下，采用该种结构的曲面超透镜阵列12能够在加工过程中降低工序数量，加快生产。或者，如图4所示，曲面超透镜阵列12可以包括固定架122和多个柔性超透镜123；每个柔性超透镜123的结构相同，并贴合设置在该固定架122的一侧形成阵列，例如设置在该固定架122远离曲面显示器11的一侧，或者，设置在该固定架靠近曲面显示器11的一侧，本实施例对此不做限定(图4中，多个柔性超透镜123贴合设置在该固定架122远离曲面显示器11的一侧)。本实用新型实施例中，柔性超透镜123与曲面超透镜121的作用相同，同样可以将曲面显示器11所显示的图像，在该曲面显示器11不能显示图像的一侧(如该曲面显示器11的凸侧)生成放大虚像。在需要使该近眼显示光学系统更加轻薄化的情况下，采用该种结构的曲面超透镜阵列12，能够令该近眼显示光学系统的整体重量减轻，且厚度更加轻薄。

可选地，多个曲面超透镜121共用同一基底。在本实用新型实施例所提供的近眼显示光学系统中，多个曲面超透镜121可以是一体结构，例如，所有曲面超透镜121共用同一个基底，在该基底的同一侧生成每个曲面超透镜121。这样的结构可以简化该曲面超透镜阵列12的加工过程，并且可以避免将不同基底的多个曲面超透镜121进行拼接时所产生的技术困难，如多个不同基底的曲面超透镜121之间的对准问题。

可选地，该曲面超透镜121还包括：生长在基底一侧的第一纳米结构，以及填充在第一纳米结构周围的填充材料，填充材料为在工作波段透明或半透明材料，且填充材料的折射率与第一纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

本实用新型实施例中，在该近眼显示光学系统的工作波段，如可见光波段，该曲面超透镜121是透明的，即对工作波段的光线具有高透过率。其中，该曲面超透镜121包括第一纳米结构以及填充在第一纳米结构周围的填充材料；其中，该第一纳米结构可以在基底的同一侧设置，例如，该第一纳米结构可以设置在基底远离曲面显示器11的一侧，如凹侧。本实用新型实施例中，填充在该第一纳米结构周围的填充材料也是一种在工作波段透明或半透明的材料，即该填充材料对工作波段的光线(如可见光)具有高透过率或透过率位于40％～60％之间，以能够保护纳米级的第一纳米结构。该填充材料的折射率与第一纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5，以避免填充材料影响光线调制效果。

可选地，固定架122在工作波段透明，且该固定架122与曲面显示器11平行。

本实用新型实施例中，为了使曲面显示器11所显示的图像透过该曲面超透镜阵列12，该固定架122在工作波段透明，即对工作波段的光线(如该曲面显示器11所发射的可见光)具有高透过率。此外，该固定架122与曲面显示器11平行，例如，该固定架122上任意一点与该曲面显示器11之间的垂直距离都相等，以使得贴合设置在该固定架122一侧的每个柔性超透镜123分别与该曲面显示器11之间的垂直距离相等，进而使具有固定架122和柔性超透镜123的曲面超透镜阵列12与曲面显示器11平行。

可选地，柔性超透镜123包括：柔性衬底和在柔性衬底一侧表面设置的多个第二纳米结构；柔性衬底在工作波段透明；第二纳米结构用于将图像在曲面显示器11远离曲面超透镜阵列12的一侧，形成放大虚像。

其中，柔性超透镜123包括在工作波段透明的柔性衬底，即对工作波段的光线(如曲面显示器11所发射的可见光)具有高透过率的柔性衬底，例如，该柔性衬底可以是柔性硅水凝胶。在该柔性衬底的同一侧面设置有多个第二纳米结构，能够将该曲面显示器11所显示的图像在该曲面显示器的凸侧(如其不能显示图像的一侧)生成放大虚像，其中，该第二纳米结构为全介质结构单元，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等；并且，这些第二纳米结构可以是呈周期性排布的纳米柱，例如，可以在该柔性衬底的一侧设置有多个呈周期性正六边形阵列排布的，高度为500nm，直径为200nm的纳米柱。

