CN106226912B - 近眼显示照明光路及透射式近眼显示照明光路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及近眼显示照明光路，所述近眼显示照明光路包括积分棒、第一透镜组、复眼透镜组、第二透镜组和靶面；其中，所述积分棒、所述第一透镜组、所述复眼透镜组、所述第二透镜组和所述靶面依次排列；所述积分棒截面的形状为多边形。本发明还提供了透射式近眼显示照明光路。本发明应用于近眼显示装置，防止了观看同一画面时，其色彩或亮度随人眼瞳孔在目视光路出瞳上的位置差异而产生显著变化的现象，具有光源利用效率高、功耗低等优点。

Description

近眼显示照明光路及透射式近眼显示照明光路

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，具体涉及一种近眼显示照明光路近眼显示照明光路及透射式近眼显示照明光路。

背景技术

近眼显示装置也称为头戴式显示器，作为穿戴式应用，有体积小、重量轻、功耗低的需求。近眼显示装置通常采用微型DMD、LCoS靶面、LCD面板等靶面，并通过目视放大光路将靶面的图像放大成像到视网膜，并搭配适当的近眼显示照明光路。

图1示出了现有技术中近眼显示照明光路的结构示意图，如图1所示，在近眼显示照明光路10中，三基色光源的光线经准直透镜100进行准直后，利用二向色镀膜玻璃片102进行滤光后，经复眼透镜组104后，由透镜106成像到靶面108，使光线均匀分布于靶面，该方案的优点是光源利用效率高，耗电少，但是，在近眼显示装置中使用近眼显示照明光路10时，不能确保防止观看同一画面时，其色彩或亮度随人眼瞳孔在目视光路出瞳上的位置差异而产生显著变化的现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种近眼显示照明光路，克服使用现有近眼显示照明光路时观看到的画面色彩或亮度随出射孔径角的不同而产生较大差异的缺陷。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

本发明提供一种近眼显示照明光路，所述近眼显示照明光路包括积分棒、第一透镜组、复眼透镜组、第二透镜组和靶面；其中，所述积分棒、所述第一透镜组、所述复眼透镜组、所述第二透镜组和所述靶面依次排列；所述积分棒截面的形状为多边形。

进一步，所述积分棒截面的形状为正多边形或在水平方向呈扁平状的多边形。

进一步，所述复眼透镜组的透镜单元的形状与所述靶面的形状相同。

进一步，所述第一透镜组的参数满足像方远心光路的成像条件；所述第二透镜组的参数满足像方远心光路的成像条件。

进一步，所述积分棒为内壁镀有反射膜的空心结构或内部填充透光材质的实心结构。

进一步，所述近眼显示照明光路还包括分光器，所述分光器放置于所述第二透镜组与所述靶面之间。

另外，本发明还提供一种透射式近眼显示照明光路，所述透射式近眼显示照明光路由积分棒、第一透镜组、复眼透镜组、第二透镜组和靶面组成；其中，所述积分棒、所述第一透镜组、所述复眼透镜组、所述第二透镜组和所述靶面依次排列；所述积分棒截面的形状为多边形。

进一步，所述积分棒截面的形状为正多边形或在水平方向呈扁平状的多边形。

进一步，所述复眼透镜组的透镜单元的形状与所述靶面的形状相同。

进一步，所述积分棒为内壁镀有反射膜的空心结构或内部填充透光材质的实心结构。

本发明提供的近眼显示照明光路，通过选用一定入口形状的积分棒实现对光源进行匀光，并由所述第一透镜组进行远心成像，从而得到成像后光强均匀分布的光斑，使得在所述复眼透镜组入口处边缘的光强与中间的光强接近一致，确保靶面上形成色彩与亮度随孔径角均匀分布的照明光束，实现了色彩与亮度对不同出射孔径角呈现均匀分布的目的，同时也提高了输出光束光强的均匀分布效果。另外，本发明还针对靶面为透射式的空间调制器件的场合提供了透射式近眼显示照明光路。本发明提供的近眼显示照明光路、透射式近眼显示照明光路应用于近眼显示装置中，克服了使用现有近眼显示照明光路时观看到的画面的色彩或亮度随目视光路出射孔径角的不同而产生较大差异的缺陷，同时，若目视光路的瞳距不可调节，则通过选择积分棒截面形状为在水平方向呈扁平状的多边形，可以适应不同瞳距的人员进行观看。另外，本发明省去了二向色镀膜玻璃片，减少了光强损耗，进一步提高了光源利用效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明现有技术中近眼显示照明光路的结构示意图；

