CN114924416A - 一种视网膜投影近眼显示系统及其设计方法 - Google Patents

一种视网膜投影近眼显示系统及其设计方法 Download PDF

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苏鑫
沈忠文
田闯
王鹏
杨燕
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Abstract

本发明公开了一种视网膜投影近眼显示系统及其设计方法，包括微显示器、准直透镜组和拼接式体全息光栅，微显示器用于点亮图像，产生发散的光束，发散的光束经过准直透镜组准直成各个视角方向的光束，然后由拼接式体全息光栅接收包含中央视角范围和左右边缘视角范围的准直光束，拼接式体全息光栅器件对各个视角范围上的准直光束进行不同的衍射效应，得到对应不同视角范围的衍射光束，且本发明中衍射光束可重新构建出各个视点，视点形成满足人眼观看完整显示画面的出瞳范围。

Description

一种视网膜投影近眼显示系统及其设计方法
技术领域
本发明属于视网膜投影显示技术，具体涉及到一种视网膜投影近眼显示系统及其设计方法。
背景技术
视网膜投影显示技术是应用于AR/VR领域的一种显示技术，这项技术的工作原理是由低功率的LED或者激光光源，通过MEMS振镜扫描反射，不需要通过人眼角膜和晶状体聚焦，直接射入视网膜成像的一种光学系统。该显示技术的优点是可实现高亮度(≥10000nits)、低功耗低、大显示视场(超过50°)。但是，视网膜投影面临的主要挑战是由于受到拉格朗日光学不定式的限制，可视范围(出瞳范围)非常小，人眼在实际观看时，眼球稍微移动后，部分显示画面就会丢失，使观察者看不到完整的显示图像。因此，如何增大视网膜投影显示系统的出瞳大小成为了本技术领域技术人员亟待解决的技术难题。
为解决视网膜投影显示技术出瞳小的问题，发明专利CN201710694351.0提出一种眼球追踪系统和眼球追踪方法，该专利采用光电探测器与控制器对眼球反射光线的采集和分析，检测眼球的实时位置和注视方向，以调整视网膜投影光学系统的出瞳位置与人眼位置相匹配，保证人眼可观察到完整的显示画面。该专利所提出的技术方案具有可行性，但是大大增加了整个系统的复杂性和重量，并且对眼球追踪技术的准确度和灵敏度的要求极高。
发明专利CN201610769565.5提出使用离散分光器件接收细光束并对其分光，以产生不同离散方向的光束，通过反射器件对不同离散方向的光束进行反射，得到反射光束以形成各个视点，以达到扩大视网膜投影光学系统出瞳范围的目的。该专利从光学结构的角度提出了扩大出瞳的解决方案，但光学结构复杂，不易实现。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种视网膜投影近眼显示系统，简化现有技术的复杂程度，提高出瞳尺寸；本发明的第二目的是提供一种视网膜投影近眼显示系统的设计方法，通过计算光束的参数实现系统中光学元件的位置结构。
技术方案：一种视网膜投影近眼显示系统，包括微显示器、准直透镜组和拼接式体全息光栅，所述的微显示器用于点亮图像，产生发散的光束，发散的光束经过准直透镜组准直成各个视角方向的光束，然后由拼接式体全息光栅接收包含中央视角范围和左右边缘视角范围的准直光束，拼接式体全息光栅器件对各个视角范围上的准直光束进行不同的衍射效应，得到对应不同视角范围的衍射光束，各个视点形成满足人眼观看完整显示画面的出瞳范围，且各个相邻视点的距离中于人眼瞳孔的直径；
所述拼接式体全息光栅是由数块厚度相同、宽度相同、长度相同的，具有不同中心入射角的体全息光栅上下拼接而成，且体全息光栅满足布拉格条件，所述拼接式全息光栅与准直透镜组的光轴夹角在25°～35°范围之间，所述拼接式全息光栅的几何中心与准直透镜组的光心距离等于准直透镜组的焦距，所述拼接式全息光栅位于平板玻璃表面，距离人眼距离10mm-20mm。
进一步的，所述准直透镜组叠加设置，包括球面透镜，非球面透镜，胶合柱面透镜，自由曲面透镜的任意组合，且所述准直透镜组口径在20mm-30mm之间，焦距小于25mm。
进一步的，所述拼接式体全息光栅包括用于接收各个视角方向的准直光束的波导器件作为衬底器件，所述波导器件的结构包括设置为平板波导、曲面波导或自由曲面波导，拼接式体全息光栅器件贴合在波导器件的表面或者嵌入波导器件中。
