CN113253458B - 近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种近眼显示装置，包括：显示面板，位于显示面板出光侧的分光层，位于分光层背离显示面板一侧的成像透镜组，位于显示面板背离分光层一侧的相位延迟层，以及位于相位延迟层背离显示面板一侧的半透半反层。显示面板包括多个显示单元，其中，部分显示单元出射第一线偏振光，其余显示单元出射第二线偏振光；第一线偏振光直接透过分光层被成像透镜组成像于第一焦面，第二线偏振光经过分光层和半透半反层的反射，并经过相位延迟层的偏振状态的转化最终透过分光层被成像透镜组成像于第二焦面，由此可以实现多焦面图像显示，人眼可以看到多个景深的3D画面，从而有效解决了辐辏调节冲突的问题。

Description

近眼显示装置

技术领域

本公开涉及显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置。

背景技术

近眼随着近眼显示技术的不断发展，近眼显示产品由最初应用于军事领域，逐渐地被广泛应用于影视、教育、医疗等民事领域。

增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术是一种将虚拟场景叠加在现实环境中的增强投影方式，这两种较流行的显示方式已经进入了大众的视野，开始被广泛应用。AR显示可以将外界环境和虚拟世界融合，呈现出一种生动的交互式体验。近年来，很多AR显示设备相继出现，目前的AR显示设备是基于视差实现3D功能，普遍存在聚焦和辐辏深度不相匹配的问题，因而造成使用者生理不适，出现眩晕、视觉疲劳等症状。

发明内容

本公开实施例提供一种近眼显示装置，包括：

显示面板，用于图像显示；所述显示面板包括多个显示单元，其中，部分所述显示单元出射第一线偏振光，其余所述显示单元出射第二线偏振光；所述第一线偏振光与所述第二线偏振光的偏振方向相互垂直；

分光层，位于所述显示面板的出光侧，用于透射所述第一线偏振光，反射所述第二线偏振光；

半透半反层，位于所述显示面板背离所述分光层的一侧；

相位延迟层，位于所述显示面板和所述半透半反层之间，用于将所述分光层反射的所述第二线偏振光转化为圆偏振光，将所述半透半反层反射的圆偏振光转化为第一线偏振光；和

成像透镜组，位于所述分光层背离所述显示面板的一侧。

本公开一些实施例中，所述显示面板包括：

衬底基板；

多个像素岛，在所述衬底基板的一侧呈阵列排布；和

偏光层，位于所述像素岛背离所述衬底基板的一侧；

其中，一个所述像素岛和该像素岛对应的所述偏光层构成一个所述显示单元，所述像素岛包括多个像素单元，一个所述像素单元包括多个不同颜色的子像素单元；

所述像素岛分为第一像素岛和第二像素岛，所述第一像素岛对应的偏光层和所述第二像素岛对应的偏光层的偏振方向相互垂直。

本公开一些实施例中，所述第一像素岛和所述第二像素岛在第一方向和第二方向上交替排列；所述第一方向和所述第二方向交叉。

本公开一些实施例中，相邻的所述像素岛之间存在间隙。

本公开一些实施例中，所述像素岛的尺寸为0.5mm～2mm；相邻的所述像素岛之间的间隙的宽度为0.5mm～1.5mm。

本公开一些实施例中，所述显示面板为有机发光二极管显示面板、微型有机发光二极管显示面板和微型发光二极管显示面板中的一种。

本公开一些实施例中，所述分光层为反射式偏光片或金属线栅偏光片中的一种。

本公开一些实施例中，所述相位延迟层为四分之一波片，所述四分之一波片的光轴与所述第一线偏振光及所述第二线偏振光的偏振方向的夹角均为45°。

本公开一些实施例中，所述半透半反层的反射率与透过率之比为1:1。

本公开一些实施例中，所述成像透镜组包括至少一个透镜，所述透镜的面型为球面、非球面、菲涅尔面或者自由曲面中的一种。

本公开一些实施例中，所述显示面板与所述成像透镜组之间的距离小于所述成像透镜组的焦距。

本公开一些实施例中，所述分光层贴附于所述显示面板的出光侧的表面，所述相位延迟层贴附于所述显示面板背离所述分光层一侧的表面，所述半透半反层贴附于所述相位延迟层背离所述显示面板一侧的表面。

本公开一些实施例中，所述近眼显示装置为增强现实显示装置。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对本公开实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的近眼显示装置的侧视结构示意图之一；