可选地，柔性超透镜123还包括：填充在第二纳米结构表面的保护膜层；保护膜层在工作波段透明，用于保护第二纳米结构。

其中，在该第二纳米结构的表面(如该第二纳米结构远离柔性衬底的一侧)填充保护膜层，该保护膜层同样也是在工作波段透明的膜层，例如，该保护膜层是对可见光的波段具有高透过率的膜层，其可以是SU8环氧树脂，以实现保护纳米级的第二纳米结构的功能。

本实用新型实施例还提供了一种头戴式显示设备，参见图5所示，包括：上述任意一种近眼显示光学系统1和支撑壳体2；近眼显示光学系统1在支撑壳体2的内部设置，支撑壳体2用于固定近眼显示光学系统1。

在本实用新型实施例所提供的头戴式显示设备中，支撑壳体2用于将近眼显示光学系统1封装在其内部，可以对该近眼显示光学系统1进行固定和保护。其中，该近眼显示光学系统1可通过居中设置在该支撑壳体2的内部的方式，使得在用户将该头戴式显示设备佩戴于头部时，其双眼能够适应性地与该近眼显示光学系统1相对应，以实现向人眼显示大视场角画面的功能。本实用新型实施例所提供的头戴式显示设备采用更加纤薄的近眼显示光学系统1，可以使整个头戴式显示设备的结构更加轻薄紧凑，佩戴舒适度更高。

可选地，参加图5所示，该头戴式显示设备还包括：固定带3，固定带3用于与支撑壳体2连接，并形成能够使用户穿戴于头部的环状结构。其中，固定带3与支撑壳体2相连后形成环状结构，使用户在佩戴该头戴式显示设备时，可以更加贴合头部轮廓，提升佩戴的舒适度。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种近眼显示光学系统，其特征在于，包括：按相同凹凸方向设置的曲面显示器(11)和曲面超透镜阵列(12)；

所述曲面显示器(11)的凹侧用于显示图像；

所述曲面超透镜阵列(12)设置在所述曲面显示器(11)的凹侧，所述曲面超透镜阵列(12)与所述曲面显示器(11)平行；

所述曲面超透镜阵列(12)用于将所述图像在所述曲面显示器(11)远离所述曲面超透镜阵列(12)的一侧，形成放大虚像。

2.根据权利要求1所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述曲面超透镜阵列(12)包括多个焦距相同的曲面超透镜(121)；

或者，所述曲面超透镜阵列(12)包括固定架(122)和设置在所述固定架(122)一侧表面的多个结构相同的柔性超透镜(123)。

3.根据权利要求2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，多个所述曲面超透镜(121)共用同一基底。

4.根据权利要求3所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述曲面超透镜(121)还包括：生长在所述基底一侧的第一纳米结构，以及填充在所述第一纳米结构周围的填充材料，所述填充材料为在工作波段透明或半透明材料，且所述填充材料的折射率与所述第一纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

5.根据权利要求2所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述固定架(122)在工作波段透明，且所述固定架(122)与所述曲面显示器(11)平行。

6.根据权利要求5所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述柔性超透镜(123)包括：柔性衬底和在所述柔性衬底一侧表面设置的多个第二纳米结构；

所述柔性衬底在工作波段透明；

所述第二纳米结构用于将所述图像在所述曲面显示器(11)远离所述曲面超透镜阵列(12)的一侧，形成放大虚像。

7.根据权利要求6所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述柔性超透镜(123)还包括：填充在所述第二纳米结构表面的保护膜层；所述保护膜层在工作波段透明，用于保护所述第二纳米结构。

8.根据权利要求1-7任一所述的近眼显示光学系统，其特征在于，所述曲面显示器(11)包括：曲面发光二极管显示器，曲面有机发光二极管显示器，曲面硅基液晶显示器，曲面数字微镜器件，基于微机电系统的激光束扫描曲面显示器。

9.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一所述的近眼显示光学系统(1)和支撑壳体(2)；

所述近眼显示光学系统(1)在所述支撑壳体(2)内部设置；所述支撑壳体(2)用于固定所述近眼显示光学系统(1)。

10.根据权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，还包括：固定带(3)，所述固定带(3)用于与所述支撑壳体(2)连接，并形成能够使用户穿戴于头部的环状结构。

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