CN108333781B - 近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近眼显示系统,包括图像显示装置、光束偏转装置和阵列成像装置。阵列成像装置包括至少两个衍射平面。光束偏转装置使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线对应的衍射平面的入射角在该对应的衍射平面的衍射角带宽内，及使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线不对应的衍射平面的入射角在该不对应的衍射平面的衍射角带宽外。衍射平面对入射角在衍射角带宽内的子图像光线进行反射会聚在人眼形成待显示子图像。图像显示装置输出完待显示图像的所有子图像光线后，在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为待显示图像。该近眼显示系统具有大视场、高分辨率的特点，且相对于具有传统目视光学系统的近眼显示系统体积较小。

Description

近眼显示系统

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种近眼显示系统。

背景技术

增强现实(AR，Augmented Reality)是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育等各领域。目前主流的应用于增强现实的近眼显示系统，普遍采用微型图像显示器作为图像源，并配合传统目视光学系统实现对增强显示。受限于现有的技术和工艺水平，微型图像显示器的分辨率很难提高。并且，传统目视光学系统的显示视场与目视光学系统的体积密切相关。增大显示视场，目视光学系统的体积会随之剧增。因此，目前主流的应用于增强现实的近眼显示系统具有分辨率低，以及视场小或体积大的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大视场高分辨率的紧凑型的近眼显示系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明较佳实施例提供一种近眼显示系统，包括图像显示装置、光束偏转装置和阵列成像装置，所述阵列成像装置包括至少两个衍射平面；

所述图像显示装置用于依次输出待显示图像的至少两束子图像光线，其中，每幅待显示图像包括至少两幅待显示子图像，每幅待显示子图像与每束子图像光线对应，每束子图像光线与每个衍射平面对应；

所述光束偏转装置用于根据需要对入射的子图像光线进行相位调制，使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线对应的衍射平面的入射角在该对应的衍射平面的衍射角带宽内，且使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线不对应的衍射平面的入射角在该不对应的衍射平面的衍射角带宽外；

所述衍射平面用于对入射角在衍射角带宽内的子图像光线进行反射会聚在人眼形成待显示子图像，还用于对入射角在衍射角带宽外的子图像光线进行透过；

在所述图像显示装置输出完待显示图像的所有子图像光线后，在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像；

真实世界环境光线穿过所述光束偏转装置和阵列成像装置进入人眼形成环境图像。

可选地，所述图像显示装置包括光源模组和图像显示单元，所述光源模组包括照明光源和光束整形合束器，所述光束整形合束器包括准直扩束整形组件和合束单元；

所述照明光源，用于提供多束照明光线；

所述准直扩束整形组件，用于对每束照明光线进行准直扩束整形；

所述合束单元，用于将所述准直扩束整形组件准直扩束整形处理后的光束合成为单光束；

所述图像显示单元，用于对所述合束单元输出的单光束的能量进行调制以形成待显示信息的图像光线。

可选地，所述图像显示装置包括光源模组、偏振分光组件和图像显示单元，所述光源模组包括照明光源和准直扩束整形组件；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述准直扩束整形组件，用于对所述照明光线进行准直扩束整形；

所述偏振分光组件，用于所述准直扩束整形组件出射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射；

所述图像显示单元，用于根据此时待显示子图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经所述图像显示单元调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次透过偏振分光组件后进入光束偏转装置中。

可选地，所述图像显示装置还包括光取向元件，所述光取向元件设置在所述准直扩束整形组件的出射光路，用于选取特定角度光束。

可选地，所述图像显示装置包括光源模组和扫描装置；

所述光源模组，用于提供准直细光束；

所述扫描装置，用于对所述光源模组出射的光线进行高速偏转以形成图像光线。

可选地，所述扫描装置为MEMS扫描装置。

可选地，所述近眼显示系统还包括可控背面层。

可选地，所述光束偏转装置为液晶光学相控阵或液晶偏振光栅。

可选地，所述阵列成像装置包括两个或三个衍射平面。

可选地，所述衍射平面的衍射角带宽为5°～10°。

本发明实施例提供的近眼显示系统通过对图像显示装置、光束偏转装置和阵列成像装置的巧妙集成与设计，依次输出一待显示图像的至少两束子图像光线，通过每个衍射平面反射会聚在人眼形成与每束子图像光线对应的待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为待显示图像。因此，该近眼显示系统的视场角等于阵列成像装置包括的所有衍射平面的视场角之和。并且，每幅待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示系统具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统目视光学系统的应用于增强现实的近眼显示系统体积较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的方框示意图。

图2为一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图3为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图4为图2所示的近眼显示系统显示第一待显示子图像的光路示意图。

图5为图2所示的近眼显示系统显示第二待显示子图像的光路示意图。

图6为图2所示的近眼显示系统显示第三待显示子图像的光路示意图。

图7为图2所示的近眼显示系统显示待显示图像的光路示意图。

图8为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图9为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图10为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图标:1-近眼显示系统；10-图像显示装置；20-光束偏转装置；30-阵列成像装置；31-衍射平面；11-光源模组；13-图像显示单元；111-照明光源；113-光束整形合束器；1111-红色LED光源；1112-绿色LED光源；1113-蓝色LED光源；1131-准直扩束整形组件；1133-合束单元；11311-第一准直扩束整形单元；11312-第二准直扩束整形单元；11313-第三准直扩束整形单元；311-第一衍射平面；312-第二衍射平面；313-第三衍射平面；40-可控背面层；15-光取向元件；16-偏振分光组件；17-扫描装置；18-准直透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

本发明实施例提供的近眼显示系统1，可以应用于HMD(Head Mount Display，头戴式可视设备)、智能眼镜等增强现实设备，在此不做限制。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种近眼显示系统1的方框示意图。该近眼显示系统1包括图像显示装置10、光束偏转装置20和阵列成像装置30。所述阵列成像装置30包括至少两个衍射平面31。

所述图像显示装置10用于依次输出待显示图像的至少两束子图像光线。其中，每幅待显示图像包括至少两幅待显示子图像，每幅待显示子图像与每束子图像光线对应。每束子图像光线与每个衍射平面31对应。待显示图像为近眼显示系统1显示的虚拟图像，即对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示。为了提高显示效果，每幅待显示子图像的分辨率可以相同。而每幅待显示子图像的大小可以相同也可以不同。

所述光束偏转装置20用于根据需要对入射的子图像光线进行相位调制，使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线对应的衍射平面31的入射角在该对应的衍射平面31的衍射角带宽内，且使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线不对应的衍射平面31的入射角在该不对应的衍射平面31的衍射角带宽外。

所述衍射平面31用于对入射角在衍射角带宽内的子图像光线进行反射会聚在人眼形成待显示子图像。所述衍射平面31还用于对入射角在衍射角带宽外的子图像光线进行透过，而不进行反射会聚，从而避免与该衍射平面31不对应的子图像光线被所述衍射平面31反射会聚后进入人眼，造成干扰。所述衍射平面31具有将平面波转化为球面波的功能。

在所述图像显示装置10输出完待显示图像的所有子图像光线后，在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。具体实施时，可以通过调整所述图像显示装置10输出每束子图像光线的频率以及输出每幅待显示图像的时间间隔，并配合调整光束偏转装置20的工作状态，利用视觉残留原理，就可以使在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。

真实世界环境光线穿过所述光束偏转装置20和阵列成像装置30进入人眼形成环境图像。

本发明实施例提供的近眼显示系统1通过对图像显示装置10、光束偏转装置20和阵列成像装置30的巧妙集成与设计，依次输出一待显示图像的至少两束子图像光线，通过每个衍射平面31反射会聚在人眼形成与每束子图像光线对应的待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为待显示图像。因此，该近眼显示系统1的视场角等于阵列成像装置30包括的所有衍射平面31的视场角之和。并且，每幅待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统目视光学系统的应用于增强现实的近眼显示系统体积较小。

由于图像显示装置10、光束偏转装置20和阵列成像装置30的结构和设置方式可以有很多种。因此，基于上述发明构思，近眼显示系统1的具体结构可以是，但不限于如图2、图3、图8、图9和图10所示。应理解，为了便于描述，图2、图3、图8、图9和图10所示的近眼显示系统1均以单目的形式呈现。本领域技术人员可以根据图2、图3、图8、图9和图10所示的结构推出近眼显示系统1为双目时的结构。

