光学成像阵列系统、近眼显示装置及图像投射方法与流程

1.本技术大致涉及光学显示领域，尤其涉及一种具有圆形视场的光学成像阵列系统、近眼显示装置及图像投射方法。


背景技术：

2.随着计算机技术和显示技术的发展，通过计算机仿真系统来体验虚拟世界的虚拟现实(virtual reality，vr)技术以及将显示内容融合到真实环境背景中的增强现实(augmented reality，ar)技术和混合现实(mixed reality，mr)技术已经迅猛发展。
3.将vr、ar和mr技术与近眼显示结合的近眼vr、ar和mr显示技术是重要的新型显示技术，能够带来前所未有的视觉体验和人机交互感。近眼vr显示技术主要追求浸没式大视场的虚拟显示，而近眼ar和mr显示技术的目的是实现透视式的虚实融合。原则上，用于ar和mr的近眼显示装置，在阻挡外界环境光进入使用者眼睛的情况下，也叫做虚拟现实技术。
4.近眼显示装置通常构造为头盔或眼镜形态的显示装置，用于将微显示芯片显示的图像通过光学系统成像于远处，人眼直接通过该装置看到显示的放大的位于远处的图像，同时结合slam技术实现空间感知定位，通过手势识别、语音识别、眼球跟踪等技术实现交互，是具有重要潜在商业应用价值的、被认为有望“取代智能手机”的新型显示技术。
5.通常，在观看物体时，眼球的整个瞳孔均可作为进光面。来自被观看物体的光线(图像光)入射到瞳孔后，经折射发生汇聚并入射到视网膜上形成相应的像。对于正常视力的人而言，图像光经瞳孔折射后的汇聚点位于视网膜上，由此能够清楚地视物。然而对于近视的人而言，图像光经瞳孔折射后的汇聚点位于视网膜前方，待图像光经过汇聚点继续入射到视网膜上时已经由一个点发散为一个光圈，导致成像发虚，因此视物不清楚。此外，对于远视的人而言，图像光经瞳孔折射后的汇聚点位于视网膜后方，而在实际形成汇聚点前图像光即已入射到视网膜上形成光圈，由此造成视物模糊。
6.如果在被观看物体与瞳孔之间设置一个小孔，则在小孔的限制下，瞳孔接收到的图像光的光束尺寸减小，从而经瞳孔折射后的汇聚角度也相应减小。在此情况下，对于近视/远视的人而言，尽管图像光的汇聚点仍位于视网膜前方/后方，但由于其汇聚角度减小而在视网膜上形成的光圈变小，从而视物相对清楚。即，通过在被观看物体的光路上设置小孔，可使近视/远视的人观看到比不设置小孔时更清晰的像；并且小孔的孔径越小，则观看到的像的清晰度越高。
7.然而，小孔的存在使得大部分来自被观看物体的图像光被遮挡，进入瞳孔的进光量大幅下降，导致成像变暗，亮度不足，对视物效果造成不利影响；并且小孔的孔径越小，则观看到的像的亮度越低。由此可见，通过利用小孔改善近视/远视的人的视物效果，存在成像的清晰度与亮度之间的矛盾。
8.另一方面，在近眼显示下，无论对正常视力、近视或远视的人而言，来自被观看物体的图像光经瞳孔折射后的汇聚点均位于视网膜后方，并且在实际形成汇聚点前图像光即已入射到视网膜上形成光圈，因此无法清楚地视物。与前述类似，当在被观看物体与瞳孔之
间设置小孔时，经小孔遮挡的图像光在视网膜上形成的光圈变小，从而可在一定程度上改善成像的清晰度。然而，此时同样存在成像的清晰度与亮度难以兼顾的问题。在近眼显示下，为了使图像光在视网膜上形成的光圈减小至人眼识别的极限，从而无限接近一个点，将无可避免地导致成像的亮度过低而难以观看。
9.另外，现有的近眼显示装置的视场通常为矩形的或者接近矩形的，与人眼视野的自然状态相差较大，使用舒适性较差。
10.因此，迫切地需要开发一种光学组件，所述光学组件在使用小孔下能够兼顾成像的清晰度和亮度，改善不同视力水平的人在近眼显示下的视物效果，并且具有轻巧紧凑的结构。


技术实现要素：

