一种近眼显示光学系统的制作方法

本发明涉及增强现实眼镜光学设计技术领域，具体涉及一种近眼显示光学系统。

背景技术：

增强现实(简称ar)，能够给使用者提供大画面和3d效果，是第三代计算平台和显示终端。具有非常广泛的应用前景。

目前，有多种ar技术，包括自由曲面棱镜，离轴折反射结构，波导眼镜等，属于面对称或者轴对称结构，都无法解决大视场角，大出瞳直径与体积之间的矛盾。且现有ar光学显示系统无法实现变焦以及矫正近视等功能。

技术实现要素：

本发明为解决现有ar眼镜视场角小，出瞳直径小，系统笨重的问题，提供一种近眼显示光学系统。

一种近眼显示光学系统，包括透明显示系统、球面反射镜片和变焦调节系统；人眼前方放置透明显示系统，透明显示系统前方设置球面反射镜片，其特征是:所述透明显示系统能够显示图像，并具有透明的性质；所述变焦调节系统能够调节透明显示系统与球面反射镜片之间的距离，实现动态变焦，用以显示不同距离的虚拟物体，或者矫正佩戴者的度数。所述透明显示系统包括靠近人眼一侧的透明显示系统基底层，在所述透明显示系统基底层上沿远离人眼一侧依次设置电致变色层、透明集成电路层、透明发光层以及透明显示系统发光侧保护膜；所述透明发光层由多个微米级透明发光像素单元构成；所述电致变色层由多个毫米级或亚毫米级电致变色像素单元构成；所述透明集成电路层根据所要显示的图像通过电压驱动单个透明发光像素单元扫描发出的光线，同时控制发光的透明发光像素单元背侧的电致变色像素单元变暗来吸收通向人眼的光；所述透明显示系统基底层靠近人眼一侧的弧度根据使用者的度数相应调整。

在球面反射镜片表面可以安装动态遮光层，所述动态遮光层由单像素或者像素阵列构成，其中每个像素通过电信号单独控制其透过率，从而实现ar和vr的切换，或者增强虚拟图像的对比度。

本发明还提出一种近眼显示光学系统，包括线状显示系统、球面反射镜片、透明保护层和变焦系统；其特征是：

人眼前方依次为透明保护层，线状显示系统和球面反射镜片；所述线状显示系统中的发光像素单元分布在线状显示系统上；所述线状显示系统运动刷新出画面，通过视觉暂留效应，实现显示功能；所述变焦系统能够通过动态调节线状显示系统与球面反射镜片之间的距离进行变焦。所述透明保护层两侧表面弧度可以根据使用者的度数相应调整。

所述线状显示系统为多条，每条线状显示系统上分布有阵列式红绿蓝混合像素单元；多列红绿蓝混合像素单元对齐排布或沿着线状显示系统两端方向逐渐增多像素数排布；或者每条线状显示系统上分别分布红色像素单元、绿色像素单元和蓝色像素单元，独立驱动每种像素单元在空间对应的位置上显示的光强，通过转动的各像素单元在同一显示位置上发出不同颜色的光叠加之后合成所需要的彩色。

所述线状显示系统为弧线状显示系统，其制造方法采用下述步骤实现：

步骤一、采用小于或等于100微米的硅基板作为线状显示系统的基底；

步骤二、在步骤一所述的基底上通过光刻，蒸镀的工艺，制造出控制集成电路后放置多个发光单元形成控制与发光层；

步骤三、将步骤二所生产的发光面板切成小于2mm宽度的直线状发光细条；

步骤四、将步骤三获得的直线状发光细条放置在所需柱面控制基底上，在两侧施加压力；

步骤五、将线状的发光细条紧贴在柱面控制基底上，形成所述线状显示系统。

所述线状显示系统可由多段直线子显示单元拼接组成，其制造方法采用下述步骤实现：

将多段直线子显示单元进行连接，在相邻的直线子显示单元的连接处填充直线子显示补偿单元，最后拼接成所需的线状显示系统；或将多段直线子显示单元进行连接，直线子显示单元拼接不发光区域相互错位，通过旋转相互补偿实现完整显示。

所述线状显示系统通过中心旋转轴与透明保护层连接，中心旋转轴支撑线状显示系统旋转；或者所述线状显示系统通过位于边缘的滑动轴承来支撑旋转；

所述球面反射镜片表面亦可安装动态遮光层，所述动态遮光层由单像素或者像素阵列构成，其中每个像素通过电信号单独控制其透过率，从而实现ar和vr的切换，或者增强虚拟图像的对比度。

所述球面反射镜片还可以制造成带状旋转球面反射镜片，所述带状旋转球面反射镜片同线状显示系统同步旋转，实现图像的显示。

所述线状显示系统采用无线数据接收器接收图像信息；或采用感应线圈和信号发送槽，实现图像信息的无线传输；所述感应线圈放置在信号发送槽中间，与信号发送槽两壁不接触；感应线圈通过电磁感应，接收信号发送槽发出的数据。

本发明的有益效果：提出了一种近眼显示可变焦的光学系统，根据所显示图案的远近，实现动态变焦，从而改善使用效果，解决眩晕的问题。同时，本发明提出的近视或老花矫正方案可以适应不同视力的人群，提高广泛性。

本发明提出了具体的透明显示屏幕的构造原理，提出的线阵显示系统的不同构造方案和制造方案，能够提升显示的分辨率，制造过程可行性高，能够实现量产。

本发明所述的光学系统具有球对称结构的ar光学显示系统，能够同时实现大视场角，高分辨率，小体积。完善了变焦，近视矫正。

附图说明

图1为本发明所述的一种近眼显示光学系统的结构示意图；

图2为图1中部分反射面的位置关系示意图；

图3为本发明所述的一种近眼显示光学系统中透明显示系统的结构示意图；

图4为图3中透明显示系统基底层的形状示意图；

图5为图3中透明显示系统基底层的另一种形状示意图；

图6为本发明所述的另一种近眼显示光学系统的结构示意图；

图7为图6中无线传输部分的结构示意图；

图8为图6中旋转中心有轴的结构示意图；

图9为旋转系统中pcb接收板示意图，其中，图9a为使用分区线圈结构，图9b为使用连续线圈；

图10为图6中线状显示系统的结构示意图，其中，图10a为红绿蓝混合像素单元排布示意图，图10b为红绿蓝混合像素单元的分解示意图；

图11为红绿蓝三基色像素单元在线状显示系统上排布原理图；其中，图11a为绿蓝三基色像素单元间隔120°设置的示意图，图11b为采用等角度排布的原理图；

图12中图12a为两列红绿蓝混合像素单元排布示意图，图12b为四条独立线状显示系统中，每条上分布一列红绿蓝混合像素单元的示意图；

图13中图13a和图13b分别为两条和四条红绿蓝混合像素单元的示意图，图13c为像素在整个球面上任意分布的示意图；

图14为图6中线状显示系统的一种制作方法流程图；

图15为图6中线状显示系统的另一种制作方法原理图；

图16为图6中线状显示系统的第三种制作方法原理图；图16a为显示子单元的连接关系示意图；图16b为采用补偿单元的原理图；图16c为距离中心上下补偿的示意图；

图17为使用带状反射镜与显示系统同步旋转的示意图；

图18为采用动态遮光层的示意图；

图19为显示系统以及球面反射镜允许形变的示意图；

图中：1、透明显示系统，1-1、透明显示系统发光侧保护膜，1-2、透明显示系统基底层，1-3、透明显示系统延伸端，1-4、透明集成电路层，1-5、电致变色层，1-5-1、电致变色像素单元，1-6、透明发光层，1-6、透明发像素单元，1-7、线状显示系统，1-7-1、红绿蓝混合像素单元，1-7-2、红色像素单元，1-7-3、绿色像素单元，1-7-4、蓝色像素单元，1-7-5、超薄硅基板，1-7-6、控制与发光层，1-7-7、柱面控制基底，1-7-8、直线子显示单元，1-7-9、直线子显示补偿单元，1-7-10、直线子显示单元拼接不发光区域，1-8、线状显示系统延伸端，1-9、显示系统内侧不规则形状，1-10、显示系统外侧不规则形状，1-11、显示系统内侧球面理想形状，1-12、显示系统外侧球面理想形状，1-13、旋转中心轴，1-14、显示系统供电及