一种出瞳形状为长方形的近眼显示装置

技术领域

本发明涉及一种近眼显示装置，属于光学显示设备领域。

背景技术

随着虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于VR或者AR模式的近眼显示装置的市场也取得了长足的发展。在诸多应用AR或者VR技术的硬件实现方式中，头戴式显示器(Helmet-Mounted Display，HMD)和近眼显示器(Near-to-Eye Display，NED)是最有效且在现有技术中能够给使用者带来最佳体验的实现方式。

近眼显示器是一种可以将图像直接投射到观看者眼中的头戴式显示器。NED的显示屏距离人眼很近，小于明视距离，人眼无法直接分辨其上图像内容。通过NED光学系统能够将图像放大至远处，重聚焦到人眼的视网膜上，使人眼看到的画面好像在几米之外，从而实现AR、VR技术的显示效果。

因为近眼显示器需要佩戴在人头部，所以其轻小型和良好的显示效果就显得尤为重要。波导显示系统是实现近眼显示的解决方案之一，可是由于几何波导的耦入端大小的限制，导致其投影系统的体积和重量过大。而且，对于单个的几何波导而言，其仅具备一维扩瞳的能力，所以投影系统的入瞳和传统的镜头设计也存在不同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种出瞳形状为长方形的近眼显示装置。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

一种出瞳形状为长方形的近眼显示装置，包括光学镜组及波导系统，所述波导系统的耦入端排列着所述光学镜组；其中，

所述光学镜组用于接收来自微显示器的图像光；

所述光学镜组包括PBS棱镜、反射镜和第一透镜；

所述PBS棱镜包括光入射表面、光准直表面和光出射表面，所述PBS棱镜还包括偏振选择分束器，所述偏振选择分束器位于所述PBS棱镜内部与所述光入射表面倾斜相交的平面上；所述图像光从所述光入射表面进入所述PBS棱镜内，并从所述光准直表面射出；

所述反射镜，位于所述光准直表面的一侧，用于对从所述光准直表面射出的图像光进行反射和准直；经过所述反射镜反射的图像光再次进入所述PBS棱镜并从所述光出射表面射出；

所述第一透镜，位于所述光出射表面和所述波导系统的耦入端之间；从所述光出射表面射出的图像光经过所述第一透镜后耦入所述波导系统；

所述反射镜、所述PBS棱镜和所述第一透镜与图像光的光轴垂直的表面的形状均为长方形。

其中较优地，所述长方形的长宽比大于3：1，其中，与所述图像光的光轴所组成的平面相垂直的边为长边，与所述图像光的光轴所组成的平面相平行的边为宽边。

其中较优地，所述长方形的长宽比在6：1至9：1之间。

其中较优地，所述光入射表面和所述光出射表面是所述PBS棱镜的两个相邻的表面。

其中较优地，所述光准直表面与所述光入射表面相对，或者，所述光准直表面与所述光出射表面相对。

其中较优地，所述光学镜组还包括第二透镜和/或第三透镜，所述第二透镜位于所述PBS棱镜和所述反射镜之间，所述第三透镜位于所述PBS棱镜和所述微显示器之间。

其中较优地，所述光学镜组还包括光阑，所述光阑设置在所述光学镜组的出瞳位置，所述光阑用于限定矩形的出瞳形状。

其中较优地，所述波导系统包括三棱镜和光波导，所述光波导的耦入端通过所述三棱镜和所述光学镜组耦合；所述光学镜组相对于所述光波导倾斜设置，所述第一透镜的光轴和所述光波导的延长线之间的夹角是锐角。

其中较优地，所述光学镜组位于所述光波导的延长线的同一侧。

其中较优地，所述光学镜组靠近视轴一侧最远离所述光波导的位置和所述光波导的视轴之间的距离在40～50mm之间。

本发明所提供的近眼显示装置，包括光学镜组及波导系统，波导系统的耦入端依次排列着光学镜组内的各光学元件；其中，通过使用出瞳形状为长方形的光学镜组和具有一维扩瞳能力的波导系统配合，利用体积较小的光学镜组，得到了较大的eyebox(眼动区、适眼区)。上述近眼显示装置中的光学镜组，成像效果比较好，通过采用PBS棱镜可以减小光学系统的体积；PBS棱镜与反射镜配合使用，进一步矫正像差，提高成像质量，易于推广和使用。