11.本技术的目的是提供一种光学成像阵列系统以及基于该光学成像阵列系统的近眼显示装置和图像投射方法，其至少部分地解决了现有技术中存在的上述问题。
12.本发明首先提供一种光学成像阵列系统，包括：
13.微显示器阵列，包括圆形的微显示器和位于所述圆形的微显示器外围的至少一组环形排布的微显示器，所述微显示器可发出图像光；和
14.沿图像光传播方向位于所述微显示器阵列下游的小孔阵列和微透镜阵列，所述小孔阵列和微透镜阵列相邻设置，其中与所述微显示器阵列相对应地，所述小孔阵列包括位于中央的小孔和至少一组环形排布的多个小孔，所述小孔的数量与所述微显示器相同；与所述微显示器阵列相对应地，所述微透镜阵列包括位于中央的微透镜和至少一组环形排布的多个微透镜，所述微透镜的数量与所述微显示器相同；
15.所述微显示器、小孔和微透镜一一对应，形成相应的光通道，其中在每个光通道中，所述微显示器发出的图像光经所述小孔遮挡及所述微透镜调制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处成像，并且整体形成圆形的视场。
16.根据本发明的一个方面，所述微显示器阵列中的多个微显示器各自显示图像源经拆解后的多个子图像源，其中每个微显示器发出的显示对应子图像源的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处形成子图像，所述子图像组成与所述图像源对应的图像。
17.根据本发明的一个方面，所述光学成像阵列系统配置成，使得由所述图像源拆解的所有子图像源发出的图像光在以所述瞳孔为顶点的视场角范围内形成入射角度的连续分布。
18.根据本发明的一个方面，在每一组环形排布的微显示器中，多个微显示器具有相同的扇环形形状，并且多个扇环形形状的圆心分布在与所述圆形的微显示器共圆心的一个圆上。
19.根据本发明的一个方面，在每一组环形排布的微透镜中，多个微透镜的光心分布在以所述位于中央的微透镜的光心为圆心的一个圆上。
20.根据本发明的一个方面，对于其中一组环形排布的微显示器、以及与其相对应的一组环形排布的微透镜，扇环形形状的微显示器的圆心与对应的微透镜的光心重合。
21.根据本发明的一个方面，所述微显示器阵列包括2～5组环形排布的微显示器。
22.根据本发明的一个方面，每一组环形排布的微显示器的数量为6n，其中n为从所述圆形的微显示器开始计数的该组环形排布的微显示器的序号，n为整数且n≥1。
23.根据本发明的一个方面，所述小孔阵列沿图像光传播方向位于所述微透镜阵列的上游或下游，
24.其中所述微显示器阵列位于所述微透镜阵列的焦平面处或焦平面附近，使得所述微显示器发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后，形成平行或近似平行的光束；
25.或者，所述微显示器阵列位于所述微透镜阵列的焦平面以内，使得所述微显示器发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后，形成相对于平行光束呈发散的光束；
26.或者，所述微显示器阵列位于所述微透镜阵列的焦平面以外，使得所述微显示器发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后，形成相对于平行光束呈汇聚的光束。
27.根据本发明的一个方面，所述光通道之间设置有实体边界以减轻串扰，
28.其中所述微透镜为圆形微透镜，在每一组环形排布的微透镜中，相邻微透镜相切或者相互间隔开。
29.根据本发明的一个方面，对于所述微显示器阵列中的至少一个微显示器，其显示相对应的子图像源，并且在与相邻的至少一个微显示器相靠近的位置处，显示与所述相邻的至少一个微显示器相对应的子图像源的一部分。
