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CN116413911A - 一种超薄型镜片、使用其的虚像成像装置和近眼显示器 - Google Patents

一种超薄型镜片、使用其的虚像成像装置和近眼显示器 Download PDF

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CN116413911A CN202111674598.9A CN202111674598A CN116413911A CN 116413911 A CN116413911 A CN 116413911A CN 202111674598 A CN202111674598 A CN 202111674598A CN 116413911 A CN116413911 A CN 116413911A
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肖钰皓
程德文
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Beijing Ned+ Ar Display Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种用于增强现实显示的超薄型镜片，包括主镜片、中间镜片和辅镜片，图像光进入主镜片后发生两次全反射，然后进入中间镜片被部分反射后，透过中间镜片和主镜片射向人眼，从而将微显示器呈现的图像放大以形成虚像，并被使用者眼睛观察到；辅镜片被配置于中间镜片的另一侧，环境光经过辅镜片、中间镜片和主镜片向人眼成像；至少由主镜片和辅镜片组成超薄型镜片朝向出瞳一侧的第一外表面，主镜片、中间镜片和辅镜片共同组成超薄型镜片朝向环境一侧的第二外表面。上述超薄型镜片通过主镜片和中间镜片分别实现了图像光的全反射和分光功能，使得整个镜片具有轻薄的外形。本发明同时提供了包括超薄型镜片的虚像成像装置和近眼显示器。

Description

一种超薄型镜片、使用其的虚像成像装置和近眼显示器
技术领域
本发明涉及一种超薄型镜片、使用其的虚像成像装置以及近眼显示器，用于增强现实应用。
背景技术
增强现实(augmented reality,AR)技术拥有能将真实场景与虚拟场景完美融合的特点，近年来已成为研究和讨论的热点，其应用范围也随之不断扩展，逐步渗透进消费、医学、工业、国防等各个领域。其中光学透视式近眼显示技术是增强现实的核心呈现方式。
现有近眼显示光学方案中，要想兼顾结构紧凑和透视显示，通常需光线在光学元件内部以全反射的形式传播，并在近眼处与透视光路实现融合。典型的应用有自由曲面棱镜方案和波导显示方案。这些方案通常包含一个近眼位置处的主镜，用于实现透视式显示。在自由曲面棱镜方案中，主镜承担全部或绝大部分的成像功能，因此不需要或仅需要较简单的前置镜片以用于校正像差，但受制于外形结构和光线传播需求，多数方案难以兼顾轻薄、大视场和大眼瞳箱范围，且外形与普通眼镜尚存在较明显差异。在波导方案中，为了减薄镜片，主镜仅承担少量或完全不承担成像功能，因此需要配合较复杂的前置成像系统，总体上看，虽然近眼处的主镜具有轻薄的形态，但前置成像系统仍需占据不可忽视的空间。为此，仍需提供新的增强现实光学方案，以实现使光学系统轻薄化的目的。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种超薄型镜片，用以实现增强现实显示。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种虚像成像装置，包括超薄型增强现实用镜片，附加微型显示元件，以光学透射式实现增强现实的近眼显示。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种近眼显示器。
根据本发明实施例的一方面，提供一种超薄型增强现实用镜片，包括主镜片(10)，中间镜片(20)和辅镜片(30)；其中，
