本發(fā)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(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)的透明眼鏡顯示器。

背景技術(shù)：

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

普通的hmd產(chǎn)品大多為不透明結(jié)構(gòu)，采用透鏡將距離人眼很近的物體發(fā)出的光線收攏，使得光線像是從較遠(yuǎn)距離發(fā)出的，從而形成遠(yuǎn)距離虛像而使人眼看清。

現(xiàn)有的透明hmd采用了透鏡、反射鏡和半反射鏡，光線從側(cè)面發(fā)出，經(jīng)過透鏡折射后又經(jīng)過球面或非球面鏡的反射，之后又經(jīng)過半反射鏡射入人眼，半反射鏡同時(shí)也能透射外界的光線，從而使hmd具有虛擬顯示與實(shí)景結(jié)合的功能。這類顯示器結(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)組件，因而尺寸和重量難以進(jìn)一步控制，無法更廣泛地應(yīng)用。

此外，目前除了全息顯示技術(shù)外，現(xiàn)有的顯示設(shè)備都無法同時(shí)顯示出不同距離物體發(fā)出的光線，因?yàn)闊o論是實(shí)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(qū)域是一個(gè)平面(稱為焦平面)，只能顯示該平面的物體。

基于上述顯示產(chǎn)品的不足，同時(shí)為了開發(fā)新式可顯示多個(gè)焦平面物體的顯示器，本發(fā)明研發(fā)了“一種小孔投射式近眼顯示器”。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，所要解決的技術(shù)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(gè)焦平面物體的顯示器。

本發(fā)明主要通過以下技術(shù)方案實(shí)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(fā)光層和遮光層。發(fā)光層上有發(fā)光點(diǎn)陣列，遮光層包括遮光板和小孔。當(dāng)本發(fā)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(dāng)本發(fā)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(fā)光點(diǎn)陣列由oled或其他點(diǎn)狀發(fā)光器件組成，其發(fā)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?jīng)Q定了單元像素點(diǎn)的大小，小孔相對(duì)發(fā)光點(diǎn)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(fā)光點(diǎn)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(dāng)發(fā)光層發(fā)出的光線經(jīng)過第一片偏振膜，再經(jīng)過第二片偏振方向相消的偏振膜時(shí)，光線被阻擋；遮光層也可以是一個(gè)高分辨率lcd顯示器或其他遮光性能可控的點(diǎn)陣元件，根據(jù)控制信號(hào)不同，顯示像素具有遮光和透光兩種特性，從而構(gòu)成遮光板和小孔。

一個(gè)顯示單元由一個(gè)發(fā)光點(diǎn)和一個(gè)遮光板組成，遮光板上可有多個(gè)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(shù)量的同時(shí)，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(fā)散。

當(dāng)小孔相對(duì)發(fā)光點(diǎn)的位置可控時(shí)，單元光束方向亦可控，一個(gè)顯示單元可發(fā)出方向不同的多束單元光束，可用來模擬實(shí)際情況下不同距離物體發(fā)出的光線，人眼以不同的屈光度對(duì)一定距離的物體成像時(shí)，相應(yīng)的單元光束在視網(wǎng)膜上匯聚成清晰的實(shí)像，而其他方向的單元光束則呈發(fā)散狀態(tài)，從而被虛化，以此來模擬顯示多個(gè)焦平面的物體。

當(dāng)本原理用于制造透明近眼顯示器時(shí)，遮光層除了小孔以外，應(yīng)全部阻擋由發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光線，但應(yīng)允許外部光線通過。此時(shí)，發(fā)光點(diǎn)表面應(yīng)布有局部偏振膜，使得發(fā)光點(diǎn)發(fā)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(shí)遮光板允許部分外部光線部分通過。合理的設(shè)計(jì)可使外部透光率達(dá)到40％以上。

本發(fā)明的有益效果是：

1)顯示器件只有一片鏡片，無需其他光學(xué)鏡片，因此質(zhì)量較輕。

2)顯示范圍可任意擴(kuò)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(yuǎn)之間任意選擇，可同時(shí)顯示多個(gè)不同焦平面的物體，可跟隨人眼的焦點(diǎn)變化而虛化或清晰。

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

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的單個(gè)顯示單元結(jié)構(gòu)和光路示意圖。

附圖2是本發(fā)明模擬不同距離物體發(fā)出的光線的示意圖。

附圖3是本發(fā)明的單個(gè)顯示單元次級(jí)結(jié)構(gòu)的不同方案示意圖。

附圖4是本發(fā)明鏡片中顯示單元排列形式示意圖。

圖中示意元素及編號(hào)：發(fā)光點(diǎn)1、發(fā)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(wǎng)膜7、無遮擋光斑8、小孔投射光斑9、發(fā)光點(diǎn)10、發(fā)光點(diǎn)11、晶狀體遠(yuǎn)視狀態(tài)12、晶狀體近視狀態(tài)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(zhuǎn)極限位置23、人眼正視位置24、人眼向右轉(zhuǎn)極限位置25。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步具體的說明：

