CN207408696U - 一种3d近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种3D近眼显示装置，包括依次连接的能够形成3D实像的集成成像单元、第一偏振分光棱镜、双胶合镜、第二偏振分光棱镜、耦合棱镜和波导阵列基片。装置整体结构紧凑、轻薄，实现出瞳扩展的光波导近眼显示系统；采用集成化显示，降低了设计和加工难度，且对数据带宽要求低，无海量计算。本实用新型利用微透镜阵列记录和再现3D场景，缓解2D近眼显示与人眼视觉生理之间的矛盾。

Description

一种3D近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及显示技术领域，特别是涉及一种3D近眼显示装置。

背景技术

近眼显示系统，也称为头盔显示器，它最初起源于空军领域，主要是解决驾驶员面对飞机上日益增多的精密仪器及武器系统所收集的大量信息的困扰，利用近眼显示产品可以将各仪器仪表的所有的信息全部呈现在驾驶员前面的视场内，使驾驶员集中精力操作飞机和进行瞄准。随着人们对于近眼显示产品的学习和认识，近眼显示产品的应用领域也不断扩展。除此之外，近眼显示产品的应用也可以延伸至各个方面，在民用方面主要是结合相关的虚拟技术，应用于教育与训练，商业产品的展览与推销；医学的模拟训练等。

授权号为CN 103064275 A的实用新型专利，公开了一种全息3D实现装置及方法，包括激光生成单元、分束单元、光折变晶体及旋转单元，运用激光分束产生相干光记录全息3D图像信息，通过再现光路实现3D全息图像再现。但是，实现装置复杂，记录3D视频信息时，数据带宽要求高，而且有海量数据计算。授权号为CN 205982819 U的实用新型专利，公开了一种近眼显示波导阵列视频眼镜，包括依次连接的横向波导阵列基片、纵向波导阵列基片以及耦合棱镜，耦合棱镜与纵向波导阵列基片连接的一端设置摄像头，通过投影镜头和阵列基片组的放大、折射和反射作用，获得了放大的图像显示，使图像看起来如同在远处的大屏幕图像，但是无法实现3D图像显示。

因此，如何改变现有技术中，3D近眼显示装置复杂、实现困难的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种3D近眼显示装置，以解决上述现有技术存在的问题，使3D近眼显示装置结构简单紧凑，同时降低3D近眼显示装置对数据宽带的要求。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种3D 近眼显示装置，包括依次连接的能够形成3D实像的集成成像单元、第一偏振分光棱镜、双胶合镜、第二偏振分光棱镜、耦合棱镜和波导阵列基片；

所述集成成像单元的出射端与所述第一偏振分光棱镜的入射端相连，所述第一偏振分光棱镜的出射端与所述双胶合镜的入射端相连，所述双胶合镜的出射端与所述第二偏振分光棱镜的入射端相连，所述第二偏振分光棱镜的出射端与所述耦合棱镜的入射端相连，所述耦合棱镜的出射端与所述波导阵列基片的入射端相连；

所述第二偏振分光棱镜还分别与第一凹面镜和第二凹面镜相连，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜平行设置于所述第二偏振分光棱镜的两个端面上，所述第一凹面镜、所述第二凹面镜与所述第二偏振分光棱镜的连接面分别与所述双胶合镜、所述耦合棱镜与所述第二偏振分光棱镜的连接面垂直；

所述第一凹面镜与所述第二偏振分光棱镜之间、所述第二凹面镜与所述第二偏振分光棱镜之间均设置四分之一波片。

优选地，所述集成成像单元包括依次相连的微显示器和微透镜阵列。

优选地，所述第一偏振分光棱镜处还设置LED匀光系统。

优选地，所述波导阵列基片包括五个波导基片，所述波导基片的倾角为 25.5°，所述波导基片的厚度为2mm。

优选地，所述微显示器包括0.26英寸的LCoS显示屏，所述微显示器的影像像元单位尺寸为4.5μm。

优选地，所述微透镜阵列的单元尺寸为45μm。

优选地，所述波导基片的斜面处镀偏光膜。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：本实用新型的3D近眼显示装置，包括依次连接的能够形成3D实像的集成成像单元、第一偏振分光棱镜、双胶合镜、第二偏振分光棱镜、耦合棱镜和波导阵列基片。装置整体结构紧凑、轻薄，实现出瞳扩展的光波导近眼显示系统；采用集成化显示，降低了设计和加工难度，且对数据带宽要求低，无海量计算。本实用新型利用微透镜阵列记录和再现3D场景，缓解2D近眼显示与人眼视觉生理之间的矛盾。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型3D近眼显示装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型3D近眼显示装置中光穿过第一偏振分光棱镜时的走向图；

图3为本实用新型3D近眼显示装置中光穿过过第二偏振分光棱镜时的走向图；

图4为本实用新型3D近眼显示装置中波导阵列基片入射角度范围示意图；

图5为本实用新型3D近眼显示装置中波导基片内不同角度选择反射率曲线的侧视图；

图6为LCoS微显示器上显示的计算集成成像；

图7为使用本实用新型3D近眼显示装置而显示的3D图像；

其中，1为集成成像单元，101为LCoS微显示器，102为微透镜阵列，2 为第一偏振分光棱镜，3为双胶合镜，4为第二偏振分光棱镜，5为耦合棱镜， 6为波导阵列基片，601为波导基片，7为第一凹面镜，8为第二凹面镜，9为四分之一波片，10为匀光系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种3D近眼显示装置，以解决上述现有技术存在的问题，使3D近眼显示装置结构简单紧凑，同时降低3D近眼显示装置对数据宽带的要求。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

请参考图1至图7，图1为本实用新型3D近眼显示装置的整体结构示意图，图2为本实用新型3D近眼显示装置中光穿过第一偏振分光棱镜时的走向图，图3为本实用新型3D近眼显示装置中光穿过第二偏振分光棱镜时的走向图，图4为本实用新型3D近眼显示装置中波导阵列基片入射角度范围示意图，图5为本实用新型3D近眼显示装置中波导基片内不同角度选择反射率曲线的侧视图，图6为LCoS微显示器上显示的计算集成成像，图7为使用本实用新型3D近眼显示装置而显示的3D图像。

本实用新型提供一种3D近眼显示装置，包括依次连接的能够形成3D实像的集成成像单元1、第一偏振分光棱镜2、双胶合镜3、第二偏振分光棱镜4、耦合棱镜5和波导阵列基片6；

其中，集成成像单元1的出射端与第一偏振分光棱镜2的入射端相连，第一偏振分光棱镜2的出射端与双胶合镜3的入射端相连，双胶合镜3的出射端与第二偏振分光棱镜4的入射端相连，第二偏振分光棱镜4的出射端与耦合棱镜5的入射端相连，耦合棱镜5的出射端与波导阵列基片6的入射端相连；

第二偏振分光棱镜4还分别与第一凹面镜7和第二凹面镜8相连，第一凹面镜7和第二凹面镜8平行设置于第二偏振分光棱镜4的两个侧面上，第一凹面镜7、第二凹面镜8与第二偏振分光棱镜4的连接面分别与双胶合镜6、耦合棱镜5与第二偏振分光棱镜4的连接面垂直；如图1所示，第二偏振分光棱镜4为立方体结构，由两个直角棱镜组成，第一凹面镜7和第二凹面镜8分别设置于第二偏振分光棱镜4的上下两个面上，第二偏振分光棱镜4的左右两个面分别与双胶合镜3、耦合棱镜5相连，第二偏振分光棱镜4前后两个面能够看到第二偏振分光棱镜4的斜面的边线。

第一凹面镜7与第二偏振分光棱镜4之间、第二凹面镜8与第二偏振分光棱镜4之间均设置四分之一波片9。

本实用新型3D近眼显示装置的集成成像单元1形成3D实像，经过第一偏振分光棱镜2，从第一偏振分光棱镜2射出与入射面垂直的p光；从第一偏振分光棱镜2出射的p光通过双胶合镜3进入第二偏振分光棱镜4，在第二偏振分光棱镜4的斜面处无法透过，继而反射到第一凹面镜7，第一凹面镜7与第二偏振分光棱镜4之间设置四分之一波片9，p光线反射回到第二偏振分光棱镜4的斜面处时转换为与入射面平行的s光，从而透过第二偏振分光棱镜4的斜面；透过第二偏振分光棱镜斜面4的s光经过第二偏振分光棱镜4和第二凹面镜8之间的四分之一波片9，被第二凹面镜8反射回第二偏振分光棱镜4 的斜面处转换为p光；转换为p光后，继续被反射到耦合棱镜5，进入波导阵列基片6，实现扩展出瞳，进入观测者视野。

具体地，集成成像单元1包括依次相连的LCoS微显示器101和微透镜阵列102，LCoS微显示器101上记录有全视差的3D图像信息源，光线(p光) 经过微透镜阵列102还原成3D图像，在照明第一偏振分光棱镜2前形成具有深度信息的3D实像。

更具体地，第一偏振分光棱镜2处还设置LED匀光系统10。

进一步地，波导阵列基片6包括五个波导基片601，波导基片601的倾角为25.5°，波导基片601的厚度为2mm。光线进入波导阵列基片6，具体波导基片601入射角度范围请参考图4，波导基片601多个半透半反面，实现扩展出瞳，进入观测者视野。另外，在波导基片601的斜面处镀有角度选择特性薄膜，入射角度在25.5±9度范围内实现反射，为了防止出现不必要的反射，在大角度(75度)范围则不能出现反射，因此，需要合理选择薄膜，配合波导阵列基片6的加工，实现结构功能。在波导基片601的斜面处进行镀膜后，实际测得的波导阵列基片6内不同角度反射情况可参考图5，从图5中可以看出，角度范围为16.5度到34.5度可以反射，在大角度范围内(如75度)几乎没有反射，反射率＜1％。

更进一步地，LCoS微显示器101包括0.26英寸的LCoS显示屏，LCoS 微显示器101的影像像元单位尺寸为4.5μm。

微透镜阵列102的单元尺寸为45μm。

本实用新型的3D近眼显示装置，LCoS微显示器101上记录有全视差的 3D图像信息源，光线(p光)经过微透镜阵列102还原成3D图像，在照明第一偏振分光棱镜2前形成具有深度信息的3D实像，随后经过照明第一偏振分光棱镜2到双胶合镜3，到第二偏振分光棱镜4。从第一偏振分光棱镜2出射为p光，在第二偏振分光棱镜4斜面处不能透过，反射到第一凹面镜7，第二偏振分光棱镜4和第一凹面镜7间有四分之一波片9，p光线反射回到第二偏振分光棱镜4斜面处转换为s光，从而透过第二偏振分光棱镜4斜面。光线(s 光)经过四分之一波片9和第二凹面镜8反射回第二偏振分光棱镜4斜面处转换为p光，从而反射到耦合棱镜5，进入波导阵列基片6(厚度2mm)。进入波导阵列基片6的5个反射面(倾角25.5°)实现扩展出瞳，进入观测者视野。本实用新型的3D近眼显示装置是基于光波导的穿透式3D光场近眼显示装置，利用微透镜阵列102记录和再现3D场景，缓解2D近眼显示与人眼视觉生理之间的矛盾。

另外，本实用新型的3D近眼显示装置，根据3D信息采集阶段实现方式的不同，可以分为全光集成成像和计算集成成像。LCoS微显示器101上的3D 信息可以是全光集成成像采集的信息，也可以是计算集成成像采集的3D信息，均可以通过本装置实现3D近眼显示，请参考图6，图6为LCoS微显示器101 上显示的计算集成成像，可以看出图像模糊，辨识度低，经过微透镜阵列102 后形成的3D图像清晰可辩、立体感很强，具体请参考图7。

本实用新型还提供一种3D近眼显示方法，包括如下步骤：

步骤一、集成成像单元1形成3D实像，经过第一偏振分光棱镜2，从第一偏振分光棱镜2射出与入射面垂直的p光；

步骤二、从第一偏振分光棱镜2出射的p光通过双胶合镜3进入第二偏振分光棱镜4，在第二偏振分光棱镜4的斜面处无法透过，继而反射到第一凹面镜7，第一凹面镜7与第二偏振分光棱镜4之间设置四分之一波片9，p光线反射回到第二偏振分光棱镜4的斜面处时转换为与入射面平行的s光，从而透过第二偏振分光棱镜4的斜面；

步骤三，透过第二偏振分光棱镜4斜面的s光经过第二偏振分光棱镜4和第二凹面镜8之间的四分之一波片9，被第二凹面镜8反射回第二偏振分光棱镜4的斜面处转换为p光；

步骤四，转换为p光后，继续被反射到耦合棱镜5，进入波导阵列基片6，实现扩展出瞳，进入观测者视野。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种3D近眼显示装置，其特征在于：包括依次连接的能够形成3D实像的集成成像单元、第一偏振分光棱镜、双胶合镜、第二偏振分光棱镜、耦合棱镜和波导阵列基片；

所述集成成像单元的出射端与所述第一偏振分光棱镜的入射端相连，所述第一偏振分光棱镜的出射端与所述双胶合镜的入射端相连，所述双胶合镜的出射端与所述第二偏振分光棱镜的入射端相连，所述第二偏振分光棱镜的出射端与所述耦合棱镜的入射端相连，所述耦合棱镜的出射端与所述波导阵列基片的入射端相连；

所述第二偏振分光棱镜还分别与第一凹面镜和第二凹面镜相连，所述第一凹面镜和所述第二凹面镜平行设置于所述第二偏振分光棱镜的两个端面上，所述第一凹面镜、所述第二凹面镜与所述第二偏振分光棱镜的连接面分别与所述双胶合镜、所述耦合棱镜与所述第二偏振分光棱镜的连接面垂直；

所述第一凹面镜与所述第二偏振分光棱镜之间、所述第二凹面镜与所述第二偏振分光棱镜之间均设置四分之一波片。

2.根据权利要求1所述的3D近眼显示装置，其特征在于：所述集成成像单元包括依次相连的LCoS微显示器和微透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的3D近眼显示装置，其特征在于：所述第一偏振分光棱镜处还设置LED匀光系统。

4.根据权利要求1所述的3D近眼显示装置，其特征在于：所述波导阵列基片包括五个波导基片，所述波导基片的倾角为25.5°，所述波导基片的厚度为2mm。

5.根据权利要求2所述的3D近眼显示装置，其特征在于：所述LCoS微显示器包括0.26英寸的LCoS显示屏，所述LCoS微显示器的影像像元单位尺寸为4.5μm。

6.根据权利要求2所述的3D近眼显示装置，其特征在于：所述微透镜阵列的单元尺寸为45μm。

7.根据权利要求4所述的3D近眼显示装置，其特征在于：所述波导基片的斜面处镀偏光膜。