CN109557666B - 近眼光学成像系统、近眼显示装置及头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种近眼光学成像系统、基于该近眼光学成像系统的近眼显示装置、以及基于该近眼显示装置的头戴式显示装置。所述近眼光学成像系统包括：第一微透镜阵列，其包括多个第一微透镜；和第二微透镜阵列，其与所述第一微透镜阵列并排布置，并包括多个第二微透镜；其中，所述第一微透镜阵列中的多个第一微透镜分别与所述第二微透镜阵列中的一个第二微透镜对应，形成多个光通道。根据本发明，通过组合使用两个微透镜阵列，实现了对位于近眼范围内的物体的成像。

Description

近眼光学成像系统、近眼显示装置及头戴式显示装置
技术领域
本发明总体上涉及近眼光学成像和显示；具体地，涉及一种通过微透镜阵列对位于近眼范围内的物体进行成像的近眼光学成像系统、基于该近眼光学成像系统的近眼显示装置、以及基于该近眼显示装置的头戴式显示装置。
背景技术
随着计算机技术和显示技术的发展，通过计算机仿真系统来体验虚拟世界的虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以及将显示内容融合到真实环境背景中的增强现实(Augmented Reality,AR)技术和混合现实(Mixed Reality,MR)技术已经迅猛发展。
近眼显示装置是上述VR、AR和MR技术发展的重要基础。其中浸没式近眼显示装置可被用于VR技术，而透视式近眼显示装置可被用于AR和MR技术。原则上，部分用于AR以及MR的近眼显示装置在阻挡了外界进入使用者眼睛的光线后，也可以用于虚拟现实显示。
近眼显示装置通常构造为头戴式显示装置，用于将图像或信息直接投影到人的眼睛中。近眼显示装置通过合成虚拟放大的图像，一方面解决人的裸眼不能适应(聚焦于)非常靠近眼睛的物体的问题，另一方面可以超越头戴式显示装置的显示器尺寸限制，提供更为身临其境的感觉。
近年来，虚拟现实显示设备呈现出爆炸性的发展，设备种类诸多。如Oculus VR公司、HTC公司、Sony公司、Samsung公司，都分别推出了虚拟现实头盔显示装置。用于这些虚拟现实头盔显示器的近眼显示装置大多是基于单一正透镜成像原理的，也即通过在单一正透镜的物方焦平面附近放置显示器，使得该显示器通过该单一正透镜后在透镜的物方无穷远处成正立、放大的虚像。使用者的眼球放置在该透镜的另一侧，即可观察到上述的正立、放大的显示器的虚像。头戴式显示装置的光学出瞳由该显示器的设计决定。在上述近眼显示装置中，光学出瞳直接决定透镜的口径，而透镜的口径与透镜的焦距直接相关。当透镜的数值孔径受限而显示器决定光学出瞳从而决定透镜口径时，导致透镜的焦距无法继续缩小，因此相应地，显示器与透镜的间隔也无法继续缩小。这是导致目前虚拟现实头盔显示器体积较大的主要原因。当显示器与眼睛的距离受限于透镜的数值孔径时，为了得到更大的显示视野，则需要更大的显示器。而这时，显示器的重量与体积会进一步增大，而影响使用者的体验。
用于AR和MR的近眼显示装置同样在近年来得到很大发展。如Microsoft公司和Lumus公司等都推出了基于增强现实光学引擎的增强现实产品，其增强现实光学引擎利用了例如基于波导原理的近眼显示装置，或者基于全息原理的近眼显示装置。然而，基于波导原理的近眼显示装置的广泛应用受限制于造价高昂的波导；基于全息原理的近眼显示装置的广泛应用受限制于造价高昂的光栅。
另外，近年来，全景成像(integral imaging)作为光场显示技术，非常有希望实现薄、轻而又视野宽广的头戴式显示装置或“眼镜”。全景成像通过合成光场来形成图景。然而，为了合成光场，需要将3D信息呈现在2D显示器上，其中2D显示器被分为多个显示区块，以显示用于同一图景的、由计算机预先处理得到的多幅2D图像。这导致全景成像严重地牺牲了显示器的空间分辨率，限制了其在近眼显示领域的应用。
可以看到，近眼显示装置很难构造，并且其在性能和造价方面存在诸多不足，限制了VR、AR和MR显示设备的发展和普及。
发明内容
本发明的目的是提供一种近眼光学成像系统以及基于该成像系统的近眼显示装置，其至少部分地解决了现有技术中存在的上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种近眼显示装置，其包括：显示器，具有用于显示图像的显示面；第一微透镜阵列，其设置在所述显示器的显示面一侧，并包括多个第一微透镜；和第二微透镜阵列，其设置在所述第一微透镜阵列的与所述显示器相反的一侧，并包括多个第二微透镜。所述第一微透镜阵列中的多个第一微透镜分别与所述第二微透镜阵列中的一个第二微透镜对应，形成多个光通道，其中在每一个光通道中，第一微透镜将所述显示面的像形成在第二微透镜的物方焦平面上，以投射出平行光束。其中，对应于所述显示面上的同一点，通过所述多个光通道投射出的多个平行光束是彼此平行的；并且对应于所述显示面上任意两个位置不同的点，通过所述光通道投射出具有不同方向的平行光束，所述不同方向的相对关系对应于这两个点在所述显示面上的相对位置关系。
所述多个第一微透镜的屈光力可以具有相同的正负特性，并且所述多个第二微透镜的屈光力可以具有相同的正负特性。
在一些实施例中，所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜将所述显示器的显示面的像形成在彼此共面的像平面上，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜具有共面的物方焦平面，并且该物方焦平面与所述第一微透镜阵列的所述像平面重合。优选，所述多个第一微透镜可以具有彼此相同的屈光力。
在一些实施例中，任意两个光通道中的两个第一微透镜之间的间距d1与两个第二微透镜之间的间距d2满足以下关系：
Figure BDA0001421293960000031
其中，u1为从所述显示器的显示面到第一微透镜阵列的物距，v1为所述像平面到第一微透镜阵列的像距，当第一微透镜成实像时v1为正值，当第一微透镜成虚像时v1为负值。
在一些实施例中，所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜可以是周期排布的，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜也可以是周期排布的，并且满足以下关系：
P2＝P1(1+M1)
其中，P1是第一微透镜阵列中多个第一微透镜在一个方向上的排布周期，P2是第二微透镜阵列中多个第二微透镜在所述方向上的排布周期，M1为第一微透镜对所述显示器的显示面的放大率，即
Figure BDA0001421293960000041
优选，所述多个第二微透镜为正透镜，且所述多个第一微透镜形成所述显示器的显示面的正立的像。所述多个第一微透镜可以为负透镜，并且所述多个第一微透镜在所述显示器与所述第一微透镜阵列之间形成所述显示器的显示面的缩小的虚像。
优选，所述多个第二微透镜为负透镜，且所述多个第一微透镜形成所述显示器的显示面的倒立的像。所述多个第一微透镜可以为正透镜，并且所述多个第一微透镜在所述第二微透镜阵列的与所述第一微透镜阵列相反的一侧形成缩小的实像。
优选，所述多个第一微透镜包括至少两种不同类型的透镜，以及/或者所述多个第二微透镜包括至少两种不同类型的透镜。所述多个第一微透镜和所述多个第二微透镜中可以包括球面透镜、非球面透镜、渐变折射率透镜、菲涅耳透镜、多台阶面近似曲面透镜中的至少一种。
在一些实施例中，所述第一微透镜和所述第二微透镜中的至少一者是有间隙地排布的。
所述第一微透镜和第二微透镜中的至少一部分可以为由级联的两个以上的微透镜构成的组合透镜。在一些实施例中，所述第一微透镜阵列由两个以上的微透镜阵列层叠合而成，所述级联的两个以上的微透镜包括分别来自所述两个以上的微透镜阵列层的微透镜；以及/或者所述第二微透镜阵列由两个以上的微透镜阵列层叠合而成，所述级联的两个以上的微透镜包括分别来自所述两个以上的微透镜阵列层的微透镜。
优选，所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列分别形成在两个基板的彼此相对的表面上，并且所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列之间为气隙。
根据本发明另一个方面，提供了一种近眼光学成像系统，其包括：第一微透镜阵列，其包括多个第一微透镜；和第二微透镜阵列，其与所述第一微透镜阵列并排布置，并包括多个第二微透镜。所述第一微透镜阵列中的多个第一微透镜分别与所述第二微透镜阵列中的一个第二微透镜对应，形成多个光通道。在每一个光通道中，第一微透镜将位于预定物面上的物体的像形成在第二微透镜的物方焦平面上，以投射出平行光束。对应于所述物面上的同一点，通过所述多个光通道投射出的多个平行光束是彼此平行的；并且对应于所述物面上任意两个位置不同的点，通过所述光通道投射出具有不同方向的平行光束，所述不同方向的相对关系对应于这两个点在所述物面上的相对位置关系。
根据本发明的又一个方面，提供了一种近眼光学成像系统以及包括该近眼光学成像系统的近眼显示装置。所述近眼光学成像系统包括：第一微透镜阵列，其包括周期排布的、具有相同屈光力的多个第一微透镜；和第二微透镜阵列，其与所述第一微透镜阵列并排布置，并包括周期排布的、具有相同屈光力的多个第二微透镜，所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的一者为正透镜阵列，另一者为负透镜阵列。所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜将位于预定物面上的物体的像形成在彼此共面的像平面上，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜具有彼此共面的物方焦平面，并且该物方焦平面与所述像平面重合；并且第一微透镜阵列和第二微透镜阵列构造为满足以下关系：
Figure BDA0001421293960000051
其中，P1是第一微透镜阵列中多个第一微透镜在一个方向上的排布周期，P2是第二微透镜阵列中多个第二微透镜在所述方向上的排布周期，u1为从所述物面到第一微透镜阵列的物距，v1为所述像平面到第一微透镜阵列的像距，当所述物体相对于第一微透镜为实物时，u1为正值，当所述物体相对于第一微透镜为虚物时，u1为负值，当第一微透镜成实像时v1为正值，当第一微透镜成虚像时v1为负值。
根据本发明的再一个方面，提供了一种头戴式显示装置，其包括头戴装置，该头戴装置包括上述近眼显示装置，该近眼显示装置设置成位于头戴式显示装置的佩戴者的双眼的近眼范围内。
