CN112782849A - 近眼显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

提供一种近眼显示系统，包括：图像投影单元，其用于投射图像；以及镜片，其包括内嵌有光学元件阵列的第一部分和未内嵌光学元件阵列的第二部分；其中，所述图像入射到光学元件阵列上，光学元件阵列将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部。该系统可实现大视角彩色显示，具有高设计自由度，结构简单易加工。

Description

近眼显示系统及方法

技术领域

本发明涉及一种近眼显示系统及方法，可用于增强现实(AR)显示，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，例如，中国发明专利CN108333776A公开了一种近眼显示光学模组及近眼显示系统。该近眼显示系统包括近眼显示光学模组和图像显示装置。该近眼显示光学模组包括电控液晶偏振元件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、相位延迟片和反射元件。图像显示装置依次输出一待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线被第一反射放大元件和第二反射放大元件反射会聚形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为待显示图像。

例如，中国发明专利CN205787364U公开了一种近眼显示设备，包括照明模块及光调制元件：照明模块用于输出图像；光调制元件用于对图像进行集成成像，以显示三维虚拟图像。近眼显示设备可包括用于虚拟现实的近眼显示设备，该近眼显示设备利用集成成像显示的原理使得呈现在人眼的是自然的三维物体。

例如，中国发明专利CN107092361A公开了一种便携式近眼显示设备，包括：AR近眼显示模组，AR近眼显示模组用于接收和显示相关图像信息；夹持部，夹持部与AR近眼显示模组连接，夹持部固定在佩戴者的头部或头部佩戴物上；连接部，连接部用于AR近眼显示模组和夹持部连接。

包括上述专利在内，目前已有的近眼显示技术有：共轴侧视棱镜方案、阵列式半透膜波导方案、视网膜投影方案、自由曲面方案以及全息波导方案等。其中共轴侧视棱镜方案是将棱镜作为图像耦合传输元件，该方法存在的问题是视场角有限、体积笨重以及分辨率较低；阵列式半透膜波导方案工艺复杂、成本高昂，且成像时鬼像严重；视网膜投影方案是通过聚焦于人眼瞳孔中心，之后直接成像于视网膜上，该方案的主要问题是长时间佩戴可能会对人眼造成一定程度的损害；自由全面方案具有较高设计自由度，但其设计难度大、加工成本高，且一般体积较大；全息波导方案现阶段尚未成熟，仍有如何扩大视场角以及彩色显示两大难题。

因此，有必要研究一种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，本发明提供一种近眼显示系统，其特征在于包括：

图像投影单元，其用于投射图像；以及

镜片，其包括内嵌有光学元件阵列的第一部分和未内嵌光学元件阵列的第二部分；

其中，所述图像入射到光学元件阵列上，光学元件阵列将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部。

根据本发明另一方面，所述镜片的第二部分用于透过环境光。

根据本发明又一方面，所述光学元件阵列包括凹面反射镜阵列或凸透镜阵列。

根据本发明又一方面，所述图像投影单元包括图像源、透镜以及图像耦合棱镜。

根据本发明又一方面，所述光学元件阵列具有人眼近距离观测时无法分辨的面积大小。

根据本发明又一方面，所述光学元件阵列包括线状或网状光学元件阵列。

根据本发明又一方面，所述光学元件阵列中的每个光学元件具有不同倾角。

根据本发明又一方面，所述凹面反射镜阵列包括全反射镜或半透半反镜。

根据本发明又一方面，所述图像投影单元位于镜片的上方、下方、左侧或右侧，所述镜片为平板镜片或弯曲镜片。

根据本发明又一方面，还提供了一种近眼显示方法，其特征在于包括以下步骤：

通过图像投影单元投射图像至镜片；

图像入射到内嵌在镜片的第一部分中的光学元件阵列上，光学元件阵列将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部；

环境光透过所述镜片的第二部分进入眼部。

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：

1.大视角显示。凹面反射镜或凸透镜的光波角度范围有限，因而传统的单片式成像(反射)系统近眼显示系统成像范围很窄，本系统通过内嵌多个线状或网状微型凹面反射镜或凸透镜成像阵列，每个凹面反射镜或凸透镜倾斜角度不同，分别对应不同入射角度的目标图像，从而实现宽视角近眼显示。

