CN110515212B - 一种近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种近眼显示系统，包括至少一个与使用者视轴不共轴的反射型分光镜，所述分光镜被固定在使用者眼前的预定位置，朝向人眼侧涂覆有预定透反比的反射膜，其靠近使用者的一端，与使用者的距离大于15mm。采用本发明所述的近眼显示系统，造型轻便，具有良好的显示效果，并且可以适配不同视度的使用者，应用范围广泛。

Description

一种近眼显示系统

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别是指一种近眼显示系统。

背景技术

随着虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于VR或者AR模式的近眼显示装置的市场也取得了长足的发展。在诸多应用AR或者VR技术的硬件实现方式中，头戴式显示器(Helmet-Mounted Display，HMD)和近眼显示器(Near-to-Eye Display，NED)是最有效且在现有技术中能够给使用者带来最佳体验的实现方式。

近眼显示器是一种可以将图像直接投射到观看者眼中的头戴式显示器。NED的显示屏距离人眼很近小于明视距离，人眼无法直接分辨其上图像内容，通过NED光学系统能够将图像放大致远处，重聚焦到人眼的视网膜上，使人眼看到的画面好像在几米之外，从而实现AR、VR技术的显示效果。

因为近眼显示器需要佩戴在人头部，所以其轻小型和良好的显示效果就显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种近眼显示系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种近眼显示系统，包括至少一个与使用者视轴不共轴的反射型分光镜，所述分光镜被固定在使用者眼前的预定位置，朝向人眼侧涂覆有预定透反比的反射膜，其靠近使用者的一端，与使用者的距离大于15mm。

进一步的，所述分光镜接收来自微显示器的图像光，所述微显示器通过LCD、OLED、LCoS、或者MEMS扫描镜的方式实现。

进一步的，所述微显示器为曲面显示器，特别是OLED或MEMS实现的曲面显示器，其凸面发射图像光。

进一步的，所述近眼显示系统进一步包括透镜组、反射镜，其中，分光镜上方，由左至右依次排列着反射镜、透镜组和微显示器；透镜组包含至少一片透镜，其光轴与微显示器光轴形成一定的夹角；反射镜为曲面，与微显示器形成共轭关系。

进一步的，所述分光镜朝向人眼侧为曲面。

进一步的，所述近眼显示系统进一步包括将微显示器发出的图像实现为弯曲的像的中继镜。

进一步的，所述弯曲的像为分光镜内表面对无限远物体成的理想成像。

进一步的，近眼显示系统进一步包括将所述弯曲的像的传输角增大的散射屏。

进一步的，所述中继镜为微透镜阵列，微透镜阵列中间部分的曲率大于上部区域和下部区域的曲率。

进一步的，其特征在于，所述分光镜的内外表面不同，对外界环境光构成视度，与使用者视度相匹配。

采用本发明所述的近眼显示系统，采用反射镜对微显示器的图像光进行反射，大大减少了显示系统的体积，通过透镜组对图像进行放大，改善了显示效果。另外，进一步通过近眼显示系统中的MEMS、中继镜、散射屏形成弯曲的中间像，有效的改善像差，进一步提升成像质量。

附图说明

图1为本发明实施例一近眼显示系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一近眼显示系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二近眼显示系统的结构示意图；

图4(a)、图4(b)为本发明实施例三近眼显示系统的结构示意图；

图5(a)为本发明实施例三中继镜的右视图；

图5(b)为本发明实施例三中继镜的主视图。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都是属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明的近眼显示系统包括微显示器、分光镜；

其中，微显示器用于发出图像光，分光镜将接收的图像光反射、放大进入人眼，同时，外部环境中的环境光经由分光镜也进入人眼，达到增强现实显示的效果。微显示器、分光镜与人眼之间形成预定的位置和角度，以微显示器的图像光经由分光镜反射后，全部进入人眼为宜。

实施例一

本发明提供一种近眼显示系统，如图1及图2所示，本发明的较佳的实施例中，近眼显示系统的构成具体包括：

至少一片反射型分光镜102，内表面为曲面，朝向人眼，其上涂覆有预定透反比的反射膜，外表面为曲面，所述预定透反比可根据需要设定，从而使到达人眼的图像光强度适中，优选的，图像光透过率在30％～50％；所述曲面可以为自由曲面、柱面、非球面、球面等；分光镜102固定于人眼前的预定位置，其光轴与人眼视轴不共轴，光轴与视轴的夹角范围为15度～45度，优选的，所述夹角为25度，以便将更多的图像光反射进人眼。

微显示器101，设置于靠近人眼的位置，以一定角度朝向分光镜102，向分光镜102发射图像光，所述角度根据需要设定，确保能将微显示器的图像光投射到分光镜102。为实现轻小型，所述微显示器101可以选用LCD、OLED以及Lcos微显示器。微显示器101可以是平面显示器，如图1所示；也可以是如图2所示的曲面显示器，其凸面发射图像光，采用曲面显示器，可以有效的校正像差，优选的，所述曲面显示器的曲面可以是自由曲面、球面、非球面。

微显示器101发出的图像光经过分光镜102后，部分反射进入人眼，利用分光镜102的面型、曲率使微显示器101的图像光被放大投远，在人眼处看到的微显示器的图像好像从几米远的距离发出而不是从很近的地方发出，外部的环境光透过分光镜进入人眼，使人眼可以同时看到图像源发出的图像光和环境光，达到增强现实的显示效果。

实施例二：

本发明又一实施例如图3所示，在分光镜304的上方，沿透镜组302光轴方向，从左至右依次排列着反射镜303、透镜组302、微显示器301。

微显示器301发出图像光，经过透镜组302放大后，由反射镜303反射给分光镜304，然后通过分光镜304部分反射至人眼，外部环境光也通过分光镜304进入人眼，达到增强现实的效果。

具体的，透镜组302的光轴与微显示器301光轴形成一定的夹角，优选的，所述夹角小于20度，并且，透镜组302在y轴方向上的长度等于或大于微显示器301，以便接受全部微显示器301发射的图像光，进一步的，微显示器301与透镜组302之间的距离尽可能的小，从而减小近眼显示系统的体积，优选的，所述距离小于10mm。透镜组302包含至少一片透镜，对所述透镜的数量、面型不做限定，只要能实现对图像进行放大的效果即可。本发明实施例中以一片凸透镜作为示例，所述凸透镜为球面。

反射镜303的面型可以为平面，也可以为球面、非球面、自由曲面等，与分光镜304配合，可以进一步校正像差，达到较好的显示效果。反射镜303与微显示器301的位置形成近似无限共轭关系。且，为了避免视线的遮挡，反射镜303、透镜组302以及微显示器301要在人眼的视线范围以外。

分光镜304，内表面为曲面，朝向人眼，其上涂覆有一定分光比的反射膜，外表面为曲面；所述曲面可以为自由曲面、柱面、非球面、球面等；分光镜304固定于人眼前的预定位置，以便将图像光反射进人眼。

实施例三

在本实施例中，微显示器为MEMS(Micro Electromechanical Systems，微机电系统)扫描镜，近眼显示系统进一步包括分光镜404、中继镜402，其中，分光镜404上方，从左至右依次排列着中继镜402以及MEMS扫描镜401。

具体的，如图4(a)、4(b)所示，MEMS扫描镜401通过逐行扫描的方式生成图像信号，投射至中继镜402，经过中继镜402后形成弯曲的像，这样可以有效的改善像差、在人眼中形成清晰的图像，所述弯曲的像与分光镜404对无限远物体所成的理想成像相同。在本实施例中，中继镜402采用微透镜阵列的方式实现，本领域技术人员应当知道，中继镜402的实现不限于这种方式，只要是能够形成改善像差的弯曲的像的中继镜402均在本发明的保护范围之内。本实施中的微透镜阵列如图5(a)、5(b)所示，可划分为不同的区域，在本实施例中分为三部分，上部区域为A1，中间部分为A2，下部区域为A3，三个部分的划分比例可根据需要设定。每个区域的曲率不同，其中中间部分A2的曲率大于上部区域A1和下部区域A3的曲率。

图像光经过微透镜阵列，传输角变小，传输至分光镜404时，效果会比较差，优选的，本实施中的近眼显示系统进一步包括与中继镜402位于同一水平方向，且位于中继镜402左侧的散射屏403，所述散射屏403以一定角度接收中继镜发射的图像光；所述角度可以根据需要设定，散射屏403与分光镜404相配合，将接收的中继镜402的图像光，传输给分光镜404.

散射屏403，用于将接收的微透镜阵列的图像光进行散射，增大所述图像光的传输角，以确保图像光以较好的显示效果到达分光镜404，可选的，散射屏403可以为磨砂玻璃。

分光镜404，内表面为曲面，朝向人眼，其上涂覆有一定分光比的反射膜，外表面为曲面；所述曲面可以为自由曲面、柱面、非球面、球面等；分光镜404固定于人眼前的预定位置。

实施例一至实施例三中，可以根据微显示器来调节分光镜内表面反射膜的透反比，使进入人眼的光线亮度适中；还可以在分光镜的外表面上涂覆抗反射材料来减少眩光。分光镜的外表面沿其主光轴移开内表面一定距离设置，该距离为分光镜的厚度。进一步的，所述厚度分布不均匀时，也就是分光镜内外表面不同时，可以提供给具有视度问题的用户。例如，可以对分光镜的外表面进行一些专为视力缺陷用户配置眼镜的光学处理，从而使厚度发生变化，并对分光镜的内表面进行优化，消除光学处理后可能引起的畸变和变形，保证用户通过该显示系统观看的图像质量。

综上，本发明技术方案提供了一种应用与AR或VR技术的近眼显示系统设计，将近眼显示系统设计成较为紧凑的结构，并且同时实现了较大的视场角(超过55度)。该近眼显示系统的所有光学元件均可通过机械安装座安装于HMD或NED设备，使整个系统的机械安装和包装更容易。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当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，包括至少一个与使用者视轴不共轴的反射型分光镜，所述分光镜被固定在使用者眼前的预定位置，朝向人眼侧涂覆有具有预定透反比的反射膜，其靠近使用者的一端，与使用者的距离大于15mm；

所述近眼显示系统进一步包括中继镜，用于接收来自微显示器的图像光，并将微显示器发出的图像实现为弯曲的像；所述中继镜为微透镜阵列，微透镜阵列中间部分的曲率大于上部区域和下部区域的曲率；

经过中继镜的图像光到达分光镜，分光镜将接收的图像光反射入人眼。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述微显示器通过LCD、OLED、Lcos、或MEMS扫描镜的方式实现。

3.根据权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，所述微显示器为曲面显示器，其凸面发射图像光。

4.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述分光镜朝向人眼侧为曲面。

5.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述弯曲的像为分光镜内表面对无限远物体成的理想成像。

6.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，近眼显示系统进一步包括将所述弯曲的像的传输角增大的散射屏。

7.根据权利要求1至6任一所述的近眼显示系统，其特征在于，所述分光镜的内外表面不同，对外界环境光构成视度，与使用者视度相匹配。

8.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，

所述分光镜的光轴和视轴的夹角范围为15度～45度。

9.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，

所述 反射膜的透反比使图像光透过率在30％～50％之间。

10.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其特征在于，

所述散射屏是磨砂玻璃。

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