附图说明

图1是本发明第一实施例所提供的近眼显示装置的结构示意图；

图2是第一实施例所提供的光学镜组的结构示意图；

图3是图2所示光学镜组的俯视示意图；

图4是本发明第二实施例所提供的近眼显示装置的结构示意图；

图5是第二实施例所提供的光学镜组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种近眼显示装置，包括光学镜组和波导系统，其中，波导系统的耦入端依次排列着光学镜组。在该近眼显示装置中，根据光波导系统的一维扩瞳能力，相应设计了出瞳形状为长方形的光学镜组。

具体来说，光学镜组用于接收微显示器提供的图像光，优选地，直接接收来自微显示器的图像光。光学镜组对图像光进行光学处理后，将其引入波导系统内，通过波导系统传输至人眼进行显示。

光学镜组，包括PBS棱镜、反射镜和至少一个透镜。其中，PBS棱镜由光波透射材料形成，具有多个外表面(包括光入射表面、准直表面、光出射表面和其他表面)。PBS棱镜还包括偏振选择分束器，偏振选择分束器被布置在PBS棱镜内，并位于与光入射表面倾斜相交的平面上。偏振选择分束器可以通过在PBS棱镜内部的倾斜面上镀反射特定偏振光的反射膜实现。

在下文的描述中，沿图像光的光轴方向对PBS棱镜、反射镜和至少一个透镜的布置方式进行描述。为了便于理解，以图像光在平行于纸面的方向内进行传输作为观察视角，对整个镜组进行描述。但上述设置方式仅用于说明各光学元件的相对位置，并不用于对镜组的设置方式及应用方式构成限制。可以理解，在实际的应用中，光学镜组整体可以相对于下文描述的方位发生旋转。

图像光源(例如使用微显示器)设置在光入射表面的一侧，用于发出图像光，图像光从光入射表面进入PBS棱镜内。根据不同的光路设计，PBS棱镜不同的表面相应成为光出射表面及光准直表面。

反射镜布置在光准直表面的一侧，用于对从光准直表面射出的图像光进行反射和准直，消除像差。从光准直表面射出的图像光可以是透过偏振选择分束器的p型偏振光，也可以是经偏振选择分束器反射的s型偏振光，根据具体光路设计决定。反射镜可以是球面、非球面或自由曲面。优选地，反射镜的面型为非球面镜。经过反射镜反射的图像光进入PBS棱镜，并通过PBS棱镜(可以透过偏振选择分束器，也可以被偏振选择分束器反射)后，从光出射表面射出。

至少一个透镜，位于图像光的传输路径上。上述至少一个透镜，至少包括位于PBS棱镜光出射表面的一侧的第一透镜，通过设置第一透镜，可以显著提高大尺寸出瞳图像的成像质量。同时，通过设置第一透镜对光学镜组的光焦度进行调整，可以延长图像光从PBS棱镜到光波导系统的传输路径。在此基础上，还可以根据光路需求，在图像光的整个传输路径上设置其余透镜，进行像差校正。例如，至少一个透镜还可以包括第二透镜和/或第三透镜，第二透镜位于PBS棱镜和反射镜之间，第三透镜位于光入射面的一侧，位于PBS棱镜和图像光源之间。

通过在光学镜组中设置至少一个透镜，可以消除像差，提高成像质量。至少一个透镜可以为单透镜、胶合的正-负透镜或由多个透镜依次排列形成的透镜组。使用胶合的正-负透镜，可以消色差。至少一个透镜的面型可以是球面或非球面。

在上述光学镜组中，为了获得长方形的出瞳形状，光学镜组中各光学元件(包括反射镜、PBS棱镜和第一透镜)与图像光的光轴垂直的表面的形状均为长方形。本申请所述长方形的长宽比至少大于3：1。关于长方形出瞳形状及光学镜组中各光学元件的形状介绍将在下述实施例中结合附图进行具体描述。

