一种近眼显示系统的制作方法

本发明涉及增强现实领域，尤其涉及一种近眼显示系统。

背景技术：

增强现实(英文：augmentedreality；简称：ar)，是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索，将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的虚拟图像显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息，或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。

现有的增强现实设备一般通过光学透镜将虚拟图像的光线会聚到用户的瞳孔中，对人眼观察的位置有较严格的限制。在用户的瞳孔位置发生变化时，例如用户的眼球转动，或者两个瞳距不同的用户先后使用同一个增强现实设备的时候，需要用户对增强现实设备的瞳距调节，或者由增强现实设备自动进行瞳距调节，但目前这两者的精度都不高，会导致虚拟图像的光线无法全部进入人眼，从而使得增强现实设备无法向用户发送虚拟图像，或者发送的虚拟图像的效果不佳，继而无法给用户以良好的增强现实体验。

因此，现有技术中存在的因增强现实设备对人眼观察的位置有较严格的限制，而导致无法给用户以良好的增强现实体验的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种近眼显示系统，可提供较大的出瞳，对人眼观察的位置没有限制，解决了现有技术中存在的因增强现实设备对人眼观察的位置有较严格的限制，而导致无法给用户以良好的增强现实体验的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种近眼显示系统，包括图像源和阵列成像装置，所述阵列成像装置包括至少两个成像镜面，所有成像镜面对应的出瞳拼接在一起；

由所述图像源输出的图像光线，经所述阵列成像装置反射至人眼形成投影图像；环境光线经过所述阵列成像装置透射进入人眼形成环境图像。

可选地，所述成像镜面按所述图像光线的传输方向依次设置，且反射效率依次增强。

可选地，所述图像源具体包括：

照明光源，用于提供照明光线；

反射式图像源，设置在所述照明光线的光路上，用于在所述照明光线的作用下发出所述图像光线。

可选地，所述图像源具体包括：

光源，用于提供初始光线；

扫描装置，设置在所述初始光线的光路上，用于将所述初始光线进行偏转，形成所述图像光线。

可选地，所述扫描装置具体为mems扫描振镜或光纤扫描装置。

可选地，所述成像镜面具体为反射式衍射镜面或透射式衍射镜面。

可选地，所述阵列成像装置包括：

导光器件，用于引导所述图像光线；

成像镜面阵列，设置于人眼前方，由至少两个成像镜面组成，在所述图像光线经过所述成像镜面时，每个成像镜面在将所述图像光线的一部分向人眼方向反射时，还按所述图像光线在所述导光器件中的传播方向，传输所述图像光线中的另一部分。

可选地，所述导光器件具体为平板光波导。

可选地，所述成像镜面具体为衍射镜面，所述衍射镜面以面对人眼的方式设置于所述导光器件上。

可选地，所述衍射镜面对应的结构贴合在所述导光器件的相应位置，或将所述导光器件的相应位置制作为所述衍射镜面结构。

可选地，所述成像镜面具体为可反可透膜层形成的镜面，所述可反可透膜层的反射面朝向所述人眼。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

由于阵列成像装置包括至少两个成像镜面，并且所有成像镜面对应的出瞳拼接在一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径，使得增强现实设备输出的图像光线更加容易进入眼睛的瞳孔中，所以与单一光学透镜的出瞳相比，本方案提供的出瞳明显增大，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了增强现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明实施例提供的近眼显示系统的模块图；

图2为实施例一提供的近眼显示系统的第一种实现方式的示意图；

图3a为近眼显示系统在垂直方向的第一种光路示意图；

图3b为近眼显示系统在垂直方向的第二种光路示意图；

图4为本发明实施例提供的近眼显示系统的第二种实现方式的示意图；

图5为本发明实施例提供的近眼显示系统的第三种实现方式的示意图；

图6为本发明实施例提供的近眼显示系统的第四种实现方式的示意图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动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。

