光学装置、光学系统、显示装置、显示设备和显示系统的制作方法

1.本发明涉及虚拟现实/增强现实显示领域，具体涉及一种光学装置、光学系统、显示装置、显示设备和显示系统。


背景技术：

2.目前虚拟现实/增强现实显示设备使用最广泛的方案之一为几何光波导架构，该方案的光学模组包括：微显示器、目镜组、光波导，光波导的内部设置为几个角度相同的阵列反射面，反射面镀有介质膜层。微显示器设置在目镜组的前端，用于发射光线，目镜组位于光波导的耦入端，用于将显示器发射出的图像光整形成平行光后耦合进入光波导中。光线在光波导内全反射传播，经过光波导内的阵列反射面后耦出到人眼中。在现有的技术中，需要采用由很多片透镜组成的透镜组对图像光进行准直，透镜组的结构一般较为复杂，占用体积大且重量重，会提高整个虚拟现实/增强现实显示设备的体积和重量，降低了使用便捷性。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种光学装置、光学系统、显示装置、显示设备和显示系统，能够以更小体积和更轻的重量完成对图像光的准直工作。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种近眼显示光学装置，其包括：图像源，出射图像光；第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜位于所述图像源的出光方向上，所述第二反射镜位于所述第一反射镜的反射方向上，所述第一反射镜和所述第二反射镜共同构造为：将所述图像光整形为准直图像光；以及导光机构，安装在所述第二反射镜的出光方向上，所述导光机构构造为：将所述准直图像光耦入所述导光机构的内部进行传播，并将所述导光机构内传播的所述准直图像光耦出。
5.可选地，所述第一反射镜的反射表面和所述第二反射镜的反射表面均为自由曲面。
6.可选地，所述图像源的光轴与所述第一反射镜的几何中心处的法线的夹角为0
°
至90
°
中的任一值，第一反射镜的几何中心处的法线与所述第二反射镜的几何中心处的法线的夹角为0
°
至90
°
中的任一值。
7.可选地，所述第一反射镜的一边与所述第二反射镜的一边相接。
8.可选地，该近眼显示光学装置还包括：第一透射面，设置在所述图像源和所述第一反射镜之间的光路上。
9.可选地，所述第一透射面的光学面为自由曲面。
10.可选地，该近眼显示光学装置还包括：第二透射面，设置在所述第二反射镜和所述导光机构之间的光路上。
11.可选地，所述第二透射面的光学面为自由曲面。
12.可选地，所述导光机构包括：光波导；耦入组件，安装在所述光波导的一个侧面上，
所述耦入组件位于所述第二反射镜的反射方向上，所述耦入组件构造为：将所述第二反射镜出射的所述准直图像光耦入所述光波导的内部进行全反射传播；以及耦出组件，安装在所述光波导上，所述耦出组件构造为：将所述光波导内全反射传播的所述准直图像光耦出至所述光波导外。
13.可选地，所述耦入组件为多边棱镜，所述耦入组件包括第一表面和第二表面，所述第一表面部分地贴附在所述光波导的一个侧面上，所述第二表面位于所述第二反射镜的反射方向上。
14.另一实施例中，本发明提供一种光学系统，包括：前述的近眼显示光学装置，两个所述近眼显示光学装置分别作为左眼观看组件和右眼观看组件，所述左眼观看组件和所述右眼观看组件左右对称分布。
15.另一实施例中，本发明提供一种显示装置，应用于虚拟现实设备或增强现实设备，所述显示装置包括：前述的光学系统以及固定结构，所述近眼显示光学装置与所述固定结构连接。
16.可选地，所述显示装置还包括：头部穿戴组件，与所述固定结构连接，所述头部穿戴组件用于穿戴在人的头部上。
17.可选地，该显示装置还包括：外壳，所述光学系统容纳于所述外壳内。
18.可选地，所述显示装置还包括：摄像头，所述摄像头的镜头面对人眼。
19.另一实施例中，本发明提供一种头戴式显示设备，包括前述的显示装置，其中所述头部穿戴组件包括眼镜框，所述眼镜框包括镜腿或头箍，所述光学系统固定于所述镜腿或头箍之间。
20.另一实施例中，本发明提供一种显示系统，所述显示系统为虚拟现实和/或增强现实显示系统，其特征在于，所述显示系统包括信号输入模块及前述的头戴式显示设备，所述头戴式显示设备接收所述信号输入模块的信号并传输至所述头戴式显示设备进行处理。
21.可选地，所述信号输入模块包括与所述头戴式显示设备电性连接的操作控制器。
22.可选地，所述显示系统为虚拟和/或增强现实显示一体机，所述头戴式显示设备设有用于控制操作控制器及显示内容的独立的中央处理器。
23.本发明的有益效果在于：在使用时，由图像源出射用作显示的图像光，图像源的每个像素点出射的图像光均为发散光。图像光照射在第一反射镜上后，第一反射镜和第二反射镜将图像光整形为准直的图像光，之后准直图像光耦入导光机构中进行传播，然后导光机构将准直图像光耦出以供观看，从导光机构耦出的图像光聚焦在无穷远处。本方面通过第一反射镜和第二反射镜即可实现对图像光的准直工作，无需使用传统技术中采用多片透镜组成的透镜组进行准直的复杂结构。仅采用第一反射镜和第二反射镜实现准直，光路结构更加紧凑，整体体积小巧轻盈，成本低廉。
附图说明
24.图1所示为本发明第一实施例提供的一种近眼显示光学装置的结构示意图。
25.图2所示为本发明第二实施例提供的一种近眼显示光学装置的结构示意图。
26.图3所示为本发明第一实施例中的一种近眼显示光学装置中具有透射面的结构示意图。
27.图4所示为本发明第二实施例中的一种近眼显示光学装置中具有透射面的结构示意图。
28.图5所示为本发明第三实施例提供的显示装置的结构示意图。
具体实施方式
29.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。
30.本发明提供一种近眼显示光学装置，包括图像源、第一反射镜、第二反射镜和导光机构，其中图像源用于出射图像光，第一反射镜位于图像源的出光方向上，第二反射镜位于第一反射镜的反射方向上，第一反射镜和第二反射镜共同构造为：将图像光整形为准直图像光。导光机构安装在第二反射镜的出光方向上，导光机构构造为：将准直图像光耦入导光机构的内部进行传播，并将导光机构内传播的准直图像光耦出。
31.第一实施例：
32.图1所示为本发明第一实施例提供的一种近眼显示光学装置的结构示意图。图1中带箭头的直线表示光路的大致方向。
33.本发明提供一种近眼显示光学装置，如图1所示，包括图像源1、第一反射镜21、第二反射镜22和导光机构3。图像源1出射图像光。第一反射镜21位于图像源1的出光方向上，第二反射镜22位于第一反射镜21的反射方向上，第一反射镜21和第二反射镜22共同构造为：将图像光整形为准直图像光。导光机构3安装在第二反射镜22的出光方向上，导光机构3构造为：将准直图像光耦入导光机构3的内部进行传播，并将导光机构3内传播的准直图像光耦出。
34.在使用时，由图像源1出射用作显示的图像光，图像源1的每个像素点出射的图像光均为发散光。图像光照射在第一反射镜21上后，第一反射镜21和第二反射镜22将图像光整形为准直的图像光，之后准直图像光耦入导光机构3中进行传播，然后导光机构3将准直图像光耦出以供观看，从导光机构3耦出的图像光聚焦在无穷远处。
35.具体的，图像源1可以采用透射式图像源、反射式图像源或自发光式图像源，其中自发光式图像源中可以包括微型oled显示器、mems扫描显示器或光纤扫描显示器等等。导光机构3可以是反射阵列波导、衍射光波导，这类波导需要耦入的图像光为准直光才能够实现在波导内的全反射传播，此类波导结构均是现有技术，在此不再赘述。第一反射镜21和第二反射镜22的制作方式可以是：通过光学模拟设计来计算出第一反射镜21和第二反射镜22的相对位置如何摆放、第一反射镜21和第二反射镜22采用何种面型后能够使得从第二反射镜22出射的图像光为准直图像光。
36.本实施例通过第一反射镜21和第二反射镜22即可实现对图像光的准直工作，无需使用传统技术中采用多片透镜组成的透镜组进行准直的复杂结构。仅采用第一反射镜21和第二反射镜22实现准直，光路结构更加紧凑，整体体积小巧轻盈，成本低廉。
37.如图1所示，第一反射镜21的反射表面和第二反射镜22的反射表面均为自由曲面。
38.在使用时，反射表面为自由曲面的第一反射镜21和第二反射镜22实现对图像光的
准直。由图像源1出射的发散的图像光照射在第一反射镜21上时，第一反射镜21对图像光进行反射式的第一次整形，经过第一次整形的图像光再被第二反射镜22进行反射式的第二次整形，经过第二次整形的图像光变为准直光。本实施例通过两个自由曲面实现了图像光的准直，两个自由曲面能够以很小的占用体积实现对图像光的离轴式的整形，无需采用复杂的透镜组来实现准直。由于第一反射镜21和第二反射镜22均为自由曲面，能够以多种相对方位实现图像光的准直，在不同的相对方位的情况中，针对第一反射镜21和第二反射镜22设计适合的面型即可。本实施例能够根据整个近眼显示光学装置的不同封装需求，适应性地调整第一反射镜21和第二反射镜22的位置，对于不同位置，针对性地设计反射面的合适面型即可。本实施例中，第一反射镜21和第二反射镜22还能够提高装配的灵活性，能够适应于近眼显示光学装置的不同封装需求。
39.具体的，第一反射镜21和第二反射镜22的面型参数需要根据两者的相对位置来设计，一般可采用光学设计软件来模拟并设计出某一种相对位置情况下需要使用什么样的面型才能实现对图像光的准直整形，该光学设计方法已然是现有技术，在此不再赘述。
40.如图1所示，图像源1的光轴与第一反射镜21的几何中心处的法线的夹角为0
°
至90
°
中的任一值，第一反射镜21的几何中心处的法线与第二反射镜22的几何中心处的法线的夹角为0
°
至90
°
中的任一值。
41.在使用时，图像源1、第一反射镜21和第二反射镜22构成折叠反射光路，形成这种折叠光路能够进一步缩减该近眼显示光学装置的体积，以很小的体积便可以实现对图像光的准直。图像源1、第一反射镜21和第二反射镜22三者的摆设方位可以如图1或图2的摆设方式来摆放，然后可以通过封装模组来固定图像源1、第一反射镜21、第二反射镜22和导光机构3的相对位置，具体的夹角数值需要根据第一反射镜21和第二反射镜22的反射面的面型进行光学设计。
42.第二实施例：
43.图2所示为本发明第二实施例提供的一种近眼显示光学装置的结构示意图。图2中带箭头的直线表示光路的大致方向。实施例与第一实施例不同的地方在于：如图2所示，第一反射镜21的一边与第二反射镜22的一边相接。本实施例的其他结构和设计与第一实施例可以采用相同的结构和设计。
44.在使用时，由于第一反射镜21的一边与第二反射镜22的一边相接，能够使得第一反射镜21的一边与第二反射镜22总共占用的体积更小，第一反射镜21和第二反射镜22构成的折叠光路更紧凑。第一反射镜21几何中心处的法线与第二反射镜22几何中心处的法线的夹角接近90
°
，在第一反射镜21和第二反射镜22之间的折叠光路的光轴接近十字光路，能够以更小的占用体积实现折叠光路，即实现对图像光的准直。
45.第三实施例：
46.图3所示为本发明第一实施例中提供的一种近眼显示光学装置中具有透射面的结构示意图。图4所示为本发明第二实施例中提供的一种近眼显示光学装置中具有透射面的结构示意图。图3和图4中带箭头的直线表示光路的大致传播方向。如图3和图4所示，该近眼显示光学装置还包括第一透射面23，第一透射面23设置在图像源1和第一反射镜21之间的光路上。
47.在使用时，第一透射面23对图像源1出射的图像光进行折射，从而改变图像源1出
射的图像光的光路。通过第一透射面23，在不改变第一反射镜21和第二反射镜22的面型的情况下，可以改变图像源1的位置。并且仅在光路中设置第一透射面23，对第一透射面23的位置没有要求，因此不会增加整个近眼显示光学装置的占用体积。不同折射能力的第一透射面23，可以对应于图像源1和第一反射镜21的不同相对位置。具体的，第一透射面23的不同折射能力，可以指的是制造材料不同、第一透射面23摆放角度不同、第一透射面23的厚度不同。本实施例能够提高系统灵活度，图像源1相对于第一反射镜21可以有更多的摆放位置和角度，可以根据整个近眼显示光学装置的设计需求，来选择合适的第一透射面23。
48.可选地，如图3和图4所示，第一透射面23的光学面为自由曲面。
49.在使用时，首先在第一透射面23的折射作用下，可以改变图像源1出射的图像光的光路，能够提高系统灵活度，图像源1可以有更多的放置位置和角度。再者，自由曲面的第一透射面23对于图像光的整形能力更优，能够在图像光照射在第一反射镜21上之前，对图像光进行一定程度的整形，进一步提高系统灵活度。并且，第一透射面23配合第一反射镜21和第二反射镜22共同对图像光进行整形，能够降低第一反射镜21和第二反射镜22的设计难度。
50.如图3和图4所示，该近眼显示光学装置还包括第二透射面24，第二透射面24设置在第二反射镜22和导光机构3之间的光路上。
51.在使用时，第二透射面24对第二反射镜22出射的图像光进行折射，从而改变第二反射镜22出射的图像光的光路。通过第二透射面24，在不改变第一反射镜21和第二反射镜22的面型的情况下，可以改变第二反射镜22出光光路。不同折射能力的第二透射面24，可以对应于第二反射镜22和导光机构3的不同相对位置。并且仅在光路中设置第二透射面24，对第一透射面24的位置没有要求，因此不会增加整个近眼显示光学装置的占用体积。具体的，第二透射面24的不同折射能力，可以指的是制造材料不同、第二透射面24摆放角度不同、第二透射面24的厚度不同。本实施例能够提高系统灵活度，第二反射镜22相对于导光机构3可以有更多的摆放位置和角度，可以根据整个近眼显示光学装置的设计需求，来选择合适的第二透射面24。
52.如图3和图4所示，第二透射面24的光学面为自由曲面。
53.在使用时，首先在第二透射面24的折射作用下，可以改变图像源1出射的图像光的光路，能够提高系统灵活度，第二反射镜22相对于导光机构3可以有更多的放置位置和角度。再者，自由曲面的第二透射面24对于图像光的整形能力更优，能够在图像光照射在导光机构3之前，对图像光进行一定程度的整形，进一步提高系统灵活度。并且，第二透射面24配合第一反射镜21和第二反射镜22共同对图像光进行整形，能够降低第一反射镜21和第二反射镜22的设计难度。
54.第四实施例：
55.如图1和图2所示，导光机构3包括：光波导31、耦入组件32和耦出组件33。耦入组件32安装在光波导31的一个侧面上，耦入组件32位于第二反射镜22的反射方向上，耦入组件32构造为：将第二反射镜22出射的准直图像光耦入光波导31的内部进行全反射传播。耦出组件33安装在光波导31上，耦出组件33构造为：将光波导31内全反射传播的准直图像光耦出至光波导31外。
56.在使用时，准直图像光通过耦入组件32耦入光波导31内部，在光波导31内部进行
全反射传播，光波导31对准直图像光进行扩瞳，使得准直图像光的可观看区域更大。耦入组件32具体可采用棱镜、光栅等器件，耦出组件33可采用阵列反射面、光栅等器件。
57.耦出组件33为阵列反射面时，阵列反射面设置在光波导31内部。具体的，阵列排布的反射面均为部分透射部分反射面，准直图像光照射在阵列排布的反射面上时，一部分光被反射并且角度无法满足光波导31的全反射条件，被反射的准直图像光从光波导31内出射到光波导31外，出射的准直图像光在光波导31外便可以成像，由于是准直光，因此成像在无穷远处。未被反射的图像光透过当前反射面后照射在下一个反射面上，再次进行反射和折射。阵列排布的反射面的透射率可以沿着远离耦入组件32的方向上依次降低，从而使得整个光波导31耦出的图像光的亮度更加均匀。阵列排布的反射面和光波导31构成传统意义上的反射阵列波导。
58.耦出组件33为光栅时，光栅设置在光波导31内部或表面。光栅能够改变照射在光栅上的准直图像光的传播角度，从而使得准直图像光耦出至光波导31外并进行成像。预先设计光栅的衍射效率，使得沿着远离耦入组件32的方向上耦出的准直图像光的亮度均匀。光栅和光波导31构成传统意义上的衍射光波导。
59.在使用时，能够将经过第一反射镜21和第二反射镜22整形后的准直图像光进行扩瞳，使得可视范围更大，从而达到更好的观看体验，便于观看图像源1出射的图像内容。
60.如图1和图2所示，耦入组件32为多边棱镜，耦入组件32包括第一表面321和第二表面322，第一表面321部分地贴附在光波导31的一个侧面上，第二表面322位于第二反射镜22的反射方向上。
61.在使用时，耦入组件32采用棱镜来将准直图像光耦入光波导31中，准直图像光从第二表面322入射耦入组件32，再从第一表面321出射。准直图像光的光路方向被耦入组件32改变，从而可以满足光波导31的全反射条件。第一表面321和光波导31贴合，能够节省空间，使得整个结构更为紧凑。
62.第五实施例：
63.本发明提供一种光学系统，该光学系统包括：前述的近眼显示光学装置，两个近眼显示光学装置分别作为左眼观看组件和右眼观看组件，左眼观看组件和右眼观看组件左右对称分布。在使用时，用户的左眼和右眼分别从两个近眼显示光学装置中观看图像。
64.第六实施例：
65.本发明还提供一种显示装置，应用于虚拟现实设备或增强现实设备，在一些实施例中，显示装置包括前述的光学系统以及固定结构，近眼显示光学装置与固定结构连接。
66.在使用时，人眼处于耦出组件的耦出方向上时，可以观看到虚拟现实或增强现实图像，结构紧凑且轻便的近眼显示光学装置能够降低显示装置的重量、体积和结构复杂度，使得整个显示装置更为轻便，占用体积小、结构简单。具体的，显示装置可以是透射式/非透射式显示器类的虚拟现实/增强现实产品，也可以是头戴式的虚拟现实/增强现实产品。固定结构为光学系统提供支撑，避免在使用过程中光学系统的各部件发生位移，以保证光学系统的耐用性。
67.该显示装置还包括头部穿戴组件，头部穿戴组件与固定结构连接，头部穿戴组件用于穿戴在人的头部上。
68.在使用时，可以通过头部穿戴组件将该显示装置戴在用户的头部上，用户的头部
为该显示装置提供支撑，可以方便地观看虚拟现实或增强现实图像。轻便的显示装置能够使得用户在长期佩戴下不会太累。
69.可选地，显示装置还包括外壳和摄像头，光学系统容纳于外壳内，外壳可以有效地保护光学系统，避免光学系统受损。摄像头的镜头面对人眼，该摄像头可以用于执行眼动跟踪功能，在显示装置工作时，摄像头时刻拍摄人眼从而得到人眼的注视点位置。
70.第七实施例：
71.本发明还提供一种头戴式显示设备，包括前述的显示装置，其中头部穿戴组件包括眼镜框，眼镜框包括镜腿或头箍，光学系统固定于镜腿或头箍之间。本实施例可以将镜腿或头箍挂在用户的耳朵或佩戴在头部的某个部位上，导光机构的光波导可以安装在眼镜框的镜片安装位置上，从而可以将头戴式显示设备方便地戴在用户的头上，为用户提供虚拟现实显示或增强现实显示。
72.可选地，所述头戴显示装置包括设置于其内的所述光学系统及扣箍件，所述扣箍件用于将所述光学系统固定于人眼前方。在使用时，扣箍件可以将光学系统保持在人眼前方，以供人眼观看。
73.第八实施例：
74.图5所示为本发明第三实施例提供的显示系统的结构示意图。本发明还提供一种显示系统，显示系统为虚拟现实和/或增强现实显示系统，如图5所示，显示系统包括信号输入模块4及前述的头戴式显示设备，头戴式显示设备接收信号输入模块4的信号并传输至头戴式显示设备进行处理。信号输入模块4包括与头戴式显示设备电性连接的操作控制器，具体的，操作控制器可以是手柄，也可以是能够识别手势动作的器件。可选地，显示系统为虚拟和/或增强现实显示一体机，头戴式显示设备设有用于控制操作控制器及显示内容的独立的中央处理器5。
75.在一些实施例中，如图5所示，显示系统还包括存储器6，中央处理器5与图像源1和信号输入模块4分别电连接，存储器6用于存储中央处理器5的可执行指令。
76.在使用时，中央处理器5可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制显示系统中的其他组件以执行期望的功能。
77.存储器6可以包括一个或多个计算机程序产品，计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。在计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，中央处理器5可以运行程序指令，以控制图像源1出射图像光。
78.信号输入模块4可以通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)和中央处理器5互连，信号输入模块4可以包括例如键盘、鼠标、摇杆和触控屏幕等等。
79.当然，为了简化，图5中仅示出了该显示系统中与本发明有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，显示系统还可以包括任何其他适当的组件。
80.以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的
各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。
81.本发明中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
82.还需要指出的是，在本发明的装置和设备中，各部件是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。
83.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此发明的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
84.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。