CN207408689U - 显示光学***及头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种显示光学***及头戴显示设备。该显示光学***包括光源模组、扫描装置和投影成像装置。投影成像装置为椭球曲面。由光源模组输出的光信息经扫描装置扫描成像后经投影成像装置反射至人眼形成投影图像。环境光线经过投影成像装置透射进入人眼形成环境图像。该头戴显示设备包括上述显示光学***。该显示光学***及头戴显示设备包括椭球曲面，利用了细光束成像原理，使得投影出的虚拟图像的成像质量在中心显示区域和边缘显示区域一致，避免出现中心显示区域清晰而边缘显示区域模糊的问题；利用了反射原理成像，中间没有任何附加成像组件，故投影出的虚拟图像无色差；以及采用了非离轴成像原理，故投影出的虚拟图像不会产生畸变。

Description

显示光学***及头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种显示光学***及头戴显示设备。

背景技术

现有的头戴显示光学***一般是采用将半透半反平面镜和传统的目视光学***组合的方式，来实现增强现实、虚拟现实或混合现实的显示功能。因此，现有的头戴显示光学***投影出的虚拟图像出现色差、畸形，以及成像质量在中心显示区域和边缘显示区域不一致，中心显示区域清晰而边缘显示区域模糊等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种显示光学***及头戴显示设备，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种显示光学***，包括光源模组、扫描装置和投影成像装置，所述投影成像装置为椭球曲面；

由所述光源模组输出的光信息经所述扫描装置扫描成像后经所述投影成像装置反射至人眼形成投影图像；环境光线经过所述投影成像装置透射进入人眼形成环境图像。

可选地，所述光源模组包括照明光源、光调制器、光纤合束器和光束整形器；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述光调制器，用于对所述照明光源进行能量调制；

所述光纤合束器，用于将多色照明光源合成一束；

所述光束整形器，用于对合束光束进行整形。

可选地，所述光源模组包括照明光源、光调制器、光纤合束器和光取向元件，所述光纤合束器的输出端融合有一自聚焦透镜；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述光调制器，用于对所述照明光源进行能量调制；

所述光纤合束器和自聚焦透镜，用于将多色照明光源合成一束；

所述光取向元件，用于选取特定光束。

可选地，所述光源模组包括照明光源、光调制器和光纤合束器，所述光纤合束器输出端的光纤的数值孔径小于0.001；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述光调制器，用于对所述照明光源进行能量调制；

所述光纤合束器，用于将多色照明光源合成一束。

可选地，所述扫描装置包括四分压电陶瓷管和支撑固定件，所述四分压电陶瓷管的一端与所述光纤合束器连接、另一端固定于所述支撑固定件。

可选地，所述显示光学***还包括红外发射单元和红外接收单元，所述红外接收单元包括分光片和红外感光阵列；

所述红外发射单元，用于向人眼发射红外光；

所述分光片，用于对红外发射单元出射的光波段全反射，并透过可见光波段；

所述红外接收单元，用于人眼红外图像并对图像数据进行存储。

可选地，所述投影成像装置还包括用于对光路进行折叠的光路转折元件，所述光路转折元件设置于所述椭球曲面与扫描装置之间。

可选地，所述扫描装置为MEMS扫描装置。

可选地，所述椭球曲面镀有可见光波段的可透可反膜和/或特定红外光波层的高反射膜。

一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括上述的显示光学***。

本发明提供的显示光学***及头戴显示设备包括椭球曲面，利用了细光束成像原理，使得投影出的虚拟图像的成像质量在中心显示区域和边缘显示区域一致，避免出现中心显示区域清晰而边缘显示区域模糊的问题；利用了反射原理成像，中间没有任何附加成像组件，故投影出的虚拟图像无色差；以及采用了非离轴成像原理，故投影出的虚拟图像不会产生畸变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种显示光学***的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种光源模组的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的另一种光源模组的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的另一种光源模组的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的另一种显示光学***的结构示意图。

图6为椭球曲面的原理示意图。

图7为本发明实施例提供的另一种显示光学***的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的另一种显示光学***的结构示意图。

图标：10-光源模组；20-扫描装置；30-椭球曲面；11-照明光源；12-光调制器；13-光纤合束器；14-光束整形器；111-红色激光发生单元；112-绿色激光发生单元；113-蓝色激光发生单元；15-光取向元件；131-自聚焦透镜；21-四分压电陶瓷管；22-支撑固定件；31-光路折转元件；40-红外发射单元；50-红外接收单元；51-分光片；52-红外感光阵列。

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

本发明实施例提供的显示光学***，可以应用于HMD(Head Mount Display，头戴式可视设备)、智能眼镜、增强现实设备、虚拟现实设备、混合现实设备等，在此不做限制。

图1示出了本发明实施例提供的显示光学***的结构示意图。如图1所示，该显示光学***包括光源模组10、扫描装置20和投影成像装置。投影成像装置为椭球曲面30。

在具体实施过程中，由光源模组10输出的光信息经所述扫描装置20扫描成像后经所述投影成像装置反射至人眼形成投影图像。环境光线经过所述投影成像装置透射进入人眼形成环境图像。

光源模组10用于输出照明光线，该照明光线的能量与待显示信息的灰度对应的能量一致。光源模组10可以有多种结构，例如可以如图2、图3和图4所示。

如图2所示，光源模组10包括照明光源11、光调制器12、光纤合束器13和光束整形器14。照明光源11可以采用激光光源、LED光源等。可选地，在本实施例中，该照明光源11为激光光源，如激光发生装置。该激光发生装置可以包括红色激光发生单元111、绿色激光发生单元112和蓝色激光发生单元113。在另一实施方式中，激光发生装置中各个激光发生单元的颜色可以根据实际需要进行设置，以满足实际情况的需要，在此不做限制。

光调制器12用于根据待显示信息的灰度要求调制照明光源11的能量。在本实施例中，光调制器12具体为带光纤的平面波导型VOA(Variable Optical Attenuato，可调节衰减器)。由于激光发生装置输出的光源直接对接到VOA时，波导的耦合效率极低且对两者的装配要求很高。故在本实施例中，激光发生装置输出的光源经过光纤耦入VOA平面波导。光纤在近激光发生单元的一侧端面融合有微型球透镜，增大了光纤输入端的数值孔径，提高了激光与光纤的耦合效率。光纤合束器13用于将光调制器12输出的多色光源合成单束光。本实施例中，光纤合束器13采用熔融拉锥的合束结构方式。

光束整形器14用于将光纤合束器13输出的混合光源整形以满足高质量的光源需求。本实施例中，光束整形器14可以选用公知常规技术方案实现，通常由长焦准直镜、短焦聚焦镜、小孔光阑及短焦准直镜组成。

在具体实施过程中，激光发生装置的三色激光光源分别由光调制器12根据待显示信息的灰度要求进行光输出能量的调控，调制的三色光源由光纤合束器13耦合为单束光纤光源输出，光纤合束器13输出的光束经过长焦准直镜和短焦聚焦镜后重新会聚成激光光斑，小孔光阑对会聚后的激光光斑取中心区域，滤除光斑旁瓣，获得能量集中的小光斑，最后小光斑再次由短焦准直镜准直为能量分布均匀的准直细光束。

如图3所示，在另一种实施方式中，光源模组10包括照明光源11、光调制器12、光纤合束器13和光取向元件15。与图2不同的是，光纤合束器13的输出端融合有一自聚焦透镜131，输出的是近准直光束。显然，自聚焦透镜131可以与光纤合束器13的输出端分离，理论上只需要精密调节光纤输出端与自聚焦透镜131的间距，就可以获得高准直度的光束。但实际操作中此间距通常在微米范围，不仅要求高精度的调节机构，而且调校过程复杂费时，生产效率低下。而采用两者熔接的方式，受熔接工艺的影响会一定程度上损失输出光的准直度。为此，本实施例中在光纤合束器13的光路后方设置一光取向元件15，目的是只对符合要求的光通过，滤除不满足要求的光。光取向元件15可以是角度敏感衍射元件或全息元件，本实施例中，光取向元件15具体为三层角度敏感衍射二元元件，分别对应三种激光发生单元发出的光波。

如图4所示，在另一种实施方式中，光源模组10包括照明光源11、光调制器12和光纤合束器13。与图2不同的是，光纤合束器13采用熔融拉锥的方法将三束光源合成一束，光纤合束器13输出端的光纤为特制光纤，其数值孔径小于0.001，光纤输出的光可以近似认为准直细光束。

实际实施过程中，选用激光作为照明光源11时，由于激光的相干长度小，易产生散斑效应，因此可以在光源模组10的输出端放置一用于削弱激光散斑的器件，如随机振动相位板。从而，可以获得亮度更均匀散斑均匀化的准直细光束。

请再次参考图1，扫描装置20可以选用公知技术中的具有扫描功能的器件。例如，该扫描装置20可以是MEMS扫描装置、压电陶瓷光纤扫描装置、电控晶体扫描装置等。可选地，在本实施例中，扫描装置20为MEMS扫描装置。MEMS扫描装置可以由一个二维MEMS扫描振镜组成，或者两个一维MEMS扫描振镜组成。光源模组10根据待需发送到用户眼睛中的虚拟图像的色彩和灰度要求进行调制光线并经光束整形后输入到MEMS扫描装置。MEMS扫描装置能够根据驱动信号进行偏转，也即通过扫描这一过程实现了输出图像光线的目的，从而能够通过图像光线将虚拟图像发送至用户眼睛中。

对于图4所示的光源模组10，扫描装置20可以为压电陶瓷光纤扫描装置。例如，请参考图5，扫描装置20包括四分压电陶瓷管21和支撑固定件22。四分压电陶瓷管21是一个中空的圆柱型陶瓷管，在其内圆柱表面涂有导电图层，外表面为四个面积相等但彼此间绝缘的导电层。四分压电陶瓷管21的一端固定于支撑固定件22处，另一端为自由悬臂端，光纤合束器13的输出端光纤粘连在四分压电陶瓷管的悬臂端，同时留有一段光纤悬臂，根据压电陶瓷的逆压电效应，当在内表面的导电层和外表面的导电层之间加电压后，陶瓷管产生弯曲运动。扫描装置20根据驱动信号，将光纤在水平方向和垂直方向进行偏转，将光源模组10输出的初始光线处理为图像光线，从而实现将虚拟图像发送到用户眼睛中的目的。

投影成像装置为椭球曲面30，如图1和图5所示。请参考图6，图6为椭球曲面30的原理示意图，椭圆存在位于椭圆的长轴上第一焦点F1和第二焦点F2。依据公知常识，从第一焦点F1出发的光束，经椭圆反射后，将会会聚在第二焦点F2上。因此，可以将扫描装置20的旋转轴与反射镜面的交汇点S置于椭球曲面30的第二焦点F2，扫描装置20扫描得到的每一个视场的细光束被椭球曲面30反射后将会聚于椭球曲面30的第一焦点F1，则人眼处于第一焦点F1位置附近时可接收到扫描装置20扫描的图像光线。由于椭球曲面30的第一焦点F1和第二焦点F2位于长轴上，当椭球曲面30的长轴与Y轴平行时，正对人眼放置时，椭球长轴与人眼垂直视轴平行，扫描装置20与人眼在同一垂直线上，扫描装置20具有一定的物理尺寸空间，因此会导致扫描装置20与使用者头部的物理干涉。可选地，本实施例中采用将椭球曲面30往偏离人眼的方向旋转一小角度使得椭球的第二焦点F2沿着Z方向偏离一段距离，以避免扫描装置20与使用者头部的物理干涉，如图1和图5所示。

可选地，所述椭球曲面30镀有可见光波段的可透可反膜和/或特定红外光波层的高反射膜。当该显示光学***应用于AR领域时，在椭球曲面30设置可见光波段的可透可反膜层可以提高虚拟图像的亮度。当该显示光学***还具有红外人眼检测功能时，在椭球曲面30设置特定红外光波高反射膜,可以增强红外光波的反射率，提高人眼图像的清晰度。

可选地，请参考图7，投影成像装置还可以包括光路转折元件。光路转折元件设置于椭球曲面30与扫描装置20之间，用于对光路进行折叠，以进一步降低显示光学***在纵向Y轴方向的高度。光路转折元件可以选用公知技术的平面反射镜或转折棱镜。例如，本实施例中可以采用两组组平面反射镜对光路进行两次折叠。

请参考图8，可选地，上述的显示光学***还可以包括红外发射单元40和红外接收单元50。红外发射单元40用于发射红外光覆盖人眼。例如，红外发射单元40可以是红外LED光源。红外发射单元40可放置于显示光学***的任何一处。实际实施过程中，只需确保红外发射单元40发出的光束可以覆盖人眼范围且不会对投影成像的视野及预设的外界环境观察视野造成遮挡即可。可选低，本实施例中，将红外发射单元40设置在上述各实施方式中的光源模组10内。红外发射单元40准直耦合进光纤合束器13，与R、G、B光源一起经由扫描装置20向人眼方向扫描。本实施例中，红外接收单元50包括分光片51及红外感光阵列52。分光片51具有对红外发射单元40出射的光波段全反射同时对于可见光波段透过的特性。红外感光阵列52接收由分光片51反射回来的人眼红外图像。红外接收单元50用于接收人眼红外图像并对图像数据进行存储。红外接收单元50还可以与处理器相连，处理器能够根据存储的数据进行眼球检测，识别出眼球所处的位置、注视方向状态等，并根据眼球的注视方向等信息执行不同的眼控操作。例如，如果识别到人眼在设定的时间内注视点保持在图像界面的某个控件位置，进行此控件对应的***操作等。

本发明实施例还提供一种头戴显示设备。该头戴显示设备包括上述的显示光学***。本发明实施例提供的显示光学***及头戴显示设备包括椭球曲面30，利用了细光束成像原理，使得投影出的虚拟图像的成像质量在中心显示区域和边缘显示区域一致，避免出现中心显示区域清晰而边缘显示区域模糊的问题；利用了反射原理成像，中间没有任何附加成像组件，故投影出的虚拟图像无色差；以及采用了非离轴成像原理，故投影出的虚拟图像不会产生畸变。同时，本发明实施例提供的显示光学***及头戴显示设备还可以包括红外发射单元40和红外接收单元50，能够获得人眼红外图像，后期获得眼球信息并根据眼球信息执行不同的眼控操作奠定基础。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。在本发明的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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)

1.一种显示光学***，其特征在于，包括光源模组、扫描装置和投影成像装置，所述投影成像装置为椭球曲面；

由所述光源模组输出的光信息经所述扫描装置扫描成像后经所述投影成像装置反射至人眼形成投影图像；环境光线经过所述投影成像装置透射进入人眼形成环境图像。

2.根据权利要求1所述的显示光学***，其特征在于，所述光源模组包括照明光源、光调制器、光纤合束器和光束整形器；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述光调制器，用于对所述照明光源进行能量调制；

所述光纤合束器，用于将多色照明光源合成一束；

所述光束整形器，用于对合束光束进行整形。

3.根据权利要求1所述的显示光学***，其特征在于，所述光源模组包括照明光源、光调制器、光纤合束器和光取向元件，所述光纤合束器的输出端融合有一自聚焦透镜；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述光调制器，用于对所述照明光源进行能量调制；

所述光纤合束器和自聚焦透镜，用于将多色照明光源合成一束；

所述光取向元件，用于选取特定光束。

4.根据权利要求1所述的显示光学***，其特征在于，所述光源模组包括照明光源、光调制器和光纤合束器，所述光纤合束器输出端的光纤的数值孔径小于0.001；

所述照明光源，用于提供照明光线；

所述光调制器，用于对所述照明光源进行能量调制；

所述光纤合束器，用于将多色照明光源合成一束。

5.根据权利要求4所述的显示光学***，其特征在于，所述扫描装置包括四分压电陶瓷管和支撑固定件，所述四分压电陶瓷管的一端与所述光纤合束器连接、另一端固定于所述支撑固定件。

6.根据权利要求1-5任一项所述的显示光学***，其特征在于，所述显示光学***还包括红外发射单元和红外接收单元，所述红外接收单元包括分光片和红外感光阵列；

所述红外发射单元，用于向人眼发射红外光；

所述分光片，用于对红外发射单元出射的光波段全反射，并透过可见光波段；

所述红外接收单元，用于人眼红外图像并对图像数据进行存储。

7.根据权利要求1-5任一项所述的显示光学***，其特征在于，所述投影成像装置还包括用于对光路进行折叠的光路转折元件，所述光路转折元件设置于所述椭球曲面与扫描装置之间。

8.根据权利要求1-4任一项所述的显示光学***，其特征在于，所述扫描装置为MEMS扫描装置。

9.根据权利要求1-5任一项所述的显示光学***，其特征在于，所述椭球曲面镀有可见光波段的可透可反膜和/或特定红外光波层的高反射膜。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括权利要求1-9任一项所述的显示光学***。