30.根据本发明的一个方面，所述微显示器阵列中的所有微显示器均显示与其周向和径向相邻的微显示器相对应的子图像源的一部分。
31.本发明还提供一种近眼显示装置，包括如上所述的光学成像阵列系统。
32.根据本发明的一个方面，所述近眼显示装置还包括图像处理模块，所述图像处理模块与所述光学成像阵列系统中的微显示器阵列耦合，将由所述图像源拆解的子图像源在所述微显示器阵列的微显示器中显示。
33.本发明还提供一种使用如上所述的光学成像阵列系统进行图像投射的方法，包括以下步骤：
34.s1：与所述光学成像阵列系统的微显示器相对应地，将图像源拆解为多个子图像源，在每个微显示器中显示其中一个子图像源；
35.s2：使每个微显示器发出的显示对应子图像源的图像光，经对应的小孔遮挡及微透镜调制后入射到瞳孔，各自在视网膜的预定区域处形成子图像；
36.s3：使所述子图像组成与所述图像源对应的图像。
37.本发明还提供一种光学成像阵列系统，包括：
38.微显示器阵列，包括阵列排布的多个微显示器，所述微显示器可发出图像光；和
39.沿图像光传播方向位于所述微显示器阵列下游的小孔阵列和微透镜阵列，所述小孔阵列和微透镜阵列相邻设置，其中所述小孔阵列包括多个小孔，所述小孔的数量与所述微显示器相同；所述微透镜阵列包括多个微透镜，所述微透镜的数量与所述微显示器相同；
40.所述多个微显示器、多个小孔和多个微透镜一一对应，形成相应的光通道，其中在每个光通道中，所述微显示器发出的图像光经所述小孔遮挡及所述微透镜调制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处成像，
41.其中所述微显示器阵列中的多个微显示器各自显示图像源经拆解后的多个子图像源，其中每个微显示器发出的显示对应子图像源的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调
制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处形成子图像，所述子图像组成与所述图像源对应的图像，
42.其中对于所述微显示器阵列中的至少一个微显示器，其显示相对应的子图像源，并且在与相邻的至少一个微显示器相靠近的位置处，显示与所述相邻的至少一个微显示器相对应的子图像源的一部分。
43.根据本发明的一个方面，所述微显示器阵列中的多个微显示器沿第一方向以及与所述第一方向垂直的第二方向呈矩形排布，所述微显示器阵列中的所有微显示器均显示与其沿第一方向和第二方向相邻以及对角相邻的微显示器相对应的子图像源的一部分。
44.本技术的光学成像阵列系统通过采用微透镜而允许缩短与图像源的距离，由此能够减小光学模组的尺寸，使得结构更加轻巧紧凑；同时与常规的矩形视场相比，圆形视场更符合人眼视野的自然状态，因此可改善应用的舒适性。
附图说明
45.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本技术的其他特征、目的和优点将会变得更加明显：
46.图1示出了使用不同的光学器件在近眼显示下的成像过程对比，其中(a)为使用小孔的成像过程，(b)为使用小孔 微透镜组合的成像过程；
47.图2示出了本技术中不同视力水平的人在近眼显示下的成像过程对比，其中(a)为正常视力的人的成像过程，(b)为近视的人的成像过程，(c)为远视的人的成像过程；
48.图3示出了根据本技术一个实施方案的光学成像阵列系统的三维结构；
49.图4示出了根据本技术使小孔阵列和微透镜阵列相邻设置的具体方式，其中(a)中微透镜贴附在小孔边缘处，(b)中微透镜通过腔体容置整体置于小孔阵列相邻处，(c)中微透镜嵌入小孔中；
