一种基于传像光纤的光电分离型微型投影光学结构

本发明涉及微型投影和近眼显示，特别是一种基于传像光纤的光电分离型微型投影光学结构。

背景技术：

1、微型投影(picoprojection)：一种微型化的投影技术，通过使用高亮度的led或激光光源，将图像或视频投射到屏幕或其他表面上。微型投影设备通常体积小巧，便携灵活，适用于各种环境和应用场景，同时，它可以连接到各种设备，如智能手机、平板电脑或笔记本电脑等，实现便捷的投影体验。

2、近眼显示(near-eyedisplay)，一种通过头戴式显示器、智能眼镜或其他便携设备将图像或信息投射到用户眼前的显示技术，可以创造出沉浸式的虚拟现实(vr)或增强现实(ar)体验。这种技术使用户能够在眼前看到虚拟对象或与真实世界的信息叠加，极大的拓展了用户的感知界面。

3、传统微型投影主要依靠led或激光作为光源，利用dlp、lcos、lbs等技术来实现投影显示，由于光源和像源由不同器件产生，导致结构具有较大的局限性，传统的微型投影无法做到真正的微型化，而利用microled、microoled等自发光显示芯片来替代光源和像源能极大简化结构，为投影的微型化提供了较好的思路。将传统的微型投影应用到近眼显示设备上时，也存在体积大、结构不够灵活等局限，同时在一些特殊的使用环境，如：水下、强磁场等对电子元件影响大的环境，需要对近眼显示设备进行特殊的防水、防磁等处理，成本高、难度大且会进一步导致结构体积的增大，大大降低使用便捷性和舒适性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于传像光纤的光电分离型微型投影光学结构，可以将其应用在智能头盔、智能眼镜等近眼显示设备上，极大增强其结构灵活性的同时，也更适合在水下、强磁场等对电子器件影响较大的特殊环境中使用。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：包括显示模块、传像模块以及光学模块；所述显示模块的源图像或视频通过传像模块和光学模块，最终以屏幕作为像面观察；

3、显示模块由一片或多片微显示芯片及其驱动和电源部分构成；当光学结构仅能显示单色图像时，显示模块由一片单色微显示芯片及其驱动和电源部分构成；当光学结构能显示全彩图像时，显示模块由一片全彩微显示芯片及其驱动和电源部分构成，或由三片单色的微显示芯片及其驱动和电源部分构成；

4、光学模块为至少一片含球面、或含非球面、或含菲涅尔透镜等几何光学元件、或含由超表面等有成像能力的微纳光学元件构成的微型投影镜头，微型投影镜头将像投射至实体屏幕；

5、传像模块为由大量光纤集束并按阵列排布的传像光纤构成；在显示像素前加入微准直元件阵列，一个微准直元件对应一条光纤、或由一个微准直元件覆盖多条光纤，每根光纤负责传输一个像素的信息或多个像素集合的信息。此处，微准直元件阵列作为耦合光元件，也可以采用其他元件替代，如超表面、光栅、液晶透镜等。

6、在一较佳实施例中，所述显示模块中的微显示芯片用于产生微显示图像源，当所述结构仅能显示单色图像时，图像由一片单色微显示芯片生成，其中每个发光像素或多个发光像素通过一组微准直元件和一根光纤传输至光学模块；当所述结构能显示全彩图像时，图像由单片全彩的微显示芯片生成，或由三片单色微显示芯片生成；当系统图像由单片全彩的微显示芯片生成时，每三个相邻的彩色发光子像素组成一个完整像素，三个子像素分别通过一组微准直元件和一根光纤传输至光学模块，或一个完整像素通过同一组微准直元件和同一根光纤传输至光学模块；当系统图像由三片单色的微显示芯片分别产生时，每个像素分别由三片单色微显示芯片所对应的发光像素产生，这些像素分别通过各自对应的微准直元件经过合色元件集束后再通过同一根光纤传输至光学模块，或三色芯片的对应像素分别通过各自对应的一根微准直元件和一根光纤传输至光学模块，在传像光纤耦出端合色合像。

7、在一较佳实施例中，微显示屏上的像素形状、间距、分辨率都由传像光纤重新定义。当系统图像由单片全彩的微显示芯片生成时，所述相邻的三个彩色发光像素构成一个完整像素，子像素的形状包括但不限于为圆形、三角形或矩形等，其排列结构包括但不限于条纹式排列、三角形式排列、马赛克式排列或pentilergbg式排列等；当像素对角线长度小于光纤纤芯的直径，通过各自对应的微准直元件经光束整形后由一根光纤传输至耦出端，或通过同一组微准直元件经光束整形后由一根光纤传输至耦出端，此时耦出端的图像分辨率与微显示芯片生成图像的分辨率相等；当像素对角线长度大于光纤纤芯直径时，一个发光像素发出的光线经微准直元件后，对应耦合入多根相邻的光纤，在耦出端的图像分辨率将大于微显示芯片生成图像的分辨率，实现超分辨投影显示。

8、在一较佳实施例中，所述光学模块的微型投影镜头用于将传像光纤传输的图像直接投影至屏幕显示，或投射至近眼显示装置入眼，其镜片包括但不限于玻璃、塑料或晶体等材料，镜头组结构包括但不限于菲涅尔光学面、超表面、折叠光路、pancake、双胶合、活动光学变焦结构；微型投影镜头优选像方远心光路结构，此时与传像光纤的耦合效率以及投影图像的均匀性最优；当微型投影镜头不为像方远心光路结构时，系统正常成像，但从传像光纤到微型投影镜头的耦合效率较前者降低，同时投影出的图像均匀度也会降低。

