一种集成视力矫正的双目近眼显示装置的制作方法

本发明涉及可穿戴显示技术领域，尤其涉及一种集成视力矫正的双目近眼显示装置。

背景技术：

增强现实(Augmented Reality/AR)，被定义为用于实现由计算机生成的虚拟世界与真实世界进行融合与交互的技术统称。透视型(See-Through)近眼显示(Near-Eye Display)---又称头戴式显示---是增强现实的关键技术之一，是虚拟世界与真实世界的共同可视化载体。透视型近眼显示要求位于眼部前方的屏幕不仅可以显示虚拟图像，而且必须具有较高的透明度以保障周围环境的可见度。光学透视型按导光方式可分为三类较为主流的方案，即(1)合束器(Beam Combiner)、(2)自由曲面/平面波导(Freeform/Planar Waveguide)、(3)视网膜投影。合束器通常为一个由两块三角形棱镜粘合而成的方块，可使部分光线透射，部分光线反射。自由曲面/平面波导则是先将微显示屏的光线耦合进入波导进行传播，然后再导出进入人眼。视网膜投影，以点源光束(Pinlight)技术为例，是利用类似小孔成像的原理将由点光源发出的光线经透明显示屏加载虚拟图像信息后投射至人眼视网膜。

随着各类消费类电子产品的普及和使用频率的上升，屈光不正等视力问题，例如近视、远视、散光等，也随之在世界范围内逐渐高发。然而目前面向增强现实的近眼显示装置---以智能眼镜为代表---对患有视力缺陷的用户人群没有进行针对性的设计与优化。这迫使他们在佩戴智能眼镜的同时，需要额外再佩戴一副具有视力矫正功能的眼镜或隐形眼镜。这种分立的佩戴方式会极大地影响用户体验，从而制约以智能眼镜为代表的可穿戴智能设备的推广。如何实现可集成近眼显示与视力矫正的一体化光学设计，已成为本领域亟需解决的难题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种集成视力矫正的双目近眼显示装置。该装置可集成近眼显示与视力矫正，特别适用于患有近视、远视、散光等屈光不正的用户人群。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为一种集成视力矫正的双目近眼显示装置，其包括：

微显示屏：用于发出携带图像信息的光线；

投影镜头：用于准直所述微显示屏所发出的光线，使得光线在传播一定距离后可形成放大的像；

光学镜片：用于矫正佩戴者的视力，具有双目一体化的结构，即可同时供左、右眼观看；

入耦合光元件：涂覆或贴合于所述光学镜片的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可继续在所述光学镜片的内部传播，并可产生左、右两个方向上的出射光线；

左出耦合光元件：涂覆或贴合于所述光学镜片的外表面,使得入射至其的光线发生衍射后，可离开所述光学镜片，从而进入佩戴者的左眼；

右出耦合光元件：涂覆或贴合于所述光学镜片的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可离开所述光学镜片，从而进入佩戴者的右眼；

上述微显示屏和投影镜头共同构成一个微投影仪。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述微显示屏为有机发光二极管显示、量子点发光二极管显示、数字微镜显示或者液晶显示。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述投影镜头是单个透镜，或者是由多个透镜、棱镜、光阑中的一种或多种光元件所组成的组合。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述投影镜头是定焦镜头，或者变焦镜头。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述光学镜片至少具有五个表面，其中至少有一个表面为凹面或凸面，其面形设计取决于佩戴者的视力。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述光学镜片的一个或多个表面镀有保护膜、抗反膜、抗眩膜、变色膜、滤光膜、抗紫外膜中的一种或多种功能膜。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述光学镜片的材料为玻璃或树脂。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述入耦合光元件为光栅、全息光元件、或者衍射光元件。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述左出耦合光元件为光栅、全息光元件、或者衍射光元件。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，所述右出耦合光元件为光栅、全息光元件、或者衍射光元件。

本发明的集成视力矫正的双目近眼显示装置集成了视力矫正功能，同时采用双目一体化的结构，相比双目分离的结构，减少了一个微投影仪的使用，从而进一步减小了装置的尺寸与重量，更降低了成本。且通过投影镜头的变焦，可产生不同深度或距离的图像，从而实现三维显示效果。此外，对于虚拟图像的光线而言，光学镜片起到了波导兼视力矫正的作用。对于真实场景的光线，光学镜片也起到了视力矫正的作用。这种设计使患有视力问题的用户无需额外佩戴眼镜，大大减少了整个装置的厚度与重量，显著改善了用户体验。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的第一实施例的集成视力矫正的双目近眼显示装置的光路原理图；

图2是本发明的第二实施例的集成视力矫正的双目近眼显示装置的光路原理图。

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白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参照图1，本实施例的集成视力矫正的双目近眼显示装置包括：

微显示屏101a：用于发出携带图像信息的光线；

投影镜头101b：用于准直所述微显示屏101a所发出的光线，使得光线在传播一定距离后可形成放大的像；

光学镜片102：用于矫正佩戴者的视力，具有双目一体化的结构，即可同时供左、右眼观看；

入耦合光元件103：涂覆或贴合于所述光学镜片102的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可继续在所述光学镜片102的内部传播，并可产生左、右两个方向上的出射光线；

左出耦合光元件104a：涂覆或贴合于所述光学镜片102的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可离开所述光学镜片102，从而进入佩戴者的左眼105a；

右出耦合光元件104b：涂覆或贴合于所述光学镜片102的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可离开所述光学镜片102，从而进入佩戴者的右眼105b；

其中，微显示屏101a和投影镜头101b共同构成微投影仪101。

优选地，本实施例中，微显示屏101a为有机发光二极管显示，本领域技术人员应当理解，也可以是量子点发光二极管显示、数字微镜显示或者液晶显示中的一种。

投影镜头101b为单个透镜，也可以是由多个透镜、棱镜、光阑中的一种或多种光元件所组成的组合。投影镜头101b为焦距可变的变焦镜头，也可以是定焦镜头。

光学镜片102至少具有五个表面，其中至少有一个表面为凹面或凸面，其面形设计取决于佩戴者的视力。本实施例中，光学镜片102具有六个表面，包括第一表面102a：为一平面，镀有抗紫外膜；第二表面102b：为一平面；第三表面102c：为一平面；第四表面102d：为一凹面；第五表面102e：为一凹面；第六表面102f：为一平面。此外，光学镜片的一个或多个表面镀有保护膜、抗反膜、抗眩膜、变色膜、滤光膜、抗紫外膜中的一种或多种功能膜。本实施例中，在光学镜片102的第一表面102a镀有抗紫外膜。光学镜片102的材料为玻璃或树脂。

入耦合光元件103为光栅、全息光元件、或者衍射光元件。本实施例中，入耦合光元件103为光栅，涂覆或贴合于所述光学镜片102的第六表面102f,与所述微投影仪101对向放置。

左出耦合光元件104a与右出耦合光元件104b为光栅、全息光元件、或者衍射光元件。本实施例中，左出耦合光元件104a与右出耦合光元件104b为全息光元件，分别涂覆或贴合于所述光学镜片102的第一表面102a的左右两边。

下面说明第一实施例的具体工作过程：对于虚拟图像，从微投影仪101出射的光线入射至光学镜片102的第一表面102a。经过设置于第六表面102f上的入耦合光元件103时，由于其衍射作用，被均匀地分为左、右两个方向上的出射光线，且出射角度满足全反射条件，可继续在光学镜片102内传播。当左、右两个方向上的出射光线分别抵达至设置于第一表面102a上的左出耦合光元件104a和右出耦合光元件104b时，将再次发生衍射。此时光线的出射角不再满足全反射条件，从而将通过光学镜片102的第四表面102d和第五表面102e，最后分别进入佩戴者的左眼105a和右眼105b。对于真实场景，从外界环境发出的光线入射至光学镜片102的第一表面102a，一部分会被入耦合光元件103所衍射，而其余部分则可顺利通过光学镜片102的第四表面102d和第五表面102e，从而分别进入佩戴者的左眼105a和右眼105b。从而保证了佩戴者在观看虚拟图像的同时，也能看到周围的真实场景。同时，由于光学镜片102的第四表面102d和第五表面102e为凹面，具有负的屈光度，从而可实现对近视的矫正。

本实施例的技术方案在现有的基于平面波导的近眼显示方案基础上，集成了视力矫正功能。同时采用双目一体化的结构，相比双目分离的结构，减少了一个微投影仪的使用，从而进一步减小了装置的尺寸与重量，更降低了成本。且通过投影镜头的变焦，可产生不同深度或距离的图像，从而实现三维显示效果。此外，对于虚拟图像的光线而言，光学镜片102起到了波导兼近视矫正的作用。对于真实场景的光线而言，光学镜片102起到了近视矫正的作用。且由于光学镜片102的第一表面102a镀有抗紫外膜，可在户外使用时，抵御紫外线对人眼的伤害。最重要的是，上述设计使患有近视的用户无需额外佩戴眼镜，大大减少了整个装置的厚度与重量，显著改善了用户体验。

实施例二

参照图2，本实施例的集成视力矫正的双目近眼显示装置包括：

微显示屏201a：用于发出携带图像信息的光线；

投影镜头201b：用于准直所述微显示屏201a所发出的光线，使得光线在传播一定距离后可形成放大的像；

光学镜片202：用于矫正佩戴者的视力，具有双目一体化的结构，即可同时供左、右眼观看；

入耦合光元件203：涂覆或贴合于所述光学镜片202的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可继续在所述光学镜片202的内部传播，并可产生左、右两个方向上的出射光线；

左出耦合光元件204a：涂覆或贴合于所述光学镜片202的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可离开所述光学镜片202，从而进入佩戴者的左眼205a；

右出耦合光元件204b：涂覆或贴合于所述光学镜片202的外表面，使得入射至其的光线发生衍射后，可离开所述光学镜片202，从而进入佩戴者的右眼205b；

其中，微显示屏201a和投影镜头201b共同构成微投影仪201。

优选地，本实施例中，微显示屏201a为有机发光二极管显示。投影镜头201b为单个透镜，且为焦距可变的变焦镜头。光学镜片202具有六个表面，包括第一表面202a：为一平面，镀有抗紫外膜；第二表面202b：为一平面；第三表面202c：为一平面；第四表面202d：为一凹面；第五表面202e：为一凹面；第六表面202f：为一平面。光学镜片202的材料为树脂。入耦合光元件203为光栅，涂覆或贴合于所述光学镜片202的第六表面202f,与所述微投影仪201对向放置。左出耦合光元件204a与右出耦合光元件204b为全息光元件，分别涂覆或贴合于所述光学镜片202的第一表面202a的左右两边。

下面说明第二实施例的具体工作过程：对于虚拟图像，从微投影仪201出射的光线入射至光学镜片202的第一表面202a。经过设置于第六表面202f上的入耦合光元件203时，由于其衍射作用，被均匀地分为左、右两个方向上的出射光线，且出射角度满足全反射条件，可继续在光学镜片202内传播。当左、右两个方向上的出射光线分别抵达至设置于第一表面202a上的左出耦合光元件204a和右出耦合光元件204b时，将再次发生衍射。此时光线的出射角不再满足全反射条件，从而将通过光学镜片202的第四表面202d和第五表面202e，最后分别进入佩戴者的左眼205a和右眼205b。对于真实场景，从外界环境发出的光线入射至光学镜片202的第一表面202a，一部分会被入耦合光元件203所衍射，而其余部分则可顺利通过光学镜片202的第四表面202d和第五表面202e，从而分别进入佩戴者的左眼205a和右眼205b。从而保证了佩戴者在观看虚拟图像的同时，也能看到周围的真实场景。同时，由于光学镜片202的第四表面202d和第五表面202e为凸面，具有正屈光度，从而可实现对远视的矫正。

本实施例的技术方案在现有的基于平面波导的近眼显示方案基础上，集成了视力矫正功能。同时采用双目一体化的结构，相比双目分离的结构，减少了一个微投影仪的使用，从而进一步减小了装置的尺寸与重量，更降低了成本。且通过投影镜头的变焦，可产生不同深度或距离的图像，从而实现三维显示效果。此外，对于虚拟图像的光线而言，光学镜片202起到了波导兼远视矫正的作用。对于真实场景的光线而言，光学镜片202起到了远视矫正的作用。且由于光学镜片202的第一表面202a镀有抗紫外膜，可在户外使用时，抵御紫外线对人眼的伤害。最重要的是，上述设计使患有远视的用户无需额外佩戴眼镜，大大减少了整个装置的厚度与重量，显著改善了用户体验。

如前所述，参照附图根据本发明作为例子的特定优选实施例详细描述了本发明。应当理解的是，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，而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。