50.图5示出了根据本技术一个实施方案的微显示器阵列的正面结构；
51.图6示出了根据本技术一个实施方案的图像源拆解和组合成像的过程，其中(a)为由图像源拆解成子图像源，(b)为由子图像组成图像；
52.图7示出了根据本技术另一个实施方案的光学成像阵列系统的微显示器阵列；
53.图8示出了根据本技术另一个实施方案的光学成像阵列系统的微透镜阵列；
54.图9示出了根据本技术另一个实施方案的光学成像阵列系统在视网膜上形成的图像；
55.图10示出了根据本技术另一个实施方案的光学成像阵列系统的微透镜阵列；
56.图11示出了根据本技术一个实施方案的光学成像阵列系统由图像源形成图像的光路示意图；
57.图12示出了根据本技术一个实施方案的光学成像阵列系统在视网膜上成像的视场角角度分解示意图；
58.图13示出了根据本技术一个实施方案的光学成像阵列系统的结构参数；
59.图14示出了将图11-13所示方案用于图7-10所示方案的示意图；
60.图15a和15b示出了根据本技术的一个实施方案的微显示器阵列的示意图；
61.图16a和16b示出了根据本技术另一个实施方案的微显示器阵列的示意图；和
62.图17示出了根据本技术一个实施方案的相邻微显示器补偿成像的光路示意图。
具体实施方式
63.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
64.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
65.本技术中，对于在近眼显示下观看物体，在利用小孔提高成像清晰度的同时，还在小孔的相邻处设置微透镜。根据本技术使用小孔 微透镜组合具有诸多有利之处：
66.第一，使用小孔 微透镜组合，与仅使用小孔相比，可更好地兼顾成像的清晰度和亮度。图1(a)示出了仅使用小孔在近眼显示下观看物体的成像过程。如图1(a)所示，物点o发出的图像光经小孔ch遮挡后形成以cla和clb为边界光线的发散光束，该光束入射到瞳孔并经其折射而发生汇聚。在近眼显示下，无论对正常视力、近视或远视的人而言，经折射的光束的汇聚点均位于视网膜后方，而在形成该汇聚点之前，折射光束即已入射到视网膜上并成像。参见图1(a)，边界光线cla和clb在视网膜上的入射点分别为cpa和cpb，由此对应于物点o，眼球实际看到的成像为由入射点cpa和cpb限定的光圈。图1(b)示出了使用小孔 微透镜组合在近眼显示下观看物体的成像过程，其中小孔h和微透镜m相邻设置，且小孔h的孔径大于图1(a)中的小孔ch。如图1(b)所示，物点o发出的图像光首先经小孔h遮挡形成以la'和lb'为边界光线的发散光束，此时由于小孔h的孔径大于图1(a)中的小孔ch，该光束经瞳孔折射在视网膜上形成的光圈将相应大于图1(a)中由入射点cpa和cpb限定的光圈。即对应于物点o，仅增大小孔的孔径将看到清晰度下降的光圈。然而，图1(b)中，在小孔h的相邻处还设置有微透镜m，其使得以la'和lb'为边界光线的光束沿图中箭头方向向内偏折，从而在穿过微透镜m后形成以la和lb为边界光线的、发散角度减小的光束，并经瞳孔折射在视网膜上形成由入射点pa和pb限定的尺寸相应减小的光圈。通过对比可见，在合适设置下，图1(b)中由pa和pb限定的光圈与图1(a)中由cpa和cpb限定的光圈的尺寸可以相当；而由于图1(b)中小孔的孔径更大，因此其成像的亮度可高于图1(a)。由此，根据本技术使用小孔 微透镜组合，可在确保近眼显示的成像清晰度的同时改善成像的亮度。