图2为本发明一实施方式的近眼显示照明光路的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

图2示出了本发明一实施方式的近眼显示照明光路的结构示意图，如图2所示，本发明提供了近眼显示照明光路20，其包括积分棒200、第一透镜组202、复眼透镜组204、第二透镜组206和靶面208；其中，积分棒200、第一透镜组202、复眼透镜组204、第二透镜组206和靶面208依次排列；所述积分棒200截面的形状为多边形。

光源进入积分棒200入口，经积分棒200的反射后得到光强均匀分布的光束，在积分棒200出口光束由第一透镜组202成像在复眼透镜组204的入口，即，在不改变光强均匀分布的前提下让光束汇聚到复眼透镜组204，若将第一透镜组202换成反射碗则无法满足该条件。接着，光束经复眼透镜组204的折射后由第二透镜组206汇聚在靶面208。在本实施方式中，多边形是指由三条以上的线段首尾顺次连接所组成的平面图形，包括三角形、四边形、六边形、八边形等图形；复眼透镜组204指两列平行排列的复眼透镜阵列，复眼透镜阵列由一系列小透镜组成；光源是指在积分棒入口处的发光光源或可将照明光线耦合进入积分棒的前置光路；靶面208为DMD、LCOS或LCD等显示面板。

优选地，第一透镜组202的参数满足像方远心光路的成像条件；第二透镜组的参数206满足像方远心光路的成像条件。在本实施方式中，通过设置第一透镜组202的参数使得第一透镜组202将积分棒200出口的光线成像于复眼透镜组204入口处且其任意位置入射光线所形成的光锥的对称轴均与光轴尽量接近平行，从而构成像方远心光路，因此在复眼透镜组204的入口任意位置的入射光线与光轴夹角范围能够尽量小且一致，使得任意位置的入射光线均匀高效地被后续光路接收利用，从而在实现整体光利用效率尽量高的同时，确保任意位置在后续光路中的光效一致性，最终实现色彩与亮度随孔径角的均匀分布的光束入射到靶面。在本实施方式中，第一透镜组202的参数包括各个透镜的折射率、曲率半径等光学参数。在本实施方式中，通过设置第二透镜组206的参数使得第二透镜组206将复眼透镜组204出口的光线汇聚于靶面且其任意位置入射光线所形成的光锥的对称轴均与光轴尽量接近平行，从而构成像方远心光路，对应地，目视光路设置为物方远心光路，则能确保靶面上色彩与亮度随孔径角均匀分布的特性能直接对应于目视光路出瞳的光强与色彩随位置的均匀分布，防止观看同一画面时其色彩或亮度随人眼瞳孔在目视光路出瞳上的位置差异而产生显著变化的现象。在本实施方式中，第二透镜组206的参数包括各个透镜的折射率、曲率半径等光学参数。

优选地，积分棒200截面的形状为正多边形或在水平方向呈扁平状的多边形。在本实施方式中，正多边形是指各边相等与各角相等的多边形，可以是正四边形、正六边形或者正八边形；在水平方向呈扁平状的多边形是沿水平方向的最大长度大于其垂直方向的最大长度的多边形。在本实施方式中，若目视光路的瞳距不可调节，可选用形状为在水平方向呈扁平状的多边形的积分棒，以适应不同瞳距的人员观看。在本实施方式中，积分棒200无需改变光线入射的发散角，因此积分棒200入口与出口的形状和大小均可以设置为相同，为减小体积，积分棒200的长度通常只需满足光线在积分棒中最多反射三次到四次的条件。当积分棒200入口的形状为正八边形时，光线进入积分棒后来回反射，在积分棒的出口将得到形状为正八边形的光强均匀且三原色重叠分布的光束，并经第一透镜组202成像在复眼透镜组204入口处，形成光强均匀且三原色重叠分布的光束，使得复眼透镜组204入口处边缘的光线经过复眼透镜组204后，确保靶面上形成色彩与亮度随孔径角均匀分布的照明光束，实现了色彩与亮度对不同出射孔径角呈现均匀分布，防止了观看同一画面时，其色彩或亮度随人眼瞳孔在目视光路出瞳上的位置差异而产生显著变化的现象。需要注意的是，积分棒200入口的形状不能为圆形，否则将因在复眼透镜组204入口不能得到光强均匀分布的光束而无法防止色彩与亮度对不同出射孔径角呈现不均匀分布的问题。

优选地，复眼透镜组204的透镜单元的最大截面形状与靶面208的形状相同。在本实施方式中，复眼透镜组204的透镜单元的形状是指透镜单元在与光轴垂直的平面中的最大截面形状；复眼透镜组204的透镜单元的形状或靶面208的形状可以是多边形、椭圆形或圆形。保证靶面208的形状与复眼透镜组的形状一致能够实现从复眼透镜组出射的光源被靶面208更好地接收，从而提高光源利用效率。

