近眼显示装置及近眼显示系统的制作方法

1.本公开涉及显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置及近眼显示系统。


背景技术：

2.mr(mixed reality，混合现实)技术是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，可以增强用户体验的真实感。基于mr技术的近眼显示装置通常是由图像采集组件采集图像，并由显示器显示图像。然而，为了实现消色散的效果，常采用双胶合消色差透镜组或多片透镜组，进而导致光路系统复杂化。


技术实现要素：

3.本公开的目的在于提供一种近眼显示装置及近眼显示系统，能够精简光路系统。
4.根据本公开的一个方面，提供一种近眼显示装置，包括：
5.图像采集组件，包括图像传感器和第一镜头，所述图像传感器用于通过所述第一镜头获取图像信息；
6.图像显示组件，包括显示器和第二镜头，所述显示器用于根据所述图像信息显示目标图像，所述第二镜头设于所述显示器的出光侧，用于对所述显示器显示的所述目标图像进行整形；
7.其中，所述第一镜头和/或所述第二镜头为折衍混合透镜，所述折衍混合透镜包括相反的衍射透镜面和折射透镜面。
8.进一步地，所述第一镜头和所述第二镜头均为折衍混合透镜，所述第一镜头的衍射透镜面为所述图像采集组件的入光侧，所述第二镜头的衍射透镜面面向所述显示器的出光侧。
9.进一步地，所述第二镜头的逆向光路畸变与所述第一镜头的畸变在各视场角处相等。
10.进一步地，所述衍射透镜面包括基底面以及设于所述基底面的光栅结构。
11.进一步地，所述折射透镜面或所述基底面为偶次非球面。
12.进一步地，所述偶次非球面的面型方程为：
[0013][0014]
其中，z为所述偶次非球面上任一点相对于所述偶次非球面的顶点的切面的轴向间距，r为所述偶次非球面上任一点相对于所述折衍混合透镜的主光轴的径向距离，c是所述偶次非球面的顶点的曲率，k是二次曲面系数，i是正整数，a
2i
是2i阶非球面系数。
[0015]
进一步地，所述光栅结构的相位方程为：
[0016]
[0017]
其中，为衍射透镜面对入射光的相位调制，r为偶次非球面上任一点相对于折衍混合透镜的主光轴的径向距离，i是正整数，c
2i
为相位系数。
[0018]
进一步地，所述第一镜头的材料的折射率或所述第二镜头的材料的折射率为1.49。
[0019]
进一步地，所述图像采集组件还包括：
[0020]
红外滤光片，设于所述第一镜头的出光侧。
[0021]
根据本公开的一个方面，提供一种近眼显示系统，包括上述的近眼显示装置。
[0022]
本公开的近眼显示装置及近眼显示系统，图像传感器通过第一镜头获取图像信息，显示器根据图像传感器获取的图像信息显示目标图像，以进行显示，设于显示器出光侧的第二镜头能够对显示器显示的目标图像进行整形，由于第一镜头和/或第二镜头为折衍混合透镜，且折衍混合透镜包括相反的衍射透镜面和折射透镜面，从而可以通过衍射透镜面的负色散特性与折射透镜面的正色散特性的相互抵消以得到消色散的效果，进而通过单片透镜即可代替双胶合消色差透镜组或多片透镜组，精简了光路系统。
附图说明
[0023]
图1是本公开实施方式的近眼显示装置的框图。
[0024]
图2是本公开实施方式的近眼显示装置第一透镜侧的示意图。
[0025]
图3是本公开实施方式的近眼显示装置的图像采集组件的示意图。
[0026]
图4是本公开实施方式的第一镜头的色散图。
[0027]
图5是本公开实施方式的第一镜头的轴向像差图。
[0028]
图6是本公开实施方式的近眼显示装置第二透镜侧的示意图。
[0029]
图7是本公开实施方式的近眼显示装置的图像显示组件的示意图。
[0030]
图8是本公开实施方式的第二镜头的色散图。
[0031]
图9是本公开实施方式的第二镜头的轴向像差图。
[0032]
图10
‑
图12是本公开实施方式的第二镜头的逆向光路畸变以及第一镜头的畸变的示意图。
[0033]
附图标记说明：1、第一镜头；2、图像传感器；3、显示器；4、第二镜头；5、红外滤光片。
具体实施方式
[0034]
这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置的例子。
[0035]
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者
“
若干”表示两个及两个以上。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本公开说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0036]
