CN108319015B - 视网膜投影式近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强现实用头戴式近眼显示设备，特别涉及利用诸如MEMS扫描微振镜投影等高像素密度高亮度图像源的视网膜投影式近眼显示光学设备，主要包括第一透镜组、平面反射镜、第二透镜组和具有预定透反比的分光镜；第一透镜组和第二透镜组通过介于其中的平面反光镜进行光路折转，第二透镜组中含有一个中性减光片以保证人眼安全，人眼通过分光镜可同时观察真实世界场景和增强现实图像，根据本发明的近眼显示设备，其可实现瞳距可调、整体体积小且质量轻，光学结构简单而紧凑，以实现视网膜投影显示光学设备良好的体验效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强现实用头戴式近眼显示设备，特别涉及利用诸如MEMS扫描微振镜投影等高像素密度高亮激光扫描图像源的视网膜投影式近眼显示光学设备。
背景技术
消费电子产品在近年来得到了蓬勃的发展，在智能手机之后，消费者已普遍地知道虚拟现实(VirtualReality,VR)和增强现实(AugmentedReality,AR)的概念，并追逐相关的各种概念产品作为体验新技术的尝试，头戴式显示器(Head-MountedDisplay,HMD)之类的显示设备可实现通过简单的穿戴获得增强现实(AR)体验或虚拟现实(VR)体验，在航空、工程、科学、医疗、游戏、视频、体育、训练和仿真等领域有着广泛的应用。
在通过HMD来实现AR体验的方式中，眼镜类设备因其具有佩戴便利的优势和逐渐趋向轻薄型趋势，视为近眼显示设备的代表模式受到了广泛的追捧，例如，Microsoft公司推出基于全息波导光栅投影方式的Hololens，Google公司推出的基于半反半透式棱镜的Googleglass。
由于人眼是通过使睫状体的肌肉松弛或紧张来改变晶状体的厚度，从而对光弯折程度进行调节，以使入射光能够良好地聚光在视网膜上，具体的，人在看近处时使睫状体紧张，晶状体变厚，厚度变厚的晶状体焦距减小，来自近处的光容易聚光于视网膜上，从而可以清楚地看到近处的物体；而在看远处时，人眼的睫状体松弛，晶状体变薄，减少厚度的晶状体焦距变长，使来自远处的光容易聚光在视网膜上，从而可以清楚地看到远处的物体。因此，作为近眼显示的基本原则，通常以将距离人眼很近的像源元件以光学虚拟放大显示于尽可能远处，以减轻长时间聚焦近处物体的疲劳，例如某些VR方式近眼显示装置中的菲涅尔透镜。但对于AR方式的近眼显示装置而言来说，鉴于实现虚实融合的需要，并不能以此完全调节，则容易产生辐辏聚焦矛盾，其指的是单一固定的虚拟显示屏幕使得人眼晶状体的调焦和双目的辐辏不一致。
正常视力的人眼聚焦至真实物体，其调焦与辐辏保持一致，如图1(a)所示；对于AR近眼显示而言，用户需要调焦到虚拟显示图像平面以获取附加在真实场景上的虚拟数字信息，同时又要会聚辐辏到真实物体上，当两者的距离超过人眼所能调节的范围时，便会引起人眼不自然的视觉体验，如图1(b)所示。
不同于放大投影成像方式，视网膜投影显示(Retinalprojectiondisplay,RPD)将所需显示的图像进行二维扫描，进而将图像直接投影到视网膜，视网膜投影显示基于麦克斯韦观察法原理，具有很长的焦深，能够克服辐辏聚焦矛盾带来的人眼不适问题，实现良好的用户体验。然而，以实现视网膜投影技术目前主要实现方式借由光纤作为受驱动的投影扫描元件，鉴于光纤的纤细难以保证强度和对光纤本身高精度驱动扫描的难度，导致其至今难以实现稳定而小型化的实际产品应用。
发明内容
本发明目的在于克服现已有的视网膜投影显示设备中视场角小、体积和质量无法满足小型便携的不足，而提供一种视场角较大、亮度高、瞳距可调、质量轻、体积小且光学结构简单紧凑的视网膜投影近眼显示设备。
