一种光机及近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及增强现实技术领域，特别涉及一种光机及近眼显示设备。


背景技术：

2.近眼显示系统，也称为头盔显示器，最初起源于空军领域，主要是解决驾驶员面对飞机上日益增多的精密仪器及武器系统所收集的大量信息的困扰，利用近眼显示产品可以将各仪器仪表的所有的信息全部呈现在驾驶员前面的视场内,使驾驶员集中精力操作飞机和进行瞄准。随着人们对近眼显示产品更加了解和认识，近眼显示产品的应用领域也在不断扩展。在民用方面主要是结合相关的虚拟技术，应用于教育与训练、商业产品的展览与推销、医学的模拟训练等。
3.在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：传统的增强现实(augmented reality，ar)光机中，照明系统一般使用复眼或者导光管匀光的方案，这两种方案均可以实现较高的能量利用率及均匀性，但是同时也存在体积过大的缺点，这与光机的轻便需求冲突。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种光机及近眼显示设备。
5.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种光机，包括：照明单元，包括：光源模组、照明透镜、自由曲面棱镜和楔形棱镜，所述光源模组产生的照明光通过所述照明透镜耦入至所述自由曲面棱镜，所述自由曲面棱镜和所述楔形棱镜将所述照明光调整出光方向后输出；像源单元，设置在所述楔形棱镜的出光方向上且包括：像源模组和直角三角棱镜，所述直角三角棱镜将所述照明光调整角度后输入至所述像源模组以产生图像光，并将所述图像光转折出射；成像单元，设置在所述直角三角棱镜的出光侧，用于将所述图像光输出成像。
7.在一些实施例中，所述自由曲面棱镜至少包括：第一工作面，设置在所述照明透镜的出光方向上；第二工作面，其一棱边与所述第一工作面的一棱边相接；第三工作面，其一棱边与所述第二工作面的另一棱边相接，其另一棱边与所述第一工作面的另一棱边相接；其中，所述照明光通过所述第一工作面进入所述自由曲面棱镜内，并在第三工作面一次全内反射至所述第二工作面，通过所述第二工作面二次反射后通过所述第三工作面透射出射。
8.在一些实施例中，所述第一工作面、所述第二工作面和所述第三工作面皆为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成。
9.在一些实施例中，所述自由曲面的面型为切比雪夫多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型表达式如下：
[0010][0011]
其中，f(x,y)表示所述自由曲面的矢高；n和m分别表示多项式t
ij
(x,y)在x方向和y方向上的最大项次；c
ij
表示多项式t
ij
(x,y)的系数。
[0012]
在一些实施例中，所述自由曲面的面型为扩展多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型表达式如下：
[0013][0014]
其中，z表示所述自由曲面的矢高；r0表示所述自由曲面的近轴部分的曲率半径，c＝1/r0；r表示所述自由曲面上的任意点处的曲率半径，e2为二次非球面的变形系数；n表示级数中扩展多项式系数的总数；ai表示第i项扩展多项式ei(x,y)的系数；扩展多项式ei(x,y)表示在x方向和y方向的幂级数。
[0015]
在一些实施例中，所述自由曲面的面型为zernike多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型表达式如下：
[0016][0017]
多项式分为前后两部分，前一部分表示conic曲面，其中z为空间坐标z方向的矢高，c为曲面顶点处的曲率，h为光轴方向的半径高度，k为二次曲面系数；后一部分为由多项式描述的曲面，其中n为多项式用来描述自由曲面的项数，aj为对应各项的系数，pj为zernike多项式。
[0018]
在一些实施例中，所述光源模组包括集成led光源和导光管，所述集成led光源设于所述导光管的输入侧，所述光源模组产生的照明光从所述导光管的输出侧输出。
[0019]
在一些实施例中，所述导光管为矩形导光管或锥形导光管。
[0020]
在一些实施例中，所述楔形棱镜与所述直角三角棱镜之间存在一定的空气间隔。
[0021]
为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：如第一方面所述的光机，以及，设于所述光机的出光方向上的波导片，所述波导片用于将所述光机输出的成像光束输出至人眼成像。
[0022]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种光机及近眼显示设备，该光机包括照明单元、像源单元和成像单元，照明单元包括光源模组、照明透镜、自由曲面棱镜和楔形棱镜，像源单元设置在所述楔形棱镜的出光方向上且包括像源模组和直角三角棱镜，成像单元，设置在所述直角三角棱镜的出光侧，光源模组产生的照明光通过照明透镜耦入至自由曲面棱镜，自由曲面棱镜和楔形棱镜将所述照明光调整出光方向后输出，直角三角棱镜将照明光调整角度后输入至像源模组以产生图像光，并将图像光转折出射，成像单元将图像光输出成像。本实用新型实施例提供的光机的照明单元通过设置的自由曲面棱镜调制照明光的角度与能量分布提供均匀的照
