CN115079415A - 一种孔光线近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种孔光线近眼显示系统，其中，该孔光线近眼显示系统包括：显示系统、中继系统和图像组合器；图像组合器包括多个呈周期性排布的反射式超透镜，且相邻的反射式超透镜之间具有空隙；显示系统用于生成投影光；中继系统设置于显示系统的出光侧，用于将投影光投影至图像组合器的反射式超透镜；图像组合器中的空隙用于透过环境光，反射式超透镜反射投影光，且环境光的透射方向与投影光的反射方向一致；反射式超透镜反射的投影光能够生成显示图像。通过本发明实施例提供的孔光线近眼显示系统，可以使环境光直接从图像组合器的空隙中透过，不会导致模糊和失真；且该孔光线近眼显示系统结构简单，体积轻薄，加工方便，成本更低。

Description

一种孔光线近眼显示系统

技术领域

本发明涉及近眼显示光学技术领域，具体而言，涉及一种孔光线近眼显示系统。

背景技术

常见的孔光线(Pin-light)图像组合器主要包括三种，第一种是基于孔光线的图像组合器，其上设有多个针孔，投影光从针孔中耦出，经过透射式空间光调制器添加图像从而将投影光与环境光叠加投送到佩戴者的眼瞳；但是，环境光会经过该透射式空间光调制器，从而被衍射，导致环境光出现模糊和失真；第二种是基于针孔反射镜的图像组合器，该针孔反射镜需要设置在图像组合器内部，且需要多个反射镜阵列的组合，从而导致该种图像组合器加工复杂且高成本；第三种是基于微凹面反射镜阵列的图像组合器，同样需要将多个微凹面反射镜设置在图像组合器中，导致图像组合器更加复杂且成本较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种孔光线近眼显示系统。

本发明实施例提供了一种孔光线近眼显示系统，包括：显示系统、中继系统和图像组合器；所述图像组合器包括多个呈周期性排布的反射式超透镜，且相邻的所述反射式超透镜之间具有空隙；所述显示系统用于生成投影光；所述中继系统设置于所述显示系统的出光侧，用于将所述投影光投影至所述图像组合器的反射式超透镜；所述图像组合器中的空隙用于透过环境光，所述反射式超透镜反射所述投影光，且所述环境光的透射方向与所述投影光的反射方向一致；所述反射式超透镜反射的投影光能够生成显示图像。

可选地，反射式超透镜的口径满足

其中，M_size表示所述反射式超透镜的口径；u_h表示超焦点距离，所述超焦点距离为所述显示图像的最小投影距离；f₁表示注视所述显示图像的人眼的焦距；p表示所述人眼的等效像素大小。

可选地，反射式超透镜的周期满足D_m＝D_p+M_size；其中，D_m表示周期；D_p表示所述人眼的入瞳口径。

可选地，反射式超透镜包括连续波长色差矫正超透镜，或者，至少三种离散波长色差矫正超透镜。

可选地，连续波长色差矫正超透镜包括：纳米结构；且所述连续波长色差矫正超透镜的最大口径满足：

其中，d_max表示所述最大口径，Δn_eff表示所述连续波长色差矫正超透镜对应的等效折射率区间，h表示所述连续波长色差矫正超透镜中的纳米结构的高度，f₂表示所述连续波长色差矫正超透镜的焦距。

可选地，至少三种离散波长色差矫正超透镜对每种不同离散波长的投影光具有相同的相位响应，所述相同的相位响应表示所述至少三种离散波长色差矫正超透镜能够将以不同入射角度射入的不同离散波长的投影光，调制向同一位置会聚；所述至少三种离散波长色差矫正超透镜的相位响应满足：

且

其中，n表示所述离散波长色差矫正超透镜所对应的离散波长种类个数，n≥3；r表示不同离散波长的投影光的入射位置；f₃表示所述离散波长色差矫正超透镜的焦距；λ_i表示射入的投影光的波长，θ_i表示射入的投影光的入射角度，i＝1,2,…,n。

可选地，显示系统包括：发光二极管显示器；所述发光二极管显示器用于生成投影光。

可选地，显示系统包括：光源模组和图像生成器；所述光源模组用于发射初始光；所述图像生成器设置于所述光源模组的出光侧，用于对所述初始光进行调制，生成所述投影光。

可选地，光源模组包括：N个不同中心波长的单色窄带激光器以及N-1个分光镜；N大于或等于3；N-1个所述单色窄带激光器产生的激光经相应的分光镜分束后，与一个未经过所述分光镜分束的所述单色窄带激光器产生的激光合并，生成所述初始光，且N个所述单色窄带激光器产生的光包括蓝光、绿光和红光；或者，所述光源模组包括：两个蓝色激光器、荧光材料转盘和两个分光镜；一个所述蓝色激光器用于产生蓝光；另一个所述蓝色激光器用于照射所述荧光材料转盘以激发生成两个波长大于所述蓝光的光；所述蓝光和所述两个波长大于所述蓝光的光，经所述分光镜分束后生成所述初始光；或者，所述光源模组包括：N个不同中心波长的单色窄带发光二极管以及N-1个分光镜；N大于或等于3；N-1个所述单色窄带发光二极管产生的光经所述分光镜分束后，与一个未经过所述分光镜分束的所述单色窄带发光二极管产生的光束合并，生成所述初始光，且N个所述单色窄带发光二极管产生的光包括蓝光、绿光和红光。

可选地，分光镜包括二向色镜。

可选地，图像生成器包括：N个不同中心波长对应的数字微镜器件；N大于或等于3；每个所述数字微镜器件依据要投影的所述显示图像的信息，将所述初始光中对应中心波长的光进行处理，得到所述投影光，并将所述投影光射向所述中继系统。

可选地，光源模组还包括：波束放大器；所述波束放大器用于对所述初始光进行扩束。

可选地，图像生成器包括：空间光调制器；所述空间光调制器设置在所述波束放大器的出光侧，用于依据要投影的所述显示图像的信息，将扩束后的初始光处理生成所述投影光，并将所述投影光射向所述中继系统。

可选地，中继系统包括：反射镜或者转向镜组；所述反射镜用于改变所述投影光的光路，并将所述投影光投影至所述图像组合器的反射式超透镜；所述转向镜组用于改变所述投影光的光路，并对所述投影光进行调制，将调制后的所述投影光投影至所述图像组合器的反射式超透镜。

可选地，转向镜组包括：4f系统；所述4f系统用于扩大所述投影光生成的显示图像的视场角，并将调制后的所述投影光投影至所述图像组合器的反射式超透镜。

本发明实施例上述提供的方案中，因其具有多个阵列式排布的反射式超透镜，且相邻的反射式超透镜之间具有空隙，可以使环境光直接从这些空隙中透过，即该环境光无需经过其他光学元件(例如显示系统)，并与该反射式超透镜所反射的投影光相叠加，因而使采用该图像组合器的孔光线近眼显示系统不会出现环境光被其他光学元件所衍射从而导致的模糊和失真问题；此外，该孔光线近眼显示系统所包括的图像组合器具有体量轻薄、结构简单、加工方便以及成本更低等优点，从而使该孔光线近眼显示系统的厚度也能降低，结构不复杂。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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示出了本发明实施例所提供的一种孔光线近眼显示系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，图像组合器的原理解释示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，图像组合器的原理解释示意图的局部放大示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，反射式超透镜包括离散波长色差矫正超透镜的效果示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，显示系统包括发光二极管显示器的结构示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，另一种显示系统的结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，光源模组包括N个不同中心波长的单色窄带激光器，且图像生成器包括数字微镜器件的示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，光源模组包括两个蓝色激光器，且图像生成器包括数字微镜器件的示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，光源模组包括N个不同中心波长的单色窄带发光二极管，且图像生成器包括数字微镜器件的示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，光源模组包括N个不同中心波长的单色窄带激光器和波束放大器，图像生成器包括空间光调制器的示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，光源模组包括两个蓝色激光器和波束放大器，图像生成器包括空间光调制器的示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，光源模组包括N个不同中心波长的单色窄带发光二极管和波束放大器，图像生成器包括空间光调制器的示意图；

图13示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，具有空间光调制器的整体结构示意图；

图14示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，中继系统包括反射镜的示意图；

图15示出了本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，中继系统包括4f系统的示意图。

图标：

1-显示系统、2-中继系统、3-图像组合器、11-发光二极管显示器、12-光源模组、13-图像生成器、21-反射镜、22-转向镜组、31-反射式超透镜、121-单色窄带激光器、122-分光镜、123-蓝色激光器、124-荧光材料转盘、125-棱镜、126-单色窄带发光二极管、128-波束放大器、131-数字微镜器件、132-空间光调制器、221-折射透镜、222-超透镜。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种孔光线近眼显示系统，参见图1所示，该孔光线近眼显示系统包括：显示系统1、中继系统2和图像组合器3；图像组合器3包括多个呈周期性排布的反射式超透镜31，且相邻的反射式超透镜31之间具有空隙；显示系统1用于生成投影光；中继系统2设置于显示系统1的出光侧，用于将投影光投影至图像组合器3的反射式超透镜31；图像组合器3中的空隙用于透过环境光，反射式超透镜31反射投影光，且环境光的透射方向与投影光的反射方向一致；反射式超透镜31反射的投影光能够生成显示图像。

