小孔投射式近眼顯示器的制作方法

本發明涉及一種近眼顯示器，也稱作視頻眼鏡或眼鏡顯示器，尤其是涉及到一種用于增強型虛擬現實的透明眼鏡顯示器。

背景技術：

人眼的聚焦距離通常為10cm到無窮遠，因此，人眼無法看清距離10cm以內的物體。為了讓人眼看清距離很近的顯示設備顯示的內容，hmd(headmounteddisplay，頭戴式顯示器)領域有很多解決方案。

普通的hmd產品大多為不透明結構，采用透鏡將距離人眼很近的物體發出的光線收攏，使得光線像是從較遠距離發出的，從而形成遠距離虛像而使人眼看清。

現有的透明hmd采用了透鏡、反射鏡和半反射鏡，光線從側面發出，經過透鏡折射后又經過球面或非球面鏡的反射，之后又經過半反射鏡射入人眼，半反射鏡同時也能透射外界的光線，從而使hmd具有虛擬顯示與實景結合的功能。這類顯示器結構復雜，受尺寸限制，顯示視角較小。

上述兩類hmd由于包含了透鏡等光學組件，因而尺寸和重量難以進一步控制，無法更廣泛地應用。

此外，目前除了全息顯示技術外，現有的顯示設備都無法同時顯示出不同距離物體發出的光線，因為無論是實體顯示器，或者是虛擬顯示器(即hmd虛擬出的顯示平面)，其位置都是固定的，顯示區域是一個平面(稱為焦平面)，只能顯示該平面的物體。

基于上述顯示產品的不足，同時為了開發新式可顯示多個焦平面物體的顯示器，本發明研發了“一種小孔投射式近眼顯示器”。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術的不足之處，所要解決的技術問題是：提供一種不需要透鏡即可使近眼顯示器在人眼中清晰成像的方案，這種方案可以用來制造透明或不透明的近眼顯示器，更重要地是可以用來制造可顯示多個焦平面物體的顯示器。

本發明主要通過以下技術方案實施：

一種近眼顯示器，包括鏡片和顯示控制器件，鏡片中包括發光層和遮光層。發光層上有發光點陣列，遮光層包括遮光板和小孔。當本發明的成像原理被制作成框架式眼鏡，則顯示控制器件被集成到鏡框上；當本發明的成像原理被制作成角膜接觸鏡，則顯示控制器件被集成到鏡片上。

發光點陣列由oled或其他點狀發光器件組成，其發光顏色和亮度可控。

遮光層由遮光板和小孔組成，透過小孔的光線稱為單元光束，其直徑決定了單元像素點的大小，小孔相對發光點的位置決定了單元光束的方向。

遮光層可以是單層或多層的帶小孔的不透光板；也可以是與發光點顏色不同的其他rgb色彩通道的帶有小孔的濾色片；也可以由兩層偏振膜組成，其中一層偏振膜帶有小孔，當發光層發出的光線經過第一片偏振膜，再經過第二片偏振方向相消的偏振膜時，光線被阻擋；遮光層也可以是一個高分辨率lcd顯示器或其他遮光性能可控的點陣元件，根據控制信號不同，顯示像素具有遮光和透光兩種特性，從而構成遮光板和小孔。

一個顯示單元由一個發光點和一個遮光板組成，遮光板上可有多個小孔。為了獲得足夠高的顯示分辨率，需要在增加顯示單元數量的同時，盡量減小單元光束的直徑。其措施主要是縮小透光孔孔徑，或采取多層遮光層來限制單元光束的發散。

當小孔相對發光點的位置可控時，單元光束方向亦可控，一個顯示單元可發出方向不同的多束單元光束，可用來模擬實際情況下不同距離物體發出的光線，人眼以不同的屈光度對一定距離的物體成像時，相應的單元光束在視網膜上匯聚成清晰的實像，而其他方向的單元光束則呈發散狀態，從而被虛化，以此來模擬顯示多個焦平面的物體。

當本原理用于制造透明近眼顯示器時，遮光層除了小孔以外，應全部阻擋由發光點發出的光線，但應允許外部光線通過。此時，發光點表面應布有局部偏振膜，使得發光點發出線偏振光線，從而能夠被遮光板上的單層偏振膜阻擋，同時遮光板允許部分外部光線部分通過。合理的設計可使外部透光率達到40％以上。

本發明的有益效果是：

1)顯示器件只有一片鏡片，無需其他光學鏡片，因此質量較輕。

2)顯示范圍可任意擴大，直至人眼的最佳視角70°左右。

3)顯示虛擬物體的距離可在人眼的可視范圍10cm到無窮遠之間任意選擇，可同時顯示多個不同焦平面的物體，可跟隨人眼的焦點變化而虛化或清晰。

4)當采用透明近眼顯示器方案時，由于只有局部覆蓋有兩層偏振膜，因此透光率可達到40％以上，具有很好的透光性。

附圖說明

附圖1是本發明的單個顯示單元結構和光路示意圖。

附圖2是本發明模擬不同距離物體發出的光線的示意圖。

附圖3是本發明的單個顯示單元次級結構的不同方案示意圖。

附圖4是本發明鏡片中顯示單元排列形式示意圖。

圖中示意元素及編號：發光點1、發光層2、遮光層3、透光孔4、人眼虹膜5、人眼晶狀體6、人眼視網膜7、無遮擋光斑8、小孔投射光斑9、發光點10、發光點11、晶狀體遠視狀態12、晶狀體近視狀態13、多層遮光層14、帶小孔的垂直方向線性偏振膜15、水平方向線性偏振膜16、垂直方向局部線性偏振膜17、帶小孔的水平方向線性偏振膜18、常黑型lcd顯示器19、被激活的lcd顯示像素塊20、水平方向局部線性偏振膜21、顯示單元22、人眼向左轉極限位置23、人眼正視位置24、人眼向右轉極限位置25。

具體實施方式

下面通過實施例，結合附圖，對本發明的技術方案進行進一步具體的說明：

實施例：

如圖1，發光層2和遮光層3組成了本發明的鏡片部分。發光層2上有發光點1若干，按點陣排列；遮光層3上有透光孔4。

由發光點1發出的光線，在沒有遮擋的情況下，經過由人眼虹膜5調節的瞳孔，再經過人眼晶狀體6的折射后，在人眼視網膜7上會形成一個無遮擋光斑8；由發光點1發出的光線，受到遮光層3的遮擋，只有透光孔處4的局部光線透過，透過的光束經過人眼晶狀體6的折射后，在人眼視網膜7上會形成一個小孔透射光斑9。若小孔透射光斑9足夠小，則可作為圖像顯示的像素點。

如圖4，一個發光點1與其光線所覆蓋的遮光層2上的區域共同組成了一個顯示單元22。鏡片上所有位置的顯示單元22始終指向人眼球的中心，保證人眼在正常轉動范圍內可觀察到鏡片相應區域顯示的圖像。

如圖3，對六種可用的顯示單元22的次級結構方案描述如下：

(a)遮光層3為不透光材料或顏色與發光點1色彩通道(rgb三通道)不同的濾色片，可阻擋發光點發出的光線，上面有透光孔4；

(b)采用多層遮光層14，可逐級縮小透射單元光束直徑，從而形成更小的小孔投射光斑9；

(c)光線經過帶小孔的垂直方向線性偏振膜15，變成垂直方向線性偏振光，會被水平方向線性偏振膜16阻擋，而經過小孔的光線則沒有被偏振化，因此可通過水平方向線性偏振膜16；

(d)是在(c)的基礎上的改型，采用垂直方向局部線性偏振膜17將發光點1發出的顯示光線進行偏振化，之后只有經過帶小孔的水平方向線性偏振膜18上的小孔的顯示光線可以通過，同時，外界光線可透過顯示器，使顯示器具有透明性。

(e)采用了一個常黑型lcd顯示器19，發光點1發出的光線只能通過被激活的lcd顯示像素塊20。

(f)是在(e)的基礎上的改型，采用了貼近發光點1的水平方向局部線性偏振膜21，使得外界光線可透過顯示器，使顯示器具有透明性。

圖3中(c)、(d)、(e)、(f)四個方案都包含線性偏振膜的應用，但無論是將所述方案中的偏振膜偏振方向對調、交換，或是將線性偏振原理類推到圓偏振原理進行改型，都屬于本發明的保護范圍。

如圖2，描述了如何采用方案(e)、(f)中的lcd顯示器實現多光束模擬不同焦平面物體。發光點10和發光點11各自發出兩束不同方向的單元光束，單元光束在圖2中簡化為線條a、b、c、d，其中a、b為發光點10發出，c、d為發光點11發出。當人眼處于晶狀體遠視狀態12時，屈光度最小，人眼對焦于無窮遠處，此時，光束b和c交匯在人眼視網膜7上，形成一個清晰而強化的像素點，而b和c對應的外界光線為來自無窮遠的平行光，與人眼此時的焦平面(無窮遠)相交，因此人眼會看到到清晰的由b、c交匯而成的像素點，而a、d發散虛化；當人眼處于晶狀體近視狀態13時，屈光度最大，人眼對焦于眼前10cm處，此時，光束a和d交匯在人眼視網膜7上，形成一個清晰而強化的像素點，而a和d對應的外界光線來自距離人眼10cm處，與人眼此時的焦平面(10cm)相交，因此人眼會看到到清晰的由a、d交匯而成的像素點，而b、c發散虛化。

由此可知，圖2中a、b(或c、d)之間的夾角范圍，對應著人眼從10cm到正無窮處的多個焦平面，因此可稱此方案顯示器具有成像焦空間，而不再是單個焦平面。

圖2僅以兩束光線在視網膜上的交匯和發散來描述圖像的清晰和虛化，實際上應在三維空間中有多束光線交匯和發散，且光線的顏色可由紅(r)、綠(g)、藍(b)三原色組成，從而顯示高色階的彩色圖像。單束光線的亮度較弱，當多束光線呈發散狀態時，像素點虛化形式如同實際景物的虛化，當多束光線呈匯聚狀態時，疊加成高亮而清晰的像素點。

以上對本發明實施例的多種選型方案進行了描述，但是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的設計思想和構思的基礎上仍可以作出其他變型或者改型，應當說，這樣一些變型或改型都屬于本發明的保護范圍。