CN115933200A - 改善近眼显示器的鬼像的方法和近眼显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改善近眼显示器的鬼像的方法和近眼显示器。改善近眼显示器的鬼像的方法，包括如下步骤：步骤S1：获取微投光机，根据微投光机的视场角得到微投光机入射至光波导结构后反射的鬼像光线能够避让微投光机所需的偏转角度θ；步骤S2：根据偏转角度θ得到放置于微投光机的出光侧的楔形棱镜的顶角α；步骤S3：根据楔形棱镜的顶角α得到楔形棱镜的厚度，然后得到能够将微投光机发射的光实现偏转角度θ的楔形棱镜。本发明解决了现有技术中的近眼显示器存在鬼像改善困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及近眼显示设备技术领域，具体而言，涉及一种改善近眼显示器的鬼像的方法和近眼显示器。
背景技术
随着光学显示设备领域的不断发展和进步，近眼显示领域逐渐受到大众的关注。在近眼显示器方面，现有的近眼显示器一般包括一个微投光机和一个光波导结构，微投光机发射的光射入光波导结构中，经过光波导结构的传输，最终到人眼中进行成像显示。近眼显示器的最终成像效果是整体性能的关键，但是目前普遍的近眼显示器的鬼像较为严重，导致最终成像效果差。
近眼显示器中的成像***的鬼像主要是成像透镜间的反射光线和由光栅面的零级反射光线造成的(分别附图2中的鬼像光线1和鬼像光线2)，目前常用以下两种方式来改善鬼像(见附图3)：一种是让成像光线尽可能多得透过成像元件，减少反射光的比例，一般利用增透膜层减少反射光线在微投光机的成像***的比例，但并不能有效改善光波导结构表面光栅的反射光线；另一种是增大造成鬼像的反射光线角度，让其偏离出成像元件或使其所造成的鬼像不处于成像观察范围内，这样通过倾斜微投光机(见附图4)，以调整微投光机与光波导结构之间的角度关系来偏转光栅面反射光线的传播方向，使其不进入微投光机进行二次成像，这种方式能够有效改善光栅面反射引起的鬼像，但有以下几个缺点：一个是影响整机外形设计；另一个是增大微投光机和光波导结构之间的组装、测试难度。
也就是说，现有技术中的近眼显示器存在鬼像改善困难的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种改善近眼显示器的鬼像的方法和近眼显示器，以解决现有技术中的近眼显示器存在鬼像改善困难的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种改善近眼显示器的鬼像的方法，包括如下步骤：步骤S1：获取微投光机，根据微投光机的视场角得到微投光机入射至光波导结构后反射的鬼像光线能够避让微投光机所需的偏转角度θ；步骤S2：根据偏转角度θ得到放置于微投光机的出光侧的楔形棱镜的顶角α；步骤S3：根据楔形棱镜的顶角α得到楔形棱镜的厚度，然后得到能够将微投光机发射的光实现偏转角度θ的楔形棱镜。
进一步地，改善近眼显示器的鬼像的方法还包括位于步骤S3后的步骤S4：调整楔形棱镜位于微投光机和光波导结构之间的位置，以使楔形棱镜能够实现偏转角度θ。
进一步地，在步骤S4中，调整楔形棱镜的入光面与微投光机的出瞳位置重合；或者调整楔形棱镜位于微投光机与微投光机的出瞳位置之间；或者调整楔形棱镜位于微投光机的出瞳位置与光波导结构之间。
进一步地，改善近眼显示器的鬼像的方法还包括位于步骤S4后的验证步骤S5，验证步骤S5包括：步骤S51：点亮微投光机，获取测试相机并放置于镜目距位置处，计算第一鬼像强度I0；步骤S52：将楔形棱镜移走，将微投光机和光波导结构恢复初始位置，点亮微投光机，将测试相机放置于镜目距位置处，计算第二鬼像强度I1；步骤S53：若第一鬼像强度I0小于第二鬼像强度I1，则证明鬼像被减弱。
进一步地，在步骤S2中，微投光机的视场角FOV包括水平方向的视场角HFOV和垂直方向的视场角VFOV，偏转角度θ＝min[HFOV，VFOV]/2。