所述主镜片(10)至少包括三个有效光学面，其中，第一光学表面(106)为入射面，第二光学表面(102)为靠近人眼侧的表面，第三光学表面(103)为靠近环境侧的表面；主镜片以其第一光学表面(106)为入射面接受来自微型显示器件的图像光透射进入主镜片内，向其第三光学表面(103)的方向传播，然后依次在第三光学表面(103)和第二光学表面(102)发生全反射，被第二光学表面(102)全反射后的图像光经第三光学表面射出主镜片并射向中间镜片；
所述中间镜片(20)包括两个有效光学面，分别为第四光学表面(104)和第五光学表面(105)；第四光学表面与第三光学表面相邻设置且有预定间隙，所述射向中间镜片的图像光经第四光学表面透射进入中间镜片，部分图像光被第五光学表面反射回中间镜片，然后依次经过第四光学表面、第三光学表面和第二光学表面透射，射向人眼成像；
所述辅镜片(30)与第五光学表面相邻设置，环境光经过辅镜片、中间镜片和主镜片向人眼成像；
至少由所述主镜片的表面和所述辅镜片的表面组成所述超薄型镜片朝向出瞳一侧的第一外表面(100A)，所述主镜片的表面、所述中间镜片的表面和所述辅镜片的表面共同组成所述超薄型镜片朝向环境一侧的第二外表面(100B)。
其中较优地，所述图像光第一次射向所述第三光学表面(103)的入射角满足主镜片(10)内部全反射条件；所述图像光从第三光学表面第一次射向所述第二光学表面(102)的入射角满足主镜片(10)内部全反射条件。
其中较优地，所述第一光学表面、所述第二光学表面和所述第三光学表面的面型分别为自由曲面、球面、非球面中的一种。
其中较优地，所述第四光学表面和所述第三光学表面具有一致的面型，所述第四光学表面和所述第三光学表面之间的间距不超过1mm。
其中较优地，所述第五光学表面的面型分别为自由曲面、球面、非球面中的一种，所述第五光学表面涂覆有具有预定透反比的反射膜。
其中较优地，所述辅镜片包括两个有效光学面，分别为第六光学表面(107)和第七光学表面(108)，所述第六光学表面与所述第五光学表面具有一致的面型且贴合，第七光学表面具有和第二光学表面相近的面型。
其中较优地，所述主镜片还包括相对设置的第一表面(15)和第二表面(16)；
所述中间镜片还包括第三表面(23)；
所述辅镜片还包括相对设置的第四表面(34)和第五表面(35)；
所述第一外表面(100A)由所述主镜片的所述第一表面和所述第二光学表面，以及所述辅镜片的所述第四表面组成；
所述第二外表面(100B)由所述主镜片的所述第二表面、所述中间镜片的所述第三表面和所述辅镜片的所述第五表面组成。
其中较优地，所述第一表面、所述第四表面和所述第二光学表面具有一致的面型，或者，所述第一表面、所述第四表面和所述第二光学表面具有不同的面型，彼此平滑过渡或存在曲率突变的拼接区域；
所述第二表面、所述第五表面和所述第三表面具有一致的面型，或者，所述第二表面、所述第五表面和所述第三表面具有不同的面型，彼此平滑过渡或存在曲率突变的拼接区域。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种使用了超薄型镜片的虚像成像装置，还包括微型显示器件作为图像源，所述图像源面向所述第一光学表面设置，所述微型显示器件发出的图像光射向所述主镜片的所述第一光学表面。
其中较优地，还进一步包括柔性的包围，以包围贴近的所述辅镜片、所述中间镜片和所述主镜片的边缘，以使整个镜片具有密封性。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种近眼显示器，由于本发明镜片的轻薄性，可以构成为一种眼镜状的近眼显示器，其中包括了被置于眼镜本体中镜片位置的上述虚像成像装置，以及被置于眼镜腿中的主电路板和电池。
本发明所提供的超薄型镜片，通过主镜片和中间镜片分别实现了图像光在镜片内部的全反射和分光功能，使得主镜片内全反射的次数增加，多个光学表面的设计限制减少，从而使得整个镜片具有轻薄的外形。上述增强现实用镜片具有与普通矫正镜片极其类似的外观，并具备良好的光学性能以实现增强现实显示的要求，可以使其佩戴与普通眼镜无异。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的虚拟成像装置的截面图；
图2为根据本发明一实施例的超薄型镜片对图像光实现虚拟放大显示的光路光线图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别示出根据本发明一实施例的主镜片、中间镜片、辅镜片的截面图；
图4为根据本发明又一实施例的虚拟成像装置的截面图；
图5为根据本发明又一实施例的虚拟成像装置的截面图；
图6为根据本发明又一实施例的虚拟成像装置的截面图；
图7为根据本发明又一实施例的虚拟成像装置的截面图；
图8为根据本发明的眼镜式的近眼显示器示意图。
具体实施方式
以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，所谓前后仅作为相对性描述，不作为实际在前或者在后的绝对性限制，而第一、第二等词汇也应仅理解为区分不同的部件，而不包含顺序的限定性作用，并且，在不同的实施例中，同样被称为第一部分的部件结构也可以是不相同的。
第一实施例
根据本发明的一种超薄型镜片及其构成的虚像成像装置100，如图1所示，主要包括主镜片10，中间镜片20和辅镜片30，以及微型显示器件40。根据实际加工工艺要求和性能要求，主镜片10、中间镜片20以及辅镜片30的材料可优选为光学玻璃材料、光学树脂材料或其他光学材料。微型显示屏40优选为微型液晶屏、OLED屏、micro LED屏、背光型LCD、LCOS、DLP等。
在图1所示的本发明的第一实施例中，以人眼位于前方对超薄型镜片的结构进行描述，主镜片10设置于中间镜片20的前侧，辅镜片30贴近中间镜片20的后侧。这样，由主镜片10、中间镜片20和辅镜片30组成超薄型镜片，并分别由不同镜片的外表面组成超薄型镜片的两个外表面100A和100B，外表面100A整体保持大体一致的走向，外表面100B整体保持大体一致的走向；超薄型镜片形状优选为具有弧形外表面的扁平形状，最终可以切割成以视轴为中心的圆形、椭圆形或其他形状，但不限于此的，本领域技术人员可以理解，超薄型镜片的最终外形可以由镜框决定。
如图2所示，在该虚像成像装置中，主镜片10包括至少三个有效光学面，分别为第一光学表面106、第二光学表面102和第三光学表面103。其中，第一光学表面106是入射面，第一光学表面106呈面向微型显示器40的凹型或凸型，第一光学表面106的面型可以是球面、非球面或自由曲面中的任一种。第二光学表面102靠近人眼侧，第三光学表面103靠近环境侧设置，第二光学表面102和第三光学表面103的面型可以是球面、非球面或自由曲面中的任一种。主镜片10以其第一光学表面106为入射面接受来自微型显示器件40的图像光透射进入主镜片10内，向其第三光学表面103的方向传播，然后依次被第三光学表面103、第二光学面102全反射，被第二光学面102全反射的图像光经第三光学表面103射出主镜片10，射向中间镜片20。
在上述过程中，图像光第一次到达第三光学表面103和第一次到达第二光学表面102时的入射角满足全反射条件。即图像光从微型显示器40射向第三光学表面103时的入射角大于主镜片10所用材料的全反射临界角，从而使图像光第一次到达第三光学表面103时满足全反射条件。同样，图像光第一次从第三光学表面103射向第二光学表面102时的入射角大于主镜片10所用材料的全反射临界角，以使图像光第一次到达第二光学表面102时满足全反射条件。
中间镜片20设置在主镜片10第三光学表面侧的出光方向，并且，中间镜片20在垂直于光轴方向上延伸覆盖从第三光学表面103射出的光线的有效通光孔径范围。
中间镜片20包括至少两个有效光学面，分别为第四光学表面104和第五光学表面105，第四光学表面104和第五光学表面105的面型可以是球面、非球面或自由曲面中的任一种。第四光学表面104与第三光学表面103相邻设置且有预定间隙，以保证图像光在第三光学表面103内部的全反射效果。第四光学表面104和第三光学表面103具有一致的面型。优选地，第四光学表面104和第三光学表面103之间的间距不超过1mm。第五光学表面105涂覆有具有预定透反比的反射膜，例如半反半透膜或者其他透反射比的分光膜，分光膜的分光比可以根据微型显示器件的发光亮度进行选择，以确保微型显示器件的图像光尽可能被有效利用，并与后续外界环境光的强度达到平衡，以获得良好的增强现实图像对比度。