更进一步的，所述拼接式体全息光栅所包含的体全息光栅数量为3个，均满足布拉格条件，且其对应的光栅周期互不相同。
所述系统中，设微型显示器的任意像素位置为(XA，YA)，准直透镜组光心坐标为(Xlen，Ylen)，则上述任意像素经过所述准直透镜组，入射至拼接式反射型体全息光栅的入射角为
Figure BDA0003655802700000021
进一步的，所述系统中，微显示器的像源中央像素位置坐标为(Xo，Yo)，所述准直透镜组所在平面在x-y平面的投影直线的法线斜率为
Figure BDA0003655802700000022
直线斜率为
Figure BDA0003655802700000023
准直透镜直线方程为y＝k(x-Xlen)+Ylen。
一种视网膜投影近眼显示系统的设计方法，该方法用于计算所述系统中微显示器、准直透镜组和拼接式反射体全息光栅之间的光束传播路径，从而确定微显示器、准直透镜组和拼接式反射体全息光栅之间的位置关系，包括如下过程：
(1)确定准直透镜组的中心光线直线方程：
首先微显示器的任意像素所发出光束，经过准直透镜组准直，设该准直光束的中心光线起点位置坐标
Figure BDA0003655802700000031
该点坐标由直线方程联立
Figure BDA0003655802700000032
可得如下关系式：
Figure BDA0003655802700000033
由此可得中心光线直线方程为
Figure BDA0003655802700000034
(2)确定拼接式体全息光栅的中心位置坐标：
设置拼接式体全息光栅厚度约为小于20um，且忽略其厚度影响，视拼接式体全息光栅所构成的体全息光栅位于同一平面y-z平面，则可得准直光束中心光线交上述平面坐标为(Xn，0)，
Figure BDA0003655802700000035
(3)以步骤(1)确定的准直光束投影到至体全息光栅所在平面的最大长度确定体全息光栅长度。
进一步的，所述方法中，视网膜投影近眼显示装置设置出瞳平面中心位置坐标为(Xe，Ye)，对于任意一块反射型体全息光栅衍射角计算如下：
Figure BDA0003655802700000036
进一步的，所述方法中，设体全息光栅所在平面与准直透镜组光轴夹角为β，对于任意光束投影长度的计算如下：
Figure BDA0003655802700000037
W为所述微型显示像源所在平面上任意像素点所发出光束投影在准直透镜组所在平面的宽度，
Figure BDA0003655802700000038
f为准直透镜组的焦距，α为上述像素点的发散角。
有益效果：与现有技术相比，本发明利用三个及以上的反射型体全息光栅的拼接，构成拼接式反射型体全息光栅作为光学耦合器件，拼接式反射型体全息光栅对从微显示器及准直光学镜组出射的各个视角方向上的准直光束发生布拉格衍射，重新构建所形成的视点排布方式，同时大幅提升出瞳尺寸，保证人眼观看显示画面的完整性，同时结构设计简单，显示系统体积较小，适合近眼显示佩戴。
附图说明
图1是本发明所述系统中反射型拼接式体全息光栅时组合结构示意图；
图2是是本发明所述系统中透射型拼接式体全息光栅时组合结构示意图；
图3是本发明的系统结构和光束传输示意图；
图4是本发明实现的出瞳区域投影示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图进一步的表述。
结合背景技术所述的内容和现有技术，多数的视网膜投影显示系统出瞳尺寸过小，视场角小，光学结构复杂等难题，本发明提供一种视网膜投影近眼显示系统，且提供该系统的设计方法，以此实现该系统的微显示器、准直透镜组、拼接式反射型体全息光栅的位置、结构关系，如图1和图2所示。
微显示器1，用于产生包含图像信息的发散光束，或者是以光源点亮图像的方式实现图像光束的传播。
准直透镜组2，用于将来自微型显示器的发散光束对应的像素点位置信息转化为角度信息，将包含图像信息的发散光束准直成各个视角方向的光束。
拼接式体体全息光栅包括设置为拼接式反射型体全息光栅器件301或拼接式投射型全息光栅302，拼接式体体全息光栅用于接收微显示器和准直透镜出射的准直光束，准直光束包含中央视角范围和左右边缘视角范围。拼接式反射型体全息光栅器件301可对各个视角范围上的准直光束进行不同的衍射效应，得到对应不同视角范围的衍射光束，衍射光束可重新构建出各个视点，各个视点可形成满足人眼4观看完整显示画面的出瞳范围，且各个相邻视点的距离小于人眼瞳孔的直径。
以拼接式反射型体全息光栅301为例，可以以波导器件作为衬底器件，可以是平板波导、曲面波导、自由曲面波导等；更好的接收各个视角方向的准直光束，并对各个视角方向的准直光束进行衍射，产生不同衍射方向的光束，具体包括用于接收各个视角方向的准直光束，并进行衍射，产生不同方向的衍射光束，通过调整拼接反射体全息光栅的光栅周期、光栅倾角等光栅参数，调整衍射光束的衍射方向，以形成具有一定间隔的视点，调整视点个数及视点数量，调整视点的间隔。
更加具体的指出，微型显示器种类可包含MicroLED，LCoS，OLED，DMD，微型显示像源的典型尺寸为0.39英寸，分辨率为1024*768。准直透镜组可以包括球面透镜，非球面透镜，胶合柱面透镜，自由曲面透镜等，也包括其中任意两个及以上的组合，焦距应小于25mm，准直透镜组口径应在20mm-30mm之间。此时，准直光束具有一定的光斑尺寸。随后光束进入到反射型体全息光栅中。
拼接反射体全息光栅器件301贴合在波导器件的表面或者嵌入波导器件中，具体的可以是由数块厚度相同，宽度相同，长度相同的，具有不同中心入射角的反射型体全息光栅上下拼接而成，且反射型体全息光栅满足布拉格条件，入射角选择性典型数值为10°。
对于拼接反射体全息光栅，其加工工艺包括微纳加工工艺和干涉曝光工艺。
进一步的，拼接式全息光栅与准直透镜组光轴夹角应在25°～35°范围之间，拼接式光栅几何中心与准直透镜组的光心距离应等于准直透镜组的焦距，拼接式全息光栅位于平板玻璃表面，距离人眼距离10mm-20mm。试验证明，拼接式反射型体全息光栅所包含的反射型体全息光栅数量典型为3个，均满足布拉格条件，且其对应的光栅周期互不相同，以此设计的反射型体全息光栅满足布拉格条件为λ＝2nΛcosθ。
结合图3和图4，下面以上述的一种视网膜投影近眼显示系统中其中部分光束传播的路径和物理特性来阐述其系统的结构。
若微型显示器的任意像素位置为(XA，YA)，所述准直透镜组光心坐标为(Xlen，Ylen)上述任意像素经过所述准直透镜组，入射至拼接式反射型体全息光栅的入射角
Figure BDA0003655802700000051
设微型显示像源的中央像素位置坐标为(Xo，Yo)，则准直透镜组所在平面在x-y平面的投影直线的法线斜率为
Figure BDA0003655802700000061
直线斜率为
Figure BDA0003655802700000062
所述透镜直线方程y＝k(x-Xlen)+Ylen。
为了实现上述系统的设计，以光学计算的理论出发，下面阐述基于光学特征及位置分析提出的一种视网膜投影近眼显示系统的设计方法。
对于微显示器的任意像素所发出光束，经过准直透镜组所发出准直光束，该准直光束的中心光线起点位置坐标
Figure BDA0003655802700000063
该点坐标由直线方程联立，可得表达式如下：
Figure BDA0003655802700000064
计算可得：
Figure BDA0003655802700000065
上述中心光线直线方程为
Figure BDA0003655802700000066
一般的，拼接式反射型光栅厚度约为5-20um，则厚度可忽略，设计时可认为拼接式反射型光栅所构成的反射型体全息光栅位于同一平面y-z平面，准直光束中心光线交上述平面坐标为(Xn，0)，
Figure BDA0003655802700000067
由此可确定所述拼接式反射型体全息光栅的中心位置坐标。
若，本发明所述的视网膜投影近眼显示系统设置出瞳平面中心位置坐标为(Xe，Ye)，可得对于任意一块反射型体全息光栅衍射角
Figure BDA0003655802700000068
反射型体全息光栅长度由上述准直光束投影至该平面的最大长度所确定。其中，反射型体全息光栅所在平面与所述准直透镜组光轴夹角为β，对于任意光束投影长度
Figure BDA0003655802700000069
W为所述微型显示像源所在平面上任意像素点所发出光束投影在所述准直透镜组所在平面的宽度，
Figure BDA00036558027000000610
f为准直透镜组的焦距，α为上述像素点的发散角。
值得指出的是，在上述的设计方法中，通过光束及位置点的计算，可以反向推定本发明所述系统的结构。

