一种近眼显示系统及近眼显示装置

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统及近眼显示装置。

背景技术

近眼显示技术广泛应用在AR眼镜，AR头盔，各种头戴式显示等方面，是增强现实(AugmentedReality，简称AR)技术的硬件基础。增强现实是在屏幕上将虚拟世界叠加在现实世界的一种显示技术。实现AR显示，一般需要一个近眼显示系统。其主流的实现方式已有光波导的方式、BirdBath的方式(指带有光束分离功能的曲面镜，垂直于曲面镜的光则通过分束器反射到曲面镜上)和曲面镜的方式。

光波导技术，由于光波导片的轻薄，最容易做到非常小巧，是目前AR眼镜的主流。但是由于光波导的截面非常小，它的出瞳孔径非常小，出瞳光束直径往往只有几个毫米，也就是眼盒太小(眼盒指的是近眼显示光学模组与眼球之间的一块锥形区域)。人眼只能在一个非常小的范围里面看到图像，体验度极其差。

目前解决AR眼镜光束出瞳太小的方式是利用光线在光波导界面上的多次反射，把出瞳复制多次，增加出瞳的大小。但是，光波导扩瞳增加了近眼显示系统的结构复杂程度。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种近眼显示系统及近眼显示装置，以解决因光波导扩瞳而导致近眼显示系统的结构复杂程度高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种近眼显示系统，包括微型显示模块以及平面光学元件，所述微型显示模块与所述光学元件相距预设距离设置；

所述微型显示模块用于向所述光学元件提供初始图像光；

所述光学元件包括相位调制层、半反半透层以及相位补偿层，所述半反半透层设置于所述相位调制层上，所述相位补偿层设置于所述半反半透层上；

所述相位调制层用于结合所述半反半透层对所述初始图像光进行调制，并生成反射至目标区域的图像反射光，所述相位补偿层用于补偿所述相位调制层的相位变化，所述半反半透层还用于将外部的环境光透射至所述目标区域。

进一步的，所述微型显示模块设置有辅助透镜、相位板中的至少一种器件。

进一步的，所述微型显示模块包括LCOS芯片、LCD芯片、DLP芯片、OLED芯片、Micro-LED芯片中的其中一种显示芯片。

进一步的，所述相位调制层为球面、非球面、自由曲面、全息面中的其中一种面型的菲涅尔透镜。

进一步的，所述半反半透层为半反半透的金属膜。

进一步的，所述半反半透层为半反半透的光学介质膜。

进一步的，所述半反半透层被配置为自身的反射波长区间与所述初始图像光的波长区间相适配。

进一步的，所述微型显示模块被配置为发射目标偏振状态的所述初始图像光，所述半反半透层被配置为反射所述目标偏振状态的所述初始图像光。

进一步的，所述半反半透层设置有状态可调器件，所述状态可调器件用于根据外部的光信号或电信号调节所述半反半透层的反射率、透过率中的至少一种参数。

一种近眼显示装置，包括如上述任一项所述的近眼显示系统。

本发明公开了一种近眼显示系统及近眼显示装置，其优势在于：光学元件作为具有光学曲率的元件可安装于眼镜片上，出瞳大小随着光学元件大小的逐渐增加，当光学元件达到眼镜片的大小时，出瞳孔径达到最大值。因此，本申请在不采用光波导扩瞳方式下，便可以实现较大的出瞳孔径，从而减少近眼显示系统的结构复杂程度。

进一步的，本申请不采用光波导扩瞳方式，所需的光学器件也相应减少，极大减小了近眼显示系统的体积和重量，同时提高了近眼显示系统的光能利用效率。由于光学元件对于外界世界的光是透明的，所以光学元件可以被直接集成在眼镜片上，而并不影响眼镜的正常使用，因此，有利于保证较低的镜片雾度。

附图说明

图1为本发明实施例的近眼显示系统的原理示意图；

图2本发明实施例二的菲涅尔面型相位结构的光学元件的结构示意图；

图3本发明实施例三的二元光学面型相位结构的光学元件的结构示意图；

图4本发明实施例二的全息面型相位结构的光学元件的结构示意图。

标号说明：

图1：101、微型显示模块；103、半反半透层；104、人眼；105、相位调制层；107、相位补偿层；109、光学元件；111、眼镜腿；112、虚像。

图2：201、光学元件；202、相位调制层；203、半反半透层；204、相位补偿层。

图3：301、光学元件；302、相位调制层；303、半反半透层；304、相位补偿层。

图4：401、光学元件；402、相位调制层；403、半反半透层；404、相位补偿层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的范畴。

实施例一

一种近眼显示系统，应用于近眼显示装置，例如，穿戴式的现实增强头盔、现实增强眼镜等，需要注意的是，本实施例指的近眼显示装置，除了眼镜、头盔等需要穿戴的装置，还可以是非穿戴式的现实增强产品，只要该装置与眼睛的距离足够近，成一个透明的虚像，就不脱离本发明的范畴，例如现实增强展示柜等。

请参照图1，近眼显示系统包括微型显示模块101以及半反半透的光学元件109，所述微型显示模块101与所述光学元件109相距预设距离设置。所述微型显示模块101用于向所述光学元件109提供初始图像光。所述光学元109件包括相位调制层105、半反半透层103以及相位补偿层107，所述半反半透层103设置于所述相位调制层105上，所述相位补偿层107设置于所述半反半透层103上。所述相位调制层105用于结合所述半反半透层103对所述初始图像光进行调制，并生成反射至目标区域的图像反射光，所述相位补偿层107用于补偿所述相位调制层105的相位变化，所述半反半透层103还用于将外部的环境光透射至所述目标区域。其中，本申请中所称的“半反半透”，具体指反射其中一部分光线的同时透射另一部分光线。

本实施例的近眼显示系统的工作原理为：微型显示模块101产生一个高亮度的小型初始图像，以初始图像光的形式经半反半透的光学元件109反射到目标区域，当人眼104位于目标区域时，人眼104可以看到放大且与初始图像对应的虚像112。由于光学元件109是半透状态，外部的环境光通过光学元件109透射至目标区域的人眼104上，以使人眼104可以看到由环境光形成的环境图像，所以产生的虚像112将会叠加在环境图像上，产生增强现实的效果。

示例性地，以近眼显示系统应用于现实增强眼镜微为例，光学系统的出瞳大小一般由最后一面光学曲率镜头的孔径对眼睛的张角决定。而本实施例中最后一面具有光学曲率的元件是安装在镜片上的光学元件109，其大小可以最大到眼镜片的大小(约50mm)。瞳孔只要在其范围内，都可以看到一个完整的图像，所以出瞳孔径超过10㎜，可以满足正常瞳孔的移动距离。

现有技术采用光波导技术的近眼显示方案中，如果需要增加出瞳大小，需要利用光线在光波导界面上的多次反射，把出瞳复制多次，以增加出瞳的大小。将该方案应用于现实增强眼镜时，由于光波导的使用大大增加了系统的复杂程度，降低了镜片的透明度，增加了近眼显示系统的成本。

可以理解的，由于本实施例的光学元件109对于外界世界的光是透明的，所以光学元件109可以被直接集成在眼镜片上，并不影响眼镜的正常使用。该光学元件109的最大孔径可以和眼睛片的孔径相当。本实施例的近眼显示系统特点是光学系统的口径大，其出瞳孔径可以高达十几毫米甚至更大，不用扩瞳系统就可以满足眼球移动范围的要求，有利于降低近眼显示系统的结构复杂程度。该近眼显示系统取代光波导的技术方案，极大减小了近眼显示系统的体积，同时提高了近眼显示系统的光能利用效率。本实施例中，所述微型显示模块101包括LCOS(LiquidCrystalonSilicon，硅基液晶)芯片、LCD芯片、DLP(DigitalLightProcessing，数字光处理)芯片、OLED(OrganicLight-EmittingDiode，有机电激光显示)芯片、Micro-LED(微米发光二极管)芯片等其中一种显示芯片。示例性地，微型显示模块101可以安装在眼镜腿111上，也可以安装在眼睛片周围。光学元件109可以和眼镜片集成在一起，并不阻挡人们的视线。当微型显示模块101采用LCOS芯片、LCD芯片、DLP芯片等显示技术中，微型显示模块还包括与对应芯片相适配使用的光源照明模组。当微型显示模块101采用microLED芯片和OLED芯片等自发光芯片时，可以无需设置光源显示模组，以达到更小的体积。需要注意的是，不同种类的微型显示模块并不脱离本专利的保护范畴。

可以理解的，微型显示模组可以安装在眼镜腿111或者眼镜片的周围。整个系统可以设计的非常小巧，符合人体工学的特点，以满足人们方便舒适的佩戴。为了进一步提高成像的质量，在微型显示模块上还可以设置一片或者多片辅助成像的光学镜头。

本实施例中，透明光学元件109包括相位调制层105和相位补偿层107。相位调制层105设置有半反半透层103，相位调制层105结合半反半透层103，对微型显示模块的发出的初始图像光做特定的调制，并反射到人眼104中，同时使得由微型显示模块101发出的初始图像在远处形成一个虚像112。所述半反半透层103使得一部分环境光透射至人眼104中，环境图像与初始图像叠加，实现增强显示的功能。

本实施例的相位补偿层107用于补偿相位调制层105的相位变化，使得透明光学元件109对穿过自身的光线产生足够小的相位扰动，没有相位调制，真实世界的环境光边可以无干扰的进入到人眼104中，起到一个透明光学平板的作用。因此，本实施例的光学元件109的光学作用就是一个既透明又能成像的器件，对外界世界的光没有作用，基本透明，而对于微型显示器的光又可以形成一个虚像112。

示例性地，相位调制面上镀有半反半透层103。可选的，所述半反半透层103为半反半透的金属膜或光学介质膜，所述半反半透层103的反射率和透过率可以被调节。半反半透层103是指照射在其表面上的其中一部分光线被反射，另一部分光线被透射。其反射率R和透过率T可以是在0％到100％的任何区间内。又示例性地，半反半透层103可以通过金属反射膜来实现，也可以利用高折射率的介质形成折射率梯度来实现。

在另一实施例中，可选的，所述微型显示模块101被配置为发射目标偏振状态的初始图像光，所述半反半透层103被配置为反射所述目标偏振状态的所述初始图像光。可以理解的，半反半透层103具有偏振选择性，只对某一个偏振状态的光反射，而对另外一个偏振状态的光透射。微型显示模块101发射的光也被设置在这一偏振状态，所以微型显示模块发射的光可以以一个很高的反射率被反射到人眼104中，提高了显示的发光效率。同时也保持较高的透过率。

在另一实施例中，可选的，所述半反半透层103被配置为自身的反射波长区间与所述初始图像光的波长区间相适配。示例性地，微型显示模块发出的光是红绿蓝的窄带光线，半反半透层的介质反射层的反射波长区间和微型显示模块发射光波长区间接近，使得从微型显示模块发出的初始图像光，大部分被反射到眼球中，提高了显示的发光效率，同时也保持较高的透过率。

可选的，所述半反半透层103设置有状态可调器件，所述状态可调器件用于根据外部的光信号或电信号调节所述半反半透层103的反射率、透过率中的至少一种参数。可以理解的，半反半透层103进一步包括光-电器件或者光-光器件的状态可调器件，其反射率和透过率可以被调节，以适应不同环境的光。所述光-电器件可以独立选自各种液晶器件、电致变色器件、电泳器件等中的至少一种，所述光-光器件可以是各种光致变色器件等，本实施例可以利用当前使用器件的特性调节半反半透层103的反射率、透过率。

本实施例中，相位补偿层107的作用是与相位调制层105紧密配合在一起，二者相位刚好相反，互为补偿。对于透射的光，二者相互抵消，不产生任何作用，所以使得外界的环境图像不受影响地透射至人眼104中，实现透明显示。相位补偿层107可以采用本领域常用的若干个光学加工方式。示例性地，相位补偿层107与相位调制层105分别加工制造，然后采用光学胶贴和在一起。相位补偿层107也可以在相位调制层105加工成型之后，直接在相位调制层105上采用柔性光学材料填充，然后固化自动形成。

所述相位调制层105为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的面型可以来源于球面、非球面、自由曲面、全息面等其中一种面型。该面型设计由光学设计软件产生，配合系统中的其他光学部分，使微型显示模块101产生的图像产生一个放大清晰的虚像，面型设计的具体过程可参照相关领域的技术内容，此处不作详细描述。