从主镜片10射向中间镜片20的图像光经第四光学表面104透射进入中间镜片20，部分图像光被第五光学表面105反射回中间镜片20，然后依次经过第四光学表面104、第三光学表面103和第二光学表面102透射，射向人眼成像。
在图像光离开第二光学表面102射向第三光学表面103时，图像光第二次到达第三光学表面103时的入射角不满足全反射条件，图像光发生透射，从主镜片10射出后，经第四光学表面104进入中间棱镜20，到达第五光学表面105。部分图像光被第五光学表面105反射后以平行于视轴方向的传播方向，向人眼射出。
图像光从第五光学表面105射向人眼的过程中，分别在第四光学表面104、第三光学表面103和第二光学表面102发生折射。微型显示器40的显示屏110上所表示的单个视场所发出的光线最终以平行光或近似平行光的状态分布在眼瞳箱范围内。人眼在眼瞳箱内移动时，能够观察到微显示屏在较远位置处所形成的虚像。
主镜片10和中间镜片20作为对微型显示器件40成像(放大虚像)的主要光学元件，利用主镜片10和中间镜片20的各光学表面的曲率，提供预定的光焦度，对微型显示器件上显示的图像进行放大，使微型显示器件的图像光被放大投远，在人眼处看到的来自微型显示器件的图像看上去像是从离眼睛几米远的地方发出的而不是从很近的地方(该微型显示器件实际所在的位置)发出的。
在上述图像光传输过程中，图像光在主镜片10内发生了两次全反射，然后进入辅镜片20后被第五光学表面105反射分光后，向人眼方向传播。图像光在该超薄型镜片内不存在中间像。
该超薄型镜片，通过主镜片10和中间镜片20分别实现了图像光在镜片内部的全反射和分光功能，使得主镜片10内全反射的次数增加(超过了1次)，多个光学表面的设计限制减少，从而使得整个镜片具有轻薄的外形。当视场角范围在30～40度之间时，镜片整体厚度(特别是视轴方向的厚度)能够轻薄至8mm以下。当增大视场角等参数，镜片厚度会有一定增加。
在该实施例中，为了实现AR的显示，超薄型镜片还包括辅镜片30。辅镜片30与中间棱镜20的第五光学表面105相邻设置。微型显示器的图像光不经过辅镜片30，辅镜片30不用于对图像光成像。辅镜片30至少包括两个光学表面，分别为靠近人眼侧的第六光学表面107和靠近环境侧的第七光学表面108。其中，第六光学表面107和第五光学表面105具有一致的面型，两者胶合固定；第七光学表面108靠近环境侧，第七光学表面108的面型与第三光学表面102的面型相近，从而控制环境光的折射状态，以使外界平行光穿过系统后，仍然保持原有的平行性和方向进入人眼。环境光从第七光学表面108进入辅镜片30，然后，经过辅镜片30、中间镜片20和主镜片10后，向人眼成像。
辅镜片30的第七光学表面108和主镜片的第二光学表面102分别为超薄型镜片对应于人眼出瞳位置通光孔径区域的两侧表面。为尽可能避免各镜片对外界真实环境光线造成的光线折转，辅镜片30的第七光学表面108应具有与第二光学表面102相近的面型，其面型参数可通过迭代优化得出，最终使得来自外界真实环境的平行光在穿过辅镜片30、中间镜片20以及主镜片10后进入眼瞳箱时，仍然保持或近似保持入射前的方向、口径和平行度。
如图1所示，超薄型镜片100具有朝向出瞳一侧的第一外表面100A和朝向环境一侧的第二外表面100B。超薄型镜片100朝向出瞳一侧的第一外表面100A至少由主镜片10的表面和辅镜片30的表面组成，超薄型镜片100朝向环境一侧的第二外表面100B由主镜片10的表面、中间镜片20的表面和辅镜片30的表面共同组成。第一外表面100A和第二外表面100B分别形成为球面、非球面或自由曲面的面型。
图3(a)、图3(b)和图3(c)分别对主镜片10、中间镜片20和辅镜片30的结构进行了图示。下面结合图3(a)至图3(c)，以微型显示器40位于主镜片10上方的方位为例，对主镜片10、中间镜片20和辅镜片30的结构进行描述。
如图3(a)所示，主镜片10至少具有三个光学表面，主镜片10的上表面11是第一光学面106，其下侧靠近人眼侧的表面12是第二光学表面102，靠近环境侧表面13是第三光学表面103。在主镜片10上端14具有相对设置的第一表面15和第二表面16。在该实施例中，主镜片10的下端还具有下表面17，下表面17的两侧分别连接第二光学平面102和第三光学平面103的下端。
如图3(b)所示，中间镜片20至少具有三个表面，其中，靠近人眼侧的表面21为第四光学表面104，靠近环境侧的表面22为第五光学表面105，还包括在靠近环境侧的第三表面23，第三表面23分别连接第四光学表面104和第五光学表面105的上端；在该实施例中，在中间镜片20的下端还具有下表面24，下表面24的两侧分别连接第四光学表面104和第五光学表面105的下端。
如图3(c)所示，辅镜片30至少具有两个光学表面，其中，上端靠近人眼侧的表面31为第六光学表面107，靠近环境侧的表面为第七光学表面108。辅镜片30的下端33具有相对设置的第四表面34和第五表面35。在该实施例中，辅镜片30还包括设置在第四表面34和第六光学表面107(即表面31)之间的过渡表面36，过渡表面36形成一个平台，用于放置主镜片10的下端和和中间镜片20的下端，并分别与主镜片10的下表面17和中间镜片20的下表面24接触，从而形成一个由主镜片10、中间镜片20和辅镜片30组成一体的超薄型镜片。
在图4所示的另一实施例中，主镜片10的下端是由第二光学表面102和第三光学表面103围成的尖端，中间镜片20的下端也是由第四光学表面104和第五光学表面105围成的尖端。当主镜片10、中间镜片20和辅镜片30组合时，主镜片10和辅镜片30之间不直接接触，主镜片10和辅镜片20分别与中间镜片30的两侧表面相邻设置。
在上述两个实施例中，第一外表面100A均由主镜片10的第一表面15和第二光学表面102，以及辅镜片30的第四表面34组成；第二外表面100B由主镜片10的第二表面16、中间镜片20的第三表面23和辅镜片30的第五表面35组成。
在某一实施例中，在第一外表面100A中，第一外表面100A对应于图像光通光孔径的区域面型由第二光学表面102的面型确定，第一表面15、第四表面34和第二光学表面102具有一致的面型，或者，第一表面15、第四表面34和第二光学表面102具有相近的面型，彼此平滑过渡。在第二外表面100B中，第二表面16、第五表面35分别和第三表面23具有一致的面型，或者，第二表面16、第五表面35分别和第三表面23具有相近的面型，彼此平滑过渡。第一外表面100A和第二外表面100B的面型可以是球面、非球面或自由曲面中的任一种。
在其他实施例中，第一外表面100A、第二外表面100B还可以由具有不同面型的曲面拼接而成，在曲面拼接处可以平滑过渡，也可以存在曲率突变从而彼此形成突出的拼接缝，在此对此不做限制。
在超薄型镜片中，第一外表面100A和第二外表面100B具有相近的面型，以对环境光实现无光焦度的透视效果。其中，辅镜片30面向环境侧的外表面上光学有效区域(即第七光学面108)的面型与主棱镜10的近眼面上光学有效区域(即第二光学面102)的面型相近，从而控制光线的折射状态，使得外界平行光穿过系统后，仍然保持原有的平行性和方向进入人眼。当然，根据设计需要，第一外表面100A和第二外表面100B形成面型差异，以对使用者具有预定的视度。
第一外表面100A和第二外表面100B，优选的选用球面、非球面或自由曲面的面型，特别的，可以采用自由曲面或者非连续的、分段拼接的球面和非球面。超薄型镜片的外形与普通的视度矫正型眼镜片类似，例如，直径约为70mm，这样的设置可以便于本发明的超薄型镜片可以方便的适用于矫正性眼镜片的切割工具，以使其利于适配不同造型的眼镜框。
第二实施例
在该实施例中，以主镜片10和中间镜片20的各光学表面分别为自由曲面为例，对整个超薄型镜片中主要的设计参数进行描述。其中，以人眼所在的位置为原点，以视轴方向为Z轴，以垂直于Z轴向上的方向为Y轴，并以垂直于Y-Z平面的方向为X轴，建立坐标系。表1为各光学表面的面型参数，表2为多个面型为自由曲面的表面的各项系数。
表1：第二实施例中，主棱镜及中间棱镜各光学表面参数
