一种近眼显示设备及其成像方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种近眼显示设备及其成像方法。

背景技术

近些年来，随着微型显示器、光学软硬件技术的发展，近眼显示产品层出不穷，它在娱乐产业、虚拟现实等领域的应用也越来越广泛；现有技术中的近眼显示设备，往往存在光学结构复杂、光学性能较差、不易实现超大视场显示、现实环境图像畸变大等问题，从而让使用者在使用时常常产生头晕、恶心、甚至呕吐的情况。

发明内容

本发明提供了一种可有效解决上述技术问题的近眼显示设备及其成像方法。

为了达到本发明之目的，采用如下技术方案：本发明一方面提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括一组用于图像显示的图像显示屏单元、一组用于校正光学成像的光学像点的光学透镜组装置、一组用于实现光程增程和光路转折的光学棱镜组装置、一组用于图像分光和光路转折的棱镜分光面装置、一组用于图像光学反射和光场压缩的光学反射装置。

优选地，所述图像显示屏单元的下方设有由一件或多件光学元件组成的所述光学透镜组装置，所述图像显示屏单元发出图像光线后，经过所述光学透镜组装置后进入所述光学棱镜组装置。

优选地，所述光学透镜组装置的下方设置由一件或多件光学元件组成的所述光学棱镜组装置，所述光学棱镜组装置内部设置由一件或多件光学元件组成的所述棱镜分光面装置。

优选地，所述光学棱镜组装置的下方设置有所述光学反射装置，所述光学反射装置为内反射或者外反射。

优选地，所述图像光线经过所述光学透镜组装置的光学校正处理后通过所述光学反射装置反射聚焦作用以变成适合人眼观察的光线。

优选地，经过校正处理后的已校正图像光线进入所述光学棱镜组装置以使光程增加而变成已增程图像光线。

优选地，所述已增程图像光线经所述光学反射装置反射后变成适合人眼观察的像点的平行光线，所述平行光线进入所述光学棱镜组装置。

优选地，所述已增程图像光线进入所述光学棱镜组装置内且到达所述棱镜分光面装置时，其中一部分光线经所述棱镜分光面装置反射后穿透光学棱镜组装置以变成观察有效图像光线。

优选地，人眼接受到所述观察有效图像光线后，能感受到在所述观察有效图像光线的反向延长即虚像光路线焦点处的显示图像的放大虚像。

本发明另一方面提供一种近眼显示设备的成像方法，使用上述任一项所述近眼显示设备，所述成像方法包括以下步骤：

步骤一、所述图像显示屏单元显示需要的图像，图像光线进入所述光学透镜组装置后校正光学成像的光学像点，形成已校正图像光线；

步骤二、所述已校正图像光线进入所述光学棱镜组装置后增加光程，形成已增程图像光线；

步骤三、所述已增程图像光线经所述光学反射装置的内反射或外反射后，变成适合人眼观察的像点的平行光线，所述平行光线再次进入所述光学棱镜组装置；

步骤四、所述已增程图像光线到达所述棱镜分光面装置时，其中一部分光线经所述棱镜分光面装置反射后穿透光学棱镜组装置，变成观察有效图像光线；

步骤五、人眼接接受所述观察有效图像光线后可感受到在所述观察有效图像光线的反向延长即虚像光路线焦点处的显示图像的放大虚像。

本发明的有益效果是：

本发明通过光学棱镜组装置内部设置由一件或多件光学元件组成的所述棱镜分光面装置，并且在光学棱镜组装置的上方设置光学透镜组装置及下方设置有光学反射装置，光学反射装置的反射作用既可以是内反射也可以是外反射，经过光学透镜组装置校正处理后的已校正图像光线进入光学棱镜组装置后，光程增加变成已增程图像光线，已增程图像光线经光学反射装置的内反射或外反射后变成适合人眼观察的像点的平行光线，然后再次进入光学棱镜组装置，当已增程图像光线到达棱镜分光面装置时，其中一部分光线经棱镜分光面装置反射且穿透光学棱镜组装置，变成观察有效图像光线，人眼接受到有效图像光线后，就能感受到在观察有效图像光线的反向延长即虚像光路线焦点处的显示图像的放大虚像，本发明整个近眼显示设备光学结构简单，易于实现超大视场显示系统；并且图像显示屏单元与光学透镜组装置之间的距离可调节更易于实现视度可调；同时，现实环境图像畸变小，结构上近于同轴设计，光学性能好，出瞳距离长更适合人眼观察。

附图说明

图1为本发明近眼显示设备的结构示意图；

图2为本发明近眼显示设备带有光路的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种近眼显示设备，如图1及图2所示，包括：一组用于图像 9显示的图像显示屏单元8、一组用于校正光学成像的各种光学像点的光学透镜组装置6、一组用于实现光程增程和光路转折的光学棱镜组装置5、一组用于图像分光和光路转折的棱镜分光面装置4、一组用于图像光学反射和光场压缩的光学反射装置3。

