一种自由曲面棱镜组及使用其的近眼显示装置的制作方法

本实用新型涉及一种具有自适应光线环境功能的自由曲面棱镜组以及使用其的近眼显示装置，当佩戴者在进入强光环境时，进入眼睛的环境光强度能够自适应的降低。

背景技术：

虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于VR或者AR模式的头戴式图像显示装置取得了长足的发展，近年来出现了消费级的产品，诸如Samsung gear VR，Sony PSVR，Epson BT300，Microsoft Hololens等等，由于这些头戴式显示装置在使用时需要佩戴于观察者头部，因此紧凑和轻量化一直是业内的不懈追求，以减轻观察者的负载，提高可使用性。

为了获得轻盈的重量，发展了自由曲面的光学元件用以实现VR或者AR应用，自由曲面由于增加了更多的自由度，在进行光学设计时可以更好的控制像差并得到更好的像质，同时可以减轻重量缩小体积。当前制约自由曲面光学的主要问题是加工、检测和制造工艺上的问题，随着面型表述方法的研究进展以及金刚石切削和注塑成型加工工艺等方面的进展，自由曲面棱镜的高精度加工已经成为可能，例如，利用注塑工艺制造PMMA材料的自由曲面棱镜，批量生产可以大大降低成本，具有非常高的性价比。在上述产品中，例如，Epson BT系列即采用了自由曲面棱镜组成的光学系统，以实现真实环境光在人眼的正常成像和计算机生产图像的融合，其中计算机生成的图像来自微型显示器件。由于微型显示器件的亮度受发光原理以及制造工艺的制约，如果希望在强光环境下实现与微型显示器件产生的虚拟图像在人眼视觉上的舒适融合，通常需要在环境光入射至光学部件之前，经过遮蔽物或者滤光片，以适当降低环境光的强度。遮蔽物或者滤光片的存在影响了产品外形的设计自由度，也增加了系统的重量，降低了产品的佩戴舒适度。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种无需附带遮光片的自由曲面棱镜组，以及使用其的近眼显示装置，自由曲面棱镜组包括成像棱镜和补偿棱镜，通过在补偿棱镜上设置光致变色层或者添加光致变色材料，使补偿镜代替滤光片的作用，而不影响成像棱镜对微型显示器件生成的图像 光的光能利用。

根据本实用新型的一种自由曲面棱镜组，包括成像棱镜和补偿棱镜，其中，成像棱镜和补偿棱镜相邻设置，成像棱镜与补偿棱镜的相邻表面具有一致的自由曲面面型，所述补偿棱镜朝向环境光的外表面具有光致变色层。

根据本实用新型的另一种自由曲面棱镜组，包括成像棱镜和补偿棱镜，其中，成像棱镜和补偿棱镜相邻设置，成像棱镜与补偿棱镜的相邻表面具有一致的自由曲面面型，所述补偿棱镜内包含光致变色染料。

上述成像棱镜与补偿棱镜可以通过胶合粘结构成一体，或者成像棱镜与补偿棱镜之间具有预定间隔的空气隙以分离性安装。

优选的，成像棱镜和补偿棱镜的材料为光学树脂。在成像棱镜和补偿棱镜的侧表面上也具有光致变色层。

或者，光入射方向上，所述补偿棱镜的光致变色染料的浓度分布与厚度成反比。

本实用新型还公开了一种使用上述自由曲面棱镜组的近眼显示装置，进一步包括控制器，微型显示器件和环境光传感器，其中，所述环境光传感器连接至控制器，用以向控制器提供环境光强度信息，所述控制器根据所述环境光强度信息控制所述微型显示器件的亮度。

根据本实用新型的无需附带遮光片的自由曲面棱镜组，减少了额外滤光片的使用，在用作增强现实的近眼显示装置时，有效减少了强环境光的影响，同时并不影响微型显示器件发出的图像光的有效光能利用，提高了强光环境下的视觉图像融合舒适性。

附图说明

图1(a)和图1(b)为本实用新型第一实施例的自由曲面棱镜组截面图。

图2为本实用新型第二实施例的自由曲面棱镜组截面图。

具体实施方式

以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二等词汇仅理解为区分不同的部分，而不包含顺序的限定性作用，并且，在不同的实施例中，同样被称为第一部分的组件结构也可以是不相同的。

根据本发明的一种实施方式，如图1(a)所示，自由曲面棱镜组包括成像用自由曲面棱 镜10和补偿用自由曲面棱镜20。每个自由曲面棱镜包括至少3个表面以围成体形态，其中具有至少两个光学有效表面。具体在实际运用中，来自微型显示器件5发出的图像光经过自由曲面棱镜10的第三表面4透射，在自由曲面棱镜10的表面2上全反射到凹反射表面3上，经自由曲面棱镜10的表面3反射后透过表面2，经出瞳位置1到观察者的瞳孔；表面3具有半反半透膜，光线入射到自由曲面棱镜10的表面3时部分光线会直接损失，光学能量损失1/2，而环境光则通过补偿用自由曲面棱镜20入射，在由光学有效表面6、7所包围的部分中传播，再经由表面3和表面2的直接透射进入观察者的瞳孔。为了避免环境光过强时影响图像光的显示对比度，在补偿用自由曲面棱镜20面对环境光的表面7上设置有光致变色层。更进一步的，成像用自由曲面棱镜10和补偿用自由曲面棱镜20的非有效光学表面，例如侧表面，也具有光致变色层，以避免强环境光对图像光的影响。

作为一种可替代的方式，补偿用自由曲面棱镜20在形成时可以掺杂光致变色材料，以使其中包含光致变色染料，任何已知的形成变色镜片的方式均可用于使自由曲面棱镜20内包含光致变色染料，以达到在强光照射时补偿用自由曲面棱镜20的颜色变深，以减少环境光入射至观察者瞳孔的强度。优选的方式为，在光入射方向上，在自由曲面棱镜20中的光致变色染料的浓度分布与厚度成反比，即，对于如图1(a)所示的自由曲面棱镜20，光入射方向为OX，自由曲面棱镜20在上部的厚度小而下部的厚度大，呈大致楔形的截面，其中包含的光致变色染料的浓度在厚度小的部分浓度高，在厚度大的部分浓度低，这样的设置方式可以目的在于使环境光经过不同光路距离后达到同一衰减后的强度，确保在观察者处的环境光成像的均匀性。

虽然如图1(a)所示的，成像用自由曲面棱镜10和补偿用自由曲面棱镜20通过胶合粘结紧密排列在一起，表面3和6具有一致的自由曲面面型，但同理的，如图1(b)所示的，成像用自由曲面棱镜10和补偿用自由曲面棱镜20也可以分离安装，中间具有预定间隔的薄空气隙。

根据本发明的另一种实施方式，如图2所示，自由曲面棱镜组包括成像用自由曲面棱镜10A和补偿用自由曲面棱镜20A。每个自由曲面棱镜包括4个表面以围成体形态，胶合或者分立设置构成自由曲面棱镜组。具体在实际运用中，来自微型显示器件5发出的图像光经过投影透镜组6入射至自由曲面棱镜10A的表面1A透射，在表面2A被全反射从而在自由曲面棱镜10A中以全反射形式向前传播，经由表面3A的反射后，不再满足全反射条件，从而从表面1A透射到观察者瞳孔。与前种实施方式相同，在表面3A上具有半反半透膜，环境光则通过补偿用自由曲面棱镜20A入射，经表面4A和5A透射进入观察者的瞳孔。为了避免环境光过 强时影响图像光的显示对比度，在补偿用自由曲面棱镜20A面对环境光的表面4A上设置有光致变色层。进一步的，在自由曲面棱镜10A朝向环境的表面也设置有光致变色层。

与前述实施例类似的，补偿用自由曲面棱镜20A在形成时可以掺杂光致变色材料，以使其中包含光致变色染料，任何已知的形成变色镜片的方式均可用于使自由曲面棱镜20内包含光致变色染料，以达到在强光照射时补偿用自由曲面棱镜20A的颜色变深，以减少环境光入射至观察者瞳孔的强度。优选的方式为，在光入射方向上，在自由曲面棱镜20中的光致变色染料的浓度分布与厚度成反比，即，对于如图2所示的自由曲面棱镜20A，光入射方向为OX，自由曲面棱镜20A在左部的厚度略小而右部的厚度略大，呈大致楔形-矩形的截面，其中包含的光致变色染料的浓度在厚度小的部分浓度高，在厚度大的部分浓度低，这样的设置方式可以目的在于使环境光经过不同光路距离后达到同一衰减后的强度，确保在观察者处的环境光成像的均匀性。

已知的，光致变色(photochromism)是指一个化合物在受到一定波长的光辐照下发生化学反应获得另一种颜色的产物,而在另一波长的光照射下或热的作用下,又能恢复到原来的形式。这种在光的作用下能发生可逆颜色变化的化合物,称为光致变色染料。能够满足可逆反应是光致变色的一个重要标准,如果在光作用下发生的不可逆反应,也可导致颜色的变化,但只属于光化学反应，不作为本发明的中的光致变色讨论。具有光致变色的材料的镜片通常被称作变色镜片。通常，玻璃材质的变色镜片中添加的光致变色材料为卤化银，树脂材料的变色镜片则主要为在加入吡螺环等化学物质。

具有光致变色层或者包含有光致变色染料的变色镜片在阳光下经紫外线和短波可见光照射，颜色变深，光透过率降低,减少透过的光强度并过滤部分波长的光线，例如红外线、紫外线或者蓝光。在室内或暗处镜片光透过率提高，退色复明。

光致变色树脂镜片是在树脂材料中加入了光致变色染料而获得的,在特殊波段的光线辐射作用下,这些光致变色染料的结构发生变化，改变了材料的光吸收能力。以镀膜法形成为光致变色层时，光致变色材料一般可以选自螺萘并恶嗪或其衍生物或螺环吡喃；光致变色层也可以用渗透法等获得。将光致变色染料分散于镜片时，可以采用重氮基引发剂取代过氧化物引发剂的工艺,将一种或多种选自螺型嗪、螺型吡喃类和色烯类化合物的光致变色染料直接掺入至聚合单体中进行本体聚合。或者，利用共混加工法，以丙烯酸类聚合物或聚苯乙烯类聚合物为基材,添加一种或几种光致变色物质,再添加抗氧化剂、受阻胺类光稳定剂、分散剂、偶联剂等添加剂,均匀混合后经造粒，再在高温、高压下注塑成型。

根据本实用新型的上述实施方式，可以以光学树脂形成各自由曲面棱镜，重量很轻，通 过设置光致变色层或者形成时使其中包含光致变色染料，从而实现了在用作增强现实的近眼显示装置时，无需借助额外的滤光罩即可有效减少了强环境光的影响，且并不影响微型显示器件发出的图像光的光能得到有效利用，提高了强光环境下的视觉图像融合舒适性。可选的，近眼显示装置还可以进一步包括环境光传感器，连接至近眼显示装置的控制器以提供环境光强度信息，控制器根据所述环境光强度信息控制所述微型显示器件的亮度，进一步提升视觉图像融合的舒适性。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，上述内容并不用于限制本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。