根据本发明的一种克服辐辏聚焦矛盾的视网膜投影式近眼显示装置，包括沿光路方向上依次排列的：像源元件，用以产生图像信息；第一透镜组，用以将来自像源元件的图像信息准直形成为单一视场的图像信息光束；反射镜，用以将第一透镜组出射的光反射至不同于第一透镜组光轴的方向；第二透镜组，用以将反射镜反射的光会聚；分光镜，靠近使用者的人眼设置，用以将第二透镜组会聚的光部分反射以射入人眼瞳孔。
作为一种具体的实施方式，像源元件可以包括RGB三色激光光源和空间光调制器，所述空间光调制器对激光光源进行调制，扫描投影出数字图像信息，空间光调制器可以选自MEMS扫描微振镜，LCoS装置，或DLP装置之一。
优选的，光路中反射镜为平面反射镜，第一、第二透镜组中均至少包括一个双胶合透镜。
当双胶合透镜中包括至少一个非球面时，非球面位于非胶合面。
或者可选择的，第一、第二透镜组中包括两个球面双胶合透镜。
考虑到近眼显示配合人头部结构的需要，在沿光路方向上，所述像源元件位置距离所述第一透镜组的前表面距离不小于15mm，所述第一透镜组的孔径在14-18mm范围之间，所述第一透镜组的前焦距不小于16.9mm；所述第二透镜组的孔径在14-18mm范围之间，所述第二透镜组的后焦距大于16.9mm。
典型的，所述分光镜为具有预定透反比的平面分光镜或自由曲面分光镜，沿主光轴方向上，所述分光镜到人眼的距离不小于10mm，所述使用自由曲面分光镜时的近眼显示装置视场角大于使用平面分光镜时的视场角。
根据本发明的视网膜投影式近眼显示装置，可以根据需要使用高亮度的扫描投影式像源，像源尺寸可以减小，且便于提高整体进入人眼瞳孔数字图像的亮度，增强与真实场景成像的对比度，并且光学结构简单易固定，在使用者眼前视线方向上所占据的空间可缩小，整体重量轻，使用户具有更舒适的AR体验。
附图说明
图1是辐辏聚焦矛盾原理图，(a)示出自然视觉的情形，(b)为AR视觉状态的情形；
图2是本发明第一实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路结构图；
图3是本发明第一实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路MTF曲线图；
图4是本发明第一实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路成像效果点列图；
图5是本发明第一实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路成像效果畸变网格图；
图6是本发明第一实施例的变形例提供的平面反射镜处于不同偏转角时的系统图，(a)为平面反射镜偏转角为60°，半透半反镜偏转角为30°，(b)为平面反射镜偏转角为40°，半透半反镜偏转角为50°；
图7是本发明第二实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路结构图；
图8是本发明第二实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路MTF曲线图；
图9是本发明第二实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路成像效果点列图；
图10是本发明第二实施例提供的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路成像效果畸变网格图；
图11是本发明第三实施例提供的使用自由曲面分光镜的折反式视网膜投影近眼显示设备的光路结构图。
各附图标记表示：101：第一双胶合透镜；102：第二双胶合透镜；103：平面反射镜；104：第三双胶合透镜；105：第四双胶合透镜；106：半透半反分光镜；201：第一非球面双胶合透镜；202：平面反射镜；203：第二非球面双胶合透镜；204：半透半反分光镜；301：像源元件；302：第一透镜组；303：平面反射镜；304：第二透镜组；306：自由曲面分光镜。
具体实施方式