如图1所示，该孔光线近眼显示系统可以应用于AR眼镜等可穿戴设备，其中，显示系统1与中继系统2可以设置于眼镜框的镜腿位置，图像组合器3可以设置于该眼镜框的镜片位置，该中继系统2设置在显示系统1与图像组合器3之间，可以利用该中继系统2能够调整投影光的光路方向。

其中，投影光(图1中以实线示出)是由显示系统1生成的光束，该投影光用于构成显示图像；中继系统2设置在显示系统1的出光侧，使得显示系统1所发射的投影光能够射入该中继系统2，并经该中继系统2射向位于镜片位置的图像组合器3中。具体地，该投影光会被射向该图像组合器3中的多个反射式超透镜31，这些反射式超透镜31是相互间隔且呈周期性排布的光学元件，即任意两个相邻的反射式超透镜31之间具有空隙。其中，反射式超透镜31可以是镀有金属反射膜的超透镜，因此可以将设置有显示系统1的一侧射入的投影光反射出去，并形成显示图像；而该图像组合器3中的空隙则可以使环境光(如该图像组合器3远离显示系统1的一侧的外界环境中的环境光，图1中以虚线示出)透过该图像组合器3，透过的环境光能够与反射式超透镜31所反射的投影光进行叠加。

例如，在使用者需要佩戴具有孔光线近眼显示系统的设备并进行注视时，从多个相邻的反射式超透镜31之间的空隙所透过的环境光，可以与这些反射式超透镜31所反射的投影光一并射向该使用者的瞳孔(即人眼)，使得该使用者可以在看到环境光所呈现的外界环境的基础上，还可以同时看到叠加在该外界环境上的显示图像(即投影光所构成的显示图像)。

本发明实施例所采用的图像组合器3，因其具有多个阵列式排布的反射式超透镜31，且相邻的反射式超透镜31之间具有空隙，可以使环境光直接从这些空隙中透过，即该环境光无需经过其他光学元件(例如透射式空间光调制器等)，并与该反射式超透镜31所反射的投影光相叠加，因而使采用该图像组合器3的孔光线近眼显示系统不会出现环境光被其他光学元件所衍射从而导致的模糊和失真问题；此外，该孔光线近眼显示系统所包括的图像组合器3具有体量轻薄、结构简单、加工方便以及成本更低等优点，从而使该孔光线近眼显示系统的厚度也能降低，结构不复杂。

可选地，反射式超透镜31的口径满足

其中，M_size表示反射式超透镜31的口径；u_h表示超焦点距离，超焦点距离为显示图像的最小投影距离；f₁表示注视显示图像的人眼的焦距；p表示人眼的等效像素大小。

在本发明实施例中，反射式超透镜31的口径指该反射式超透镜31的外围尺寸；例如，若反射式超透镜31为圆形，则口径为直径，若反射式超透镜31为方形或六边形等，则口径可以为反射式超透镜31的外接圆直径。

其中，每个反射式超透镜31的口径可以由该孔光线近眼显示系统的焦深来决定；焦深指在保持影像(如显示图像)在可接受的清晰范围(如较为清晰的范围)内的前提下，焦平面沿该反射式超透镜31的光轴所允许移动的距离。本发明实施例中，该图像组合器3中的反射式超透镜31可以将该显示图像可接受的清晰范围扩大为无穷远，如该孔光线近眼显示系统的焦深最大化，使得反射式超透镜31所生成的显示图像在无穷远处也可以是清晰的图像。具体地，若要使该孔光线近眼显示系统的焦深最大化，该图像组合器3中的反射式超透镜31与所投影的显示图像之间的距离应为超焦点距离(hyperfocal distance)，如图2所示(图2示出了该图像组合器3的原理解释示意图)，该超焦点距离u_h为该图像显示器3所要投影的显示图像的最小投影距离；在该反射式超透镜31(图像组合器)与投影光所生成的显示图像之间的距离为该超焦点距离的情况下，该孔光线近眼显示系统能够将该显示图像可接受的清晰范围最大化(焦深最大化)，使该显示图像可接受的清晰范围由该超焦点距离的一半(即近处深度限制，Near depth limit)延伸至无穷远。因此，本发明实施例中，该反射式超透镜31的口径大小满足关系式：

