CN112764217A - 一种近眼显示系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种近眼显示系统，包括显示图像源、波导、位于所述波导内部的光耦合结构以及叠加在所述波导的出射面上的小孔阵列，其中，所述光耦合结构用于将来自所述显示图像源的光束和来自外部世界的光束耦合输出，所述小孔阵列用于将耦合输出的光束约束为细光束。根据本申请的近眼显示系统，通过在所述波导的出射面上合理叠加所述阵列小孔，能够将所述显示图像源通过所述波导反射进入人眼成像的光束约束为细光束，同时将外部世界通过所述波导透射的真实场景的光束约束为细光束，可使任何状态下的晶状体清晰成像；并且，通过利用小孔成像原理，能够解决近视或远视群体在使用头戴式设备时需佩戴近视或远视镜片才能看清图像的技术问题。

Description

一种近眼显示系统
技术领域
本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统。
背景技术
显示系统可用于使得期望图像对用户可见，近眼显示系统是指可以应用在头戴式设备中的显示系统，是目前极具发展潜力的下一代产品。现有技术中的近眼显示系统通常采用Birdbath、自由曲面棱镜或阵列波导来实现，该等方案能够产生一个可视区域，通过眼睛晶状体的调节来清晰成像。
然而，现有技术的近眼显示系统只能实现一个焦平面的显示，会造成人眼聚焦辐辏冲突，若长时间佩戴观看则很容易导致用户眼睛产生较强的不适感，佩戴体验较差。此外，现有技术的显示系统仍需配备近视或远视镜片才能满足近视或远视群体的观看需求，这无疑会给近视或远视群体带来较差的佩戴体验。
申请内容
本申请的目的是提供一种具备大景深、多焦面显示的近眼显示系统。
根据本申请的一个方面，提供一种近眼显示系统，所述近眼显示系统包括显示图像源、波导、位于所述波导内部的光耦合结构以及叠加在所述波导的出射面上的小孔阵列，其中，所述光耦合结构用于将来自所述显示图像源的光束和来自外部世界的光束耦合输出，所述小孔阵列用于将耦合输出的光束约束为细光束。
在一些实施例中，所述波导的形状可为阶梯面、平面或曲面中的任一项。
在一些实施例中，所述光耦合结构包括至少一个反射面。
在一些实施例中，所述光耦合结构包括至少一个半反半透面。
在一些实施例中，所述光耦合结构包括至少一个反射面和至少一个透射面。
在一些实施例中，所述反射面和所述透射面交叠设置。
在一些实施例中，所述反射面和所述透射面对应不同的角度。
在一些实施例中，所述小孔阵列中的小孔的孔径直径小于2mm。
在一些实施例中，所述小孔阵列中的小孔的形状可为圆形、椭圆或多边形中的任一项。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：通过在所述波导的出射面上合理叠加所述阵列小孔，能够将所述显示图像源通过所述波导反射进入人眼成像的光束约束为细光束，使人眼晶状体在任何状态下都可以清晰成像，同时，还能够将外部世界通过所述波导透射的真实场景的光束约束为细光束，也可使任何状态下的晶状体清晰成像；并且，通过利用小孔成像原理，能够解决近视或远视群体在使用头戴式设备时需佩戴近视或远视镜片才能看清图像的技术问题，也即能够使得近视或远视群体在使用头戴式设备时无需佩戴近视或远视镜片，便能够看清图像；并且所述近眼显示系统可使人眼自然聚焦到不同距离的焦平面，从而实现大景深、多焦面显示，且能够解决人眼聚焦辐辏冲突；此外，所述近眼显示系统具有高透过率、FOV(Field Of View，视场角)可扩展的特性，且由于不会存在像差，所述近眼显示系统还具有成像色彩生动的特性；此外，所述光耦合结构可采用将反射面、透射面交叠设置的排布，来增加所述波导对来自外部世界的光束的透过率。
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，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本申请一个示例的近眼显示系统的结构示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
根据本申请的一个方面，提供了一种近眼显示系统，所述近眼显示系统包括显示图像源、波导、位于所述波导内部的光耦合结构以及叠加在所述波导的出射面上的小孔阵列，其中，所述光耦合结构用于将来自所述显示图像源的光束和来自外部世界(也即真实环境)的光束耦合输出，所述小孔阵列用于将耦合输出的光束约束为细光束进入人眼。
其中，所述显示图像源用于发出显示图像的光束，所述显示图像源包括但不限于：LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、micro-OLED(micro Organic Light-Emitting Diode，微有机发光二极管)、micro-LED(micro Light-Emitting Diode，微发光二极管)、LCoS(Liquid Crystal onSilicon，液晶附硅)。
需要说明的是，上述各种显示图像源仅为举例，本申请并不对所述显示图像源进行限制，本领域技术人员用能理解，任何用于发出显示图像的光束的元件或结构，均应包含在本申请所述的显示图像源的范围内。
其中，所述波导包括波导入射面和波导出射面。其中，所述光耦合结构位于所述波导内，用于将来自所述显示图像源的光束和来自外部世界的光束从所述波导出射面耦合输出，所述光耦合结构可采用任何能够用于将来自所述显示图像源的光束和来自外部世界的光束耦合输出的元件或结构，其中，来自所述显示图像源的光束通过所述光耦合结构反射进入人眼成像，来自所述外部世界的光束通过所述光耦合结构透射进入人眼成像。在进行光学系统设计时，可基于产品的实际需求来确定所需的反射率和透射率，并使得所述光耦合结构实现所确定的反射率和透射率。需要说明的是，来自显示图像源的光束在所述光耦合结构中可能仅经一次反射，也可能经多次反射。
其中，所述波导的出射面上叠加有小孔阵列，所述小孔阵列用于将通过所述光耦合结构耦合输出的光束约束为细光束进入人眼，所述小孔阵列位于所述波导外部，所述小孔阵列中包括按照预定的排布方式进行排布的多个小孔；需要说明的是，本申请并不限制所述小孔阵列中的各个小孔所采用的具体排布方式。优选地，所述小孔阵列中的各个小孔的孔径直径小于用户瞳孔直径，以增加外部世界进入人眼的光束能量。可选地，所述用户瞳孔直径可能为针对特定用户所确定的该特定用户的瞳孔直径，或者针对特定人群(如不同年龄段、不同性别、不同地域的人群)进行统计所确定的该特定人群的平均瞳孔直径或最小瞳孔直径，由此，在实际应用中，可针对特定用户或特定人群来定制反射折叠波导显示系统，以满足用户的个性化需求。需要说明的是，所述小孔阵列中的各个小孔的孔径直径、形状可能相同也可能部分相同或者各不相同，每相邻两个小孔之间的间距可能相同也可能不同，本申请中对此并不作限制。
根据本申请的所述近眼显示系统，通过在所述波导的出射面上合理叠加所述阵列小孔，能够将所述显示图像源通过所述波导反射进入人眼成像的光束约束为细光束，使人眼晶状体在任何状态下都可以清晰成像，同时，还能够将外部世界通过所述波导透射的真实场景的光束约束为细光束，也可使任何状态下的晶状体清晰成像；并且，通过利用小孔成像原理，能够解决近视或远视群体使用头戴式设备时需佩戴近视或远视镜片才能看清图像的技术问题，也即能够使得近视或远视群体在使用头戴式设备时无需佩戴近视或远视镜片，便能够看清图像；并且所述近眼显示系统可使人眼自然聚焦到不同距离的焦平面，从而实现大景深、多焦面显示，且能够解决人眼聚焦辐辏冲突；此外，所述近眼显示系统具有高透过率、FOV可扩展的特性，且由于不会存在像差，所述近眼显示系统还具有成像色彩生动的特性。
在一些实施例中，所述波导的形状可为以下任一项：阶梯面、平面、曲面。本申请并不对所述波导采用的具体形状做任何限制，任何可能的波导形状均应包含在本申请的保护范围内。
在一些实施例中，所述光耦合结构包括至少一个反射面。例如，所述光耦合结构仅包括一个反射面，该反射面能够实现60％的反射率和40％的透射率。需要说明的是，本申请中并不限制反射面的角度、形状等，若所述光耦合结构包括多个反射面，本申请也不限制该多个反射面所采用的具体排布方式，各个反射面可能具有相同的角度，也可能具有不同的角度。
在一些实施例中所述光耦合结构包括至少一个半反半透面。同样地，本申请中也不限制半反半透面的角度、形状等，若所述光耦合结构包括多个半反半透面，本申请也不限制该多个半反半透面所采用的具体排布方式，各个半反半透面可能具有相同的角度，也可能具有不同的角度。
在一些实施例中，所述光耦合结构包括至少一个反射面和至少一个透射面。同样地，本申请中并不显示各个反射面和各个透射面的角度、形状等，也不限制该等反射面与透射面之间所采用的具体排布方式。在一些实施例中，所述反射面和所述透射面对应不同的角度。作为一种优选方案，所述反射面和所述透射面交叠设置，也即，所述光耦合结构采用反射面和透射面交叠设置的排布方式，通过采用该排布方式，可以增加所述波导对来自外部世界的光束的透过率。
