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CN110967832A - 光学处理装置和近眼显示设备 - Google Patents

光学处理装置和近眼显示设备 Download PDF

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CN110967832A
CN110967832A CN201811157148.0A CN201811157148A CN110967832A CN 110967832 A CN110967832 A CN 110967832A CN 201811157148 A CN201811157148 A CN 201811157148A CN 110967832 A CN110967832 A CN 110967832A
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CN
China
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light
optical lens
lens group
optical
optical processing
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CN201811157148.0A
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马占山
田文红
张�浩
陈丽莉
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BOE Technology Group Co Ltd
Beijing BOE Optoelectronics Technology Co Ltd
Original Assignee
BOE Technology Group Co Ltd
Beijing BOE Optoelectronics Technology Co Ltd
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Priority to PCT/CN2019/104206 priority patent/WO2020063273A1/zh
Priority to US16/759,728 priority patent/US11249333B2/en
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Abstract

本发明提供一种光学处理装置，所述光学处理装置包括至少一个透光率可调的光学透镜组，所述光学处理装置还包括光检测器和控制器，所述光检测器用于检测射向所述光学透镜组的光线强度；所述控制器用于根据所述光检测器检测到的光线强度调节所述光学透镜组的透光率。本发明还提供一种近眼显示设备。本发明能够防止用户在使用近眼显示设备时眼睛受到强烈刺激。

Description

光学处理装置和近眼显示设备
技术领域
本发明涉及显示技术领域，具体涉及一种光学处理装置和近眼显示设备。
背景技术
随着科学技术的发展，虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)显示技术逐渐走入了人们的视线，虚拟现实设备可以为佩戴者提供沉浸式的视觉体验。在虚拟现实设备中，显示屏的光线通过光学透镜投射到人眼中，使用户看到显示的图像。但是目前的虚拟显示设备中，显示屏在显示不同画面时，亮度不同，而人眼距离显示屏的距离又很近，因此，当显示屏显示高亮度画面时，就会对人眼造成强烈刺激，影响用户体验。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种光学处理装置和近眼显示设备，以防止用户在使用近眼显示设备时眼睛受到强烈刺激。