所述头戴式显示装置还可以包括控制单元，该控制单元与所述头戴装置连接并通信，并可操作以控制所述近眼显示装置在2D显示模式和3D显示模式之间切换，其中，在2D显示模式下，近眼显示装置的显示器向佩戴者的左眼和右眼显示相同的图像，在3D显示模式下，近眼显示装置的显示器向佩戴者的左眼和右眼显示不同的图像。
根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置基于两个微透镜阵列来构造，而微透镜阵列可以制作为重量轻而外形薄，使得根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置以及基于该近眼光学成像系统/近眼显示装置而构造的该头戴式显示装置也能够具有轻、薄的特点。此外，微透镜阵列的制作成本相对而言较低，这也有利于控制近眼光学成像系统、近眼显示装置及头戴式显示装置的成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示意性地图解了来自无穷远处平面上的光线的特点；
图2为轴侧图，示意性地示出了根据本发明的近眼光学成像系统；
图3为根据本发明的近眼光学成像系统的成像光路示意图；
图4图解了同一个点通过不同光通道获得彼此平行的平行光束的一种实施方式；
图5示出微透镜阵列的一个示例，其包括不同类型的单元微透镜；
图6A示出可用作第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列的微透镜阵列的一个示例；
图6B示出可用作第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列的微透镜阵列的另一示例；
图7为根据本发明第一实施例的近眼光学成像系统和近眼显示装置的示意图；
图8A示出可用于第一实施例的非周期排布的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的一个示例；
图8B示出可用于第一实施例的周期排布的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的一个示例；
图9图解了第一实施例中第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中单元微透镜的排布周期的相对关系；
图10为第一实施例中第一微透镜阵列成像的示意图；
图11A和图11B示意性地示出第一实施例中第一微透镜所成的多个像分别通过对应的一个第二微透镜被投射的状况；
图12A和图12B分别为第一实施例中显示器上两个位置不同的点通过多个光通道成像的示意图；
图13A和图13B示出可用于第一实施例的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的示例性构造；
图14为根据本发明第二实施例的近眼光学成像系统和近眼显示装置的示意图；
图15A示出可用于第二实施例的非周期排布的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的一个示例；
图15B示出可用于第二实施例的周期排布的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的一个示例；
图16A图解了第二实施例中第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中单元微透镜的排布间距的相对关系；
图16B图解了第二实施例中第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中单元微透镜的排布周期的相对关系；
图17为第二实施例中第一微透镜阵列成像的示意图；
图18A和图18B示意性地示出第二实施例中第一微透镜所成的多个像分别通过对应的一个第二微透镜被投射的状况；
图19A和图19B分别为第二实施例中显示器上两个位置不同的点通过多个光通道成像的示意图；
图20A和图20B示出可用于第二实施例的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的示例性构造；
图21A至图21G示出根据本发明的近眼光学成像系统和近眼显示装置的多个扩展例，其中以不同方式结合了光阑阵列和/或场镜；
图22示出由菲涅尔透镜构成的场镜阵列的一个示例；
图23示出根据本发明的近眼显示装置的一个扩展例，其中设置有波面调制光源；
图24为基于根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置的头戴式显示装置的示意图；
图25为图24所示头戴式显示装置用作3D显示装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了便于对本发明的理解，首先结合图1介绍来自无穷远处平面上的光线的特点。图1的示意图中，假设图面左侧虚线所表示的平面相对于图面右侧的眼睛E(眼睛仅为观察主体的具体示例，并非限制性的，观察主体例如还可以是相机等等)位于无穷远处，即平面到眼睛的距离L为无穷大。此时，由于眼睛瞳孔大小有限而距离L无穷大，所以从该平面上的一个物点，例如点O1，发出并进入眼睛瞳孔的光束的张角α1近似为0度，即该光束形成为平行光束。从点O0和点O2发出并进入眼睛的光束也均形成为平行光束。换句话说，对于无穷远处的任一点，观察到的来自该点的光线是平行光。
然后，对比无穷远处平面上的位置不同的任意两点，例如点O1和点O2。图面中纵轴方向为沿着这两个点连线的方向，由于点O1和点O2是位置不同的点，所以它们在图面中的纵轴上必然间隔开一定距离，这意味着从点O1和点O2发出并进入眼睛的两束平行光的方向(图中以相对于水平方向的仰角β1、β2来表示)必然是不同的。而且，可以看到，从点O1和点O2发出并进入眼睛的两束平行光的不同方向(图中以仰角β1、β2表示)的相对关系是对应于点O1和点O2在所述无穷远处平面上的相对位置关系的。更具体地说，假设点O0为所述无穷远处平面上的原点，从点O0发出并进入眼睛的平行光的方向为基准方向(仰角为零)，则在点O0、点O1和点O2共线情况下，当点O1相对于点O2更加远离点O0时，点O1所对应的平行光的方向(仰角β1)的绝对值大小大于点O2所对应的平行光的方向(仰角β1)的大小，并且尽管图中没有示出，当点O1和点O2分别位于点O0的正负两侧时，它们对应的平行光束的方向相对于基准方向分别具有正负不同的极性。
根据本发明的近眼光学成像系统通过组合使用两个微透镜阵列，能够将位于近眼范围内的物面成像到无穷远处的平面上。根据本发明的近眼光学成像系统与显示器结合可以得到根据本发明的近眼显示装置。以下参照图2至图4来更加详细地介绍。
图2示意性地示出了根据本发明的近眼光学成像系统的轴侧图。图3为根据本发明的近眼光学成像系统的成像光路示意图。如图所示，该近眼光学成像系统包括第一微透镜阵列MLA1和第二微透镜阵列MLA2。第一微透镜阵列MLA1包括多个第一微透镜Li(图3中仅示出第一微透镜L-m、L0、Ln-1和Ln)，第二微透镜阵列MLA2包括多个第二微透镜Li’(图3中仅示出第二微透镜L-m’、L0’、Ln-1’和Ln’)。下标i、m、n等为整数，在这里用于表示多个微透镜中的一个，其中不同下标表示不同的微透镜，下标为相邻整数时表示对应的微透镜也是相邻的；下标的正负极性仅具有相对的意义，负数下标表示对应的微透镜相对于一个基准位置位于正数下标所对应的微透镜的相反侧。应该注意的是，图3中对于第一微透镜、第二微透镜的尺寸和位置、第二微透镜的焦平面位置等仅为示意性的图示。
附图标记OP表示第一微透镜阵列MLA1的一个物面，例如显示器等要被显示的物体或图片可以放置在该物面OP上，以通过根据本发明的近眼光学成像系统被成像。以下为了描述的方便和清晰，以位于物面OP上的显示器1为例来进行说明。
如图2所示，第一微透镜阵列MLA1设置在显示器1的显示面一侧，第二微透镜阵列MLA2设置在第一微透镜阵列MLA1的与显示器1相反的一侧。
使用时，物面OP/显示器1相对于眼睛E位于近眼范围内。这里，近眼范围指的是相对于眼睛的一定距离范围，由于该距离范围过于靠近眼睛而使得眼睛在没有辅助的情况下不能对位于该距离范围内的物体聚焦。近眼范围例如可以包括/覆盖佩戴眼镜时眼镜镜片相对于人眼的距离范围。本发明并不限于近眼范围的任何特定取值范围。
如图3所示，根据本发明，第一微透镜阵列MLA1中的多个第一微透镜Li分别与第二微透镜阵列MLA2中的一个第二微透镜Li’对应(即一一对应)，从而形成多个光通道CHi。例如，如图所示，第一微透镜L-m、L0、Ln-1和Ln分别与第二微透镜L-m’、L0’、Ln-1’和Ln’对应，形成光通道CH-m、CH0、CHn-1和CHn。应该注意的是，第一微透镜阵列MLA1和/或第二微透镜阵列MLA2可以包括冗余的单元微透镜，例如位于微透镜阵列边缘、未被用于成像的冗余的单元微透镜。
尽管图中示出相邻的两个第一微透镜Ln-1和Ln彼此毗邻(无间隙)，但是相邻的第一微透镜之间可以是有间隙的。类似的，尽管图3中示出相邻的两个第二微透镜Ln-1’和Ln’彼此毗邻(无间隙)，但是相邻的第二微透镜之间也可以是有间隙的。相应地，相邻的光通道之间可以是毗邻的，也可以是有间隙的。
根据本发明，多个光通道可以是具有实体边界的有形通道，也可以是无实体边界的、由光线的实际传播路径限定出的无形通道。
对于光通道为有形通道的情况，例如，可以在第一微透镜阵列MLA1和第二微透镜阵列MLA2之间设置间隔件，该间隔件可以形成有对应于各个光通道的通孔。这样的间隔件一方面可以限定和分隔各个光通道，另一方面也可以用于保持两个微透镜阵列之间的间距。可以通过例如3D打印技术来制成这样的间隔件。
在没有对光通道形成有形的分隔的情况下，光线从物面OP(例如显示器1)出发、最后到达目标投射位置(例如使用中期待眼睛瞳孔相对于显示器1以及第一微透镜阵列MLA1和第二微透镜阵列MLA2所处的位置)所传播经过的第一微透镜阵列MLA1和第二微透镜阵列MLA2中一一对应的第一微透镜Li和第二微透镜Li’，可以限定出光通道。
应该理解的是，在没有对光通道形成有形分隔的情况下，从一个第一微透镜出射的光束有可能进入不止一个第二微透镜。然而，根据本发明，第一微透镜Li和第二微透镜Li’之间的一一对应关系对于一个确定的目标投射位置而言是确定的，其中来自物面OP的光或者无法耦合通过上述确定的一一对应关系以外的成对的第一微透镜和第二微透镜，或者即使耦合通过该确定的一一对应关系以外的成对的第一微透镜和第二微透镜，但是不能到达所述确定的目标投射位置。
返回参照图3，其中示例性地示出了显示器1上的三个点(点O、点A和点B)以及它们通过光通道CH-m、CH0、CHn-1和CHn成像的情况。根据本发明，第一微透镜阵列MLA1中的每一个第一微透镜并不限于对特定的点或者区域成像，而是可以对整个显示器1成像。以下以点O、点A和点B为例，讨论第一微透镜阵列MLA1和第二微透镜阵列MLA2的成像。