实施例二

本实施例提供一种近眼显示系统，在实施例一的基础上，请参照图2，光学元件201采用了菲涅尔面型，光学元件201包括相位调制层202，相位调制层202表面还涂覆有一层半反半透层203。光学元件201还包括与相位调制层202配合的相位补偿层204，所述相位补偿层204和相位调制层202紧密配合在一起，对于穿透的光，二者相位相互抵消，不产生任何作用，所以使得外界的图像不受影响的，到达人的眼中形成透明的显示。

实施例三

本实施例提供一种近眼显示系统，在实施例一的基础上，请参照图3，光学元件301采用了二元光学结构。光学元件301包括由计算机设计出来的二元光学结构的相位调制层302，表面配以独特的面型结构，并且镀有半反半透层303(金属膜层或光学介质膜)，相位调制层302被设计成根据微型显示模块发出的光线形成一个虚像。相位调制层302的调制表面的加工可以采用纳米压印方式，具体的，用计算机控制在模具上形成特定的表面形状，通过纳米压印的方式把它制作在光学基板上。光学元件301还包括与相位调制层302配合使用的相位补偿层304。

实施例四

本实施例提供一种近眼显示系统，在实施例一的基础上，请参照图4，光学元件401采用了全息光学结构。光学元件包括由计算机设计出来的全息相位调制层402，表面配以独特的面形结构，表面镀镀有半反半透层403(金属膜层或光学介质膜)。相位调制层402被设计成可根据微型显示模块发出的光线形成一个虚像。相位调制层402的调制表面的加工可以采用纳米压印方式，用计算机控制在模具上形成特定的表面形状，通过纳米压印方式把它制作在光学基板上，也可以采用相干光在光学基板上记录的方式。光学元件401还包括与相位调制层402配合使用的相位补偿层404。

实施例五

本实施例提供一种近眼显示装置，包括如实施例一至实施例四任一项的近眼显示系统。近眼显示装置为穿戴式的现实增强头盔、现实增强眼镜等，需要注意的是，本实施例指的近眼显示装置，除了眼镜、头盔等需要穿戴的装置，还可以是非穿戴式的现实增强产品，只要该装置与眼睛的距离足够近，成一个透明的虚像，就不脱离本发明的范畴，例如现实增强展示柜等。

示例性地，近眼显示装置为现实增强眼镜，包括镜架、镜片、微型显示模块等，光学元件设置于镜片上，示例性地，镜片可以采用近视镜片或远视镜片等，满足不同的用户需求。微型显示模块设置在镜架上，并且微型显示模块的显示芯片的出光方向以预设角度面对光学元件，穿戴过程中，人眼位于目标区域。由于近眼显示的特殊设计要求，显示芯片只能布局在镜片的边缘，比如说眼镜腿以及眼镜片的周边。所以从显示芯片发出的光相对于人眼的视线方向有一个比较大的夹角，在本申请的所有的实施例中，其近眼显示装置进一步包括一个对光线角度调节的角度调节结构。该结构可以是一个特定角度放置的半反半透镜，也可以是闪耀光栅，通过最大衍射方向使得倾斜方向上的光能被反射至目标区域的眼睛里；还可以是在菲涅尔面型中设置一个统一的调节角度，其相位调制层表面每个点的光轴方向相对其对应的截面倾斜设置，使得从显示芯片发出的光经光学元件反射后，大部分进入目标区域的眼睛里。

综上所述，本发明提供了一种近眼显示系统及近眼显示装置，通过设置有微型显示模块和半反半透的光学元件，微型显示模块用于产生显示图像，光学元件用于将来自微型显示模块的初始图像反射至人眼中，使得光线在远处成放大的虚像。光学元件包括相位调制层和相位补偿层，对于穿透的光，二者相互抵消，不产生任何作用，所以使得外界的图像不受影响的到达人眼中，实现透明显示。

另外，本发明的光学元件可以做成眼镜片大小，直径为几十毫米，足以保证人眼观看需求，而且通透性、雾度等均有极佳的表现，并且成本较低，相比目前光波导方式的现实增强眼镜具有明显优势。由于本申请采用较少的光学器件和辅助器件，光利用效率得到提升，可达25％以上，还能减轻近眼显示系统及近眼显示装置的重量，提高电池续航时间。进一步的，本申请的近眼显示装置还可以采用近视镜片或远视镜片等，以满足不同用户的需求。

应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。