为了实现上述目的，本发明提供一种光学处理装置，所述光学处理装置包括至少一个透光率可调的光学透镜组；
所述光学处理装置还包括光检测器和控制器，所述光检测器用于检测射向所述光学透镜组的光线强度；所述控制器用于根据所述光检测器检测到的光线强度调节所述光学透镜组的透光率。
可选地，所述光学透镜组包括透光层以及一个凸透镜或同轴设置的多个凸透镜，该一个凸透镜或同轴设置的多个凸透镜用于将来自所述光学透镜组的入光侧的光线汇聚；所述透光层在所述凸透镜的主光轴方向上覆盖所述凸透镜，且所述透光层的透光率可调
可选地，所述透光层包括液晶层和透明的驱动电极层，所述控制器与所述驱动电极层电连接，用于向所述驱动电极层提供驱动电压，以产生用于驱动所述液晶层内的液晶进行翻转的电场。
可选地，所述控制器用于根据预设的对应关系向所述驱动电极层提供与所述光检测器检测到的光线强度对应的驱动电压，所述对应关系包括不同的光线强度及相应的驱动电压。
可选地，所述驱动电极层包括相对设置的两个透明电极层，所述液晶层位于两个透明电极层之间。
可选地，所述光学透镜组包括两个所述凸透镜，所述透光层设置在两个凸透镜之间。
可选地，所述光学透镜组的两个凸透镜均为平凸透镜，所述平凸透镜的平面与所述透光层贴合。
可选地，每个光学透镜组均对应多个光检测器，多个所述光检测器沿所述凸透镜的边缘轮廓环绕所述凸透镜。
可选地，所述光学处理装置还包括壳体，所述壳体包括侧壁和设置在所述侧壁上的第一安装部，所述第一安装部环绕所述光学透镜组，所述光学透镜组与所述第一安装部固定连接，所述光检测器设置在所述第一安装部上。
可选地，所述光学透镜组的数量为两个，所述壳体还包括设置在两个所述光学透镜组之间的遮光板。
相应地，本发明还提供一种近眼显示设备，包括本发明提供的上述光学处理装置和显示面板，所述显示面板设置在所述光学透镜组的入光侧，所述光检测器用于检测从所述显示面板射向所述光学透镜组的光线强度。
可选地，所述光学透镜组用于将来自于所述显示面板的光线汇聚在对应于所述显示面板的观看区。
可选地，从所述光学透镜组射向其出光侧的光线强度位于预设范围内。
可选地，所述壳体还包括设置在所述侧壁上的第二安装部，所述显示面板设置在所述第二安装部上。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例一提供的一种光学处理装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的光学处理装置与显示面板配合使用的侧视图；
图3为本发明实施例一中提供的光学处理装置与显示面板配合使用的俯视图；
图4为本发明实施例一中的光学透镜组的结构示意图；
图5a和图5b分别为透过层达到不同透过率时经过光学透镜组的光线分布示意图；
图6为本发明实施例一中凸透镜、液晶层及光检测器的位置关系示意图；
图7为近眼显示设备使用过程中对光线调节的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1为本发明实施例一提供的一种光学处理装置的整体结构示意图，如图1所示，光学处理装置包括光检测器2、控制器5和至少一个透光率可调的光学透镜组1。光检测器2用于检测射向光学透镜组1的光线强度。控制器5用于根据光检测器2检测到的光线强度调节光学透镜组1的透光率。
通过光检测器2对光线强度的检测和控制器5对光学透镜组1透光率的调节，可以在射向光学透镜组1的光线强度过高的情况下，将光学透镜组1的透光率调节至较小值；在射向光学透镜组1的光线强度过小的情况下，将光学透镜组1的透光率调节至较大值，从而保证在光学透镜组1的另一侧接收到的光线可以维持在所需范围内。这样，当用户在观看显示面板的显示画面时，可以将光学透镜组1设置在眼睛与显示面板之间，从而使得射向眼睛的光线强度不会过大，进而保护人眼。
其中，光学透镜组1具体可以为起到光线汇聚作用的透镜组，或者，起到光线发散作用的透镜组。