驱动pcb，1-14-1、永磁体，1-14-2、无线接收线圈单元，1-14-3、无线接收线圈暗连接，1-14-4、无线接收线圈阴极，1-14-5、无线接收线圈阳极，1-14-6、无线接收大线圈，2、球面反射镜片，2-1、球面反射镜片内测，2-2、球面反射镜片外侧，2-3、反射镜片内侧非球面形状，2-4、反射镜片外侧非球面形状，2-5、球面反射镜片内侧理论形状，2-6、球面反射镜片外侧理论形状，3、眼睛，4、变焦调节系统，5、镜框，6、镜腿，7、透明保护层，7-1、透明保护层内测，7-2、透明保护层外侧，7-3、轴承或轴套，8、定子驱动线圈，9、转子永磁体，10、滑动轴承，11、无线数据接收器，12、探测器，13、靶标，14、感应线圈，15、信号发送槽、16、驱动及无线发射pcb，17、动态遮光层，18、外侧球面保护镜片，19、带状旋转球面反射镜片。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，一种近眼显示光学系统，如图1和图2所示，包括透明显示系统1、球面反射镜片2、变焦调节系统4、镜框5和镜腿6等，人眼前方放置透明显示系统1，透明显示系统1前面设置球面反射镜片2，所述球面反射镜片2具有两个面2-1和2-2，其中一个面为部分反射面，另外一个面为透射面，部分反射面可设置在内侧(图1)，也可设置在外测(图2)，另外一个透射面位置做相应调整。

所述透明显示系统1位于球面反射镜片2的焦面附近1cm范围之内，如图3所示，透明显示系统1由透明显示系统发光侧保护膜1-1、透明显示系统基底层1-2、透明显示系统延伸端1-3、透明集成电路层1-4、电致变色层1-5和透明发光层1-6构成，所述透明发光层1-6由多个微米级透明发光像素单元1-6-1构成；所述电致变色层由多个毫米级或亚毫米级电致变色像素单元1-5-1构成，电致变色像素单元1-5-1可以为电润湿、液晶或其他可以通过电压能够使其变色的材料；其功能是遮挡透明发光像素单元1-6-1直接射向人眼的光。

所述透明显示系统基底层1-2的外端面设置透明显示系统延伸端1-3，所述透明显示系统1通过透明显示系统延伸端1-3连接到镜框5上，球面反射镜片2外沿连接到镜框5上，所述变焦调节系统4设置在镜框5上，所述镜腿6与镜框5相连接，所述变焦调节系统4用于调节透明显示系统1与球面反射镜片2之间的距离，实现动态变焦。

本实施方式中，所述透明显示系统1中透明显示系统基底层1-2靠近人眼一侧的弧度可以根据使用者的度数来做相应的调整。如图4所示，如佩戴者为近视，则1-2两边厚中间薄，如图5所示，如佩戴者为远视，则两边薄中间厚。透明显示系统基底层1-2的面型可以为球面，也可以为非球面。

本实施方式中，所述透明集成电路层1-4根据所要显示的图像驱动透明发光像素单元1-6-1扫描发出相应的光线，同时控制发光的透明发光像素单元1-6-1背侧的电致变色像素单元1-5-1变暗来吸收通向人眼的光，从而提高对比度。

本实施方式中，所述透明集成电路层1-4可以为有源显示驱动或者无源显示驱动。

本实施方式中，显示系统允许偏离理想球面1cm以内的形变，以达到个性化或降低制造难度的效果，如图17所示，虚线所示，显示系统内侧球面理想形状1-11、显示系统外侧球面理想形状1-12、球面反射镜片内侧理论形状2-5、球面反射镜片外侧理论形状2-6为理想的形状，而实线所示，显示系统内侧不规则形状1-9、显示系统外侧不规则形状1-10、反射镜片内侧非球面形状2-3和反射镜片外侧非球面形状2-4为实际产品的表面形状。本实施方式所述的光学系统对公差灵敏度低，作为优选，形变值与理想形状之间的差值需要小于0.5mm。

如图18所示，球面反射镜片外部可放置动态遮光层17，所述动态遮光层(17)可由单像素或者像素阵列构成，其中每个像素可通过电信号单独控制其透过率，可以根据显示内容实现动态遮光，同时能够支持ar和vr的切换。

具体实施方式二、结合图6至图16说明本实施方式，一种近眼显示光学系统，包括线状显示系统1-7、线状显示系统延伸端1-8、球面反射镜片2、镜框5、镜腿6、透明保护层7、定子驱动线圈8、转子永磁体9、滑动轴承10、无线数据接收器11、探测器12和靶标13，所述线状显示系统1-7的外端面与线状显示系统延伸端1-8连接，人眼前方放置透明保护层7，透明保护层7前方放置线状显示系统1-7，线状显示系统1-7前方设置球面反射镜片2，所述球面反射镜片2具有两个面2-1和2-2，其中一个面为部分反射面，另外一个面为透射面，部分反射面可设置在外侧，也可设置在内侧，另外一个透射面位置做相应调整；

所述定子驱动线圈8固定在镜腿5上，转子永磁体9、无线数据接收器11和靶标13与滑动轴承10刚性连接，所述滑动轴承10与镜框5之间相隔一小于2mm的空气或者液体薄层(起到减少摩擦作用的液体或气体)，探测器12与镜框5刚性连接；

所述线状显示系统1-7位于球面反射镜片2的焦面1cm范围内，与透明保护层7的距离小于1cm，其发出的光线通过球面反射镜片2的部分反射面反射后进入人眼；所述线状显示系统1-7的宽度需小于人眼瞳孔最小值，作为优选，一般小于2mm，其可以为任意形状。

所述线状显示系统1-7中的发光像素单元任意分布在线状显示系统1-7上；所述线状显示系统1-7通过定子驱动线圈8驱动转子永磁体9，联动滑动轴承10旋转刷新出整幅画面，通过视觉暂留效应，实现显示功能。

所述线状显示系统1-7也可以通过中心旋转轴1-13与透明保护层7连接；透明保护层中心放置轴承或轴套7-3，来降低摩擦和噪音，保证线状显示系统1-7的旋转。为防止遮挡视线，中心旋转轴1-13与轴承或轴套7-3的总尺寸越小越好，作为优选，最大尺寸口径需要在2mm以下。所述线状显示系统1-7的外端与显示系统供电及驱动pcb1-14刚性连接，在线状显示系统延伸端1-8上可布置显示驱动芯片，无线信号接收芯片以及位置探测装置等。显示系统供电及驱动pcb1-14上布置永磁体1-14-1、无线接收线圈单元1-14-2以及位置探测器等，永磁体1-14通过驱动及无线发射pcb16的驱动使线状显示系统1-7旋转。同时，无线接收线圈单元1-14-2通过相互连接形成整体线圈，最后通过无线接收线圈阴极1-14-4以及无线接收线圈阳极1-14-5给线状显示系统1-7供电。作为优选，显示系统供电及驱动pcb1-14为大于2层的多层板。无线接收线圈单元1-14-2接收驱动及无线发射pcb16的电磁信号，从而感应出电动势。

如图9b所示，通过在永磁体1-14-1上布线，能够解决永磁体的阻断作用，从而实现连续的布线，能够形成无线接收大线圈1-14-6。从而增大接收效率。

所述驱动及无线发射pcb16具有发射线圈以及驱动永磁体1-14-1旋转的线圈构成，同时也可以加入位置探测如红外探头等器件，作为优选，驱动及无线发射pcb16是大于2层的多层板。

作为优选，眼镜框5可以选用具有电磁屏蔽功能的材料如各种金属等，以屏蔽电磁泄漏，避免长期携带对人体造成影响。

本实施方式中，所述无线数据接收器11能够通过无线的方式接收所需要显示的图像信息，一般所使用的无线技术包括uwb、wifi、红外、lifi和毫米波等无线技术。

本实施方式中，通过感应线圈14和信号发送槽15，同样可以实现数据的无线传输，如图7所示，图像信息一般由多路传输线来传输，感应线圈14放置在信号发送槽15中央，与信号发送槽15两壁非常接近(<0.5mm)但与其无物理接触，感应线圈通过电磁感应，来接收信号发送槽15发出的数据。

本实施方式中，所述探测器12能够探测靶标13的信息，从而确定线状显示系统1-7的转速和位置。探测器12可为红外探测器和霍尔传感器等。靶标13可为红外发射器或者小磁体。

结合图10至图13说明本实施方式，所述线状显示系统1-7位于球面反射镜片2的焦面附近1cm范围之内，其发出的光线通过球面反射镜片2的部分反射面反射后进入人眼。为了不遮挡反射回来的光线，所述线状显示系统1-7的宽度需小于人眼的瞳孔直径。作为优选，其宽度最好小于1mm。如图10所示，线状显示系统1-7中，发光像素单元按照特定形状分布，线状显示系统1-7由多列红绿蓝混合像素单元1-7-1对齐排布(图10a)。

本实施方式中，当每条线状显示系统1-7上分布一列红绿蓝混合像素单元1-7-1时，相邻条之间的红绿蓝混合像素单元1-7-1间隔至少两个像素单元，相邻条中间隔的位置交错排布。

当每条线状显示系统1-7上分布多列红绿蓝混合像素单元1-7-1时，每条线状显示系统1-7中的红绿蓝混合像素单元1-7-1间隔至少两个像素单元，相邻列间隔位置交错排布。保证旋转画面的完整性。

为了增大像素单元密度，排布每一圈时，红色像素单元1-7-2、绿色像素单元1-7-3和蓝色像素单元1-7-4按照旋转轨迹排布(图10b)，首先将所要显示的图案根据三基色分解，然后独立驱动每种颜色在空间对应的位置上显示的光强，由于视觉暂留效应，在同一位置上，快速转动的像素单元在不同时刻不同颜色光的叠加同样可以形成所需要的彩色。

如图11a所示，红色像素单元1-7-2、绿色像素单元1-7-3和蓝色像素单元1-7-4分别以120°为间隔排布在每条线状显示系统1-7上，通过快速的旋转和视觉暂留效应，可以形成彩色画面。显然，也可以采用等角度排列更多条线状显示系统，如图11b。

如图12所示，由于每个像素单元的轨迹为同心圆，可以设计像素单元的排布方式，使得像素单元之间的距离增大，再经过多条之间互相填充，从而达到高密度，同时降低制造难度。图12a中，采用两列红绿蓝混合像素单元1-7-1，列轨迹与同心圆之间的交点上排布像素单元，每列中像素单元间隔一个交点。这种排布中，像素单元之间距离增大，但是旋转扫描刷新显示后，视觉上不降低显示的像素单元密度。图12b中，采用四条独立的线状显示系统1-7，每条上面分布一列红绿蓝混合像素单元1-7-1，每列中像素单元可以间隔3个像素单元，旋转刷新显示时，同样不降低空间像素单元密度。

旋转显示系统中，边缘扫过的弧线长度比中心长，如果边缘与中心的像素单元数量相同，在旋转刷新显示呈像中，边缘显示的像素单元密度比中心显示像素单元密度小，对显示系统的刷新率要求更高。在显示系统刷新率不足时，可能产生从圆心向外发散的扇形缝隙，还可能出现边缘暗中心亮的问题，影响到图像显示质量。为了解决这个问题，如图13所示，随着像素单元离旋转中心的距离越远，逐渐增多每个同心圆上的像素单元数量，可以提高边缘的显示质量，同时降低显示系统的刷新率要求。同样的，整个系统中可以有两条(图13a)，十字排布的四条(图13b)，或者等角度排布的多条。

如图13c所示，为了降低制造过程中，因为像素过于密集导致的困难，借助旋转的优势，可以将像素距离尽可能大的排布在整个球面上，只要保证像素旋转轨迹构成完整的面，则旋转过程中，通过视觉暂留效应，都可以形成完成的画面。为了进一步优化显示的均匀性，排布在每一圈上的像素数目可以随着旋转轨迹半径的增大而增多。

本实施方式中，所述显示系统向下兼容低性能主机的优化方法为：

线状显示系统1-7的弧长和视场角相关，弧长越长则视场角越大；在弧长相同的情况下，像素单元密度和分辨率相关，像素单元密度越高则分辨率越高。

为了兼容多种不同性能的主计算单元，因此，同一线状显示系统1-7可以根据不同计算单元的计算能力动态调节分辨率和视场角。设计如下：

线状显示系统1-7初始设计的视场角和分辨率优先考虑与高性能主计算单元配对使用，并支持向下兼容性能相对更弱的主计算单元，默认将线状显示系统1-7所设计的最大视场角和最高分辨率参数设定为系统标准值。