下述实施例提供了近眼显示装置的两种典型的实现方式，并同时对其所使用的光学镜组进行了详细描述。

第一实施例

本实施例提供了一种适用于眼镜类近眼显示设备使用的近眼显示装置。

为了便于描述，在图1中以实际使用时的俯视视角对近眼显示装置进行了显示。如图1所示的近眼显示装置，包括光学镜组200和波导系统400。在图1中，还示例性地示出了用于提供图像光的微显示器100，微显示器100位于光入射表面201的一侧，微显示器100可以使用OLED、LCOS、LCD类型的显示器。波导系统400与使用者视轴垂直，波导系统400的耦入端依次排列着光学镜组200和微显示器100。其中，波导系统400设置于镜框中，微显示器100及光学镜组200设置于镜框和镜腿结合的位置。

下面首先结合图2和图3对该实施例所使用的光学镜组的结构进行描述。

如图2所示，按照图像光从上方入射，图像光在平行于纸面的方向内进行传输为例对整个光学镜组进行描述，图像光的光轴均位于竖直的平面内，标记此平面为平面P。本实施例中的方位仅用于理解光学镜组中各光学元件的相对位置关系，不对整个光学镜组的实际使用位置构成限制。

本实施例提供的光学镜组，包括第一透镜21、PBS棱镜22，反射镜23、第二透镜24。其中，图像源(具体可以为微显示器100)布置在PBS棱镜22上方，PBS棱镜22的上表面为光入射面221；以PBS棱镜22的右表面为光准直表面222，反射镜23设置在PBS棱镜22的右侧；以PBS棱镜22的左表面为光出射面223，第一透镜21设置在PBS棱镜22的左侧。第二透镜24设置在图像光源100和PBS棱镜22之间。

在图2所示的光学镜组中，从微显示器100发出的图像光，经过第二透镜24后，从光入射表面221进入PBS棱镜22，到达位于倾斜面204位置的偏振选择分束器；被偏振选择分束器反射的图像光从光准直表面222射出到达反射镜23；被反射镜23反射的图像光进入PBS棱镜22后，透过偏振选择分束器，并从光出射表面223射出；然后，经过第一透镜21，到达出瞳位置。

在本实施例中，第一透镜21由正-负透镜胶合形成；位于左侧的透镜211为正透镜，由具有相对负透镜较低的折射率和大阿贝数的材料形成；位于右侧的透镜212为负透镜，由相对正透镜较大的折射率和小阿贝数的材料形成。第二透镜24由正-负透镜胶合形成；位于下侧的透镜241为正透镜，由具有相对负透镜较低的折射率和大阿贝数的材料形成；位于上侧的透镜242为负透镜，由相对正透镜较大的折射率和小阿贝数的材料形成。从而，达到矫正近轴球差，减小色差的效果。

PBS棱镜22为偏振分光棱镜，其中，光准直表面(即图2中PBS棱镜22的右表面)贴有转换偏振态的偏振片或镀有转换偏振态的膜。PBS棱镜22的反射面(即图2中PBS棱镜22内的倾斜面204)镀有反射特定偏振光的反射膜。

在图2中，胶合的第一透镜21的各表面，由左至右依次为：前表面201、胶合面202以及后表面203；PBS棱镜22的倾斜面为表面204；反射镜23的反射表面为表面205；胶合的第二透镜24的各表面，由下至上依次为：下表面206、胶合面207以及上表面208。光学镜组的焦距f满足：5mm

第一透镜21和第二透镜24的面型可以为球面或非球面。反射镜23的面型可以为球面、非球面或自由曲面。

表1、表2为光学镜组中透镜各光学表面的设计参数，其中，第一透镜21和第二透镜24的面型均为球面，反射镜23的反射面为非球面。

表1第一实施例中的各种表面的光学表面参数

表2反射镜23的反射面205的非球面方程中各系数的值

其中，非球面方程为：

其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离，k为二次曲面常数，Ai为高阶项系数。反射镜23的反射面205的各种系数的取值参见表2。

图3给出了图2所示光学镜组的俯视图，其中，省去了第二透镜24。图像光在垂直于纸面的平面内传输，此时，图像光的光轴所在的平面为垂直于纸面的平面P。相对于纸面方向，图像光从光入射表面221射入PBS棱镜22内部，经表面204反射后从右侧的光准直表面222射出，然后经反射镜23反射后再次进入PBS棱镜22内部，并穿过表面204从PBS棱镜22的光出射表面223射出，最后经过第一透镜21到达出瞳位置。

在图像光的传输过程中，图像光依次经过光入射表面221、倾斜面204、光准直表面222、表面205、光准直表面222、倾斜面204、光出射表面223、表面203、表面202和表面201。

为了获得长方形的出瞳形状，图像光源100、第一透镜21、PBS棱镜22、反射镜23和第二透镜24中与图像光的光轴垂直的所有表面的形状均为长方形。本申请所述长方形的长宽比至少大于3：1。

从图3所示的俯视图，可以看出，以图像光的光轴所组成的平面作为参考平面(即图3所示的水平面，用点划线表示平面P)，在与图像光的光轴垂直的各表面中，以垂直于参考平面P的边为长边，以平行于参考平面P的边为宽边。其中，优选地，宽边的取值范围不大于5mm。

在图3中，可以看出光入射表面221的形状，以光入射表面221为例，给出了长方形的示意。其中，优选地，长边L和宽边H的比值在6：1～9：1之间。可以理解，PBS棱镜22是一个横截面较小，长度较长的长方体。其中横截面的两个边长分别对应于光入射表面221的宽边H；PBS棱镜22的长度与光入射表面221的长边L等长。

与PBS棱镜22对应，在图3所示的图像中，反射镜23和第一透镜21在图3所示的平面内，具有与PBS棱镜22的长度接近的长度，其长度可以覆盖图像光的所有光线；反射镜23和第一透镜21在垂直于纸面的方向内，具有与PBS棱镜22的横截面的边长接近的宽度，其宽度可以覆盖图像光的所有光线。

较优地，光学镜组还包括光阑26，光阑26设置在光学镜组的出瞳位置，光阑26用于限定长方形的出瞳形状。

下面重新回到图1，对整个近眼显示装置的结构进行介绍。

波导系统400包括光波导401和三棱镜402。光波导401是阵列光波导，光波导401的光耦入端是一个与其长度方向倾斜相交的平面，图像光从耦入端入射后在光波导401内部发生全反射，并被多个半透半反膜反射出光波导401。光波导401的光耦入端通过三棱镜402与光学镜组200耦合，三棱镜402的入光面设置在光学镜组的出瞳位置，实现图像光的耦入。光学镜组200相对于光波导401倾斜设置，第一透镜21的光轴和光波导401的延长线之间的夹角是锐角。

在上述结构中，可根据近眼显示装置的实际需求选择三棱镜402的匹配角度，以使整个光学镜组相对于光波导401发生偏转。此时，通过控制三棱镜402的顶角范围，结合光学镜组的光焦度控制，可以使光学镜组位于光波导的延长线的同一侧，光学镜组最外侧的轮廓不超出光波导401的延长线。

具体来说，通过三棱镜402实现光学镜组相对于光波导401的偏转；通过将PBS棱镜22的光入射表面221和光出射表面223设置为相邻的表面，使得微显示器100位于PBS棱镜22和光波导401的延长线之间的区域内；通过设置第一透镜21加长了PBS棱镜22和光波导系统400之间的距离，使得PBS棱镜22和微显示器100更远离光波导401的延长线，从而可以保证光学镜组整体位于光波导401的延长线的同一侧。优选地，通过在PBS棱镜22的光入射表面221和微显示器100之间设置第二透镜24，调整微显示器100的设置距离，使得微显示器100的轮廓不超出光波导401的延长线。

同时，通过上述设置，还进一步增加了整个光学镜组和光波导的视觉中心位置(即视轴)之间的间距，增大了光学镜组的适配距离。以图1中整个光学镜组靠近光波导视轴一侧外轮廓的最下端(即光学镜组靠近视轴一侧最远离光波导的位置)和光波导的视觉中心位置之间的间距S作为光学镜组的适配距离，该距离对应于镜腿和眼镜之间的距离。间距S的优选取值范围在40～50mm之间，该距离可以满足上述近眼显示装置在眼镜类近眼显示设备中的使用需求。

在图1所示的近眼显示装置中，优选地，微显示器100与光学镜组200之间的距离应控制在小的尺寸范围内。

第二实施例

本实施例提供了一种适用于头戴类近眼显示设备使用的近眼显示装置。

为了便于描述，下面以实际使用时的侧视视角对近眼显示装置进行描述。如图4所示的近眼显示装置，包括光学镜组300和波导系统400’。与图1类似，图4中同时提供了用于提供图像光的微显示器100，微显示器100位于光入射面321的一侧，微显示器100可以使用OLED、LCOS、LCD类型的显示器。波导系统400’与使用者视轴垂直，波导系统400’的耦入端依次排列着光学镜组300。其中，与图1不同的是，波导系统400设置于眼睛前方，微显示器100及光学镜组300设置于波导系统400的上方，位于头顶的位置。

较优地，波导系统400’包括光波导401’和三棱镜402’，光波导401’的光耦入端通过三棱镜402’与光学镜组300的出瞳位置耦合，实现图像光的耦入。光学镜组300相对于光波导401’倾斜设置，第一透镜31的光轴和光波导401’的延长线之间的夹角是锐角。

在图4中可以使用类似于图2和图3所示的光学镜组。由于光学镜组位于头顶的位置，在该近眼显示装置中，对光学镜组的外部轮廓与光波导的延长线以及光波导的视轴之间的关系不做严格的限制。

下面结合图5对该实施例可以使用的另一种光学镜组进行描述，其中，光学镜组300不要求严格地位于光波导401’延长线的同一侧。

在图5中，图像光从上方入射(也即图4中的斜上方入射)，图像光在平行于纸面的方向内进行传输。图5中的方位仅用于理解光学镜组中各光学元件的相对位置关系，不对整个光学镜组的实际位置构成限制。

如图5所示，本实施例所提供的光学镜组，包括第一透镜31、PBS棱镜32，反射镜33、第二透镜34以及第三透镜35。其中，图像源(具体可以为微显示器100)布置在PBS棱镜32上方，PBS棱镜32的上表面为光入射面321；以PBS棱镜32的右表面为光准直表面322，反射镜33设置在PBS棱镜32的右侧；以PBS棱镜32的左表面为光出射面323，第一透镜31设置在PBS棱镜32的左侧。第二透镜34设置在PBS棱镜34上方，位于PBS棱镜34和图像光源100之间。

在本实施例中，与第一实施例不同，在PBS棱镜32的右侧，还设置有第三透镜35，第三透镜35设置在PBS棱镜32和反射镜33之间。PBS棱镜32、第三透镜35和反射镜33之间均存在空气间隙。在现有技术中，存在仅在PBS棱镜32光准直表面一侧设置透镜，并使透镜远离PBS棱镜一侧表面作为反射面的结构，为了得到高像质，会将该反射表面设计成非球面，此时，由于制作工艺中的非球面玻璃的应力问题，很容易对光的偏振态产生影响，进而影响整个PBS棱镜的成像效果。为此，在该实施例中，通过在PBS棱镜32光准直表面一侧同时设置第三透镜35和反射镜33，将反射镜33设置成非球面面型，克服了上述问题。

其中，第一透镜31为正透镜，第一透镜31由具有相对负透镜较低的折射率和大阿贝数的材料形成。第二透镜34为正透镜，由具有相对负透镜较低的折射率和大阿贝数的材料形成；从而，达到矫正近轴球差，减小色差的效果。第三透镜35为负透镜，由相对正透镜较大的折射率和小阿贝数的材料形成。

在图5所示的光学镜组中，从图像光源100发出的图像光，经过第二透镜34后，从光入射表面321进入PBS棱镜32，到达位于倾斜面303的偏振选择分束器；被偏振选择分束器反射的图像光从光准直表面322射出，透过第三透镜35后到达反射镜33；被反射镜33反射的图像光再次透过第三透镜35后，经过光准直表面322，进入PBS棱镜32；然后，图像光透过偏振选择分束器，从光出射表面323射出，并经过第一透镜31，到达出瞳位置。

在图5中，第一透镜31的表面由左至右依次为前表面301、后表面302，PBS棱镜32的倾斜面为表面303，第三透镜35的表面由左至右依次为前表面304和后表面305，反射镜33的反射表面为表面306，第二透镜34的表面由下至上依次为下表面307和上表面308。

第一透镜31、第二透镜34、第三透镜35的面型可以为球面或非球面。反射镜33的面型可以为球面、非球面或自由曲面。光学镜组的焦距f：15mm

本申请给出了第二实施例中各镜片的一组设计参数。如表3所示，在这组设计中，第一透镜31、第二透镜34、第三透镜35的表面均为球面，反射镜33的反射面为非球面。

表3第二实施例中的各种表面的光学表面参数

表4反射镜33的反射面306的非球面方程中各系数的值

其中，非球面的方程为：

其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离，k为二次曲面常数，Ai为高阶项系数。反射镜23的反射面205的各种系数的取值参见表2。

同理，在第二实施例中，为了获得长方形的出瞳形状，第一透镜31、PBS棱镜32、反射镜33、第二透镜34和第三透镜35中与图像光的光轴垂直的所有表面的形状均为长方形。关于上述光学元件的具体形状的描述与第一实施例相同，在此不再赘述。

在图4所示的近眼显示装置中，根据光波导的具体结构，人眼可以从光波导的左侧看到图像。当更换光波导，使其中半透半反膜向右侧耦出图像时，人眼可以从光波导的右侧看到图像。

结合上述两个实施例可以理解，在该光学镜组中，针对长方形的出瞳形状，一方面，通过使光学镜组中各光学元件与光轴垂直的表面呈长方形，设计了整体形状呈长条形的光学元件；另一方面，结合PBS棱镜和反射镜对图像光的传输路径进行折叠，设计出体积极小的光学镜组。上述光学镜组尤其适用于眼镜类的近眼显示设备使用。

此外，在光学镜组的具体光路设计中，通过使PBS棱镜的光入射表面和光出射表面是相邻的表面，并通过在光出射表面一侧设置第一透镜，改变整个光学镜组的光焦度，增加光学镜组中PBS棱镜和光波导系统之间的设置距离，从而得到结构紧凑的光学镜组，减小了近眼显示装置的体积。

在上述实施例中，以光准直表面与光入射表面相邻的设置方式为例，对本申请所提供的光学镜组的结构进行了图示。根据具体的光路设计，光准直表面也可以设置成与光入射表面相对的表面。此时，反射镜设置在图像光源的对面，透过偏振选择分束器的图像光被反射镜反射进入PBS棱镜，然后被偏振选择分束器反射后，从光出射表面射出。在图像光的传输过程中，需要根据光路设计对偏振光的偏振类型进行必要的转换，在此不再赘述。

综上所述，本发明所提供的近眼显示装置，包括光学镜组和波导系统，通过使用出瞳形状为长方形的光学镜组和波导系统配合，利用体积较小的光学镜组，结合波导系统一维扩瞳的能力，得到了较大的eyebox(眼动区、适眼区)，例如：10mm*10mm。上述近眼显示装置，造型轻便，体积小巧，具有良好的显示效果，应用范围广泛。上述近眼显示装置所使用的光学镜组，成像效果比较好，通过采用PBS棱镜可以减小光学系统的体积；PBS棱镜与反射镜配合使用，进一步矫正像差，提高成像质量，易于推广和使用。

以上对本发明所提供的一种出瞳形状为长方形的近眼显示装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。