CN218647237U - 近眼显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是关于一种用于增强现实的近眼显示装置和增强现实显示设备，近眼显示装置，包括：显示源、目镜系统和非偏振波导镜片；显示源，设置于目镜系统的主光轴上，加载并输出图像；目镜系统，位于显示源的出光面，将显示源输出的图像进行准直校正后入射到非偏振波导镜片，目镜系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正弯月形透镜，透镜前表面均为凹面且为球面；后表面均为凸面且为球面。非偏振波导镜片，设置于目镜系统的出射光路上，将耦入的光线耦出至人眼。通过该技术方案，提升波导镜片的光效，改善最后的入眼亮度。
Description
技术领域
本实用新型涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种用于增强现实的近眼显示装置和增强现实显示设备。
背景技术
增强现实技术是将虚拟的图像投影到人眼的同时又可以让用户查看到周围的环境的技术，由于该技术独特的可将投影的图像叠加到用户感知的真实世界上的特点，使其在军事、工业设计与制造、医疗及娱乐等虚拟现实和增强现实领域得到了广泛的应用。
目前基于增强现实技术的近眼显示装置中的光学方案大多采用的是阵列光波导方案，而阵列光波导方案的原理是将微显示器发出的图像光经过目镜系统成像准直后，通过耦入元件耦合进入波导镜片，并在满足全反射条件下在波导内进行传输，最后由分光膜阵列耦出，并在用户近眼范围内成虚拟、放大的图像，实现向用户提供直观的图像、视频、以及文字等信息。所以此类近眼装置的设计难点便在目镜系统的设计上，目镜系统的设计直接决定了此类近眼装置的体积、重量、成像清晰度以及出瞳距离和出瞳尺寸。
目前的目镜系统设计一般多采用偏振分光棱镜(PBS)，或是包含多个胶合透镜，从而使结构复杂、重量偏重且成本较高，用户佩戴感很差。
实用新型内容
为克服相关技术中存在的问题，本实用新型提供一种用于增强现实的近眼显示装置和增强现实显示设备，采用全透镜方式的光路设计，而且透镜数量少，结构简单，可有效缩小体积以及减轻重量，适合人体佩戴。并且在目镜系统简化设计的同时又不会造成成像质量差、视场小，出瞳距离短以及眼动范围较小的问题。进一步地，该增强现实近眼显示装置中的阵列分光膜为非偏振阵列分光膜，可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出，从而极大地提升了此近眼显示装置的光效，改善了最后的入眼亮度，解决了行业内将OLED显示屏应用于阵列光波导时最后入眼亮度过低的痛点及难点。
根据本实用新型实施例的第一方面，提供一种用于增强现实的近眼显示装置，包括：显示源、目镜系统和非偏振波导镜片；
所述显示源，设置于所述目镜系统的主光轴上，用于加载并输出图像；
所述目镜系统，位于所述显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后入射到所述非偏振波导镜片，所述目镜系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为正弯月形透镜；
所述非偏振波导镜片，设置于所述目镜系统的出射光路上，用于将耦入的光线耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述非偏振波导镜片包括：耦入三角棱镜、波导板基底和非偏振分光膜阵列；
所述耦入三角棱镜，设置在所述波导板基底的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导板基底；
所述波导板基底，用于将耦合进入所述波导板基底的光线采用全反射的方式传输至所述非偏振分光膜阵列；
所述非偏振分光膜阵列，设置在所述波导板基底的耦出区域，用于将传输至所述非偏振分光膜阵列的光线耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述非偏振分光膜阵列包括平行且倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列基片，所述非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出。
在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。
在一个实施例中，优选地，非偏振分光膜阵列基片的倾斜面上镀有分光膜。
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的透镜第一表面均为凹面，并且为球面，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的透镜第二表面均为凸面，并且为球面。
在一个实施例中，优选地，所述第二透镜的第二表面的曲率半径与所述第三透镜的第一表面的曲率半径大小相同，符号相反，并且相互胶合，使所述第二透镜和所述第三透镜形成整体的胶合透镜。
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为玻璃。
在一个实施例中，优选地，所述显示源包括可自发光、具有高亮度、高对比度的OLED显示屏。
根据本实用新型实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：
如第一方面任一项所述的近眼显示装置。
本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，采用全透镜方式的光路设计，而且透镜数量少，结构简单，可有效缩小体积以及减轻重量，适合人体佩戴。并且在目镜系统简化设计的同时又不会造成成像质量差、视场小，出瞳距离短以及眼动范围较小的问题。进一步地，该增强现实近眼显示装置中的阵列分光膜为非偏振阵列分光膜，可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出，从而极大地提升了此近眼显示装置的光效，改善了最后的入眼亮度，解决了行业内将OLED显示屏应用于阵列光波导时最后入眼亮度过低的痛点及难点。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置的另一结构示意图。
图3A是根据一示例性实施例示出的Sony 0.39英寸OLED显示屏部分参数示意图。
图3B是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中目镜系统的具体结构示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中目镜系统的MTF图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中目镜系统的点列图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中目镜系统的畸变曲线图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置中非偏振波导镜片光波传输的原理示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1和图2是根据一示例性实施例示出的一种用于增强现实的近眼显示装置的结构示意图，近眼显示装置，包括：显示源11、目镜系统12和非偏振波导镜片13；
所述显示源11，设置于所述目镜系统12的主光轴上，用于加载并输出图像；显示源为Sony 0.39英寸的自发光，且具有高亮度、高对比度、低功耗特性的OLED显示屏，并且设置于目镜系统的主光轴上，用于加载并输出图像。Sony 0.39英寸OLED显示屏部分参数如图3A中所示。
所述目镜系统12，位于所述显示源11的出光面，用于将显示源11输出的图像进行准直校正后入射到所述非偏振波导镜片13，如图3B所示，所述目镜系统12包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124和第五透镜125，其中，所述第一透镜121、所述第二透镜122、所述第三透镜123、所述第四透镜124和所述第五透镜125均为正弯月形透镜；
所述非偏振波导镜片13，设置于所述目镜系统12的出射光路上，用于将耦入的光线耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述非偏振波导镜片13包括：耦入三角棱镜131、波导板基底132和非偏振分光膜阵列133；
所述耦入三角棱镜131，设置在所述波导板基底132的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导板基底132；
所述波导板基底132，用于将耦合进入所述波导板基底132的光线采用全反射的方式传输至所述非偏振分光膜阵列133；
所述非偏振分光膜阵列133，设置在所述波导板基底132的耦出区域，用于将传输至所述非偏振分光膜阵列133的光线耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述非偏振分光膜阵列133包括平行且倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列基片，所述非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出。
在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。
非偏振分光膜阵列波导镜片可以包括四个非偏振分光膜阵列基片，四个非偏振分光膜阵列基片等距离排列，且间距为4.26mm，所述非偏振分光膜阵列基片与波导板基底的倾斜角为25度，所述非偏振分光膜阵列波导镜片的波导板基底厚度为2mm。
在一个实施例中，优选地，非偏振分光膜阵列基片的倾斜面上镀有分光膜。
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的透镜第一表面均为凹面，并且为球面，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的透镜第二表面均为凸面，并且为球面。
在一个实施例中，优选地，所述第二透镜的第二表面的曲率半径与所述第三透镜的第一表面的曲率半径大小相同，符号相反，并且相互胶合，使所述第二透镜和所述第三透镜形成整体的胶合透镜。
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为玻璃。
图4为该目镜系统的MTF图；图5为该目镜系统的点列图；图6为该目镜系统的畸变曲线图；从图4，5，6中可知该目镜系统MTF>0.5@30lp，弥散斑尺寸较小，畸变小于1％，成像质量优良。
目镜系统出射的光经耦入三角棱镜入射到平板光波导内，在满足全反射条件时，耦入光线可在光波导中以全反射的方式向前传输至非偏振分光膜阵列，经非偏振分光膜阵列耦出至人眼成像，同时背景光通过波导镜片基底也进入人眼。该非偏振分光膜阵列，通过对膜系的优化设计，使得该非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波以及P偏振光波进行光的耦出，并通过设定好的每个非偏振分光膜对S偏振光波以及P偏振光波的分光比，使得可在不影响最终入眼光线亮度均匀性的前提下，极大地提升波导镜片的光效，改善最后的入眼亮度，解决了行业内将OLED显示屏应用于阵列光波导时最后入眼亮度过低的痛点及难点。如图7中所示为该发明中非偏振阵列波导镜片光波传输原理示意图。
该增强现实近眼显示装置的视场角为33度，出瞳距离为25mm，动眼范围可达到9.5mm*12mm，而且整体重量小于15g，适合用户佩戴。
基于相同的构思，本实用新型实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述近眼显示装置。增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。
进一步可以理解的是，本实用新型中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本实用新型实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种用于增强现实的近眼显示装置，其特征在于，包括：显示源、目镜系统和非偏振波导镜片；
所述显示源，设置于所述目镜系统的主光轴上，用于加载并输出图像；
所述目镜系统，位于所述显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后入射到所述非偏振波导镜片，所述目镜系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为正弯月形透镜；
所述非偏振波导镜片，设置于所述目镜系统的出射光路上，用于将耦入的光线耦出至人眼。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述非偏振波导镜片包括：耦入三角棱镜、波导板基底和非偏振分光膜阵列；
所述耦入三角棱镜，设置在所述波导板基底的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导板基底；
所述波导板基底，用于将耦合进入所述波导板基底的光线采用全反射的方式传输至所述非偏振分光膜阵列；
所述非偏振分光膜阵列，设置在所述波导板基底的耦出区域，用于将传输至所述非偏振分光膜阵列的光线耦出至人眼。
3.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述非偏振分光膜阵列包括平行且倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列基片，所述非偏振分光膜阵列可同时对S偏振光波和P偏振光波进行耦出。
4.根据权利要求3所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。
5.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，非偏振分光膜阵列基片的倾斜面上镀有分光膜。
6.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、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的透镜第一表面均为凹面，并且为球面，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的透镜第二表面均为凸面，并且为球面。
7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二透镜的第二表面的曲率半径与所述第三透镜的第一表面的曲率半径大小相同，符号相反，并且相互胶合，使所述第二透镜和所述第三透镜形成整体的胶合透镜。
8.根据权利要求6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、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为玻璃。
9.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示源包括可自发光、具有高亮度、高对比度的OLED显示屏。
10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至9中任一项所述的近眼显示装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Yan Inventor after: Cui Haitao Inventor after: Li Xing Inventor before: Li Yan Inventor before: Cui Haitao Inventor before: Li Xing Inventor before: Wang Jian |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |