CN110955049A - 基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统，包括：投影单元，其用于投射光线以形成虚拟图像；以及玻璃基片，其上设置有小孔阵列，该小孔阵列将玻璃基片分成透射区域和反射区域；其中，真实场景光线穿过透射区域形成透射光路，投影单元投射的光线从玻璃基片外部以离轴的方式直接入射到玻璃基片的反射区域，经由反射区域的反射形成反射光路，所述透射光路用于形成真实场景图像于眼部，所述反射光路用于形成虚拟图像于眼部，所述虚拟图像叠加至真实场景图像上。本发明将虚拟图像叠加到真实场景，既保证了真实场景光线的有效透过，又有效扩大了虚拟图像的视场角，同时具有结构紧凑的优势。

Description

基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统及方法，属于近眼显示技术领域。

背景技术

近眼显示技术是在观察外界真实场景的同时叠加上虚拟图像的头戴显示技术，在工业、娱乐消费、军事等领域具有广泛的应用前景。人们提出了各种不同的近眼显示技术方案，如共轴侧视棱镜方案、自由曲面棱镜方案、全息光栅波导方案等。然而，上述现有技术中的方案仍不同程度地存在一些问题。比如，共轴侧视棱镜方案存在视场角小、体积大等缺点；自由曲面棱镜方案体积较大，且加工难度大，存在色散问题；全息光栅波导方案可以有效地减小系统尺寸，但视场角仍受到一定限制。

因此，有必要研究一种基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统及方法来解决上述的一个或多个技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，本发明提供一种基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统，其特征在于包括：

投影单元，其用于投射光线以形成虚拟图像；以及

玻璃基片，其上设置有小孔阵列，该小孔阵列将玻璃基片分成透射区域和反射区域；

其中，真实场景光线穿过透射区域形成透射光路，投影单元投射的光线从玻璃基片外部以离轴的方式直接入射到玻璃基片的反射区域，经由反射区域的反射形成反射光路，所述透射光路用于形成真实场景图像于眼部，所述反射光路用于形成虚拟图像于眼部，所述虚拟图像叠加至真实场景图像上。

根据本发明另一方面，所述投影单元包括微投影仪。

根据本发明又一方面，所述透射区域由小孔阵列形成。

根据本发明又一方面，所述透射光路和所述反射光路至少部分地重合，所述反射光路采用离轴设计。

根据本发明又一方面，所述反射区域包括由整个小孔阵列形成的成像反射镜，其中每一个小孔具有各自不同的相位调制作用。

根据本发明又一方面，所述反射区域包括反射式的小孔阵列，其中每一个小孔为独立成像的微反射镜。

根据本发明又一方面，所述小孔阵列包括镂空的小孔，小孔阵列形成透射区域，小孔之外的部分形成反射区域。

根据本发明又一方面，所述反射区域的相位分布作为离轴反射系统设计的一部分，其描述可以采用二次相位分布、多项式分布或其他自定义分布。

根据本发明又一方面，所述小孔阵列可以分布到整个视场范围。

根据本发明又一方面，所述玻璃基片为平面或曲面的。

根据本发明又一方面，还提供了一种基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示方法，其特征在于包括以下步骤：

在玻璃基片上设置有小孔阵列以将玻璃基片分成透射区域和反射区域；

真实场景光线穿过透射区域形成透射光路；

投影单元投射光线从玻璃基片外部以离轴的方式直接入射到玻璃基片的反射区域，经由反射区域的反射形成反射光路；

所述透射光路形成真实场景图像于眼部，所述反射光路形成虚拟图像于眼部，所述虚拟图像叠加至真实场景图像上。

根据本发明又一方面，优选基于前述的系统来进行近眼显示。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

本发明在平板或曲面上集成小孔阵列实现将虚拟图像叠加到真实场景的设计方法，既保证了真实场景光线的有效透过，又结合离轴设计有效扩大了虚拟图像的视场角，同时具有结构紧凑的优势。

附图说明

为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：

图1为根据本发明一种优选实施例的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统结构示意图；

图2为图1中的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统的玻璃基片结构示意图；

图3为根据本发明另一优选实施例的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统结构示意图；

图4为图3中的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统的玻璃基片结构示意图；

图5为图3中的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统的俯视图；

图6为根据本发明又一优选实施例的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统结构示意图；

图7为图6中的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统的俯视图；

图8为图6中的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统的玻璃基片结构示意图。

具体实施例

现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。

在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的部件。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。

