CN220773355U - 近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种近眼显示装置，包括图像源、波导元件、第一透镜、第一四分之一波片、偏振分光膜以及第一线偏光膜。图像源配置以提供图像光束。波导元件包括第一波导部以及第二波导部，其中偏振分光膜以及第一线偏光膜配置于第一波导部以及第二波导部之间。偏振分光膜的穿透轴平行第一线偏光膜的穿透轴，且与第一四分之一波片的慢轴之间具备夹角，夹角的大小为45度。本实用新型提供的近眼显示装置，可以在装置轻薄化的前提下实现扩大视场的功能。

Description

近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及一种显示装置，尤其涉及一种近眼显示装置。

背景技术

当前扩增实境光学技术的主流方案包括Birdbath技术、自由曲面棱镜技术、衍射波导技术、阵列波导技术、单自由曲面反射技术以及Pin mirror技术等。在上述的技术方案中，基于现阶段屏幕限制，Birdbath技术难以实现超过60°大视场功能；自由曲面棱镜技术想要实现大视场功能较Birdbath更加困难；衍射波导及阵列波导技术为实现大视场显示存在效率的问题以及配套的投影光机尺寸过大的问题；单自由曲面反射技术虽可以实现大视场显示，但成像质量差，且尺寸外观具有劣势；Pin mirror技术则是存在视野遮挡及光机尺寸较大的缺陷等。

实用新型内容

本实用新型提供一种近眼显示装置，可以在装置轻薄化的前提下实现扩大视场的功能。

根据本实用新型一实施例，提供一种近眼显示装置，包括图像源、波导元件、第一透镜、第一四分之一波片、偏振分光膜以及第一线偏光膜。图像源配置以提供图像光束。波导元件包括第一波导部以及第二波导部，其中偏振分光膜以及第一线偏光膜配置于第一波导部以及第二波导部之间。偏振分光膜的穿透轴平行第一线偏光膜的穿透轴，且与第一四分之一波片的慢轴之间具备夹角，夹角的大小为45度。图像光束被第一波导部的表面反射后，朝偏振分光膜行进。图像光束中的至少一部份穿透第一四分之一波片后，被第一透镜的第一面反射，然后穿透第一四分之一波片。

在上述必要技术手段的基础下，当环境光入射近眼显示装置，环境光依序通过第一透镜、第一四分之一波片、第一波导部、偏振分光膜、第一线偏光膜以及第二波导部。

在上述必要技术手段的基础下，图像光束中的至少一部份被第一透镜的第一面反射而会聚。

在上述必要技术手段的基础下，第二波导部具有出光面，出光面与第一波导部的表面相平行。

在上述必要技术手段的基础下，还包括第二线偏光膜以及第二四分之一波片，其中当环境光入射近眼显示装置，环境光依序通过第二线偏光膜以及第二四分之一波片后，通过第一四分之一波片。

在上述必要技术手段的基础下，第二四分之一波片的慢轴平行第一四分之一波片的慢轴，且第二线偏光膜的穿透轴垂直第一线偏光膜的穿透轴。

在上述必要技术手段的基础下，第二四分之一波片的慢轴垂直第一四分之一波片的慢轴，且第二线偏光膜的穿透轴平行第一线偏光膜的穿透轴。

在上述必要技术手段的基础下，还包括第二透镜，其中当环境光入射近眼显示装置，环境光通过第二透镜后通过第一透镜，且第二透镜具有屈光度。

在上述必要技术手段的基础下，第一透镜具有凹面朝向第一四分之一波片的表面。

在上述必要技术手段的基础下，还包括偏振转换装置，配置于图像光束的路径上，且位于图像源以及波导元件之间，其中通过偏振转换装置的图像光束被第一波导部的表面反射后，形成为朝偏振分光膜行进且偏振方向垂直偏振分光膜的穿透轴的光。

在上述必要技术手段的基础下，偏振转换装置包括偏振分光器以及第二四分之一波片。

基于上述，本实用新型实施例提供的近眼显示装置利用偏振分光膜的偏振选择性、图像光束被透镜的第一面反射、以及四分之一波片对图像光束相位的影响，使得图像光束发生折返，能够在元件总数量低的上述光学元件(偏振分光膜、四分之一波片以及透镜)之间缩小图像光束与透镜的光轴之间的夹角，在装置轻薄化的前提下实现扩大视场的功能。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1C示出根据本实用新型实施例的近眼显示装置的示意图；