2.彩色显示。不同于全息波导型近眼显示系统，毫米结构凹面反射镜或凸透镜阵列近眼显示系统是对入射光波的直接成像，不存在波长选择特性，因而可以实现全彩色无色差显示。

3.高设计自由度。图像投影模块的空间位置具有多自由度，可位于镜片的上下左右各个方位，对于不同空间位置的图像投影模块，可以通过调整凹面反射镜或凸透镜阵列近眼显示系统的倾斜角度，从而保证出射光角度的一致性。

4.结构简单易加工。本发明专利中的近眼显示系统仅涉及几何光学元件，不涉及衍射光学元件，耦合光学元件为微型凹面反射镜或凸透镜，因而具有结构简单、加工方便的优点。

5.毫米结构凹面反射镜或凸透镜阵列近眼显示系统具有成像质量好的特点。

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近眼显示系统(具有凹面反射镜阵列)结构示意图；

图2为根据本发明另一优选实施例的近眼显示系统(具有凸透镜阵列)结构示意图；

图3为根据本发明又一优选实施例的凹面反射镜阵列增强现实显示系统结构示意图；

图4为根据本发明又一优选实施例的凸透镜阵列增强现实显示系统结构示意图；

图5为根据本发明又一优选实施例的凹面反射镜阵列增强现实显示系统示意图；

图6为根据本发明又一优选实施例的凸透镜阵列增强现实显示系统示意图；

图7为根据本发明又一优选实施例的凸透镜阵列增强现实显示系统示意图；

图8为根据本发明又一优选实施例的眼镜结构的凹面反射镜阵列增强现实显示系统的示意图；

图9为根据本发明又一优选实施例的凹面反射镜线状排列阵列示意图；

图10为根据本发明又一优选实施例的近眼显示系统；

图11为根据本发明又一优选实施例的近眼显示系统；

图12为根据本发明又一优选实施例的近眼显示系统；

图13为根据本发明又一优选实施例的近眼显示系统；

图14为图11的俯视图。

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近眼显示系统(具有凹面反射镜阵列)结构示意图。该近眼显示系统包括：

图像投影单元1，其用于投射图像；以及

镜片3，其包括内嵌有光学元件阵列2的第一部分和未内嵌光学元件阵列2的第二部分；

其中，所述图像入射到光学元件阵列2上，光学元件阵列2将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部。

有利地，本发明在眼镜片3中内嵌凹面反射镜(或凸透镜)，组成微型成像阵列，作为图像耦合元件，将图像投影系统发出的图像耦合进入人眼。由于人眼晶状体的节能力有限，因而对于靠近人眼的物体，人眼将无法分辨，出现模糊不清的现象，基于人眼这一特性，当观察者佩戴本发明的显示系统时，人眼将无法观看到镜片3中凹面反射镜(或凸透镜)而只能观看到反射镜耦合的虚像。

根据本发明又一优选实施例，所述镜片3的第二部分用于透过环境光。

根据本发明又一优选实施例，参见图1，所述光学元件阵列2包括凹面反射镜阵列。参见图2，所述光学元件阵列2包括凸透镜阵列。

根据本发明又一优选实施例，所述图像投影单元1包括由图像源、准直透镜以及图像耦合棱镜组成的准直图像单元，或MEMS振镜系统组成的扫描图像单元，或其它微型高亮显示图像单元。

根据本发明又一优选实施例，所述光学元件阵列2具有人眼近距离观测时无法分辨的面积大小。

根据本发明又一优选实施例，所述光学元件阵列2包括线状或网状光学元件阵列2。

根据本发明又一优选实施例，所述光学元件阵列2中的每个光学元件具有不同倾角。

根据本发明又一优选实施例，所述凹面反射镜阵列包括全反射镜或半透半反镜。

根据本发明又一优选实施例，所述图像投影单元1位于镜片3的上方、下方、左侧或右侧，所述镜片3为平板镜片3或弯曲镜片3。

根据本发明又一优选实施例，还提供了一种近眼显示方法，包括以下步骤：

通过图像投影单元1投射图像至镜片3；

图像入射到内嵌在镜片3的第一部分中的光学元件阵列2上，光学元件阵列2将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部；

环境光透过所述镜片3的第二部分进入眼部。

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，该近眼显示系统使用毫米结构微型凹面反射镜(或凸透镜)阵列，可用于增强现实(AR)显示。