以下内容将参考附图等来详细讨论具体实施本发明的实际示例，本领域技术人员应当了解，下述各描述中使用的具体名称、用语等不构成对本发明技术方案的限定，并且在下文的描述中，为便于描述，相同的部件将使用相同的附图标记。
在本公开中可使用的诸如“包含”、“包括”、“可以包含”或“可以包括”的表述指示存在公开的对应功能、操作和组成元件等，且不限制另外的一个或更多个功能、操作或组成元件等。此外，在本公开中，应该理解的是，术语“包含”、“包括”、“具有”等用于表示存在说明书中公开的特征、数量、步骤、操作、组成元件、部件或其组合，且不预先排除存在或补充一个或更多个其他特征、数量、步骤、操作、组成元件、部件或其组合的可能性。
在本公开中，表述“第一”和“第二”等可以修饰本公开的多种组成元件，但是不限制对应的组成元件。例如，表述不限制对应的组成元件的顺序或重要性等。表述可以用于将一个组成元件与另一组成元件区分开来。例如，第一用户装置和第二用户装置全部为用户装置，且代表不同的用户装置。例如，第一组成元件可以被命名为第二组成元件而不脱离本公开的精神和范围。相同地，即使第二组成元件也可以被命名为第一组成元件。
第一实施例
根据如图2-5示出了本发明的第一实施例，图2为第一实施例所示视网膜投影式近眼显示装置的光路结构图，该光路结构为共轴折反式，具体的，包括第一透镜组和第二透镜组中的四个双胶合透镜101，102，104，105、一个折转光路用的平面反射镜103和一个分光用半透半反分光镜106，平面反射镜103和分光镜106相对于共轴的双胶合透镜101，102的光轴偏转预定角度，例如，典型的，平面反射镜103和分光镜106均相对于光轴偏转45度，当人眼位于眼点位置时，可透过半透半反分光镜106观察到来自像源元件的图像，同时，由于分光镜106的透反分光作用，人眼也可以看到真实世界场景，从而实现虚实图像融合。作为一种RPD中的典型像源元件，使用RGB激光二极管作为光源，MEMS扫描微振镜作为空间光调制器，扫描投影出数字图像信息，所述投影出的数字图像信息经双胶合透镜101，102构成的第一透镜组的准直作用，提供出单一视场的图像信息光束，但不限于此的，所述空间光调制器可以是在硅基板上施加反射膜，进而装载液晶元件构造的所谓LCoS(Liquid CrystalOnSilicon)装置，或控制反射光的方向而构成光开关阵列的所谓DLP(Digital LightProcessing)装置、或具有其他任意结构的光开关列，则可以同样使用，并且LCD、LED、OLED等具有预定尺寸的非扫描型平板显示器件配合滤波小孔也可实现在准直用透镜后的孔径中加载单一视场图像信息光束的作用，但鉴于MEMS扫描微振镜在以高亮度激光为光源的情况下能够极大地缩小像源元件的尺寸，利于小型化。
在第一实施例中，第一透镜组中的双胶合透镜101，102和第二透镜组的双胶合透镜104，105具有对称的结构，具体的，双胶合透镜101与双胶合透镜105具有相同的结构，而双胶合透镜102与双胶合透镜104具有相同的结构，双胶合透镜104与105的作用在于，将通过双胶合透镜101，102准直而呈现单一视场的图像信息光束重新聚焦并投射进入人眼瞳孔，从而实现视网膜投影。出于满足MEMS投影图像具有一定大小且完全投射在透镜孔径内的要求，MEMS图像源位置距离双胶合透镜101的前表面距离不小于15mm，双胶合透镜101，102构成的透镜组孔径在14-18mm范围之间，焦距不小于16.9mm。出于满足视场角、出瞳距离和不影响目视视野的需要，双胶合透镜104，105构成的透镜组其后焦距应不小于16.9mm。作为一种保护用户视觉的选择，优选的，在平面反射镜103和分光镜106之间的光路上有一中性衰减片，以衰减来自MEMS扫描微振镜的图像信息光束强度，以将入眼光的总功率减低至0.4uW-1mW的安全范围内，保证入眼光线对人眼的安全，所述中性衰减片与双胶合透镜104，105的中心位于同一直线上(即光轴)，厚度通常不大于3mm。但本领域技术人员应该理解的，中性衰减片不是必须的，在激光源的光强可以在视觉安全范围内时，可以省略此中性衰减片，或者，可替代的，改变分光镜的分光比，以确保反射入人眼的光强度在安全范围内。