根据本发明，对于每一个光通道，第一微透镜将显示器1的像形成在第二微透镜的物方焦平面上，这样对于显示器1上的每一个点，经过每一个光通道得到一束平行光。例如，点O通过第一微透镜阵列MLA1中的第一微透镜L0，成像在第一微透镜L0所对应的第二微透镜L0’的物方焦平面F0上，从而从第二微透镜L0’出射平行光束20o。类似地，点B通过第一微透镜阵列MLA1中的第一微透镜L-m，成像在第一微透镜L-m所对应的第二微透镜L-m’的物方焦平面F-m上，从而从第二微透镜L-m’出射平行光束20b。当然点O和点B也可以通过其它光通道形成平行光束。
在一些优选的实施方式中，第一微透镜阵列的多个第一微透镜可以具有相同的屈光力，将所述显示器的显示面的像形成在彼此共面的像平面上，第二微透镜阵列的多个第二微透镜可以具有相同的屈光力，具有共面的物方焦平面，并且该物方焦平面与所述第一微透镜阵列的所述像平面重合。
然而，应该理解的是，第一/第二微透镜阵列中的多个第一/第二微透镜并不限于具有共面的像平面/焦平面，而只要第一微透镜能够将物面的像形成在与之构成同一光通道的第二微透镜的物方焦平面上就能获得出射的平行光束。
进一步，根据本发明，对应于物面OP上的任一点，通过不同光通道投射出的多个平行光束是彼此平行的。这保证了来自物体上的同一点通过不止一个光通道被成像于无穷远处的同一个像点。例如，点A通过由第一微透镜Ln-1和Ln分别成像到对应的第二微透镜Ln-1’和Ln’的物方焦平面Fn-1和Fn上，从而从第二微透镜Ln-1’和Ln’分别出射平行光束20a和20a’，并且这两个平行光束20a和20a’之间也是平行的。如图3中所示，光束20a相对于基准方向(例如图3中所示点O通过光通道CH0所投射的平行光束20o的方向)的仰角α和光束20a’的相应仰角α’是相同的。
这可以通过将第一微透镜阵列和第二微透镜阵列构造为使得不同光通道中第一微透镜所形成的显示器1上的任一点的像与第二微透镜的光心的连线是彼此平行的而实现。
在其中第一微透镜阵列的多个第一微透镜对于物面OP(显示器1)具有共面的像平面，且第二微透镜阵列的多个第二微透镜具有共面的物方焦平面的实施方式中，可以构造第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，使得任意两个光通道中的两个第二微透镜之间的间距等于这两个光通道中的两个第一微透镜分别对所述显示面所成的两个像之间的间距。图4图解了在这样的实施方式中同一个点通过不同光通道获得彼此平行的平行光束的情况。
图4所示示例中，点A为位于显示器1上的任意一点，Cn和Cm是第一微透镜阵列MLA1上的任意两个第一微透镜Ln、Lm的光心，Cn’和Cm’是第二微透镜阵列MLA2上分别与第一微透镜Ln、Lm对应的两个第二微透镜Ln’、Lm’的光心。第一微透镜阵列MLA1对于物面OP具有像平面IP，该像平面IP与第二微透镜阵列MLA2的物方焦平面FP重合。应该注意的是，图中所示像平面IP、物方焦平面FP的位置仅仅是示意性，而非限制性的。
如图所示，点A分别通过两个第一微透镜Lm、Ln成像得到的两个像点IMa、IMa’，像点IMa、IMa’位于像平面IP上。可以看到，点A分别通过两个第一微透镜Lm、Ln的成像中，物距相等，均为u1，像距相等，均为v1。相应地，基于相似三角形关系，像点IMa、IMa’之间的间距dim与两个第一微透镜Lm、Ln的间距(即这两个第一微透镜的光心Cm、Cn之间的间距)d1满足以下关系：
Figure BDA0001421293960000121
其中，u1为从所述显示器的显示面到第一微透镜阵列的物距，v1为所述像平面到第一微透镜阵列的像距，当所述物体相对于第一微透镜为实物时，u1为正值，当所述物体相对于第一微透镜为虚物时，u1为负值，当第一微透镜成实像时v1为正值，当第一微透镜成虚像时v1为负值。
在图示示例中，为了使得从点A发出的光经过由第一微透镜Ln与第二微透镜Ln’构成的光通道和由第一微透镜Lm与第二微透镜Lm’构成的光通道形成两束彼此平行的平行光束，则应保持第二微透镜Lm’、Ln’之间的间距(即这两个第二微透镜的光心Cm’、Cn’之间的间距)d2等于像点IMa、IMa’之间的间距dim，即：
dim＝d2 (2)
因此，任意两个不同光通道的第一微透镜Lm、Ln之间的间距d1与第二微透镜Lm’、Ln’之间的间距d2满足以下关系：
Figure BDA0001421293960000131
以上仅以根据本发明的近眼光学成像系统对显示器的显示面进行成像(此时物距u1为正值)为例进行说明，但是本发明并不限于通过显示器提供要被显示的图像的情况，也不限于物面位于第一微透镜阵列的光入射一侧的情况，例如可以通过投影仪将要被显示的图像投影到第一微透镜阵列的光出射一侧(即形成虚物，此时物距u1为负值)。
应该注意的是，以上参照图4所讨论的第一微透镜之间间距与第二微透镜之间间距的关系是就其中第一微透镜阵列的多个第一微透镜对于物面OP(显示器1)具有共面的像平面，且第二微透镜阵列的多个第二微透镜具有共面的物方焦平面的实施方式而言的，然而本发明并不限于这种特定的实现方式，因此也并不限于满足上述关系式。
进一步地，根据本发明，对应于物面OP上的任意两个位置不同的点，通过光通道投射出具有不同方向的平行光束，所述不同方向的相对关系对应于这两个点在物体上的相对位置关系。这种对应关系与以上参照图1解释的无穷远平面上任意两个位置不同的点发出并进入眼睛的两束平行光的不同方向的相对关系与这两个点的相对位置关系之间的对应关系是相同或类似的。
具体而言，假设从点O发出并进入眼睛E的平行光的方向为基准方向(仰角为零)，则在点O、点A和点B共线时，当点A相对于点B更加远离点O时，点A所对应的平行光的方向(仰角α/α’)的绝对值大小大于点B所对应的平行光的方向(仰角β)的大小，并且尽管图中没有示出，当点A和点B分别位于点O的正负两侧时，它们对应的平行光束的方向相对于基准方向分别具有不同的极性。
这可以，例如，在其中第二微透镜阵列MLA2为正透镜阵列(第二微透镜为正透镜)的实施方式中，通过使第一微透镜阵列MLA1的多个第一微透镜形成显示器1的正立的像，或者在其中第二微透镜阵列MLA2为负透镜阵列(第二微透镜为负透镜)的实施方式中，通过使第一微透镜阵列MLA1的多个第一微透镜形成显示器1的倒立的像而实现。
因为进入眼睛的平行光束的方向与无穷远处平面上的像点(平面上的位置)是一一对应的，所以当从光通道中投射出的、对应于显示器1上的不同位置的点的平行光束的不同方向的相对关系保持了与显示器1上的不同位置的点的相对位置关系的对应关系时，通过所述平行光束在无穷远处平面上获得的像点就具有与显示器1上的点相同的相对位置关系。这意味着不同的点通过根据本发明的近眼光学成像系统能够以正确的位置关系被成像。
应该注意的是，这里，对应于物面OP上的不同位置的点的平行光束的不同方向的相对关系与该不同点之间的相对位置关系的对应关系并不要求是线性的。此外，可以理解，根据本发明的近眼光学成像系统可以在不同方向上具有不同放大率，而并不破坏上述的对应关系。
以上参照图2、图3和图4阐述了根据本发明的近眼光学成像系统/显示装置及其一些具体的实施方式。应该理解，根据本发明的近眼光学成像系统并不限于例如第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的特定构造。
例如，同一微透镜阵列中的所有单元微透镜并不限于具有相同的屈光力，甚至不限于具有相同的屈光力正负极性(即同一微透镜阵列中可以同时包括正透镜和负透镜)。例如，在一些情况下，一个微透镜阵列可以在中心区域的单元微透镜具有正/负屈光力，而外围区域的单元微透镜具有相反极性的屈光力。
又例如，尽管图2中示出第一微透镜阵列MLA1和第二微透镜阵列MLA2中的单元微透镜(即第一微透镜和第二微透镜)呈矩形阵列地周期排布，但是本发明并不限于利用周期排布形式的微透镜阵列来实现，更不限于特定形式的周期排布。在一些实施方式中，第一和第二微透镜阵列中的单元微透镜可以呈蜂窝形排布。或者，在另一些实施方式中，第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中的单元微透镜可以以彼此对应但是并非周期性的方式来排布，例如以同心圆方式排布。
第一微透镜阵列MLA1和第二微透镜阵列MLA2中的单元微透镜(即第一微透镜和第二微透镜)的类型可以为、但是不限于菲涅尔透镜、球面/非球面透镜、渐变折射率，也可以为由如二氧化钛纳米纤维(Titanium Dioxide Nanofins)构成的超透镜(Metalens,‘Metalenses at visible wavelengths:Diffraction-limited focusing andsubwavelength resolution imaging’，Science，Vol.352,Issue 6290,pp.1190-1194，Jun2016，Mohammadreza Khorasaninejad1，Wei Ting Chen，Federico Capasso et al)构成。
在近眼光学成像系统中，当需要对大角度入射于成像光学器件的光线的成像进行优化时，可以用不同类型的透镜构成不同的单元微透镜。换句话说，第一微透镜阵列中可以包括至少两种不同类型的透镜，以及/或者第二微透镜阵列中可以包括至少两种不同类型的透镜。例如，多个第一微透镜和多个第二微透镜中可以包括球面透镜、非球面透镜、渐变折射率透镜、菲涅耳透镜、多台阶面近似曲面透镜中的至少一种。图5示出这样的微透镜阵列的一个示例，其中布置在中间的单元微透镜可以为例如凸透镜，而布置在外周的单元微透镜可以为例如菲涅尔透镜。
此外，用于根据本发明的近眼光学成像系统和显示装置的微透镜阵列的微透镜可以是单透镜，也可以是由级联的两个以上的微透镜构成的组合透镜。
图6A示出可用作第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列的微透镜阵列的一个示例。在所示示例中，三个微透镜阵列层LL1、LL2、LL3彼此叠合，使得三个微透镜阵列层中对应的单元微透镜可以组合并等效为一个单元微透镜。从而，三个微透镜阵列层整体上等效于一个微透镜阵列，可用作根据本发明的近眼光学成像系统和显示装置中的微透镜阵列，例如用作第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列。
图6B示出可用作第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列的微透镜阵列的另一示例。如图所示，间隔件SP1和SP2将三个微透镜阵列层LL1、LL2、LL3彼此间隔开，并在同一微透镜阵列层的相邻单元微透镜之间也形成分隔，使得三个微透镜阵列层中对应的单元微透镜前后级联，可以等效为一个单元微透镜。图6B所示的三个微透镜阵列层整体上等效于一个微透镜阵列，也可用作根据本发明的近眼光学成像系统和显示装置中的微透镜阵列。
根据本发明的近眼显示装置由显示器和根据本发明的近眼光学成像系统构成。以下仅以近眼光学成像系统为主题进行介绍，然而应该理解，下面的讨论同样适用于根据本发明的近眼显示装置。
第一实施例
以下将结合图7至图12介绍根据本发明第一实施例的近眼光学成像系统和近眼显示装置10。如图7所示，近眼显示装置10包括显示器1、设置在显示器1的显示面一侧的第一微透镜阵列MLA11和设置在第一微透镜阵列MLA11的与显示器1相反的一侧的第二微透镜阵列MLA12。近眼显示装置10中除了显示器1以外的部分，可以构成根据本发明第一实施例的近眼光学成像系统。
第一微透镜阵列MLA11包括多个第一微透镜Li，第二微透镜阵列MLA12包括多个第二微透镜Li’，其中多个第一微透镜Li为具有相同正屈光力的正透镜，多个第二微透镜Li’为具有相同负屈光力的负透镜。
近眼显示装置10的光轴OA平行于第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12中每个单元微透镜(即个体的第一微透镜和第二微透镜)的光轴，并且延伸经过目标投射位置。第一微透镜阵列MLA11中的多个第一微透镜Li分别与第二微透镜阵列MLA12中的一个第二微透镜Li’对应，形成多个光通道CHi，以对应于显示器1的显示面上的任一点向目标投射位置投射平行光。
如图7所示，显示器1的显示面位于第一微透镜阵列MLA11的物面OP上。第一微透镜阵列MLA11的多个第一微透镜各自的与物面OP共轭的像平面是彼此共面的。该彼此共面的像平面以附图标记“IP”标识。多个第一微透镜将显示器1的显示面成像在像平面IP上。第二微透镜阵列MLA12的多个第二微透镜具有彼此共面的物方焦平面FP。由于第二微透镜为负透镜，所以如图所示，物方焦平面FP位于第二微透镜阵列MLA12的与第一微透镜阵列MLA11相反的一侧。并且，如图7所示，该物方焦平面FP与上述像平面IP重合。这样，对应于显示器1的显示面上的任一点，从每个第二微透镜中均投射出平行光束。
如以上已经讨论的，本发明并不限于利用周期排布形式的微透镜阵列来实现，更不限于特定形式的周期排布。为了便于理解，仅以举例而非限制性的方式，在图8A和图8B中分别示出了可用于本实施例中的非周期排布和周期排布的第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12的非周期排布和周期排布的例子。
图8A示出可用于第一实施例的非周期排布的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的一个示例。如图所示，第一微透镜阵列MLA11中的第一微透镜与第二微透镜阵列MLA12中的第二微透镜具有彼此一一对应的排布方式(尽管未示出，但是这并不排除任何一个微透镜阵列中可能包括未与另一微透镜阵列中的单元微透镜对应的冗余的单元微透镜)。在图8A所示的排布中，第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12的每一个中，单元微透镜(第一微透镜/第二微透镜)呈同心圆布置，而非周期排布的；对于任意两个单元微透镜，例如第一微透镜Lm和Ln，或者第二微透镜Lm’和Ln’，它们的口径可以是不同的。而且，应该理解，本发明并不要求彼此一一对应的第一微透镜和第二微透镜之间具有固定的口径比例关系。例如，第一微透镜Lm相对于第二微透镜Lm’的口径比例关系可以不同于第一微透镜Ln相对于第二微透镜Ln’的口径比例关系。
图8B示出可用于第一实施例的周期排布的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的一个示例。在图8B所示的排布中，第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12的每一个中，单元微透镜(第一微透镜/第二微透镜)分别呈行列矩阵形式周期排布。尽管图8B中示出每一个微透镜阵列中的单元微透镜都是相同的，然而这并不是必要的。
以上参照图4讨论的规律适用于本实施例，即：对于第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12之间形成的多个光通道，任意两个不同光通道的第一微透镜Lm、Ln的间距d1与第二微透镜Lm’、Ln’之间的间距d2满足关系式(3)，即：
Figure BDA0001421293960000181
其中，u1为从所述显示器的显示面到第一微透镜阵列的物距，v1为所述像平面到第一微透镜阵列的像距。当所述物体相对于第一微透镜为实物时u1为正值，当所述物体相对于第一微透镜为虚物时u1为负值，当第一微透镜成实像时v1为正值，当第一微透镜成虚像时v1为负值。
在第一实施例中，显示器的显示面相对于第一微透镜形成实物，物距u1为正值，第一微透镜成实像(参见以下结合图10所做的说明)，像距v1为正值。
对于如图8B所示的具有周期排布的第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12而言，参照图4讨论的规律可以进一步演绎为图9所示的两个微透镜阵列的排布周期之间的关系。此时，考虑任意两个相邻的光通道，这两个光通道中的第一微透镜Ln、Ln-1之间的间距d1即为多个第一微透镜在第一微透镜Ln、Ln-1连线方向上的排布周期P1，第一微透镜Ln、Ln-1所形成的像点IMa、IMa’之间的间距dim即为像点阵列在所述方向上的周期Pim，第一微透镜Ln、Ln-1所对应的第二微透镜Ln’、Ln-1’之间的间距d2即为第二微透镜阵列在所述方向上的周期P2，并且满足以下关系：
Figure BDA0001421293960000182
Pim＝P2 (5)
Figure BDA0001421293960000183
Figure BDA0001421293960000184
又可表示为第一微透镜的对应于物面OP的放大率M1，即/>
Figure BDA0001421293960000185
Figure BDA0001421293960000191
因此上述关系式(6)又可以表示为：
P2＝P1(1+M1) (7)
其中，P1是第一微透镜阵列中多个第一微透镜在一个方向上的排布周期，P2是第二微透镜阵列中多个第二微透镜在所述方向上的排布周期，M1为第一微透镜对所述显示器的显示面的放大率，即
Figure BDA0001421293960000192
在第一实施例中，显示器的显示面相对于第一微透镜形成实物，第一微透镜成实像(参见以下结合图10所做的说明)，因此，物距u1和像距v1均为正值，M1为正值。因此，在同一方向上，第二微透镜的排布间距d2/周期P2大于第一微透镜的排布间距d1/周期P1，如图8A和8B所示。
本实施例中，非周期排布的第一和第二微透镜阵列满足上述关系式(3)，或者周期排布的第一和第二微透镜阵列满足上述关系式(6)或(7)，则对应于物面OP(显示器1的显示面)上的同一点，从不同光通道投射出的平行光束是彼此平行的。
图10至图12示意性地图示了根据本实施例的近眼显示装置10/近眼光学成像系统对物面(显示器1的显示面)上的不同点的成像。图10和图11A、图11B中，为了更清楚地显示物面(显示器1的显示面)上点的相对位置关系，以位于物面OP上的带方向的物体(箭头)OB替代显示器1。
图10为第一实施例中第一微透镜阵列MLA11成像的示意图。可以看到，多个第一微透镜Li分别将位于物面OP的物体OB成像，在像平面IP上得到与第一微透镜数量相同的像IMOB，而且每一个像为倒立的实像。尽管为清晰起见，图10示出的各个像是彼此不重叠的，但是应该注意的是，多个第一微透镜所成的像也可以是彼此重叠的，而本发明在此方面并不受限制。优选，各个第一微透镜Li所成的像IMOB为倒立缩小的实像。
返回参照图7，第一微透镜阵列MLA11的像平面IP与作为负透镜阵列的第二微透镜阵列MLA12的物方平面FP重合，因此在空间位置上，第二微透镜阵列MLA12位于第一微透镜阵列MLA11与像平面IP之间。这意味着经过第一微透镜阵列MLA11的光在达到像平面IP之前照射到第二微透镜阵列MLA12上，对于第二微透镜而言形成位于其物方焦平面FP上的虚物(同像IMOB)。
根据负透镜成像规律，朝向物方焦平面上任一点会聚的光入射至负透镜，将从负透镜出射平行光束，并且根据该点的位置的不同，从负透镜出射的平行光束的角度不同。图11A和图11B示意性地示出了本实施例中多个像IMOB分别通过对应的一个第二微透镜Li’被投射的状况。图11A示出对应于物体OB的上端顶点(箭头顶端)从对应的各个第二微透镜Li’中投射出的平行光束；图11B示出对应于物体OB的下端顶点(箭头底端)从对应的各个第二微透镜Li’中投射出的平行光束。对比图11A和图11B，可以看到，对应于物体OB的上端顶点(箭头顶端)从对应的第二微透镜中投射出的平行光束具有较大的仰角，从而物体OB的上端顶点将被成像至无穷远处平面上的一个位置相对较高的点；而对应于物体OB的下端顶点(箭头底端)从对应的第二微透镜中投射出的平行光束具有较小的仰角，从而物体OB的下端顶点将被成像至无穷远处平面上的一个位置相对较低的点。这意味着物面OP上位置不同的点通过根据本实施例的近眼光学成像系统能够以正确的位置关系被成像。
图12A和图12B分别示出根据本发明第一实施例的近眼显示装置10对显示器1的显示面上的两个位置不同的点通过多个光通道成像。图12A示出显示面上偏离光轴OA的任一点C通过第一微透镜阵列MLA11中的多个第一微透镜Ln-1、Ln、Ln+1与对应的第二微透镜阵列MLA12中的多个第二微透镜Ln-1’、Ln’、Ln+1’形成的光通道投射出多个彼此平行的平行光束。图12B示出显示面上位于光轴OA上的点O通过第一微透镜阵列MLA11中的多个第一微透镜L-1、L0、L1与对应的第二微透镜阵列MLA12中的多个第二微透镜L-1’、L0’、L1’形成的光通道投射出多个彼此平行的平行光束。应该注意的是，图12A和图12B中示出的用于投射来自同一点的光的光通道的数量和位置都是示例性的，而非限制性的。
结合图10至图12，可以看到，根据本发明第一实施例的近眼显示装置10/近眼光学成像系统能够以正确的位置关系将位于近眼范围内的显示器的显示面(物面)成像至无穷远处的平面上。