参见图1，其示出了根据本发明一种优选实施例的基于小孔阵列2的离轴反射式近眼显示系统结构示意图。该基于小孔阵列2的近眼显示系统，可包括：

投影单元1，其用于投射光线以形成虚拟图像；以及

玻璃基片3，其上设置有小孔阵列2，该小孔阵列2将玻璃基片3分成透射区域和反射区域；

其中，真实场景光线穿过透射区域形成透射光路，投影单元1投射的光线从玻璃基片外部以离轴的方式直接入射到玻璃基片的反射区域，经由反射区域的反射形成反射光路，所述透射光路用于形成真实场景图像于眼部4，所述反射光路用于形成虚拟图像5于眼部4，所述虚拟图像5叠加至真实场景图像上。

可以理解的是，投影单元1和玻璃基片3之间设置有一定的距离。采用离轴设计使光线能够从玻璃基片外部直接入射到玻璃基片上的反射区域，投影单元与反射区域之间并不存在其它光学元件传输/传递光线，其优点在于可以避免其他光学元件中可能造成的对光线传输的障碍，例如当投影单元投射的光线经由玻璃基片内部传输后到达反射区域，玻璃基片结构和反射区域分布会限制光线的传输，从而影响到进一步扩大视场角的设计。该系统实现了将虚拟图像5叠加到真实场景，既保证了真实场景光线的有效透过，又有效扩大了虚拟图像5的视场角，同时具有结构紧凑的优势。

根据本发明又一优选实施例，所述投影单元1包括微投影仪。

根据本发明又一优选实施例，参见图6-8，图6为根据本发明又一优选实施例的基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统结构示意图；图7为图6中的基于小孔阵列的近眼显示系统的俯视图；图8为图6中的基于小孔阵列的近眼显示系统的玻璃基片结构示意图。所述透射区域由小孔阵列2形成。所述小孔阵列包括镂空的小孔，小孔阵列形成透射区域，小孔之外的部分形成反射区域。镂空的小孔以外的区域通过微结构的特定分布形成一个成像反射镜，微投影仪发出的光线由小孔以外的区域反射成像。

根据本发明又一优选实施例，所述透射光路和所述反射光路至少部分地重合，所述反射光路采用离轴设计。

根据本发明又一优选实施例，参见图1-2，图2为图1中的基于小孔阵列2的离轴反射式近眼显示系统的玻璃基片3结构示意图。所述反射区域包括由整个小孔阵列2形成的成像反射镜，整体起到成像作用，其中每一个小孔具有各自不同的相位调制作用。该系统可以实现单目二维显示。

根据本发明又一优选实施例，参见图3-5，图3为根据本发明另一优选实施例的基于小孔阵列2的离轴反射式近眼显示系统结构示意图；图4为图3中的基于小孔阵列2的近眼显示系统的玻璃基片3结构示意图；图5为图3中的基于小孔阵列2的近眼显示系统的俯视图。所述反射区域包括反射式的小孔阵列2，其中每一个小孔为独立成像的微反射镜。整个小孔阵列2实现集成成像。该系统可实现单目三维显示。

根据本发明又一优选实施例，所述小孔阵列2分布到整个视场范围。

根据本发明又一优选实施例，所述反射区域的相位分布为离轴反射系统设计的一部分，其描述可以采用二次相位分布、多项式分布或其他自定义分布。

根据本发明又一优选实施例，所述玻璃基板为平面或曲面的。

根据本发明又一优选实施例，还提供了一种基于小孔阵列2的离轴反射式近眼显示方法，其特征在于包括以下步骤：

在玻璃基片3上设置有小孔阵列2以将玻璃基片3分成透射区域和反射区域；

真实场景光线穿过透射区域形成透射光路；

投影单元1投射光线从玻璃基片外部以离轴的方式入射到玻璃基片的反射区域，经由反射区域的反射形成反射光路；

所述透射光路形成真实场景图像于眼部4，所述反射光路形成虚拟图像5于眼部4，所述虚拟图像5叠加至真实场景图像上。

根据本发明又一优选实施例，优选基于前述的系统来进行近眼显示。

根据本发明又一优选实施例，基于小孔阵列2的离轴反射式近眼显示系统主要包括三部分：微投影仪1、小孔阵列2、玻璃基片3。该系统中有两部分光路，一路是反射成像光路，实现虚拟图像5的成像；另一路是透射光路，使真实场景光线直接透过。反射和透射两部分光路重合，从而将虚拟图像5叠加到真实场景上。

根据本发明又一优选实施例，基于小孔阵列2的离轴反射式近眼显示系统的基本制作方法是在玻璃基片3上通过刻蚀或曝光等方法形成小孔阵列2，玻璃基片3起到保护作用，同时保证真实场景光线能进入人眼。对于透射式的小孔阵列，其制作方法则是在小孔以外的区域进行刻蚀或曝光。小孔阵列2将整个玻璃基片3划分成直接透射区域和反射成像区域。在反射区域镀上反射膜，微投影仪1的光线通过反射区域反射成像到人眼，真实场景光线则通过透射区域直接透射。其中小孔部分因为尺寸较小和合理的分布保证了不对人眼观察小孔之外区域传输的图像造成影响。

