一种光机、近眼显示设备及调光单元的制作方法

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、近眼显示设备及调光单元。


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、近眼显示设备及调光单元。
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：像源单元，用于接收照明光并生成和输出图像光；照明单元，用于输出所述照明光；调光单元，设于所述照明单元和所述像源单元的出光侧，包括自由曲面棱镜、第一补偿棱镜和第二补偿棱镜，所述照明光依次通过所述自由曲面棱镜和所述第一补偿棱镜准直匀光后出射至所述像源单元，所述图像光依次通过所述第一补偿棱镜、所述自由曲面棱镜和所述第二补偿棱镜调整出光方向后输出；以及成像单元，设于所述调光单元的出光侧，用于将所述调光单元输出的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，设置在所述照明单元的出光方向上，用于将所述照明光透射到所述自由曲面棱镜内；第二工作面，其一棱边与所述第一工作面的一棱边相接，用于一次反射到达所述第二工作面时入射角大于全反射临界角的所述照明光，透射到达所述第二工作面时入射角小于全反射临界角的所述照明光，以及透射所述图像光；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，用于将一次反射后的所述照明光二次反射至所述第二工作面、使得二次反射后的所述照明光到达所述第二工作面时的入射角小于全反射临界角，以及透射所述图像光。
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，所述第一补偿棱镜至少包括：第一表面，朝向所述像源单元设置，用于透射所述照明光至所述像源单元，以及将所述图像光透射到所述第一补偿棱镜内；第二表面，其一棱边与所述第一表面的一棱边相接，其面型与所述第二工作面的面型相同，且与所述第二工作面贴合设置，用于透射所述照明光和所述图像光。
10.在一些实施例中，所述第一表面为平面，所述第二表面为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成。
11.在一些实施例中，所述第二补偿棱镜至少包括：第三表面，朝向所述成像单元设置，用于将所述图像光透射出射至所述成像单元；第四表面，其一棱边与所述第三表面的一棱边相接，其面型与所述第三工作面的面型相同，且与所述第三工作面贴合设置，用于透射所述图像光。
12.在一些实施例中，所述第三表面为平面，所述第四表面为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成。
13.在一些实施例中，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。
14.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。
15.为解决上述技术问题，第三方面，本实用新型实施例中提供了一种调光单元，包括：自由曲面棱镜、第一补偿棱镜和第二补偿棱镜，其中，所述自由曲面棱镜至少包括：第一工作面、第二工作面和第三工作面，所述第二工作面的一棱边与所述第一工作面的一棱边相接，所述第三工作面的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；所述第一补偿棱镜至少包括：第一表面和第二表面，所述第二表面的一棱边与所述第一表面的一棱边相接，所述第二表面的面型与所述第二工作面的面型相同且与所述第二工作面贴合设置；所述第二补偿棱镜至少包括：第三表面和第四表面，所述第四表面的一棱边与所述第三表面的一棱边相接，所述第四表面的面型与所述第三工作面的面型相同，且与所述第三工作面贴合设置。
16.在一些实施例中，所述第一工作面、所述第二工作面、所述第三工作面、所述第二表面和所述第四表面皆为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成，所述第一表面和所述第三表面皆为平面。
17.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、近眼显示设备及调光单元，该光机包括像源单元、照明单元、调光单元和成像单元，该调光单元包括自由曲面棱镜、第一补偿棱镜和第二补偿棱镜，该照明单元能够输出照明光，该调光单元能够将照明光转折至像源单元，激发像源单元产生图像光，图像光再依次通过调光单元和成像单元输出成像。本实用新型实施例通过设置所述调光单元，一方面能够将照明光匀光后输出至像源单元，另一方面又具备将图像光和照明光分离输出至不同方向的功能，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。
附图说明
18.一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。
19.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；
20.图2是图1所示光机中像源单元的成像原理图；
21.图3是图1所示光机中自由曲面棱镜的结构图；
22.图4是图1所示光机中第一补偿棱镜的结构图；
23.图5是图1所示光机中第二补偿棱镜的结构图；
24.图6是图3、图4和图5中自由曲面的面元结构的放大图；
25.图7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。
26.图中：101、像源单元；201、照明单元；301、自由曲面棱镜；302、第一补偿棱镜；303、第二补偿棱镜；3011、第一工作面；3012、第二工作面；3013、第三工作面；3021、第一表面；3022、第二表面；3031、第三表面；3032、第四表面；401、第一成像透镜；402、第二成像透镜；10、近眼显示设备；100、光机；200、波导片。
具体实施方式