即，可以根据该超焦点距离u_h、观看该显示图像的人眼的焦距f₁以及该人眼的等效像素大小p，确定该图像组合器3中每个反射式超透镜31的口径M_size。

可选地，反射式超透镜31的周期满足D_m＝D_p+M_size；其中，D_m表示周期；D_p表示人眼的入瞳口径。

本发明实施例中，在已确定每个反射式超透镜31的口径M_size的情况下，可以进一步根据口径M_size确定这些反射式超透镜31的周期，其中，反射式超透镜31的周期D_m表示两个相邻的反射式超透镜31之间的距离，例如，两个相邻的反射式超透镜31各自中心之间的距离，或者，两个相邻的反射式超透镜31之间的空隙与其中一个反射式超透镜31的口径之和。而为了使从同一空隙的两端(两个相邻的反射式超透镜31构成该空隙的各自一端)所反射的投影光可以生成清晰图像，如不会出现部分重叠的图像；并且可以保证在视网膜(使用者的视网膜)上所投影的显示图像能够按顺序拼接，需要令从同一空隙的两端(两个相邻反射式超透镜31相邻的两端)所反射的投影光经过使用者的瞳孔聚焦在视网膜的同一位置，因此，两个反射式超透镜31之间的空隙的大小应与使用者人眼的入瞳口径一致，故，本发明实施例中反射式超透镜31的周期应满足关系式：D_m＝D_p+M_size，其中，D_p表示人眼的入瞳口径，其与两个相邻反射式超透镜31之间的空隙大小相同。

例如，参见图3所示，图3为该图像组合器3的原理解释示意图的局部放大图；如图3所示，图像组合器3由上至下依次包括第k个反射式超透镜31、第k+1个反射式超透镜31以及第k+2个反射式超透镜31；反射式超透镜31的周期D_m可以表示为第k个反射式超透镜的顶部与第k+1个反射式超透镜31的顶部之间的距离，通过式子D_m＝D_p+M_size即可确定反射式超透镜31的周期。

在本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，图像组合器3中任意相邻的两个反射式超透镜31之间的空隙的大小，与人眼的入瞳距离相同，这样周期排布的反射式超透镜31可以使所反射的投影光所生成的显示图像不会出现部分重叠的现象，该显示图像更加清晰。

可选地，该反射式超透镜31包括连续波长色差矫正超透镜，或者，至少三种离散波长色差矫正超透镜。

其中，由于显示系统1所发射的投影光为多波长混合复色光(如多个单色光混合的光，或者可见光波长对应的光)，为矫正投影光的色差，该反射式超透镜31可以包括连续波长色差矫正超透镜，即该反射式超透镜31是能够消除相应可见光波段的光束(投影光)所产生的色差的超透镜；或者，该反射式超透镜31可以包括至少三种离散波长色差矫正超透镜，即该反射式超透镜31能够矫正如包括RGB(红绿蓝)三种波长所混合的投影光所产生的色差。

可选地，连续波长色差矫正超透镜包括：纳米结构；且连续波长色差矫正超透镜的最大口径满足：

其中，d_max表示最大口径，Δn_eff表示连续波长色差矫正超透镜对应的等效折射率区间，h表示连续波长色差矫正超透镜中的纳米结构的高度，f₂表示连续波长色差矫正超透镜的焦距。

其中，连续波长色差矫正超透镜(反射式超透镜31)包含多个周期排列的纳米结构，可以从无色差库中选取合适的纳米结构来设计连续波长色差矫正超透镜。在连续波长色差矫正超透镜无色差的情况下，该连续波长色差矫正超透镜对应的等效折射率区间Δn_eff(无色差库中纳米结构的最大等效折射率与最小等效折射率之间的差值)与连续波长色差矫正超透镜的口径的最大值d_max之间的关系满足下式(1)，即连续波长色差矫正超透镜的口径小于或等于该最大值d_max时，该连续波长色差矫正超透镜能够矫正色差。

其中，h表示连续波长色差矫正超透镜中的纳米结构的高度，f₂表示该连续波长色差矫正超透镜的焦距。

可选地，至少三种离散波长色差矫正超透镜对每种不同离散波长的投影光具有相同的相位响应，相同的相位响应表示至少三种离散波长色差矫正超透镜能够将以不同入射角度射入的不同离散波长的投影光，调制向同一位置会聚；至少三种离散波长色差矫正超透镜的相位响应满足：

