一种单像源双目近眼显示装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自由曲面棱镜，具体地说，尤其涉及一种适用于单像源近眼显示 装置的自由曲面棱镜、以及使用它的单像源近眼显示装置，该单像源近眼显示装置只需一 个高PPI的小型图像显示元件即可实现良好的双目视觉特性，有效的降低了近眼显示装置 的成本。
【背景技术】
[0002] 消费电子产品在近年来得到了蓬勃的发展，在智能手机之后，消费者已普遍地知 道虚拟现实(virtual reality)和增强(augmented reality)的概念，并追逐相关的各种产 品作为体验新技术的尝试，诸如Microsoft、FACEB00K、G00GLE等公司均推出了概念性的产 品，在这些产品中，大多使用了单独针对某只人眼的显示元件，或者分立于左右眼目视光学 系统上的两个中小型显示元件，即使这两个中小型显示元件可以集成在一体化形成，比如 Oculus与Samsung合作的gear VR设备，但无可避免的依然需要使用植入整体较大面积显示 器(如手机屏幕），相对于近眼显示装置需要的高PPI分辨率显示元件的需求而言，这样的设 置显然不够经济，极大的影响了近眼显示装置的制造成本，也无法在轻薄的光学系统下实 现良好的双目视觉特性。
[0003] 为了减少使用占据成本中高比例的显示元件，一些设计提出了基于分光镜的方 式，将来自显示元件的光经由诸如半反半透的分光镜分成两束而进入左右眼的目视系统， 但上述方式的弊端显而易见，由于分光镜的引入，光学系统的体积无法变得更薄，光损失也 变大，并不利于设备的轻薄化，影响近眼显示装置的使用体验。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在提供一种单像源双目近眼显示装置，其基于自由曲面棱镜实现，在仅 使用单一微型显示元件的情况下，通过有效光学面和反射元件的位置配合，能够实现良好 的双目视觉体验，并具有超薄的体积，可以作为夹片型的外设附着于主体框架或者普通校 正眼镜存在。
[0005] 根据本发明的一种单像源双目近眼显示装置，包括:一微型显示元件;第一自由曲 面棱镜和第二自由曲面棱镜；用于将所述微型显示元件发出的光反射至位于左侧的第一自 由曲面棱镜的第一反射镜，用于将所述微型显示元件发出的光反射至位于右侧的第二自由 曲面棱镜的第二反射镜，所述微型显示元件位于第一和第二自由曲面棱镜的中线上，显示 面垂直于所述中线设置，与所述第一和第二反射镜相对，且与出瞳相平行;所述第一和第二 反射镜的反射面下边缘位置不凸出于所述第一和第二自由曲面棱镜的下边缘位置。
[0006] 作为一种具体实施的方式，所述第一反射镜包括第三自由曲面棱镜，所述第二反 射镜包括第四自由曲面棱镜;所述第三和第四自由曲面棱镜至少包括一个非球面面型的自 由表面，且所述第三和第四自由曲面棱镜的位置关于所述中线对称。
[0007] 其中，所述第三和第四自由曲面棱镜可以形成为一整体;第三和第四自由曲面棱 镜的光入射面相对于微型显示元件设置，并分别向所述中线方向内倾斜。
[0008] 优选的，第一至第四自由曲面棱镜中的每一个至少包括三个光学面，其中两个光 学面的光焦度与另外一个光学面不同。
[0009] 作为一种变形，第一和第二反射镜为一对关于所述中线呈对称分布的球面反射 镜，一对球面反射镜为分立设置或合为一体设置。
[0010] 根据本发明的自由曲面棱镜，具有轻薄易安装的优势，并且在反射元件的位置配 合下，能够不扩大整个光学系统的尺寸而将作为单一像源的微型显示元件发出的光合理分 配到左右两个自由曲面棱镜，提高光能利用率，减轻装置的重量和体积，从而提高了近眼显 示设备的实用性和舒适度，降低了实现VR、AR等各种近眼显示装置的成本。
【附图说明】
[0011] 图1为根据本发明第一实施例的近眼显示装置的光路图
[0012] 图2为根据本发明第二实施例的近眼显示装置的光路图
[0013] 图3为根据本发明一种变形例的近眼显示装置的光路图