9、在一较佳实施例中，传像模块用于将显示芯片发出的图像光收集后传输至光学模块，其中微准直元件采用几何光学元件，或超表面、光子晶体衍射光学元件中的至少一种所构成的阵列结构，且每个微准直元件与发光像素一一对应，用于准直处理经发光像素发出的光束，或一个微准直元件覆盖多个发光像素；传像光纤是由大量光纤按一定规则排列的集成光学器件；传像光纤的数值孔径应小于等于对应光学模块中微型投影镜头的像方数值孔径，此时从传像光纤到微型投影镜头的耦合效率最高；当传像光纤数值孔径大于对应光学模块中微型投影镜头的像方数值孔径时，该系统也可正常成像，但从传像光纤到微型投影镜头的耦合效率较前者降低，同时投影出的图像均匀度也会降低。

10、在一较佳实施例中，所述结构通过三片单色rgb微显示芯片实现全彩化时，先分别耦合入光纤，再光纤束耦出端合色；或先通过x棱镜合色后再耦入光纤；

11、当所述系统为发光像素出光经准直后分别耦合入光纤，在光纤束耦出端合色时，传像光纤耦入端分为第一耦入端、第二耦入端、第三耦入端，分别连接rgb三色的第一微显示芯片、第二微显示芯片、第三微显示芯片，对应耦出端为单端输出，其中三根光纤分别传输三片芯片上对应的子像素点；

12、当所述系统为发光像素出光经准直后先通过x棱镜合色再耦入光纤时，三组单色微显示芯片及其对应的微准直元件阵列分别位于x棱镜的三个入射面，所述传像光纤的耦入端位于所述x棱镜的出射面，三组微显示芯片产生的单色光束经对应微准直元件的准直和x棱镜的合色后，由传像光纤传输至光学模块，最后投影至屏幕或近眼显示装置上。

13、在一较佳实施例中，当所述发光像素的对角线长度小于光纤纤芯直径，相邻两个或两组发光像素间隔与光纤包层直径近似相等，传像光纤阵列排列与发光像素阵列排列相对应，发光像素与光纤为像素级耦合，一个发光像素出光耦合入一根光纤或是相邻三个彩色发光子像素为一组构成的全彩化光束耦合入一根光纤；当传像光纤中的光纤排列结构与发光像素排列结构不一致，或者光纤纤芯直径与相邻两个或两组发光像素的间隔不相等，或者发光像素对角线长度大于光纤纤芯直径时，发光像素与光纤不为像素级耦合，相邻像素可能存在串扰或投影显示像素可能不完整，但仍可正常传输图像。

14、在一较佳实施例中，所述微显示芯片发光像素出光可与传像光纤直接耦合，此时无需微准直元件，或者也可以通过微准直元件再耦合入传像光纤，形成间接耦合；当两者直接耦合时，微显示芯片与光纤的距离h需小于耦合效率达到最优，其中d为纤芯直径，d为像素点宽度，θ为入射光与光轴夹角；两者间接耦合时，耦合效率与微准直元件有关，经微准直元件后的光线入射在光纤纤芯上且与光轴夹角小于光纤最大入射角的光线占总出光量的比重越高，两者耦合效率越高。

15、在一较佳实施例中，在应用于直接入眼的投影系统或头戴式近眼显示设备时，所述光学结构的数量为一组，用于输出对应于左眼或右眼的图像光束；或所述光学结构的数量为两组，分为左近眼显示模块和右近眼显示模块，分别用于输出对应于双眼的图像光束，其中近眼显示结构包括但不限于波导、自由曲面、4f系统；其中光学模块安装于近眼显示设备上，用于输出图像光束进入人眼，显示模块安装于便携式或固定式的设备上，用于生成图像、提供电源，两者通过传像模块进行连接，实现光学模块和电学模块的有效分离，更适合于水下、强磁场等对电子器件影响较大的特殊环境。

16、在一较佳实施例中，用于水下、强磁场环境时，传像光纤与微型投影镜头采用特殊方式定位和固定，以防止在水下环境中受到水流、压力或振动等因素的影响降低成像效果，其中特殊方式包括但不限于：在传像光纤和微型投影镜头周围使用耐水和抗压的保护套管，在其底部或周围使用防水黏合剂或磁性元件将其固定在支撑结构上，在其周围使用弹簧等振动吸收材料减轻外部振动对其产生影响；其次，光学模块采用耐水压、耐腐蚀的材料制造，在水下环境受水侵入后仍具有可靠性和稳定性；同时，光学模块及其与传像光纤连接的部分应采用可拆卸结构，在使用后或者需要时能轻松拆卸，以去除污垢、沉积物或其他污染物。

17、在一较佳实施例中，该光学结构可以同传统的光纤扫描装置相结合，通过人眼的视觉暂留效应在屏幕上或近眼显示装置上实现成像。在传像光纤耦出端添加一个光纤扫描结构作为振动源，该振动源的电极按十字方位分为四个部分，通过向每个电极施加电位，可以在x轴和y轴两个方向上单独驱动。在x轴方向与y轴方向添加相差90°相位的共振频率的振动，随着振幅逐渐增大而画出螺旋轨迹。相较传统单根光纤的单像素扫描成像，该结构利用光纤束实现了面像素扫描成像，极大提高了图像传输速率、成像的大小以及分辨率。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过自发光微显示芯片、传像光纤和微型投影镜头的结合，实现了一种光学模块和电学模块有效分离的微型投影结构，将其应用于智能头盔、智能眼镜等近眼显示设备上时，光学模块安装于近眼显示设备上，用于输出图像光束进入人眼，显示模块可以安装于便携式或固定式的设备上，用于生成图像、提供电源等，两者通过传像模块进行连接，极大增强其灵活性同时也更适合在水下、强磁场等对电子器件影响较大的特殊环境中使用。