且相位响应分别与对应波长的投影光的入射角度θ具有关系：

其中，n表示离散波长色差矫正超透镜所对应的离散波长种类个数，n≥3；如n＝3，表示该离散波长色差矫正超透镜对应三种离散波长，例如，红光波长、绿光波长、蓝光波长；r表示不同离散波长的投影光的入射位置(即入射位置(x,y)坐标到该离散波长色差矫正超透镜中心点的距离)；f₃表示离散波长色差矫正超透镜的焦距；λ_i表示射入的投影光的波长，θ_i表示射入的投影光的入射角度，i＝1,2,…,n。

本发明实施例中，该至少三种离散波长色差矫正超透镜(反射式超透镜31)分别对于每种(至少三种中的每一种)波长的投影光的相位响应是相同的，即在至少三种不同波长的投影光分别以不同入射角度射入该至少三种离散波长色差矫正超透镜的情况下，该至少三种离散波长色差矫正超透镜能够将每种波长的投影光调制向同一位置会聚，进而投影成具有至少三个波长的无色差的显示图像(彩色)。

如图4所示，图4为该离散波长色差矫正超透镜的效果示意图；当波长为λ₁的投影光以入射角度θ₁射入该离散波长色差矫正超透镜，波长为λ₂的光以角度θ₂射入该离散波长色差矫正超透镜，且波长为λ₃的光以角度θ₃射入该离散波长色差矫正超透镜时，三种不同波长的光会会聚到同一位置，不会出现投影位置的错位，进而能够重合在一起并进行色彩还原，即投影成无色差的显示图像。图4为了分别示出三条不同波长的反射光，将这三条反射光以基本重叠的形式示出，实际可以确定这三条反射光是会聚向同一位置的，应是重合的。

可选地，如图5所示，显示系统1包括：发光二极管显示器11；发光二极管显示器11用于生成投影光。

其中，显示系统1可以是发光二极管显示器11，例如，其可以是微型发光二极管显示器(MicroLED)，或者微型发光二极管显示器(MicroLED)阵列，以生成投影光；本发明实施例选用上述发光二极管显示器11作为显示系统1，其整体结构较小，属于微型显示器，更加适用于该孔光线近眼显示系统。

可选地，参见图6所示，显示系统1包括：光源模组12和图像生成器13；光源模组12用于发射初始光；图像生成器13设置于光源模组12的出光侧，用于对初始光进行调制，生成投影光。其中，光源模组12所生成的初始光可以是多个波长的光，使得该初始光在射向图像生成器13后，进一步调制得到的投影光也是复色光。

可选地，参见图7所示，光源模组12包括：N个不同中心波长的单色窄带激光器121以及N-1个分光镜122；N大于或等于3；N-1个单色窄带激光器121产生的激光经相应的分光镜122分束后，与一个未经过分光镜122分束的单色窄带激光器121产生的光束合并，生成初始光，且N个单色窄带激光器121产生的光包括蓝光、绿光和红光。

其中，该光源模组12中存在N个可以发射单色窄带激光的激光器，且每个单色窄带激光器121所能发射的激光的颜色不同(如波长不同)，使得该孔光线近眼显示系统为复色孔光线近眼显示系统。在该光源模组12中还包括能够与其中N-1个单色窄带激光器121一一对应的分光镜122(N-1个)，每个分光镜122能够将相应的单色窄带激光器121(N-1个)所产生的光进行分束，并与一个未被任何分光镜122分束的单色窄带激光器121所发出的单色激光合并，最终得到初始光束；如图7所示，该单色窄带激光器121所发射的光束可以直接射向该光源模组12的出光侧，与经分光镜122分别分束后的光束形成初始光束。例如，参见图7所示，该光源模组12包括三个单色窄带激光器121，这三个单色窄带激光器121分别用于发射蓝色激光、绿色激光和红色激光；可选地，该分光镜122包括二向色镜，即相对于其中两个单色窄带激光器121所设置的两个分光镜122可以是能够满足将需要反射的相应波长的光进行反射、将需要透射的相应波长的光进行透射的二向色镜。其中，蓝色激光的中心波长为450nm，带宽为2nm，带宽与中心波长的比值为0.44％；绿色激光的中心波长为525nm，带宽为2nm，带宽与中心波长的比值为0.38％；红色激光的中心波长为635nm，带宽为1nm，带宽与中心波长的比值为0.16％。

或者，参见图8所示，光源模组12包括：两个蓝色激光器123、荧光材料转盘124和两个分光镜122；一个蓝色激光器123用于产生蓝光；另一个蓝色激光器123用于照射荧光材料转盘124以激发生成两个波长大于蓝光的光；蓝光和两个波长大于蓝光的光，经分光镜122分束后生成初始光。

其中，该光源模组12所包括的两个蓝色激光器123，是能够发射蓝色激光的激光器。在其中一个蓝色激光器123的出光侧依次设置两个分光镜122，在另一个蓝色激光器123的出光侧设置荧光材料转盘124。如图8所示，该分光镜122可以是符合需求的二向色镜；其中，靠近相应蓝色激光器123的分光镜122，可以将波长为蓝色光波长的激光进行透射，并将波长大于蓝色光波长的激光(如绿色激光)进行反射；而远离该蓝色激光器123的分光镜122，可以将波长为蓝色光波长的激光以及波长为绿色光波长的激光进行透射，并将波长大于绿色光波长的激光(如红色激光)进行反射。

在本发明实施例中，对应设置两个分光镜122的蓝色激光器123用于产生蓝色激光，该蓝色激光分别经两个分光镜122分束后，以窄带光的形式从最后一个分光镜122射出。另一个蓝色激光器123将所发射的蓝色激光照射向荧光材料转盘124，以激发其他颜色(例如红色和绿色)的激光。其他颜色的激光分别经分光镜122分束后射出，最终从设置在该光源模组12最后位置处(如靠近该光源模组12出光侧)的分光镜122中射出初始光(如具有三种颜色的激光的混合光)。该种光源模组12因具有荧光材料转盘124，可以减少单色光源(如蓝色激光器123)的个数，节约成本，使整体结构更加轻薄紧凑。

或者，参见图9所示，光源模组12包括：N个不同中心波长的单色窄带发光二极管126以及N-1个分光镜122；N大于或等于3；N-1个单色窄带发光二极管126产生的光经分光镜122分束后，与一个未经过分光镜122分束的单色窄带发光二极管126产生的光束合并，生成初始光，且N个单色窄带发光二极管126产生的光包括蓝光、绿光和红光。

其中，该光源模组12中存在N个可以发射单色窄带普通光的光源，且N个单色窄带发光二极管126所能发射的普通光的颜色不同(如所发射的普通光的波长不同)，使得该孔光线近眼显示系统为复色孔光线近眼显示系统。在该光源模组12中还包括能够与N-1个单色窄带发光二极管126一一对应的分光镜122(N-1个)，每个分光镜122能够将相应的单色窄带发光二极管126(N-1个)所产生的光进行分束，并与一个未被任何分光镜122分束的单色窄带发光二极管126所直接发出的单色光束合并，最终得到初始光束；如图9所示，该单色窄带发光二极管126所发射的光束可以直接射向该光源模组12的出光侧，与经分光镜122分别分束后的光束形成初始光束。例如，参见图9所示，该光源模组12包括三个单色窄带发光二极管126，这三个单色窄带发光二极管126分别用于发射蓝光、绿光和红光；相对于其中两个单色窄带发光二极管126所设置的两个第三分光镜127可以是符合需求的二向色镜。

可选地，参见图7至图9所示，图像生成器13包括：N个不同中心波长对应的数字微镜器件131；N大于或等于3；每个数字微镜器件131依据要投影的显示图像的信息，将初始光中对应中心波长的光进行处理，得到投影光，并将投影光射向中继系统2。

其中，该图像生成器13包括N个数字微镜器件131(DMD，Digital MicromirrorDevice)，能够接收初始光，需要说明的是，图7至图9中分别以一个数字微镜器件131代表本实施例中所有数字微镜器件131示出。例如，所包含的数字微镜器件131的数量与单色窄带激光器121(或者单色窄带发光二极管126)的数量一致，且每个数字微镜器件131分别对应一个中心波长的窄带光，如蓝色激光(或普通蓝光)、绿色激光(或普通绿光)或者红色激光(或普通红光)。本发明实施例中，可以依据图像信息(如所要投影的显示图像的信息)，控制数字微镜器件131中相应位置的镜片偏转，按照时间顺序或按比例将射入的初始光中，对应中心波长的窄带光(如蓝色激光/普通蓝光、绿色激光/普通绿光或者红色激光/普通红光)依次反射出去，使得所反射的光能够形成投影光，并将该投影光反射至该孔光线近眼显示系统中的中继系统2，且具有该数字微镜器件131的显示系统1是基于实际图像源的显示系统。其中，可以在该数字微镜器件131出光侧设置棱镜125，用于与光源模组12所发射的初始光进行转向和分光。