图2为本公开实施例提供的显示面板的平面结构示意图；

图3为本公开实施例提供的像素岛的平面结构示意图；

图4为本公开实施例提供的显示面板的截面结构示意图；

图5为本公开实施例提供的光路原理图之一；

图6为本公开实施例提供的光路原理图之二；

图7为本公开实施例提供的光路原理图之三；

图8为本公开实施例提供的近眼显示装置的侧视结构示意图之二。

其中，11-显示面板，12-分光层，13-半透半反层，14-相位延迟层，15-成像透镜组，111-衬底基板，112-像素岛，112a-第一像素岛，112b-第二像素岛，113-偏光层，1121-像素单元，p-子像素单元，a-显示单元，a1-第一显示单元，a2-第二显示单元，S1-第一焦面，S2-第二焦面。

具体实施方式

为使本公开的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本公开做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本公开中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本公开保护范围内。本公开的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。

近眼显示装置是指佩戴在用户的眼部的显示设备，例如近眼显示装置通常以眼镜或头盔的形式呈现。近眼显示装置可以为用户提供AR体验。其中，AR近眼显示技术是将近眼显示装置产生的虚拟图像与真实世界的实景图像叠加显示，从而使用户能够从屏幕上看到最终的增强实景图像。

近眼显示装置所产生的像面的位置通常只有一个，但是大脑对于立体显示的融合，会向人眼视神经传递基于立体图像的多个像距聚焦的信号。人眼视神经收到的大脑调节信号与人眼实际聚焦对位唯一的像面位置发生冲突，这样导致人眼持续观看动态3D图像过程就会出现眼疲劳和晕眩，即辐辏冲突。

为了克服上述问题，可以采用多平面显示器方案，利用空间复用多个显示屏幕实现多平面显示，但是近眼显示装置的体积随着平面显示器的数量增加而变得庞大，成本也相应的提升。或者也可以在近眼显示装置中设置变焦透镜，但变焦透镜的响应相对速度有限，从而影响多焦面显示的体验效果。

针对以上存在的问题，本公开提供了一种近眼显示装置，可以有效解决辐辏调节冲突的问题，提升近眼显示的视觉体验，并且整体结构紧凑，体积较小，便于携带。

图1为本公开实施例提供的近眼显示装置的侧视结构示意图之一。

如图1所示，本公开实施例提供的近眼显示装置包括：显示面板11、分光层12、相位延迟层13、半透半反层14和成像透镜组15。

显示面板11用于进行图像显示，本公开实施例中显示面板11采用自发光型显示面板，这样可以省略使用背光模组，有利于减小显示面板的整体厚度，减小显示面板重量，以使近眼显示装置更加轻便，利于穿戴。

在具体实施时，显示面板11可以采用有机发光二极管(Organic Light EmittingDiode，简称OLED)显示面板、微型有机发光二极管(Micro-Organic Light EmittingDiode，简称Micro-OLED)显示面板和微型发光二极管(Mini Light Emitting Diode，简称Mini-LED)显示面板中的一种。

OLED显示又称为有机电激光显示、有机发光半导体显示。OLED显示面板中的发光器件为OLED，OLED属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。OLED显示面板为自发光型显示面板，因此不需要配备背光模组，器件整体厚度小，有利于将近眼显示装置小型化，更加利于整机安装。

Micro-OLED显示面板是将OLED器件微缩化，由此可以在有限尺寸内设置更多的像素，提高显示屏的分辨率。

Mini-LED显示面板中的发光器件为Mini-LED，Mini-LED显示面板是采用LED阵列构成的显示屏，采用Mini-LED作为显示子像素，通过控制各Mini-LED的显示亮度可以实现图像显示。LED显示器具有高亮度、耗功小、电压需求低、设备小巧便捷等特点，而Mini-LED是将LED微缩化，因此具有LED同样的优势，同时具有更小的尺寸，因此可以在有限的显示区域内设置更多的像素，提高图像分辨率。

除此之外，还可以采用其它类型的显示面板，本公开实施例在此不做限定。

分光层12，位于显示面板11的出光侧，用于透射第一线偏振光，反射第二线偏振光；其中，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互垂直。

在具体实施时，分光层12可以采用反射式偏光片或金属线栅偏光片中的一种。

反射式偏光片通常可以将偏振方向平行于入光面的线偏振光透射，将偏振方向垂直于入光面的线偏振光反射，从而实现反射分光的目的。

金属线栅偏光片包括多个平行排列的金属线栅，偏振方向平行于金属线栅的线偏振光可以透过，偏振方向垂直于金属线栅的线偏振光被反射，从而实现反射分光的目的。

除此之外，还可以采用其它可以实现反射分光的器件作为分光层，本公开实施例在此不做限定。

半透半反层13，位于显示面板11背离分光层12的一侧。半透半反层的作用为可以将被分光层12反射的光线再一次向分光层12的方向进行反射，同时还可以透射环境光，从而实现AR效果。

半透半反层13可以采用多个介质层堆叠设置，相邻的介质层的折射率不同，通过调节介质层的折射率以及介质层的厚度可以实现不同的透反比。在本公开实施例中，半透半反层13的反射率与透过率之比可以为1:1，由此可以有效反射被分光层12反射的光线，同时有效透射环境光，实现较佳的AR显示效果。

相位延迟层14，位于显示面板11和半透半反层13之间，用于将分光层12反射的第二线偏振光转化为圆偏振光，将半透半反层13反射的圆偏振光转化为第一线偏振光。

相位延迟层14具有相位延迟作用，因此转换光线的偏振态，在本公开实施例中，相位延迟层14可以采用四分之一波片，且四分之一波片的光轴与第一线偏振光及第二线偏振光的偏振方向的夹角均为45°。这样相位延迟层14可以将入射的线偏振光转化为圆偏振光，将入射的圆偏振光转化为线偏振光。

成像透镜组15，位于分光层12背离显示面板11的一侧。成像透镜组15位于靠近人眼的位置，用于对显示面板11的显示图像进行成像，显示面板11的用于近眼显示装置时尺寸较小，因此人眼无法直接观看显示面板11的显示图像，需要利用成像透镜组15将显示图像放大，并成像于人眼的正前方。

在具体实施时，显示面板11与成像透镜组15之间的距离小于成像透镜组15的焦距，由此，可以得到正立、放大的虚像。

在本公开实施例中，成像透镜组15包括至少一个透镜(图1以成像透镜组仅包括一个透镜为例)，透镜的面型为球面、非球面、菲涅尔面或者自由曲面中的一种。

球面透镜具有设计简单以及组装精度要求低等优势。而非球面透镜、菲涅尔面以及自由曲面透镜的厚度相对较小，可以优化像质，在进行光学设计时可以根据实际需要进行选择。

成像透镜组15中的透镜的材料可以采用玻璃或塑料，在此不做限定。

如图1所示，在本公开实施例中，显示面板包括多个显示单元a，其中，部分显示单元为第一显示单元a，其余显示单元为第二显示单元a2，第一显示单元a1出射第一线偏振光，第二显示单元a2出射第二线偏振光；第一线偏振光与第二线偏振光的偏振方向相互垂直。由此显示面板11可以出射偏振方向相互垂直的两种线偏振光。

图2为本公开实施例提供的显示面板的平面结构示意图，图3为本公开实施例提供的像素岛的平面结构示意图。

如图2所示，显示面板包括：衬底基板111和像素岛112。

衬底基板111通常位于显示面板的底部，具有承载的作用。衬底基板111可以采用光学透明度的较高的透明玻璃或者其它透明材料，无特殊折射率要求；主要起到环境光线及所需反射光线的透过作用，并作为一个载体支撑图像显示组件。

多个像素岛112在衬底基板111的一侧呈阵列排布。每个像素岛112用于显示部分图像，各像素岛112构成完整的显示图像。

如图3所示，像素岛112包括多个像素单元1121，一个像素单元1121包括多个不同颜色的子像素单元p。不同颜色的子像素单元p可以出射不同颜色的光线，再配合不同的亮度值可以实现全彩显示。

例如，一个像素单元1121可以包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，一个像素岛112包括呈阵列排布的多个像素单元1121。像素岛112内的像素单元1121紧密排布，相邻的像素岛112之间存在一定的间隙，这样既可以保证像素单元的数量足够多，又可以使环境光可以通过像素岛之间的间隙透射，由此可以实现高分辨率的AR显示。

在本公开实施例中，像素岛112的尺寸为0.5mm～2mm；相邻的像素岛112之间的间隙的宽度为0.5mm～1.5mm。像素岛112的尺寸取决于包含的像素单元的数量，而像素岛之间的间隙宽度一般小于像素岛的尺寸。

图4为本公开实施例提供的显示面板的截面结构示意图。

如图4所示，显示面板还包括：

偏光层113，位于像素岛112背离衬底基板111的一侧。像素岛112出射的光线在经过偏光层113之间转化为线偏振光。一个像素岛112和该像素岛112对应的偏光层113构成一个显示单元a。

本公开实施例提供的显示面板可为自发光型显示面板，那么自发光型显示面板中的发光器件的表面一般会设置封装结构，偏光层113可以形成于封装结构的表面，如果工艺允许的情况下，也可以直接形成于封装结构的内部，在此不做限定。

本公开实施例中的显示单元a分为第一显示单元a1和第二显示单元a2，第一显示单元a1用于出射第一线偏振光，第二显示单元a2用于出射第二线偏振光。因此相对应的，本公开实施例将多个像素岛112分为第一像素岛112a和第二像素岛112b，其中，第一像素岛112a对应的偏光层113和第二像素岛112b对应的偏光层113的偏振方向相互垂直。由此使得第一像素岛112a的出射光经过对应的偏光层113之后转化为第一线偏振光，第二像素岛112b的出射光经过对应的偏光层113之后转化为第二线偏振光。

图5为本公开实施例提供的近眼显示装置的光路原理图之一。

如图5所示，显示面板11出射第一线偏振光和第二线偏振光，由于分光层12可以透射第一线偏振光，反射第二线偏振光，那么被透射的第一线偏振光经过成像透镜组15的成像后，人眼可以在第一焦面S1观看到第一线偏振光的成像；被反射的第二线偏振光经过显示面板中的间隙向相位延迟层14入射，在相位延迟层14的作用下转化为第一圆偏振光(例如，可以为左旋圆偏振光)，第一圆偏振光向半透半反层13入射之后，有一部分第一圆偏振光被直接透射，有一部分第一圆偏振光被反射；被透射的第一圆偏振光不参与成像，被反射的圆偏振光的旋转方向相反，因此被半透半反层反射后第一圆偏振光转化为旋转方向相反的第二圆偏振光(例如，可以为右旋圆偏振光)，第二圆偏振光再次经过相位延迟层14之后，被转化为与第二线偏振光的偏振方向相垂直的第一线偏振光，而第一线偏振光可以被分光层12透过，本次被透过的光线由于之前经过反射，因此相当于增大了像距，在经过成像透镜组15的成像之后，被成像于更远的第二焦面S2，人眼可以在第二焦面S2观看到之前被反射的第二线偏振光的成像。由此可以实现多焦面图像显示，人眼可以看到多个景深的3D画面，从而有效解决了辐辏调节冲突的问题。

图6为本公开实施例提供的第一线偏振光的光路原理图。

如图6所示，以第一像素岛中一出光点A为例，A点发出的光束在经过第一像素岛表面的偏光片的调制后，形成第一线偏振光(例如，可以为p光)，当第一线偏振光传播到分光层12时，由于分光层12可以透射第一线偏振光，因此第一线偏振光直接透过分光层12入射到成像透镜组15表面，经过成像透镜组15的调制进入到人眼成像，通过反向延长进入人眼的光线，可以相交于A’点，即为出光点A在人眼前方所成的像，该成像点A’所在的平面为第一焦面S1，为近焦平面。同理，显示面板11中所有的第一像素岛中的出光点构成的显示图像都可以成像在第一焦面S1上，最终在第一焦面S1上成像一幅完整的近景图像。

图7为本公开实施例提供的第二线偏振光的光路原理图。

如图7所示，以第二像素岛中一出光点B为例，B点发出的光束在经过第二像素岛表面的偏光片的调制后，形成第二线偏振光(例如，可以为s光)，当第二线偏振光传播到分光层12时，由于分光层12可以反射第二线偏振光，因此第二线偏振光将无法透过分光层12入射到成像透镜组15表面，而是被反射回来。如图7所示，被反射的第二线偏振光首先入射到相位延迟层14，在相位延迟层的作用下转化为第一圆偏振光(例如，可以为左旋圆偏振光)，第一圆偏振光再经过半透半反层13的反射，转化为旋转方向相反的第二圆偏振光(例如，可以为右旋圆偏振光)。第二圆偏振光再次经过相位延迟层14，在相位延迟层的作用下转化为第一线偏振光(例如，可以为p光)，进而可以透过分光层12，并经过成像透镜组15的调制进入到人眼成像。由于第二线偏振光线经过反射增加了光程，通过反向延长进入人眼的光线，可以得到另一个更远的交点B’，即为出光点B在人眼前方所成的像，该成像点B’所在的平面为第二焦面S2，为远焦面。同理，显示面板11所有的第二像素岛中的出光点构成的显示图像都可以成像在第二焦面S2上，最终在第二焦面S2上成像一幅完整的背景图像。

由此，在空间上不同距离形成了两个焦面，从而实现了多焦面显示，有效的缓解了辐辏调节冲突的问题。

为了使前景图像和背景图像连续且在整个显示区域均匀显示，如图2所示，本公开实施例可以在第一方向x和第二方向y上替换排列第一像素岛112a和第二像素岛112b。其中，每一方向x可以为子像素单元行的方向，第二方向y可以为子像素单元列的方向，第一方向x和第二方向y可以相互垂直。

图8为本公开实施例提供的近眼显示装置的侧视结构示意图之二。

如图8所示，为了使近眼显示装置的结构更加紧凑，降低装配难度，可以将显示面板11、分光层12、相位延迟层14和半透半反层13相互贴合。具体地，如图8所示，可以将分光层12贴附于显示面板11的出光侧的表面，将相位延迟层14贴附于显示面板11背离分光层12一侧的表面，将半透半反层13贴附于相位延迟层14背离显示面板11一侧的表面。膜层之间可以采用透明胶相互贴合。

本公开实施例提供的上述近眼显示装置中，像素岛112之间存在间隙，这样环境光可以经过像素岛之间的间隙入射到人眼，从而人眼可以同时观看到环境图像和显示面板的3D图像，由此实现增强现实显示。

尽管已描述了本公开的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本公开范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘若本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种近眼显示装置，包括：

显示面板，用于图像显示；所述显示面板包括多个显示单元，其中，部分所述显示单元出射第一线偏振光，其余所述显示单元出射第二线偏振光；所述第一线偏振光与所述第二线偏振光的偏振方向相互垂直；

分光层，位于所述显示面板的出光侧，用于透射所述第一线偏振光，反射所述第二线偏振光；

半透半反层，位于所述显示面板背离所述分光层的一侧；

相位延迟层，位于所述显示面板和所述半透半反层之间，用于将所述分光层反射的所述第二线偏振光转化为圆偏振光，将所述半透半反层反射的圆偏振光转化为第一线偏振光；和

成像透镜组，位于所述分光层背离所述显示面板的一侧。

2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述显示面板包括：

衬底基板；

多个像素岛，在所述衬底基板的一侧呈阵列排布；和

偏光层，位于所述像素岛背离所述衬底基板的一侧；

其中，一个所述像素岛和该像素岛对应的所述偏光层构成一个所述显示单元，所述像素岛包括多个像素单元，一个所述像素单元包括多个不同颜色的子像素单元；

所述像素岛分为第一像素岛和第二像素岛，所述第一像素岛对应的偏光层和所述第二像素岛对应的偏光层的偏振方向相互垂直。

3.如权利要求2所述的近眼显示装置，其中，所述第一像素岛和所述第二像素岛在第一方向和第二方向上交替排列；所述第一方向和所述第二方向互相垂直。

4.如权利要求2或3所述的近眼显示装置，其中，相邻的所述像素岛之间存在间隙。

5.如权利要求4所述的近眼显示装置，其中，所述像素岛的尺寸为0.5mm～2mm；相邻的所述像素岛之间的间隙的宽度为0.5mm～1.5mm。

6.如权利要求1-3、5任一项所述的近眼显示装置，所述显示面板为有机发光二极管显示面板和微型发光二极管显示面板中的一种。

7.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述分光层为反射式偏光片中的一种。

8.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述相位延迟层为四分之一波片，所述四分之一波片的光轴与所述第一线偏振光及所述第二线偏振光的偏振方向的夹角均为45°。

9.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述半透半反层的反射率与透过率之比为1:1。

10.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述成像透镜组包括至少一个透镜，所述透镜的面型为球面、非球面、菲涅尔面或者自由曲面中的一种。

11.如权利要求10所述的近眼显示装置，其中，所述显示面板与所述成像透镜组之间的距离小于所述成像透镜组的焦距。

12.如权利要求1-3、5或7-11任一项所述的近眼显示装置，其中，所述分光层贴附于所述显示面板的出光侧的表面，所述相位延迟层贴附于所述显示面板背离所述分光层一侧的表面，所述半透半反层贴附于所述相位延迟层背离所述显示面板一侧的表面。

13.如权利要求1--3、5或7-11任一项所述的近眼显示装置，其中，所述近眼显示装置为增强现实显示装置。

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