本发明实施例公开了一种近眼显示系统，在实际应用中，该近眼显示系统可以应用在hmd头(英文：headmountdisplay；中文：戴式可视设备)、智能眼镜等增强现实设备上，在此不做限制。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的近眼显示系统的模块图，如图1所示，该近眼显示系统包括图像源10和阵列成像装置20，阵列成像装置10包括至少两个成像镜面，所有成像镜面对应的视场和出瞳拼接在一起；图像源10例如可以采用激光光源、led(英文：lightemittingdiode；中文：发光二极管)光源等等输出图像；成像镜面具体可以为可反可透膜层形成的镜面，也可以是反射式衍射镜面或透射式衍射镜面，在此不做限制。

在具体实施过程中，由图像源10输出的图像光线，经阵列成像装置20反射至人眼形成投影图像；环境光线经过阵列成像装置20透射进入人眼形成环境图像。

可以看出，由于阵列成像装置包括至少两个成像镜面，并且所有成像镜面对应的出瞳拼接在一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径，使得增强现实设备输出的图像光线更加容易进入眼睛的瞳孔中，所以与单一光学透镜的出瞳相比，本方案提供的出瞳明显增大，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了增强现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

在接下来的部分中，将结合附图，对上述技术方案进行详细的举例介绍。

实施例一

请参考图2，图2为实施例一提供的近眼显示系统的第一种实现方式的示意图，如图2所示，该图像源10包括：

照明光源，用于发出照明光线；在本实施例中，照明光源可以为激光发生装置101，如图2所示，激光发生装置包括红色激光发生单元1011、绿色激光发生单元1012和蓝色激光发生单元1013，在另一实施例中，激光发生装置中各个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；在其他实施例中，照明光源还可以为led光源，然后通过分光镜将其分为红光、绿光和蓝光即可，在此不做限制。

反射式图像源，设置在照明光线的光路上，用于在照明光线的作用下发出图像光源；在本实施例中，请参考图2，反射式图像源具体为lcos(英文：liquidcrystalonsilicon；中文：硅基液晶)显示器102。

请继续参考图2，如图2所示，在本实施例中，图像源10还包括激光准直扩束和整形装置103，激光准直扩束和整形装置103设置于激光发生装置101发出的激光的光路上，用于对激光发生装置101发出的激光进行准直、扩束和整形处理，具体地，激光准直扩束和整形装置1013包括红色激光准直扩束和整形单元1031、绿色激光准直扩束和整形单元1032和蓝色激光准直扩束和整形单元1033，分别对红色激光发生单元1011、绿色激光发生单元1012和蓝色激光发生单元1013发出的激光进行准直、扩束和整形处理，通常情况下，准直精度可以要求在几个毫弧度，在此就不再赘述了。

请继续参考图2，图像源10还包括合光装置104，在本实施例中，合光装置104设置于激光准直扩束和整形装置103的光路上，用于将由激光发生装置101发出的激光合成为一个光路，具体地，如图2所示，合光装置104包括二向色镜1041、二向色镜1042和二向色镜1043，其中，二向色镜1041反射红光，二向色镜1042透射红光、反射绿光，二向色镜1043透射红绿光、反射蓝光，从而将红色激光发生单元1011、绿色激光发生单元1012和蓝色激光发生单元1013发出的激光合成为一个光路，在此就不再赘述了。

请继续参考图2，在本实施例中，图像源10还包括偏振分光棱镜(英文：polarizationbeamsplitter；简称：pbs)105，偏振分光棱镜105设置在合光装置104的光路上，在合光装置104输出的光线进入到偏振分光棱镜105中后，p偏振的光线会透射，而s偏振的光线会反射至lcos显示器102，在s偏振的光线的作用下，lcos显示器102通过内部液晶调制，从而能够输出图像光线，在此就不再赘述了。