根据本发明又一优选实施例，该近眼显示系统为大视角全彩色毫米结构凹面反射镜(或凸透镜)阵列的近眼显示系统。

根据本发明又一优选实施例，参见图3，其示出了根据本发明又一优选实施例的凹面反射镜阵列增强现实显示系统结构示意图。具体地，该增强现实显示系统包括：图像投影单元1，其用于投射图像；以及镜片3，其包括内嵌有光学元件阵列2的第一部分和未内嵌光学元件阵列2的第二部分；其中，所述图像入射到光学元件阵列2上，光学元件阵列2将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部，所述光学元件阵列2为凹面反射镜阵列。

根据本发明又一优选实施例，参见图4，其示出了根据本发明又一优选实施例的凸透镜阵列增强现实显示系统结构示意图。具体地，该增强现实显示系统包括：图像投影单元1，其用于投射图像；以及镜片3，其包括内嵌有光学元件阵列2的第一部分和未内嵌光学元件阵列2的第二部分；其中，所述图像入射到光学元件阵列2上，光学元件阵列2将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部，所述光学元件阵列2为凸透镜阵列。

根据本发明又一优选实施例，图5为根据本发明又一优选实施例的凹面反射镜阵列增强现实显示系统示意图，具体地，该增强现实显示系统包括：图像投影模块、凹面反射镜阵列以及弯曲玻璃(或平板玻璃)。

根据本发明又一优选实施例，参见图6，图6为根据本发明又一优选实施例的凸透镜阵列增强现实显示系统示意图，具体地，该增强现实显示系统包括：图像投影模块、凸透镜阵列以及弯曲玻璃(或平板玻璃)。

根据本发明又一优选实施例，参见图7，图7为根据本发明又一优选实施例的凸透镜阵列增强现实显示系统示意图，具体地，该增强现实显示系统包括：图像投影模块、凸透镜阵列、反射镜4以及弯曲玻璃(或平板玻璃)。

根据本发明又一优选实施例，参见图8，图8为根据本发明又一优选实施例的眼镜结构的凹面反射镜阵列增强现实显示系统的示意图，其中该增强现实显示系统包括：图像投影模块、凹面反射镜阵列、弯曲玻璃(或平板玻璃)和镜框。

根据本发明又一优选实施例，参见图9，其中该增强现实显示系统包括线状排列的凹面反射镜阵列。

根据本发明又一优选实施例，参见图10-13，其中该近眼显示系统包括设置在镜框的左侧、右侧、上方和下方的图像投影模块。

根据本发明又一优选实施例，参见图14，图14为图11的俯视图，其中该光学单元阵列中的光学单元等间隔地内嵌于镜片3中。

根据本发明又一优选实施例，该近眼显示统由图像投影模块、毫米结构反射式阵列以及镜片3组成。其中图像投影模块可包括图像源、准直透镜以及图像耦合棱镜组成的准直图像单元，或MEMS振镜系统组成的扫描图像单元，或其它微型高亮显示图像单元。系统的图像投影模块作为图像输入设备，将图像耦合进入镜片3(镜片3可以为玻璃、树脂、太空镜片3、特殊镜片3等中的任意一种)，图像入射到内嵌式毫米结构微型凹面反射镜(或凸透镜)组成的成像阵列上，成像阵列将不同方向入射的图像光波反射进入人眼。

根据本发明又一优选实施例，系统镜片3中仅内嵌凹面反射镜(或凸透镜)阵列具有图像成像功能，其余部分均为普通镜片3，公对外界环境光具有透视功能。

根据本发明又一优选实施例，凹面反射镜(或凸透镜)是有一定面积的，其面积大小保证人眼近距离观测时无法分辨。凹面反射镜(或凸透镜)阵列的空间排布为三维空间排布，在三个维度上均有一定程度的倾斜角，内嵌于镜片3内部。

根据本发明又一优选实施例，把凹面反射镜(或凸透镜)在平行透明的玻璃板上按照一定的方式排列，并且每个凹面反射镜(或)的倾角经过计算，都可以完成相应的成像，这样组成凹面反射镜(或凸透镜)阵列，没有凹面反射镜(或凸透镜)的地方是透明的平行玻璃，人眼通过平行平板玻璃可以看到外面的信息，各个镜面分别成像不同视角的信息进入人眼，所成图像不仅是放大的，而且当各个凹面反射镜或凸透镜的尺寸例如长宽高在1-3毫米(或者例如直径、对角线在1-3毫米)时不影响眼睛通过透明的平行玻璃观察外界的信息。这样人眼就可以通过透明的平行玻璃观察外界世界，同时透过不影响视觉的凹面小孔成像微显示器显示的信息。

根据本发明又一优选实施例，系统中图像耦合元件为线状结构或网状等多种形状的凹面反射镜或凸透镜阵列。

根据本发明又一优选实施例，系统中图像投影模块可位于凸透镜阵列的前方，或凹面反射镜阵列后方直接投影，也可通过增加反射镜反射的方式投影，增加系统设计灵活度。

根据本发明又一优选实施例，系统中图像投影模块的空间位置具有多自由度，可位于镜片3的上下左右等多个空间方位，与镜片3相隔一定距离。

根据本发明又一优选实施例，微型凹面反射镜或凸透镜阵列中各个凹面反射镜或凸透镜的成像角度均不同，通过多视角图像叠加实现宽视角显示。

根据本发明又一优选实施例，微型光学单元阵列中各个凸透镜或凹面反射镜的光线出射角度具有连续性，实现出射图像的无缝拼接。

根据本发明又一优选实施例，微型凹面反射镜或凸透镜阵列的空间位置具有多自由度，可沿多方向排列。

根据本发明又一优选实施例，微型凹面反射镜或凸透镜的空间位置可与图像投影模块的投影角度相匹配，保证出射光均匀进入人眼。

根据本发明又一优选实施例，微型凹面反射镜阵列中的凹面反射镜可以为全反射镜，也可以为具有半透半反功能的反射器件。

根据本发明又一优选实施例，微型凹面反射镜或凸透镜阵列中的凸透镜或凹面镜具有一定面积大小，且大小可调，可适应不同观察者在不同距离处观看的情况。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

1.大视角显示。凹面反射镜或凸透镜的光波角度范围有限，因而传统的单片式成像(反射)系统近眼显示系统成像范围很窄，本系统通过内嵌多个线状或网状微型凹面反射镜或凸透镜成像阵列，每个凹面反射镜或凸透镜倾斜角度不同，分别对应不同入射角度的目标图像，从而实现宽视角近眼显示。

2.彩色显示。不同于全息波导型近眼显示系统，毫米结构凹面反射镜或凸透镜阵列近眼显示系统是对入射光波的直接成像，不存在波长选择特性，因而可以实现全彩色无色差显示。

3.高设计自由度。图像投影模块的空间位置具有多自由度，可位于镜片的上下左右各个方位，对于不同空间位置的图像投影模块，可以通过调整凹面反射镜或凸透镜阵列近眼显示系统的倾斜角度，从而保证出射光角度的一致性。

4.结构简单易加工。本发明专利中的近眼显示系统仅涉及几何光学元件，不涉及衍射光学元件，耦合光学元件为微型凹面反射镜或凸透镜，因而具有结构简单、加工方便的优点。

5.毫米结构凹面反射镜或凸透镜阵列近眼显示系统具有成像质量好的特点。

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)

1.一种近眼显示系统，其特征在于包括：

图像投影单元，其用于投射图像；以及

镜片，其包括内嵌有光学元件阵列的第一部分和未内嵌光学元件阵列的第二部分；

其中，所述图像入射到光学元件阵列上，光学元件阵列将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于所述镜片的第二部分用于透过环境光。

3.根据权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于所述光学元件阵列包括凹面反射镜阵列或凸透镜阵列。

4.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示系统，其特征在于所述图像投影单元包括图像源、透镜以及图像耦合棱镜。

5.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示系统，其特征在于所述光学元件阵列具有人眼近距离观测时无法分辨的面积大小。

6.根据权利要求4所述的近眼显示系统，其特征在于所述光学元件阵列包括线状或网状光学元件阵列。

7.根据权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于所述光学元件阵列中的每个光学元件具有不同倾角。

8.根据权利要求4所述的近眼显示系统，其特征在于所述凹面反射镜阵列包括全反射镜或半透半反镜。

9.根据权利要求7所述的近眼显示系统，其特征在于所述图像投影单元位于镜片的上方、下方、左侧或右侧，所述镜片为平板镜片或弯曲镜片。

10.一种近眼显示方法，其特征在于包括以下步骤：

通过图像投影单元投射图像至镜片；

图像入射到内嵌在镜片的第一部分中的光学元件阵列上，光学元件阵列将不同方向入射的图像反射或透射后进入眼部；

环境光透过所述镜片的第二部分进入眼部；

其中，优选基于权利要求1-9任一项所述的系统来进行近眼显示。

Images