进一步的，图像显示屏单元8可以为市面上常见的显示屏，用于显示需要显示的图像，其属于现有技术，在此不再赘述。

进一步的，光学透镜组装置6位于图像显示屏单元8的下方，光学透镜组装置6由一件或多件光学元件组成，所述光学元件可以为透镜，所述透镜可以使单透镜，亦可以是胶合透镜，所述光学透镜组装置6将图像显示屏单元8发出的图像光线的光学像差进行校正，以形成已校正图像光线10，所述光学像差可以为球差、慧差、色差等一级像差和高级像差。

进一步的，光学棱镜组装置5位于光学透镜组装置6的下方，光学棱镜组装置5由一件或多件光学元件组成，所述光学棱镜组装置5用于将已校正图像光线10增加光程，以形成已增程图像光线11。光学棱镜组装置5可以由两片或者多片棱镜组成，光学棱镜组装置5可以将已校正图像光线10与外界环境图像的光线实现空间光学叠加融合，以便人眼能够同时观察到叠加后的两幅图像，所述棱镜优选折射率较高的材料，以保证较长的光程，提高观察体验。

进一步的，光学反射装置3用于反射和光场压缩所述已增程图像光线，所述光学反射装置3可以是内反射，也可以是外反射，亦可以是透镜与反射镜的组合，所述光学反射装置3可以将所述光学棱镜组装置5发出的发散的光线发射并调整适当的光场，将单个图像像元发出的光线调整为对应人眼视度的虚拟物光，以适应人眼对显示图像的观察，当所述光学反射装置3由反射镜与透镜组合而成时，所述光学反射装置3不仅可控制系统成像质量，还可以控制系统光学观察到的视场角度放大率。

进一步的，棱镜分光面装置4用于对反射的光线进行转折和分光，分光后的光线穿过所述光学棱镜组装置5后被人眼观察到，然后就能感受到在该光线的反向延长即虚像光路线焦点处的显示图像 9的放大虚像1。

实施例2：

一种近眼显示设备的成像方法，包括以下步骤：

步骤一、所述图像显示屏单元8显示需要的图像9，图像光线进入所述光学透镜组装置6后校正光学成像的光学像点，形成已校正图像光线10；

步骤二、所述已校正图像光线10进入所述光学棱镜组装置5后增加光程，形成已增程图像光线11；

步骤三、所述已增程图像光线11经所述光学反射装置3的内反射或外反射后，变成适合人眼观察的像点的平行光线，所述平行光线再次进入所述光学棱镜组装置5；

步骤四、所述已增程图像光线11到达所述棱镜分光面装置4 时，其中一部分光线经所述棱镜分光面装置4反射后穿透光学棱镜组装置5，变成观察有效图像光线12；

步骤五、人眼接接受所述观察有效图像光线12后可感受到在所述观察有效图像光线12的反向延长即虚像光路线焦点处的显示图像 9的放大虚像1。

本发明整个近眼显示设备光学结构简单，易于实现超大视场显示系统；并且图像显示屏单元与光学透镜组装置之间的距离可调节更易于实现视度可调；同时，现实环境图像畸变小，结构上近于同轴设计，光学性能好，出瞳距离长更适合人眼观察。

具体实施例：

以下为本发明一具体实施例，在本实施例中，所述近眼显示设备的成像方法包括以下步骤：

步骤一、将需要显示的图像9显示到图像显示屏单元8上，图像显示屏单元8的下方设有光学透镜组装置6，图像光线7从图像显示屏单元8发出，经过由一件或多件光学元件组成的光学透镜组装置6后进入由一件或多件光学元件组成的光学棱镜组装置5；

步骤二、光学棱镜组装置5内部设置由一件或多件光学元件组成的棱镜分光面装置4，光学棱镜组装置5的下方设置有光学反射装置3，图像光线7在光学反射装置3的内反射或外反射作用下，变成可以适合人眼观察的光线；

步骤三、经过校正处理后的已校正图像光线10进入光学棱镜组装置5后，光程增加，变成已增程图像光线11；

步骤四、已增程图像光线11经光学反射装置3的内反射或外反射后，变成适合人眼观察的像点的平行光线，再次进入光学棱镜组装置5；

步骤五、当已增程光线再次进入光学棱镜组装置5，到达棱镜分光面装置4时，其中一部分光线经棱镜分光面装置4反射，穿透光学棱镜组装置5后，变成观察有效图像光线12；

步骤六、人眼接受到观察有效图像光线12后，就能感受到在观察有效图像光线12的反向延长即虚像光路线焦点处的显示图像9的放大虚像1。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。