CN113341567B - 一种双焦面光波导近眼显示光学系统 - Google Patents

一种双焦面光波导近眼显示光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113341567B
CN113341567B CN202110518428.5A CN202110518428A CN113341567B CN 113341567 B CN113341567 B CN 113341567B CN 202110518428 A CN202110518428 A CN 202110518428A CN 113341567 B CN113341567 B CN 113341567B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical waveguide
virtual image
lens
optical
type optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110518428.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113341567A (zh
Inventor
宋维涛
史晓刚
王丙杰
刘越
王涌天
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202110518428.5A priority Critical patent/CN113341567B/zh
Publication of CN113341567A publication Critical patent/CN113341567A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113341567B publication Critical patent/CN113341567B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems
    • G02B2027/0134—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems of stereoscopic type

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

本发明提出了一种双焦面光波导近眼显示光学系统，包括：光学元件、补偿元件、第一透视型光波导镜片、第二透视型光波导镜片、第一投影镜片组、第一微显示器、第二投影镜片组和第二微显示器。在保持成像质量的同时，降低光学系统复杂性，解决了视觉辐辏调节冲突问题，降低使用者的视觉疲劳。本发明系统中，采用两个透视型光波导镜片形成两个成像系统，一个成远焦像，一个成近焦像，配合人眼需要立体视觉的用眼习惯，解决了视觉辐辏调节冲突问题。同时，本发明还可以加入屈光元件来适配近视和远视患者，使这些患者在使用本发明系统时不用佩戴眼镜。

Description

一种双焦面光波导近眼显示光学系统
技术领域
本发明属于显示技术领域，涉及一种双焦面光波导近眼显示光学系统。
背景技术
透视型近眼显示光学系统是一种能让使用者同时观看外在景物以及投射影像的装置，达到实像与虚像叠加而不遮蔽视野的效果。已知的透视型近眼显示光学系统有的采用带反射面(平面或自由曲面)的棱镜配合一个或多个光学透镜组成的光学系统，有的采用光波导镜片加投影镜头组成的光学系统。
目前这些透视型近眼显示光学系统存在一个严重影响用户体验的问题-视觉辐辏冲突(accommodation-vergence conflict)，即人们感知3D效果是通过在人的左右眼形成不同的视差图像而产生，当人眼观看3D图像时，由晶状体调节产生的聚焦(accomodation)深度一直固定在显示屏上，而由眼部运动产生的会聚(vergence)深度会随着3D物体的空间位置而变化，这就导致聚焦深度与会聚深度不一致，从而引起视觉疲劳。为了解决视觉辐辏调节冲突问题，现有技术采用多焦面近眼显示技术(如Magic leap公司)，然而其缺点是体积比较庞大。有些现有技术采用微透镜阵列(Micro-lens array)光场显示技术(如英伟达公司)，但此技术会严重降低图像的显示分辨率。
因此，目前亟需一种透视型光波导近眼显示光学系统，能够降低光学系统复杂性，保证图像显示质量的同时，解决视觉辐辏调节冲突问题，从而降低使用者的视觉疲劳。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双焦面光波导近眼显示光学系统，能够在保证图像显示质量的同时，解决视觉辐辏调节冲突问题，降低使用者的视觉疲劳。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种双焦面光波导近眼显示光学系统，包括：光学元件、补偿元件、第一透视型光波导镜片、第二透视型光波导镜片、第一投影镜片组、第一微显示器、第二投影镜片组和第二微显示器。
光学元件为负透镜，补偿元件为正透镜，且两者的焦距相同。
在一垂直于人眼中心的光轴上，第一透视型光波导镜片、光学元件、第二透视型光波导镜片和补偿元件在人眼前方由近及远依次同轴心排布。
第一微显示器发出虚像光线，经第一投影镜片组准直后，进入第一透视型光波导镜片传导，使虚像光线成的远虚像进入人眼，其中远虚像的聚焦深度为无限远。
第二微显示器发出虚像光线，经第二投影镜片组准直后，进入第二透视型光波导镜片传导，进入光学元件，光学元件对虚像光线产生屈光力，控制虚像的聚焦深度，虚像光线经光学元件成的近虚像进入人眼。
实景光线经过光学元件、补偿元件、第一透视型光波导镜片和第二透视型光波导镜片进入人眼。
进一步的，光学元件和补偿元件选用：光学透镜或可调谐液晶透镜。
进一步的，第一透视型光波导镜片和第二透视型光波导镜片是镜面阵列波导镜片、光栅波导镜片或带反射面的棱镜中的一种。
进一步的，第一微显示器发出虚像光线，经第一投影镜片组准直后，进入第一透视型光波导镜片传导，使虚像光线进入人眼，使人眼看清位于前方的无限远聚焦深度处的远虚像，具体方法采用曲面耦合型光波导，几何光波导或衍射型光波导中的一种完成远虚像的成像。
进一步的，在人眼近视、远视和散光时，双焦面光波导近眼显示光学系统中加入屈光元件，屈光元件的度数与人眼的矫正度数相同。
进一步的，补偿元件对外界实景光线进行调制，与光学元件对实景光线的调制作用互补。
进一步的，近虚像的聚焦深度为0.25～1.2m。
有益效果：
1、本发明提出一种双焦面光波导近眼显示光学系统，其原理是采用两个透视型光波导镜片形成两个成像系统，一个成远虚像，一个成近虚像，配合人眼需要立体视觉的用眼习惯，解决了视觉辐辏调节冲突问题，降低了使用者的视觉疲劳；同时本发明通过设置两个透视型光波导镜片，并添加光学元件与补偿元件以实现对远虚像和近虚像的成像。该光学系统没有包含分光元件，人眼直接看到成像，因此可以保持成像质量，并降低光学系统的复杂性。
2、本发明还可以加入屈光元件来适配近视和远视患者，使这些患者在使用本发明系统时不用佩戴眼镜。
附图说明
图1为双焦面透视型光波导近眼显示光学系统简图；
图2为曲面耦合型光波导成远焦像的光学系统图；
图3为几何光波导成远焦像的光学系统图；
图4为衍射型光波导成远焦像的光学系统图；
图5为双焦面光波导近眼显示光学系统图；
图6为加入屈光元件的双焦面光波导近眼显示光学系统图；
图7为双焦面光波导近眼显示光学系统成近距、远距像原理图；
图8为双眼成像原理图；
图9为双眼成近距虚像和远距虚像原理图；
图10为使用本发明系统的双眼成近距虚像和远距虚像原理图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图1为本发明提供的系统简图。
如图5所示，本发明提供一种双焦面光波导近眼显示光学系统，包括：光学元件、补偿元件、第一透视型光波导镜片、第二透视型光波导镜片、第一投影镜片组、第一微显示器、第二投影镜片组和第二微显示器。
光学元件为负透镜，补偿元件为正透镜，且两者的焦距相同；在一垂直于人眼中心的光轴上，第一透视型光波导镜片、所述光学元件、第二透视型光波导镜片和补偿元件在人眼前方由近及远依次同轴心排布；第一微显示器发出虚像光线，经第一投影镜片组准直后，进入第一透视型光波导镜片传导，使虚像光线进入人眼，使人眼看清位于前方的无限远聚焦深度处的远虚像。远虚像的聚焦深度为无限远。
本发明实施例中，成远虚像的具体方法采用曲面耦合型光波导，几何光波导或衍射型光波导中的一种完成，如图2、3、4所示。曲面耦合型光波导方法的光学系统采用一片透视型光波导镜片放在人眼前，并配有投影镜片组和微显示器，用于发出虚像光线；几何光波导采用镜面阵列式的波导镜片放在人眼前，并配有入射结构、投影镜片组和微显示器；衍射型光波导采用出射光栅和光栅波导镜片放在人眼前，并配有入射光栅、投影镜片组和微显示器。第二微显示器发出虚像光线，经第二投影镜片组准直后，进入第二透视型光波导镜片传导，进入光学元件，光学元件对虚像光线产生屈光力，控制虚像的聚焦深度，虚像光线经光学元件进入人眼，使人眼看清位于前方的近距聚焦深度处的近虚像。近虚像的聚焦深度为0.25～1.2m。
实景光线经过光学元件、补偿元件、第一透视型光波导镜片和第二透视型光波导镜片进入人眼，使人眼看到环境中的景象。
本发明实施例中，光学元件和补偿元件选用光学透镜或可调谐液晶透镜；第一透视型光波导镜片和第二透视型光波导镜片是镜面阵列波导镜片、光栅波导镜片或带反射面的棱镜中的一种。
如图6所示，本发明实施例中，在人眼近视、远视和散光时，双焦面光波导近眼显示光学系统中加入屈光元件，屈光元件的度数与人眼的矫正度数相同。
远距聚焦深度和近距聚焦深度可同时位于近处或远处，或远距聚焦深度位于远处，近距聚焦深度位于近处，这可通过调节光学元件的屈光力实现。光学元件和补偿元件相当于近视镜或远视镜，通过选用不同屈光力的屈光元件，可使系统适配近视或远视患者而不需要再佩戴视力矫正眼镜。
补偿元件对外界实景光线进行调制，与光学元件对实景光线的调制作用互补。
如图7所示，使用本发明提供的光学系统，第一透视型光波导镜片、第一微显示器和第一投影镜片组组成第一透视型光波导近眼显示光学系统，对应于无限远焦面的第一虚像显示器。第一微显示器发出的虚像光线，经第一投影镜片组准直后进入第一透视型光波导镜片，经第一透视型光波导镜片传导后，虚像光线进入人眼，使人眼看清位于眼睛前方的无限远聚焦深度处的虚像。
如图7所示，第二透视型光波导镜片、第二微显示器和第二投影镜片组组成第二透视型光波导近眼显示光学系统。光学元件和第二透视型光波导近眼显示光学系统对应于近焦面的第二虚像显示器。第二微显示器发出的虚像光线，经第二投影镜片组准直后进入第二透视型光波导镜片，经第二透视型光波导镜片传导后进入光学元件，光学元件对虚像光线产生屈光力，控制虚像的聚焦深度，经光学元件后虚像光线进入人眼，使人眼看清位于眼睛前方的近距聚焦深度处的虚像。
如图7所示，补偿元件可以对外界实景光线进行调制，其作用与光学元件对外界实景光线的调制作用互补，使得外界实景光线经过双焦面透视型光波导近眼显示光学系统后，光线方向和聚焦深度不变，从而人眼能正常地观看到外界实景。
人眼观察实景时，左右眼的聚焦深度与双眼会聚深度相一致，如图8所示。而通常的透视型光波导近眼显示光学系统左右眼聚焦深度不变，通过改变双眼会聚深度显示不同距离的虚像，如图9所示。这与人眼感知习惯不同，会产生辐辏调节冲突，从而产生视觉疲劳。本发明采用远距聚焦深度和近距聚焦深度相结合，通过改变远距聚焦深度和近距聚焦深度与人眼之间的距离，使聚焦深度与双眼会聚深度在远距聚焦深度和近距聚焦深度之间的距离范围内基本保持一致，从而有效降低辐辏调节冲突引起的视觉疲劳，如图10所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双焦面光波导近眼显示光学系统，其特征在于，包括：光学元件、补偿元件、第一透视型光波导镜片、第二透视型光波导镜片、第一投影镜片组、第一微显示器、第二投影镜片组和第二微显示器；
所述光学元件为负透镜，所述补偿元件为正透镜，且两者的焦距相同；
在一垂直于人眼中心的光轴上，所述第一透视型光波导镜片、所述光学元件、所述第二透视型光波导镜片和所述补偿元件在人眼前方由近及远依次同轴心排布；
所述第一微显示器发出虚像光线，经所述第一投影镜片组准直后，进入所述第一透视型光波导镜片传导，使虚像光线成的远虚像进入人眼，其中远虚像的聚焦深度为无限远；其中，采用曲面耦合型光波导，几何光波导或衍射型光波导中的一种完成远虚像的成像；
所述第二微显示器发出虚像光线，经所述第二投影镜片组准直后，进入所述第二透视型光波导镜片传导，进入所述光学元件，所述光学元件对虚像光线产生屈光力，控制虚像的聚焦深度，所述虚像光线经所述光学元件成的近虚像进入人眼；
实景光线经过所述光学元件、所述补偿元件、所述第一透视型光波导镜片和所述第二透视型光波导镜片进入人眼；所述补偿元件对外界实景光线进行调制，与光学元件对实景光线的调制作用互补。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学元件和所述补偿元件选用：光学透镜或可调谐液晶透镜。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一透视型光波导镜片和第二透视型光波导镜片是镜面阵列波导镜片、光栅波导镜片或带反射面的棱镜中的一种。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在人眼近视、远视和散光时，所述双焦面光波导近眼显示光学系统中加入屈光元件，所述屈光元件的度数与所述人眼的矫正度数相同。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，近虚像的聚焦深度为0.25～1.2m。
CN202110518428.5A 2021-05-12 2021-05-12 一种双焦面光波导近眼显示光学系统 Active CN113341567B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110518428.5A CN113341567B (zh) 2021-05-12 2021-05-12 一种双焦面光波导近眼显示光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110518428.5A CN113341567B (zh) 2021-05-12 2021-05-12 一种双焦面光波导近眼显示光学系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113341567A CN113341567A (zh) 2021-09-03
CN113341567B true CN113341567B (zh) 2022-12-02

