CN110456508A - 一种近眼显示系统及智能眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示系统及智能眼镜，近眼显示系统包括：光纤扫描器，用于扫描出射光束，所述光纤扫描器出射的每个像素点的光束为锥形光束；物镜镜组，用于将所述光纤扫描器出射的锥形光束放大成像至中间像面处；光瞳扩大器，设置在所述中间像面处，所述光瞳扩大器用于扩大所述光纤扫描器出射光束的数值孔径NA；光波导；目镜镜组，设置在所述光瞳扩大器和所述光波导之间，所述目镜镜组用于将所述光瞳扩大器出射的光束导入所述耦入单元。用以解决现有技术中存在的将FSD作为AR眼镜的图像源，容易导致视场丢失的问题，实现了保证FSD图像源视场的情况下，扩大波导所能接收到的光束大小。

Description

一种近眼显示系统及智能眼镜

技术领域

本发明涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统及智能眼镜。

背景技术

光纤扫描显示技术(fiber scaning display，FSD)的成像原理是，通过光纤扫描器带动扫描光纤进行预定二维扫描轨迹的运动，并调制光源出光，即调制出待显示图像的每个像素点对应的光，然后，通过扫描光纤将待显示图像的每个像素点对应的光逐一投射到投影面上，从而形成投射画面。

但是，FSD作为AR眼镜的图像源，存在图像源出射到光学系统的光束尺寸过小的问题。如图1A所示，光纤扫描器1所扫描的像面2上的每个像素点出射的光锥(光锥由扫描光纤的数值孔径NA决定)经光学系统3准直后进入波导4的耦入单元5，那么耦入单元5所能接收到的光束尺寸如图1A中的入射光瞳所示。这里的入射光瞳即为波导4所能接收到的光束大小。也就是说，在这种情况下，入射光瞳大小取决于扫描光纤的NA以及光学系统3的焦距f，又由于扫描光纤的NA较小、焦距f不能太大(如果太大则不能保证图像源的视场FOV)，因此入射光瞳往往比较小。

较小的入射光瞳会导致，波导最终的出射光瞳分布如图1B所示，图中阴影圆圈代表视场1的光线出瞳分布，黑色圆圈代表视场2的光线出瞳分布，由于出瞳尺寸过小，导致波导中扩瞳不连续，人眼所看到的画面就会不清晰、视场丢失等情况。如图1B中所示，代表人眼入瞳的加粗圆圈只能圈住一个视场1光线的出瞳，而丢失了视场2光线的出瞳。可见，现有技术中存在将FSD作为AR眼镜的图像源，由于波导入射光瞳较小，容易导致视场丢。

发明内容

本发明的目的是提供一种近眼显示系统及智能眼镜，用以解决现有技术中存在的将FSD作为AR眼镜的图像源，容易导致视场丢失的问题，实现了保证FSD图像源视场的情况下，扩大波导所能接收到的光束大小。

