CN217484601U - 一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置，利用全反射棱镜对图像源发出的光线进行传导，最后经过近眼屈光部件进行图像放大，从而在紧凑的体积下实现较大视场角的近眼显示效果。近眼屈光组件和全反射棱镜之间存在间隙层，并且间隙层包含折射率低于全反射棱镜折射率的物质。

Description

一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及近眼显示装置领域，具体的涉及一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置。

背景技术

在近眼显示系统中，若要形成大视场角显示效果，一般来说需要较大口径的成像系统，而大口径成像系统的焦距一般都不会太小，焦距代表着近眼显示装置的轴向厚度，因此，行业现状下，不易于制作体积纤薄紧凑的大视场角眼镜式显示器。

本实用新型提出一种新思路，在保持成像系统较大口径的基础上，利用全反射棱镜对图像源发出的光线进行一次或多次全反射传导，延长光线传播路径，最后经过近眼屈光部件进行图像放大，实现较大视场角的近眼显示效果，同时维持装置的整体薄片形态，更加适合于制造轻薄便携的眼镜式显示器产品。

实用新型内容

本实用新型提供一种采用利用全反射棱镜和近眼屈光部件，通过全反射传导和末端放大的方式实现较大视场角的紧凑型大视场角近眼显示装置。

本实用新型的技术方案是：一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置，其特征在于，所述显示装置包括：全反射棱镜，利用所述全反射棱镜对图像源发出的光线进行一次或多次全反射传导；近眼屈光部件，光线经过一次或多次反射后，由近眼屈光部件进行图像放大；其中在近眼屈光组件和全反射棱镜之间存在间隙层，并且间隙层包含折射率低于全反射棱镜折射率的物质。

优选地，其中所述图像源和所述近眼屈光部件之间形成第一夹角。

优选地，其中所述第一夹角为约30度、约45度或约60度。

优选地，所述间隙层采用角度偏置，有益于形成更加紧凑轻薄的效果。

优选地，其中所述近眼屈光部件是反射屈光器。

优选地，其中所述反射屈光器包括偏振性改变器。

优选地，其中所述偏振性改变器选自消偏膜，四分之一波片，半波片或斜45度偏振片。

优选地，其中，所述全反射棱镜包括次反射面，所述次反射面为偏振分光片。

优选地，其中所述近眼屈光部件和所述全反射棱镜之间的所述间隙层的横截面为波浪形，其具有靠近所述近眼显示装置的光轴的第一间隙区域和靠近所述近眼显示装置的外围边缘的第二间隙区域，第一间隙区域和第二间隙区域的形状和角度彼此不同，从而避免杂散光进入光轴附近的人眼。

优选地，其中所述近眼屈光部件和所述全反射棱镜之间的间隙层仅设置在所述近眼显示装置的外围边缘处，而不设置在所述近眼显示装置的光轴附近的区域处，从而避免杂散光进入人眼。

优选地，其中所述反射屈光器具有靠近所述近眼显示装置的光轴的第一反射区域和靠近所述近眼显示装置的外围边缘的第二反射区域，所述第一反射区域具有普通光学面，第二反射区域具有菲涅尔反射面。

优选地，其中在第一反射区域的普通光学面上设置第一偏振性改变器，在直接面对第二反射区域的间隙层处设置第二偏振性改变器。

优选地，其中所述第一偏振性改变器和所述第二偏振性改变器中的每一个选自偏振膜、四分之一波片、半波片或45度偏振片。

优选地，其中所述全反射棱镜包括次反射面，所述次反射面采用偏振分光片。

优选地，本实用新型所述的近眼显示装置包括两组全反射棱镜和两个图像源，其中所述两组全反射棱镜和两个像源分别置于人眼前方，从不同方向投射光线，拼接两幅显示画面，以达到更大的视场角度显示效果。

优选地，其中所述全反射棱镜包括次反射面，所述次反射面为偏振分光片。

优选地，其中在所述两组全反射棱镜之间设置光路隔离。

优选地，两套全反射光学系统对称地旋转了一定的角度，有益于形成更加紧凑轻薄的效果。

优选地，其中所述全反射棱镜包括次反射面和近眼间隙层，所述近眼间隙层采用楔形或曲线型，以便反射通过所述次反射面的透射光，从而避免杂散光进入人眼。

优选地，其中所述图像源是从液晶显示器、发光二极管显示器、有机发光二极管显示器、反射显示器、衍射光源、投影仪、光束发生器、激光器和光调制器中选择的一个或多个成像发光装置。