根据本发明又一优选实施例，小孔阵列2的实现有三种方案：

方案一：参见图1，反射式的小孔阵列2，其中每一个小孔有各自不同的相位调制作用，整个小孔阵列2形成一个成像反射镜，整体起到成像作用，投影仪的光线经反射形成二维的虚像5。玻璃基片3上没有小孔的部分为透射区域，真实场景的光线由透射区域直接透过。

方案二：参见图3，反射式的小孔阵列2，其中每一个小孔各自起到一个可独立成像的微反射镜的作用，整个阵列实现集成成像，具有单目三维显示的效果。

方案三：参见图6，透射式的小孔阵列2，即在玻璃基片3上的是镂空的小孔，小孔以外的部分是反射区域。真实场景光线通过小孔阵列2传输到人眼。反射区域则起到成像的作用，将虚拟图像5反射成像到人眼。

根据本发明又一优选实施例，所述反射区域的相位分布采用离轴反射系统的相位分布，其描述可以采用二次相位分布、多项式分布或其他自定义分布。

根据本发明又一优选实施例，单个小孔的尺寸大小在1mm～3mm之间，在近眼显示系统中不会对经由小孔以外区域传输的图像产生明显的遮挡，不对人眼观察小孔之外区域传输的图像造成影响。可以理解的是，本发明并不限于此，小孔尺寸可以向上或向下做出适当调整。小孔阵列2的区域可以分布到整个人眼视场范围内，以便实现更大的视场。

根据本发明又一优选实施例，小孔的加工制造可以采用不同的方法，通过形成具有一定相位调制作用的微纳结构，实现成像的功能。可以采用刻蚀的方法形成浮雕式条纹起到相位调制作用，也可以采用全息曝光或者微纳加工的方法，制作成反射式全息图。

根据本发明又一优选实施例，玻璃基片3的形状可以是平面也可以是曲面。选择曲面设计更有利于贴合人的头部轮廓，更利于视场角的扩大。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

本发明提出了一种在平板或曲面上集成小孔阵列2实现将虚拟图像5叠加到真实场景的设计方法，既保证了真实场景光线的有效透过，又有效扩大了虚拟图像5的视场角，同时具有结构紧凑的优势。

虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由下列的权利要求确定。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示系统，其特征在于包括：

投影单元，其用于投射光线以形成虚拟图像；以及

玻璃基片，其上设置有小孔阵列，该小孔阵列将玻璃基片分成透射区域和反射区域；

其中，真实场景光线穿过透射区域形成透射光路，投影单元投射的光线从玻璃基片外部以离轴的方式直接入射到玻璃基片的反射区域，经由反射区域的反射形成反射光路，所述透射光路用于形成真实场景图像于眼部，所述反射光路用于形成虚拟图像于眼部，所述虚拟图像叠加至真实场景图像上。

2.根据权利要求1所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，其特征在于所述投影单元包括微投影仪。

3.根据权利要求2所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，其特征在于所述透射区域由小孔阵列形成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，其特征在于所述透射光路和所述反射光路至少部分地重合。

5.根据权利要求1所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，其特征在于所述反射区域包括由整个小孔阵列形成的成像反射镜，其中每一个小孔具有各自不同的相位调制作用。

6.根据权利要求1所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，其特征在于所述反射区域包括反射式的小孔阵列，其中每一个小孔为独立成像的微反射镜。

7.根据权利要求3所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，其特征在于所述小孔阵列包括形成透射区域的镂空的小孔，小孔以外的部分为反射区域。

8.根据权利要求3、5-7任一项所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，其特征在于所述小孔阵列分布到整个视场范围，所述玻璃基板为平面或曲面的。

9.根据权利要求4-7任一项所述的基于小孔阵列的近眼显示系统，小孔阵列采用刻蚀的方法形成浮雕式条纹，或者采用全息曝光或者微纳加工的方法制作成反射式全息图，或者在小孔以外的区域进行刻蚀或曝光形成透射式的小孔阵列。

10.一种基于小孔阵列的离轴反射式近眼显示方法，其特征在于包括以下步骤：

在玻璃基片上设置有小孔阵列以将玻璃基片分成透射区域和反射区域；

真实场景光线穿过透射区域形成透射光路；

投影单元投射的光线从玻璃基片外部以离轴的方式直接入射到玻璃基片的反射区域，经由反射区域的反射形成反射光路；

所述透射光路形成真实场景图像于眼部，所述反射光路形成虚拟图像于眼部，所述虚拟图像叠加至真实场景图像上；

其中，优选基于权利要求1-10任一项所述的系统来进行近眼显示。

Images