所述光学处理装置尤其适用于近眼显示设备中，所述近眼显示设备可以为头戴式虚拟现实(VR)设备；也可以为放置在支撑台上供用户近距离观看的非头戴式虚拟现实设备。所述光学处理装置可以与近眼显示设备的显示面板配合使用，以使用户看到逼真的立体图像。此时，光学透镜组1则具体为起到汇聚作用的透镜组。
图2为本发明实施例一提供的光学处理装置与显示面板配合使用的侧视图，如图2所示，所述光学处理装置用于近眼显示设备中时，显示面板4位于光学透镜组1的入光侧，光学透镜组1将显示面板4发射的光线的至少一部分汇聚在位于出光侧(即，背离显示面板4的一侧)的观看区va。该观看区va是指，光学透镜组1将显示面板4发射的光线所汇聚到的位置，且人眼位于该位置时能够清楚地看到显示面板4显示画面。
光检测器2具体为光敏传感器，其可以通过柔性线路板与控制器5电连接。控制器5被配置为根据光检测器2检测到的光线强度调节光学透镜组1的透光率，并使光学透镜组1射向观看区va的光线强度处于预设范围内。其中，所述预设范围可以根据人眼对光线的敏感程度确定，以使得光强在该预设范围内的光线照射至人眼时，对人眼的刺激较小，使用户感觉较舒适。
在图2中，当近眼显示设备的显示面板4朝向光学透镜组1发射的光线强度过大时，控制器5可以通过调节光学透镜组1的透光率，从而将光学透镜组1射向观看区的光线强度保持在适宜人眼的预设范围内，进而起到保护眼睛的作用，且提高了用户观看的舒适度。
图3为本发明实施例一中提供的光学处理装置与显示面板配合使用的俯视图，如图3所示，光学透镜组1的数量为两个，两个光学透镜组1的两个观看区va分别对应用户双眼。可选地，显示面板4同时显示左眼图像和右眼图像，左眼图像的光线和右眼图像的光线分别通过两个光学透镜组1汇聚在两个观看区，从而使用户双眼分别看到左眼图像和右眼图像，进而在人脑中合成立体的图像。
图4为本发明实施例一中的光学透镜组的结构示意图，如图4所示，光学透镜组1包括透光层11以及同轴设置的多个凸透镜12，同轴设置的多个凸透镜12的位置关系和折射率满足：能够将来自光学透镜组1入光侧的光线汇聚在观看区va。透光层11的透光率可调；并且，透光层11在凸透镜12的主光轴方向上覆盖凸透镜12，即，透光层11在垂直于凸透镜12主光轴的平面上的正投影覆盖凸透镜12在相同平面上的正投影，以使得透光层11的透光率发生变化时，凸透镜11不同位置所汇聚的光线强度均匀改变，从而提高人眼看到的画面不同位置显示效果的均一性。
其中，所述同轴设置是指，多个凸透镜12的主光轴位于同一直线上。本领域技术人员可以理解的是，凸透镜12为中间厚、边缘薄、至少有一个表面制成球面的透镜；对于两面均为球面的凸透镜，其主光轴为两个球面的球心所确定的直线；而对于一面为平面、另一面为球面的凸透镜，根据其光学特性，该凸透镜可以等效为两面均为球面的凸透镜，从而通过与上述相同的方式确定主光轴。
具体地，本实施例中的光学透镜组1具体包括两个凸透镜12，透光层11设置在两个凸透镜12之间。光学透镜组1的两个凸透镜12均为平凸透镜，即，凸透镜12的一面为平面，另一面为球面。平凸透镜的平面与透光层11贴合，并且，两个凸透镜12的大小、形状均相同，以使光线透镜组1整体上相当于一个凸透镜，从而保证经过同一光学透镜组1的光线能够汇聚在同一个观看区va，并使得光学透镜组1的结构更加紧凑，从而减小光学处理装置的整体体积。
当然，光学透镜组1中的凸透镜12的数量也可以为一个，即，将图4中的其中一个凸透镜12去除。
如图4所示，透光层11包括液晶层112和透明的驱动电极层111，所述控制器与驱动电极层111电连接，用于向驱动电极层111提供驱动电压，以产生用于驱动液晶层112中的液晶进行翻转的电场。例如，液晶层112的液晶在未发生翻转(即，翻转角度为0°)时，液晶长轴与凸透镜12的光轴垂直，此时，液晶层112的透光率达到最低值，可达到0％；当液晶达到最大翻转角度时，其长轴与凸透镜12长轴趋于平行，此时，液晶层112的透光率达到最高值，可达到96％；当液晶翻转角度从0°到最大翻转角度之间变化时，液晶层112的透光率相应地在最小透过率和最大透过率之间变化。因此，只需要通过调节驱动电极层111的驱动电压，即可调节透光层11的透过率，从而更方便准确地对透光层11的透过率进行调节。