本实用新型的有益效果：本实用新型公开了一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置，利用全反射棱镜对图像源发出的光线进行一次或多次全反射传导，最后经过近眼屈光部件进行图像放大，从而在紧凑的体积下实现较大视场角的近眼显示效果。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本实用新型所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本实用新型更多的目的、功能和优点将通过本实用新型实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置结构图；

图2a～图2f所示为本实用新型第1实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射棱镜和近眼屈光部件的各种不同类型具体结构示意图。

图3a～图3f所示为本实用新型第2实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射光学系统的各种不同类型具体结构示意图。

图4a～图4b所示为本实用新型第3实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射棱镜包含补偿面的情况示意图。

图5a～图5d所示为本实用新型第4实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射棱镜不含主反射面的情况示意图。

图6a～图6d所示为本实用新型第5实施例的采用两套全反射光学系统分列组合的近眼显示装置结构示意图。

图7a～图7c所示为本实用新型第6实施例的采用两套全反射光学系统(含两次全反射)分列组合的窄边框近眼显示装置结构示意图。

图8所示为本实用新型第7实施例的采用两套全反射光学系统(含曲面式次反射面)分列组合的近眼显示装置结构示意图。

图9所示为本实用新型第8实施例的采用两套全反射光学系统(不含主反射面)分列组合的窄边框近眼显示装置的一种具体结构示意图。

图10a～图10b所示为本实用新型第9实施例的采用两套全反射光学系统(不含主反射面)分列组合的窄边框近眼显示装置结构的一般性示意图。

图11a～图11b所示为本实用新型第10实施例的采用光线来自图像源不同区域的两套全反射光学系统(含两次全反射)重叠组合的近眼显示装置的结构示意图。

图12a～图12c所示为本实用新型第11实施例的采用光线来自图像源不同区域的两套全反射光学系统(含多次全反射)重叠组合的近眼显示装置的结构示意图。

图13a～图13b所示为本实用新型第12实施例的采用光线来自图像源同一区域不同时刻的两套全反射光学系统(含多次全反射)重叠组合的近眼显示装置的结构示意图。

图14a～图14f所示为本实用新型第13实施例的采用各种类型的全反射光学系统的结构示意图。

图15a～图15c所示为本实用新型第14实施例的采用角度偏置的全反射光学系统的结构示意图。

图16a～图16c所示为本实用新型第15实施例的采用特殊角度偏置的全反射光学系统的结构示意图。

图17所示为本实用新型第16实施例的采用复合屈光器的全反射光学系统的结构示意图。

图18所示为本实用新型第17实施例的采用近眼间隙层防止光线串扰的解决方案结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本实用新型的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本实用新型并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本实用新型的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1示意性示出一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置结构图。如图1所示，基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置包含全反射棱镜101，全反射棱镜101中包含的主反射面102与图像源103呈30°左右夹角，次反射面104与近眼屈光部件105呈30°左右夹角，图像源103与近眼屈光部件105平行放置，图像源103和近眼屈光部件105与全反射棱镜101中间，存在间隙层106，间隙层106中为折射率低于全反射棱镜101的物质(如空气)，因此使得光线可以在全反射棱镜101的内表面发生全反射传导。

经过近眼屈光部件105对射出全反射棱镜101的光线进行图像放大，可以被人眼107看清，从而在紧凑的体积下实现较大视场角的近眼显示效果。

其中，所述图像源103为液晶显示器、发光二极管显示器、有机发光二极管显示器、反射式显示器、衍射式光源、投影器、光束发生器、激光器、光调制器等显像发光装置。

实施例1

图2a～图2f所示为本实用新型第1实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射棱镜和近眼屈光部件的各种不同类型具体结构示意图。

本实施例中，图像源发出的光线经过次反射面反射后，射入近眼屈光部件进行图像放大，最终射入人眼，从而在紧凑的体积下实现较大视场角的近眼显示效果。

如图2a所示，近眼屈光部件可以采用正焦距透镜205a。

如图2b～图2e所示其中所述近眼屈光部件可以允许外界环境光线221无屈光度透过，同时次反射面为半反射性质(如半反射膜、偏振分光层，或空气层)，可以使得人眼在看清显示图像的同时，可以透过近眼屈光部件和全反射棱镜看清外界环境，从而实现增强现实的半透明显示效果。

具体地：

如图2b所示，近眼屈光部件可以采用反射式屈光器205b。作为优选的，为了防止光线透过次反射面204b后的透射光211，在端面212发生反射后，再次经过次反面反射进入人眼，产生杂光。有以下解决方案：

(1)端面212采用增透膜，防止光线在内表面发生反射；

(2)端面212采用防止光线反射的表面处理方法；

(3)在近眼面213增加增透膜，防止光线在内表面发生全反射，从而避免杂光；

(4)次反射面204b采用偏振分光片，使得经过它透射的光线，后续再反射回来的时候，仍然会完全透过，而不会在次反射面204b发生反射；此时，为了保证经过反射式屈光器205b反射的光线能透过次反射面204b，应在反射式屈光器205b中附加偏振性改变器(可以是消偏膜，四分之一波片，半波片，斜45度偏振片等能改变原有光线线偏振性的材料)对光线进行处理，之后就可以顺利反射进入人眼207b。

如图2c1所示，近眼屈光部件可以采用偏振双焦距透镜。所述的偏振双焦距透镜，采用带细微结构的偏振双焦距透镜205c：包含正交偏振混排滤光片2051c，配合带细微结构的特殊透镜。该特殊透镜表面有两种不同类型的A/B两类表面单元混排，其中：

A类表面20521：该细微结构的局部屈光性符合短焦正透镜的屈光规律，则其表面对应的覆盖的小面积偏振滤光片就只允许显示光(已经过显示光起偏器2031c处理成偏振光)通过；

B类表面20522：该细微结构无屈光度(或只有轻微的适应用户视力的屈光度)，则其表面对应的覆盖的小面积偏振滤光片就只允许外界环境光线已经过外界光起偏器2211c处理成偏振光)通过。

如图2c2，A/B两类表面单元排列形式有几种例举：A/B间隔环带(类菲涅尔透镜结构)、间隔条纹、棋盘方格、点阵(以A类圆形和近圆表面排列在大面积的连同B区域)、A/B间隔等边三角形阵列等。

此外，采用带衍射微结构的偏振双焦距透镜，也可以实现对不同偏振性的光线有不同的焦距(对内部显示光焦距为正短焦，对外部环境光线为近无穷大)。

如图2d所示，近眼屈光部件可以采用折射反射式屈光器205d。作为优选，为了进一步降低近眼屈光部件的厚度，可以使得图示中的半反射面2050d为菲涅尔反射面，或者采用某种反射衍射微结构，在允许外界光线不屈光透过的情况下，对内部显示光进行反射屈光。

如图2e所示，近眼屈光部件可以采用偏振双反射式屈光器205e。对于图像源203e发出的显示光，经过显示光起偏器2031e处理后，变成一种偏振光，这种偏振光在进入偏振双反射式屈光器205e，无法直接通过，会遭到末端偏振滤光片2051e的阻挡；光线在屈光器其中的两个表面上发生两次反射，由于两个表面并非平行，而是具有一定的相对曲率，因此两次反射带来了屈光放大(刚好可以使得人眼看清)，经过两次反射最终射出的光线可以通过末端偏振滤光片2051e，而被人眼207e看到。

而外部环境光线211经过外界光起偏器2211e的处理，变成另一种偏振光，这种偏振光在进入偏振双反射式屈光器205e时，可以直接通过末端偏振滤光片2051e，由于没有发生屈光反射和屈光折射，因此人眼207e可以直接看清外界光线；光线在屈光器其中的两个表面上发生两次反射，也会被屈光放大(导致人眼无法看清)，但无法通过末端偏振滤光片2051e，因而不会被人眼207e看到。

如图2f所示，采用曲面式次反射面204f，同时具有近眼屈光功能。因此不再需要单独的近眼屈光部件。

实施例2

图3a～图3f所示为本实用新型第2实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射光学系统的各种不同类型具体结构示意图。

本实施例中，所述全反射棱镜301有不同的形态，图像源发出的光线在传导光线过程中，可产生1次，或2次，或3次全反射，从而形成不同的全反射光学系统。

如图3a，光线发生2次全反射。

如图3b，光线发生3次全反射和端反射面308b的反射。

如图3c，光线发生3次全反射和端反射面308c的反射。

如图3d，光线发生2次全反射和端反射面308d的反射。

如图3e，光线发生3次全反射和端反射面3081e和端反射面3082e的反射。

如图3f，光线先经过光源端反射屈光部件3031f的反射，进行放大或缩小，之后经过传导后再经过近眼屈光部件305f的二次屈光，最终成为人眼能看清的光线。通过这种结构，可以允许光学系统对图像源发出的光线进行预处理(如放大光线可以节省空间增加视角，缩小光线可以提高清晰度)，从而更加适合各种不同的使用需求。

实施例3

图4a～图4b所示为本实用新型第3实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射棱镜包含补偿面的情况示意图。

所述补偿面为曲面，位于全反射棱镜背向近眼屈光部件的一侧，采用曲面(球面、非球面或其他曲面)，从而产生一定的屈光度，可以和近眼屈光部件的屈光面配合，从而对内部显示光线和外界环境光线进行屈光调节，并且可以适应不同视力的用户。