进一步地，在步骤S3中，偏转角度θ、楔形棱镜的折射率n和楔形棱镜的顶角α之间满足：θ＝(n-1)*α。
进一步地，在步骤S3中，调整楔形棱镜的折射率n在大于等于1.3且小于等于2.1的范围内。
进一步地，在步骤S3中，调整楔形棱镜的厚度在大于等于0.2mm且小于等于4mm的范围内。
根据本发明的另一方面，提供了一种近眼显示器，近眼显示器为上述的近眼显示器，近眼显示器包括微投光机和沿微投光机的出光方向顺次设置的楔形棱镜和光波导结构，楔形棱镜具有顶角α，楔形棱镜能够将微投光机发射的光进行偏转，从而使得经光波导结构后反射的鬼像光线避让微投光机。
进一步地，楔形棱镜包括入光面、出光面、第一侧面和第二侧面，入光面的一侧通过第一侧面与出光面的一侧连接，入光面的另一侧通过第二侧面与出光面的另一侧连接，第一侧面和第二侧面平行设置，出光面与第二侧面连接的一侧朝向靠近入光面的方向倾斜，出光面与第二侧面之间的夹角为楔形棱镜的顶角α。
应用本发明的技术方案，改善近眼显示器的鬼像的方法包括如下步骤：步骤S1：获取微投光机，根据微投光机的视场角得到微投光机入射至光波导结构后反射的鬼像光线能够避让微投光机所需的偏转角度θ；步骤S2：根据偏转角度θ得到放置于微投光机的出光侧的楔形棱镜的顶角α；步骤S3：根据楔形棱镜的顶角α得到楔形棱镜的厚度，然后得到能够将微投光机发射的光实现偏转角度θ的楔形棱镜。
通过调整楔形棱镜的顶角α和厚度从而匹配鬼像光线能够避让微投光机所需的偏转角度θ，有利于保证鬼像光线避让微投光机的准确度，进而保证光波导结构表面反射的鬼像光线不会进入微投光机内参与二次成像形成鬼像，从而降低鬼像，保证光波导结构的最终成像品质。相较于直接倾斜设置微投光机方法，本申请利用楔形棱镜的顶角α来决定微投光机耦出光线的偏转角度θ，在模组组装和校准过程中，不需要调整微投光机角度和位置，不需要使用带角度的结构件，降低模组组装、测试的难度，同时保证近眼显示器整机ID设计灵活度高，可以保持微投光机和光波导结构的相对位置关系；在近眼显示器的光学***中，楔形棱镜也可以作为一个活动元件，在组装过程中用于双目合像的校准，降低工艺复杂性。
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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的一个可选实施例的改善近眼显示器的鬼像的方法的流程图；
图2示出了现有技术中的近眼显示器中鬼像的来源的示意图；
图3示出了现有技术中的近眼显示器改善鬼像的示意图；
图4示出了现有技术中的近眼显示器采用倾斜微投光机改善鬼像的示意图；
图5示出了本发明的一个可选实施例的近眼显示器的结构示意图；
图6示出了本发明的近眼显示器中的楔形棱镜的三种位置的示意图；
图7示出了本发明的近眼显示器与现有技术的光路对比图；
图8示出了本发明的改善近眼显示器的鬼像的方法在验证步骤S5的状态图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、微投光机；11、出瞳位置；20、楔形棱镜；21、入光面；22、出光面；23、第一侧面；24、第二侧面；30、光波导结构；31、波导片；32、耦入光栅；33、耦出光栅；34、保护玻璃；40、测试相机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中的近眼显示器存在鬼像改善困难的问题，本发明提供一种改善近眼显示器的鬼像的方法和近眼显示器。
如图1至图8所示，改善近眼显示器的鬼像的方法包括如下步骤：步骤S1：获取微投光机10，根据微投光机10的视场角得到微投光机10入射至光波导结构30后反射的鬼像光线能够避让微投光机10所需的偏转角度θ；步骤S2：根据偏转角度θ得到放置于微投光机10的出光侧的楔形棱镜20的顶角α；步骤S3：根据楔形棱镜20的顶角α得到楔形棱镜20的厚度，然后得到能够将微投光机10发射的光实现偏转角度θ的楔形棱镜20。