明光，并通过设置的楔形棱镜微调照明光的光轴方向使得照明光以较高能效输出至像源单元，且具有上述结构的光机整体体积较小，可满足光机及近眼显示设备的轻便性要求。
附图说明
[0023]
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
[0024]
图1是本实用新型实施例一提供的一种光机的结构及光路图；
[0025]
图2是图1所示光机中自由曲面棱镜的结构图；
[0026]
图3是图2中自由曲面的面元结构的放大图；
[0027]
图4是图1所示光机中楔形棱镜的结构图；
[0028]
图5是图1所示光机中像源模组的成像原理图；
[0029]
图6是图1所示光机中照明单元的照明均匀性的测试结果图；
[0030]
图7是图1所示光机的成像点列图；
[0031]
图8是图1所示光机的调制传递函数曲线图；
[0032]
图9是本实用新型实施例二提供的一种近眼显示设备的结构图。
具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
[0034]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0035]
需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。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”、“第三”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。为了便于连接结构限定，本实用新型是以光线的出光方向为参考进行部件的位置限定。
[0036]
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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型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，不是用于限制本实用新型。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。
[0037]
此外，下面所描述的本实用新型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。
[0038]
具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
[0039]
实施例一
[0040]
本实用新型实施例提供了一种光机，请参见图1，其示出了本实用新型实施例提供
的一种光机的结构及光路，所述光机包括：照明单元(至少包括101、102、103、104和105)、像源单元(至少包括201和202)和成像单元(至少包括301和302)。
[0041]
所述照明单元，包括：光源模组(至少包括101和102)、照明透镜103、自由曲面棱镜104和楔形棱镜105，所述光源模组产生的照明光通过所述照明透镜103耦入至所述自由曲面棱镜104，所述自由曲面棱镜104和所述楔形棱镜105将所述照明光调整出光方向后输出。其中，准直匀光系统包括照明透镜103和自由曲面棱镜104，该设有自由曲面棱镜104的准直匀光系统结合楔形棱镜105调制照明光的方向和能量分布，能够将所述照明光准直后均匀以较高能效输出至待照明单元(如像源单元)。
[0042]
具体地，请继续参见图1，所述照明透镜103用于将所述光源模组输出的照明光转换为平行光后输出，所述照明透镜103可以是球面透镜或非球面透镜或自由曲面透镜。且有，已知地，光学系统数值孔径以na表示，na＝η
·
sinα，其中η为透镜与被检测体之间的介质折射率，α为透镜孔径角，na可以用来衡量该光学系统能够收集的光的角度范围，数值越大则表明该光学系统能量利用效率越高。在本实用新型实施例中，采用所述自由曲面棱镜104后，系统的数值孔径na可以达到1.5左右，本实用新型实施例通过在所述自由曲面棱镜104前增加设置所述照明透镜103，以使所述光机的照明单元的数值孔径na可以达到2.5。
[0043]
具体地，请继续参见图1，所述光源模组包括集成发光二极管(light-emitting diode，led)光源101和导光管102，所述集成led光源101设于所述导光管102的输入侧，所述光源模组产生的照明光从所述导光管102的输出侧输出。光源模组中设置的导光管102可对光源模组产生的照明光进行初步匀光，使得光源模组输出的照明光具有一定的均匀性。进一步的，所述导光管102为矩形导光管或锥形导光管，具体地，所述集成led光源中led的数量及排列方式，所述导光管102的形状等可根据实际需要进行选择。进一步的，所述集成led光源101贴设于导光管102的输入侧，如此形成光源模组利于缩小体积。
[0044]
具体地，请参见图2，其示出了图1所示光机中自由曲面棱镜的结构，所述自由曲面棱镜104包括一个或多个自由曲面，在图2所示示例中，所述自由曲面棱镜104至少包括：第一工作面1041，设置在所述照明透镜103的出光方向上；第二工作面1042，其一棱边与所述第一工作面1041的一棱边相接；第三工作面1043，其一棱边与所述第二工作面1042的另一棱边相接，其另一棱边与所述第一工作面1041的另一棱边相接；其中，所述照明光通过所述第一工作面1041进入所述自由曲面棱镜内，并在第三工作面1043一次全内反射至所述第二工作面1042，通过所述第二工作面1042二次反射后通过所述第三工作面1043透射出射。其中，所述照明光在第一次到达所述第三工作面1043进行一次全内反射时，照明光在所述第三工作面1043的入射角大于全反射临界角；可通过在所述第二工作面1042上镀全反射膜，使得照明光在到达所述第二工作面1042进行二次反射时实现高效率的反射、减小光能量损失；照明光在第二次到达所述第三工作面1043时，照明光在所述第三工作面1043的入射角小于全反射临界角，因此透射出射。
[0045]
在一些实施方式中，所述第一工作面1041、所述第二工作面1042和所述第三工作面1043皆为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成，所述自由曲面的面型包括但不限于扩展多项式自由曲面面型、切比雪夫多项式自由曲面面型和zernike多项式自由曲面面型等中的一种或多种；进一步的，所述自由曲面由若干个不同弯曲的小面元组成。其中，所述自由曲面的面元结构的放大图可参见图3，在设计时可对每一自由曲面中的每一小面
元进行单独设计，使其达到所需的光线调控能力，从而将照明光调制成具有特定角度与能量分布的光线，使得照明单元具有非常高的设计自由度。
[0046]
进一步地，当所述自由曲面的面型为切比雪夫多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型表达式如下：
[0047][0048]
其中，f(x,y)表示所述自由曲面的矢高；n和m分别表示多项式t
ij
(x,y)在x方向和y方向上的最大项次；c
ij
表示多项式t
ij
(x,y)的系数。实际设计中，c表示所述自由曲面的顶点处基本球面的曲率半径；x0和y0分别表示标准化下x和y的长度，c(i,j)表示规范化多项式系数时，c(i,j)＝c
ij
(x0y0)；x，y的最大阶数通常设置为14，自由曲面上任何点的函数都可由切比雪夫多项式的有限和来表示。
[0049]
进一步地，当所述自由曲面的面型为扩展多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型表达式如下：
[0050][0051]
其中，z表示所述自由曲面的矢高；r0表示所述自由曲面的近轴部分的曲率半径，或称为基准面(辅助球面)的半径，c＝1/r0；r表示所述自由曲面上的任意点处的曲率半径，e2为二次非球面的变形系数，表述与球面的偏离量；n表示级数中扩展多项式系数的总数；ai表示第i项扩展多项式ei(x,y)的系数；扩展多项式ei(x,y)表示在x方向和y方向的幂级数。
[0052]
进一步的，当所述自由曲面的面型为zernike多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型表达式如下：
[0053][0054]
多项式分为前后两部分，前一部分表示conic曲面，其中z为空间坐标z方向的矢高，c为曲面顶点处的曲率，h为光轴方向的半径高度，k为二次曲面系数；后一部分为由多项式描述的曲面，其中n为多项式用来描述自由曲面的项数，aj为对应各项的系数，pj为zernike多项式。
[0055]
具体地，请一并参阅图4，其示出了图1所示光机中楔形棱镜105的结构，由于所述楔形棱镜105的两侧斜面角度不一样，两侧斜面之间形成了一个具有特定角度的楔形棱镜105，能够利用折射原理使照明光经过时产生一定的角度变化达到微调照明光的光轴方向，使得自楔形棱镜105出射的照明光能高能效射至像源单元。
[0056]
所述像源单元，设置在所述楔形棱镜104的出光方向上且包括：像源模组201和直角三角棱镜202，所述直角三角棱镜202将所述照明光调整角度后输入至所述像源模组201以产生图像光，并将所述图像光转折出射；具体的，自楔形棱镜105出射的照明光从像源单元的所述直角三角棱镜202的斜面透射入射到所述直角三角棱镜202中，经过直角三角棱镜
202射至像源模组201，从而使得从像源模组201出射的图像光返回经过所述直角三角棱镜202再次到达所述直角三角棱镜202的斜面时可以发生全反射。进一步地，所述直角三角棱镜202为等腰直角三角棱镜。进一步地，所述楔形棱镜105与所述直角三角棱镜202之间存在一定的空气间隔，以使所述像源模组201反射出射的图像光到达所述直角三角棱镜202的斜面时能够发生全反射。
[0057]
具体地，所述像源模组201采用数字光处理器(digital light processing，dlp)，该元件由数字微镜晶片(digital micromirror device，dmd)组成，可实现可视数字信息显示，具体地，请一并参阅图5，其示出了图1所示光机中像源模组201的成像原理图，所述数字光处理器dlp的内部阵列分布着若干个用于反射光线的数字微镜晶片dmd，每个数字微镜晶片dmd相当于一个像素，其下方存在一个铰链，通过数字控制技术可以实现数字微镜晶片dmd与数字光处理器dlp保护盖板面之间的角度的切换，从而实现数字微镜晶片dmd的“开”与“关”，即每一个像素的亮与灭，如图5所示，由于数字微镜晶片dmd工作时会有一定的倾角，所以为了保证中心处的出射光线垂直于所述像源模组201表面，用于照明数字微镜晶片dmd的照明光需以一定角度照进数字微镜晶片中，该角度的调整在本实用新型实施例中是通过照明单元中的楔形棱镜105和所述像源单元中的直角三角棱镜202配合实现的。
[0058]
所述成像单元，设置在所述直角三角棱镜202的出光侧，用于将所述图像光输出成像。具体地，所述成像单元为镜片组，所述镜片组至少包括两个成像透镜，所述成像透镜可为树脂材料透镜或玻璃材料透镜或两种材料组合成的透镜，所述成像透镜的透镜表面类型可为球面、非球面、自由曲面等；在图1所示示例中，所述成像单元包括两个成像透镜，所述成像单元中的第一成像透镜301设置在所述直角三角棱镜202的出光侧且为凹透镜，所述成像单元中的第二成像透镜302设置在所述第一成像透镜301的出光侧且为凸透镜。
[0059]
本实用新型实施例提供的光机能够应用于增强现实设备中，光机在工作过程中，请继续参见图1，其中，虚线表示照明光，实线表示图像光，集成led光源101(如由rgb灯集成的led光源)发出的照明光进入导光管102后被初步匀光，此时匀光效果不是非常均匀，照明光再经照明透镜103收光后进入自由曲面棱镜104，照明光先经过第一工作面1041后传播至第三工作面1043，在被所述第三工作面1043全内反射至第二工作面1042后再次反射并从第三工作面1043出射；被校准后的照明光再经过所述楔形棱镜105，产生一定的偏角进入直角三角棱镜202后均匀输出至所述像源模组201将像源模组201内的数字微镜晶片dmd照亮，此时的照明光已经非常均匀，数字微镜晶片dmd反射出射带有图像信息的图像光，所述图像光经过直角三角棱镜202的斜面时发生全反射，并从直角三角棱镜202的另一个直角面出射；从直角三角棱镜202出射的图像光经过第一成像透镜301和第二成像透镜302后被调制成平行光束后输出。在第二成像透镜302的后表面处搭配几何阵列光波导或衍射光波导即可实现ar显示。
[0060]
本实用新型利用特殊照明系统，减小了光机整体体积，也有利于后期产品的整体设计，在第二成像透镜302出光面搭配几何阵列光波导或衍射光波导还可实现ar光学成像。且有，请参见图6，其示出了图1所示光机中照明单元的照明均匀性的测试结果图，经软件仿真发现，本实用新型实施例提供的光机中照明单元的均匀性可达75％；且有，请参见图7，其示出了图1所示光机的成像点列图，经软件仿真发现，弥散斑尺寸小于8μmm；且有，请参见图8，其示出了图1所示光机的调制传递函数(modulation transfer function，mtf)曲线，经
软件仿真发现，全视场mtf可以实现在50lp/mm(线对/毫米)时的光学传递函数(optical transfer function，otf)模值大于0.2，由此可以证明本实用新型实施例提供的光机的成像质量优良。
[0061]
实施例二
[0062]
本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图9，其示出了本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备10包括，包括：光机100和波导片200。
[0063]
所述光机100为实施例一所述的光机，能够输出成像光束，具体地，其结构及工作原理请参见上述实施例一及附图1至附图5所示，此处不再详述。
[0064]
所述波导片200设于所述光机100的出光方向上，用于将所述光机100输出的成像光束输出至人眼成像，所述波导片200可为阵列光波导或衍射光波导或几何光波导，具体地，可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
[0065]
本实用新型实施例中提供了一种光机及近眼显示设备，该光机包括照明单元、像源单元和成像单元，照明单元包括光源模组、照明透镜、自由曲面棱镜和楔形棱镜，像源单元设置在所述楔形棱镜的出光方向上且包括像源模组和直角三角棱镜，成像单元，设置在所述直角三角棱镜的出光侧，光源模组产生的照明光通过照明透镜耦入至自由曲面棱镜，自由曲面棱镜和楔形棱镜将所述照明光调整出光方向后输出，直角三角棱镜将照明光调整角度后输入至像源模组以产生图像光，并将图像光转折出射，成像单元将图像光输出成像，本实用新型实施例提供的光机在照明单元中通过设置自由曲面棱镜和楔形棱镜提供均匀的照明光，且光机整体体积较小，兼顾了光机及近眼显示设备的轻便性。
[0066]
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0067]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。