如图4a，采用正焦距透镜405a作为近眼屈光部件，使得补偿面409a在外侧具有屈光缩小效果，以抵消正焦距透镜405a的屈光放大效果，从而使人眼407a能看清外界。

作为优选的，为了适应不同视力的用户，可以调整或替换各个光学面的曲率：若补偿面409a的曲率大于屈光面4050a的曲率，则整个光学系统对外的屈光度相当于远视镜片；若补偿面409a的曲率小于屈光面4050a的曲率，则整个光学系统对外的屈光度相当于近视镜片。

如图4b，采用折射反射式屈光器405b作为近眼屈光部件，使得补偿面409b在内侧具有屈光缩小效果，以抵消折射反射式屈光器405b的屈光放大效果，从而使人眼407b能看清外界。

作为优选的，为了适应不同视力的用户，可以调整或替换各个光学面的曲率：若补偿面409b的曲率大于屈光面4050b的曲率，则整个光学系统对外的屈光度相当于远视镜片；若补偿面409b的曲率小于屈光面4050b的曲率，则整个光学系统对外的屈光度相当于近视镜片。

作为优选的，为了进一步降低近眼屈光部件的厚度，可以使得图4a示中正焦距透镜405a采用菲涅尔透镜，或带某种衍射微结构的正焦距屈光器；可以使得图4b示中折射反射式屈光器405b的采用菲涅尔反射面，或者采用某种反射衍射微结构，在允许外界光线不屈光透过的情况下，对内部显示光进行反射屈光。

实施例4

本实施例为实施例1的改进型。

图5a～图5d所示为本实用新型第4实施例的基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置中的全反射棱镜不含主反射面的情况示意图。

如图5a，在实施例1的基础上，去掉主反射面，图像源503a和次反射面504a呈约90°，图像源503a与人眼平视视觉轴线5111呈约30°，采用反射式屈光部件505a。此方案比实施例1相比的优点在于，可以使得图像源503a近似与人眼视线平行，使得图像源503a在人眼自然视角540中的投影面较小，所造成的视野遮挡区541a也较小，因此形成视觉上的“窄边框”效果。

如图5b，在图5a的基础上，采用特殊的折射反射式屈光器和补偿面509b，使得补偿面509b和反射式内屈光面5051b组成的折反结构对内屈光；补偿面509b和折射式外屈光面5052b组成的折射结构对外屈光。当补偿面509b和折射式外屈光面5052b的屈光度不同组合，可以适应不同视力的用户。

如图5c，在图5b的基础上，采用曲率更小的补偿面509c，可以使得补偿面509c延伸到紧贴图像源503c，从而进一步减少了非透光面的投影，形成更小的视野遮挡区541c，形成更优的“窄边框”效果。

如图5d，在图5c的基础上，调整图像源503d与人眼平视视觉轴线5111的角度到接近45°，也可实现类似的“窄边框”效果。

实施例5

图6a～图6d所示为本实用新型第5实施例的采用两套全反射光学系统分列组合的近眼显示装置结构示意图。

为了防止两套光学系统的光线发生串扰，两套全反射棱镜之间设置光路隔离。对光路进行隔离，有图示四种方案：

如图6a：加入偏振隔离层6041a，阻断光线串扰。

如图6b：采用抗全反射面6091b，如在其表面镀增透膜，使得串扰光线无法在内表面发生全反射，因此无法继续传播；

如图6c：采用两片性质相同的偏振分光层6042c，使光线穿过其中一层后，就无法在另一层表面发生反射，而是会透射过去；

如图6d，在使用反射式屈光部件6051d时，为了保证经过该部件的光线可以通过偏振分光层6042d，需要破坏(或改变)光线的偏振性，可采用偏振性改变器6050d(可以是消偏膜，四分之一波片，半波片，斜45度偏振片等能改变原有光线线偏振性的材料)对光线进行处理，之后就可以顺利反射进入人眼607d。

实施例6

在本实施例中，采用两套全反射光学系统组合，分列放置在人眼前，即近眼显示装置包括两套全反射棱镜和两个图像源，两套全反射棱镜和两个图像源分列放置在人眼前。两套全反射光学系统从不同的方向投射光线，最终通过两个显示画面拼接以实现更大的视场角显示效果。

图7a～图7c所示为本实用新型第6实施例的采用两套全反射光学系统(含两次全反射)分列组合的窄边框近眼显示装置结构示意图。

如图7a，在实施例5的基础上，采用两次全反射的全反射光学系统结构，且主反射面702a为半反射结构，并配合选用反射式屈光面7051a，使得图像源703a位于人眼707a的一侧，通过如图所示的特殊结构设计，可以使得图像源703a在人眼视野中的投影面较小，且尽量远离视线中心，因此所造成的视野遮挡区741a也较少，因此形成视觉上的“窄边框”效果。