具体地，当光检测器2检测到的光线强度较大时，控制器通过向驱动电极层111提供合适的驱动电压，以使液晶达到较小的翻转角度，从而光学透镜组1整体达到较低的透过率，如图5a所示；即，可以在显示面板显示较亮的画面时，对透过光学透镜组1的光强进行限制，从而保护人眼。当光检测器2检测到的光线强度较小时，控制器通过向驱动电极层111提供合适的驱动电压，以使液晶达到较大的翻转角度，从而光学透镜组1整体达到较高的透过率，如图5b所示；即，在显示面板显示较暗的画面时，确保有足够的光线进入人眼，使得用户能够看清楚显示画面。其中，液晶翻转角度为液晶长轴与液晶层112所在平面之间的角度。
其中，控制器具体用于根据预设的对应关系向驱动电极层111提供与光检测器检测到的光线强度对应的驱动电压，从而更准确地控制透光率。所述对应关系包括不同的光线强度及相应的驱动电压。进一步具体地，所述对应关系可以包括液晶翻转角度与驱动电压之间的关系、以及预设的液晶翻转角度与光检测器2检测到的光线强度之间的关系。液晶翻转角度与驱动电压之间的关系可以根据液晶的特性来获取；液晶翻转角度与光检测器2检测到的光线强度之间的关系可以根据光检测器2检测到的光线强度与预设范围中的目标强度之间的差值、所述目标强度与液晶翻转角度之间的关系来预先设置，而光检测器2检测到的最大光线强度则确定为显示面板显示L255画面时出射光线的强度。
例如，所述预设范围为0～70lux；液晶翻转角度与光检测器2检测到的光线强度之间的关系为：当光检测器2检测到的光线强度大于120lux时，液晶翻转角度在[30°,45°]范围内(也就是说，当光检测器2检测到的光线强度大于120lux时，为了使照射到观看区的光线强度处于所述预设范围，需将液晶翻转角度设置在[30°,45°]范围内)；光检测器2检测到的光线强度在[100lux，120lux]之间时，液晶翻转角度在(45°,60°]范围内；当光检测器2检测到的光线角度在[80lux，100lux)范围内时，液晶翻转角度在(60°,75°]范围内；当光检测器2检测到的光线强度在[70lux,80lux)范围内时，液晶翻转角度在(75°,85°]范围内；当光检测器2检测到的光线强度小于70lux时，液晶翻转角度为90°。
这种情况下，当光学处理装置应用于近眼显示设备中时，假设光检测器2检测到来自于光学透镜组1入光侧的光线强度为100lux，则确定与光线强度100lux对应的液晶翻转角度在(45°,60°]范围内，进而根据液晶翻转角度与驱动电压之间的关系，确定与(45°,60°]的翻转角度所对应的驱动电压，从而通过控制液晶翻转来使光学透镜组1整体达到较低的透过率，如图5a所示。当光检测器2检测到来自于光学透镜组1入光侧的光线强度为50lux时，则确定与光线强度50lux对应的液晶翻转角度为90°，进而根据液晶翻转角度与驱动电压之间的关系，确定与90°的翻转角度所对应的驱动电压，从而通过液晶翻转来使光学透镜组1整体达到较低的透过率，如图5a所示。
如图4所示，驱动电极层111包括相对设置的两个透明电极层111a，液晶层112位于两个透明电极层111a之间。在实际应用中，可以将其中一层透明电极层111a接地，另一层透明电极层111a与控制器相连，以接收控制器所提供的驱动电压。当控制器为驱动电极层111提供驱动电压时，两层透明电极层111a之间产生垂直电场，且不同位置处的电场相同，从而在调节人眼看到的显示画面亮度的同时，不影响显示画面的内容。
其中，透明电极层111a可以采用诸如氧化铟锡(ITO)等材料，在制作工艺时，可以将透明电极层111a可以直接形成在凸透镜12的表面。
需要说明的是，驱动电极层111也可以采用其他设置方式，例如，将驱动电极层111的两个透明电极层111a设置在液晶层112的同一侧，并将其中一个透明电极层111a设置为条状电极，另一个透明电极层111a设置为面状电极；或者，将驱动电极层111设置为多个第一电极条和多个第二电极条交替间隔设置的结构。
