一种近眼显示系统的光机

技术领域

本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统的光机。

背景技术

如今，AR便携式和可穿戴式设备正在逐步发展。各种硬件实现形式中，近眼显示技术能够大幅度提高沉浸感和体验感，并且具有更小的体积、更轻的重量以及更低的功耗和更长的电池续航时间等。这些特点使得其在工业制造、医疗领域、军事训练、教育和培训、文化旅游以及娱乐产业等领域具有很大的应用前景。

近眼显示系统中研究的热点在于提高视场角、增加显示亮度、优化显示均匀性、增强对比度、减小功耗和体积等方面。目前视场上的近眼显示光机视场角都比较小，而且出瞳尺寸不大，出瞳距离短。

目前近眼显示系统的光机按扩瞳类型可分为用于一维扩瞳和二维扩瞳光机。在光机应用于波导近眼显示时，一维扩瞳方案所能实现的色彩更丰富、均匀性好但是其视场角小，二维扩瞳方案具有更小的体积和更大的视场角，但是藕出能量效率过低及扩瞳均匀性差。

发明内容

本申请实施例提供了一种近眼显示系统的光机。

本申请的目的旨在解决一维扩瞳光机的视场角小和出瞳距离短的问题。

为实现上述目的，本申请通过如下技术方案来实现：本发明实施例中提供了一种光机，包括：

显示光源，平凸透镜，凸透镜，平凹透镜，分光棱镜，平凸反射镜，平凹透镜；

所述显示光源，用于提供图像光源；

所述平凸透镜，具有第一面和第二面，第一面位于临近显示光源的一侧，第二面位于靠近凸透镜的一侧，所述平凸透镜用于对所述图像光线进行整形；

所述凸透镜，具有第一面和第二面，第一面位于临近平凸透镜的一侧，第二面位于临近平凹透镜的一侧，所述凸透镜用于对所述图像光线进行整形；

所述平凹透镜，具有第一面和第二面，第一面位于临近凸透镜的一侧，第二面位于临近分光棱镜的一面，所述平凸透镜用于对所述图像光线进行整形；

所述分光棱镜，具有第一面、第二面和第三面，第一面与平凹透镜的第二面贴合，第二面与平凸反射镜第一面贴合，第三面与平凹透镜第一面贴合，所述分光棱镜用于将从分光棱镜第一面入射的光透射至分光棱镜的第二面，所述分光棱镜用于将从分光棱镜第二面入射的光反射至分光棱镜的第三面；

所述平凸反射镜，具有第一面和第二面，第一面与分光棱镜贴合，所述球面透镜用于对所述图像光线进行整形；

所述平凹透镜，具有第一面和第二面，第一面与分光棱镜贴合，所述球面透镜用于对所述图像光线进行整形。

在一些实施例中，所述的可用于近眼显示系统的光机，其特征在于，所述平凸透镜的第一面为平面，第二面为非球面；

在一些实施例中，所述的可用于近眼显示系统的光机，其特征在于，所述平凸透镜的第一面为平面，第二面为非球面。

在一些实施例中，所述的可用于近眼显示系统的光机，其特征在于，所述凸透镜的第一面与第二面均为非球面。

在一些实施例中，所述的可用于近眼显示系统的光机，其特征在于，所述平凹透镜的第一面为非球面，第二面为平面。

在一些实施例中，所述的可用于近眼显示系统的光机，其特征在于，所述平凸反射镜的第一面为平面，第二面为非球面。

在一些实施例中，所述的可用于近眼显示系统的光机，其特征在于，所述平凹透镜的第一面为平面，第二面为非球面。

在一些实施例中，所述的近眼显示的光机，其特征在于，所述非球面的面型表达式为：

多项式分为两个部分，前一部分表示Conic曲面，z表示矢高，c是表面的曲率(半径的倒数)，k是圆锥常数，r是径向坐标；前一部分表示多项式描述的曲面，其中α是非球面系数，N表示多项式r

在一些实施例中，所述的近眼显示的光机，其特征在于，所述显示光源为LED，OLED，Lcos，Micro-LED，QLED，Mini-LED中的一种。

在一些实施例中，所述的近眼显示系统的透镜与棱镜的胶合设置，其特征在于，所述平凹透镜的第二面与分光棱镜第一面贴合，所述平凸反射镜的第一面与分光棱镜第二面贴合，所述平凹透镜的第一面与分光棱镜第三面贴合。