表面标记 表面类型 半径 X偏心 Y偏心 Z偏心 Alpha倾斜
101(光阑) 球面 无限 0 0 0 0
102 XY多项式 -99.61 0 0.000 16.000 -0.466
103 XY多项式 -156.71 0 1.452 18.069 -14.342
105 XY多项式 -27.19 0 0.593 19.800 -21.119
106 XY多项式 -10.17 0 20.163 18.626 -62.600
110(display) 球面 无限 0 22.486 14.971 -75.930
表2为多个自由曲面表面的面型方程中的各项系数
Figure BDA0003450606640000081
Figure BDA0003450606640000091
其中，自由曲面面型可以采用XY多项式的形式进行描述，方程如下：
Figure BDA0003450606640000092
第一光学表面106、第二光学表面102、第三光学表面103以及第五光学表面105所对应的多项式方程中的系数取值参见表2。第四光学表面104的面型与第三光学表面103的面型一致，各相关参数相同。
为实现轻薄化，该超薄型镜片的中心厚度为7.5mm，视场角达32°，眼瞳箱尺寸为10mm×6mm，出瞳距离为16mm，此时可用于AR显示。可以理解，当省略辅镜片30，且将中间镜片20的第五光学表面105上加工全反射膜后，模组厚度可进一步降低至7.2mm，并可用于VR显示。
第三实施例
在第三实施例中，以主镜片10和中间镜片20的各光学表面采用旋转对称球面的面型以降低加工的难度。
在该实施例提供的超薄型镜片及其构成的虚像成像装置200，如图5所示，主要包括主镜片10，中间镜片20和辅镜片30，以及微型显示器件40。其中，主镜片10、中间镜片20和辅镜片30的结构和第一实施例类似，区别在于，各光学表面使用了球面面型，材料可为光学玻璃。与第一实施例对应，沿图像光传输路径，从人眼侧向显示器侧，所经过的表面分别为：光阑201、第二光学表面202、第三光学表面203、第四光学表面204、第五光学表面205、第一光学表面206和显示面210，其具体材料、半径和坐标数据如表2所示。第四光学表面204和第三光学表面203的面型一致，第四光学表面204的参数与第三光学表面203的参数相同。
其中，以人眼所在的位置为原点，以视轴方向为Z轴，以垂直于Z轴向上的方向为Y轴，并以垂直于Y-Z平面的方向为X轴，建立坐标系。根据本发明第三实施例的各光学表面参数可由下表3所示：
表3第三实施例中，主镜片和中间镜片的各光学表面参数
Figure BDA0003450606640000093
Figure BDA0003450606640000101
为实现轻薄化，整个超薄型镜片的厚度为7.8mm，视场角达32°，眼瞳箱尺寸为10mm×6mm，出瞳距离为16mm，可用于AR显示，如图5所示。可以理解，当省略辅镜片，且将中间镜片20的第五光学表面205上加工全反射膜后，模组厚度可进一步降低至7.4mm，并可用于VR显示。
第四实施例
在该实施例中，根据本发明的轻薄型近眼显示模组，在主镜片10、中间镜片20以及辅镜片30的基础上，还可引入额外的光学镜片以用于校正像差和提高显示指标。例如，在微型显示器40和主镜片10之间设置有透镜或棱镜。透镜可以是单透镜、正-负胶合透镜或者透镜组中的一种或多种，棱镜可以是自由曲面棱镜。
优选的，可以在主镜片10和微型显示器40之间加一组双胶合透镜50，材料可以光学玻璃、光学树脂或玻塑混合，以校正色差，如图6所示。
或者，优选的，可以在主镜片10和微型显示器40之间增加自由曲面棱镜60，以提高清晰度及校正畸变，如图7所示。
对于本发明各实施例的超薄型镜片，微型显示器件可以通过边框被固定在主镜片10的入射面附近构成虚像成像装置。图像源面向第一光学表面106设置，微型显示器件发出的图像光射向主镜片10的第一光学表面106。特别的，对于例如上述实施例中的镜片，边框还可以进一步包括柔性的包围以包围贴近的主镜片、中间镜片和辅镜片的边缘，以使整个超薄型镜片具有密封性。柔性的包围确保在主镜片、中间镜片和辅镜片被因眼镜框外形而裁剪成其他形状时，依然能够保证超薄型镜片的密封。