应该注意的是，当显示器的尺寸较大，对应地第一和第二微透镜阵列的尺寸较大时，在第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列中远离光轴OA的微透镜处容易产生像差。为了消除或者减小这种情况下产生的像差，第一和第二微透镜阵列的一些理想的参数或特征可以引入一些微小变动或者啁啾(chirp)。例如，在微透镜阵列制作在基板上的情况下，基板的用于承载微透镜阵列的表面可以不是平面，例如为曲面或者台阶面，从而使得微透镜在光轴方向上具有略微不一致的位置。这有可能微小地改变第一微透镜阵列的像平面的共面的情况，或者改变第二微透镜阵列的焦平面的共面情况。又例如，用于承载微透镜阵列的基板在平行于光轴方向上的厚度可以有略微的变化，从而引入一定的附加的屈光力。此外，一个微透镜阵列中的微透镜的焦距也可以调整为略微不同，或者微透镜的间距(例如微透镜周期排布情况下的排布周期)可以引入微小变动。希望说明的，这样的参数或特征的微小变动或啁啾的存在并不改变上述介绍的本发明第一实施例的技术方案的实施。换句话说，尽管存在上述参数或特征的微小变动或啁啾，从近眼显示装置或者近眼光学成像系统的技术方案上来看，仍旧属于根据上述实施例构造的技术方案。对于以下将介绍的第二实施例或者在此没有详述的本发明的其它可能的实施例而言，上述的情况也是成立的。
第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12可以采用多种构造，例如它们可以分别承载/制作在不同的基板上，也可以承载/制作在同一基板上。例如，如图13A所示，第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12可以分别形成在两个基板2a、2b的彼此相对的表面上。这种构造下，第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12之间为气隙，相比于在两者之间介入其它材料(例如基板)的情况，有利于避免其它材料的折射作用引入的像差。在图13B所示的示例中，第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12形成在同一基板2的两个彼此相反的表面上。这样的构造有利于控制第一和第二微透镜阵列的间距，便于组装。在其它的构造中，第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12例如可以位于不同基板的彼此相反的表面等等。本发明在此方面不受限制。
第二实施例
以下将结合图14至图19介绍根据本发明第二实施例的近眼光学成像系统和近眼显示装置20。
如图14所示，近眼显示装置20包括显示器1、设置在显示器1的显示面一侧的第一微透镜阵列MLA21和设置在第一微透镜阵列MLA21的与显示器1相反的一侧的第二微透镜阵列MLA22。近眼显示装置20中除了显示器1以外的部分，可以构成根据本发明第二实施例的近眼光学成像系统。
根据第二实施例的近眼显示装置20与根据第一实施例的近眼显示装置10的不同之处在于：在近眼显示装置20中，第一微透镜阵列MLA21包括的多个第一微透镜Li为具有相同负屈光力的负透镜，第二微透镜阵列MLA22包括的多个第二微透镜Li’为具有相同正屈光力的正透镜。这与近眼显示装置10中的情况相反。
类似地，近眼显示装置20的光轴OA平行于第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22中每个单元微透镜(即个体的第一微透镜和第二微透镜)的光轴，并且延伸经过目标投射位置。第一微透镜阵列MLA21中的多个第一微透镜Li分别与第二微透镜阵列MLA22中的一个第二微透镜Li’对应，形成多个光通道CHi，以对应于显示器1的显示面上的任一点向目标投射位置投射具有合适角度的平行光。
如图14所示，第一微透镜阵列MLA21的多个第一微透镜各自的与物面OP(显示器1的显示面)共轭的像平面是彼此共面的，即像平面IP。第二微透镜阵列MLA22的多个第二微透镜具有彼此共面的物方焦平面FP，该物方焦平面FP与上述像平面IP重合。与根据第一实施例的近眼显示装置10不同，由于第一微透镜为负透镜，而第二微透镜为正透镜，所以如图所示，像平面IP/物方焦平面FP位于显示器1与第一微透镜阵列MLA21之间。这样，对应于显示器1的显示面上的任一点，从每个第二微透镜中均投射出平行光束。
图15A和图15B中分别示出了可用于第二实施例中的非周期排布和周期排布的第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22的非周期排布和周期排布的例子。对比图15A、图15B与图8A、图8B，可以看到，第二实施例中的第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22可以采用与第一实施例中的第一微透镜阵列MLA11和第二微透镜阵列MLA12相同的排布方式。以上参照图8A和图8B对第一和第二微透镜阵列的排布方式的描述也适用于第二实施例中的第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22。为简明起见，在此不再赘述。
对比图15A、图15B与图8A、图8B，还可以发现，第一实施例中，在同一方向上，第二微透镜的排布间距d2/周期P2大于第一微透镜的排布间距d1/周期P1；然而，在第二实施例中，在同一方向上，第二微透镜的排布间距d2/周期P2小于第一微透镜的排布间距d1/周期P1。对此，以下将结合图16A和图16B详细地说明。
图16A图解了第二实施例中第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22中单元微透镜的排布间距的相对关系。
类似于图4所示，图16A显示，点A分别通过两个第一微透镜Lm、Ln成像得到的两个像点IMa、IMa’，像点IMa、IMa’位于像平面IP上。可以看到，点A分别通过两个第一微透镜Lm、Ln的成像中，物距相等，均为u1，像距相等，均为v1。相应地，基于相似三角形关系，像点IMa、IMa’之间的间距dim与两个第一微透镜Lm、Ln的间距(即这两个第一微透镜的光心Cm、Cn之间的间距)d1满足关系式(1)，即：
Figure BDA0001421293960000231
其中，u1为从所述显示器的显示面到第一微透镜阵列的物距，v1为所述像平面到第一微透镜阵列的像距。当所述物体相对于第一微透镜为实物时，u1为正值，当所述物体相对于第一微透镜为虚物时，u1为负值，当第一微透镜成实像时v1为正值，当第一微透镜成虚像时v1为负值。
在第二实施例中，显示器的显示面相对于第一微透镜形成实物，物距u1为正值，第一微透镜成虚像(参见以下结合图17所做的说明)，像距v1为负值。
在图示示例中，为了使得从点A发出的光经过由第一微透镜Ln与第二微透镜Ln’构成的光通道和由第一微透镜Lm与第二微透镜Lm’构成的光通道形成两束彼此平行的平行光束，则应保持第二微透镜Lm’、Ln’之间的间距(即这两个第二微透镜的光心Cm’、Cn’之间的间距)d2等于像点IMa、IMa’之间的间距dim，即满足关系式(2)：
dim＝d2 (2)
因此，任意两个不同光通道的第一微透镜Lm、Ln之间的间距d1与第二微透镜Lm’、Ln’之间的间距d2满足关系式(3)：
Figure BDA0001421293960000241
图16B图解了第二实施例中第一和第二微透镜阵列的排布周期的相对关系。类似于图9所示，图16B显示，对于周期排布的第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22，考虑任意两个相邻的光通道，这两个光通道中的第一微透镜Ln、Ln-1之间的间距d1即为多个第一微透镜在第一微透镜Ln、Ln-1连线方向上的排布周期P1，第一微透镜Ln、Ln-1所形成的像点IMa、IMa’之间的间距dim即为像点阵列在所述方向上的周期Pim，第一微透镜Ln、Ln-1所对应的第二微透镜Ln’、Ln-1’之间的间距d2即为第二微透镜阵列在所述方向上的周期P2，并且满足以下关系式(4)～(6)：
Figure BDA0001421293960000242
Pim＝P2 (5)
Figure BDA0001421293960000243
上述关系式(6)又可以表示为关系式(7)，即：
P2＝P1(1+M1)
其中，P1是第一微透镜阵列中多个第一微透镜在一个方向上的排布周期，P2是第二微透镜阵列中多个第二微透镜在所述方向上的排布周期，M1为第一微透镜对所述显示器的显示面的放大率，即
Figure BDA0001421293960000244
在第二实施例中，显示器的显示面相对于第一微透镜形成实物，第一微透镜成虚像(参见以下结合图17所做的说明)，因此，物距u1为正值，像距v1为负值，M1为负值。因此，在同一方向上，第二微透镜的排布间距d2/周期P2小于第一微透镜的排布间距d1/周期P1，如图15A和15B所示。
由图16A和图16B所示以及上述讨论可见，以上参照图4、图9所讨论的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的排布间距/周期之间的关系(见关系式(3)～(7))对于根据第二实施例的第一和第二微透镜阵列也是适用的。不同的只是：在第二施例中，第一微透镜为负透镜，且对物面OP(显示器1的显示面)成虚像(参见以下结合图17所做的说明)，因此，物距u1为正值而像距v1为负值，相应地，M1为负值。因此，根据上述关系式(3)～(7)，在本实施例中，在同一方向上，第二微透镜的排布间距d2/周期P2小于第一微透镜的排布间距d1/周期P1，如图15A和15B中所示。
第二实施例中，非周期排布的第一和第二微透镜阵列满足上述关系式(3)，或者周期排布的第一和第二微透镜阵列满足上述关系式(6)或(7)，则对应于物面OP(显示器1的显示面)上的同一点，从不同光通道投射出的平行光束是彼此平行的。
图17至图19示意性地图示了根据第二实施例的近眼显示装置20/近眼光学成像系统对物面(显示器1的显示面)上的不同点的成像。图17和图18A、图18B中，为了更清楚地显示物面(显示器1的显示面)上点的相对位置关系，以位于物面OP上的带方向的物体(箭头)OB替代显示器1。
图17为第二实施例中第一微透镜阵列MLA21成像的示意图。可以看到，多个第一微透镜Li分别将位于物面OP的物体OB成像，在像平面IP上得到与第一微透镜数量相同的正立、缩小的虚像IMOB。多个第一微透镜所成的像可以是彼此不重叠的，也可以是彼此重叠的，而本发明在此方面并不受限制。
由于第一微透镜阵列MLA21的像平面IP与第二微透镜阵列MLA22的物方平面FP重合，所以第一微透镜阵列MLA21的多个第一微透镜所形成的物体OB的多个像IMOB，对于第二微透镜而言形成位于其物方焦平面FP上的物。
根据正透镜成像规律，从物方焦平面上任一点发出的光入射至正透镜，将从正透镜出射平行光束，并且根据该点的位置的不同，从正透镜出射的平行光束的角度不同。图18A和图18B示意性地示出了第二实施例中多个像IMOB分别通过对应的一个第二微透镜Li’被投射的状况。图18A示出对应于物体OB的上端顶点(箭头顶端)从对应的各个第二微透镜Li’中投射出的平行光束；图18B示出对应于物体OB的下端顶点(箭头底端)从对应的各个第二微透镜Li’中投射出的平行光束。对比图18A和图18B，可以看到，对应于物体OB的上端顶点(箭头顶端)从对应的第二微透镜中投射出的平行光束具有较大的仰角，从而物体OB的上端顶点将被成像至无穷远处平面上的一个位置相对较高的点；而对应于物体OB的下端顶点(箭头底端)从对应的第二微透镜中投射出的平行光束具有较小的仰角，从而物体OB的下端顶点将被成像至无穷远处平面上的一个位置相对较低的点。这意味着物面OP上位置不同的点通过根据本实施例的近眼光学成像系统能够以正确的位置关系被成像。
图19A和图19B分别示出根据本发明第二实施例的近眼显示装置20对显示器1的显示面上的两个位置不同的点通过多个光通道成像。图19A示出显示面上偏离光轴OA的任一点D通过第一微透镜阵列MLA21中的多个第一微透镜Ln-1、Ln、Ln+1与对应的第二微透镜阵列MLA22中的多个第二微透镜Ln-1’、Ln’、Ln+1’形成的光通道投射出多个彼此平行的平行光束。图19B示出显示面上位于光轴OA上的点O通过第一微透镜阵列MLA21中的多个第一微透镜L-1、L0、L1与对应的第二微透镜阵列MLA22中的多个第二微透镜L-1’、L0’、L1’形成的光通道投射出多个彼此平行的平行光束。图19A和图19B中示出的用于投射来自同一点的光的光通道的数量和位置都是示例性的，而非限制性的。
结合图17至图19，可以看到，根据本发明第二实施例的近眼显示装置20/近眼光学成像系统能够以正确的位置关系将位于近眼范围内的显示器的显示面(物面)成像至无穷远处的平面上。
类似于第一实施例中的情况，对于第二实施例，第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22也可以采用多种构造。图20A和图20B分别示出第一微透镜阵列MLA21和第二微透镜阵列MLA22形成在两个分立的基板2a、2b上和形成在同一基板2上的示例性构造。这与参照图13A和图13B所讨论的情况类似，在此不再赘述。
扩展例
以上结合图7-20介绍了根据本发明第一和第二实施例的近眼显示装置，其中近眼显示装置包括显示器和根据本发明的近眼光学成像系统，而该近眼光学成像系统包括第一和第二微透镜阵列。根据本发明的近眼显示装置除了显示器、第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，还可以选择性地包括其它器件或结构，例如光阑和场镜，以提供进一步有利的技术效果。以下将结合附图介绍根据本发明的近眼光学成像系统和近眼显示装置的结合了其它器件或结构上有变造的多个扩展例。
图21A至图21G示出根据本发明的近眼光学成像系统和近眼显示装置的扩展例，其中以不同方式结合了光阑阵列和/或场镜。
光阑阵列包括不透光基底和形成在该不透光基底上的多个透光孔洞，多个透光孔洞可以对应于微透镜阵列中多个微透镜而排布。透光孔洞的口径可以根据与多个微透镜的位置和距离而等于、大于或小于各个微透镜的口径。光阑阵列通过遮挡大角度光线，可以消除大角度光线带来的像差，提高成像光学器件的成像质量。另外，光阑阵列通过阻挡杂散光线，可以改善成像对比度。
图21A和图21B所示扩展例中，光阑阵列3邻近作为第一微透镜阵列MLA31、MLA41设置。如图21A所示，光阑阵列3可以贴附于第一微透镜阵列MLA31的表面上，例如可以与多个第一微透镜形成在同一基板2的相同一侧上。或者，如图21B所示，光阑阵列3可以设置在第一微透镜阵列MLA41的背面，确切地说，与多个第一微透镜形成在同一基板2a的相反两侧上。
与图21A和图21B中第一微透镜阵列MLA31、MLA41为正透镜阵列不同，图21C和图21D所示扩展例中，第一微透镜阵列MLA51、MLA61为负透镜阵列，如图所示，负透镜阵列MLA51、MLA61也可以与光阑阵列3、3a结合。类似地，光阑阵列可以贴附在负透镜阵列的表面上(见图21C)，也可以设置在负透镜阵列的背面(见图21D)。
此外，参见图21D，光阑阵列也可以邻近第二微透镜阵列MLA62设置。具体设置方式可以与邻近第一微透镜阵列设置时相同或类似，在此不再赘述。而且，如图21D所示，第一微透镜阵列MLA61和第二微透镜阵列MLA62可以分别都结合有光阑阵列3a、3b。
尽管图中没有示出，但是，应该理解，光阑阵列也可以设置在与第一微透镜阵列和第二微透镜阵列分立的基板上。此外，光阑阵列也可以嵌入设置在基板的内部(例如嵌在彼此胶合的两块基板之间)，而非设置在基板的表面上，该基板的表面上还可以用于承载其它器件，例如微透镜阵列以及/或者场镜。
根据本发明的近眼显示装置还可以结合场镜。如图21D所场镜4设置在显示器1和第一微透镜MLA61之间，并具有与显示面基本上重合的主平面。场镜4优选邻近显示器1的显示面设置(未示出)。场镜也可以设置在第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间，如图21E所示。或者，也可以设置不止一个场镜。例如如图21F所示的，同时设置位于显示器1与第一微透镜阵列MLA81之间的场镜4a和位于第一微透镜阵列MLA81和第二微透镜阵列MLA82之间的场镜4b。一般，设置在显示器与第一微透镜阵列之间的场镜具有与显示器的显示面重合的主平面，而设置在第一微透镜阵列和第二微透镜这列之间的场镜具有与第一微透镜阵列的像平面IP重合的主平面。
场镜可以形成在分立的基板上(如图21F中的场镜4a)，也可以与其它器件形成在同一基板的两侧(如图21F中的场镜4b)。
图21D至图21F中，场镜被示出为由单个正透镜构成。然而，本发明并不限于此。例如，如图21G所示，场镜4’也可以由包括若干个正透镜4’i的正透镜阵列构成。此外，场镜可以凸透镜以外类型的正透镜构成，例如由球面透镜、非球面透镜、渐变折射率透镜、菲涅耳透镜、和多台阶面近似曲面透镜中的一种透镜构成。图22示出由菲涅尔透镜构成的场镜阵列的一个示例。当然，也可以使用由单个菲涅尔透镜构成的单个正透镜作为场镜。
此外，尽管图中没有示出，但是用于承载微透镜阵列、光阑阵列和/或场镜的基板可以在平行于光轴的方向上具有变化的厚度，从而引入一定的附加的屈光力。有些情况下，基板本身可以起到场镜的作用。相应地，或者作为替代，基板的垂直于光轴的至少一个表面可以不是平面，例如为曲面或者台阶面。例如，尽管基板在平行于光轴的方向上的厚度是均一的，但是垂直于光轴的两个表面可以都形成为曲面形状的。
以下将参照图23介绍根据本发明的近眼显示装置的一个扩展例，其中设置有波面调制光源。如图所示，近眼显示装置100包括空间光调制器1’和近眼光学成像系统110。该空间光调制器1’能够对光进行吸收或者衰减，但是不会改变光的方向。空间光调制器1’对照射到其上的光进行调制以显示图像，从而用作显示器。近眼光学成像系统110为包括第一和第二微透镜阵列的根据本发明的近眼光学成像系统，其具体构造在此不再赘述。在本扩展例中，近眼显示装置100还包括波面调制光源120，用于提供发散或会聚的光以照射空间光调制器1’。波面调制光源120可以以不同构造来实现，图23中仅仅给出一个示例。如图23所示，波面调制光源120包括背光模组121和菲涅尔透镜122，其中背光模组121用于提供面光源，菲涅尔透镜122为正透镜或负透镜，其使来自背光模组121光会聚或发散，并将光投射向空间光调制器1’。由于空间光调制器1’不改变经其调制的光的方向，所以从空间光调制器1’出射进入近眼光学成像系统110的光仍然能够保持发散或会聚，有利于提高近眼光学成像系统110的成像质量。
头戴式显示装置
基于根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置可以构造头戴式显示装置。图24示意性地示出基于根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置的头戴式显示装置500。其中头戴式显示装置500包括头戴装置510，该头戴装置510例如可以构造为如图所示的镜架结构。在头戴装置510的对应于佩戴者双眼的位于近眼范围内的位置(相当于眼镜的镜片位置)可以设置近眼显示装置200a、200b，用于分别将显示在近眼显示装置200a、200b中的显示器上的图像直接投影到眼睛内，从而使用者可以观看到设置在近眼范围内的显示器上所呈现的图像。
基于根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置的头戴式显示装置500可以用于2D显示，也可以用于3D显示。图25为头戴式显示装置500用作3D显示装置的示意图。头戴式显示装置500用于3D显示时基于的是双目视觉的原理。如图25所示，用于左眼LE的近眼显示装置200a和用于右眼RE的近眼显示装置200b显示出同一画面内容的、但是彼此相对偏移的两幅图像(或者分别称为左眼图像和右眼图像)，从而人眼在观察的时候由于双目视差，能够观看/感受到立体的图像。
此外，如图24所示，头戴式显示装置500还可以包括控制单元520。控制单元520可以集成用于驱动近眼显示装置以及头戴装置510上的其他设备的电源、电路和计算设备等。控制单元520可以集成/安装在头戴装置510上，也可以与头戴装置510是分立的(如图24所示)，例如构造为手持装置或者集成在手持装置中。此外控制单元520也可以构造为部分集成在头戴装置510中，部分与头戴装置510分立，例如集成在手持装置中。控制单元520与近眼显示装置以及其他设备之间可以通过有线和/或无线方式连接以及通信。控制单元520可以控制用于左眼LE的近眼显示装置200a和用于右眼RE的近眼显示装置200b显示相同的图像还是不同的图像，从而实现2D显示或3D显示之间的切换。
头戴式显示装置500可以用于虚拟现实显示，即提供一种浸没式的3D显示，而屏蔽来自外部环境的光。这种情况下，可以将通过近眼显示装置中包括的显示器或者通过提供额外的元器件屏蔽来自外部的光。
头戴式显示装置500也可以用于增强现实显示或混合现实显示。例如，近眼显示装置中包括的显示器和微透镜阵列可以构造为电-光可控的，从而显示器和微透镜阵列可以在透明或不透明的状态之间切换，以允许进行3D显示或者观看到周围的环境。
根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置基于两个微透镜阵列来构造，而微透镜阵列可以制作为重量轻而外形薄，使得根据本发明的近眼光学成像系统/近眼显示装置以及基于该近眼光学成像系统/近眼显示装置而构造的该头戴式显示装置500也能够具有轻、薄的特点。此外，微透镜阵列的制作成本相对而言较低，这也有利于控制头戴式显示装置500的成本。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (56)

1.一种近眼显示装置，包括：
显示器，具有用于显示图像的显示面；
第一微透镜阵列，其设置在所述显示器的显示面一侧，并包括多个第一微透镜；和
第二微透镜阵列，其设置在所述第一微透镜阵列的与所述显示器相反的一侧，并包括多个第二微透镜，
其中，所述第一微透镜阵列中的多个第一微透镜分别与所述第二微透镜阵列中的一个第二微透镜对应，形成多个光通道，其中在每一个光通道中，第一微透镜将所述显示面的像形成在第二微透镜的物方焦平面上，以投射出平行光束；
对应于所述显示面上的同一点，通过所述多个光通道投射出的多个平行光束是彼此平行的；并且
对应于所述显示面上任意两个位置不同的点，通过所述光通道投射出具有不同方向的平行光束，所述不同方向的相对关系对应于这两个点在所述显示面上的相对位置关系，
其中所述近眼显示装置还包括基板，用于承载所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的至少一者，所述基板的在平行于所承载的微透镜阵列的光轴的方向上彼此相反的两个表面中的至少一个表面是曲面或者台阶面，
其中所述近眼显示装置还包括场镜，该场镜设置在所述显示器和所述第一微透镜阵列之间并具有与所述显示器的显示面基本上重合的主平面，或者设置在所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列之间；
其中所述多个第一微透镜为正透镜，所述多个第二微透镜为负透镜，并且所述多个第一微透镜形成所述显示器的显示面的倒立的像，
其中所述近眼显示装置的光轴平行于第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中每个单元微透镜的光轴，其中所述第一微透镜阵列包括至少两种不同类型的透镜，布置在中间的第一微透镜为凸透镜，布置在外周的第一微透镜为菲涅尔透镜。
2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述多个光通道中第一微透镜所形成的显示面的任一个点的像与第二微透镜的光心的连线是彼此平行的。
3.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述多个第一微透镜的屈光力具有相同的正负特性，并且所述多个第二微透镜的屈光力具有相同的正负特性。
4.如权利要求3所述的近眼显示装置，其中，所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜将所述显示器的显示面的像形成在彼此共面的像平面上，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜具有共面的物方焦平面，并且该物方焦平面与所述第一微透镜阵列的所述像平面重合。
5.如权利要求4所述的近眼显示装置，其中，所述多个第一微透镜具有彼此相同的屈光力。
6.如权利要求5所述的近眼显示装置，其中，任意两个光通道中的两个第二微透镜之间的间距等于这两个光通道中的两个第一微透镜分别对所述显示面所成的两个像之间的间距。
7.如权利要求6所述的近眼显示装置，其中，任意两个光通道中的两个第一微透镜之间的间距d1与两个第二微透镜之间的间距d2满足以下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为从所述显示器的显示面到第一微透镜阵列的物距，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为所述像平面到第一微透镜阵列的像距，当第一微透镜成实像时/>
Figure 571072DEST_PATH_IMAGE006
为正值，当第一微透镜成虚像时/>
Figure 35682DEST_PATH_IMAGE006
为负值。
8. 如权利要求6所述的近眼显示装置，其中，所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜是周期排布的，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜也是周期排布的，并且满足以下关系：
P2=P1 (1+M1)
其中，P1是第一微透镜阵列中多个第一微透镜在一个方向上的排布周期，P2是第二微透镜阵列中多个第二微透镜在所述方向上的排布周期，M1为第一微透镜对所述显示器的显示面的放大率，即
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
9.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，其中，所述多个第二微透镜为正透镜，且所述多个第一微透镜形成所述显示器的显示面的正立的像。
10.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述多个第一微透镜在所述第二微透镜阵列的与所述第一微透镜阵列相反的一侧形成缩小的实像。
11.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，其中，所述多个第二微透镜包括至少两种不同类型的透镜。
12.如权利要求11所述的近眼显示装置，其中，所述多个第二微透镜中包括球面透镜、非球面透镜中的至少一种。
13.如权利要求11所述的近眼显示装置，其中，所述多个第二微透镜中包括渐变折射率透镜、菲涅耳透镜、多台阶面近似曲面透镜中的至少一种。
14.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，其中，所述第一微透镜和所述第二微透镜中的至少一者是有间隙地排布的。
15. 如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，其中，所述第一微透镜和第二微透镜中的至少一部分为由级联的两个以上的微透镜构成的组合透镜。
16.如权利要求15所述的近眼显示装置，其中，所述第一微透镜阵列由两个以上的微透镜阵列层叠合而成，所述级联的两个以上的微透镜包括分别来自所述两个以上的微透镜阵列层的微透镜；以及/或者
所述第二微透镜阵列由两个以上的微透镜阵列层叠合而成，所述级联的两个以上的微透镜包括分别来自所述两个以上的微透镜阵列层的微透镜。
17.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，其中，所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列分别形成在两个基板的彼此相对的表面上，并且所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列之间为气隙。
18.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，其中，所述基板在平行于所承载的微透镜阵列的光轴的方向上的厚度是变化的。
19.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，还包括邻近所述第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列设置的光阑阵列，所述光阑阵列包括不透光基底和形成在该不透光基底上的多个透光孔洞，所述多个透光孔洞对应于所述第一微透镜阵列中多个第一微透镜而排布。
20.如权利要求19所述的近眼显示装置，其中，所述光阑阵列贴附于所述第一微透镜阵列和/或第二微透镜阵列的表面上。
21.如权利要求1所述的近眼显示装置，其中，所述场镜与第一微透镜阵列或第二微透镜阵列形成在同一基板的相反两侧上。
22.如权利要求21所述的近眼显示装置，其中，所述基板在平行于光轴的方向上的厚度是变化的。
23.如权利要求22所述的近眼显示装置，其中，所述基板的在平行于第二微透镜阵列的光轴的方向上彼此相反的两个表面中的至少一个表面是曲面。
24.如权利要求1或21所述的近眼显示装置，其中，所述场镜由渐变折射率透镜、菲涅耳透镜或多台阶面近似曲面透镜构成。
25.如权利要求1或21所述的近眼显示装置，其中，所述场镜由球面透镜或非球面透镜构成。
26.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置，还包括波面调制光源，其发射发散或会聚的光，用于照明所述显示器以实现在所述显示面上的显示。
27. 一种近眼光学成像系统，包括：
第一微透镜阵列，其包括多个第一微透镜；和
第二微透镜阵列，其与所述第一微透镜阵列并排布置，并包括多个第二微透镜；
其中，所述第一微透镜阵列中的多个第一微透镜分别与所述第二微透镜阵列中的一个第二微透镜对应，形成多个光通道，其中在每一个光通道中，第一微透镜将位于预定物面上的物体的像形成在第二微透镜的物方焦平面上，以投射出平行光束；
对应于所述物面上的同一点，通过所述多个光通道投射出的多个平行光束是彼此平行的；并且
对应于所述物面上任意两个位置不同的点，通过所述光通道投射出具有不同方向的平行光束，所述不同方向的相对关系对应于这两个点在所述物面上的相对位置关系，
其中所述近眼光学成像系统还包括基板，用于承载所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的至少一者，所述基板的在平行于所承载的微透镜阵列的光轴的方向上彼此相反的两个表面中的至少一个表面是曲面或者台阶面，
其中所述近眼光学成像系统还包括场镜，该场镜设置在所述物体和所述第一微透镜阵列之间并具有与所述物体基本上重合的主平面，或者设置在所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列之间；
其中所述多个第一微透镜为正透镜，所述多个第二微透镜为负透镜，并且所述多个第一微透镜形成所述物体的倒立的像，
其中所述近眼光学成像系统的光轴平行于第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中每个单元微透镜的光轴，其中所述第一微透镜阵列包括至少两种不同类型的透镜，布置在中间的第一微透镜为凸透镜，布置在外周的第一微透镜为菲涅尔透镜。
28.如权利要求27所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个光通道中第一微透镜所形成的物体的任一个点的像与第二微透镜的光心的连线是彼此平行的。