[0014] 图4为根据本发明的近眼显示装置电连接外设装置后的系统框图
【具体实施方式】
[0015] 以下内容将参考附图和自由曲面棱镜的结构等来详细讨论具体实施本发明的实 际示例。本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。而 是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发 明的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照下述实施例之外的方式组合，组合后的技 术方案仍落在本申请的范围之内。
[0016] 第一实施例
[0017] 如图1所述，本发明的第一实施例的单像源双目近眼显示装置100的截面图，其包 括一个微型显示元件11，以及位于左右两侧的两套目视光学系统，可以理解的，左右两套目 视光学系统关于微型显示元件II的中心轴0呈对称分布，微型显示元件II的中心轴0与左右 两套目视光学系统的中线相重合。在下文中，将以左侧的目视光学为具体描述对象，说明本 发明的具体实施方案。
[0018] 左侧的目视光学系统包括第一自由曲面棱镜和与微型显示元件相对设置的第一 反射镜，第一反射镜为第三自由曲面棱镜，第一自由曲面棱镜和第三自由曲面棱镜均包括3 个光学面。为便于表达，采用逆光路方向，由人眼方向至微型显示元件，光线经由光学面11L 透射进入第一自由曲面棱镜，入射到光学面12L上反射回光学面11L，并在光学面11L上再次 发生全内反射到达光学面13L，透射至光学面14L进入第三自由曲面棱镜，再经由光学面15L 全内反射至光学面16L，在光学面16L上又一次发生反射后经由光学面15L射出到达微型显 示器II上。其中光学面121^、131^、151^、161^的光焦度为正，光学面111^、1礼的光焦度为负。本
[0019] 领域技术人员可以理解的，右侧的目视光学系统与左侧为对称设置，包括第二和 第四自由曲面棱镜，各光学面11R-16R与11L-16L相对设置，并具有一致的作用。第一自由曲 面棱镜和第二自由曲面棱镜的入射面11L、11R正对人眼设置，微显示器II位于两眼中心并 与第一、第三自由曲面棱镜构成(或第二、第四自由曲面棱镜构成）的光学系统的出瞳相平 行。为了避免视场中其它光线的影响，可以添加光阑G，光阑G可以位于整个光学系统的出瞳 位置处。
[0020] 进一步的，当本发明的第一实施例用作AR类显示装置时，还可进一步包括位于第 一自由曲面棱镜上方的楔形补偿棱镜，补偿棱镜包括外表面17L，光学面12L和17L构成的楔 形棱镜与第一自由曲面棱镜组成一个对外界投射光线的无焦系统，此时12U12R上镀制半 反半透膜，16U16R上镀制全反射膜，外界光线经由17L进入楔形补偿棱镜，在光学面12L透 射后进一步经过光学面11L透射进入人眼，由于12L和17L构成的楔形棱镜的补偿作用，外界 场景光线进入人眼不受影响。
[0021] 为制造和安装的便利需要，本发明的各自由曲面棱镜还可能包括其他的表面，但 鉴于这类表面通常不具备光学透射或者反射的作用而被进行诸如磨毛等处理，不作为本发 明中的光学表面进行讨论。
[0022]本领域技术人员可以理解的，在面对用户眼睛的光学面11L和11R，可以镀有消除 有害光线的防护膜，以避免对人眼视力的伤害。而当用作单纯的VR类近眼显示装置时，在光 学面12L和12R的表面外侧可镀有反射膜，确保光全反射的效率，并有效阻止外部光线不进 入自由曲面棱镜内部，避免杂散光对显示效果的影响。
[0023]根据本发明第一实施例的各光学表面参数可由下表1-1和表1-2表不，
[0025] ^表 Η
[0026] 其中表面12和表面16为ΧΥ多项式定义的自由表面，各项系数如表1-2所示：
[0028] 表1-2
[0029] 第二实施例
[0030] 与第一实施例类似，本发明的第二实施例如图2所示，也包括第一至第四自由曲面 棱镜，以左侧为例说明，位于微型显示元件21左侧的