CN111273446A - 一种近眼显示装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开一种近眼显示装置，包括微显示器、中继透镜组和离轴反射式结构，其中，微显示器用于产生目标图像，中继透镜组设置于微显示器沿所述目标图像的光线出射方向，用于校正所述目标图像的像差，离轴反射式结构用于将经过中继透镜组的目标图像反射至观察者；微显示器和中继透镜组位于观察者的上方。本申请公开的近眼显示装置，通过采用离轴反射式结构可以将光路由观察者人眼附近延伸到头部上方，可以较少的元件数量有效扩大近眼显示装置的视场角，实现结构简单和大视场角。

Description

一种近眼显示装置及方法
技术领域
本申请涉及显示领域，特别涉及一种近眼显示装置及方法。
背景技术
新型显示技术近年来不断发展，随着技术的成熟逐步走进人们的生活，其中，具有代表性的就是近眼显示技术。近眼显示可以包括虚拟现实和增强现实显示，虚拟现实技术呈现逼真的虚拟场景，给用户提供具有沉浸感的体验；增强现实则在真实场景下叠加上虚拟信息，提供了不同于以往的交互式体验。虚拟现实和增强现实在娱乐、工业、医学等领域的应用具有重要的意义。
对于近眼显示设备的要求主要在于提供足够的信息量，要有足够大的视场角以及分辨率，同时，随着技术发展与成熟，人们还要求设备的轻便化，以及佩戴舒适。现有的近眼显示设备采用了各种光学显示方案，包括Google Glass的共轴侧视棱镜方案、Lumus的阵列平板波导方案、HoloLens的全息光栅方案等。
已有的技术方案普遍地存在视场角受限等问题。共轴侧视棱镜方案存在视场角小、厚度大、分辨率低、光能利用率不高等问题；阵列平板波导方案视场角小，容易产生鬼像；全息光栅方案要求对全息光栅的衍射效率进行合理的设计，容易存在色散等问题。
发明内容
本申请提供一种近眼显示装置，至少解决现有技术中存在的至少一个问题。
为解决上述问题，一方面，本申请实施例提供的近眼显示装置，包括微显示器、中继透镜组和离轴反射式结构，其中，
微显示器用于产生目标图像；
中继透镜组设置于微显示器沿目标图像的光线出射方向，用于校正目标图像的像差；
离轴反射式结构用于将经过中继透镜组的目标图像反射至观察者；
其中，微显示器和中继透镜组位于观察者的上方。
可选地，离轴反射式结构包括三个元件，其中，沿目标图像的光线传输方向的前两个元件为曲面反射镜，若用于虚拟现实显示，则最后一个元件为曲面反射镜；若用于增强现实显示，则最后一个元件为透射元件，且透射元件靠近观察者的表面镀有反射膜，或者最后一个元件为反射率和透射率可调节元件。
可选地，若用于增强现实显示，则最后一个元件的反射率为0.5。
可选地，最后一个元件的光轴与观察者视轴在竖直方向具有一定的夹角。
可选地，中继透镜组包括多个透镜，多个透镜中的至少一个透镜为双胶合透镜，双胶合透镜为两个折射率不同的透镜胶合而成。
可选地，中继透镜组包括两个透镜，其中，靠近微显示器的透镜的两个表面均为XY多项式自由曲面，另一个透镜中靠近微显示器的表面为XY多项式自由曲面，另外一个表面为球面，其中XY多项式自由曲面的面型满足
Figure BDA0002381574100000021
Figure BDA0002381574100000022
Figure BDA0002381574100000023
其中Z为表面高度，C为顶点曲率，X和Y为表面上点坐标值，κ为二次曲面系数，Cj为各项的系数，R2＝X2+Y2。
可选地，中继透镜组包括一个折衍混合设计的透镜，折衍混合设计的透镜中的一个表面为衍射表面。
可选地，中继透镜组和离轴反射式结构均为两个，分别对应观察者的左眼和右眼。
另一方面，本申请实施例提供的近眼显示方法，应用于权利要求1-7任一项的近眼显示装置，其特征在于，
生成目标图像；
将目标图像的光线传输至中继透镜组；
将经过中继透镜组的目标图像的光线传输至离轴反射式结构；
经过离轴反射式结构的目标图像的光线传输至观察者。
可选地，中继透镜组包括两个透镜，其中，靠近微显示器的透镜的两个表面均为XY多项式自由曲面，另一个透镜中靠近微显示器的表面为XY多项式自由曲面，另外一个表面为球面，其中XY多项式自由曲面的面型满足
Figure BDA0002381574100000024
Figure BDA0002381574100000025
Figure BDA0002381574100000026
其中Z为表面高度，C为顶点曲率，X和Y为表面上点坐标值，κ为二次曲面系数，Cj为各项的系数，R2＝X2+Y2。
本申请公开的近眼显示装置，包括微显示器、中继透镜组和离轴反射式结构，其中，微显示器用于产生目标图像，中继透镜组设置于微显示器沿所述目标图像的光线出射方向，用于校正所述目标图像的像差，离轴反射式结构用于将经过中继透镜组的目标图像反射至观察者；微显示器和中继透镜组位于观察者的上方。本申请公开的近眼显示装置，通过采用离轴反射式结构可以将光路由观察者人眼附近延伸到头部上方，可以较少的元件数量有效扩大近眼显示装置的视场角，实现结构简单和大视场角。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：
图1为本申请一实施例中近眼显示装置的结构示意图；
图2为本申请另一实施例中近眼显示装置的结构示意图；
图3为本申请另一实施例中近眼显示装置的结构示意图；
图4为本申请另一实施例中近眼显示装置的结构示意图；
图5为本申请另一实施例中近眼显示装置中中心视场的MTF；
图6为本申请另一实施例中近眼显示装置中边缘视场的MTF；
图7为本申请另一实施例中近眼显示装置中的点列图；
图8为本申请另一实施例中近眼显示装置的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请实施例公开的一种近眼显示装置，如图1所示，包括微显示器105，作为图像源，用来产生目标图像，还包括中继透镜组104，设置于上述微显示器105沿目标图像的光线出射方向，用于校正目标图像的像差，还包括离轴反射式结构106，用于将经过中继透镜组104的目标图像反射至观察者以成像。其中，该近眼显示装置中的微显示器105和中继透镜组104位于观察者人眼的上方。
其中，微显示器105可以采用LCD、OLED或MEMS扫描式投影仪等，本领域技术人员可以根据实际情况做选择，本申请不作具体限定。
本申请实施例所公开的近眼显示装置，通过采用离轴反射式结构可以将光路由观察者人眼附近延伸到头部上方，可以较少的元件数量有效扩大近眼显示装置的视场角，实现结构简单和大视场角。
更进一步，上述实施例中的离轴反射式结构106(或206)包括三个元件，如图1和图2所示，沿经过中继透镜组的目标图像的光线传输方向的前两个元件103和102，或203和202，为曲面反射镜。若要实现虚拟现实显示，那么最后一个元件101(图1所示)为曲面反射镜，简单来说，实现虚拟现实显示时，离轴反射式结构的三个元件均为曲面反射镜，目标图像的光线依次经过三个曲面反射镜传输到观察者人眼以成像。若要实现增强现实显示，那么最后一个元件201(图2所示)为透射元件，且该透射元件在靠近观察者的表面镀有反射膜，这样使得该投射元件同时具备一定的透射率和反射率，可以让外界环境的光线传输到观察者人眼，实现增强现实的效果。或者，若要实现增强现实显示，那么最后一个元件201也可是反射率和透射率可调节元件，即该元件的反射率和透射率可以调节，以实现元件同时具备一定的反射率和透射率，如电控液晶材料制成的反射率和透射率可调的元件。图2所示的元件201的反射率可在一定范围内，优选为0.5，本领域技术可以根据实际情况自由选择。
本申请实施例公开的近眼显示装置中的离轴反射式结构包括了三个元件，但是本领域技术人员可以根据实际情况选择其他数量的元件，只需要通过选择最后一个元件的类型实现虚拟现实显示或者增强现实显示。
需要强调的是，本申请实施例中的三个元件需要满足离轴的条件，即三个元件相互之间的光轴均具备一定的角度。
另外，上述最后一个元件的光轴与观察者的视轴在竖直方向具有一定的夹角，这样，本申请实施例中的采用上方入射的近眼显示装置，可以做到装置的左右对称，有利于不造成过大畸变的情况下增大水平方向的视场角。
本申请实施例中近眼显示装置的中继透镜组可以由一个或多个透镜组成。对于多个透镜的情况，其中可以是至少一个为双胶合透镜，如图3所示的近眼显示装置中，中继透镜组304包括双胶合透镜306和一个普通透镜，其中双胶合透镜306为两个折射率不同的透镜胶合而成，通过使用双胶合透镜可以实现校正色差的目的。
中继透镜组包括多个透镜的情况下，可以是多个普通透镜，但是此情况下对透镜表面具有一定的要求。一般在设计透镜时采用逆向设计法，即将实际位于人眼处的出瞳当做整个光学系统的入瞳，将微显示器的发光面作为像面。
本申请实施例公开的是包括两个透镜，其中，靠近微显示器的透镜的两个表面均为XY多项式自由曲面，另一个透镜中靠近微显示器的表面也为XY多项式自由曲面，另外一个表面为球面，该XY多项式自由曲面的面型满足
Figure BDA0002381574100000051
Figure BDA0002381574100000052
Figure BDA0002381574100000053
其中Z为表面高度，C为顶点曲率，X和Y为表面上点坐标值，κ为二次曲面系数，Cj为各项的系数，R2＝X2+Y2。因为考虑到系统的对称性，为保证系统左右对称，含有X奇次方的项系数均设为零，故，最终使用面型表达式如上所述。自由曲面的各项系数如表1所示。
表面6 表面7 表面8
1/C 332.130 -46.994 -33.349
K 5.000 -0.175 -5.000
C<sub>3</sub> -5.986E-01 1.852E-01 -3.193E+00
C<sub>4</sub> -3.487E-03 -3.523E-03 -1.896E-02
C<sub>6</sub> -1.168E-02 4.093E-04 5.838E-02
C<sub>8</sub> -1.579E-04 1.136E-04 1.251E-03
C<sub>10</sub> -4.801E-05 -8.273E-05 -3.460E-03
C<sub>11</sub> -1.457E-06 8.029E-06 -7.758E-06
C<sub>13</sub> -5.920E-06 -2.266E-06 1.697E-04
C<sub>15</sub> -9.916E-07 2.881E-06 -1.117E-03
C<sub>17</sub> -1.328E-08 -1.768E-08 -2.147E-06
C<sub>19</sub> -4.935E-08 1.503E-08 3.753E-06
C<sub>21</sub> -1.336E-10 -1.857E-08 -3.943E-05
表1自由曲面各项系数
对于该近眼显示装置中中继透镜组的各表面曲率、偏心等参数如下表2和表3所示。
表面序号 表面名称 表面类型 Y半径/mm 厚度/mm 折射率/材料 折射/反射
1 STO 球面 无限 57.919 Air 折射
2 R1 球面 -49.506 -38.357 Air 反射
3 R2 球面 -66.847 65.293 Air 反射
4 R3 球面 -191.788 -0.100 Air 反射
5 Lens1_s1 球面 -44.324 -15.599 NBK7_SCHOTT 折射
6 Lens1_s2 XY多项式 332.130 -43.273 Air 折射
7 Lens2_s1 XY多项式 -46.994 -14.405 NBK7_SCHOTT 折射
8 Lens2_s2 XY多项式 -33.349 -6.577 Air 折射
9 Screen 球面 无限
表2光学表面的基本参数
Figure BDA0002381574100000061
表3光学表面的偏心数据
本申请实施例的设计过程中采用了三个XY多项式自由曲面，考虑到加工难度和优化效率，使用了最高次数为5次方的项，需要指出的是，本领域技术人员可以视情况使用更高次的项，或者采用其他方式描述自由曲面面型。该实施例中得到的近眼显示装置的系统结构图如图4所示。
考虑到该系统中采用了多个自由曲面且是离轴系统，选择多个视场对该系统的成像质量进行评价，各视场的MTF和点列图如下图5、图6和图7所示，设计的视场角大小水平方向100°，竖直方向30°。在整个视场范围内，MTF(调制传递函数)在40cp/mm频率范围内均在0.3以上，从点列图也可以看到，各视场光斑大小均小于0.016mm。可见该系统具有很好的成像效果。且由于在设计当中采用了自由曲面设计，具有更大的设计自由度，从而以较少的元件数量实现较好的系统性能，同时由于主要采用反射元件，包括仅由两个透镜组成的中继透镜组，光能利用率较高，色散相对较小且可以通过折射透镜等的设计消除。
本申请实施例中的中继透镜组还可以是包括一个折衍混合设计的透镜，其中该透镜的一个表面为衍射表面。如图8所示，中继透镜组包括折衍混合设计透镜404，如二元光学元件，该透镜中的一个表面406为衍射表面，利用其色散特性和透镜组的色散互相补偿。
另外，本申请实施例中中继透镜组和离轴反射式结构均为单个，针对单目显示，可以理解的，对于双目显示来说，中继透镜组和离轴反射式结构均为两个，分别对应观察者的左眼和右眼。
本申请实施例还公开了一种近眼显示方法，应用于前述的近眼显示装置，具体地，生成目标图像；将目标图像的光线传输至中继透镜组；将经过中继透镜组的目标图像的光线传输至离轴反射式结构；经过离轴反射式结构的目标图像的光线传输至观察者。
该近眼显示装置中的中继透镜组包括两个透镜，其中，靠近微显示器的透镜的两个表面均为XY多项式自由曲面，另一个透镜中靠近微显示器的表面为XY多项式自由曲面，另外一个表面为球面，其中，XY多项式自由曲面的面型满足
Figure BDA0002381574100000071
Figure BDA0002381574100000072
Figure BDA0002381574100000073
其中Z为表面高度，C为顶点曲率，X和Y为表面上点坐标值，κ为二次曲面系数，Cj为各项的系数，R2＝X2+Y2。
对于该近眼显示装置的结构已在前文有所详细描述，在此不作赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，所述装置包括微显示器、中继透镜组和离轴反射式结构，其中，
所述微显示器用于产生目标图像；
所述中继透镜组设置于所述微显示器沿所述目标图像的光线出射方向，用于校正所述目标图像的像差；
所述离轴反射式结构用于将经过所述中继透镜组的所述目标图像反射至观察者；
其中，所述微显示器和所述中继透镜组位于观察者的上方。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述离轴反射式结构包括三个元件，其中，沿所述目标图像的光线传输方向的前两个元件为曲面反射镜，若用于虚拟现实显示，则最后一个元件为曲面反射镜；若用于增强现实显示，则最后一个元件为透射元件，且所述透射元件靠近观察者的表面镀有反射膜，或者最后一个元件为反射率和透射率可调节元件。
3.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，若用于增强现实显示，所述最后一个原件的反射率为0.5。
4.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述最后一个元件的光轴与观察者视轴在竖直方向具有一定的夹角。
5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述中继透镜组包括多个透镜，所述多个透镜中的至少一个透镜为双胶合透镜，所述双胶合透镜为两个折射率不同的透镜胶合而成。
6.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述中继透镜组包括两个透镜，其中，靠近所述微显示器的透镜的两个表面均为XY多项式自由曲面，另一个透镜中靠近所述微显示器的表面为XY多项式自由曲面，另外一个表面为球面，其中所述XY多项式自由曲面的面型满足
Figure FDA0002381574090000011
Figure FDA0002381574090000012
其中Z为表面高度，C为顶点曲率，X和Y为表面上点坐标值，κ为二次曲面系数，Cj为各项的系数，R2＝X2+Y2。
7.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述中继透镜组包括一个折衍混合设计的透镜，所述折衍混合设计的透镜中的一个表面为衍射表面。
8.根据权利要求1-7任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，所述中继透镜组和离轴反射式结构均为两个，分别对应所述观察者的左眼和右眼。
9.一种近眼显示方法，应用于权利要求1-8任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，
生成目标图像；
将所述目标图像的光线传输至所述中继透镜组；
将经过所述中继透镜组的目标图像的光线传输至所述离轴反射式结构；
经过所述离轴反射式结构的所述目标图像的光线传输至观察者。
10.根据权利要求9所述的近眼显示方法，其特征在于，所述中继透镜组包括两个透镜，其中，靠近所述微显示器的透镜的两个表面均为XY多项式自由曲面，另一个透镜中靠近所述微显示器的表面为XY多项式自由曲面，另外一个表面为球面，其中所述XY多项式自由曲面的面型满足
Figure FDA0002381574090000021
Figure FDA0002381574090000022
其中Z为表面高度，C为顶点曲率，X和Y为表面上点坐标值，κ为二次曲面系数，Cj为各项的系数，R2＝X2+Y2。
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