另外，液晶层112的两侧还可以设置有取向层，以在驱动电极层111未施加驱动电压时对液晶进行取向。
为了保证两个凸透镜12与透光层11整体的稳定性设置，如图4所示，光学透镜组1还包括沿凸透镜12的边缘轮廓环绕凸透镜12的安装部13，安装部13与凸透镜12可以为一体结构，两个凸透镜12边缘均设置有安装部13，两个安装部13之间通过粘结胶14粘结，从而将两个凸透镜12稳定连接，同时将液晶层112封装在两个凸透镜12之间。
可选地，所述光学处理装置用于头戴式的近眼显示设备中，此时，如图2和图3所示，所述光学处理装置还包括壳体3，壳体3包括侧壁34、设置在侧壁33上的第一安装部31和第二安装部32。第一安装部31环绕光学透镜组1，光学透镜组1与第一安装部31固定连接。光检测器2设置在第一安装部31上，并位于第一安装部31朝向第二安装部32的一侧。第二安装部32用于将所述近眼显示设备的显示面板4安装于光学透镜组1的入光侧。
其中，光学透镜组1具体可以通过上述安装部13与第一安装部31相连，安装部13具体可以通过粘结的方式固定在第一安装部31上，或通过螺钉等连接件固定在第一安装部31上。并且，安装部13位于第一安装部31的朝向显示面板的一侧。当光学透镜组1为两个时，两个光学透镜组1对应的第一安装部31可以形成为一体，形成为一体的两个第一安装部31相当于设置有两个开口的板型结构，每个光学透镜组1均对应一个开口。第二安装部32具体可以为设置在侧壁34上的夹具，通过夹持的方式对显示面板32进行固定。
当然，光学透镜组1以及显示面板4在壳体3的安装方式不限于上述方式，也可以采用其他安装方式。
为了防止用户双眼看到的图像之间发生干扰，如图3所示，壳体3还包括设置在两个光学透镜组1之间的遮光板33，该遮光板33的一端设置在第一安装部31上，另一端朝向显示面板4延伸。
为了提高光强度检测的准确性，如图6所示，每个光学透镜组1均对应多个光检测器2，控制器5通过柔性线路板6获取每个光检测器2检测到的光强度，并将多个光检测器2检测到的光强度的平均值作为实际的光线强度。每个光学透镜组1对应的多个光检测器2沿其中一个凸透镜12的边缘轮廓环绕凸透镜12均匀设置，具体可以将光检测器2设置在凸透镜12边缘的安装部13上。
例如，光学透镜组1中的凸透镜12边缘可以设置有与凸透镜12形成一体的裙边13，裙边13固定在第一安装部31上。为了提高光强度检测的准确性，如图5所示，每个光学透镜组1均对应多个光检测器2，所述处理器可以将多个光检测器2检测到的光强度的平均值作为实际的光线强度。每个光学透镜组1对应的多个光检测器2沿其中一个凸透镜12的周向环绕凸透镜12均匀设置，具体可以将光检测器2设置在凸透镜12边缘的裙边13上。
本发明实施例二提供一种近眼显示设备，包括上述实施例一提供的光学处理装置和显示面板4，如图2和图3所示，显示面板4设置在光学透镜组1的入光侧。光检测器2用于检测从显示面板4射向光学透镜组1的光线强度。
具体地，如上文所述，壳体3包括第二安装部32，显示面板4安装在第二安装部32上。光学透镜组1用于将来自于显示面板4的光线汇聚在对应于显示面板4的观看区va，即，显示面板4出射的光线经过两个光学透镜组1后汇聚在两个观看区va，从而使位于观看区va的人眼看到图像。
优选地，从光学透镜组1射向其出光侧的光线强度位于预设范围内，其中，所述预设范围可以根据人眼对光线的敏感程度确定，以使得光强在该预设范围内的光线照射至人眼时，对人眼的刺激较小，使用户感觉较舒适。这样，当显示面板4朝向光学透镜组1发射的光线强度过大时，可以防止人眼受到光强的光线刺激。
所述近眼显示设备使用过程中对光线调节的原理如图7所示：首先，显示面板向光学透镜组发射光线；此时，光检测器检测光线强度，并将检测到的光线强度提供给控制器；之后，控制器输出电压，以控制液晶层中的液晶偏转，从而调节光学透镜组的透光率，进而使得强度在预设范围内的光线进入人眼。控制器确定输出电压的具体方式和原理已在上文进行说明，这里不再赘述。