本公开实施方式提供一种近眼显示装置。如图1所示，该近眼显示装置可以包括图像采集组件和图像显示组件，其中：
[0037]
该图像采集组件包括图像传感器2和第一镜头1。该图像传感器2用于通过第一镜头1获取图像信息。该图像显示组件包括显示器3和第二镜头4。该显示器3用于根据图像传感器2获取的图像信息显示目标图像。该第二镜头4设于显示器3的出光侧，用于对显示器3显示的目标图像进行整形。其中，第一镜头1和/或第二镜头4为折衍混合透镜。该折衍混合透镜包括相反的衍射透镜面和折射透镜面。
[0038]
本公开实施方式的近眼显示装置，图像传感器2通过第一镜头1获取图像信息，显示器3根据图像传感器2获取的图像信息显示目标图像，以进行显示，设于显示器3出光侧的第二镜头4能够对显示器3显示的目标图像进行整形，由于第一镜头1和/或第二镜头4为折衍混合透镜，且折衍混合透镜包括相反的衍射透镜面和折射透镜面，从而可以通过衍射透镜面的负色散特性与折射透镜面的正色散特性的相互抵消，以得到消色散的效果，进而通过单片透镜即可代替双胶合消色差透镜组或多片透镜组，精简了光路系统。
[0039]
下面对本公开实施方式的近眼显示装置的各部分进行详细说明：
[0040]
如图2和图3所示，该图像采集组件用于获取外界物体的图像信息。该图像采集组件可以包括图像传感器2和第一镜头1。外界物体的光线可以穿过第一镜头1并到达图像传感器2，该图像传感器2用于根据到达图像传感器2的光线生成图像信息。举例而言，该图像采集组件可以为相机，但本公开实施方式对此不做特殊限定。此外，该图像采集组件可以包括红外滤光片5。该红外滤光片5可以设于图像传感器2与第一镜头1之间，因此，外界物体的光线穿过第一镜头1后，会先穿过红外滤光片5，然后才到达图像传感器2。该红外滤光片5的材料的折射率可以为1.52，阿贝数可以为58.96，但本公开实施方式不限于此。该第一镜头1的材料的折射率可以为1.49，阿贝数可以为57.44，但本公开实施方式不限于此。举例而言，该第一镜头1的材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。此外，该第一镜头1的数量可以为两个，并与用户的双眼同轴。
[0041]
如图2和图3所示，上述图像采集组件的第一镜头1可以为折衍混合透镜。该折衍混合透镜包括相反的两个透镜面。该两个透镜面分别为衍射透镜面和折射透镜面。该衍射透镜面和折射透镜面在折衍混合透镜的主光轴所在的方向上相反设置。通过衍射透镜面的负色散特性与折射透镜面的正色散特性的相互抵消，以得到消色散的效果。如图4所示，第一镜头1的最大色散约0.5μm，小于目前绝大多数相机传感器芯片的像元尺寸，人眼已几乎无法识别。如图5所示，图5中坐标系的纵坐标为归一化坐标(normalized pupil coordinate)，线l1为长波长下的轴向像差曲线，l2为中心波长下的轴向像差曲线，l3为短波长下的轴向像差曲线，可知，第一镜头1的成像效果较佳。其中，该第一镜头1的衍射透镜
面为图像采集组件的入光侧，即外界物体的光线从第一镜头1的衍射透镜面射入，并从第一镜头1的折射透镜面射出，且射出的光线可以达到图像传感器2。在本公开其它实施方式中，该第一镜头1的折射透镜面可以为图像采集组件的入光侧，即外界物体的光线从第一镜头1的折射透镜面射入，并从第一镜头1的衍射透镜面射出，且射出的光线可以达到图像传感器2。此外，该第一镜头1的衍射透镜面包括基底面以及设于基底面的光栅结构。该光栅结构可以通过对基底面进行刻蚀得到。该第一镜头1的折射透镜面可以为偶次非球面，该第一镜头1的衍射透镜面的基底面可以为偶次非球面，但本公开实施方式不限于此。
[0042]
如图6和图7所示，该图像显示组件用于进行显示。该图像显示组件包括显示器3和第二镜头4。该显示器3可以与图像传感器2通信连接，以接收图像传感器2获取的图像信息。该显示器3可以与图像传感器2无线连接，例如蓝牙连接、3g连接、4g连接、5g连接等，但本公开不限于此，该显示器3也可以与图像传感器2通过数据线进行连接。其中，在显示器3与图像传感器2无线连接的情况下，上述的图像采集组件可以无人机等摄像设备中。该显示器3用于根据图像传感器2获取的图像信息显示目标图像。该第二镜头4设于显示器3的出光侧，用于对显示器3显示的目标图像进行整形。该第二镜头4对目标图像的整形可以包括将目标图像的形状调整至适合人眼观察的图像，减小目标图像的畸变，当然，该整形也可以包括放大目标图像，以得到适合人眼观察的图像，但本公开不限于此，该整形还可以包括降低目标图像的色散。该第二镜头4的材料的折射率可以为1.49，阿贝数可以为57.44，但本公开实施方式不限于此。举例而言，该第二镜头4的材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。
[0043]
如图6和图7所示，上述图像显示组件的第二镜头4可以为折衍混合透镜。该折衍混合透镜包括相反的两个透镜面。该两个透镜面分别为衍射透镜面和折射透镜面。该衍射透镜面和折射透镜面在折衍混合透镜的主光轴所在的方向上相反设置。通过衍射透镜面的负色散特性与折射透镜面的正色散特性的相互抵消，以得到消色散的效果。如图8所示，该第二镜头4的最大色散约40μm。以3.5寸、2k分辨率的显示器3为例，其像素尺寸约29μm，将第二镜头4配合该显示器3使用，最大色散不超过2个像素，人眼较难识别。如图9所示，图9中坐标系的纵坐标为归一化坐标(normalized pupil coordinate)，线l4为短波长下的轴向像差曲线，l5为长波长下的轴向像差曲线，l6为中心波长下的轴向像差曲线，可知，第二镜头4的成像效果较佳。其中，该第二镜头4的衍射透镜面面向显示器3的出光侧，该第二镜头4的折射透镜面背向显示器3的出光侧，即第二镜头4的折射透镜面面向人眼。此外，该第二镜头4的衍射透镜面包括基底面以及设于基底面的光栅结构。该光栅结构可以通过对基底面进行刻蚀得到。该第二镜头4的折射透镜面可以为偶次非球面，该第二镜头4的衍射透镜面的基底面可以为偶次非球面，但本公开实施方式不限于此。
[0044]
上述偶次非球面的面型方程可以为：
[0045][0046]
上述光栅结构的相位方程为：
[0047][0048]
在上述的面型方程和相位方程中，z为偶次非球面上任一点相对于偶次非球面的
顶点的切面的轴向间距，r为偶次非球面上任一点相对于折衍混合透镜的主光轴的径向距离，c是偶次非球面的顶点的曲率，k是二次曲面系数，i是正整数，a
2i
是2i阶非球面系数，为衍射透镜面对入射光的相位调制，r为偶次非球面上任一点相对于折衍混合透镜的主光轴的径向距离，i是正整数，c
2i
为相位系数。
[0049]
对于第一镜头1，其详细参数如表1、表2和表3，其中，f为焦距，tl为系统总长，fov为视场角，r为曲率半径，t为镜头厚度。其中，该第一镜头1的系统总长为第一镜头1的光阑到图像传感器2的距离。
[0050]
表1
[0051][0052]
表2
[0053][0054][0055]
表3
[0056][0057]
对于上述的红外滤光片5，其详细参数如表4。
[0058]
表4
[0059][0060]
对于第二镜头4，其详细参数如表5、表6和表7。其中，该第二镜头4的系统总长为第二镜头4的光阑到显示器3的距离。
[0061]
表5
[0062][0063]
表6
[0064][0065]
表7
[0066][0067]
上述第二镜头4的逆向光路畸变与第一镜头1的畸变在各视场角处相等。以第二镜头4的衍射透镜面面向显示器3的出光侧且第二镜头4的折射透镜面背向显示器3的出光侧为例，在使用过程中，显示器3发出的光线依次穿过第二镜头4的衍射透镜面、第二镜头4的折射透镜面，并到达光阑。上述的第二镜头4的逆向光路指的是：光线从光阑出发，依次穿过第二镜头4的折射透镜面、第二镜头4的衍射透镜面，并到达显示器3。根据光路可逆原理，一个光学系统与其逆向光路系统组合，可得到一个无像差的系统；如果另一个光学系统的畸变，与前述逆向光学系统的畸变在各视场处完全相同，那么该光学系统与前述光学系统组合后畸变可完全抵消，即可得到一个无畸变的系统。可知，由于上述第二镜头4的逆向光路畸变与第一镜头1的畸变在各视场角处相等，进而可以使第二镜头4与第一镜头1组合后畸变可完全抵消，从而使本技术无需软件处理即可实现无畸变的效果。图10为短波长下的畸变的示意图，图11为中心波长下的畸变的示意图，图12是长波长下的畸变的示意图。如图10至图12所示，在三种波长下，第二镜头4的逆向光路畸变与第一镜头1的畸变在各视场角处相等。
[0068]
本公开实施方式还提供一种近眼显示系统。该仅眼显示系统可以包括上述任一实施方式所述的近眼显示装置。本公开实施方式提供的近眼显示系统和近眼显示装置属于同一发明构思，有益效果的描述可互相参见，不再进行赘述。
[0069]
以上所述仅是本公开的较佳实施方式而已，并非对本公开做任何形式上的限制，虽然本公开已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。