Family

ID=77468277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110518428.5A Active CN113341567B (zh) 2021-05-12 2021-05-12 一种双焦面光波导近眼显示光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113341567B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114167616A (zh) * 2021-12-13 2022-03-11 谷东科技有限公司 透视型近眼显示光学系统和头戴式显示设备
CN114252991A (zh) * 2022-01-10 2022-03-29 东南大学 一种基于视网膜显示的超表面微纳近眼显示器

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105759557B (zh) * 2016-04-07 2019-02-05 中山大学 一种多视点三维显示系统和方法
CN106371222A (zh) * 2016-11-30 2017-02-01 苏州苏大维格光电科技股份有限公司 一种纳米透镜波导镜片和多景深三维显示装置
CN110888233B (zh) * 2018-09-07 2021-10-22 华为技术有限公司 显示模组及成像方法
CN109061884A (zh) * 2018-10-29 2018-12-21 北京枭龙科技有限公司 焦深可调的透视型近眼显示光学系统
CN110095870B (zh) * 2019-05-28 2022-04-19 京东方科技集团股份有限公司 光学显示系统、显示控制装置和增强现实设备
CN111580276B (zh) * 2020-05-25 2021-05-04 浙江大学 基于定向散射波导的近眼光场显示装置和方法
CN112346252A (zh) * 2020-11-09 2021-02-09 京东方科技集团股份有限公司 近眼显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113341567A (zh) 2021-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107209381B (zh) 用于可头戴显示器的混合透镜系统
US10663728B2 (en) Relating to displays
CN109073901B (zh) 双眼广视场(wfov)可穿戴光学显示系统
JP4155343B2 (ja) 二つの光景からの光を観察者の眼へ代替的に、あるいは同時に導くための光学系
CN111052720A (zh) 具有更改深度平面的多元件自适应透镜的增强现实显示器
WO2016143245A1 (ja) 画像表示装置
CN103605209A (zh) 一种透射式立体显示眼镜装置
US11287663B2 (en) Optical transmitting module and head mounted display device
CN113341567B (zh) 一种双焦面光波导近眼显示光学系统
CN110376734B (zh) 单面板头戴式显示器
EP3091740A1 (en) Improvements in and relating to displays
CN203535311U (zh) 一种透射式立体显示眼镜装置
JP6026637B2 (ja) ３次元画像の可視化システム
Rogers et al. Biocular display optics
CN112305758A (zh) 一种ar显示眼镜
CN113316737B (zh) 增强现实系统
CN113631987A (zh) 头戴式显示器
JP2019179083A (ja) 画像表示装置
CN215986716U (zh) 一种可拆分增强现实显示设备
CN114167616A (zh) 透视型近眼显示光学系统和头戴式显示设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant