[发明专利]一种轻薄型虚像成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻薄型虚像成像装置，尤其涉及一种以无焦透镜实现的大视场轻薄化虚像成像装置，在使用透明显示元件的情况下，实现虚拟现实的近眼显示各种应用。

背景技术

虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，一直受限于图像处理器的数据处理量，显示器的刷新速率，传感器的反馈速度等因素，致使能够获得较好效果的VR/AR设备均难以避免相对较大的体积，而无法得到消费者层面上的广泛应用。而近年来，随着消费电子技术的蓬勃发展，头戴式的VR/AR显示器(又称VR/AR眼镜，或者近眼显示装置)在装置体积和用户交互性上逐步达到了消费者可以承受的范围，而越来越多的被喻为下一代计算平台而被各大厂商热捧。

在VR领域，为了追求沉浸感，大部分现有产品位于用户眼前的光学元件均有一定的厚度且被封闭于眼周，通过调节显示元件和光学元件的距离可以实现一定的视度普适性，但难以实现大视场下的轻薄化，佩戴时会带来负担。在AR领域，透射式的头戴显示器(HMD)使用诸如反射镜(reflect mirror)、棱柱和全息透镜等光学元件将来自一个或两个(甚至更多个)小尺寸显示元件的图像光添加到用户的视觉路径中，以虚像的形式而被用户的视觉系统感知。小尺寸显示元件提供的图像光能够达到的视角(FOV)和光强度依赖于光学元件的选择和设计，虽然通过拼接可以实现更为广阔的视角，但是使用拼接的方式将不可避免的增加图像光处理系统的复杂度，以及增加了装置的成本和体积。同时，从本质上说，光学元件旨在实现在用户的视觉路径中增加图像光，而受外界环境光的影响以及微型显示元件光亮度的限制，诸如增强现实图像等虚拟物品看上去半透明(translucent)或有重影(ghosted)，特别是具有低功耗优势的自主发光型微型显示元件发出的图像光强度难以达到较高的亮度等级，而不能要求外界环境光的强度主动适应微型显示元件发出的图像光亮度，使得增强现实或者其他混合现实情形下的影像看上去不真实。

发明内容

本发明涉及一种轻薄型虚像成像装置，基于无焦弯月型的放大透镜，实现轻薄大视场的虚拟现实或者增强现实显示，成像装置的整体厚度可以减小至约20mm以下，可以极大的提高使用者的使用体验。

根据本发明的一种虚像成像装置，包括：

放大透镜，包括第一表面和第二表面，所述第一表面或第二表面具有分光层以使自然光可以透过所述放大透镜；

相位改变元件，与所述放大透镜相邻，且与放大透镜同轴设置；

反射型偏振片，紧贴所述相位改变元件，置于所述放大透镜的相对侧，

其中，所述放大透镜在光轴方向上的厚度D满足1mm≤D≤10mm，所述虚像成像装置在沿光轴方向的厚度L满足10mm＜L＜21mm。

在一种具体的示例中，第一表面的面型和第二表面的面型一致，以使所述放大透镜对通过其的自然光不具备光焦度；或者，在另外的示例中，第一表面的面型和第二表面的面型不一致，以使所述放大透镜对通过其的自然光具备预定光焦度，这种预定的光焦度与观察者眼睛的视度相匹配。

优选的，相位改变元件为1/4波片；反射型偏振片可以为亚波长金属光栅结构。

进一步的，放大透镜包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜的相邻表面保持相同的表面面型且之间具有不超过0.3mm的面间距。

根据本发明的放大透镜，当其包括两个透镜时，第一透镜和第二透镜具有不同的光焦度类型，构成凹-凸或者凸-凹的类双胶合透镜组。

本发明还提供一种具有上述虚像成像装置的近眼显示设备，其中进一步包括显示元件，所述显示元件用以显示图像，并向所述虚像成像装置一侧发出具有预定偏振态的偏振光。

这样的显示元件可以为液晶显示器件，包括光源，液晶层和透光性导光板，所述光源位于导光板的一侧表面附近。当实现非透射式的应用时，在所述导光板的远离液晶层一侧的表面覆有不透光的反射层。

可选的，这样的所述显示元件也可以为OLED型显示器件，在OLED型显示器件朝向所述虚像成像装置一侧的表面具有起偏层。

根据本发明的虚像成像装置和近眼显示设备，可以实现VR和AR模式下的应用，只借助放大透镜即可实现屏幕位于近眼区域内时，对显示图像的放大要求，使整体设备轻薄，作为近眼显示设备佩戴时更佳舒适。

附图说明

图1为具有本发明的虚像成像装置的近眼显示装置原理示意图

图2为根据本发明第一实施例的虚像成像装置示意图