在一些实施例中，所述小孔阵列中的小孔的孔径直径小于2mm，通过将所述小孔阵列中的小孔到人眼的孔径直径约束到2mm以内，使其小于或基本小于所有人群的人眼瞳孔直径(人眼瞳孔直径通常在2mm-6mm)，从而可以针对所有人群使人眼能够对于任意深度的焦平面清晰成像，实现大景深、多焦面显示，且能够提高外部世界进入人眼的光束能量。
在一些实施例中，所述小孔阵列中的小孔的形状可能为圆形、椭圆、多边形(如正六边形)中的任一项。需要说明的是，若一个小孔的形状为多边形时，则该小孔的孔径直径是指多边形上任意两点间的距离的最大值。需要说明的是，所述小孔的形状也可能为除圆形、椭圆或多边形以外的其他形状，任何能够用于将光束约束成细光束的小孔形状均应包含在本申请的保护范围内。
本申请的所述近眼显示系统能够适用于任何现有的或以后可能出现的头戴式设备，如VR(Virtual Reality，虚拟现实)头戴式设备、AR(Augmented Reality，增强现实)头戴式设备、MR(Mixed Reality，混合现实)头戴式设备。
图1为示出了本申请一个示例的近眼显示系统的结构示意图。由图1可见，该近眼显示系统包括显示图像源1、波导2、位于所述波导2内部的光耦合结构3(图1中并未标示出光耦合结构3)以及叠加在所述波导2的出射面上的小孔阵列4；其中，所述光耦合结构3包括交叠设置的反射面31和透射面32(由图1可见，光耦合结构3包括3个反射面31和2个透射面32，其排布顺序为31-32-31-32-31)，其中，反射面31和透射面32对应不同角度；其中，所述小孔阵列4包括竖直排列的多个小孔，每个小孔的孔径直径小于2mm，且小孔的形状为圆形。其中，显示图像源1发出的光束经过反射面31反射，从波导2的出射面射出，并通过小孔阵列4约束为细光束进入人眼，外部世界的光束经过透射面32透射，从波导2的出射面射出，并通过小孔阵列4约束为细光束进入人眼。该近眼显示系统可应用于AR显示系统中，以使人眼能够对于任意深度的焦平面清晰成像，实现大景深、多焦面显示，且能够解决现有AR显示系统中的人眼聚焦辐辏冲突问题，解决现有技术中近视或远视群体在使用AR头戴式设备时需佩戴近视或远视镜片才能看清的问题，提高AR显示系统中外部世界进入人眼的光束能量。
需要说明的是，尽管上文中用结构特征专用的语言描述了本申请的主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征。更确切而言，上述具体特征是作为实现权利要求的示例形式公开的。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (9)

1.一种近眼显示系统，包括显示图像源、波导、位于所述波导内部的光耦合结构以及叠加在所述波导的出射面上的小孔阵列，其中，所述光耦合结构用于将来自所述显示图像源的光束和来自外部世界的光束耦合输出，所述小孔阵列用于将耦合输出的光束约束为细光束。
2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述波导的形状为以下任一项：
-阶梯面；
-平面；
-曲面。
3.根据权利要求1或2所述的近眼显示系统，其中，所述光耦合结构包括至少一个反射面。
4.根据权利要求1或2所述的近眼显示系统，其中，所述光耦合结构包括至少一个半反半透面。
5.根据权利要求1或2所述的近眼显示系统，其中，所述光耦合结构包括至少一个反射面和至少一个透射面。
6.根据权利要求5所述的近眼显示系统，其中，所述反射面和所述透射面交叠设置。
7.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其中，所述反射面和所述透射面对应不同的角度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的近眼显示系统，其中，所述小孔阵列中的小孔的孔径直径小于2mm。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的近眼显示系统，其中，所述小孔阵列中的小孔的形状为以下任一项：
-圆形；
-椭圆；
-多边形。
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