为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供近眼显示系统，包括：

光纤扫描器，用于扫描出射光束，所述光纤扫描器出射的每个像素点的光束为锥形光束；

物镜镜组，用于将所述光纤扫描器出射的锥形光束放大成像至中间像面处；

光瞳扩大器，设置在所述中间像面处，所述光瞳扩大器用于扩大所述光纤扫描器出射光束的数值孔径NA；

光波导，包括耦入单元、耦出单元和设置在所述耦入单元和耦出单元之间的中继单元；

目镜镜组，设置在所述光瞳扩大器和所述光波导之间，所述目镜镜组用于将所述光瞳扩大器出射的光束导入所述耦入单元。

可选的，所述物镜镜组包括共光轴设置的第一透镜组、光阑和第二透镜组，从靠近所述光纤扫描器的方向开始依次设置所述第一透镜组、所述光阑和所述第二透镜组。

可选的，所述光瞳扩大器包括漫射器、衍射光学元件、双微透镜阵列或非球面折射光学元件中的任意一种。

可选的，所述耦入单元/中继单元/耦出单元为反射镜或光栅。

本发明实施例第二方面提供一种智能眼镜，包括镜片、容置所述镜片的镜框和设置在所述镜框两侧的镜腿；

光纤扫描器，设置在所述镜腿靠近所述镜框的连接端内部，所述光纤扫描器用于扫描出射光束，所述光纤扫描器出射的每个像素点的光束为锥形光束；

光波导，设置所述镜片内，所述光波导包括耦入单元、耦出单元和设置在所述耦入单元和耦出单元之间的中继单元；

设置在所述光纤扫描器出射光路上的物镜镜组、光瞳扩大器和目镜镜组；所述物镜镜组用于将所述光纤扫描器出射的锥形光束放大成像至中间像面处；所述光瞳扩大器，设置在所述中间像面处，所述光瞳扩大器用于扩大所述光纤扫描器出射光束的数值孔径NA；所述目镜镜组用于将所述光瞳扩大器出射的光束导入所述耦入单元。

可选的，所述物镜镜组包括共光轴上的第一透镜组、光阑和第二透镜组，从靠近所述光纤扫描器的方向开始依次设置所述第一透镜组、所述光阑和所述第二透镜组。

可选的，所述光瞳扩大器包括为漫射器、衍射光学元件、双微透镜阵列或非球面折射光学元件中的任意一种。

可选的，所述耦入单元/中继单元/耦出单元为反射镜或光栅。

可选的，所述智能眼镜包括光源模组，设置在所述镜腿远离所述连接框的末端，所述光源模组出射的光通过光纤传输至所述光纤扫描器。

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：

本发明实施例的方案中，由于光纤扫描器出射的每个像素点的光束为锥形光束，采用物镜镜组将光纤扫描器出射的锥形光束放大成像至中间像面处，通过设置在中间像面处的光瞳扩大器扩大光纤扫描器出射光束的数值孔径NA，由于光波导13所能接收到的光束大小(即光波导的入射光瞳)更多地取决于光瞳扩大器对每个像素点NA的扩大程度，即每个像素点对应的光纤扫描器的出射光束的数值孔径NA，从而通过增大光波导的入射光瞳和出射光瞳，解决现有技术中存在的由于光波导的出射光瞳较小，导致的视场丢失问题，实现了在保证图像源视场FOV的情况下，扩大波导所能接收到的光束大小的技术效果，提高用户的视觉体验。

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1A为现有技术中的近眼显示系统的结构示意图；

图1B为现有技术中的光波导的出射光瞳的示意图；

图2A-图2B为本发明实施例提供的光纤扫描系统的示意图；

图3A为本发明实施例提供的近眼显示系统的结构示意图；

图3B为本发明实施例提供的光波导的出射光瞳的示意图；

图4为本发明实施例提供的物镜镜组的结构示意图；

图5A-图5B为本发明实施例提供的光波导的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的AR眼镜的结构示意图。

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。

请参考图2A和图2B，图2A和图2B为本发明实施例提供的光纤扫描系统的示意图。光纤扫描系统主要包括：处理器、扫描驱动电路、光源模块、光源调制模块、光纤扫描器21、光源合束模块22和光纤23。光纤扫描系统的工作原理如下：处理器通过向扫描驱动电路发送电控制信号来驱动光纤扫描器21，同时，处理器通过向光源调制模块发送电控制信号来控制光源模块的出光情况。其中，处理器、扫描驱动电路和光源调制模块之间的信号传输可以经电子输入/输出设备进行，光源调制模块根据接收到的控制信号输出光源调制信号，以对光源模块中的多个颜色的发光单元(如：激光器/发光二极管等，图2A中所示为红绿蓝RGB三色激光器)调制，光源模块中每种颜色的发光单元产生的光经光源合束模块22合束后逐一产生图像中每个像素点对应的光，光源合束模块22产生的光束通过光纤23导入光纤扫描器21，同时，扫描驱动电路根据接收到的控制信号输出扫描驱动信号，以控制光纤扫描器21中的光纤23以预定的二维扫描轨迹(如：螺旋扫描、栅格式扫描、李萨如扫描)进行扫描运动，然后，光学系统将光纤23出射的每个像素点的光放大并投影至投影面上形成图像。其中，投影面可以投影屏幕，墙壁等，本发明实施例中，光纤扫描系统出射的光线直接射入人眼。