优选地，积分棒200为内壁镀有反射膜的空心结构或内部填充透光材质的实心结构。在本实施方式中，照明光束在内壁镀有反射膜的空心结构或内部为透光材质的实心结构中发生多次反射，得到光强均匀分布的光束。

在实际应用中，可根据靶面器件的不同，在第二透镜组206与靶面208之间选择放置分光器，所述分光器是指用于对进入与远离靶面的光线进行空间分离的器件，包括棱镜或PBS棱镜等器件。当靶面选用反射式的空间调制器件时，例如当选用的靶面为LCoS时，在第二透镜组206与靶面208之间选择放置PBS棱镜作为分光器，从而实现对入射到LCoS的光线与经LCoS反射后的光线进行分离的作用；当选用的靶面为DMD时，在第二透镜组206与靶面208之间选择放置小气隙全反射棱镜作为分光器，从而实现对入射到DMD的光线与经DMD反射后的光线进行分离的作用。而当靶面为透射式的空间调制器件时，例如当靶面为LCD时，则在第二透镜组206与靶面208之间不放置任何器件。本发明另一实施方式的透射式近眼显示照明光路只应用于靶面为透射式的空间调制器件的场合，在本实施方式中，透射式近眼显示照明光路由积分棒200、第一透镜组202、复眼透镜组204、第二透镜组206和靶面208组成，其中，与前一实施方式不同的是，靶面208只能是透射式的空间调制器件，如LCD等显示面板。

本发明提供的近眼显示照明光路通过选用一定截面形状的积分棒实现对光源进行匀光，使得在所述复眼透镜组入口处边缘的光强与中间的光强接近一致，进而在靶面上任意位置形成色彩与亮度随孔径角均匀分布的光束，实现了色彩或亮度对不同出射孔径角呈现均匀分布的目的。另外，本发明还针对靶面为透射式的空间调制器件的场合提供了透射式近眼显示照明光路。本发明提供的近眼显示照明光路、透射式近眼显示照明光路应用于近眼显示装置中，不仅提高了输出光束的光强的均匀分布效果，而且防止了观看同一画面时，其色彩或亮度随人眼瞳孔在目视光路出瞳上的位置差异而产生显著变化的现象，同时，当目视光路的瞳距不可调节时，使用本发明提供的近眼显示照明光路可以适应不同瞳距的人员进行观看。本发明应用于近眼显示装置中，具有功耗低、光源利用效率高等特点。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种近眼显示照明光路，其特征在于，包括：积分棒、第一透镜组、复眼透镜组、第二透镜组和靶面；其中，所述积分棒、所述第一透镜组、所述复眼透镜组、所述第二透镜组和所述靶面依次排列；所述积分棒截面的形状为正多边形或者所述积分棒为在水平方向呈扁平状的多边形，所述积分棒为内壁镀有反射膜的空心结构；所述第一透镜组的参数满足像方远心光路的成像条件；所述第二透镜组的参数满足像方远心光路的成像条件；所述第一透镜组的入射端透镜的入射面与所述积分棒紧靠排列。

2.根据权利要求1所述的一种近眼显示照明光路，其特征在于，所述复眼透镜组的透镜单元的形状与所述靶面的形状相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种近眼显示照明光路，其特征在于，所述积分棒为内部填充透光材质的实心结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种近眼显示照明光路，其特征在于，所述近眼显示照明光路还包括分光器，所述分光器放置于所述第二透镜组与所述靶面之间。

5.一种透射式近眼显示照明光路，其特征在于，由积分棒、第一透镜组、复眼透镜组、第二透镜组和靶面组成；其中，所述积分棒、所述第一透镜组、所述复眼透镜组、所述第二透镜组和所述靶面依次排列；所述积分棒截面的形状为正多边形或者所述积分棒为在水平方向呈扁平状的多边形，所述积分棒为内壁镀有反射膜的空心结构；所述第一透镜组的参数满足像方远心光路的成像条件；所述第二透镜组的参数满足像方远心光路的成像条件；所述第一透镜组的入射端透镜的入射面与所述积分棒紧靠排列。

6.根据权利要求5所述的一种透射式近眼显示照明光路，其特征在于，所述复眼透镜组的透镜单元的形状与所述靶面的形状相同。

7.根据权利要求6所述的一种透射式近眼显示照明光路，其特征在于，所述积分棒为内部填充透光材质的实心结构。