在一些实施例中，所述的近眼显示系统，其特征在于，所述分光棱镜为镀膜式分光棱镜。

本申请实施例的一种近眼显示系统的光机，能够有提高视场角和出瞳距离和出瞳大小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请一个实施例的近眼显示光机的侧视结构示意图；

图2是图1的光路图；

图3是本申请一个实施例的近眼显示光机的侧视出瞳示意图；

图4是本申请一个实施例的近眼显示光机的俯视出瞳示意图；

图5是本发明实施例提供的近眼显示光机的调制传递函数(MTF)曲线示意图；

图6是本发明实施例提供的近眼显示光机的全视场点列图；

图7是本发明实施例提供的近眼显示光机的全视场网格畸变图；

图8是本发明实施例提供的近眼显示光机全视场全波段的场曲和畸变图。

附图标记说明：101、显示光源；102、平凸透镜；103、凸透镜；104、平凹透镜；105、分光棱镜；106、平凸反射镜；107、平凹透镜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面参考附图描述本申请实施例的一种近眼显示系统的光机。

本发明实施例提供了一种光机，请参考图1，所述近眼显示系统的光机包括100：图像单元101、平凸透镜102、凸透镜103、平凹透镜104、分光棱镜105、平凸反射镜106和平凹透镜107。其中，平凸透镜102，具有第一面和第二面，凸透镜103，具有第一面和第二面，平凹透镜104，具有第一面和第二面，分光棱镜105，具有第一面、第二面和第三面，平凸反射镜106，具有第一面和第二面，平凹透镜107，具有第一面和第二面。

平凸透镜102，第一面位于临近显示光源101的一侧，第二面位于靠近凸透镜103的一侧，所述平凸透镜用于对所述图像光线进行整形；凸透镜103，第一面位于临近平凸透镜102的一侧，第二面位于临近平凹透镜104的一侧，所述凸透镜用于对所述图像光线进行整形；平凹透镜104，第一面位于临近凸透镜103的一侧，第二面位于临近分光棱镜105的一面，所述平凹透镜用于对所述图像光线进行整形；分光棱镜105，第一面与平凹透镜104的第二面贴合，第二面与平凸反射镜106第一面贴合，第三面与平凹透镜107第一面贴合，所述分光棱镜105用于将从分光棱镜105第一面入射的光透射至分光棱镜105的第二面，所述分光棱镜105用于将从分光棱镜105第二面入射的光反射至分光棱镜105的第三面；平凸反射镜106，第一面与分光棱镜105贴合，所述平凸反射镜用于对所述图像光线进行整形；平凹透镜107，第一面与分光棱镜105贴合，所述平凹透镜用于对所述图像光线进行整形。

请参阅图2，在该显示系统中，首先显示光源101发出的图像光线，经过平凸透镜102、凸透镜103、平凹透镜104整形之后，到达分光棱镜105的第一面；然后光线经过分光棱镜透射从第二面射出到达平凸反射镜106；光线经过反射后，由分光棱镜105第二面再次射入；光线经过分光棱镜105反射由第三面射出，最后经过平凹透镜107射出。

在其中一些实施例中，平凸透镜102的第二面、凸透镜的第一面和第二面、平凹透镜104的第一面、平凸反射镜106的第二面和平凹透镜107的第二面的表面可以包括球面、非球面和自由曲面的一种。通过设计这些面型的曲率，可以对图像光线进行整形，增加非球面的个数可以减少透镜的数量，减小图像的像差。

进一步地，当所述透镜表面面面型为球面面型时，所述表面面型的面型表达式如下：

其中，z表示矢高，c是表面的曲率(半径的倒数)，r是以透镜为单位的径向坐标，k是圆锥常数。双曲线的圆锥常数为-1，椭圆的圆锥常数为-1到0之间，球体的圆锥常数是0，扁椭球的圆锥常数大于0。

进一步地，当所述透镜表面面面型为非球面面型时，所述表面面型的面型表达式如下：

多项式分为两个部分，前一部分表示Conic曲面，z表示矢高，c是表面的曲率(半径的倒数)，k是圆锥常数，r是径向坐标；前一部分表示多项式描述的曲面，其中α是非球面系数，N表示多项式r

进一步地，当所述透镜表面面面型为自由曲面面型时，所述表面面型的面型表达式如下：

其中，N是级数中多项式系数的个数，α

在一些实施例中，所述显示光源101，用于提供图像光源。显示光源可以是LED，OLED，Lcos，Micro-LED，QLED，Mini-LED中的一种。只要是能够提供显示光源的器件都适合作为显示光源。

为了能够是的近眼显示器光机更加紧凑，在一些实施例中，需要对一些元件进行胶合。所述透镜与棱镜的胶合设置，所述平凹透镜104的第二面与分光棱镜105第一面贴合，所述平凸反射镜106的第一面与分光棱镜105第二面贴合，所述平凹透镜107的第一面与分光棱镜105第三面贴合。

在一些实施例中，参考图3和图4，为了使这种近眼显示光机能达到一维扩瞳的效果，需要将光机的水平方向的出瞳与垂直方向上的出瞳分开。在图3平面的oy轴方向上，波导能够进行扩瞳，能够将系统出瞳放置于平凹透镜107表面上，减小出瞳距离，减小系统体积；在图4平面的ox轴方向上，波导不进行扩瞳，需要将出瞳放置于平凹107的前面。

在其中一些实施例中，为了能让人眼适配该近眼显示系统，需要设置合适的出瞳大小和出瞳距离。参考图3，在oy轴上的出瞳大小可以设置为4-6mm，出瞳距离为0，但不限于该大小；参考图4，在ox轴上的出瞳大小可以设置为4-8mm，出瞳距离为30-40mm，但不限于该大小。可见，该显示系统的出瞳距离远，出瞳大小大，能够增加光线在波导里传播的距离，同时能有效增加一维扩瞳的观察效果。

在其中一些实施例中，为了能够实现大视场近眼显示的效果，该近眼显示的光机对角视场角为52°，水平视场角为48°，垂直视场角为27°，视场的大小不限于该数据。

下面对该近眼显示系统的光机的成像质量进行检测。

图5为图1近眼显示系统的光机的MTF图，MTF(调制传递函数)可以作为评价成像系统的综合成像质量好坏的标准。它通常用每毫米线对表示(lp/mm)，这种每毫米的线对度量也称之为频率。频率的倒数产生两条解析线之间以毫米为单位的间距。对于所有成像元件，对于分辨率板成像时，完美的线条边缘会在一定程度上变得模糊。高分辨率图像是由于模糊最小而表现出大量细节图像。相反，低分辨率图像缺乏细节。从图5中可看出，系统的MTF在50lp/mm出，中心视场能趋近于衍射极限，能全视场的MTF曲线高于0.5，可见该系统能够在全视场的范围内具有良好的成像效果。

图6为图1近眼显示系统的光机的点列图，点列图可以作为评估光学系统的几何成像质量好坏的标准，可反映出系统具有哪些明显的成像像差。一般点列图的RMS半径越小，成像质量越好。从图6中可以看出，所有视场的RMS半径小于5微米，各视场的光斑很小，像差校正很好，系统的成像质量较好。

图7为图1近眼显示系统的光机的网格畸变图，畸变不会影响清晰度，但会影响人眼观感，一般由最大畸变和TV畸变来判定。最大畸变和TV畸变越小，图像失真就越小。从图7中可以看出，全视场最大畸变小于2％，TV畸变小于1％。人眼很难察觉，可见系统的畸变小，成像效果好。

图8为图1近眼显示系统的光机的场曲和畸变图，场曲会使得平面物体通过透镜系统后，所有平面物点聚焦后的像面不与理想像平面重合，而是一个弯曲的曲面。场曲的值越大，越影响系统成像的质量。从图8中可以看出，场曲在±0.05mm之间，也就是系统的场曲已经校正在很小的范围内，成像效果良好。

本申请公开了一种可用于近眼显示系统的光机，以实现大视场的近眼显示。该系统包括从显示光源至出瞳依次经过三块非球面透镜、分光棱镜、非球面反射镜、非球面透镜，其中第二透镜为平凸非球面透镜，第三透镜为非球面透镜，第四透镜为平凹非球面透镜，第五为半反半透棱镜，第六为平凸非球面反射镜，第七透镜为平凹非球面透镜。其显示光源位于分光棱镜的第一侧，用于提供图像光线。本申请实施例的大视场近眼显示系统，通过非球面透镜，能够提高视场角，减小畸变，以及通过分光棱镜，减小系统的体积和重量。

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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、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，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。