请继续参考图2，如图2所示，在本实施例中，图像源10还包括滤波装置106，滤波装置106设置于偏振分光棱镜105的出射光路上，用于滤除lcos显示器102可能形成的衍射光束，具体地，滤波装置106具体包括聚焦透镜1061、光阑1062和准直透镜1063，聚焦透镜1061用于对lcos显示器102透射过偏振分光棱镜105的图像光线进行聚焦处理，光阑1062用于对被聚焦透镜1061聚焦后的图像光线进行滤波处理，滤除其中的衍射光束，准直透镜1063用于对被光阑1062滤波后的图像光线进行准直处理，并将处理后的图像光线输出到阵列成像装置20。

在具体实施过程中，阵列成像装置20具体包括导光器件201和成像镜面阵列202，导光器件201用于引导图像光线，成像镜面阵列202设置于人眼前方，由至少两个成像镜面组成，在图像光线经过成像镜面时，每个成像镜面在将图像光线的一部分反射至人眼时，还按图像光线在导光器件中的传播方向，传输图像光线中的另一部分。

在具体实施过程中，导光器件201具体可以为平板光波导。

为了能够在垂直方向也进行扩展导光，请同时参考图3a，图3a为近眼显示系统在垂直方向的第一种光路示意图，为了说明书的简洁，图3中仅仅示出了导光器件201中垂直方向的光路示意图，如图3a所示，导光器件201包括垂直扩展波导2011，该垂直扩展波导2011用于在垂直方向也进行扩展导光，如图3a所示，垂直扩展波导2011包括4个导光镜面，4个导光镜面分别为20111、20112、20113和20114，该4个镜面具体可以为可反可透膜层形成的镜面，为了保证垂直方向上光强度的均匀性，可以将导光镜面20111的反射率设置为25％，将导光镜面20112的反射率设置为33％，将导光镜面20113的反射率设置为50％，将导光镜面20114的反射率设置为100％，这样，保证每个成像面出射的光束强度为总光强的25％。当然，此处所示的数值仅仅是一个举例，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，将反射率设置为合适的数值，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。

在具体实施过程中，除了如图3a所示的光路方式之外，还可以采用如图3b所示的光路方式，请参考图3b，图3b为近眼显示系统在垂直方向的第二种光路示意图，如图3b所示，还可以在垂直方向上设置至少两个图像源10，在本实施例中，设置了4个图像源，每个图像源发出的图像光线的光强度相同，这样，也能够保证垂直方向上的光强度均匀，在此就不再赘述了。

请继续参考图2，如图2所示，在本实施例中，导光器件201具体还包括水平波导，由垂直扩展波导2011输出的图像光线进入水平波导后，在水平波导的引导作用下向前传播，直到碰到成像镜面阵列202；在本实施例中，成像镜面具体为可反可透膜层形成的镜面，如图2所示，图像光线每经过一个可反可透膜层，即会将图像光线的一部分反射至人眼，而将另一部分沿图像光线的传播方向透射，多个可反可透膜层的出瞳拼接在一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径。

通过本实施例的介绍，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，为成像镜面阵列202中的多个可反可透膜层设置合适的参数，例如倾斜角度、间距等等，使得多个可反可透膜层的出瞳能够拼接在一起，进一步地，使得多个可反可透膜层的拼接视场能够覆盖整个图像源视场，从而可以实现大视场的成像，在此就不再赘述了。

为了保证水平方向光强度的均匀，在本实施例中，成像镜面阵列202包括镜面2021、2022、2023、2024和2025，可以将镜面2021的反射率设置为20％，将镜面2022的反射率设置为25％，将镜面2023的反射率设置为33％，将镜面2024的反射率设置为50％，将镜面2025的反射率设置为100％，这样，每个镜面出射的光强度为总光强度的20％。当然，此处所示的数值仅仅是一个举例，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，将反射率设置为合适的数值，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。可见，采用“成像镜面按图像光线的传输方向依次设置，且反射效率依次增强”这一方案，能够保证水平方向上光强度的均匀性，从而能够给用户以良好的视觉体验。

需要说明的是，在本实施例中，由于成像镜面具体为可反可透膜层形成的镜面，所以需要在导光器件201中的第一块水平波导上先镀上第一层可反可透膜层，再胶合镀有第二层可反可透膜层的第二块水平波导并，以此类推，直到所有成像镜面都完成，对所镀的可反可透膜层的均匀度要求较高，才能够准确地实现上述的分光功能，加工成本和加工难度都较高。

可以看出，由于可反可透膜层形成的成像镜面的出瞳拼接在了一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径，使得增强现实设备输出的图像光线更加容易进入眼睛的瞳孔中，例如，无论用户的眼睛是在如图2中301所示的位置，还是302所示的位置，还是303所示的位置，图像光线均能够进入眼睛的瞳孔中，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了增强现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

实施例二

请参考图4，图4为本发明实施例提供的近眼显示系统的第二种实现方式的示意图，如图4所示，图像源10包括：

光源111，用于提供初始光线；在本实施例中，光源111具体可以为激光光源、led光源等等，在此不做限制；

扫描装置112，设置在初始光线的光路上，用于将初始光线进行偏转，形成图像光线；在本实施例中，扫描装置112包括mems扫描振镜1121，在本实施例中，mems扫描振镜可以由一个二维mems扫描振镜组成，或者2个一维mems扫描振镜组成。

当然了，需要说明的是，初始光线为根据需要发送到用户眼睛中的虚拟图像进行调制后的光线，在光源111输出初始光线后，mems扫描振镜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动用户眼睛中。

请继续参考图4，在本实施例中，扫描装置112还包括准直装置1122，准直装置1122具体可以为准直透镜，准直透镜将mems扫描振镜1121出射的光线进行准直处理，使得其能够以近似平行的方式进入到后续的阵列成像装置20中。

本实施例中的阵列成像装置20与实施例一中介绍的内容一致，为了说明书的简洁，在此就不再赘述了。

如实施例一中介绍的，由于可反可透膜层形成的成像镜面的出瞳拼接在了一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径，使得增强现实设备输出的图像光线更加容易进入眼睛的瞳孔中，例如，无论用户的眼睛是在如图4中301所示的位置，还是302所示的位置，还是303所示的位置，图像光线均能够进入眼睛的瞳孔中，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了增强现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

实施例三

请参考图5，图5为本发明实施例提供的近眼显示系统的第三种实现方式的示意图，如图5所示，图像源10包括：

光源121，用于提供初始光线；在本实施例中，光源121具体可以为激光光源、led光源等等，在此不做限制；

扫描装置122，设置在初始光线的光路上，用于将初始光线进行偏转，形成图像光线；在本实施例中，扫描装置122具体包括光纤扫描装置1221，光纤扫描装置1221包括光纤和扫描驱动单元，扫描驱动单元根据驱动信号，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。

请继续参考图5，在本实施例中，扫描装置122还包括准直透镜1222，准直透镜1222用于将光纤扫描装置1221扫描出射的锥形光束进行准直处理，使得其能够以近似平行的方式进入到后续的阵列成像装置20中。

本实施例中的阵列成像装置20与实施例一中介绍的内容一致，为了说明书的简洁，在此就不再赘述了。

如实施例一中介绍的，由于可反可透膜层形成的成像镜面的出瞳拼接在了一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径，使得增强现实设备输出的图像光线更加容易进入眼睛的瞳孔中，例如，无论用户的眼睛是在如图5中301所示的位置，还是302所示的位置，还是303所示的位置，图像光线均能够进入眼睛的瞳孔中，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了增强现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

实施例四

请参考图6，图6为本发明实施例提供的近眼显示系统的第四种实现方式的示意图，如图6所示，本实施例中的图像源10的具体实现与实施例二中介绍的内容一致，在此为了说明书的简洁，就不再赘述了。

在其他实施例中，图像源10的具体实现还可以采用如实施例一、实施例三中介绍的方案，以及本领域所属的技术人员能够采用的其他方案，在此不做限制。

请继续参考图6，如图6所示，在本实施例中，阵列成像装置20包括导光器件211和成像镜面阵列212，导光器件211包括耦合棱镜2111和平板光波导2112，成像镜面阵列212中的成像镜面为衍射镜面，衍射镜面以面对人眼的方式设置于导光器件211上，在本实施例中，导光器件211中的平板光波导2112上面对人眼的位置。

在具体实施过程中，耦合棱镜2111用于调整图像源10输出的图像光线进入平板光波导2112的角度，使得图像光线能够满足全反射条件平板光波导2112中传输。

在本实施例中，将以成像镜面阵列212中的成像镜面具体为反射式衍射镜面为例来进行介绍，请继续参考图6，如图6所示，成像镜面阵列212包括反射式衍射镜面2121、2122和2123，每个反射式衍射镜面设置在平板光波导2112上远离人眼的一侧，具体地，反射式衍射镜面可以通过如下两种方式实现：第一：先做出反射式衍射镜面对应的结构，然后通过贴合的方式将其贴合在平板光波导2112远离人眼的一侧上的相应位置，当然，在这种情况下，反射式衍射镜面与平板光波导2112之间需要设置相应的耦合结构，避免图像光线仍然在平板光波导2112中传播；第二，将平板光波导2112的相应位置直接制作为反射式衍射镜面结构。

通过本实施例的介绍，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，为成像镜面阵列202中的多个反射式衍射镜面设置合适的参数，例如光栅常数、相邻两个反射式衍射镜面之间的距离等等，使得多个反射式衍射镜面的出瞳能够拼接在一起，进一步地，使得反射式衍射镜面的拼接视场能够覆盖整个图像源视场，从而可以实现大视场的成像，在此就不再赘述了。

当然，由于在图像光线经过反射式衍射镜面2121时，图像光线的一部分会聚成像在人眼前方，另一部分作为零级衍射光线，沿着平板光波导2112继续传输，该零级衍射光线在后续光路中经过反射式衍射镜面2122和2123时，同理会发生相同的光学现象，所以为了保证图像光线的均匀性，需要合理地设计每个反射式衍射镜面的衍射结构中各个衍射级次的衍射效率，在此就不再赘述了。

本实施例中的成像镜面阵列212与实施例一中的成像镜面阵列202相比，无需镀膜，通过对每个反射式衍射镜面的衍射结构的设计，即能够实现分光的效果，加工成本相对降低，加工难度也降低，更容易在产业上实现规模化。

在成像镜面阵列212中的成像镜面具体为透射式衍射镜面时，每个透射式衍射镜面可以设置在导光器件上导光器件211中的平板光波导2112上靠近人眼的一侧，也即图6所示的平板光波导2112上与反射式衍射镜面相对的位置。透射式衍射镜面的其他设置如衍射效率、相邻距离或制作方式等等与反射式衍射镜面的设置同理，在此就不再赘述了。

可以看出，由于衍射镜面的出瞳拼接在了一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径，使得增强现实设备输出的图像光线更加容易进入眼睛的瞳孔中，例如，无论用户的眼睛是在如图6中301所示的位置，还是302所示的位置，还是303所示的位置，图像光线均能够进入眼睛的瞳孔中，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了增强现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

由于阵列成像装置包括至少两个成像镜面，并且所有成像镜面对应的出瞳拼接在一起，相当于扩大了增强现实设备的出瞳直径，使得增强现实设备输出的图像光线更加容易进入眼睛的瞳孔中，所以与单一光学透镜的出瞳相比，本方案提供的出瞳明显增大，减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了增强现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

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。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。