可选地，参见图10至图12所示，该光源模组12还包括：波束放大器128；该波束放大器128用于对初始光进行扩束。

本发明实施例所提供的孔光线近眼显示系统中，其光源模组12中均可以包括波束放大器128，设置在该光源模组12的最后位置(如光源模组12最靠近其出光侧的位置)，用于将初始光进行扩束，得到更适用于该孔光线近眼显示系统的初始光。

可选地，参见图13所示，图像生成器13包括：空间光调制器132；空间光调制器132设置在波束放大器128的出光侧，用于依据要投影的显示图像的信息，将扩束后的初始光处理生成投影光，并将投影光射向中继系统2。

其中，该空间光调制器132是一类能将信息(如深度信息)加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。在本发明实施例中，该空间光调制器132设置在波束放大器128的出光侧，如图13所示，图13为包括空间光调制器132的一种孔光线近眼显示系统的整体示意图；该空间光调制器132能够对入射其中的扩束后的初始光进行波前调制(如计算并加载具有深度信息的显示图像)，射出投影光，使得所射出的投影光能够射向中继系统2。其中，该空间光调制器132可以包括液晶空间光调制器，或者基于超表面的空间光调制器，采用基于超表面的空间光调制器132可以进一步使孔光线近眼显示系统更加纤薄，结构简单。本发明实施例中，经空间光调制器132所生成的投影光可以生成清晰的三维立体图像，即该显示系统1是基于全息显示的显示系统。

可选地，中继系统2包括：反射镜21或者转向镜组22；反射镜21用于改变投影光的光路，并将投影光投影至图像组合器3的反射式超透镜31；转向镜组22用于改变投影光的光路，并对投影光进行调制，将调制后的投影光投影至图像组合器3的反射式超透镜31。

参见图14所示，该中继系统2可以仅包括反射镜21，该反射镜21的设置位置能够将射入其中的投影光反射向位于镜片位置的图像组合器3中，其中，该反射镜21可以是具有超表面的反射镜(如图14所示)，其可以使该中继系统2更加紧凑；或者，该反射镜21也可以是普通反射镜。

在本发明实施例中，参见图1所示，该中继系统2也可以是转向镜组22，例如，该转向镜组22可以包括折射透镜221和超透镜222，或者还可以包括反射镜21(如图1中继系统2所示)，该转向镜组22不但可以将射入其中的投影光的光路进行偏转，使该投影光射入与显示系统1并不共轴的图像组合器3的反射式超透镜31中，其还可以对该投影光进行调制，如使投影在图像组合器3上的投影光所生成的显示图像得到放大。

可选地，转向镜组22包括：4f系统；4f系统用于扩大投影光生成的显示图像的视场角，并将调制后的投影光投影至图像组合器3的反射式超透镜31。

其中，该转向镜组22还可以包括4f系统，即由两片透镜(或超透镜)构成的镜组，该投影光经该4f系统的调制后，不仅可以射向镜片位置上的图像组合器3的反射式超透镜31中(即转向)，还可以使其生成的显示图像的视场角大小得到扩大。例如，如图15所示，当该转向镜组22为4f系统时，靠近显示系统1的超透镜的焦距F₁可以小于远离显示系统1的超透镜的焦距F₂，使得投影光经过该4f系统后所生成的显示图像的视场角可以被扩大，并射向图像组合器3中的反射式超透镜31。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种孔光线近眼显示系统，其特征在于，包括：显示系统(1)、中继系统(2)和图像组合器(3)；所述图像组合器(3)包括多个呈周期性排布的反射式超透镜(31)，且相邻的所述反射式超透镜(31)之间具有空隙；

所述显示系统(1)用于生成投影光；

所述中继系统(2)设置于所述显示系统(1)的出光侧，用于将所述投影光投影至所述图像组合器(3)的反射式超透镜(31)；

所述图像组合器(3)中的空隙用于透过环境光，所述反射式超透镜(31)反射所述投影光，且所述环境光的透射方向与所述投影光的反射方向一致；所述反射式超透镜(31)反射的投影光能够生成显示图像。

2.根据权利要求1所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述反射式超透镜(31)的口径满足

其中，M_size表示所述反射式超透镜(31)的口径；u_h表示超焦点距离，所述超焦点距离为所述显示图像的最小投影距离；f₁表示注视所述显示图像的人眼的焦距；p表示所述人眼的等效像素大小。

3.根据权利要求2所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述反射式超透镜(31)的周期满足D_m＝D_p+M_size；其中，D_m表示周期；D_p表示所述人眼的入瞳口径。