如图2所示，图2为一实施方式中近眼显示系统1的结构图。图像显示装置10包括光源模组11、图像显示单元13。光源模组11包括照明光源111和光束整形合束器113。

照明光源111可以采用激光光源、LED光源等。可选地，在本实施方式中，该照明光源111为LED光源，该LED光源可以包括红色LED光源1111、绿色LED光源1112和蓝色LED光源1113。在另一实施方式中，LED光源中各个LED的颜色可以根据实际需要进行设置，以满足实际情况的需要，在此不做限制。

光束整形合束器113设置于照明光源111的光路上，用于对照明光源111发出的光束进行准直扩束整形、合束处理。可选地，在本实施方式中，光束整形合束器113包括准直扩束整形组件1131和合束单元1133。准直扩束整形组件1131包括第一准直扩束整形单元11311、第二准直扩束整形单元11312和第三准直扩束整形单元11313。其中，第一准直扩束整形单元11311用于对红色LED光源1111发出的光束进行准直扩束整形处理。第二准直扩束整形单元11312用于对绿色LED光源1112发出的光束进行准直扩束整形处理。第三准直扩束整形单元11313用于对蓝色LED光源1113发出的光束进行准直扩束整形处理。通常情况下，第一准直扩束整形单元11311、第二准直扩束整形单元11312和第三准直扩束整形单元11313的准直精度可以要求在几个毫弧度。合束单元1133用于将经过第一准直扩束整形单元11311、第二准直扩束整形单元11312和第三准直扩束整形单元11313准直扩束整形处理后的光束合成为单光束。可选地，合束单元1133为x-cube型合光棱镜。

图像显示单元13用于调制光源模组11提供的光线的能量以形成待显示信息的图像光线。图像显示单元13可以为反射式的，也可以为透射式的。可选地，在本实施方式中，图像显示单元13为透射式的。例如，图像显示单元13为透射式LOCS(Liquid Crystal onSilicon，硅基液晶)显示源。

所述光束偏转装置20设置于图像显示单元13与阵列成像装置30之间，用于根据需要对入射的子图像光线进行相位调制，使子图像光线发生偏转。可选地，在本实施方式中，光束偏转装置20为液晶光学相控阵。液晶光学相控阵是基于液晶电控双折射性和闪耀光栅原理的可编程光束偏转器件，基本原理是通过外电场控制液晶分子指向矢量以改变液晶层的双折射特性，从而对光波波前进行相位调制，当液晶层对光束的相位调制呈周期性改变时，液晶层等效为闪耀光栅，实现衍射光特定能级的闪耀，宏观上表现为光束偏转。

阵列成像装置30包括至少两个衍射平面31。所述衍射平面31具有将平面波转化为球面波的功能。各个衍射平面31具有窄衍射角带宽，例如5°～10°。衍射平面31能对入射角在衍射角带宽内的子图像光线进行反射会聚，对入射角在衍射角带宽外的子图像光线进行透过。显而易见，衍射平面31可以为倾斜棱镜的具有衍射功能的平面，多个倾斜棱镜胶合形成阵列成像装置30，如图2所示。衍射平面31也可以为衍射平面镜，多个衍射平面镜排列形成阵列成像装置30，如图3所示。

请再次参阅图2或图3，在本实施方式中，阵列成像装置30包括三个衍射平面31，分别记为第一衍射平面311、第二衍射平面312和第三衍射平面313。

以图2所示的近眼显示系统1为例，该近眼显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程可以是：将一幅待显示图像在水平方向分为三幅待显示子图像，分别记为第一待显示子图像、第二待显示子图像和第三待显示子图像。首先，请参阅图4，图像显示装置10根据第一待显示子图像输出一束子图像光线，将该子图像光线记为第一子图像光线。令第一子图像光线与第一衍射平面311对应，第一子图像光线入射到第二衍射平面312的入射角在第二衍射平面312的衍射角带宽外，第一子图像光线入射到第三衍射平面313的入射角在第三衍射平面313的衍射角带宽外。则，第一子图像光线传输至光束偏转装置20，可以使光束偏转装置20不工作，第一子图像光线沿原光路继续传输。当第一子图像光线传输至第一衍射平面311时被第一衍射平面311反射会聚后在人眼形成第一待显示子图像。由于第一子图像光线入射到第二衍射平面312的入射角在第二衍射平面312的衍射角带宽外，第一子图像光线入射到第三衍射平面313的入射角在第三衍射平面313的衍射角带宽外，则第一子图像光线入射到第二衍射平面312和第三衍射平面313时进行透过，而不进行反射会聚，从而避免造成干扰。并且，在实际设计时，可以尽量提高第一衍射平面311的反射衍射效率(可达95％以上)，不仅减少能量损失，而且减少了入射到第二衍射平面312和第三衍射平面313的光线，可以进一步避免干扰。其次，请参阅图5，图像显示装置10根据第二待显示子图像输出一束子图像光线，将该子图像光线记为第二子图像光线。令第二子图像光线与第二衍射平面312对应。第二子图像光线传输至光束偏转装置20时，光束偏转装置20对第二子图像光线进行相位调制，使第二子图像光线偏转一角度，并且偏转后的第二子图像光线入射到第一衍射平面311的入射角在第一衍射平面311的衍射角带宽外，偏转后的第二子图像光线入射到第三衍射平面313的入射角在第三衍射平面313的衍射角带宽外。则，当偏转后的第二子图像光线传输至第一衍射平面311时，透过第一衍射平面311继续向第二衍射平面312传输，被第二衍射平面312反射会聚后在人眼形成第二待显示子图像。由于第二子图像光线入射到第一衍射平面311的入射角在第一衍射平面311的衍射角带宽外，第二子图像光线入射到第三衍射平面313的入射角在第三衍射平面313的衍射角带宽外，则第二子图像光线入射到第一衍射平面311和第三衍射平面313时进行透过，而不进行反射会聚，从而避免造成干扰。并且，在实际设计时，可以尽量提高第二衍射平面312的反射衍射效率(可达95％以上)不仅减少能量损失，而且减少了入射到第三衍射平面313的光线，可以进一步避免干扰。最后，请参阅图6，图像显示装置10根据第三待显示子图像输出一束子图像光线，将该子图像光线记为第三子图像光线。令第三子图像光线与第三衍射平面313对应。第三子图像光线传输至光束偏转装置20时，光束偏转装置20对第三子图像光线进行相位调制，使第三子图像光线偏转一角度，并且偏转后的第三子图像光线入射到第一衍射平面311的入射角在第一衍射平面311的衍射角带宽外，偏转后的第三子图像光线入射到第二衍射平面312的入射角在第二衍射平面312的衍射角带宽外。则，当偏转后的第三子图像光线传输至第一衍射平面311和第二衍射平面312时，透过第一衍射平面311和第二衍射平面312继续向第三衍射平面313传输，被第三衍射平面313反射会聚后在人眼形成第三待显示子图像。由于第三子图像光线入射到第一衍射平面311的入射角在第一衍射平面311的衍射角带宽外，第三子图像光线入射到第二衍射平面312的入射角在第二衍射平面312的衍射角带宽外，则第三子图像光线入射到第一衍射平面311和第二衍射平面312时进行透过，而不进行反射会聚，从而避免造成干扰。并且，在实际设计时，也可以尽量提高第三衍射平面313的反射衍射效率(可达95％以上)，以减少能量损失。

在上述过程中，可以通过调整所述图像显示装置10输出每束子图像光线的频率以及输出每幅待显示图像的时间间隔，并配合调整光束偏转装置20的工作状态，利用视觉残留原理，就可以使在人眼形成的第一待显示子图像、第二待显示子图像和第三待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像，如图7所示。

可选地，请参阅图8，近眼显示系统1还包括可控背面层40。所述可控背面层40能够将不透明度从清晰变为深色或不透明，以提高近眼显示系统1显示的虚拟图像(待显示图像)的对比度。具体实施过程中，可控背面层40可以为电致变色层。电致变色层可以紧贴阵列成像装置30，也可以与阵列成像装置30间隔一气隙或光学材料。

如图9所示，图9为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图2类似，不同的是：

照明光源111为单色光源，例如绿色的LED光源。因而，光束整形合束器113不包括合束单元1133，仅包括准直扩束整形组件1131。准直扩束整形组件1131用于对绿色LED光源1112发出的光束进行准直扩束整形处理。通常情况下，由于LED光源属于具有一定尺寸的面光源(通常为1mm)，根据能量守恒定律，经过准直扩束整形组件1131处理后的光束并不是绝对的准直光束。为更高程度的提高近眼显示系统1的显示分辨率，可以在准直扩束整形组件1131的出射光路上设置一光取向元件15。本实施方式中，光取向元件15可以是角度敏感衍射元件或全息元件。

图像显示单元13为反射式的，例如为反射式LOCS显示源。所述图像显示装置10还包括偏振分光组件16。振分光组件是能够将入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射的一种光学元件。本实施方式中，偏振分光组件16可以是PBS棱镜(polarization beam splitter，偏振分光棱镜)。

具体实施时，照明光源111输出的光束经过准直扩束整形组件1131准直扩束整形及光取向元件15处理后，进入偏振分光组件16，S偏振光束被偏振分光组件16反射至图像显示单元13，图像显示单元13根据此时待显示子图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经图像显示单元13调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次透过偏振分光组件16后进入光束偏转装置20中。

在其它实施方式中，上述的偏正分光组件还可以用倾斜的可透可反平面镜代替。但是采用倾斜的可透可反平面镜会对光束能量进行衰减。

如图10所示，图10为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图2类似，不同的是：图像显示装置10不采用图像显示单元13，而采用扫描装置17。对应地，图像显示装置10中光源模组11的光学参数和结构与图2中略有不同。

可选地，光源模组11包括照明光源111和光束整形合束器113。光束整形合束器113包括准直扩束整形组件1131和合束单元1133。光源模组11中照明光源111可以采用激光光源、LED光源等。准直扩束整形组件1131用于输出准直细光束。可选地，准直扩束整形组件1131可以由长焦准直镜、短焦聚焦镜、小孔光阑及短焦准直镜组成。照明光源111输出的光束经过长焦准直镜和短焦聚焦镜后重新会聚成光斑，小孔光阑对会聚后的光斑取中心区域，滤除光斑旁瓣，获得能量集中的小光斑，最后小光斑再次由短焦准直镜准直为能量分布均匀的准直细光束。当照明光源111输出多色光时，光束整形合束器113还包括合束单元1133。合束单元1133可以设置在准直扩束整形组件1131的出射光路上，用于对准直扩束整形组件1131输出的光束进行合束；或者设置在照明光源111的出射光路上，用于对照明单元输出的光束进行合束后再输出至准直扩束整形组件1131。

扫描装置17设置在光源模组11的出射光路上，用于对光源模组11出射的光线进行高速偏转以形成图像光线。扫描装置17可以选用公知技术中的具有扫描功能的器件。例如，该扫描装置17可以是MEMS扫描装置、压电陶瓷光纤扫描装置、电控晶体扫描装置等。可选地，在本实施方式中，扫描装置17为MEMS扫描装置。MEMS扫描装置可以由一个二维MEMS扫描振镜组成，或者两个一维MEMS扫描振镜组成。光源模组11根据待发送图像(待发送到用户眼睛中的虚拟图像)的色彩和灰度要求进行调制后的光线输入到MEMS扫描装置。MEMS扫描装置能够根据驱动信号进行偏转，也即通过扫描这一过程实现了输出图像光线的目的。

可选地，所述图像显示装置10还包括准直透镜18。所述准直透镜18设置于扫描装置17的出射光路上，用于对扫描装置17的出射光线进行准直处理，使经过处理后的光线能以近似平行的方式进入到后续的阵列成像装置30中。

所述光束偏转装置20可以与图2所示的光束偏转装置20相同，即采用液晶光学相控阵。所述光束偏转装置20也可以与图2所示的光束偏转装置20不同，例如采用液晶偏振光栅。液晶偏振光栅的基本原理是在特制的液晶盒中施加周期性的电场，从而使液晶层的折射率发生周期性的改变，就能改变透射衍射光的相位差，可以实现对光的调制，液晶偏振光栅基于控制入射光的偏手性，可将圆偏转光衍射至+1级或-1级，通过集成快速电光半波偏振延迟器来控制偏振的偏手性，可创造出快速液晶偏振光栅光束偏转模块。

可选地，在本实施方式中，阵列成像装置30包括两个衍射平面31，也记为第一衍射平面311和第二衍射平面312。近眼显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程可以是：将一幅待显示图像在水平方向分为两幅待显示子图像，记为第一待显示子图像和第二待显示子图像；图像显示装置10根据第一待显示子图像输出一束子图像光线时，光束偏转装置20不工作，该子图像光线沿原光路继续传输至第一衍射平面311，被第一衍射平面311反射会聚后在人眼形成第一待显示子图像；图像显示装置10根据第二待显示子图像输出一束子图像光线，光束偏转装置20工作，使该子图像光线偏转一角度，偏转后的子图像光线透过第一衍射平面311被第二衍射平面312反射会聚形成第二待显示子图像。调整所述图像显示装置10输出每束子图像光线的频率以及输出每幅待显示图像的时间间隔，并配合调整光束偏转装置20的工作状态，利用视觉残留原理，就可以使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。由于上述过程与前文类似，在此仅简要叙述。

从上面可以看出，图2、图3、图8、图9和图10中图像显示装置10可以互相换以构成新的近眼显示系统1。将图8中的可控背面层40分别应用于图2、图3、图9和图10中以构成新的近眼显示系统1。以及，图2、图3、图8、图9和图10所示的近眼显示系统1仅是示意性的。例如，增加或减少图2、图3、图8、图9和图10中的衍射平面31和/或照明光源111的个数就以构成新的近眼显示系统1。

本发明实施例提供的近眼显示系统1通过对图像显示装置10、光束偏转装置20和阵列成像装置30的巧妙集成与设计，依次输出一待显示图像的至少两束子图像光线，通过每个衍射平面31反射会聚在人眼形成与每束子图像光线对应的待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为待显示图像。因此，该近眼显示系统1的视场角等于阵列成像装置30包括的所有衍射平面31的视场角之和。并且，每幅待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统目视光学系统的应用于增强现实的近眼显示系统体积较小。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括图像显示装置、光束偏转装置和阵列成像装置，所述阵列成像装置包括至少两个衍射平面；

所述图像显示装置用于依次输出待显示图像的至少两束子图像光线，其中，每幅待显示图像包括至少两幅待显示子图像，每幅待显示子图像与每束子图像光线对应，每束子图像光线与每个衍射平面对应；

所述光束偏转装置用于根据需要对入射的子图像光线进行相位调制，使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线对应的衍射平面的入射角在该对应的衍射平面的衍射角带宽内，且使调制后的子图像光线入射到与该子图像光线不对应的衍射平面的入射角在该不对应的衍射平面的衍射角带宽外；

所述衍射平面用于对入射角在衍射角带宽内的子图像光线进行反射会聚在人眼形成待显示子图像，还用于对入射角在衍射角带宽外的子图像光线进行透过；

在所述图像显示装置输出完待显示图像的所有子图像光线后，在人眼形成的待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像；

真实世界环境光线穿过所述光束偏转装置和阵列成像装置进入人眼形成环境图像。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像显示装置包括光源模组和图像显示单元，所述光源模组包括照明光源和光束整形合束器，所述光束整形合束器包括准直扩束整形组件和合束单元；

所述照明光源，用于提供多束照明光线；

所述准直扩束整形组件，用于对每束照明光线进行准直扩束整形；

所述合束单元，用于将所述准直扩束整形组件准直扩束整形处理后的光束合成为单光束；

所述图像显示单元，用于对所述合束单元输出的单光束的能量进行调制以形成待显示信息的图像光线。

3.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像显示装置包括光源模组、偏振分光组件和图像显示单元，所述光源模组包括照明光源和准直扩束整形组件；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述准直扩束整形组件，用于对所述照明光线进行准直扩束整形；

所述偏振分光组件，用于所述准直扩束整形组件出射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射；

所述图像显示单元，用于根据此时待显示子图像的灰度对S偏振光束进行光能量调制，经所述图像显示单元调制后的光束转换为P偏振光束，P偏振光束再次透过偏振分光组件后进入光束偏转装置中。

4.根据权利要求3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像显示装置还包括光取向元件，所述光取向元件设置在所述准直扩束整形组件的出射光路，用于选取特定角度光束。

5.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像显示装置包括光源模组和扫描装置；

所述光源模组，用于提供准直细光束；

所述扫描装置，用于对所述光源模组出射的光线进行高速偏转以形成图像光线。

6.根据权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于，所述扫描装置为MEMS扫描装置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括可控背面层。

8.根据权利要求1-6任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光束偏转装置为液晶光学相控阵或液晶偏振光栅。

9.根据权利要求1-6任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述阵列成像装置包括两个或三个衍射平面。

10.根据权利要求1-6任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述衍射平面的衍射角带宽为5°～10°。