一种可穿戴显示装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及可穿戴显示设备技术，尤其涉及一种可穿戴显示装置。


背景技术：

2.随着科技的发展，增强现实(ar)和虚拟现实(vr)眼镜越来越受到人们欢迎。
3.然而，目前主流的ar或vr眼镜光学系统包括多层镜片。整体厚度及体积较大，这种过于厚重的眼镜设计影响随身佩戴的体验和效果。而光波导方案的眼镜制造工艺复杂，价格偏贵。且其存在的彩虹效应难以改善。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种可穿戴显示装置，用以缩减可穿戴显示装置的体积和重量。且能够提供较小的畸变及较大的眼动范围。
5.本实用新型实施例提供了一种可穿戴显示装置，包括：
6.合色棱镜，所述合色棱镜包括第一入光面、第二入光面、第三入光面、第一反射膜、第二反射膜和与所述第三入光面相对的出光面；
7.第一显示器，用于发射形成图像的第一颜色成像光线，所述第一显示器的出光侧与所述第一入光面相对设置；
8.第二显示器，用于发射形成所述图像的第二颜色成像光线，所述第二显示器的出光侧与所述第二入光面相对设置；
9.第三显示器，用于发射形成所述图像的第三颜色成像光线，所述第三显示器的出光侧与所述第三入光面相对设置；
10.所述第一颜色成像光线被所述第一反射膜反射，并由所述出光面出射；所述第二颜色成像光线被所述第二反射膜反射，并由所述出光面出射；所述第三颜色成像光线透过所述第一反射膜和所述第二反射膜，并由所述出光面出射；
11.自由曲面棱镜，所述自由曲面棱镜包括入光侧和出光侧，所述出光面出射的成像光线包括所述第一颜色成像光线、所述第二颜色成像光线和所述第三颜色成像光线，所述成像光线射入所述入光侧，并从所述出光侧射出以形成所述图像，所述入光侧和/或所述出光侧的表面包括自由曲面；
12.其中，所述第一颜色成像光线、所述第二颜色成像光线和所述第三颜色成像光线的颜色互不相同。
13.可选的，所述第一显示器与所述第一入光面的距离为第一距离，所述第二显示器与所述第二入光面的距离为第二距离，所述第三显示器与所述第三入光面的距离为第三距离，所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离互不相等。
14.可选的，所述第一颜色成像光线、所述第二颜色成像光线和所述第三颜色成像光线的颜色包括红色、绿色和蓝色。
15.可选的，所述入光侧的表面包括非球面，所述出光侧的表面包括所述自由曲面。
16.可选的，所述自由曲面的面型矢高为：
[0017][0018][0019]
其中，c为曲率，k为圆锥系数，x为所述自由曲面所在的平面直角坐标系的x轴位置，y为所述自由曲面所在的所述平面直角坐标系的y轴位置，a
i
为第i项扩展多项式e
i
的系数，n为级数中多项式系数的总数。
[0020]
可选的，所述自由曲面棱镜还包括侧壁，所述成像光线在所述侧壁发生全反射。
[0021]
可选的，所述入光侧的表面设有增透膜。
[0022]
可选的，所述出光侧的表面设有半反半透膜。
[0023]
可选的，所述侧壁包括第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述第一侧壁和所述第三侧壁平行，所述第二侧壁和所述第四侧壁平行。
[0024]
可选的，所述侧壁包括第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述第一侧壁和所述第三侧壁相对设置，所述第一侧壁和所述第三侧壁的曲率一致。
[0025]