在本发明中，由于控制器能够根据光检测器检测到的光线强度来对光学透镜组的透过率进行调节，以使光学透镜组射向所述观看区的光线强度处于预设范围内，因此，当显示面板朝向光学透镜组发射的光线强度过大时，控制器可以通过调节所述光学透镜组的透光率，从而将光学透镜组射向观看区的光线强度保持在适宜人眼的预设范围内，进而起到保护眼睛的作用，且提高了用户观看的舒适度。并且，光学透镜层包括透过层和凸透镜，透光层包括液晶层和驱动电极层，控制器通过对驱动电极层提供驱动电压，来控制液晶层的翻转角度，从而调节光学透镜层整体的透过率，这种通过调节驱动电压来调节透过率的方式更加方便快捷。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种光学处理装置，其特征在于，所述光学处理装置包括至少一个透光率可调的光学透镜组；
所述光学处理装置还包括光检测器和控制器，所述光检测器用于检测射向所述光学透镜组的光线强度；所述控制器用于根据所述光检测器检测到的光线强度调节所述光学透镜组的透光率。
2.根据权利要求1所述的光学处理装置，其特征在于，所述光学透镜组包括透光层以及一个凸透镜或同轴设置的多个凸透镜，该一个凸透镜或同轴设置的多个凸透镜用于将来自所述光学透镜组的入光侧的光线汇聚；所述透光层在所述凸透镜的主光轴方向上覆盖所述凸透镜，且所述透光层的透光率可调。
3.根据权利要求2所述的光学处理装置，其特征在于，所述透光层包括液晶层和透明的驱动电极层，所述控制器与所述驱动电极层电连接，用于向所述驱动电极层提供驱动电压，以产生用于驱动所述液晶层内的液晶进行翻转的电场。
4.根据权利要求3所述的光学处理装置，其特征在于，所述控制器用于根据预设的对应关系向所述驱动电极层提供与所述光检测器检测到的光线强度对应的驱动电压，所述对应关系包括不同的光线强度及相应的驱动电压。
5.根据权利要求3所述的光学处理装置，其特征在于，所述驱动电极层包括相对设置的两个透明电极层，所述液晶层位于两个透明电极层之间。
6.根据权利要求2所述的光学处理装置，其特征在于，所述光学透镜组包括两个所述凸透镜，所述透光层设置在两个凸透镜之间。
7.根据权利要求6所述的光学处理装置，其特征在于，所述光学透镜组的两个凸透镜均为平凸透镜，所述平凸透镜的平面与所述透光层贴合。
8.根据权利要求2所述的光学处理装置，其特征在于，每个光学透镜组均对应多个光检测器，多个所述光检测器沿所述凸透镜的边缘轮廓环绕所述凸透镜。
9.根据权利要求1所述的光学处理装置，其特征在于，所述光学处理装置还包括壳体，所述壳体包括侧壁和设置在所述侧壁上的第一安装部，所述第一安装部环绕所述光学透镜组，所述光学透镜组与所述第一安装部固定连接，所述光检测器设置在所述第一安装部上。
10.根据权利要求9所述的光学处理装置，其特征在于，所述光学透镜组的数量为两个，所述壳体还包括设置在两个所述光学透镜组之间的遮光板。
11.一种近眼显示设备，其特征在于，包括权利要求1至10中任意一项所述的光学处理装置和显示面板，所述显示面板设置在所述光学透镜组的入光侧，所述光检测器用于检测从所述显示面板射向所述光学透镜组的光线强度。
12.根据权利要求11所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光学透镜组用于将来自于所述显示面板的光线汇聚在对应于所述显示面板的观看区。
13.根据权利要求11所述的近眼显示设备，其特征在于，从所述光学透镜组射向其出光侧的光线强度位于预设范围内。
14.根据权利要求11所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光学处理装置为权利要求9所述的光学处理装置，
所述壳体还包括设置在所述侧壁上的第二安装部，所述显示面板设置在所述第二安装部上。
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