[实用新型]一种用于对图像进行放大的棱镜及使用其的近眼显示装置

说明书

本实用新型涉及一种用于对图像进行放大的棱镜以及使用其构成的近眼显示装置，其中包括三个有效光学表面，所述三个有效光学表面包括至少一自由曲面的表面和一非自由曲面的表面，所述自由曲面的表面用以完成主要的光线折/反射功能，以使像源图像得到预设的放大率，所述非自由曲面的表面被置为光出射面，选自非球面或曲率半径大于100mm的球面，便于进行保护性处理，可以有效的保护该自由曲面棱镜的光学表面，使其光学性能稳定，耐用性提升，构成近眼显示装置时，为棱镜提供图像源的微型显示器可以使用改进照明方式的硅上液晶，以提供可调的高亮度显示。

技术领域

本实用新型涉及一种近眼显示装置，特别的涉及一种利用包含自由曲面的图像放大棱镜配合阵列式分光器式照明的近眼显示装置装置，放大棱镜具备良好的光学性能的同时利于各种工艺处理，阵列式分光器确保高亮度图像源的使用。

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，基于VR或者AR模式的头戴式图像显示装置取得了长足的发展，近年来出现了消费级的产品，诸如Samsung gear VR，Sony PSVR，Epson BT300，Microsoft Hololens等等，由于这些头戴式显示装置在使用时需要佩戴于观察者头部，因此紧凑和轻量化一直是业内的不懈追求，以减轻观察者的负载，提高可使用性。

经过设计的自由曲面光学元件是实现VR或者AR应用的一种可行性光学方案，自由曲面的面型由于增加了更多的自由度，可以更好的控制像差并得到更好的像质，同时可以减轻光学元件的重量并缩小体积。在工艺方面，例如，可以采用注塑工艺制造诸如由PMMA等树脂材料的自由曲面棱镜，利于批量生产以降低成本。但是，树脂材料通常在耐磨性方面无法与玻璃相比，特别是适应普通消费者长期使用过程中或者在相对复杂的工业环境下，需要对光学元件进行必要的诸如硬化处理等措施以保护，从而提高元件的稳定性和耐磨度，而自由曲面的表面并不利于在现有工艺条件下实施保护措施。并且，由于自由曲面表面的运用，在缩小放大光学元件所需体积的同时，对现有的像源元件也提出了新的要求，例如高分辨率、光能利用率和亮度，使用反射型的图像源可以确保亮度，例如硅基液晶(LCOS)型显示器件或者 TI的数字微镜(DMD)式，传统的LCoS(Liquid Crystal On Silicon,硅基液晶)光学照明装置采用了PBS偏振分光棱镜，此偏振分光棱镜由两个高精度直角棱镜胶合而成，如图1(a) 所示，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜，偏振分光镜的设置要求使其至少需要覆盖硅基液晶基板的面积，导致难以被置于入射面前有限的区域内，图1(b)所示。

实用新型内容

本实用新型提供一种近眼显示装置，其中棱镜包括至少一非自由曲面的表面，具有稳定性、耐磨性好的优势，在自由曲面的表面实现主要的折/反射光线功能，非自由曲面的表面作为光出射面提供相对平整的表面，以便于提高稳定性和耐磨度等的工艺处理，使用LCOS型的图像源配合阵列式分光器进行照明，可以实现高亮度图像显示的近眼显示装置。

根据本实用新型的对图像进行放大的棱镜，包括三个有效光学表面，三个有效光学表面包括至少一自由曲面的表面和一非自由曲面的表面，其中，

所述自由曲面的表面用以折返光线以使像源图像得到预设的放大率并保持像差；

所述非自由曲面的表面被置为光出射面，选自非球面或曲率半径大于100mm的球面；

所述另一光学表面朝向像源方向，用以将像源发出的光投射进入棱镜并导向光出射面进行第一次全反射；

所述自由曲面的表面包括具有预定反射率的反射层。