4.根据权利要求1所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述反射式超透镜(31)包括连续波长色差矫正超透镜，或者，至少三种离散波长色差矫正超透镜。

5.根据权利要求4所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述连续波长色差矫正超透镜包括：纳米结构；且所述连续波长色差矫正超透镜的最大口径满足：

其中，d_max表示所述最大口径，Δn_eff表示所述连续波长色差矫正超透镜对应的等效折射率区间，h表示所述连续波长色差矫正超透镜中的纳米结构的高度，f₂表示所述连续波长色差矫正超透镜的焦距。

6.根据权利要求4所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述至少三种离散波长色差矫正超透镜对每种不同离散波长的投影光具有相同的相位响应，所述相同的相位响应表示所述至少三种离散波长色差矫正超透镜能够将以不同入射角度射入的不同离散波长的投影光，调制向同一位置会聚；

所述至少三种离散波长色差矫正超透镜的相位响应满足：

且

其中，n表示所述离散波长色差矫正超透镜所对应的离散波长种类个数，n≥3；r表示不同离散波长的投影光的入射位置；f₃表示所述离散波长色差矫正超透镜的焦距；λ_i表示射入的投影光的波长，θ_i表示射入的投影光的入射角度，i＝1,2,…,n。

7.根据权利要求1所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述显示系统(1)包括：发光二极管显示器(11)；所述发光二极管显示器(11)用于生成所述投影光。

8.根据权利要求1所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述显示系统(1)包括：光源模组(12)和图像生成器(13)；

所述光源模组(12)用于发射初始光；

所述图像生成器(13)设置于所述光源模组(12)的出光侧，用于对所述初始光进行调制，生成所述投影光。

9.根据权利要求8所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述光源模组(12)包括：N个不同中心波长的单色窄带激光器(121)以及N-1个分光镜(122)；N大于或等于3；

N-1个所述单色窄带激光器(121)产生的激光经相应的分光镜(122)分束后，与一个未经过所述分光镜(122)分束的所述单色窄带激光器(121)产生的激光合并，生成所述初始光，且N个所述单色窄带激光器(121)产生的光包括蓝光、绿光和红光；

或者，所述光源模组(12)包括：两个蓝色激光器(123)、荧光材料转盘(124)和两个分光镜(122)；

一个所述蓝色激光器(123)用于产生蓝光；另一个所述蓝色激光器(123)用于照射所述荧光材料转盘(124)以激发生成两个波长大于所述蓝光的光；

所述蓝光和所述两个波长大于所述蓝光的光，经所述分光镜(122)分束后生成所述初始光；

或者，所述光源模组(12)包括：N个不同中心波长的单色窄带发光二极管(126)以及N-1个分光镜(122)；N大于或等于3；

N-1个所述单色窄带发光二极管(126)产生的光经所述分光镜(122)分束后，与一个未经过所述分光镜(122)分束的所述单色窄带发光二极管(126)产生的光束合并，生成所述初始光，且N个所述单色窄带发光二极管(126)产生的光包括蓝光、绿光和红光。

10.根据权利要求9所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述分光镜(122)包括二向色镜。

11.根据权利要求9或10所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述图像生成器(13)包括：N个不同中心波长对应的数字微镜器件(131)；N大于或等于3；

每个所述数字微镜器件(131)依据要投影的所述显示图像的信息，将所述初始光中对应中心波长的光进行处理，得到所述投影光，并将所述投影光射向所述中继系统(2)。

12.根据权利要求9或10所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述光源模组(12)还包括：波束放大器(128)；所述波束放大器(128)用于对所述初始光进行扩束。

13.根据权利要求12所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述图像生成器(13)包括：空间光调制器(132)；

所述空间光调制器(132)设置在所述波束放大器(128)的出光侧，用于依据要投影的所述显示图像的信息，将扩束后的初始光处理生成所述投影光，并将所述投影光射向所述中继系统(2)。

14.根据权利要求1所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述中继系统(2)包括：反射镜(21)或者转向镜组(22)；

所述反射镜(21)用于改变所述投影光的光路，并将所述投影光投影至所述图像组合器(3)的反射式超透镜(31)；

所述转向镜组(22)用于改变所述投影光的光路，并对所述投影光进行调制，将调制后的所述投影光投影至所述图像组合器(3)的反射式超透镜(31)。

15.根据权利要求14所述的孔光线近眼显示系统，其特征在于，所述转向镜组(22)包括：4f系统；所述4f系统用于扩大所述投影光生成的显示图像的视场角，并将调制后的所述投影光投影至所述图像组合器(3)的反射式超透镜(31)。

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