[近眼显示器]
根据本发明另一方面，由于上述各实施例中镜片构成的虚像成像装置均可用作近眼显示器的光学元件，厚度轻薄，从而使用本发明的近眼显示器具有类似于普通矫正眼镜或者时尚太阳镜的外观，如图8所示。该近眼显示器包括本发明实施例的镜片和预定尺寸的微型显示器件组成的虚像成像装置，其中镜片800被置于使用者眼睛的正前方，在眼镜本体内，优选以双目的形式提供，在希望单目显示的使用场景中，只需不安装一目的微型显示器件，双侧重量差异小，无需单独的配重即可实现统一的外观。由于虚像成像中光出射面上分光层的作用，来自现实世界场景的光(即环境光)，与来自微型显示器件的图像光，在用户眼睛处融合，从而使用户看到融合的图像。
一般而言，轻薄性使得用户能够舒适且较长时间的佩戴本发明的眼镜式近眼显示设备，包括在户内和户外。除镜片的部分，还可以在眼镜框内置额外的传感器，从而得到各种信息以确定什么类型的增强现实图像是恰当的以及它应当被提供在整体图像上的什么地方，例如深度相机下的环境构建、惯性测量单元以及运动跟踪技术等等，现有技术中的各种相应的传感器和控制器均可构成用于传感本发明上述近眼显示器所需的得到的各项数据，控制器可以是通用的数据处理和控制器件，比如中央处理器CPU或者其他微处理器等，本领域技术人员应当理解的，传感器和与其配套的电路、以及通常安装有中央处理器的主电路板等，按照一般的方式，将置于镜腿801中，会增加眼镜式设备的重量，应当尽量小型化以减小对眼镜佩戴的舒适度降低的作用。而从时尚的角度考虑，轻薄型使得本发明的眼镜式设备同样适合各类装饰型的场合佩戴，例如，希望具有太阳镜之类的防护效果时，可以在辅镜片外侧镀有滤光膜以过滤过强的太阳光或者某种有害光，简单易实施。
前面的对本技术的详细描述只是为了说明和描述。它不是为了详尽的解释或将本技术限制在所公开的准确的形式。鉴于上述教导，许多修改和变型都是可能的。所描述的实施例只是为了最好地说明本技术的原理以及其实际应用，从而使精通本技术的其他人在各种实施例中最佳地利用本技术，适合于特定用途的各种修改也是可以的。本技术的范围由所附的权利要求进行定义。

Claims (19)

1.一种超薄型镜片，其特征在于，包括主镜片(10)，中间镜片(20)和辅镜片(30)；其中，
所述主镜片(10)至少包括三个有效光学面，其中，第一光学表面(106)为入射面，第二光学表面(102)为靠近人眼侧的表面，第三光学表面(103)为靠近环境侧的表面；主镜片以其第一光学表面(106)为入射面接受来自微型显示器件的图像光透射进入主镜片内，向其第三光学表面(103)的方向传播，然后依次在第三光学表面(103)和第二光学表面(102)发生全反射，被第二光学表面(102)全反射后的图像光经第三光学表面射出主镜片并射向中间镜片；
所述中间镜片(20)包括两个有效光学面，分别为第四光学表面(104)和第五光学表面(105)；第四光学表面与第三光学表面相邻设置且有预定间隙，所述射向中间镜片的图像光经第四光学表面透射进入中间镜片，部分图像光被第五光学表面反射回中间镜片，然后依次经过第四光学表面、第三光学表面和第二光学表面透射，射向人眼成像；
所述辅镜片(30)与第五光学表面相邻设置，环境光经过辅镜片、中间镜片和主镜片向人眼成像；
至少由所述主镜片的表面和所述辅镜片的表面组成所述超薄型镜片朝向出瞳一侧的第一外表面(100A)，所述主镜片的表面、所述中间镜片的表面和所述辅镜片的表面共同组成所述超薄型镜片朝向环境一侧的第二外表面(100B)。
2.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述图像光第一次射向所述第三光学表面(103)的入射角满足主镜片(10)内部全反射条件；所述图像光第一次从第三光学表面射向所述第二光学表面(102)的入射角满足主镜片(10)内部全反射条件。
3.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述第一光学表面、所述第二光学表面和所述第三光学表面的面型分别为自由曲面、球面、非球面中的一种。
4.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述第四光学表面和所述第三光学表面具有一致的面型，所述第四光学表面和所述第三光学表面之间的间距不超过1mm。
5.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述第五光学表面的面型选自自由曲面、球面和非球面中的一种，所述第五光学表面涂覆有具有预定透反比的反射膜。
6.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述辅镜片包括两个有效光学面，分别为第六光学表面(107)和第七光学表面(108)，所述第六光学表面与所述第五光学表面具有一致的面型且贴合。
7.如权利要求6所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述第七光学表面具有和所述第二光学表面相近的面型。
8.如权利要求6所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述主镜片还包括相对设置的第一表面(15)和第二表面(16)；
所述中间镜片还包括第三表面(23)；
所述辅镜片还包括相对设置的第四表面(34)和第五表面(35)；
所述第一外表面(100A)由所述主镜片的所述第一表面和所述第二光学表面，以及所述辅镜片的所述第四表面组成；
所述第二外表面(100B)由所述主镜片的所述第二表面、所述中间镜片的所述第三表面和所述辅镜片的所述第五表面组成。
9.如权利要求8所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述第一表面、所述第四表面和所述第二光学表面具有一致的面型，或者，所述第一表面、所述第四表面和所述第二光学表面具有不同的面型，彼此平滑过渡或存在曲率突变的拼接区域；
所述第二表面、所述第五表面和所述第三表面具有一致的面型，或者，所述第二表面、所述第五表面和所述第三表面具有不同的面型，彼此平滑过渡或存在曲率突变的拼接区域。
10.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述第一外表面和所述第二外表面具有相近的面型，以对环境光实现无光焦度的透视效果；
或者，所述第一外表面和所述第二外表面形成面型差异，以对使用者具有预定的视度。
11.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述第一外表面和所述第二外表面分别形成为球面、非球面或自由曲面的面型。
12.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述中间镜片在垂直于光轴方向上延伸覆盖从所述第三光学表面射出的图像光的有效通光孔径范围。
13.如权利要求1所述的超薄型镜片，其特征在于：
所述图像光在所述超薄型镜片内不存在中间像。
14.一种使用了如权利要求1所述超薄型镜片的虚像成像装置，其特征在于，还包括微型显示器件作为图像源，所述图像源面向所述第一光学表面设置，所述微型显示器件发出的图像光射向所述主镜片的所述第一光学表面。
15.如权利要求14所述的虚像成像装置，其特征在于：
还包括设置在所述微型显示器件和所述第一光学面之间的透镜，所述透镜为单透镜、正-负胶合透镜或透镜组。
16.如权利要求14所述的虚像成像装置，其特征在于：在所述微型显示器件选自微型OLED，微型Micro-LED，LCoS，微型LCD或者DLP。
17.如权利要求14所述的虚像成像装置，所述微型显示器件通过边框被固定在光入射部附近。
18.一种使用了如权利要求1所述超薄型镜片的虚像成像装置，还进一步包括柔性的包围，以包围贴近的所述辅镜片、所述中间镜片和所述主镜片的边缘，以使整个镜片具有密封性。
19.一种近眼显示器，所述近眼显示器呈眼镜状，包括被置于眼镜本体中镜片位置的如权利要求14-18任一项所述的虚像成像装置，以及被置于眼镜腿中的主电路板和电池。
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