實(shí)施例：

如圖1，發(fā)光層2和遮光層3組成了本發(fā)明的鏡片部分。發(fā)光層2上有發(fā)光點(diǎn)1若干，按點(diǎn)陣排列；遮光層3上有透光孔4。

由發(fā)光點(diǎn)1發(fā)出的光線，在沒有遮擋的情況下，經(jīng)過由人眼虹膜5調(diào)節(jié)的瞳孔，再經(jīng)過人眼晶狀體6的折射后，在人眼視網(wǎng)膜7上會(huì)形成一個(gè)無遮擋光斑8；由發(fā)光點(diǎn)1發(fā)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(jīng)過人眼晶狀體6的折射后，在人眼視網(wǎng)膜7上會(huì)形成一個(gè)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(diǎn)。

如圖4，一個(gè)發(fā)光點(diǎn)1與其光線所覆蓋的遮光層2上的區(qū)域共同組成了一個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)可觀察到鏡片相應(yīng)區(qū)域顯示的圖像。

如圖3，對(duì)六種可用的顯示單元22的次級(jí)結(jié)構(gòu)方案描述如下：

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

(b)采用多層遮光層14，可逐級(jí)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(jīng)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(huì)被水平方向線性偏振膜16阻擋，而經(jīng)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(chǔ)上的改型，采用垂直方向局部線性偏振膜17將發(fā)光點(diǎn)1發(fā)出的顯示光線進(jìn)行偏振化，之后只有經(jīng)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(shí)，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(gè)常黑型lcd顯示器19，發(fā)光點(diǎn)1發(fā)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(chǔ)上的改型，采用了貼近發(fā)光點(diǎn)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(gè)方案都包含線性偏振膜的應(yīng)用，但無論是將所述方案中的偏振膜偏振方向?qū)φ{(diào)、交換，或是將線性偏振原理類推到圓偏振原理進(jìn)行改型，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖2，描述了如何采用方案(e)、(f)中的lcd顯示器實(shí)現(xiàn)多光束模擬不同焦平面物體。發(fā)光點(diǎn)10和發(fā)光點(diǎn)11各自發(fā)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(fā)光點(diǎn)10發(fā)出，c、d為發(fā)光點(diǎn)11發(fā)出。當(dāng)人眼處于晶狀體遠(yuǎn)視狀態(tài)12時(shí)，屈光度最小，人眼對(duì)焦于無窮遠(yuǎn)處，此時(shí)，光束b和c交匯在人眼視網(wǎng)膜7上，形成一個(gè)清晰而強(qiáng)化的像素點(diǎn)，而b和c對(duì)應(yīng)的外界光線為來自無窮遠(yuǎn)的平行光，與人眼此時(shí)的焦平面(無窮遠(yuǎn))相交，因此人眼會(huì)看到到清晰的由b、c交匯而成的像素點(diǎn)，而a、d發(fā)散虛化；當(dāng)人眼處于晶狀體近視狀態(tài)13時(shí)，屈光度最大，人眼對(duì)焦于眼前10cm處，此時(shí)，光束a和d交匯在人眼視網(wǎng)膜7上，形成一個(gè)清晰而強(qiáng)化的像素點(diǎn)，而a和d對(duì)應(yīng)的外界光線來自距離人眼10cm處，與人眼此時(shí)的焦平面(10cm)相交，因此人眼會(huì)看到到清晰的由a、d交匯而成的像素點(diǎn)，而b、c發(fā)散虛化。

由此可知，圖2中a、b(或c、d)之間的夾角范圍，對(duì)應(yīng)著人眼從10cm到正無窮處的多個(gè)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(gè)焦平面。

圖2僅以兩束光線在視網(wǎng)膜上的交匯和發(fā)散來描述圖像的清晰和虛化，實(shí)際上應(yīng)在三維空間中有多束光線交匯和發(fā)散，且光線的顏色可由紅(r)、綠(g)、藍(lán)(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(dāng)多束光線呈發(fā)散狀態(tài)時(shí)，像素點(diǎn)虛化形式如同實(shí)際景物的虛化，當(dāng)多束光線呈匯聚狀態(tài)時(shí)，疊加成高亮而清晰的像素點(diǎn)。

以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的多種選型方案進(jìn)行了描述，但是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和構(gòu)思的基礎(chǔ)上仍可以作出其他變型或者改型，應(yīng)當(dāng)說，這樣一些變型或改型都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。