如图7b，作为优选，可以在图7a的基础上，在镜片中的透明部分嵌入一系列的边缘显示发光点7053b(可以是LED，OLED或其他自发光、导光、反光器件)，组成边缘显示发光点阵列7054b，可以显示出匹配衔接中心显示区743b的图像，由于发光点阵列较为稀疏，因此可以允许外部光线透过，而显示的图像清晰度也非常低，且发光源距离人眼太近，显示的模糊度很高，因此只能用来显示非常粗糙的边缘图像，提供一个边缘扩增视野区742b，从而扩大用户的视觉感知区域，以便提供更加沉浸感的视觉体验。

如图7c，近眼显示装置外表面可以为平面或曲面，近眼面709c可以为平面或曲面。为了防止两套光学系统的光线发生串扰，可以将近眼面709c设置为抗全反射面，具体方案如：增加增透膜，防止光线在内表面发生全反射，从而阻断光线继续传播；此外也可以采用偏振分光层与偏振性改变器的组合，进行光路隔离(类似图6d)。

实施例7

图8所示为本实用新型第7实施例的采用两套全反射光学系统(含曲面式次反射面804)分列组合的近眼显示装置结构示意图。

作为优选，为了防止两套光学系统的光线发生串扰，可以设置抗全反射面809。

实施例8

图9所示为本实用新型第8实施例的采用两套全反射光学系统(不含主反射面)分列组合的窄边框近眼显示装置的一种具体结构示意图。

如图所示，其特征为，在实施例5的基础上，去掉主反射面，图像源903和次反射面904(本实施例中为偏振分光层)呈约90°，图像源903与人眼平视视觉轴线9111呈约30°，人眼907距离光学系统约12mm，对于光学系统相应的纵向视觉张角约为96°，可以正好使得经过补偿面909折射后(假设折射率1.5，补偿面909为平面)的边缘视线9411与图像源903近似平行，从而减小图像源903在人眼视野中的投射面积，减小使用者的视野遮挡区941，形成“窄边框”的眼镜视觉效果，保证使用者的安全。通过改变补偿面909或折射式屈光面9052的曲率(屈光度)，可以使得光学系统适配不同视力的用户。

同样地，为了防止两套光学系统发生串扰，图示采用了偏振分光层配合偏振性改变器9050，进行了光路隔离；另外，也可以采用将补偿面909设置为抗全反射面，如：增加增透膜，防止光线在内表面发生全反射，从而阻断光线继续传播。

同样地，类似图7b，也可以在本实施例中的中心显示区上下两侧，加入边缘显示发光点阵列，从而扩大用户的视觉感知区域。

实施例9

图10a～图10b所示为本实用新型第9实施例的采用两套全反射光学系统(不含主反射面)分列组合的窄边框近眼显示装置结构的一般性示意图。

本实施例为实施例8的一般情况。实际情况为图10a，抽象成纯几关系为图10b。

近眼显示装置中人眼距离光学系统的距离一般为12-25mm,设为d，设材料折射率为n，图像源1003和人眼平视视觉轴线10111夹角为α，人眼视觉张角设为θ，

当满足以下限制条件：

arcsin[(sinθ/2)/n]≤α≤θ/2，

可以保证图像源1003始终处于内部边缘视线10411和外部边缘视线10412的夹角内部，因此不产生额外的视线阻挡，保持较小的视野遮挡区1041，形成窄边框的眼镜视觉效果。

设次反射面1004与人眼平视视觉轴线10111夹角为β，

当满足以下限制条件：

β＝45°+α/2，

可以确保次反射面反射光1031与人眼平视视觉轴线10111大致平行。

从上下两套光学系统中的图像源1003中心射出的光线最终形成的两条次反射面反射光1031之间的距离为h'，图像源的宽度为h，有以下几何关系：

h*cosα＝[d*tan(θ/2)+h*sinα-h/2/sinα-h'/2]*tanα

+[d*tan(θ/2)-h'/2]/tanβ

推出

h*[cosα-tanα*sinα+tanα/2/sinα]

＝d*tan(θ/2)*tanα+d*tan(θ/2)/tanβ-h'*[tanα/2+1/2/tanβ]

代入实际的数据，可计算出h'，

当满足以下限制条件：

0.5h≤h'≤0.85h，

可以确保上下两套光学系统显示的画面在人眼视线中发生小部分叠加，通过两幅画面的特殊配置，可以实现平滑的过渡。

优选地，考虑使得h'≈0.85h。可以得出以下几组优先的参数配置：

取α＝45°，n＝1.7，d＝15mm，θ＝90°，h＝16.5，h'＝13.5；

或者α＝45°，n＝1.50，d＝12mm，θ＝75°，h＝10，h'＝8.41；

或者α＝30°，n＝1.74，d＝12mm，θ＝100°，h＝10.1，h'＝8.4；

或者α＝38°，n＝1.60，d＝15mm，θ＝96°，h＝14.3，h'＝12.1；

或者α＝50°，n＝1.60，d＝15mm，θ＝100°，h＝23.6，h'＝20.3。

实施例10

图11a～图11b所示为本实用新型第10实施例的采用光线来自图像源不同区域的两套全反射光学系统(含两次全反射)重叠组合的近眼显示装置的结构示意图。

如图11a或11b，近眼显示装置包括两套全反射棱镜(两套全反射光学系统)，采用两套全反射光学系统组合，重叠放置在人眼前，两套全反射光学系统的光线偏振态不同(一般是两种相互正交的线偏振光，在图中用两种不同类型的箭头线表示：点划线“-.-.-.-.”和虚线“--------”)，两路光线来自同一图像源1103的不同区域，通过起偏器11031、偏振滤光片11051使得两套光学系统的光路互不干扰，最终通过两个显示画面拼接以实现更大的视场角显示效果。

优选的，为保证两部分图像平滑过渡，两个次反射面1104反射的图像应有部分重叠，即：两个次反射面1104的距离应较图11a或11b中示意更小一些；或者两个次反射面1104并不完全平行，而是错开一定的角度(如5～15°)。

实施例11

图12a～图12c所示为本实用新型第11实施例的采用光线来自图像源不同区域的两套全反射光学系统(含多次全反射)重叠组合的近眼显示装置的结构示意图。

本实施例是实施例10的改进，增加了全反射的次数，同时增加了多个端反射面1208。

如图，采用两套全反射光学系统组合，重叠放置在人眼前，两套全反射光学系统的光线偏振态不同(一般是两种相互正交的线偏振光，在图中用两种不同类型的箭头线表示：点划线“-.-.-.-.”和虚线“--------”)，两路光线来自同一图像源1203的不同区域，通过起偏器12031、偏振分光层12042、偏振滤光片12051、偏振性改变器12050的不同组合，使得两套光学系统的光路互不干扰，最终通过两个显示画面拼接以实现更大的视场角显示效果。

实施例12

图13a～图13b所示为本实用新型第12实施例的采用光线来自图像源同一区域不同时刻的两套全反射光学系统(含多次全反射)重叠组合的近眼显示装置的结构示意图。

本实施例，近眼显示装置包括两套全反射棱镜(两套全反射光学系统)，采用两套全反射光学系统组合，重叠放置在人眼前，两套全反射光学系统的光线偏振态不同，两路光线来自同一图像源的同一区域的不同时刻，产生两路光线的方式：图13a采用快速切换偏振性滤光器13032，图13b采用快速切换遮光器13033。通过偏振分光层13040或偏振滤光片13051的不同组合，使得两套光学系统的光路互不干扰，最终通过两个显示画面拼接以实现更大的视场角显示效果。

在图13a中，采用快速切换偏振性滤光器13032，使得图像源1303a发出的光线在两种偏振态(一般是两种相互正交的线偏振光，在图中用两种不同类型的箭头线表示：点划线“-.-.-.-.”和虚线“--------”)之间快速切换，其中一种偏振态光线(用点划线“-.-.-.-.”表示)只在偏振分光层13040表面发生反射，不发生透射，向下经过两次全反射，再经过端反射面1308a的反射，之后经过下侧次反射面13042a后经过偏振滤光片13051进入近眼屈光部件1305a；另一种偏振态光线(用虚线“--------”表示)只在偏振分光层13040表面发生透射，不发生反射，在经过调光程反射面13081a的反射，同时经过偏振性改变器13080a，之后再偏振分光层13040表面发生反射，再经过端反射面1308a反射，同时经过偏振性改变器13080a，之后可透过偏振分光层13040，此时光线的偏振态保持与图像源处出射的光线一致，因此该束光线可经过上侧次反射面13041a后经过偏振滤光片13051进入近眼屈光部件1305a。

在图11b中，采用两个快速切换遮光器13033，该遮光器可以通过快速通断，决定光线是否能通过。在某一时刻，上侧快速切换遮光器13033打开(下侧快速切换遮光器13033关闭)，图像源1303b发出的光线经过偏振分光层13040透射的光线，可以经过调光程反射面13081b的反射(此时光线的偏振性或已经发生了改变)，再经过类似图11a的后续光路，经过上侧次反射面13041b进入近眼屈光部件13051；在另一时刻，下侧快速切换遮光器13033打开(上侧快速切换遮光器13033关闭)，图像源1303b发出的光线经过偏振分光层13040反射的光线，向下经过两次全反射，可以经过端反射面1308b的反射(此时光线的偏振性或已经发生了改变)，最终经过下侧次反射面13042b进入近眼屈光部件13051。

作为优选，在图13a和图13b中，调光程反射面13081a和13081b并不是紧贴着全反射棱镜表面，其距离需经过特殊设计，例如：当材料折射率为1.5时，距离大约为全反射棱镜厚度的0.3倍左右，从而保证两条光路的光线从图像源到最终射入近眼屈光部件的光程近似相同，保证成像平面一致。

实施例13

图14a～图14f所示为本实用新型第13实施例的采用各种类型的全反射光学系统的结构示意图。

如图14a所示，图像源1403a与水平线呈30度左右放置，亦即图像源1403a与屈光器1405a呈60度左右放置，后经过2次全反射，最终将光线投射到屈光器1405a，其余技术实施方案与其他实施例类似，不再赘述。特殊的，可以将图14a中的结构上下镜像，形成两套分列组合的全反射光学系统。

如图14b和图14c所示，图像源1403b或图像源1403c与水平线呈45度左右放置，亦即图像源1403b或图像源1403c与屈光器1405b或1405c呈45度左右放置，后经过2次或3次全反射，最终将光线投射到屈光器1405b或1405c，其余技术实施方案与其他实施例类似，不再赘述。特殊的，可以将图14b或图14c中的结构上下镜像，形成两套分列组合的全反射光学系统。

如图14d～图14f所示，图像源1403d、图像源1403e、图像源1403f与水平线呈60度左右放置，亦即图像源1403d、图像源1403e、图像源1403f与屈光器1405d、屈光器1405e、屈光器1405f呈30度左右放置，后经过1次或多次全反射，最终将光线投射到屈光器1405d、屈光器1405e、屈光器1405f，其余技术实施方案与其他实施例类似，不再赘述。特殊的，可以将图14d～图14f中的结构上下镜像，形成两套分列组合的全反射光学系统。

优选的，也可以采用其他结构类似的全反射光学系统，此处不予赘述。

实施例14

图15a～图15c所示为本实用新型第14实施例的采用角度偏置的全反射光学系统的结构示意图。

如图15a所示，全反射光学系统中的间隙层旋转了一定的角度(如8度左右)，有益于形成更加紧凑轻薄的实施效果。特殊的，设置偏振性改变器15050a，可以防止杂光的产生。特殊的，当光学系统旋转至特定角度时(如15度左右)，由于部分杂光的方向也发生了偏转，无法射入人眼，因此无需设置偏振性改变器15050a。

如图15b所示，两套全反射光学系统对称地旋转了一定的角度(如8度左右)，有益于形成更加紧凑轻薄的实施效果。特殊的，设置偏振性改变器15050b，可以防止杂光的产生。特殊的，当光学系统旋转至特定角度时(如15度左右)，由于部分杂光的方向也发生了偏转，无法射入人眼，因此无需设置偏振性改变器15050b。

如图15c所示，两套2次全反射光学系统对称地旋转了一定的角度(如8度左右)，有益于形成更加紧凑轻薄的实施效果。

优选的，也可以进一步采用各种不同的全反射光学系统进行角度偏置以获得更优的效果，此处不予赘述。

实施例15

图16a～图16c所示为本实用新型第15实施例的采用特殊角度偏置的全反射光学系统的结构示意图。

如图16a所示，两套全反射光学系统有如图所示的特殊角度设置，该角度正好使得间隙层1606a靠近光轴的区域不产生有效全反射。因此可以采用一种截面为波浪形的间隙层1606a，使得靠近光轴的间隙层(用于透过有效光)和靠近边缘的间隙层(用于产生有效全反射)的角度和形状不一致，该特殊形状设置将有益于消除近轴杂光干扰。

优选的，间隙层1606a可以是某种特殊介质层，而非典型的空气层。

优选的，如图16b，间隙层1606b不含靠近光轴的部分，有效光线直接射向屈光器，因而不会产生不必要的杂光。

如图16c，也可只采用类似图16b中一部分的全反射光学结构，形成结构稍异但原理类似的技术方案，可以使得有效光线绕开全反射区域直接射向屈光器，以避免杂光产生。

实施例16

图17所示为本实用新型第16实施例的采用复合屈光器的全反射光学系统的结构示意图。

前文已阐述了屈光器可以采用普通光学面或菲涅尔面，本实施例设计了一种同时采用普通光学面(靠近光轴部分)和菲涅尔面(远离光轴部分)的复合屈光器，有益于在保证近轴效果更优的前提下形成更加紧凑轻薄的实施效果。

