CN108415162A - 近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示设备，涉及光学技术领域。其中，光源，用于产生细光束；扫描系统，用于将光源产生的细光束进行二维扫描，产生多个方向的细光束；光学投影系统，用于将扫描系统产生的多个方向的细光束投影至输入耦合器；输入耦合器，用于将光学投影系统射出的光耦入波导；输出耦合器，用于将波导中传播的光耦出。本发明实施例公开的技术方案，具有较大的出瞳孔径，显示效果良好。

Description

近眼显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及近眼显示设备。

背景技术

现有的采用视网膜扫描方式的增强现实显示方案系统，由光源模块、扫描系统、光学投影模块、半透半反镜构成。光源发出的平行细光束经由扫描系统的二维扫描，变成向各个方向传播的光束，光学投影系统将扫描系统的出射光束投影至人眼，直接在视网膜成像。为了使使用者可以同时观察到系统投影出的图像和真实景物，从光学投影模块出射的光束经半透半反镜偏折后进入人眼，同时真事景物发出的光线也会透过半透半反镜到达人眼，如图1所示。

由于视网膜扫描系统照射到人眼的光线为细光束，当使用者转动眼球时，瞳孔会发生偏移，部分扫描光束会由于虹膜的阻挡而无法进入瞳孔，从而无法在视网膜成像，如图2所示，使得使用者观察到的虚拟景物出现视场的丢失，无法看到部分虚拟景象。

发明内容

本发明实施例提供了一种近眼显示设备。旨在解决视网膜扫描系统中视场丢失的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

根据本发明实施例，提供了一种近眼显示设备，包括光源、扫描系统、光学投影系统、输入耦合器、波导和输出耦合器，其中，

所述光源，用于产生细光束；

所述扫描系统，用于将所述光源产生的所述细光束进行二维扫描，产生多个方向的细光束；

所述光学投影系统，用于将所述扫描系统产生的所述多个方向的细光束投影至所述输入耦合器；

所述输入耦合器，用于将所述光学投影系统射出的光耦入所述波导；

所述输出耦合器，用于将所述波导中传播的光耦出。

可选的，所述输入耦合器包括输入耦合反射膜。

可选的，所述输入耦合器包括输入耦合光栅。

可选的，所述输出耦合器包括至少一层半透半反膜。

可选的，所述输出耦合器包括输出耦合光栅。

可选的，还包括：

出瞳扩展装置，用于对所述输入耦合器耦入波导的光进行出瞳扩展。

可选的，所述出瞳扩展装置包括多层半透半反膜。

可选的，所述出瞳扩展装置包括出瞳扩展光栅。

可选的，还包括：

控制装置，用于控制所述光源和所述扫描系统，将具有特定强度的光投射到特定方向上。

可选的，还包括：

控制装置，用于控制所述光源和所述扫描系统，将具有特定颜色的光投射到特定方向上。

本发明实施例公开的技术方案，具有较大的出瞳孔径，显示效果良好。同时，无须使用瞳孔追踪技术来捕捉瞳孔位置，有效降低了系统的复杂度及成本，提高了系统的稳定性和可靠性，减小了设备体积。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例公开的一种现有技术中视网膜扫描系统的示意图；

图2是本发明实施例公开的另一种现有技术中视网膜扫描系统的示意图；

图3是本发明实施例公开的一种近眼显示设备的示意图；

图4是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图；

图5是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图；

图6是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图；

图7是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图；

图8是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图；

图9是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图；

图10是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图；

图11是本发明实施例公开的另一种近眼显示设备的示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明实施例公开了一种近眼显示设备10，包括光源101、扫描系统102、光学投影系统103、输入耦合器104、波导105和输出耦合器106，如图3所示，其中，

所述光源101，用于产生细光束；

所述扫描系统102，用于将所述光源101产生的所述细光束进行二维扫描，产生多个方向的细光束；

所述光学投影系统103，用于将所述扫描系统102产生的所述多个方向的细光束投影至所述输入耦合器；

所述输入耦合器104，用于将所述光学投影系统103射出的光耦入所述波导105；

所述输出耦合器106，用于将所述波导105中传播的光耦出。

可选的，光源101可以为单色激光光源，或由混色后的多个单色激光光源组成的彩色激光光源，光源101还可以为普通的非激光光源，本发明对光源的类型和结构并不限定。

可选的，扫描系统可以为基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的光束扫描装置，可以为其他类型的装置。

光学投影系统103可以由单片镜片构成，也可以由多片镜片构成镜片组，也可以由衍射光学元件构成。

输入耦合器104对从光学投影系统103射出的光进行偏转，使其满足能够在波导105中进行全反射传播的条件。全反射传播的光在波导105中传播到达输出耦合器106后，由输出耦合器106将波导105中传播的光耦出。具体实施过程中，可以通过设计输出耦合器106的尺寸和耦出效率，保证出瞳直径满足使用者的需求。

具体的，输入耦合器104和输出耦合器106可以具有多种可能的结构。

可选的，输入耦合器104可以包括输入耦合反射膜。

从光学投影系统103出射的细光束入射到输入耦合器104的输入耦合反射膜上，示例性的，输入耦合反射膜可以为半透半反膜，输入耦合反射膜将入射光线偏转，使其在波导105中传播。

可选的，所述输入耦合器104可以包括输入耦合光栅。

从光学投影系统103出射的细光束入射到输入耦合器104的输入耦合光栅上，示例性的，输入耦合光栅可以为表面浮雕光栅、体全息光栅或其他种类的光栅，输入耦合光栅将入射光线偏转，使其在波导105中传播。

可选的，近眼显示设备10还可以包括：

出瞳扩展装置107，用于对所述输入耦合器104耦入波导105的光进行出瞳扩展。

出瞳扩展装置107可以包括多层半透半反膜，也可以包括出瞳扩展光栅。

可选的，输出耦合器106可以包括至少一层半透半反膜。

一般的，输出耦合器106可以包括多层半透半反膜，

可选的，输出耦合器106可以包括输出耦合光栅。

示例性的，如图4所示，输入耦合器104包括输入耦合反射膜，出瞳扩展装置107包括多层半透半反膜，输出耦合器106包括多层半透半反膜，具体结构如图5所示。具体的，从光学投影系统103出射的细光束入射到输入耦合器105的输入耦合反射膜上，示例性的，输入耦合反射膜可以为半透半反膜，输入耦合反射膜将入射光线偏转，使其在波导105中传播。出瞳扩展装置107包括的多层半透半反膜可以用于一次出瞳扩展，即将入射细光束在第一个方向上进行扩展，图5中示出了5个一次出瞳扩展光束。进一步可选的，用于一次出瞳扩展的半透半反膜具有不同的反射率，靠近输入耦合反射膜的半透半反膜具有较低的反射率，远离输入耦合反射膜的半透半反膜具有较大的反射率，使得经一次出瞳扩展后的各光束具有相同的能量。经过一次出瞳扩展后的光束进入波导105后，在输出耦合器106包括的半透半反膜上进行反射，耦出波导，实现二次出瞳扩展，即使得细光束在第二个方向上实现出瞳扩展。经过二次出瞳扩展，入射细光束转变为宽口径光束，出瞳直径得到极大扩展，使得使用者在不同位置都能观察到投影出的图像。用于二次出瞳扩展的输出耦合器包括的半透半反膜也可以具有不同的反射率，靠近输入耦合器的半透半反膜具有较大的反射率，而远离输入耦合器的半透半反膜具有较低的反射率。

示例性的，如图6所示，输入耦合器104包括输入耦合光栅，出瞳扩展装置107包括出瞳扩展光栅，输出耦合器106包括输出耦合光栅，具体结构如图7和图8所示。具体的，光学投影系统103射出的光束入射到输入耦合光栅上，输入耦合光栅将光束偏折使光束在波导105中全反射传播。光束传输至出瞳扩展光栅时，部分光束能量会被出瞳扩展光栅偏转至输出耦合光栅方向，剩下的大部分能量会继续传播，并不断地被偏转至输出耦合光栅，其结果是细光束被在第一个方向上扩展成宽光束，即实现一次出瞳扩展。经一次出瞳扩展后的光束入射到输出耦合光栅时，会被耦出波导105。光束被耦出波导105时，部分光束会被先耦出波导105，剩下的大部分光束会继续传播，并不断地被耦出波导105，从而实现第二个方向的出瞳扩展，将入射到波导105中的细光束扩瞳成大出瞳直径的粗光束，即二次出瞳扩展，从而使使用者可以在不同位置均可以观察到全部的视场。其中，输入耦合光栅，出瞳扩展光栅和输出耦合光栅可以分别位于波导105的表面或以夹层的方式位于波导105的内部，或者同时位于波导105的表面或者内部。光栅位于波导105的表面如图7所示，光栅位于波导105的内部如图8所示。

上述两个实例仅为本发明公开的示例性实施方式，本领域技术人员可以将上述实例进行结合，并在不付出创造性努力的情况下，获得更多种的实现方式，包括但不限于，将输入耦合器104、输出耦合器106和出瞳扩展装置107的结构进行灵活变换，以满足实际设计需求。

例如，输入耦合器104可以包括输入耦合光栅或输入耦合反射膜，输出耦合器106可以包括输出耦合光栅或半透半反膜，出瞳扩展装置107可以包括出瞳扩展光栅或半透半反膜。本领域技术人员可以从共计8种组合中确定出一种或多种方案，以便在具体实施过程中使用。作为示例，图9示出了输入耦合器104包括输入耦合反射膜，输出耦合器106包括输出耦合光栅，出瞳扩展装置107包括半透半反膜的方案，图10示出了输入耦合器104包括输入耦合光栅，输出耦合器106包括半透半反膜，出瞳扩展装置107包括出瞳扩展光栅的方案，图11示出了输入耦合器104包括输入耦合反射膜，输出耦合器106包括半透半反膜，出瞳扩展装置107包括出瞳扩展光栅的方案。

可选的，近眼显示设备10还可以包括：

控制装置108，用于控制光源101和扫描系统102，将具有特定强度的光投射到特定方向上。

控制装置108，还用于控制光源101和扫描系统102，将具有特定颜色的光投射到特定方向上。

示例性的，控制光源108可以通过控制光源101产生的光束的强度，以便使用者观察到不同明暗程度的图像。

示例性的，当光源101为三色激光光源等具有彩色显示功能的光源时，控制装置108可以控制彩色光源产生出显示图像所需的颜色的光束，以便使用者观察到彩色图像。

本发明实施例公开的近眼显示设备，可以作为视网膜扫描显示设备，应用于头戴式增强现实显示器，具有较大的出瞳孔径，显示效果良好。同时，无须使用瞳孔追踪技术来捕捉瞳孔位置，有效降低了系统的复杂度及成本，提高了系统的稳定性和可靠性，减小了设备体积。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种近眼显示设备，包括光源、扫描系统、光学投影系统、输入耦合器、波导和输出耦合器，其中，

所述光源，用于产生细光束；

所述扫描系统，用于将所述光源产生的所述细光束进行二维扫描，产生多个方向的细光束；

所述光学投影系统，用于将所述扫描系统产生的所述多个方向的细光束投影至所述输入耦合器；

所述输入耦合器，用于将所述光学投影系统射出的光耦入所述波导；

所述输出耦合器，用于将所述波导中传播的光耦出。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输入耦合器包括输入耦合反射膜。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输入耦合器包括输入耦合光栅。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输出耦合器包括至少一层半透半反膜。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输出耦合器包括输出耦合光栅。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

出瞳扩展装置，用于对所述输入耦合器耦入波导的光进行出瞳扩展。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述出瞳扩展装置包括多层半透半反膜。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述出瞳扩展装置包括出瞳扩展光栅。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

控制装置，用于控制所述光源和所述扫描系统，将具有特定强度的光投射到特定方向上。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

控制装置，用于控制所述光源和所述扫描系统，将具有特定颜色的光投射到特定方向上。