通过调整楔形棱镜20的顶角α和厚度从而匹配鬼像光线能够避让微投光机10所需的偏转角度θ，有利于保证鬼像光线避让微投光机10的准确度，进而保证光波导结构30表面反射的鬼像光线不会进入微投光机10内参与二次成像形成鬼像，从而降低鬼像，保证光波导结构30的最终成像品质。相较于直接倾斜设置微投光机10的方法，本申请利用楔形棱镜20的顶角α来决定微投光机10耦出光线的偏转角度θ，在模组组装和校准过程中，不需要调整微投光机10角度和位置，不需要使用带角度的结构件，降低模组组装、测试的难度，同时保证近眼显示器整机ID设计灵活度高，可以保持微投光机10和光波导结构30的相对位置关系；在近眼显示器的光学***中，楔形棱镜20也可以作为一个活动元件，在组装过程中用于双目合像的校准，降低工艺复杂性。
如图7所示，带箭头的线表示的是光线，带箭头的实线表示为用于成像的光线，带箭头的虚线表示为鬼像光线。
如图5和图7所示，根据微投光机10的视场角FOV确认微投光机10入射至光波导结构30后反射的鬼像光线能够避让微投光机10所需的偏转角度θ，在步骤S2中，微投光机10的视场角FOV包括水平方向的视场角HFOV和垂直方向的视场角VFOV，偏转角度θ＝min[HFOV，VFOV]/2。这样设置有利于保证偏转角度θ与微投光机10的视场角的高匹配程度，从而能够有效消除鬼像。利用楔形棱镜20的偏光性能，将微投光机10的耦出光线偏转至设定角度，使其在光波导结构30的耦入光栅32的表面的反射光线以一定角度掠射出光波导结构30并且不进入微投光机10参与二次成像形成鬼像。
具体的，根据θ角的大小，我们可以确认楔形棱镜20的顶角α，在步骤S3中，偏转角度θ、楔形棱镜20的折射率n和楔形棱镜20的顶角α之间满足：θ＝(n-1)*α。然后将楔形棱镜20带入微投光机10的仿真建模中，优化得出楔形棱镜20的最佳厚度。在步骤S3中，调整楔形棱镜20的折射率n在大于等于1.3且小于等于2.1的范围内。在步骤S3中，调整楔形棱镜20的厚度在大于等于0.2mm且小于等于4mm的范围内。根据微投光机10的光学结构参数优化得出楔形棱镜20的厚度值，不同的微投光机10需搭配不同厚度的楔形棱镜20使用；选择适当厚度的楔形棱镜20，可以避免楔形棱镜20的加入对微投光机10的成像性能产生影响，例如增加额外的像差和色差，确保楔形棱镜20的加入只改变了微投光机10的投射角度，而不保证微投光机10的正常使用效果。
如图6所示，改善近眼显示器的鬼像的方法还包括位于步骤S3后的步骤S4：调整楔形棱镜20位于微投光机10和光波导结构30之间的位置，以使楔形棱镜20能够实现偏转角度θ。在步骤S4中，调整楔形棱镜20的入光面21与微投光机10的出瞳位置11重合；或者调整楔形棱镜20位于微投光机10与微投光机10的出瞳位置11之间；或者调整楔形棱镜20位于微投光机10的出瞳位置11与光波导结构30之间。根据光波导结构30的设计要求，将楔形棱镜20摆放在楔形棱镜20与微投光机10联合优化仿真后得出的位置处，避免破坏微投光机10的出瞳与光波导结构30的耦入光栅32的匹配关系以及引入新的光学像差。
如图6所示，楔形棱镜20的摆放的位置需微透光机的光学结构仿真优化得出，楔形棱镜20所处位置可以是楔形棱镜20的入光面21与微投光机10出瞳位置11重合；或者楔形棱镜20位于微投光机10的最后一个镜片与出瞳位置11之间，此时楔形棱镜20与微投光机10的最后一个镜片之间的距离大于等于0mm且小于等于5mm；或者楔形棱镜20位于微投光机10的出瞳位置11与光波导结构30的表面之间，此时楔形棱镜20与光波导结构30之间的距离大于等于0mm且小于等于5mm。适当选取楔形棱镜20的摆放位置，可以避免楔形棱镜20的加入对微投光机10的成像性能产生影响，例如增加额外的像差和色差，确保楔形棱镜20的加入只改变了微投光机10的投射角度。
如图8所示，改善近眼显示器的鬼像的方法还包括位于步骤S4后的验证步骤S5，验证步骤S5包括：
步骤S51：点亮微投光机10，获取测试相机40并放置于所设计的eye-relief镜目距位置处，计算第一鬼像强度I0；
步骤S52：将楔形棱镜20移走，将微投光机10和光波导结构30恢复初始位置，点亮微投光机10，将测试相机40放置于设计eye-relief镜目距位置处，计算第二鬼像强度I1；
步骤S53：对比I0和I1的大小，若第一鬼像强度I0小于第二鬼像强度I1，则证明鬼像被减弱。即此证明该本方法能够有效改善鬼像，同时计算I1-I0的差值，可以确定或监控鬼像改善情况。
需要说明的是，eye-relief-镜目距，一般在光学设计中定义为人眼出瞳到成像***最外侧镜片的距离，人眼在镜目距距离内自由移动时，均可以观测到完整的图像，当人眼所处的位置超出所设计的镜目距时，人眼所观测的图像是不完整的，这也是为什么要把测试相机40放在镜目距位置处的原因。
本发明还提供了一种近眼显示器，近眼显示器为上述的近眼显示器，近眼显示器包括微投光机10和沿微投光机10的出光方向顺次设置的楔形棱镜20和光波导结构30，楔形棱镜20具有顶角α，楔形棱镜20能够将微投光机10发射的光进行偏转，从而使得经光波导结构30后反射的鬼像光线避让微投光机10。
具体的，楔形棱镜20包括入光面21、出光面22、第一侧面23和第二侧面24，入光面21的一侧通过第一侧面23与出光面22的一侧连接，入光面21的另一侧通过第二侧面24与出光面22的另一侧连接，第一侧面23和第二侧面24平行设置，出光面22与第二侧面24连接的一侧朝向靠近入光面21的方向倾斜，出光面22与第二侧面24之间的夹角为楔形棱镜20的顶角α。
具体的，近眼显示器的光波导结构30包括波导片31和间隔设置在波导片31上的耦入光栅32和耦出光栅33，耦入光栅32和耦出光栅33位于波导片31远离微投光机10的一侧，光波导结构30还包括保护玻璃34，保护玻璃34盖设在波导片31具有耦入光栅32和耦出光栅33的一侧表面上。微透光机发出特定需求的准直光线，当这些准直光线到达楔形棱镜20时，由于楔形棱镜20的角度偏转功能，准直光线在从楔形棱镜20耦出时会发生特定角度的偏移，发生偏转的投射光线耦合进入光波导结构30的耦入光栅32发生衍射，然后衍射光线在波导片31内部经全内反射传输至耦出光栅33，再经耦出光栅33衍射出波导片31，进而投射至人眼形成虚拟图像。楔形棱镜20的加入可以避免微投光机10的投射光线在光波导结构30的耦入光栅32的反射光线再次进入微投光机10内部二次成像形成鬼像。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：获取微投光机(10)，根据所述微投光机(10)的视场角得到所述微投光机(10)入射至光波导结构(30)后反射的鬼像光线能够避让所述微投光机(10)所需的偏转角度θ；
步骤S2：根据所述偏转角度θ得到放置于所述微投光机(10)的出光侧的楔形棱镜(20)的顶角α；
步骤S3：根据所述楔形棱镜(20)的顶角α得到所述楔形棱镜(20)的厚度，然后得到能够将所述微投光机(10)发射的光实现所述偏转角度θ的楔形棱镜(20)。
2.根据权利要求1所述的改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，所述改善近眼显示器的鬼像的方法还包括位于步骤S3后的步骤S4：
调整所述楔形棱镜(20)位于所述微投光机(10)和所述光波导结构(30)之间的位置，以使所述楔形棱镜(20)能够实现所述偏转角度θ。
3.根据权利要求2所述的改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，
调整所述楔形棱镜(20)的入光面(21)与所述微投光机(10)的出瞳位置(11)重合；或者
调整所述楔形棱镜(20)位于所述微投光机(10)与所述微投光机(10)的出瞳位置(11)之间；或者
调整所述楔形棱镜(20)位于所述微投光机(10)的出瞳位置(11)与所述光波导结构(30)之间。
4.根据权利要求2所述的改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，所述改善近眼显示器的鬼像的方法还包括位于步骤S4后的验证步骤S5，所述验证步骤S5包括：
步骤S51：点亮所述微投光机(10)，获取测试相机(40)并放置于镜目距位置处，计算第一鬼像强度I0；
步骤S52：将所述楔形棱镜(20)移走，将所述微投光机(10)和所述光波导结构(30)恢复初始位置，点亮所述微投光机(10)，将所述测试相机(40)放置于镜目距位置处，计算第二鬼像强度I1；
步骤S53：若所述第一鬼像强度I0小于所述第二鬼像强度I1，则证明鬼像被减弱。
5.根据权利要求1所述的改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述微投光机(10)的视场角FOV包括水平方向的视场角HFOV和垂直方向的视场角VFOV，所述偏转角度θ＝min[HFOV，VFOV]/2。
6.根据权利要求1所述的改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述偏转角度θ、所述楔形棱镜(20)的折射率n和所述楔形棱镜(20)的顶角α之间满足：θ＝(n-1)*α。
7.根据权利要求6所述的改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，调整所述楔形棱镜(20)的折射率n在大于等于1.3且小于等于2.1的范围内。
8.根据权利要求1所述的改善近眼显示器的鬼像的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，调整所述楔形棱镜(20)的厚度在大于等于0.2mm且小于等于4mm的范围内。
9.一种近眼显示器，其特征在于，所述近眼显示器为权利要求1至8中任一项所述的近眼显示器，所述近眼显示器包括微投光机(10)和沿所述微投光机(10)的出光方向顺次设置的楔形棱镜(20)和光波导结构(30)，所述楔形棱镜(20)具有顶角α，所述楔形棱镜(20)能够将所述微投光机(10)发射的光进行偏转，从而使得经所述光波导结构(30)后反射的鬼像光线避让所述微投光机(10)。
10.根据权利要求9所述的近眼显示器，其特征在于，所述楔形棱镜(20)包括入光面(21)、出光面(22)、第一侧面(23)和第二侧面(24)，所述入光面(21)的一侧通过所述第一侧面(23)与所述出光面(22)的一侧连接，所述入光面(21)的另一侧通过所述第二侧面(24)与所述出光面(22)的另一侧连接，所述第一侧面(23)和所述第二侧面(24)平行设置，所述出光面(22)与所述第二侧面(24)连接的一侧朝向靠近所述入光面(21)的方向倾斜，所述出光面(22)与所述第二侧面(24)之间的夹角为所述楔形棱镜(20)的顶角α。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 118, Building 1, No. 200 Jichuang Road and No. 491 Yindong Road, Pudong New Area Free Trade Pilot Zone, Shanghai, August 2012 Applicant after: Shunyu Aolai Micro Nano Optoelectronic Information Technology (Shanghai) Co.,Ltd. Address before: 200120 No. 8011, floor 3, No. 299, Kangwei Road, Pudong New Area, Shanghai Applicant before: Shunyu Aolai semiconductor optoelectronics (Shanghai) Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |