CN111158144A - 微镜激光扫描近眼显示*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微镜激光扫描近眼显示***。所述微镜激光扫描近眼显示***包括MEMS微镜扫描装置、准直镜、耦入光栅、波导及耦出光栅，所述耦入光栅放置在所述波导表面，所述MEMS微镜扫描装置包括用于发射光束的光源，所述光源发出的光束经过所述准直镜后变为平行的光束，所述平行的光束垂直入射到所述耦入光栅，垂直入射到所述耦入光栅的光束由所述耦入光栅耦入所述波导进行传递，经所述波导传递的光束在所述波导内全反射并由所述耦出光栅耦出；所述耦出光栅为全息光栅，所述波导的光束由所述耦出光栅耦出为会聚光束并在人眼内会聚。本发明避免光束受波导全反射角的限制和VAC的发生，同时光线均以一个角度被耦入和耦出，显示图像均匀性好。

Description

微镜激光扫描近眼显示***
【技术领域】
本发明涉及波导近眼显示技术领域，尤其涉及一种微镜激光扫描近眼显示***。
【背景技术】
请参阅图1，图1为现有技术中的增强现实(Augmented Reality，AR)波导近眼显示设备，显示的图像源由微显示器1提供，微显示器1上不同像素点发出的光束被准直镜2转换为不同角度的入射光束，从而能被耦入光栅3耦入到波导4中。耦入的光束在波导4中以全反射的形式传输，当光束每次遇到耦出光栅5时都有部分能量的光束被耦出波导进入人眼6。最终不同像素点的光束以不同的角度进入人眼6，从而能看到无穷远处的显示图像。
然而，图1中的显示装置至少有以下三个缺点：
一、由于波导中以全反射的形式传播，视场(Field of View，FOV)受波导全反射角度的限制，无法实现很大的FOV；
二、显示图像永远处于无穷远处，这样人眼聚焦在近处的时候会有视觉辐辏调节冲突(Vergence-accommodation Conflict，VAC)发生。
三、不同像素点以不同角度被光栅耦入和耦出，而光栅对不同入射角的光束的衍射效率不同，而且不同角度光束在耦出光栅的耦出位置也不相同，综合以上两个因素，人眼看到的图像会出现亮度和色彩不均匀的现象。
【发明内容】
本发明提供一种微镜激光扫描近眼显示***，能够扩大FOV大小，避免VAC的发生，同时显示的图像的均匀性好。
本发明提供的微镜激光扫描近眼显示***包括：MEMS微镜扫描装置、准直镜、耦入光栅、波导及耦出光栅，所述耦入光栅放置在所述波导表面，所述MEMS微镜扫描装置包括用于发射光束的光源，所述光源发出的光束经过所述准直镜后变为平行的光束，所述平行的光束垂直入射到所述耦入光栅，垂直入射到所述耦入光栅的光束由所述耦入光栅耦入所述波导进行传递，经所述波导传递的光束在所述波导内全反射并由所述耦出光栅耦出；所述耦出光栅为全息光栅，所述波导的光束由所述耦出光栅耦出为会聚光束并在人眼内会聚。MEMS微镜扫描装置MEMS微镜扫描装置
优选地，所述MEMS微镜扫描装置包括沿所述光束的传播路径依次设置的所述光源、合束镜以及MEMS微反射镜，所述光源为RGB三色光源，所述光源发出的光束由所述合束镜整合后传递至所述MEMS微反射镜，所述MEMS微反射镜扫描显示所述光束。MEMS微镜扫描装置
优选地，所述MEMS微反射镜的表面通过镀金属以增大对可见光波段的光反射率。
优选地，所述耦入光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅，所述光束在所述耦入光栅内的衍射角大于在所述波导的全反射角。
优选地，所述耦入光栅与耦出光栅均设置于所述波导靠近所述MEMS微镜扫描装置的一侧。
优选地，所述耦出光栅设置于所述波导远离所述MEMS微镜扫描装置的一侧。
优选地，所述耦出光栅包括至少两层层叠设置的所述全息光栅，用于分别对RGB光束进行曝光。
优选地，所述全息光栅采用多次曝光分别记录RGB三色光束。
优选地，所述耦出光栅耦出的光束投影到人眼视网膜上不同的位置形成图像近眼视觉，所述近眼视觉视场角满足：
Figure BDA0002341972890000021
其中，FOV为视场角，s为所述全息光栅的面积，d为光束会聚点到波导的距离。
优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅同为体全息光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅设置于在波导同一侧，所述耦出光栅的面积大于所述耦入光栅的面积。
优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅均设置于所述波导靠近所述MEMS微镜扫描装置的一侧，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为透射光栅。
优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅均设置于所述波导远离所述MEMS微镜扫描装置的一侧，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为反射光栅。
优选地，对于所述耦入光栅，垂直于所述波导入射的平行光束为参考光，入射到耦入光栅的中心光线的物光的入射角度满足：
n0sinγ＝n1sinβ
其中，γ为物光入射角度，β为波导折射角度，n0为空气折射率，n1为波导折射率。
与现有技术相比，本发明提供的微镜激光扫描近眼显示***，通过调整入射耦入光栅的光束角度，避免光束受波导全反射角的限制，同时通过耦出光栅的HOE会聚到人眼晶状体中心，避免VAC的发生，同时，光线均以一个角度被耦入和耦出，显示的图像的均匀性好。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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它的附图，其中：
图1为现有技术的AR波导近眼显示的示意图；
图2为本发明实施例一提供的微镜激光扫描近眼显示***的示意图；
图3为图2中的MEMS微镜激光扫描显示装置的示意图；
图4为本发明实施例一提供的HOE的记录示意图；
图5为本发明实施例一提供的调整耦入光栅HOE和耦入光栅HOE的原理示意图；
图6为图5中的耦入光栅的HOE的记录示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，本发明提供的微镜激光扫描近眼显示***包括：微机电***(Microelectromechanical Systems，MEMS)MEMS微镜扫描装置10、准直镜20、耦入光栅30、波导40及耦出光栅50，所述MEMS微镜扫描装置10包括用于发射光束的光源，所述光源发出的光束经过所述准直镜20后变为平行的光束后垂直入射到耦入光栅30，所述耦入光栅30为表面浮雕光栅或者体全息光栅，所述耦入光栅30的衍射角31θ大于在所述波导40的全反射角；垂直入射到所述耦入光栅30的光束由所述耦入光栅30耦入所述波导40进行传递，耦入波导40后的光束之间仍彼此平等；所述耦入光栅30放置在所述波导40表面，经所述波导40传递的光束在所述波导40内全反射并由所述耦出光栅50耦出，所述耦出光栅50为全息光栅，所述波导40的光束由所述耦出光栅50耦出为会聚光束并在人眼60内会聚；光束会聚点为人眼60的晶状体中心61，然后直接投影到人眼60的视网膜62上，形成近眼视觉。
所述耦出光栅50为全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)，所述耦出光栅50放置在所述波导40的表面。所述耦入光栅30和耦出光栅50可以放置于所述波导40的上表面41或下表面42，所述耦入光栅30和耦出光栅50放置在所述波导40的上表面41时为透射式耦入光栅/耦出光栅，所述耦入光栅30和耦出光栅50放置在所述波导40的下表面42时为反射式耦入光栅/耦出光栅，所述波导40的上表面41和下表面42是相对于光源，即所述MEMS微镜扫描装置10所说，与所述光源在同一侧的表面为上表面41，相反的一面为下表面42。具体在本实施例中，采用反射式耦入光栅/耦出光栅为例。
经过所述的微镜激光扫描近眼显示***的光束，所述耦出光栅耦出的光束投影到人眼视网膜上不同的位置形成图像近眼视觉，不同方向射出的光束携带图像源不同像素点的信息，所有像素点组成的图像被直接投影到人眼视网膜62上不同的位置形成图像视觉，由于全部光束都经过人眼晶状体中心61，故晶状体的调焦不影响光束的传播，当人眼60调焦和会聚辐辏以观察远近不同的自然真实物体时，虚拟数字图像都能够独立于晶状体的调焦而清晰地显示，避免了VAC发生。由于所有像素点的光线彼此平行，以相同的角度耦入波导，所以近眼视觉视场角(Field of View，FOV)63不受波导全反射条件限制，所述近眼视觉视场角满足：
Figure BDA0002341972890000051
其中，FOV为视声角，s为HOE的面积，d为光束会聚点到波导的距离。
因此，入射到耦入光栅和耦出光栅HOE的光线彼此平行，入射角都相同，所以不存在不同入射角度衍射效率不同的问题，人眼将看到亮度均匀的图像。
请参阅图3，图3显示所述MEMS微镜扫描装置10，相比于现有技术中的微显示技术，如硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)，数字微镜阵列(Digital Micro-mirrorDevice，DMD)，微型有机发光二极管(Micro-Organic Light-Emitting Diode，Micro-OLED)等，所述MEMS微镜扫描装置10具有显示芯片小、广色域、高对比度和免对焦的优点，适用于便携式微型投影***、近眼显示***、机车显示***，具有广阔的市场前景。所述MEMS微反射镜由体硅微加工工艺刻蚀得到，硅具有非常好的机械性能，其制成的转轴能承受高速的转动而不会断裂。所述MEMS微镜扫描装置10包括沿所述光束的传播路径依次设置的所述光源、合束镜15以及MEMS微反射镜11，所述光源为RGB三色光源，所述RGB三色光源分别为R12、G13和B14，所述光源发出的光束由所述合束镜15整合后传递至所述MEMS微反射镜11，所述MEMS微反射镜11扫描显示所述光束。所述MEMS微反射镜11的表面通过镀金属以增大对可见光波段的光反射率，具体在本实施例中，在反射镜表面会镀金(Gold，Au)后铝(Aluminum，Al)来增大对可见光波段的光反射率。
如图3所示，MEMS微反射镜11绕支点110旋转，颜色模式(Red Green Blue，RGB)三种激光光源R12、G13和B14经过合束镜15和反射镜16后到达MEMS微反射镜11表面，每个像素点的颜色通过调节RGB三个激光的亮度来控制。
请参阅图4，所述HOE101采用体全息的记录方式，对于RBG三色显示，所述HOE101的使用包括单层多次曝光或者多层叠加分别记录。具体地，记录的物光102为会聚到o103点的球面波，参考光104为平面波，利用折射率与波导10相近的棱镜105可以将参考光104耦合入波导10。对于RBG三色显示，HOE101需要分别用RGB三色激光对其多次曝光，这样能记录RBG三种物光信息；或者用多层HOE叠加，具体在一实施例中，使用三层HOE，每一层记录RBG中一种颜色的物光信息；在另一实施例中，使用两层HOE，一层记录一种颜色，另一层记录另外两种颜色的物光信息。
这里HOE一般采用体全息的记录方式，其对波长有很好的选择性，只衍射记录的RGB三种波长的光，而其它波长的光可以直接透过。所以大部分的环境光线能透过波导和HOE到达人眼，所以显示的图像能叠加到周围的环境中去。
请参阅图5，具体在一实施例中，由于要扩大人眼近眼显示的FOV，因此将所述耦入光栅30和所述耦出光栅50均设为HOE，所述耦入光栅30的HOE和所述耦出光栅50的HOE放置在波导40的上表面或下表面，所述耦出光栅50的HOE大于所述耦入光栅30的HOE，通过增加所述耦出光栅50的HOE面积扩大所述FOV。具体地，当所述耦入光栅30的HOE和所述耦出光栅50的HOE都放置在波导40的上表面41时，所述HOE为透射式HOE，当所述耦入光栅30的HOE和所述耦出光栅50的HOE都放置在波导40的下表面42时，所述HOE为反射式HOE。具体在本实施例中，以所述耦入光栅30的HOE和所述耦出光栅50的HOE都放置在波导40的上表面41为例。
为扩大FOV需要增大HOE的面积，由于波导40中传输的光线彼此平行，从而需要增大耦入光栅30的面积才能扩大FOV，这样会导致准直镜20和MEMS微镜扫描装置10体积的增大，不利于整体体积和重量的控制，降低了便携性。因此，具体在本实施例中，将耦入光栅30换成了HOE，垂直入射的平行光束能被衍射为发散的光束，只需要保证最小的衍射角大于波导的全反射角这个发散的光束就能在波导中传输。由于光束发散的特性，每一次全反射时与波导界面的接触面积都大于上一次全反射。这样耦出光栅50的HOE的面积大于所述耦入光栅30的HOE的面积，这样可在不增大***的体积和重量的情况扩大FOV。
请参阅图6，对于所述耦入光栅30的HOE，垂直入射的平行光束为参考光301，所述参考光301为垂直于波导40入射的平面波，物光302为从o’点303发出的球面波。考虑到波导的折射率与空气的折射率不同，入射到耦入光栅30的HOE中心光线的物光的入射角度满足：
n0sinγ＝n1sinβ
其中，γ为物光入射角度304，β为波导折射角度305，n0为空气折射率，n1为波导折射率。
与现有技术相比，本发明提供的微镜激光扫描近眼显示***，通过调整入射耦入光栅的光束角度，避免光束受波导全反射角的限制，同时通过耦出光栅的HOE会聚到人眼晶状体中心，避免VAC的发生，同时，光线均以一个角度被耦入和耦出，显示的图像的均匀性好。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述微镜激光扫描近眼显示***包括：MEMS微镜扫描装置、准直镜、耦入光栅、波导及耦出光栅，所述耦入光栅放置在所述波导表面，所述MEMS微镜扫描装置包括用于发射光束的光源，所述光源发出的光束经过所述准直镜后变为平行的光束，所述平行的光束垂直入射到所述耦入光栅，垂直入射到所述耦入光栅的光束由所述耦入光栅耦入所述波导进行传递，经所述波导传递的光束在所述波导内全反射并由所述耦出光栅耦出；所述耦出光栅为全息光栅，所述波导的光束由所述耦出光栅耦出为会聚光束并在人眼内会聚。
2.根据权利要求1所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述MEMS微镜扫描装置包括沿所述光束的传播路径依次设置的所述光源、合束镜以及MEMS微反射镜，所述光源为RGB三色光源，所述光源发出的光束由所述合束镜整合后传递至所述MEMS微反射镜，所述MEMS微反射镜扫描显示所述光束。
3.根据权利要求2所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述MEMS微反射镜的表面通过镀金属以增大对可见光波段的光反射率。
4.根据权利要求1所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦入光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅，所述光束在所述耦入光栅内的衍射角大于在所述波导的全反射角。
5.根据权利要求1所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦入光栅与耦出光栅均设置于所述波导靠近所述MEMS微镜扫描装置的一侧。
6.根据权利要求1所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦出光栅设置于所述波导远离所述MEMS微镜扫描装置的一侧。
7.根据权利要求2所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦出光栅包括至少两层层叠设置的所述全息光栅，用于分别对RGB光束进行曝光。
8.根据权利要求2所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述全息光栅采用多次曝光分别记录RGB三色光束。
9.根据权利要求1所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦出光栅耦出的光束投影到人眼视网膜上不同的位置形成图像近眼视觉，所述近眼视觉视场角满足：
Figure FDA0002341972880000021
其中，FOV为视场角，s为所述全息光栅的面积，d为光束会聚点到波导的距离。
10.根据权利要求1或9所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅同为体全息光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅设置于在波导同一侧，所述耦出光栅的面积大于所述耦入光栅的面积。
11.根据权利要求10所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅均设置于所述波导靠近所述MEMS微镜扫描装置的一侧，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为透射光栅。
12.根据权利要求10所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅均设置于所述波导远离所述MEMS微镜扫描装置的一侧，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为反射光栅。
13.根据权利要求10所述的微镜激光扫描近眼显示***，其特征在于，对于所述耦入光栅，垂直于所述波导入射的平行光束为参考光，入射到耦入光栅的中心光线的物光的入射角度满足：
n0sinγ＝n1sinβ
其中，γ为物光入射角度，β为波导折射角度，n0为空气折射率，n1为波导折射率。
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