当增强现实眼镜与性能较弱的主计算单元相匹配，且该主计算单元性能无法满足线状显示系统1-7的系统标准值所设定的分辨率或视场角参数时，采用以下方式渲染并显示：

1.仅降低视场角，不降低像素单元密度。主计算单元缩小所渲染图像的视场角以降低图像渲染的数据量，线状显示系统1-7也缩小显示区域弧长，即线状显示系统1-7旋转刷新图像时不点亮像素单元数据缺失的像素单元。

2.仅降低像素单元密度，不降低视场角。主计算单元通过降低图像渲染的像素单元密度以减少渲染数据量，同时线状显示系统1-7旋转刷新图像时不点亮像素单元数据缺失的像素单元。

3.既降低视场角又降低像素单元密度。主计算单元缩小图像渲染视场角半径的同时，降低图像渲染的像素单元密度，同时线状显示系统1-7旋转刷新图像时不点亮像素单元数据缺失的像素单元。

本实施方式中，对含有屈光度数调节设计方式为：透明保护层7中靠近人眼的透明保护层内侧7-1的弧度可以根据使用者的度数来做相应的调整。透明保护层外侧7-2的弧度同样可做调节，作为优选，透明保护层外侧7-2的形状与显示系统1的形状相贴合。如佩戴者为近视，调整透明保护层内测7-1使得透明保护层7两边厚中间薄，如佩戴者为远视，则两边薄中间厚。

结合图14至图16说明本实施方式，还包括对线状显示系统1-7(屏幕)的设计制造方法，由如下步骤实现：

步骤一、采用小于或等于100微米的硅基板1-7-5作为线状显示系统1-7的基底；

步骤二、在步骤一所述的基底上通过光刻，蒸镀的工艺，制造出控制集成电路后放置多个发光microoled或者microled单元形成控制与发光层1-7-6；

步骤三、将步骤二所生产的发光面板切成小于2mm宽度的直线状发光细条；

步骤四、将步骤三获得的直线状发光细条放置在所需柱面控制基底1-7-7上，在两侧施加压力。

步骤五、将线状的发光细条紧贴在柱面控制基底1-7-7上，形成线状显示系统1-7。

另一种制造方法为：如图15所示，将多段直线子显示单元1-7-8连接成多边形来逼近所需的圆形，段数越多，误差越小。通过这种方法可以避免弯曲的过程，更容易制造。

如图16所示，多段直线子显示单元1-7-8之间连接处会有缝隙，因当前生产工艺的局限，缝隙处可能会缺失部分发光像素单元，导致线状显示系统1-7不连贯，所以通过添加直线子显示补偿单元1-7-9来补偿连接处的缝隙，这样就可以形成连续无缝的画面。或将多段直线子显示单元1-7-8连接成多边形，直线子显示单元拼接不发光区域1-7-10距离旋转中心上下相互错位，通过旋转相互补偿实现完整显示。该制造方法同样可结合图11像素单元排列方式，随着像素单元离旋转中心的距离越远，逐渐增多每个同心圆上的像素单元数量，提高边缘的显示质量。

如图17所示，本实施中，为了提高环境光的透过率，同时提高虚拟光的能量利用率，可以使用带状旋转球面反射镜片19跟线状现实系统1-7同步旋转的方式，所述带状旋转球面反射镜片19上镀有部分反射膜，外部可放置外侧球面保护镜片18。

如图18所示，球面反射镜片外部可放置动态遮光层17，所述动态遮光层17可由单像素或者像素阵列构成，其中每个像素可通过电信号单独控制其透过率，可以根据显示内容实现动态遮光，同时能够支持ar和vr的切换。本实施方式中，线状显示系统允许偏离理想球面1cm以内的形变，以达到个性化或降低制造难度的效果，如图19所示，虚线所示，显示系统内侧球面理想形状1-11、显示系统外侧球面理想形状1-12、球面反射镜片内侧理论形状2-5、球面反射镜片外侧理论形状2-6为理想的形状，而实线所示，显示系统内侧不规则形状1-9、显示系统外侧不规则形状1-10、反射镜片内侧非球面形状2-3和反射镜片外侧非球面形状2-4为实际产品的表面形状。本实施方式所述的光学系统对公差灵敏度低，作为优选，形变值与理想形状之间的差值需要小于0.5mm。