一种示例性的光路结构中各双胶合透镜101，102，104，105和平面反射镜103和半透半反分光镜106的结构参数如表1-1所示，以光阑处至分光镜的分光面，依次标号为1，2…，14，其中相邻的胶合面具有相同的面型，记为同一表面。
| 表面编号 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 玻璃 | 折射模式 |
| 光阑1 | 球面 | -62.03 | 1.67 | 折射 | |
| 2 | 球面 | 44.92 | 5.59 | 741418.450 | 折射 |
| 3 | 球面 | -13.53 | 0.91 | 602970.464 | 折射 |
| 4 | 球面 | 243.40 | 1.00 | 折射 | |
| 5 | 球面 | 18.38 | 3.38 | 755201.275 | 折射 |
| 6 | 球面 | -36.89 | 15.00 | 585584.622 | 折射 |
| 7 | 球面 | ∞ | -15.00 | 反射 | |
| 8 | 球面 | -36.89 | -3.38 | 折射 | |
| 9 | 球面 | 18.38 | -1.00 | 585584.622 | 折射 |
| 10 | 球面 | 243.40 | -0.91 | 755201.275 | 折射 |
| 11 | 球面 | -13.53 | -5.59 | 折射 | |
| 12 | 球面 | 44.92 | -1.67 | 602970.464 | 折射 |
| 13 | 球面 | -62.03 | -7.46 | 741418.450 | 折射 |
| 14 | 球面 | ∞ | 10.00 | 反射 |
表1-1
图3示出了上述第一实施例的示例性光路结构的MTF曲线图，在150lp/mm处MTF值约为0.3，满足目视结构系统的要求；图4示出了上述第一实施例的示例性光路结构的成像效果评价点列图，零视场的RMS半径为5.604um，可视为一个点光斑，满足麦克斯韦观察法原理中光线在晶状体中心应会聚于一点的条件；图5示出了上述示例性的光路结构的畸变网格图，其畸变量不超过2.06％，满足人眼观察需求。
根据上述第一实施例的示例性光路结构，具有此光路结构的视网膜投影式近眼显示装置有效焦距f为35.78mm，出瞳距离EPD为10mm，确保10mm的出瞳距离可以保证佩戴的舒适度。
变形例
图6(a)(b)示出了相对于第一实施例的一种局部结构有变形的方式，具体的，不同于第一实施例中的平面反射镜103与光轴呈固定的诸如45度角的结构，变形例中示出的平面反射镜103可以在一定范围内旋转，相应的半透半反镜105在人眼前的偏转角度可以变化，从而减小半透半反镜105在水平视线方向上所占据的最大空间，使近眼显示装置在眼前的整体尺寸缩小，趋向更加小型化，为满足光路偏转成像的需求，平面反射镜103的偏转角度与半透半反镜105偏转角度互为余角时，能够保证光线仍然垂直入射人眼，此时，双胶合透镜104，105的光轴根据平面反射镜105的旋转量进行相应的倾斜偏转，考虑对于近眼显示装置而言，在佩戴时，上述倾斜会使机械装调结构与实际用户人眼位置、眼睛视野相抵触，因此，优选的，平面反射镜103相对于双胶合透镜101，102的光轴，镜面的偏转角度在42°～48°范围内。
第二实施例
图7示出了本发明第二实施例的视网膜投影式近眼显示装置的光路结构图，同样为共轴折反式，但不同于第一实施例中第一、第二透镜组的透镜均由球面透镜构成，本发明第二实施例中第一、第二透镜组的透镜均含有非球面。与第一实施例相似的，平面反射镜202和分光镜204均相对于共轴的第一非球面双胶合透镜201的光轴偏转45度，或者，如上述变形例所示的，为进一步减小分光镜204的面积，平面反射镜202的偏转角度与半透半反镜204偏转角度互为余角，人眼位于眼点位置，可透过半透半反分光镜204观察到来自像源元件的图像，同时，由于分光镜204的透反分光作用，人眼也可以看到真实世界场景，从而实现虚实图像融合。
在第二实施例中，使用RGB激光二极管作为光源，MEMS扫描微振镜作为空间光调制器，扫描投影出数字图像信息，与光路中的第一非球面双胶合透镜201配合完成准直效应，用于提供单一视场的图像信息光束，经过反射镜202的反射，第二非球面双胶合透镜203将单一视场的图像信息光束重新聚焦以进入人眼瞳孔，从而实现视网膜投影。同样的，出于满足MEMS投影图像具有一定大小且完全投射在透镜孔径内的要求，MEMS图像源位置距离第一非球面双胶合透镜201的前表面距离不小于15mm，第一非球面双胶合透镜201构成的透镜组孔径在14-18mm范围之间，焦距不小于16.9mm。出于满足视场角、出瞳距离和不影响目视视野的需要，第二非球面双胶合透镜203构成的第二透镜组其后焦距应大于16.9mm。出于方便双胶合透镜生产加工的考虑，优选将非球面设计在胶合透镜的非胶合面。
一种示例性的光路结构中各非球面双胶合透镜和平面反射镜202、半透半反分光镜204的结构参数如表2-1所示，以光阑处至分光镜的分光面，依次标号为1，2…，8，其中相邻的胶合面具有相同的面型，记为同一表面。其中，第一非球面双胶合透镜201的前表面为8阶非球面，中间胶合面和后表面均为球面，前表面的二次曲面常数K＝-25.57，4阶系数A＝-4.72e-5，6阶系数B＝2.21e-7，8阶系数C＝1.35e-10；第二非球面双胶合透镜203的前表面为6阶非球面，中间胶合面为球面，后表面为6阶非球面，前表面的二次曲面常数K＝-0.92，4阶系数A＝3.88e-5，6阶系数B＝6.76e-7，后表面的二次曲面常数K＝196.75，4阶系数A＝1.90e-4，6阶系数B＝-9.87e-7。
表2-1
图8示出了上述第二实施例的示例性光路结构的MTF曲线图，在150lp/mm处MTF值约为0.3，完全满足目视结构系统的要求；图9上述第二实施例的示例性光路结构的成像效果评价点列图，在零视场的RMS半径为5.218um，基本为一个点光斑，满足麦克斯韦观察法原理中光线在晶状体中心处会聚于一点的条件；图10示出了上述第二实施例的示例性光路结构的畸变网格图，其畸变量不超过4.85％，可以满足人眼观察需求。
根据上述第二实施例的示例性光路结构，具有此光路结构的视网膜投影式近眼显示装置有效焦距f为32.64mm，出瞳距离EPD同样达到了10mm。
第三实施例
不同于第一实施例和第二实施例中均以平面分光镜106、204置于人眼前，第三实施例中以自由曲面分光镜作为将第二透镜组出射的会聚光部分反射以导向进入人眼瞳孔，如图11所示。在图11所示的光路结构中，同样使用RGB激光二极管作为光源，MEMS扫描微振镜作为空间光调制器，扫描投影出数字图像信息，可以经由例如第一实施例中或第二实施例中的第一透镜组完成准直效应，用于提供单一视场的图像信息光束；单一视场的图像信息光束经由平面反射镜303折转后投射至第二透镜组，从第二透镜组的出射的光投射到自由曲面分光镜306上，自由曲面分光镜306朝向人眼一侧具有预定比例的分光膜，例如，半反半透膜，但本领域技术人员可以理解的，不限于此1:1分光比的其他分光膜同样适用，自由曲面分光镜306的反射面具有类似于凹面镜的聚焦作用，从而实现将单一视场的图像信息光束会聚投射进入人眼瞳孔，同时，分光膜的存在不影响真实世界的光线透过自由曲面反射镜进入人眼正常成像。由于自由曲面分光镜具有一定的焦距，其会聚效果大于第一、第二实施例中的平面分光镜，在等效所占的尺寸内，可将更大范围内的光会聚以投射进入人眼瞳孔，因此，本领域技术人员可以理解的，当所述自由曲面分光镜到人眼的距离(相当于EPD)与上述各实施例、变形例一致保持在不小于10mm时，使用自由曲面分光镜306后可以实现将同等范围大小的单一视场图像信息光束重新聚焦并以更大的入射角进入人眼瞳孔，从而实现比使用平面反射镜情况下更大视场角的视网膜投影。
根据本发明各实施例实现的视网膜投影式近眼显示装置的光路结构，通常其以眼镜的形态置于使用者眼前时，受限于人的头部构造尺寸需要，位于人脸侧面的长度，从MEMS扫描微振镜中心到平面反射镜中心，优选的，不大于90mm；位于人脸前面，以平面反射镜与光轴的交点为基准到半透半反镜中心的有效结构长度，优选的，不大于55mm。作为一种典型的方式，将像源元件置于人脸侧面耳部附近，而分光镜置于眼前，为了固定结构的便利，优选将光路中第二透镜组和分光镜的相对位置固定，第二透镜组到平面反射镜或自由曲面反射镜的距离可调，可调范围为0-25mm，从而满足双目状态下瞳距的调节范围在人眼统计瞳距范围52-75mm之内。
本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发明的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照上述实施例之外的方式组合，组合后的技术方案仍落在本申请的范围之内。
Claims (8)
1.一种克服辐辏聚焦矛盾的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，包括沿光路方向上依次排列的：
像源元件，用以产生图像信息；
第一透镜组，用以将来自像源元件的图像信息准直形成为单一视场的图像信息光束；
反射镜，用以将第一透镜组出射的光反射至不同于第一透镜组光轴的方向；
第二透镜组，用以将反射镜反射的光会聚；
分光镜，靠近使用者的人眼设置，用以将第二透镜组会聚的光部分反射以射入人眼瞳孔，将图像直接投影到视网膜；所述分光镜为具有预定透反比的自由曲面分光镜；
所述第一透镜组、所述第二透镜组均包括一个双胶合透镜；所述第一透镜组的双胶合透镜的前表面为8阶非球面，中间胶合面和后表面均为球面，所述第一透镜组的双胶合透镜中，靠近所述像源元件的透镜为负透镜，靠近所述反射镜的透镜为双凸透镜；所述第二透镜组的双胶合透镜的前表面为6阶非球面，中间胶合面为球面，后表面为6阶非球面，所述第二透镜组的双胶合透镜中，靠近所述反射镜的透镜为双凸透镜，靠近所述分光镜的透镜为负透镜；
所述视网膜投影式近眼显示装置的光路成像在零视场为点光斑，满足麦克斯韦观察法原理中光线在晶状体中心处会聚于一点的条件。
2.如权利要求1所述的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，所述像源元件包括RGB三色激光光源和空间光调制器，所述空间光调制器对激光光源进行调制，扫描投影出数字图像信息。
3.如权利要求2所述的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，所述空间光调制器是MEMS扫描微振镜。
4.如权利要求1所述的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，所述反射镜为平面反射镜。
5.如权利要求1所述的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，沿光路方向上，所述像源元件位置距离所述第一透镜组的前表面距离不小于15mm，所述第一透镜组的孔径在14-18mm范围之间，所述第一透镜组的前焦距不小于16.9mm。
6.如权利要求1所述的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，沿光路方向上，所述第二透镜组的后焦距大于16.9mm。
7.如权利要求1所述的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，沿主光轴方向上，所述分光镜到人眼的距离不小于10mm。
8.如权利要求1所述的视网膜投影式近眼显示装置，其特征在于，
在所述反射镜和所述分光镜之间的光路上有一中性衰减片。
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