请参考图3A，图3A为本发明实施例提供的近眼显示系统的结构示意图，该近眼显示系统包括光纤扫描器30，用于扫描出射光束，所述光纤扫描器30出射的每个像素点的光束为锥形光束；物镜镜组31，用于将所述光纤扫描器30出射的锥形光束放大成像至中间像面处；光瞳扩大器32，设置在所述中间像面处，所述光瞳扩大器32用于扩大光纤扫描器30出射光束的数值孔径NA(Numerical Aperture)；光波导33，包括耦入单元、耦出单元和设置在所述耦入单元和耦出单元之间的中继单元；目镜镜组34，设置在所述光瞳扩大器32和所述光波导33之间，所述目镜镜组34用于将所述光瞳扩大器32出射的光束导入所述耦入单元。

上述方案中，光纤扫描器30出射的像面300中，每个像素点所出射的光锥经物镜镜组31聚焦于光瞳扩大器32的一侧，光瞳扩大器32的这一侧表面上，每个像素点都将被放大，呈现一个尺寸更大的中间像面，从而避免了增大图1A中的焦距f，保证了图像源的视场FOV；并且，通过光瞳扩大器32对每个像素点对应的光纤扫描器30出射光束的数值孔径NA进行扩大，经过光瞳扩大器32扩束后的光束，再经目镜镜组34准直后进入光波导33的耦入单元。也就是说，光波导33所能接收到的光束大小(即光波导33的入射光瞳35)更多地取决于光瞳扩大器32对每个像素点NA的扩大程度。因此，可通过对光瞳扩大器32的设计将光波导33的入射光瞳35扩大，解决成像不清晰和视场丢失的问题。通常来说，中间像面尺寸放大倍数(相对于FSD所扫描的像面而言)越大，则要求光瞳扩大器32对NA的扩大倍数越大，以满足最终AR设备的视场角和入瞳要求。

本发明实施例中，得到有效扩瞳之后的光波导33的出射光瞳分布如图3B所示，图3B中每个圆圈代表一个出瞳，可以看到每个出瞳都比较大，相邻出瞳有部分重叠，密布了整个耦出单元，从而有效避免视场丢失，提升整个系统的光学性能。

请参考图4，为本发明实施例提供的物镜镜组31的结构示意图，物镜镜组31包括共光轴设置的第一透镜组、光阑和第二透镜组，从靠近所述光纤扫描器30的方向开始依次设置所述第一透镜组、所述光阑314和所述第二透镜组。第一透镜组包括透镜311，透镜312和透镜313，第二透镜组包括透镜315，透镜316和透镜317，由于光纤扫描面，即像面300上每个像素点的光束均为锥形光束(光锥)，通过物镜镜组31，像面300经光阑前后的两个透镜组进行放大成像于中间像面400处，光瞳扩大器32位于中间像面400处，从而通过光瞳扩大器32增大每个像素点对应的光纤扫描器30出射光束的数值孔径NA。

请参考图5A和图5B，为本发明实施例提供的光波导33的示意图，图5B是图5A的XZ方向示意图，其中，光波导33包括耦入单元331、耦出单元332和设置在所述耦入单元331和耦出单元332之间的中继单元333，光纤扫描器30出射的光束沿-Z方向进入光波导33的耦入单元331(可以是反射镜、光栅等可让光束产生反射/衍射/折射的元件)，耦入单元331使入射光束发生偏折，在光波导33中进行沿X方向的全反射传播；光波导33中的光束沿X方向传播至中继单元333(可以是反射镜、光栅等可让光束产生反射/衍射/折射的元件)，中继单元333沿X方向对光束进行扩束，使光束发生偏折，在光波导33中进行沿-Y方向的全反射传播；光波导33中的光束沿-Y方向传播至耦出单元332(可以是反射镜、光栅等可让光束产生反射/衍射/折射的元件)，耦出单元332沿-Y方向对光束进行扩束，使光束发生偏折沿-Z方向耦出光波导33进入人眼。

上述方案中，得到有效扩瞳之后的光波导33的出射光瞳分布如图3B所示，由于出射光瞳密布了整个耦出单元332，从而有效避免视场丢失。

本发明实施例中，光瞳扩大器32可以按照多种散射、衍射、折射形式而被制造，包括但不限于磨砂玻璃或全息漫射器、衍射分束器、工程漫射器或非周期性折射元件、以及微透镜阵列(microlens array，MLAs)。

本发明实施例中，光瞳扩大器32包括一个或多个漫射光的元件，光纤扫描器30出射光束的数值孔径NA由于漫射而被扩展。

在一种可能的实施方式中，漫射器可以为是全息漫射器。全息漫射器可以通过将激光散斑图案记录到某种介质中而被形成。例如，光致抗蚀剂可以被暴露于激光散斑图案，该激光散斑图案是用激光照射漫射器(例如磨砂玻璃)而产生的。

在一种可能的实施方式中，衍射漫射器是计算机生成的衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)。例如，衍射漫射器可以使用二元或灰度光刻制造方法而被形成。

在另一种可能的实施方式中，漫射器还可以是磨砂玻璃漫射器。其他类型的漫射器也可以作为光瞳扩大器32，本发明对此不做限制。

本发明实施例中，光瞳扩大器32可以包括衍射光学元件DOE，由于通过衍射光学元件的光衍射，光纤扫描器30出射光束的数值孔径NA被扩展。本发明实施例中，光瞳扩大器32还可以采用微透镜阵列MLA或一组非球面折射光学元件等等，本发明对此不做限制。

请参考图6，为本发明实施例提供的智能眼镜的示意图，智能眼镜包括镜片60、容置所述镜片60的镜框61和设置在所述镜框61两侧的镜腿62；光纤扫描器63，设置在所述镜腿62靠近所述镜框61的连接端内部，所述光纤扫描器63用于扫描出射光束，所述光纤扫描器63出射的每个像素点的光束为锥形光束；光波导64，设置所述镜片60内，所述光波导64包括耦入单元、耦出单元和设置在所述耦入单元和耦出单元之间的中继单元；设置在所述光纤扫描器63出射光路上的光学系统65，包括物镜镜组、光瞳扩大器和目镜镜组；所述物镜镜组用于将所述光纤扫描器63出射的锥形光束放大成像至中间像面处；所述光瞳扩大器，设置在所述中间像面处，所述光瞳扩大器用于扩大所述光纤扫描器63出射光束的数值孔径NA；所述目镜镜组用于将所述光瞳扩大器出射的光束导入所述耦入单元，中继单元和耦出单元分别对光束进行扩束后，最终耦出光波导64进入人眼600。

将光纤扫描投影技术FSD应用于AR眼镜作为图像源，光源合束模块66可以后置于镜腿62末端，光源合束模块66与光纤扫描器63之间通过光纤67传输信号，由于光源合束模块66可以后置于镜腿62末端，可以保持AR眼镜重量平衡，镜腿62处(佩戴时靠近用户太阳穴处)只需要设置光纤扫描器63即可，由于光纤扫描器63的直径可以做到毫米级，因此，可以大大缩减AR眼镜的图像源体积。如图6所示为FSD的一种可能的设置方式，当然，将FSD作为AR眼镜的图像源还可以有其他的设置方式，本发明对此不做限制。

前述图3A-图5B中近眼显示系统中的各种变化方式和具体实例同样适用于本发明实施例中的智能眼镜，通过前述对近眼显示系统的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本发明实施例中智能眼镜的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

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：

本发明实施例的方案中，由于光纤扫描器出射的每个像素点的光束为锥形光束，采用物镜镜组将光纤扫描器出射的锥形光束放大成像至中间像面处，通过设置在中间像面处的光瞳扩大器扩大光纤扫描器出射光束的数值孔径NA，由于光波导13所能接收到的光束大小(即光波导的入射光瞳)更多地取决于光瞳扩大器对每个像素点NA的扩大程度，即每个像素点对应的光纤扫描器出射光束的数值孔径NA，从而通过增大光波导的入射光瞳和出射光瞳，解决现有技术中存在的由于光波导的出射光瞳较小，导致的视场丢失问题，实现了在保证图像源视场FOV的情况下，扩大波导所能接收到的光束大小的技术效果，提高用户的视觉体验。

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。

Claims (9)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：

光纤扫描器，用于扫描出射光束，所述光纤扫描器出射的每个像素点的光束为锥形光束；

物镜镜组，用于将所述光纤扫描器出射的锥形光束放大成像至中间像面处；

光瞳扩大器，设置在所述中间像面处，所述光瞳扩大器用于扩大所述光纤扫描器出射光束的数值孔径NA；

光波导，包括耦入单元、耦出单元和设置在所述耦入单元和耦出单元之间的中继单元；

目镜镜组，设置在所述光瞳扩大器和所述光波导之间，所述目镜镜组用于将所述光瞳扩大器出射的光束导入所述耦入单元。

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述物镜镜组包括共光轴设置的第一透镜组、光阑和第二透镜组，从靠近所述光纤扫描器的方向开始依次设置所述第一透镜组、所述光阑和所述第二透镜组。

3.如权利要求1或2所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光瞳扩大器包括漫射器、衍射光学元件、双微透镜阵列或非球面折射光学元件中的任意一种。

4.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述耦入单元/中继单元/耦出单元为反射镜或光栅。

5.一种智能眼镜，其特征在于，包括镜片、容置所述镜片的镜框和设置在所述镜框两侧的镜腿；

光纤扫描器，设置在所述镜腿靠近所述镜框的连接端内部，所述光纤扫描器用于扫描出射光束，所述光纤扫描器出射的每个像素点的光束为锥形光束；

光波导，设置所述镜片内，所述光波导包括耦入单元、耦出单元和设置在所述耦入单元和耦出单元之间的中继单元；

设置在所述光纤扫描器出射光路上的物镜镜组、光瞳扩大器和目镜镜组；所述物镜镜组用于将所述光纤扫描器出射的锥形光束放大成像至中间像面处；所述光瞳扩大器，设置在所述中间像面处，所述光瞳扩大器用于扩大所述光纤扫描器出射光束的数值孔径NA；所述目镜镜组用于将所述光瞳扩大器出射的光束导入所述耦入单元。

6.如权利要求5所述的智能眼镜，其特征在于，所述物镜镜组包括共光轴上的第一透镜组、光阑和第二透镜组，从靠近所述光纤扫描器的方向开始依次设置所述第一透镜组、所述光阑和所述第二透镜组。

7.如权利要求5或6所述的智能眼镜，其特征在于，所述光瞳扩大器包括为漫射器、衍射光学元件、双微透镜阵列或非球面折射光学元件中的任意一种。

8.如权利要求5所述的智能眼镜，其特征在于，所述耦入单元/中继单元/耦出单元为反射镜或光栅。

9.如权利要求5所述的智能眼镜，其特征在于，所述智能眼镜包括光源模组，设置在所述镜腿远离所述连接框的末端，所述光源模组出射的光通过光纤传输至所述光纤扫描器。