CN114442327A - 一种光学成像系统以及平视显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学成像系统，包括具有曲面发光面的图像输出装置，用于通过曲面发光面输出投影光线；设置在图像输出装置的输出光路上的光学组件；其中，当平面发光面输出的光束经过光学组件之后输出的光束在平面成像存在像差；图像输出装置输出的投影光线经过光学组件输出。本申请的光学成像系统中的图像输出装置向光学组件输出可曲面成像的光束，进而在不增加额外光学器件的基础上，抵消光学组件对光束所带来的像差问题，从而在一定程度上实现对光学成像系统输出的图像画面的像差进行优化，有利于光学成像系统的广泛应用。

Description

一种光学成像系统以及平视显示器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种光学成像系统以及平视显示器。

背景技术

光学设备在各行各业中都被广泛应用，例如，可以实现现实景象和虚拟景象相叠加的观感体验的AR显示设备；可在飞机、汽车前挡风玻璃上投射关键驾驶信息的平面显示器设备，都在人们的生活和工作中发挥了至关重要的作用。

对于大多数光学设备而言，其最终输出的图像画面往往是光线经过多个光学元件之后，各个光学元件对光线的综合调制而呈现的结果。而成像像差是光学设备中普遍存在的一个问题，也是光学设备中需要重点解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学成像系统以及平视显示器，能够在不增加额外光学器件的基础上，减小图像成像的像差问题，提升图像画面的成像效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光学成像系统，包括：

具有曲面发光面的图像输出装置，用于通过所述曲面发光面输出投影光线；

设置在所述图像输出装置的输出光路上的光学组件；其中，平面发光面输出的光束经过所述光学组件之后，输出的光束在预定成像面成像存在像差；

所述图像输出装置输出的投影光线经过所述光学组件输出。

在本申请的一种可选地实施例中，所述图像输出装置包括激光振镜扫描投影仪和设置在所述激光振镜扫描投影仪的输出光路上作为所述曲面发光面的曲面散射屏。

在本申请的一种可选地实施例中，所述曲面散射屏的曲面表面为磨砂面；

或者，所述曲面散射屏的曲面表面为具有微透镜阵列结构的表面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述图像输出装置包括投影光源和光纤阵列；所述投影光源向所述光纤阵列中各个光纤耦入端入射投影光线；所述光纤阵列中各个光纤耦出端共同向所述光学组件输出投影光线；

其中，所述光纤阵列中各个光纤耦出端共同形成曲面耦出端作为所述曲面发光面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光纤阵列中的各个所述光纤耦入端共同形成曲面耦入端。

在本申请的一种可选地实施例中，所述投影光源包括投影照明装置和显示芯片；所述投影照明装置用于向所述显示芯片输出照明光线，所述照明光线从所述显示芯片反射或透射形成携带有投影图案的投影光线。

在本申请的一种可选地实施例中，所述投影光源为自发光显示芯片，且各个所述光纤耦入端贴合所述自发光显示芯片的发光表面设置。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光学组件为HOE元件、几何光学元件或多个光学元件组合形成的组件。

一种平视显示器，包括如权上任一项所述的光学成像系统。

本发明所提供的光学成像系统，包括：具有曲面发光面的图像输出装置，用于通过曲面发光面输出投影光线；设置在图像输出装置的输出光路上的光学组件；其中，当平面发光面输出的光束经过光学组件之后输出的光束在平面成像存在像差；图像输出装置输出的投影光线经过光学组件输出。

本申请基于光路可逆的原理，考虑到光学组件对需要平面成像的光束所产生的像差，在某种程度上而言，该成像具有像差的光束实际的成像平面并非平面而是曲面成像更为清晰，为此，本申请中的光学成像系统中采用具有曲面发光面的图像输出装置，并由该曲面发光面向光学组件输出光束，进而在不增加额外光学器件的基础上，抵消光学组件对光束所带来的像差问题，从而在一定程度上实现对光学成像系统输出的图像画面的像差进行优化，有利于光学成像系统的广泛应用。

本申请还提供了一种平视显示器，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的光学成像系统的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一光学成像系统的光路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的又一光学成像系统的光路结构示意图。

具体实施方式

在光学领域中，各种光学设备中往往需要多个光学元件对光束进行反复的缩放调制，以最终输出清晰的图像画面，但各个光学元件在对光束调制的过程中，因为光学元件本身的功能特性，不可避免引入像差，进而使得图像画面呈现出失真、重影或畸变等成像问题。

为了解决成像像差的问题，往往需要基于具体像差特性调整光路元件参数或结构，或者是增加新的可校正像差的光学元件以达到减小像差的目的；而成像光路结构是一套相对精密的系统，其中部分元件发生变化，会引起一系列的光学元件的变动甚至成像效果的变化，这也就导致像差调整的难度增大。

为此，本申请中提供了一种光学成像系统，能够在一定程度上减小输出的投影画面的成像像差，优化成像效果。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本申请实施例提供的光学成像系统的光路结构示意图，图2为本申请实施例提供的另一光学成像系统的光路结构示意图；图3为本申请实施例提供的又一光学成像系统的光路结构示意图。

该光学成像系统可以包括：

具有曲面发光面的图像输出装置1，用于通过曲面发光面输出投影光线；

设置在图像输出装置1的输出光路上的光学组件2；其中，平面发光面输出的光束经过光学组件2之后，输出的光束在预定成像面成像存在像差；

图像输出装置1输出的投影光线经过光学组件2输出。

需要说明的是，上述光学成像系统中并不包括上述平面发光面，上述平面发光面仅仅为了说明光学组件是一组会使得平面发光面输出的光束在预定成像面上所成的像存在像差的光学元件。另外，对于上述预定成像面，可以理解为平面，当前大多是光束成像面基本是平面。当然，在某些特殊的应用中，该预定成像面也可能是曲面，例如向圆柱形建筑表面投影，该预定成像面也即为圆柱面。而无论预定成像面是什么样的面形，在大多数的光学成像系统中，往往需要借助复杂且数量相对较多的光学元件消除像差，以达到良好的成像效果，本实施例中的光学组件也即相当于光学成像系统中除了用于消除像差之外，对光束进行调制的组件。

为了便于说明，下面以光学组件2为使得平面发光面输出的投影光束在平面成像存在像差的光学器件为例进行说明。

在光学设计中，一般从物方光线开始设计，光学成像系统存在较大像差，会导致物面经光线成像系统输出的光束的清晰成像点不在同一像平面上，而实际大多数承载显示画面的屏幕一般又是平面屏，根据光路可逆，造成平面显示屏经过光学成像系统最终呈现出的成像画面存在像差。

为此，对于会对光束的成像画面产生像差的光学组件而言，当平面发光面输出的光束入射经过光学组件2之后，输出的光束的成像点不在同一平面内(即在曲面内)，也即无法平面清晰成像，那么依据光路可逆原理，基于不在同一平面内的成像点发出的光线(相当于曲面发光面输出的光线)形成的光束逆向经过光学组件之后，输出光束也即可在同一平面内呈现清晰的图像画面。

本申请中以此为依据，所采用具有曲面发光面的图像输出装置1利用该曲面发光面输出投影光线，该投影光线经过光学组件2的调制作用之后，因为该光学组件2可使得平面发光面输出的光束产生像差，由此曲面发光面输出投影光线入射至光学组件2之后，因为该光学组件2的调制作用，即可使得经过该光学组件2输出的投影光束在在同一平面内清晰成像，进而在一定程度上良好的消除光线成像像差问题。

如上所述，对于光学组件2使得平面发光面输出的光束在预定曲面的成像存在像差的组件，或者是位于光学组件光路之间发光面的面形和位于光学组件输出光路上的要求成像面形不一致的情况下，均可以以上述光路可逆的原理，先确定以要求成像的面形作为发光面逆向向光学组件输出光束，该输出光束的清晰成像面是什么样面形结构，即可将图像输出装置中的曲面发光面设置成相同的面形结构，并通过该图像输出装置的曲面发光面向光学组件正向输出投影光线，最终即可获得在要求成像的面形上清晰成像的画面。

可以理解的是，在实际应用过程中经过光学组件2的投影光线最终所成的像可能是实像，也可能是虚像。如图1至图3所示，当经过光学组件2的投影光线最终所成的像是虚像时，显然经过光学组件2之后输出的虚像也就要求是在虚平面成像。

而在经过光学组件的投影光线最终所成的像为实像时，则该投影光线可以是在实体平面上成像也可以时在实体曲面上成像，也即经过光学组件2输出的投影光束的成像画面的成像屏幕也可能是曲面屏幕，此时若是光学成像系统输出的投影光线的各个成像点所在曲面面形和该曲面屏幕的面形不一致，也会使得成像画面存在像差，同样可以利用本申请中的光学成像系统中的图像输出装置1和光学组件2相互配合，先通过图像输出装置1输出可在特定曲面成像的投影光束，光学组件2再对该投影光束进行调制进而形成成像曲面的面形和曲面屏幕的面形一致的光束，由此也可以很好的解决像差问题。

此外，对于图像输出装置1的曲面发光面输出的投影光线的成像曲面面形，应当具体依据光学组件2对光束产生像差的特性以及光学组件输出光路上承接该光束画面的屏幕面形而定，该投影光线的成像曲面面形可能是凸曲面、凹曲面，或者其他任何面形的自由曲面，只要能够和光学组件2带来的像差相互抵消，都能实现本申请的技术方案，对此本申请中不做具体限制。

另外，对于本申请中的光学组件2，可以基于光学成像系统的具体应用场景而定，该光学组件2可以为HOE元件、几何光学元件、或多个光学元件组合形成的组件。

例如，当本申请中的光学成像系统应用于平视显示器中时，该光学组件2可以是HOE元件，该HOE元件带有一定的光焦度。利用HOE元件能在微米量级的厚度上实现几何光学元件需要十几，甚至是几十毫米才能实现的透镜或者反射镜功能。将HOE元件应用在HUD中，极大地减小了平视显示器的体积。

当该平视显示器用于汽车或飞机等场合时，该HOE元件一般是贴合在前挡风玻璃上，图像输出装置1输出的投影光线中携带有某些驾驶参数信息，投影光线经过HOE元件反射后入射至驾驶员的眼中，使得驾驶员在注视前方的同时，既能够获知前方的驾驶环境又能获知驾驶信息，保证驾驶的安全性。

在本申请其他可选的实施例中，该光学组件2也可以是光学透镜、反射镜等，也可以是多个光学透镜或者反射镜共同组合形成的包含多个光学元件的光路系统，对此本申请中不做限制。

基于本申请中的光学成像系统输出的投影光线，能够有效降低投影光线的场曲、像散、球差、慧差、正弦差等多种不同的像差问题，进而提升成像画面的成像质量。

综上所述，本申请中基于光路可逆原理，通过图像输出装置输出可曲面成像的投影光线，该投影光线经过光学组件之后，使得图像输出装置输出的光线对光学组件对光线产生的像差起到一定的补偿作用，进而使得从该光学组件输出的投影光线的像差减小，提升整个光学成像系统的成像效果，有利于该光学成像系统的广泛应用。

下面将以具体实施例对本申请中的图像数据装置进行详细说明。

参照图1、图2和图3，本申请中的图像输出装置1可以包括激光振镜扫描仪111以及设置在激光振镜扫描仪111输出光路上的曲面散射屏112，该曲面散射屏112也即作为曲面发光面；或者，该图像输出装置1可以为投影光源和光纤阵列121共同形成的装置，该光纤阵列121中各个光线耦出端1211所在面为曲面进而形成曲面耦出端，该曲面耦出端即作为曲面发光面。

在图1所示的实施例中，基于激光振镜扫描仪111的固有特性，激光振镜扫描仪111输出的激光光线的特点是逐点扫描输出，激光振镜扫描仪111输出的激光光线至曲面散射屏112，并经过曲面散射屏112输出投影光线，该曲面散射屏112也就相当于一个曲面发光面；此外该曲面散射屏在一定程度上具有放大投影光线的成像画面的作用。

可选地，该曲面散射屏112的曲面表面可以是磨砂面或者是该曲面表面上排布设置有微透镜阵列结构。

当本实施例中的光学成像系统应用于汽车或飞机上的平面显示器中时，该曲面散射屏112的磨砂面和微透镜阵列结构均可以很好地将外界射入的光线(比如直射太阳光)散射，避免光线过于集中照射，温度过高，从而解决日光倒灌的问题。

在图2和图3所示的实施例中，图像输出装置1包括投影光源和光纤阵列121；投影光源向光纤阵列121中各个光纤耦入端1212入射投影光线；光纤阵列121中各个光纤耦出端1211共同向光学组件2输出投影光线；光纤阵列121中各个光纤耦出端1211共同形成曲面耦出端。

在图2和图3所述的光纤阵列121的各个光纤耦出端1211所在曲面为外凸曲面。但可以理解的是，其实际所在曲面面形也是基于具体的光学组件2、投影光源输出的投影光束等因素共同决定的，并不必然是外凸曲面、内凹曲面还可以是其他任何面形的自由曲面，对此，本实施例中不再详细赘述。

本实施例中通过投影光源输出投影光束后，基于光纤阵列121对投影光线的调制作用，相当于每个光纤输出端的光线对应一个成像点，各个光纤耦出端1211所在面为曲面，也就使得各个光纤共同输出的投影光线的成像面为曲面。

如上所述，当本申请中的光学成像系统应用于平视显示器中时，可能存在日光倒灌的问题，而在本申请包含有光纤阵列121的光学成像系统的实施例中，光纤阵列121也能够对阳光进行一定的散热，使其无法在显示芯片的表面聚焦，进而解决了平视显示器的日光倒灌问题。

另外，对于光纤阵列121中各个光纤耦入端1212而言，各个光纤耦入端1212可以形成曲面耦入端或平面耦入端，对此，本申请中均不做限制。

如图2所示，当光纤阵列121的各个光纤耦入端1212形成平面耦入端时，为了简化光路结构，投影光源可以采用自发光显示芯片122，且各个光纤耦入端1212贴合自发光显示芯片122的发光表面设置。该自发光显示芯片122可以是OLED芯片、microLED芯片、自带背光的LCD、LCoS芯片等。

可选地，如图3所示，该投影光源还可以包括：

投影照明装置和显示芯片133；

投影照明装置用于向显示芯片133输出照明光线，照明光线从显示芯片133反射或透射形成携带有投影图案的投影光线。

图3中所示的投影光源中沿光路方向依次设置有照明光源131、偏振棱镜132、显示芯片，还包括设于光路中的多个光学透镜134。可以理解的是，图3所示的投影光源仅仅为本申请的一种可选地实施例，在实际应用中该投影光源可以存在多种不同的变形结构，只要最终可向光纤阵列121输出带有投影图案的投影光线，应当均属于本申请的保护范围，对此本申请中不再赘述。

可以理解的是，无论光纤阵列121的各个光纤耦入端1212形成的是曲面耦入端还是平面耦入端，均可以采用本实施例中投影照明装置和显示芯片133组成的投影光源，并不必然采用自发光芯片122。

本申请中还进一步地公开了一种平视显示器，该平视显示器中包含有如上任意一项所述的光学成像系统。

该平视显示器中的光学组件可以为具有光焦度的HOE元件，图像输出装置输出的投影光线入射至HOE元件，经过HOE元件反射后入射至人眼。该平视显示器可以应用于汽车、飞机等领域，通过本实施例的平视显示器中的光学成像系统可以为用户清晰呈现图像信息，有利于保证汽车驾驶、飞机航行的安全性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括：

具有曲面发光面的图像输出装置，用于通过所述曲面发光面输出投影光线；

设置在所述图像输出装置的输出光路上的光学组件；其中，平面发光面输出的光束经过所述光学组件之后，输出的光束在预定成像面成像存在像差；

所述图像输出装置输出的投影光线经过所述光学组件输出。

2.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述图像输出装置包括激光振镜扫描投影仪和设置在所述激光振镜扫描投影仪的输出光路上作为所述曲面发光面的曲面散射屏。

3.如权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，所述曲面散射屏的曲面表面为磨砂面；

或者，所述曲面散射屏的曲面表面为具有微透镜阵列结构的表面。

4.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述图像输出装置包括投影光源和光纤阵列；所述投影光源向所述光纤阵列中各个光纤耦入端入射投影光线；所述光纤阵列中各个光纤耦出端共同向所述光学组件输出投影光线；

其中，所述光纤阵列中各个光纤耦出端共同形成曲面耦出端作为所述曲面发光面。

5.如权利要求4所述的光学成像系统，其特征在于，所述光纤阵列中的各个所述光纤耦入端共同形成曲面耦入端。

6.如权利要求5所述的光学成像系统，其特征在于，所述投影光源包括投影照明装置和显示芯片；所述投影照明装置用于向所述显示芯片输出照明光线，所述照明光线从所述显示芯片反射或透射形成携带有投影图案的投影光线。

7.如权利要求5所述的光学成像系统，其特征在于，所述投影光源为自发光显示芯片，且各个所述光纤耦入端贴合所述自发光显示芯片的发光表面设置。

8.如权利要求1至7任一项所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学组件为HOE元件、几何光学元件或多个光学元件组合形成的组件。

9.一种平视显示器，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的光学成像系统。

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