29.如权利要求27所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第一微透镜的屈光力具有相同的正负特性，并且所述多个第二微透镜的屈光力具有相同的正负特性。
30.如权利要求29所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜将所述物体的像形成在彼此共面的像平面上，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜具有共面的物方焦平面，并且该物方焦平面与所述第一微透镜阵列的所述像平面重合。
31.如权利要求30所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第一微透镜具有彼此相同的屈光力。
32.如权利要求31所述的近眼光学成像系统，其中，任意两个光通道中的两个第二微透镜之间的间距等于这两个光通道中的两个第一微透镜分别对所述物体所成的两个像之间的间距。
33.如权利要求32所述的近眼光学成像系统，其中，任意两个光通道中的两个第一微透镜之间的间距d1与两个第二微透镜之间的间距d2满足以下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
其中，
Figure 926671DEST_PATH_IMAGE004
为从所述物面到第一微透镜阵列的物距，/>
Figure 134930DEST_PATH_IMAGE006
为所述像平面到第一微透镜阵列的像距，当所述物体相对于第一微透镜为实物时/>
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为正值，当所述物体相对于第一微透镜为虚物时/>
Figure 306892DEST_PATH_IMAGE010
为负值，当第一微透镜成实像时/>
Figure 207983DEST_PATH_IMAGE006
为正值，当第一微透镜成虚像时/>
Figure 505976DEST_PATH_IMAGE006
为负值。
34. 如权利要求32所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜是周期排布的，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜也是周期排布的，并且满足以下关系：
P2=P1 (1+M1)
其中，P1是第一微透镜阵列中多个第一微透镜在一个方向上的排布周期，P2是第二微透镜阵列中多个第二微透镜在所述方向上的排布周期，M1为第一微透镜对所述物体的放大率，即
Figure 986767DEST_PATH_IMAGE008
。
35.如权利要求27-34中任一项所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜为正透镜，且所述多个第一微透镜形成所述物体的正立的像。
36.如权利要求27所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第一微透镜在所述第二微透镜阵列的与所述第一微透镜阵列相反的一侧形成缩小的实像。
37.如权利要求27-34中任一项所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜包括至少两种不同类型的透镜。
38.如权利要求37所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜中包括球面透镜、非球面透镜中的至少一种。
39.如权利要求37所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜中包括渐变折射率透镜、菲涅耳透镜、多台阶面近似曲面透镜中的至少一种。
40.如权利要求27-34中任一项所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜和所述第二微透镜中的至少一者是有间隙地排布的。
41. 如权利要求27-34中任一项所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜和第二微透镜中的至少一部分为由级联的两个以上的微透镜构成的组合透镜。
42.如权利要求41所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜阵列由两个以上的微透镜阵列层叠合而成，所述级联的两个以上的微透镜包括分别来自所述两个以上的微透镜阵列层的微透镜；以及/或者
所述第二微透镜阵列由两个以上的微透镜阵列层叠合而成，所述级联的两个以上的微透镜包括分别来自所述两个以上的微透镜阵列层的微透镜。
43.如权利要求27-34中任一项所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列分别形成在两个基板的彼此相对的表面上，并且所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列之间为气隙。
44.如权利要求27-34中任一项所述的近眼光学成像系统，其中，所述基板在平行于所承载的微透镜阵列的光轴的方向上的厚度是变化的。
45. 一种近眼光学成像系统，包括：
第一微透镜阵列，其包括周期排布的、具有相同屈光力的多个第一微透镜；和
第二微透镜阵列，其与所述第一微透镜阵列并排布置，并包括周期排布的、具有相同屈光力的多个第二微透镜；
其中所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的一者为正透镜阵列，另一者为负透镜阵列；
所述第一微透镜阵列的多个第一微透镜将位于预定物面上的物体的像形成在彼此共面的像平面上，所述第二微透镜阵列的多个第二微透镜具有彼此共面的物方焦平面，并且该物方焦平面与所述像平面重合；并且
所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列构造为满足以下关系：
P2=P1 (1+
Figure DEST_PATH_IMAGE012
)
其中，P1是第一微透镜阵列中多个第一微透镜在一个方向上的排布周期，P2是第二微透镜阵列中多个第二微透镜在所述方向上的排布周期，
Figure 544394DEST_PATH_IMAGE004
为从所述物面到第一微透镜阵列的物距，/>
Figure 350807DEST_PATH_IMAGE006
为所述像平面到第一微透镜阵列的像距，当所述物体相对于第一微透镜为实物时，/>
Figure 389957DEST_PATH_IMAGE010
为正值，当所述物体相对于第一微透镜为虚物时，/>
Figure 143281DEST_PATH_IMAGE010
为负值，当第一微透镜成实像时
Figure 479715DEST_PATH_IMAGE006
为正值，当第一微透镜成虚像时/>
Figure 516417DEST_PATH_IMAGE006
为负值
其中所述近眼光学成像系统还包括基板，用于承载所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列中的至少一者，所述基板的在平行于所承载的微透镜阵列的光轴的方向上彼此相反的两个表面中的至少一个表面是曲面或者台阶面，
其中所述近眼光学成像系统还包括场镜，该场镜设置在所述物体和所述第一微透镜阵列之间并具有与所述物体基本上重合的主平面，或者设置在所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列之间；
其中所述多个第一微透镜为正透镜，所述多个第二微透镜为负透镜，并且所述多个第一微透镜形成所述物体的倒立的像，
其中所述近眼光学成像系统的光轴平行于第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中每个单元微透镜的光轴，其中所述第一微透镜阵列包括至少两种不同类型的透镜，布置在中间的第一微透镜为凸透镜，布置在外周的第一微透镜为菲涅尔透镜。
46.如权利要求45所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜为正透镜，且所述多个第一微透镜形成所述物体的正立的像。
47.如权利要求45所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜为负透镜，且所述多个第一微透镜形成所述物体的倒立的像。
48.如权利要求47所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第一微透镜为正透镜，并且所述多个第一微透镜在所述第二微透镜阵列的与所述第一微透镜阵列相反的一侧形成缩小的实像。
49.如权利要求45所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜包括至少两种不同类型的透镜。
50.如权利要求49所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜中包括球面透镜、非球面透镜中的至少一种。
51.如权利要求49所述的近眼光学成像系统，其中，所述多个第二微透镜中包括渐变折射率透镜、菲涅耳透镜、多台阶面近似曲面透镜中的至少一种。
52.如权利要求45所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜和所述第二微透镜中的至少一者是有间隙地排布的。
53.如权利要求45所述的近眼光学成像系统，其中，所述第一微透镜和第二微透镜中的至少一部分为由级联的两个以上的微透镜构成的组合透镜。
54.一种近眼显示装置，包括显示器和如权利要求45-53中任一项所述的近眼光学成像系统，其中所述显示器具有用于显示图像的显示面，并设置成使得该显示面位于所述近眼光学成像系统的第一微透镜阵列的所述预定物面上。
55.一种头戴式显示装置，包括头戴装置，该头戴装置包括如权利要求1-26以及54中任一项所述的近眼显示装置，该近眼显示装置设置成位于头戴式显示装置的佩戴者的双眼的近眼范围内。
56.如权利要求55所述的头戴式显示装置，还包括控制单元，该控制单元与所述近眼显示装置连接并通信，可操作以控制所述近眼显示装置在2D显示模式和3D显示模式之间切换，其中，在2D显示模式下，近眼显示装置的显示器向佩戴者的左眼和右眼显示相同的图像，在3D显示模式下，近眼显示装置的显示器向佩戴者的左眼和右眼显示不同的图像。
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