优选的，为了消除近轴杂光，应在普通光学面直接附着偏振性改变器17050a，由于菲涅尔面不易附着其他介质或膜层，考虑到远离光轴部分不易产生杂光，为了更加利于生产实践，可直接在菲涅尔面附近对应的间隙层区域设置偏振性改变器17050b。

实施例17

图18所示为本实用新型第17实施例的采用近眼间隙层18061防止光线串扰的解决方案结构示意图。

在本实用新型实施范围中的某些采用两套全反射光学系统分列组合的双向投射方案中，双向光线有可能发生串扰，从而引起杂光。本实施例设计了一种特殊结构用于消除杂光。

如图18所示，上方来光在产生有效反射光18001的同时，会产生无效透射光18002。为了防止无效透射光18002继续向下传播从而射入人眼产生杂光，可设置特定形状的近眼间隙层18061(可以是曲面或者如图所示的10度左右的楔形)，使得无效透射光18002发生特定方向的反射(或全反射)，从而改变杂散光的方向，使得最终的杂散光无法射入人眼，从而防止光线串扰。

结合这里披露的本实用新型的说明和实践，本实用新型的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本实用新型的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (20)

1.一种基于全反射的紧凑型大视场角近眼显示装置，其特征在于，所述显示装置包括：

全反射棱镜，利用所述全反射棱镜对图像源发出的光线进行一次或多次全反射传导，

近眼屈光部件，光线经过一次或多次反射后，由近眼屈光部件进行图像放大,

其中在近眼屈光组件和全反射棱镜之间存在间隙层，并且间隙层包含折射率低于全反射棱镜折射率的物质。

2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述图像源和所述近眼屈光部件之间形成第一夹角。

3.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其特征是所述第一夹角为30度、45度或60度。

4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述间隙层采用角度偏置，有益于形成更加紧凑轻薄的效果。

5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述近眼屈光部件是反射屈光器。

6.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其特征是所述反射屈光器包括偏振性改变器。

7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征是所述偏振性改变器选自消偏膜，四分之一波片，半波片或斜45度偏振片。

8.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述全反射棱镜包括次反射面，所述次反射面为偏振分光片。

9.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述近眼屈光部件和所述全反射棱镜之间的所述间隙层的横截面为波浪形，其具有靠近所述近眼显示装置的光轴的第一间隙区域和靠近所述近眼显示装置的外围边缘的第二间隙区域，第一间隙区域和第二间隙区域的形状和角度彼此不同，从而避免杂散光进入光轴附近的人眼。

10.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述近眼屈光部件和所述全反射棱镜之间的间隙层仅设置在所述近眼显示装置的外围边缘处，而不设置在所述近眼显示装置的光轴附近的区域处，从而避免杂散光进入人眼。

11.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其特征是所述反射屈光器具有靠近所述近眼显示装置的光轴的第一反射区域和靠近所述近眼显示装置的外围边缘的第二反射区域，所述第一反射区域具有普通光学面，第二反射区域具有菲涅尔反射面。

12.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其特征是在第一反射区域的普通光学面上设置第一偏振性改变器，在直接面对第二反射区域的间隙层处设置第二偏振性改变器。

13.根据权利要求12所述的近眼显示装置，其特征是所述第一偏振性改变器和所述第二偏振性改变器中的每一个选自偏振膜、四分之一波片、半波片或45度偏振片。

14.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其特征是所述全反射棱镜包括次反射面，所述次反射面采用偏振分光片。

15.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述近眼显示装置包括两组全反射棱镜和两个图像源，

其中，所述两组全反射棱镜和两个像源分别置于人眼前方，从不同方向投射光线，拼接两幅显示画面，以达到更大的视场角度显示效果。

16.根据权利要求15所述的近眼显示装置，其特征是所述全反射棱镜包括次反射面，所述次反射面为偏振分光片。

17.根据权利要求15所述的近眼显示装置，其特征是在所述两组全反射棱镜之间设置光路隔离。

18.根据权利要求15所述的近眼显示装置，其特征是所述两组全反射棱镜和两个图像源对称地旋转了一定的角度，有益于形成更加紧凑轻薄的效果。

19.根据权利要求15所述的近眼显示装置，其特征是所述全反射棱镜包括次反射面和近眼间隙层，所述近眼间隙层采用楔形或曲线型，以便反射通过所述次反射面的透射光，从而避免杂散光进入人眼。

20.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征是所述图像源是从液晶显示器、发光二极管显示器、有机发光二极管显示器、反射显示器、衍射光源、投影仪、光束发生器、激光器和光调制器中选择的一个或多个成像发光装置。

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