Claims (10)

1.一种视网膜投影近眼显示系统，包括微显示器、准直透镜组和拼接式体全息光栅，其特征在于：所述的微显示器用于点亮图像，产生发散的光束，发散的光束经过准直透镜组准直成各个视角方向的光束，然后由拼接式体全息光栅接收包含中央视角范围和左右边缘视角范围的准直光束，拼接式体全息光栅器件对各个视角范围上的准直光束进行不同的衍射效应，得到对应不同视角范围的衍射光束，各个视点形成满足人眼观看完整显示画面的出瞳范围，且各个相邻视点的距离小于人眼瞳孔的直径；
所述拼接式体全息光栅是由数块厚度相同、宽度相同、长度相同的，具有不同中心入射角的体全息光栅上下拼接而成，且体全息光栅满足布拉格条件，所述拼接式体全息光栅与准直透镜组的光轴夹角在25°～35°范围之间，拼接式体全息光栅的几何中心与准直透镜组的光心距离等于准直透镜组的焦距，所述拼接式体全息光栅位于平板玻璃表面，距离人眼距离10mm-20mm。
2.根据权利要求1所述的视网膜投影近眼显示系统，其特征在于：所述拼接式体全息光栅包括用于接收各个视角方向的准直光束的波导器件作为衬底器件，所述波导器件包括平板波导、曲面波导或自由曲面波导，拼接反射体全息光栅器件贴合在波导器件的表面或者嵌入波导器件中，且入射面镀有一层增透膜以防止部分光线被玻璃反射。
3.根据权利要求1所述的视网膜投影近眼显示系统，其特征在于：所述准直透镜组叠加设置，包括球面透镜，非球面透镜，胶合柱面透镜，自由曲面透镜的任意组合，且准直透镜组口径在20mm-30mm之间，焦距小于25mm。
4.根据权利要求1所述的视网膜投影近眼显示系统，其特征在于：所述拼接式体全息光栅所包含的体全息光栅数量为3个，均满足布拉格条件，且其对应的光栅周期互不相同。
5.根据权利要求1所述的视网膜投影近眼显示系统，其特征在于：所述的拼接式体全息光栅包括反射型和透射型的体全息光栅，对应的，准直像源光束位于观察者可视位置的同侧或者异侧。
6.根据权利要求1所述的视网膜投影近眼显示系统，其特征在于：所述系统中，设微型显示器的任意像素位置为(XA，YA)，准直透镜组光心坐标为(Xlen，Ylen)，则上述任意像素经过准直透镜组，入射至拼接式体全息光栅的入射角为
Figure FDA0003655802690000021
7.根据权利要求6所述的视网膜投影近眼显示系统，其特征在于：所述系统中，微显示器的像源中央像素位置坐标为(Xo，Yo)，准直透镜组所在平面在x-y平面的投影直线的法线斜率为
Figure FDA0003655802690000022
直线斜率为
Figure FDA0003655802690000023
准直透镜直线方程为y＝k(x-Xlen)+Ylen。
8.一种视网膜投影近眼显示系统的设计方法，该方法用于计算所述系统中微显示器、准直透镜组和拼接式体全息光栅之间的光束传播路径，从而确定微显示器、准直透镜组和拼接式体全息光栅之间的位置关系，其特征在于，包括如下过程：
(1)确定准直透镜组的中心光线直线方程：
首先微显示器的任意像素所发出光束，经过准直透镜组，设该准直光束的中心光线起点位置坐标
Figure FDA0003655802690000024
该点坐标由直线方程联立
Figure FDA0003655802690000025
可得如下关系式：
Figure FDA0003655802690000026
由此可得中心光线直线方程为
Figure FDA0003655802690000027
(2)确定拼接式反射型体全息光栅的中心位置坐标：
设置拼接式体光栅厚度约为小于20um，且忽略其厚度影响，视拼接式体光栅中反射型体全息光栅位于同y-z平面，则可得准直光束中心光线交上述平面坐标为(Xn，0)，
Figure FDA0003655802690000028
(3)以步骤(1)确定的准直光束投影到至体全息光栅所在平面的最大长度确定体全息光栅长度。
9.根据权利要求8所述的视网膜投影近眼显示系统的设计方法，其特征在于：所述方法中，视网膜投影近眼显示装置中出瞳平面中心位置坐标为(Xe，Ye)，对于任意一块反射型体全息光栅衍射角计算如下：
Figure FDA0003655802690000031
10.根据权利要求8所述的视网膜投影近眼显示系统的设计方法，其特征在于：所述方法中，设反射型体全息光栅所在平面与准直透镜组光轴夹角为β,对于任意光束投影长度的计算如下：
Figure FDA0003655802690000032
W为所述微型显示像源所在平面上任意像素点所发出光束投影在准直透镜组所在平面的宽度，
Figure FDA0003655802690000033
f为准直透镜组的焦距，α为上述像素点的发散角。
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CN116165803A (zh) * 2023-04-20 2023-05-26 杭州光粒科技有限公司 一种波导显示系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115576111A (zh) * 2022-11-11 2023-01-06 杭州光粒科技有限公司 一种ar显示设备
CN116165803A (zh) * 2023-04-20 2023-05-26 杭州光粒科技有限公司 一种波导显示系统
CN116165803B (zh) * 2023-04-20 2024-03-12 杭州光粒科技有限公司 一种波导显示系统

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