图1D示出根据本实用新型实施例的偏振分光膜以及线偏光膜的穿透轴与四分之一波片的慢轴之间的角度关系的示意图；

图2示出根据本实用新型实施例的近眼显示装置的示意图。

附图标号说明：

1:波导部；

2:波导部；

3:偏振选择结构；

4、15:四分之一波片；

5、6:透镜；

7:偏振分光棱镜；

8:折反射镜；

9:透镜组；

10、18:棱镜；

11:图像源；

12:相位延迟片；

13:线偏光膜；

14:出光面；

31:偏振分光膜；

32:线偏光膜；

51、21、61:表面；

100、200:近眼显示装置；

EL:环境光；

GE:波导元件；

IL:图像光束；

T1、T2:穿透轴；

S4:慢轴；

X、Y、Z:方向

具体实施方式

参照图1A至图1D，根据本实用新型一实施例，近眼显示装置100包括图像源11、棱镜10、透镜组9、偏振分光器7、相位延迟片12、折反射镜8、波导元件GE、透镜5、四分之一波片4以及偏振选择结构3，其中偏振选择结构3包括偏振分光膜31以及线偏光膜32，且偏振分光器7可以具体以偏振分光棱镜7实现。透镜5可以是平凸透镜、双凸透镜或凹凸透镜，其中相对远离偏振选择结构3的表面51为凸面，其上具有镀膜或贴附有非偏振性的部分透射部分反射膜，如半透半反膜等，透镜5可以是塑料或玻璃。在本实施例中，四分之一波片4配置于透镜5上，但本实用新型不以此为限。在一些实施例中，四分之一波片4以及透镜5可以分立配置。折反射镜8可以包括一平凸透镜、一双凸透镜或一凹凸透镜，且该透镜相对远离相位延迟片12的表面为凸面，且其上镀有反射增强膜。

图像源11提供图像光束IL，且可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、矽基液晶显示器以及微发光二极管显示器等类似物中的任一者，或是以激光扫描投影以及数字投影技术来实现。图像源11在系统中可以是固定的以及可沿光轴方向位移的，后者情况可以实现虚像像距的调制，以适配视力不同的使用者。图像光束IL因棱镜10转向，穿透透镜组9后在偏振分光棱镜7的偏振分光膜面反射，进而在穿透相位延迟片12后被折反射镜8反射，并再次穿透相位延迟片12，而后穿透偏振分光棱镜7的偏振分光膜面，进入波导元件GE。

波导元件GE包括波导部1以及波导部2，其中偏振分光膜31以及线偏光膜32配置于波导部1以及波导部2之间。偏振分光膜31的穿透轴T1平行线偏光膜32的穿透轴T2，且与四分之一波片4的慢轴S4之间具备夹角，夹角的大小为45度，如图1D所示。明确地说，偏振分光膜31的穿透轴T1以及线偏光膜32的穿透轴T2与四分之一波片4的慢轴S4之间的夹角可为45度或-45度。

进入波导元件GE的图像光束IL被波导部2的表面21反射后，朝偏振分光膜31行进，且图像光束IL可以包括具有与偏振分光膜31的穿透轴T1(以及线偏光膜32的穿透轴T2)平行的电场的部份图像光束IL以及具有与偏振分光膜31的穿透轴T1(以及线偏光膜32的穿透轴T2)垂直的电场的部份图像光束IL。

图像光束IL中具有与偏振分光膜31的穿透轴T1平行的电场的部份图像光束IL可以穿透偏振分光膜31，而后接续穿透线偏光膜32，并穿透波导部1，自波导部1的出光面14离开波导部1，进入使用者的眼睛。

另一方面，如图1A至图1C所示出的，图像光束IL中具有与偏振分光膜31的穿透轴T1垂直的电场的部份图像光束IL会被偏振分光膜31反射，而后朝负Z(-Z)方向或大致平行负Z方向的方向依序穿透波导部2以及四分之一波片4，并被透镜5的表面51反射，然后朝正Z(+Z)方向或大致平行正Z方向的方向行进，再度穿透四分之一波片4。具体而言，通过上述使得具有与偏振分光膜31的穿透轴T1垂直的电场的图像光束IL首次穿透四分之一波片4而形成为朝负Z行进的园偏振光(右旋园偏振光或左旋园偏振光)，并接续被透镜5的表面51反射而形成为朝正Z行进的反向的园偏振光(左旋园偏振光或右旋园偏振光)的过程，在其再次穿透四分之一波片4后则会形成为具有与偏振分光膜31的穿透轴T1平行的电场的图像光束IL，而得以依序穿透波导部2、偏振分光膜31、线偏光膜32以及波导部1，并自波导部1的出光面14射出波导部1，进入使用者的眼睛。

由于图像光束IL具有一定的宽度，在一些实施例中，为了确保图像光束IL的不同部份在上述的行进过程中具有相同或相近的光程，避免图像失真，波导部1的出光面14与波导部2的表面21被配置为互相平行，即，波导元件GE是具有均匀厚度的平面透光板体，如图1A所示。但本实用新型不以此为限，在一些实施例中，波导部1的出光面14与波导部2的表面21可以是具有相同曲率半径的曲面，即，波导元件GE是具有均匀厚度的曲面透光板体。

应当说明的是，如图1A所示，上述图像光束IL在被透镜5的表面51反射前与透镜5的光轴之间的夹角较大，而在被透镜5的表面51反射后，图像光束IL与透镜5的光轴之间的夹角变小。据此，自图像源11输入波导元件GE的图像可以具有较大的视场，通过上述的过程，图像光束IL与透镜5的光轴之间的夹角可以变小。也就是说，本实用新型实施例提供的近眼显示装置100可以实现扩大视场的功能。

环境光EL可以入射近眼显示装置100，其依序通过透镜5、四分之一波片4、波导部2、偏振分光膜31、线偏光膜32以及波导部1。据此实现图像光束IL与环境光EL结合可视的扩增实境或混合实境技术。

在一些实施例中，偏振分光器7为偏振分光棱镜7，相位延迟片12为四分之一波片12，且四分之一波片12的慢轴与偏振分光棱镜7的穿透轴之间具备夹角，该夹角的大小为45度。并且，图像光束IL在入射偏振分光棱镜7前被配置为线偏振光，通过适当配置偏振分光棱镜7以及四分之一波片12，线偏振的图像光束IL在偏振分光棱镜7的偏振分光膜面被反射，穿透四分之一波片12后被折反射镜8的上述凸面反射，并再次穿透四分之一波片12，而后形成为能够穿透偏振分光棱镜7的偏振分光膜面的线偏振光。并且，当线偏振的图像光束IL被波导部2的表面21反射后，形成为朝偏振分光膜31行进且偏振方向垂直偏振分光膜31的穿透轴T1的光。通过上述的配置，能够使射出图像源11的图像光束IL完全以上述穿透四分之一波片4、被透镜5的表面51反射以及再次穿透四分之一波片4的方式成像。应当特别注意的是，相较于现有技艺通过配置多个光学元件以实现扩大视场功能的架构，本实用新型实施例提供的近眼显示装置100利用偏振分光膜31的偏振选择性、透镜5的表面51对图像光束IL的反射以及四分之一波片4对图像光束IL相位的影响，使得图像光束IL发生折返，能够在元件总数量低的上述光学元件(偏振分光膜31、四分之一波片4以及透镜5)之间缩小图像光束IL与透镜5的光轴之间的夹角，在装置轻薄化的前提下实现扩大视场的功能。

根据本实用新型实施例的近眼显示装置100的MTF曲线，当空间频率为32lp/mm时，其MTF仍具有大于0.7的表现。以MTF为0.3以上来说，近眼显示装置100具分辨率80lp/mm。

接下来请参照图1A，在一些实施例中，近眼显示装置100还可以包括透镜6、线偏光膜13以及四分之一波片15。当环境光EL入射近眼显示装置100，会依序通过线偏光膜13、四分之一波片15、透镜6、透镜5、四分之一波片4、波导部2、偏振分光膜31、线偏光膜32以及波导部1。透镜6具有屈光度，用于补偿波导部1、波导部2以及透镜5带来的对外部环境观看的影响及调整透视光路的视度。透镜6可以是独立的，也可以是与透镜5胶合在一起的。若透镜6独立配置未与透镜5胶合，可以例如是通过结构配合设计，如增加磁吸结构等方式设计以便于替换，以适配不同视力的使用者。

线偏光膜13以及四分之一波片15可以减少图像光束IL朝负Z方向或大致平行负Z方向的方向射出透镜6，造成图像信息外露。具体而言，在一些实施例中，四分之一波片15的慢轴平行四分之一波片4的慢轴，且线偏光膜13的穿透轴垂直线偏光膜32的穿透轴。在一些实施例中，四分之一波片15的慢轴垂直四分之一4波片的慢轴，且线偏光膜13的穿透轴平行线偏光膜32的所述穿透轴，可以避免图像信息外露。

在一些实施例中，近眼显示装置100中可以不配置透镜5，且透镜6可以如图1A所示具有凹面朝向四分之一波片4的表面61，在这样的情况下，图像光束IL可以在表面61上被反射。也就是说，上述穿透四分之一波片4、被透镜5的表面51反射以及再次穿透四分之一波片4的过程可以穿透四分之一波片4、被透镜6的表面61反射以及再次穿透四分之一波片4的过程替代。减少了透镜5的使用，则可以降低成本并缩小近眼显示装置100的体积。

参照图2，根据本实用新型一实施例提供近眼显示装置200，相较于近眼显示装置100，近眼显示装置200以单一个棱镜18取代了近眼显示装置100的偏振分光棱镜7、相位延迟片12以及折反射镜8，自透镜组9射出的图像光束IL可以被反射并转向入射波导元件GE。

基于上述，本实用新型实施例提供的近眼显示装置利用偏振分光膜的偏振选择性、图像光束被透镜的表面反射、以及四分之一波片对图像光束相位的影响，使得图像光束发生折返，进而能够在元件总数量低的上述光学元件(偏振分光膜、四分之一波片以及透镜)之间缩小图像光束与透镜的光轴之间的夹角，在装置轻薄化的前提下实现扩大视场的功能。

Claims (11)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括图像源、波导元件、第一透镜、第一四分之一波片、偏振分光膜以及第一线偏光膜，其中

所述图像源配置以提供图像光束，

所述波导元件包括第一波导部以及第二波导部，其中所述偏振分光膜以及所述第一线偏光膜配置于所述第一波导部以及所述第二波导部之间，

所述偏振分光膜的穿透轴平行所述第一线偏光膜的穿透轴，且与所述第一四分之一波片的慢轴之间具备夹角，所述夹角的大小为45度，

所述图像光束被所述第一波导部的表面反射后，朝所述偏振分光膜行进，以及

所述图像光束中的至少一部份穿透所述第一四分之一波片后，被所述第一透镜的第一面反射，然后穿透所述第一四分之一波片。

2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，当环境光入射所述近眼显示装置，所述环境光依序通过所述第一透镜、所述第一四分之一波片、所述第一波导部、所述偏振分光膜、所述第一线偏光膜以及所述第二波导部。

3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述图像光束中的所述至少一部份被所述第一透镜的所述第一面反射而会聚。

4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二波导部具有出光面，所述出光面与所述第一波导部的所述表面相平行。

5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括第二线偏光膜以及第二四分之一波片，其中当环境光入射所述近眼显示装置，所述环境光依序通过所述第二线偏光膜以及所述第二四分之一波片后，通过所述第一四分之一波片。

6.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二四分之一波片的慢轴平行所述第一四分之一波片的所述慢轴，且所述第二线偏光膜的穿透轴垂直所述第一线偏光膜的所述穿透轴。

7.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二四分之一波片的慢轴垂直所述第一四分之一波片的所述慢轴，且所述第二线偏光膜的穿透轴平行所述第一线偏光膜的所述穿透轴。

8.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括第二透镜，其中当环境光入射所述近眼显示装置，所述环境光通过所述第二透镜后通过所述第一透镜，且所述第二透镜具有屈光度。

9.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一透镜具有凹面朝向所述第一四分之一波片的表面。

10.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括偏振转换装置，配置于所述图像光束的路径上，且位于所述图像源以及所述波导元件之间，其中通过所述偏振转换装置的所述图像光束被所述第一波导部的所述表面反射后，形成为朝所述偏振分光膜行进且偏振方向垂直所述偏振分光膜的所述穿透轴的光。

11.根据权利要求10所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振转换装置包括偏振分光器以及第二四分之一波片。