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
33.实施例一
34.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：像源单元101、照明单元201、调光单元(至少包括301、302和303)和成像单元(至少包括401和402)。
35.所述像源单元101，用于接收照明光并生成和输出图像光；其中，在本实用新型实施例中，所述像源单元101尤其适合采用数字光处理器(digital light processing，dlp)，
该dlp元件由若干个阵列排布的数字微镜晶片(digital micromirror device，dmd)组成，可实现可视数字信息显示，每个dmd相当于一个像素，通过数字控制技术可以实现dmd与dlp保护盖板面之间的角度的切换，从而实现dmd的“开”与“关”，即每一个像素的亮与灭，从而实现可视数字信息显示，具体地，可参见图2，其示出了图1所示光机中像源单元101的成像原理图，由于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单元101表面，用于照明dmd的照明光需以一定角度照进dmd中，该照明光的角度的调整在本实用新型实施例中是通过所述调光单元实现的。
36.所述照明单元201，用于输出所述照明光；具体地，所述照明单元201可以是由rgb(红光、绿光、蓝光)灯芯集成的发光二极管(light-emitting diode，led)光源，具体地，所述照明单元201内发光二极管的数量及排列方式，光的颜色设置等可根据实际需要进行设计。
37.所述调光单元，设于所述照明单元201和所述像源单元101的出光侧，包括自由曲面棱镜301、第一补偿棱镜302和第二补偿棱镜303，所述照明光依次通过所述自由曲面棱镜301和所述第一补偿棱镜302准直匀光后出射至所述像源单元101，所述图像光依次通过所述第一补偿棱镜302、所述自由曲面棱镜301和所述第二补偿棱镜303调整出光方向后输出；其中，所述第一补偿棱镜302和所述第二补偿棱镜303的折射率均小于所述自由曲面棱镜301的折射率。
38.具体地，请参见图3，其示出了图1所示光机中自由曲面棱镜301的结构，所述自由曲面棱镜301包括一个或多个自由曲面，在图3所示示例中，所述自由曲面棱镜301至少包括：第一工作面3011，设置在所述照明单元201的出光方向上，用于将所述照明光透射到所述自由曲面棱镜301内；第二工作面3012，其一棱边与所述第一工作面3011的一棱边相接，用于一次反射到达所述第二工作面3012时入射角大于全反射临界角的所述照明光，透射到达所述第二工作面3012时入射角小于全反射临界角的所述照明光，以及透射所述图像光；第三工作面3013，其一棱边与所述第二工作面3012的另一棱边相接，其另一棱边与所述第一工作面3011的另一棱边相接，用于将一次反射后的所述照明光二次反射至所述第二工作面3012、使得二次反射后的所述照明光到达所述第二工作面3012时的入射角小于全反射临界角，以及透射所述图像光。在一种较佳的实施方式中，所述一次反射、所述二次反射均为全反射；也即：第二工作面3012用于一次全反射到达所述第二工作面3012时入射角大于全反射临界角的所述照明光、使得一次全反射后的所述照明光到达第三工作面3013时的入射角大于全反射临角，以及透射到达所述第二工作面3012时入射角小于全反射临界角的所述照明光；第三工作面3013用于将一次全反射后的所述照明光二次全反射至所述第二工作面3012、使得二次反射后的所述照明光到达所述第二工作面3012时的入射角小于全反射临界角，以及透射所述图像光。
39.且有，请参见图4，其示出了图1所示光机中第一补偿棱镜302的结构，所述第一补偿棱镜302至少包括：第一表面3021，朝向所述像源单元101设置，用于透射所述照明光至所述像源单元101，以及将所述图像光透射到所述第一补偿棱镜302内；第二表面3022，其一棱边与所述第一表面3021的一棱边相接，其面型与所述第二工作面3012的面型相同，且与所述第二工作面3012贴合设置，用于透射所述照明光和所述图像光。
40.且有，请参见图5，其示出了图1所示光机中第二补偿棱镜303的结构，所述第二补
偿棱镜303至少包括：第三表面3031，朝向所述成像单元设置，用于将所述图像光透射出射至所述成像单元；第四表面3032，其一棱边与所述第三表面3031的一棱边相接，其面型与所述第三工作面3013的面型相同，且与所述第三工作面3013贴合设置，用于透射所述图像光。通过在自由曲面棱镜301的前后表面(即第二工作面3012、第三工作面3013)分别设置补偿棱镜(第一补偿棱镜302、第二补偿棱镜303)，避免了照明元件对成像光路的影响；也即：如此可避免像源单元101产生的图像光直接射至自由曲面棱镜301的第二工作面3012和第三工作面3013时不能垂直入射、导致不能高光效的透过自由曲面棱镜301。
41.且有，所述第一工作面3011、所述第二工作面3012和所述第三工作面3013皆为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成；所述第一表面3021为平面，所述第二表面3022为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成；所述第三表面3031为平面，所述第四表面3032为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成；其中，所述自由曲面的面元结构的放大图可参见图6，在设计时可通过对每一小面元的面型单独进行设计调整，使其达到所需的光线调控能力，从而使得该具有面元结构的所述自由曲面具有很高的设计自由度，能够实现全面调整光线。从而，通过将自由曲面棱镜301应用在ar照明系统中，由于其三个自由曲面工作面(3011、3012、3013)具有很高的自由度，因此可以保证照明系统在实现较高能量利用率及均匀性的同时，有效的减小照明系统的体积。进一步的，所述自由曲面由若干个不同弯曲的小面元组成。
42.所述成像单元，设于所述调光单元的出光侧，用于将所述调光单元输出的所述图像光输出成像；其中，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、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，非球面等；具体地，在图1所示示例中，所述成像单元包括第一成像透镜401和第二成像透镜402，且所述第一成像透镜401为凹透镜，所述第二成像透镜402为凸透镜，具有该结构的成像单元可将调光单元输出的图像光整形成平行光(即成像光束)。在其他的一些实施例中，所述成像透镜的数量、形状、材料等可根据实际需要进行设计，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
43.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，照明单元201所发出的照明光经过自由曲面棱镜301的第一工作面3011以第一角度照射至第二工作面3012，经第二工作面3012全反射后以第二角度照射至第三工作面3013，经第三工作面3013全反射后以第三角度照射至第二工作面3012，再经第二工作面3012折射后被校准成均匀的照明光以一定角度照射到像源单元101(例如像源单元101为dlp)上，像源单元101(例如dlp上的dmd)被照亮后，投射出所显示的信息画面，包含信息画面内容的图像光垂直于像源单元101表面出射，由于第一补偿棱镜302的第一表面3021及第二补偿棱镜303的第三表面3031均为平面，图像光遵循折射定理直接穿过，即图像光经过第一补偿棱镜302的第一表面3021以第四角度照射至第二工作面3012，经第二工作面3012折射后以第五角度照射至第三工作面3013，经第三工作面3013折射后以第六角度透过第二补偿棱镜303的第三表面3031照射至成像单元，再经由第一成像透镜401与第二成像透镜402，被调制成平行光(即成像光束)出射。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，且有，在第二成像透镜402出光面搭配衍射波导片或阵列波导片即可实现ar光学成像。
44.实施例二
45.本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图7，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。
46.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6所示，此处不再详述。
47.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，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。
48.实施例三
49.本实用新型实施例提供了一种调光单元，请继续参见图1、图3、图4和图5，本实用新型实施例提供的调光单元即为实施例一中的调光单元，与实施例一中的调光单元具有相同的结构，同样包括：自由曲面棱镜301、第一补偿棱镜302和第二补偿棱镜303，区别在于，本实用新型实施例提供的调光单元还可以应用于其他照明系统、其他类型的光机、其他成像系统、其他光路结构中，具体地，可根据实际应用场景进行适应性设计或调整。其中，
50.所述自由曲面棱镜301至少包括：第一工作面3011、第二工作面3012和第三工作面3013，所述第二工作面3012的一棱边与所述第一工作面3011的一棱边相接，所述第三工作面3013的一棱边与所述第二工作面3012的另一棱边相接，其另一棱边与所述第一工作面3011的另一棱边相接；
51.所述第一补偿棱镜302至少包括：第一表面3021和第二表面3022，所述第二表面3022的一棱边与所述第一表面3021的一棱边相接，所述第二表面3022的面型与所述第二工作面3012的面型相同且与所述第二工作面3012贴合设置；
52.所述第二补偿棱镜303至少包括：第三表面3031和第四表面3032，所述第四表面3032的一棱边与所述第三表面3031的一棱边相接，所述第四表面3032的面型与所述第三工作面3013的面型相同，且与所述第三工作面3013贴合设置。
53.在一些实施例中，所述第一工作面3011、所述第二工作面3012、所述第三工作面3013、所述第二表面3022和所述第四表面3032皆为自由曲面，所述自由曲面由若干个小面元组成，具体地，所述自由曲面的结构可继续参见图6，所述第一表面3021和所述第三表面3031皆为平面。
54.本实用新型实施例提供的调光单元在应用到光机中的照明系统中时，能够极大减小光机整体体积，且在自由曲面棱镜前后表面设置两个补偿棱镜，能够避免照明元件对成像光路的影响。在其他的应用场景中，所述调光单元的设置位置和角度，调光单元中自由曲面棱镜301、第一补偿棱镜302和第二补偿棱镜303的具体尺寸参数、形状、材料等在满足上述特征的条件下可根据实际需要进行调整，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
55.本实用新型实施例中提供了一种光机、近眼显示设备及调光单元，该光机包括像源单元、照明单元、调光单元和成像单元，该调光单元包括自由曲面棱镜、第一补偿棱镜和第二补偿棱镜，该照明单元能够输出照明光，该调光单元能够将照明光转折至像源单元，激发像源单元产生图像光，图像光再依次通过调光单元和成像单元输出成像，本实用新型实施例通过设置所述调光单元，一方面能够将照明光匀光后输出至像源单元，另一方面又具
备将图像光和照明光分离输出至不同方向的功能，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。
56.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。
57.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。