本实用新型实施例通过设置合色棱镜，合色棱镜包括第一入光面、第二入光面、第三入光面、第一反射膜、第二反射膜和与第三入光面相对的出光面；第一显示器，用于发射形成图像的第一颜色成像光线，第一显示器的出光侧与第一入光面相对设置；第二显示器，用于发射形成图像的第二颜色成像光线，第二显示器的出光侧与第二入光面相对设置；第三显示器，用于发射形成图像的第三颜色成像光线，第三显示器的出光侧与第三入光面相对设置；第一颜色成像光线被第一反射膜反射，并由出光面出射；第二颜色成像光线被第二反射膜反射，并由出光面出射；第三颜色成像光线透过第一反射膜和第二反射膜，并由出光面出射；自由曲面棱镜，自由曲面棱镜包括入光侧和出光侧，出光面出射的成像光线包括第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线，成像光线射入入光侧，并从出光侧射出以形成图像，入光侧和/或出光侧的表面包括自由曲面；其中，第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线的颜色互不相同。仅需一块自由曲面棱镜即可将经过合色棱镜合色的成像光线进行折射与反射，从而将成像光线调整到适合人眼观看的状态。大大降低了可穿戴显示装置的体积和重量。且本实用新型实施例利用了自由曲面优异的调节离轴像差能力和畸变较小的特性，因此能够在维持20
°
视场角的情况下，减小显示图像畸变。增大眼动范围，提升使用效果。
附图说明
[0026]
图1为本实用新型实施例提供的一种可穿戴显示装置的结构示意图；
[0027]
图2为本实用新型实施例提供的一种合色棱镜的光路示意图；
[0028]
图3为本实用新型实施例提供的一种显示器与合色棱镜的结构示意图；
[0029]
图4为本实用新型实施例提供的一种自由曲面棱镜的结构示意图；
[0030]
图5为本实用新型实施例提供的另一种自由曲面棱镜的结构示意图；
[0031]
图6为本实用新型实施例提供的又一种自由曲面棱镜的结构示意图；
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
[0033]
图1为本实用新型实施例提供的一种可穿戴显示装置的结构示意图，参见图1。本实用新型实施例提供了一种可穿戴显示装置，其中包括：
[0034]
合色棱镜1，合色棱镜1包括第一入光面、第二入光面、第三入光面、第一反射膜11、第二反射膜12和与第三入光面相对的出光面。
[0035]
第一显示器2，用于发射形成图像的第一颜色成像光线，第一显示器2的出光侧与第一入光面相对设置。
[0036]
第二显示器3，用于发射形成图像的第二颜色成像光线，第二显示器3的出光侧与第二入光面相对设置。
[0037]
第三显示器4，用于发射形成图像的第三颜色成像光线，第三显示器4的出光侧与第三入光面相对设置。
[0038]
第一颜色成像光线被第一反射膜11反射，并由出光面出射；第二颜色成像光线被第二反射膜12反射，并由出光面出射；第三颜色成像光线透过第一反射膜11和第二反射膜12，并由出光面出射。
[0039]
自由曲面棱镜5，自由曲面棱镜5包括入光侧和出光侧，出光面出射的成像光线包括第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线，成像光线射入入光侧，并从出光侧射出以形成图像，入光侧和/或出光侧的表面包括自由曲面。
[0040]
其中，第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线的颜色互不相同。
[0041]
其中，第一显示器2、第二显示器3和第三显示器4可以是发出纯色光的显示器件，例如可以是发出纯色光的oled屏幕或micro led屏幕。尤其micro led屏幕可以进一步降低可穿戴显示装置的体积和重量。第一反射膜11可以反射第一颜色成像光线，并透过第一颜色成像光线以外颜色的光线。第二反射膜12可以反射第二颜色成像光线，并透过第二颜色成像光线以外颜色的光线。第一反射膜11和第二反射膜12可以分别将第一颜色成像光线和第二颜色成像光线进行反射，被反射的第一颜色成像光线和第二颜色成像光线可以与第三颜色成像光线平行且重合。从而在出光面形成具有三种颜色的成像光线。第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线的颜色可以是任意三种颜色的组合，例如红色、绿色和蓝色三者的任意组合。图2为本实用新型实施例提供的一种合色棱镜的光路示意图，参见图2。以第一颜色成像光线的颜色为红色，第二颜色成像光线的颜色为蓝色，第三颜色成像光线的颜色为绿色为例。发出红光的第一显示器2显示只有红色的画面，红色的画面通过第一入光面进入到合色棱镜1后，由仅反射红光的第一反射膜11反射并到达出光面。发出蓝光的第二显示器3显示只有蓝色的画面，蓝色的画面通过第二入光面进入到合色棱镜1后，由仅反射蓝光的第二反射膜12反射并到达出光面。发出绿光的第三显示器4显示只有绿色的画面，绿色的画面通过第三入光面进入到合色棱镜1后，透过第一反射膜11和第二反射膜12到达出光面。通过第一反射膜11和第二反射膜12在合色棱镜1内位置和角度的设置，可以使红光、绿光和蓝光相互平行，且红色的画面、绿色的画面和蓝色的画面相互重合。例如
合色棱镜1可以是长方体，沿与该长方体的楞垂直的方向所形成的截面为正方型。正方形的两个对角线分别对应第一反射膜11和第二反射膜12的截面。第一反射膜11和第一显示器2之间呈45度，第二反射膜12和第二显示器3之间呈45度。第三显示器4与第一显示器2和第二显示器3之间均呈90度。由此即可使第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线平行且重合。
[0042]
从出光面出射的成像光线可以进入自由曲面棱镜5的入光侧，入光侧可以是非球面，也可以是自由曲面。成像光线可以在自由曲面棱镜5内反射或直接到达出光侧。成像光线经过出光侧的反射进入人眼6，形成放大的虚像。可以在自由曲面棱镜5靠近出光侧的一侧设置遮光物，以形成虚拟现实显示效果。或者自由曲面棱镜5靠近出光侧的一侧可以接收外界光线，外界光线可以和成像光线一同进入人眼6，从而形成增强现实的显示效果。入光侧为非球面时，出光侧可以是自由曲面。入光侧为自由曲面时，出光侧可以是非球面，也可以是自由曲面。自由曲面棱镜5可以通过自由曲面进行光线调整，可以根据实际需要进行自由曲面的设计。从而在改善成像畸变的同时，能够维持视场角在15
°
至25
°
之间。可选的，视场角为20
°
。本实用新型实施例仅采用一块自由曲面棱镜5进行光线调整，因此大大降低了可穿戴显示装置的体积和重量。可穿戴显示装置的加工、安装和调试更简单。且本实用新型实施例利用了自由曲面优异的调节离轴像差能力和畸变较小的特性，因此能够在维持20
°
视场角的情况下，减小显示图像畸变。提高了可穿戴显示装置的显示效果和佩戴效果。
[0043]
图3为本实用新型实施例提供的一种显示器与合色棱镜的结构示意图，参见图3。在另一些实施例中，第一显示器2与第一入光面的距离为第一距离d1，第二显示器3与第二入光面的距离为第二距离d2，第三显示器4与第三入光面的距离为第三距离d3，第一距离d1、第二距离d2和第三距离d3互不相等；
[0044]
第一颜色成像光线从第一显示器2到出光面的光程为第一光程；第二颜色成像光线从第二显示器3到出光面的光程为第二光程；第三颜色成像光线从第三显示器4到出光面的光程为第三光程；第一光程等于第二光程等于第三光程。
[0045]
其中，由于第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线的颜色互不相同。因此三种不同波长的光线之间存在着光程差。由于光程差的存在，会导致最终成像存在色差。因此可以通过根据第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线的颜色，调整第一显示器2、第二显示器3和第三显示器4与第一入光面、第二入光面和第三入光面之间的距离，从而使得第一颜色成像光线、第二颜色成像光线和第三颜色成像光线的光程相同。避免出现色差，影响显示质量。
[0046]
在另一些实施例中，入光侧的表面包括非球面，出光侧的表面包括自由曲面。
[0047]
其中，可以将入光侧的表面设计为非球面，出光侧的表面设计为自由曲面。通过入光侧的非球面表面将成像光线进行折射以调整光线，成像光线可以在自由曲面棱镜反射，并达到出光侧进行反射以进一步调整光线。
[0048]
在上一实施例基础上，自由曲面的面型矢高为：
[0049][0050]
[0051]
其中，c为曲率，k为圆锥系数，x为自由曲面所在的平面直角坐标系的x轴位置，y为自由曲面所在的平面直角坐标系的y轴位置，a
i
为第i项扩展多项式e
i
的系数，n为级数中多项式系数的总数。
[0052]
其中，曲率c、圆锥系数k、第i项扩展多项式e
i
的系数a
i
和多项式系数的总数n可以根据实际需要确定。多项式e
i
是在x，y方向的幂级数。其第一项是x，第二项是y，接着是x*x、x*y、y*y，以此类推。1次项有2项，2次项有3项，3次项有4项，以此类推，其最高次是20。使得多项式非球面系数总数的最大值为230。x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量纲的多项式系数。xy幂级数与其所对应的多项式系数可满足如下表格：
[0053]
[0054]
[0055][0056]
最大项与归一化半径可满足：
[0057]
最大项35归一化半径100
[0058]
通过上述自由曲面的面型能够在维持20
°
视场角的情况下，将可穿戴显示装置的图像显示畸变控制在3％以内，光瞳直径可以是4mm。自由曲面棱镜体积可以是长26mm，宽10mm，厚5mm，因此可以使整体模组厚度不超过7mm。以保证可穿戴显示装置的便携性及轻量化。
[0059]
可选的，可以通过增加自由曲面棱镜和合色棱镜的厚度，提高视场角。
[0060]
图4为本实用新型实施例提供的一种自由曲面棱镜的结构示意图，参见图4。在另一些实施例中，入光侧的表面设有增透膜51。
[0061]
其中，可以在入光侧的表面设置增透膜51，以增加成像光线射入自由曲面棱镜5的量，降低成像光线被入光侧的表面反射的量。提高可穿戴显示设备的显示亮度。
[0062]
图5为本实用新型实施例提供的另一种自由曲面棱镜的结构示意图，参见图5。在另一些实施例中，出光侧的表面设有半反半透膜52。
[0063]
其中，可以在出光侧的表面设置半反半透膜52，能够在不影响外界光线透过自由曲面棱镜5进入人眼以实现ar效果的前提下，增加成像光线的反射量。进而提高可穿戴显示设备的显示亮度。
[0064]
在另一些实施例中，自由曲面棱镜还包括侧壁，成像光线在侧壁发生全反射。
[0065]
其中，可以通过对入光侧的表面形状进行设计，或改变成像光线相对于入光侧的表面的入射角度，使成像光线相对于侧壁的入射角大于全反射的临界角，从而实现成像光线在侧壁发生全反射。避免部分光线因在侧壁发生折射而无法最终进入人眼，造成光强损失。
[0066]
在上一实施例基础上，全反射的次数为两次。
[0067]
其中，通过两次全反射可以使自由曲面棱镜的光路经过的表面不会引入鬼像。同时通过反射而非直射的方式传输成像光线，可以降低自由曲面棱镜的厚度，使可穿戴显示装置能够被设计得更轻薄，减小光学模组的体积。保证可穿戴显示装置的便携性及轻量化。
[0068]
继续参见图5。在另一些实施例中，侧壁包括第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；第一侧壁和第三侧壁平行，第二侧壁和第四侧壁平行。
[0069]
其中，成像光线在侧壁进行反射时，由于相对的侧壁之间相互平行，因此每一次成像光线相对侧壁进行反射的入射角均相同，只需保证成像光线相对侧壁进行第一次反射
时，成像光线的入射角大于全反射的临界角，即可确保成像光线相对侧壁的反射均为全反射。
[0070]
图6为本实用新型实施例提供的又一种自由曲面棱镜的结构示意图，参见图6。在另一些实施例中，侧壁包括第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；第一侧壁和第三侧壁相对设置，第一侧壁和第三侧壁的曲率一致。
[0071]
其中，侧壁也可以设置为球面，球面侧壁的曲率半径可以满足|r|>500mm。上述设置限定了侧壁的弯曲程度，因此限定了侧壁与成像光线之间的角度。以此确保成像光线相对侧壁的反射为全反射。
[0072]
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。