近眼显示装置及可穿戴设备

技术领域

本申请涉及显示技术领域，具体而言，本申请涉及一种近眼显示装置及可穿戴设备。

背景技术

微透镜-像素岛像面拼接近眼显示具有优异的显示性能，其像素岛平面通常采用RGB三色像素岛对应各自单独的微透镜进行成像，以减小单透镜口径限制带来的成像色差问题。

但是，由于微显示像素岛通常以朗伯体角度发光，微显示像素岛的一部分光束会从透光区域进入人眼，从而形成杂散光；同时，不同颜色像素岛的光束也会经过非对应成像透镜进入人眼，形成色差杂散光，从而降低显示效果，影响用户体验。

发明内容

本申请针对现有方式的缺点，提出一种近眼显示装置及可穿戴设备，以解决现有近眼显示装置中的像素岛存在光线串扰而影响显示效果的问题。

第一个方面，本申请实施例提供了一种近眼显示装置，包括：像素岛阵列、微透镜阵列以及位于所述像素岛阵列和所述微透镜阵列之间的聚光功能层；所述像素岛阵列包括多个像素岛，所述微透镜阵列包括多个微透镜，所述像素岛与所述微透镜一一对应；所述聚光功能层包括至少一个聚光部件，所述聚光部件的位置与所述像素岛的位置对应，且所述聚光部件位于对应的所述像素岛与所述微透镜之间，用于汇聚所述像素岛发射的光线，以使得经所述聚光部件汇聚后的光线从对应的所述微透镜射出，并达到预定的观看位置。

可选地，所述聚光部件与所述像素岛一一对应设置。

可选地，所述聚光功能层还包括用于承载所述聚光部件的第一基板，所述第一基板的材料为透光材质。

可选地，所述聚光部件布置在所述第一基板朝向所述像素岛阵列的一侧；和/或，所述聚光部件布置在所述第一基板朝向所述微透镜阵列的一侧。

可选地，所述聚光部件包括聚光透镜和/或折射层；所述聚光透镜或者所述折射层用于汇聚所述像素岛发射的光线。

可选地，所述微透镜阵列中的多个所述微透镜间隔布置。

可选地，所述聚光功能层还包括遮光层；所述遮光层包括多个遮光结构，所述遮光结构用于遮挡所述像素岛射向对应的所述聚光部件之外的光线。

可选地，所述遮光结构对应于所述像素岛的区域设有开口，所述微透镜和/或所述像素岛在所述第一基板的正投影位于所述开口在所述第一基板的正投影内。

可选地，所述遮光结构为黑矩阵；和/或，所述遮光结构的材料至少包括黑色树脂。

可选地，所述遮光层位于所述第一基板朝向所述微透镜阵列的一侧；和/或，所述遮光层位于所述第一基板朝向所述像素岛阵列的一侧。

可选地，所述微透镜阵列还包括：第二基板，所述微透镜设置在所述第二基板远离所述聚光功能层的一侧；所述第二基板远离所述微透镜的一侧通过第一粘接层与所述聚光功能层连接。

可选地，所述聚光功能层远离所述微透镜阵列的一侧设有第二粘接层，所述像素岛设置在所述第二粘接层远离所述聚光功能层的一侧。

可选地，所述折射层的折射率大于所述第一基板的折射率；和/或，所述折射层的折射率大于所述第二粘接层的折射率。

第二个方面，本申请实施例还提供了一种可穿戴设备，包括如权利要求第一个方面所述的近眼显示装置。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果至少包括：

本申请实施例提供的近眼显示装置，通过在微透镜阵列与像素岛阵列之间设置聚光功能层，且聚光功能层中的聚光部件与像素岛对应，利用聚光部件对像素岛发射的光线进行汇聚，使得经聚光部件汇聚后的光线从对应的微透镜射出，并达到预定的观看位置，减少了从像素岛射向对应微透镜之外的区域的光线，尽可能地避免光线串扰问题，从而提升显示效果。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术提供的利用微透镜-像素岛像面拼接显示技术的近眼显示装置的结构示意图；

图2为现有技术提供的近眼显示装置的红色像素岛和绿色像素岛所显示图像在视网膜上进行叠加的原理图；

图3为现有技术提供的近眼显示装置出现光线串扰现象的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种近眼显示装置的正视图；

图5为本申请实施例提供的图4中沿A-A的截面示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种近眼显示装置的内部结构示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种近眼显示装置的聚光功能层的部分结构示意图；

图8为本申请实施例提供的又一种近眼显示装置的内部结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种近眼显示装置的具体结构示意图；

图10为本申请实施例提供的另一种近眼显示装置的具体结构示意图；

图11为本申请实施例提供的又一种近眼显示装置的具体结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

以虚拟现实(VR)与增强现实(AR)为主要应用场景的近眼显示技术越来越成为人们获取信息的重要方式。目前，主流的近眼显示光学技术主要包括：波导显示、自由曲面显示及集成成像光场显示等方案，这些方案各有其优缺点，波导显示对入射光波长敏感，极易出现色散；波导光耦合结构对外界光线的也具有色散作用，佩戴过程中会出现“鬼像”等现象。自由曲面显示方案整体尺寸较大，且很难平衡大视场角与器件尺寸；集成成像光场显示较难实现对外界光线的透过，AR增强现实显示效果较差。

如图1所示，微透镜-像素岛像面拼接近眼显示作为一种新型的近眼显示方案，将离散化微透镜110与区域微显示像素岛210通过透明基板300进行贴合，每组微透镜-像素岛组合显示整体图像中一部分子图像，并通过像面拼接将整体图像完整投射入人眼。离散化微透镜阵列100与区域显示能保证外界世界光线透射入人眼，为用户带来AR增强显示近眼显示体验。由于采用轻薄化微透镜阵列100与微显示器的贴合，整体显示器件尺寸紧凑。合理增加微透镜-像素岛组合的个数，能进一步扩大器件的显示视场角，带来更宽广的视觉体验。通过调整微透镜110焦距及间距等参数，能有效控制整体器件尺寸。使的近眼显示方案实现轻薄化、大视场等特点，成为未来AR/VR领域的重要显示方案。

微透镜-像素岛像面拼接显示的主要原理如图2所示，像面拼接显示由多组微透镜-像素岛单元共同组成，每组显示部分图像并投射到人眼视网膜。通过多个微透镜-像素岛组合在像面上拼接成一幅完整的图像。由于微透镜110口径较小，优化成像像差及色差难度大，因此将被显示图像分离为RGB三通道，绿色像素岛210G与微透镜110、红色像素岛210R与微透镜110组合，分别显示同一幅图像的不同颜色，经过人眼瞳孔与晶状体的汇聚成像作用，RGB三色图像在视网膜上重叠，形成彩色的显示图像。通过增加更多的微透镜-像素岛组合，能够有效扩大成像视场范围，实现大视场、高成像质量、轻薄化的近眼显示。

但是，微透镜-像素岛像面拼接显示也具有一定的局限性，其像素岛210发光方向一般不受控制，像素岛210的出光角度接近朗伯体发散型出光，因此会出现与真实成像光线相违背的杂散光线及串扰光线。成像系统杂散光线分布情况如图3所示(图中仅示意绿色像素岛210G与红色像素岛210R，蓝色像素岛及其他重复单元未列出)，绿色像素岛210G发出扩散光束，将经过微透镜阵列100面成像，显示器件中将同时包含成像光束210G1、透明区杂光210G2、串色杂光210G3以及同色串扰光束210G4。仅有成像光束210G1是显示器件所需的对人眼有效的光束，其他的均为杂光或透明区串扰。透明区杂光210G2将会在正常成像面周围叠加一圈明亮的光圈，严重影响用户显示效果体验。串色杂光210G3将在成像图像中叠加不同颜色的串色，使得像面区域颜色分布不均匀。同色串扰光束210G4将导致成像图像间叠加，导致视觉重影、对比度下降。

发明人发现，现有的一种近眼显示解决方案中，采用偏光片与彩膜相结合的方式可以消除杂散光的问题，但是，由于偏光片对光的损失较大(接近50％)，从而降低了像素岛的发光效率。

因此，本申请实施例提供了一种近眼显示装置及可穿戴设备，旨在解决或者至少部分解决现有技术中存在的上述缺陷。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

图4为本申请实施例提供的近眼显示装置的主视图，图5为本申请实施例提供的图4中沿A-A的截面图。结合图4和图5所示，本申请实施例提供了一种近眼显示装置，包括：像素岛阵列200、微透镜阵列100以及位于像素岛阵列200和微透镜阵列100之间的聚光功能层400。其中，像素岛阵列200和微透镜阵列100的相对位置固定且间隔设置。微透镜阵列100包括多个微透镜110，根据显示需要，多个微透镜110可以排成多行多列。像素岛阵列200包括多个像素岛210(图5中仅示意出显示不同发光颜色的三个像素岛210)，像素岛210与微透镜110一一对应设置。

具体地，聚光功能层400包括至少一个聚光部件410，聚光部件410的位置与像素岛210的位置对应，且聚光部件410位于对应的像素岛210与微透镜110之间，用于汇聚像素岛210发射的光线，以使得经聚光部件410汇聚后的光线从对应的微透镜110射出，并达到预定的观看位置。其中，预定的观看位置是指，用户在使用近眼显示装置时，眼睛所在的位置。

本申请实施例提供的近眼显示装置，通过在微透镜阵列100与像素岛阵列200之间设置聚光功能层400，且聚光功能层400中的聚光部件410与像素岛210对应，利用聚光部件410对像素岛210发射的光线进行汇聚，使得经聚光部件410汇聚后的光线从对应的微透镜110射出，并达到预定的观看位置，减少了从像素岛210射向对应微透镜110之外的区域的光线，尽可能地避免光线串扰问题，在减少杂散光问题的同时提升了发光效率，从而改善了显示效果。

在一些可能的实施方式中，继续参阅图5，为了进一步提升聚光效果，减少光线串扰，本申请实施例中的聚光部件410的数量可以与像素岛210的数量相等，并且聚光部件410与像素岛210一一对应设置，使得每个像素岛210发射的光线都能够被对应的聚光部件410进行聚光，并从对应的微透镜110射出。

本实施例中，聚光部件410与像素岛210一一对应设置，可以保证每个像素岛210发出的光线都能被对应的聚光部件410汇聚，从而提升对各像素岛210发出的光线的汇聚效果，进而使得像素岛210有效的光线尽可能地从对应的微透镜110射出，减少像素岛210之间的光线串扰，进一步改善显示效果。

在一些可能的实现方式中，继续参阅图5，本申请实施例中的聚光功能层400还包括用于承载聚光部件410的第一基板420，微透镜阵列100和像素岛阵列200分别位于第一基板420的相对两侧(即第一基板420朝向微透镜阵列100的一侧和第二基板120朝向像素岛阵列200的一侧)。为了不影响光线透射，第一基板420的材料选用透光材质，例如：透明的玻璃或者树脂材料。

可选地，聚光部件410布置在第一基板420朝向像素岛阵列200的一侧。

可选地，聚光部件410布置在第一基板420朝向微透镜阵列100的一侧。

可选地，第一基板420朝向像素岛阵列200的一侧以及第一基板420朝向微透镜阵列100的一侧均设置有聚光部件410。

在一些可能的实现方式中，如图5所示，第一基板420上的聚光部件410可以全部为聚光透镜，也可以全部为折射层，当然还可以部分为聚光透镜，部分为折射层。聚光透镜或者折射层都可以用于汇聚像素岛210发射的光线。其中，折射层的折射率需要比靠近像素岛210方向的前一膜层的折射率大即可。

需要说明的是，聚光透镜或者折射层的具体结构和材料可以根据聚光功能层400的聚光需要选择性设定，本实施例中对此不作具体限定。

可选地，微透镜阵列100中的多个微透镜110可以全部间隔布置，间隔区域大约为一个微透镜110的尺寸，如图4所示。

可选地，本申请实施例中的微透镜阵列100中的多个微透镜110可以全部是相邻布置，此处的相邻布置是指微透镜110与微透镜110之间没有间隔区域。

可选地，微透镜阵列100中的多个微透镜110可以部分相连布置，部分间隔布置。例如，微透镜阵列100中，可以是一列微透镜110相邻布置，一列微透镜110间隔布置，如此交替布置。

在一些实施例中，结合图6和图7所示，针对微透镜阵列100中存在多个微透镜110间隔布置的情形，对应的多个像素岛210也间隔布置。为了进一步减少光线串扰，本申请实施例中的聚光功能层400还包括遮光层430，遮光层430包括多个遮光结构431(图7中仅示意出了一个遮光结构431)，每个遮光结构431都对应于对应的像素岛210的周边区域，用于遮挡像素岛210射向聚光部件410之外的光线。

本实施例中，聚光功能层400内设置有遮光层430，遮光层430的各遮光结构431可以遮挡像素岛210射向聚光部件410之外的光线，进一步降低相邻像素岛210之间的光线串扰，从而提升了显示效果。

可选地，遮光结构431对应于像素岛210的区域设有用于透光的开口，聚光部件410在第一基板420的正投影的位于该开口在第一基板420的正投影内。此外，微透镜110和/或像素岛210在第一基板420的正投影位于该开口在第一基板420的正投影内，避免将像素岛210正常射向聚光透镜以及微透镜110的光线被遮挡。

可选地，遮光结构431中的开口在第一基板420的正投影的轮廓基本上与像素岛210在第一基板420的正投影的轮廓一致，仅需要保证遮光结构431的轮廓尺寸略大于像素岛210的轮廓尺寸，这样既能够保证有效光线经聚光部件410后从微透镜110射出，也能尽可能地避免串扰光线射向对应的微透镜110之外的区域，从而提升显示效果。

可选地，遮光结构431可以为黑矩阵(Black Matrix，BM)，黑矩阵可以根据聚光部件410的分布位置和方式实现。其中，遮光结构431的材料至少包括黑色树脂，以保证遮光效果。

在一些可能的实现方式中，遮光层430与第一基板420的相对位置关系可以为：遮光层430位于第一基板420朝向微透镜阵列100的一侧或者遮光层430位于第一基板420朝向像素岛阵列200的一侧，遮光层430可以采用在第一基板420上全面成膜结合图形化工艺制备得到具有开口的遮光结构431。

可选地，为了进一步提升聚光功能层400的聚光效果，第一基板420朝向微透镜阵列100的一侧和朝向像素岛阵列200的一侧均可以设置遮光层430，相当于对应于开口的第一基板420形成了透光通道，且聚光部件410位于透光通道朝向像素岛210的一侧和/或朝向微透镜110的一侧。

在一些可能的实施方式中，如图8所示，微透镜阵列100还包括第二基板120，第二基板120作为微透镜110的载体，可以与微透镜110一体成型制作，也可以通过粘接等方式实现微透镜110在第二基板120上的定位。其中，微透镜110设置在第二基板120远离聚光功能层400的一侧。第二基板120远离微透镜110的一侧通过第一粘接层500与聚光功能层400连接。

具体地，第二基板120与聚光功能层400中的第一基板420相对布置，在第一基板420靠近微透镜阵列100的一侧没有设置聚光部件410和遮光层430的情况下，第二基板120通过第一粘接层500与第一基板420直接连接。第二基板120通过第一粘接层500与第一基板420靠近微透镜阵列100一侧的遮光层430和/或聚光部件410连接。

在一些可能的实施方式中，继续参阅图8，聚光功能层400远离微透镜阵列100的一侧设有第二粘接层600，第二粘接层600作为像素岛阵列200与聚光功能层400。像素岛210设置在第二粘接层600远离聚光功能层400的一侧。

可选地，考虑到折射层的聚光效果，折射层的折射率需要大于前一膜层的折射率，当折射层的前一层膜层为第二粘接层600时(折射层位于第一基板420靠近第二粘接层600的一侧)，折射层的折射率需要大于第二粘接层600的折射率。当折射层的前一层膜层为第一基板420时(折射层位于第一基板420远离第二粘接层600的一侧)，折射层的折射率需要大于第一基板420的折射率。其中，折射层的折射率与第一基板420或者第二粘接层600的折射率的具体数值可根据实际显示需要进行选择性设定，本申请实施例中对此不作具体限定。

可选地，像素岛阵列200远离第二粘接层600的一侧还设置有背板层(图中未示出)，背板层内设置有用于控制各像素岛210发光的开关控制器件(例如：薄膜晶体管器件)。

在一个具体的实施方式中，继续参阅图9，本申请实施例中的近眼显示装置分为像素岛阵列200(包括蓝色像素岛210B、绿色像素岛210G、红色像素岛210R)、微透镜阵列100以及聚光功能层400。其中，第一基板420靠近像素岛阵列200的一侧设有图案化的遮光层430(BM层)和聚光透镜411，BM层可挡光，聚光透镜411可以把大角度的光进行汇聚提升光效。在第一基板420的另外一层亦可设计一层BM进行进一步挡光提升显示效果，最后通过微透镜阵列100可以形成成像光束，可应用于VR领域。

可选地，参阅图5，对于上述实施例中的近眼显示装置，可以在第一基板420的两侧都不设置BM，从而增加透明度，便于外界光线进入，从而形成真实环境与虚拟环境相结合的场景，可应用于AR领域。

在另一个具体的实施方式中，如图10所示，本申请实施例中的近眼显示装置分为像素岛阵列200(包括蓝色像素岛210B、绿色像素岛210G、红色像素岛210R)、微透镜阵列100以及聚光功能层400。其中，第一基板420靠近像素岛阵列200的一侧设有图案化的BM层，BM层可挡光。在第一基板420的另外一层亦可设计一层BM层和聚光透镜411，聚光透镜411可以把大角度的光进行汇聚提升光效，BM层可以遮挡像素岛210发出的超大角度的光以防止产生杂散光，最后通过微透镜阵列100可以形成成像光束，可应用于VR领域。

可选地，如图11所示，本申请实施例中的近眼显示装置分为像素岛阵列200(包括蓝色像素岛210B、绿色像素岛210G、红色像素岛210R)、微透镜阵列100以及聚光功能层400。其中，第一基板420靠近像素岛阵列200的一侧设有图案化的BM层，BM层可挡光。在第一基板420的另外一层亦可设计一层BM层和折射层412，折射层412也同样可以把大角度的光进行汇聚提升光效，BM层可以遮挡像素岛210发出的超大角度的光以防止产生杂散光，最后通过微透镜阵列100可以形成成像光束，可应用于VR领域。

此外，折射层412还可以设置在第一基板420靠近像素岛阵列200的一侧，只要能够实现汇聚像素岛210发射的发散光即可。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种可穿戴设备，包括本申请实施例中前述的近眼显示装置。其中，可穿戴设备可以为AR设备或者VR设备。

本申请实施例提供的可穿戴设备，包括了前述实施例中的近眼显示装置，该近眼显示装置通过在微透镜阵列100与像素岛阵列200之间设置聚光功能层400，且聚光功能层400中的聚光部件410与像素岛210对应，利用聚光部件410对像素岛210发射的光线进行汇聚，使得经聚光部件410汇聚后的光线从对应的微透镜110射出，并达到预定的观看位置，减少了从像素岛210射向对应微透镜110之外的区域的光线，尽可能地避免光线串扰问题，减少杂散光的同时提升了发光效率，从而改善了显示效果。

本申请各实施例至少具有以下技术效果：

1、通过在微透镜阵列100与像素岛阵列200之间设置聚光功能层400，且聚光功能层400中的聚光部件410与像素岛210对应，利用聚光部件410对像素岛210发射的光线进行汇聚，使得经聚光部件410汇聚后的光线从对应的微透镜110射出，并达到预定的观看位置，减少了从像素岛210射向对应微透镜110之外的区域的光线，尽可能地避免光线串扰问题，在减少杂散光的同时提升了发光效率，从而改善了显示效果。

2、聚光部件410与像素岛210一一对应设置，可以保证每个像素岛210发出的光线都能被对应的聚光部件410汇聚，从而提升对各像素岛210发出的光线的汇聚效果，进而使得像素岛210有效的光线尽可能地从对应的微透镜110射出，减少像素岛210之间的光线串扰，进一步改善了显示效果。

3、聚光功能层400内设置有遮光层430，遮光层430的各遮光结构431可以遮挡像素岛210射向聚光部件410之外的光线，进一步降低相邻像素岛210之间的光线串扰，从而提升了显示效果。

4、遮光结构431中的开口在第一基板420的正投影的轮廓基本上与像素岛210在第一基板420的正投影的轮廓一致，仅需要保证遮光结构431的轮廓尺寸略大于像素岛210的轮廓尺寸，这样既能够保证有效光线经聚光部件410后从微透镜110射出，也能尽可能地避免串扰光线射向对应的微透镜110之外的区域，从而提升显示效果。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

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。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。