67.第二，使用小孔 微透镜组合，与仅使用小孔相比，可提高成像的清晰度，并可改善针对不同视力水平的适应性。图2(a)示出了使用小孔 微透镜组合针对正常视力的人在近眼显示下的成像过程，其中小孔h和微透镜m相邻设置，且微透镜m设置在距离物点o等于其1倍焦距(＝f)处。如图2(a)所示，物点o发出的图像光经小孔h遮挡后入射到微透镜m上，此时由于物点o位于微透镜m的1倍焦距处，因而其经调制形成平行光束，对于正常视力的人而言，该平行光束经瞳孔折射后汇聚到视网膜上的一点，由此形成清晰的像。图2(b)示出了使用小孔 微透镜组合针对近视的人在近眼显示下的成像过程，其中小孔h和微透镜m相邻设置，且微透镜m设置在距离物点o小于其1倍焦距(《f)处。对于近视的人而言，来自外界的平行光束通常经瞳孔折射后汇聚于视网膜前方，并在穿过汇聚点后继续发散入射到视网膜上，由此在视网膜上形成光圈。在此情况下，如图2(b)所示，可减小微透镜m与物点o的距离，使得物点o位于微透镜m的1倍焦距以内，因而其发出的图像光经小孔h遮挡后，经微透镜m调
制形成相对于平行光束呈一定程度发散的光束。此时，该光束经瞳孔折射后形成的汇聚点相较于以平行光束入射向后方移动，由此在设置合适的情况下，可使汇聚点移动至视网膜上，从而形成清晰的像。图2(c)示出了使用小孔 微透镜组合针对远视的人在近眼显示下的成像过程，其中小孔h和微透镜m相邻设置，且微透镜m设置在距离物点o大于其1倍焦距(》f)处。对于远视的人而言，来自外界的平行光束通常经瞳孔折射后汇聚于视网膜后方，并在实际形成汇聚点前即已入射到视网膜上，由此在视网膜上形成光圈。在此情况下，如图2(c)所示，可增大微透镜m与物点o的距离，使得物点o位于微透镜m的1倍焦距以外，因而其发出的图像光经小孔h遮挡后，经微透镜m调制形成相对于平行光束呈一定程度汇聚的光束。此时，该光束经瞳孔折射后形成的汇聚点相较于以平行光束入射向前方移动，由此在设置合适的情况下，可使汇聚点移动至视网膜上，从而形成清晰的像。由此，根据本技术使用小孔 微透镜组合，可通过结构调整使得不同视力水平的人在近眼显示下均能够看到清晰的成像。
68.此外，使用小孔 微透镜组合，与使用常规透镜相比，可实现对光学模组的结构优化。通常，透镜的焦距与口径有关，即透镜的口径越大则焦距越大。在小孔 微透镜组合的情况下，首先通过小孔进行遮挡，使得图像源发出的图像光的光束尺寸大幅度降低；此时，即可选择使用微透镜对图像光进行调制，而无需使用常规透镜。由于微透镜的口径和焦距远小于常规透镜，因而允许将图像源设置得更近，从而可在很大程度上减小光学模组的尺寸(例如厚度)。由此，根据本技术使用小孔 微透镜组合，可有效改进光学模组的结构，从而有利于改善相关产品的外观、重量以及使用体验等。
69.最后，通过单个的小孔 微透镜组合所能够观看的物体尺寸仍然是相对有限的。当目标物体(例如图像源)的尺寸较大时，根据本技术，可将其拆解为多个部分，同时使用设置有多个小孔和多个微透镜的阵列结构，通过每个小孔 微透镜组合对目标物体的相应部分进行成像，并将这些成像重新组合为与目标物体对应的完整图像。本技术即基于上述发明构思作出。
70.本技术中，除非特别说明，表述“多个”通常意指为两个以上，即数量≥2。
71.本技术中，出于方便描述和理解考虑，采用如各附图所示的简化等效模型替代人眼的实际结构，其中将人眼的折光系统简化为一个整体单透镜，并将该整体单透镜的口径设置为等于人眼的瞳孔直径，使得瞳孔可理解为被整合至所述整体单透镜中而无需刻意区分。在此情况下，在本技术的上下文中，有时会以“瞳孔”代表上述整体单透镜或其中的相关部件以简化表述。例如，将光线经角膜和/或晶状体折射表述为“经瞳孔折射”，以及将所述整体单透镜的光心表述为“瞳孔中心”等，本领域技术人员对此应根据具体情况合适地理解。
72.本技术的第一方面涉及一种光学成像阵列系统。所述光学成像阵列系统的三维结构如图3所示。
73.参见图3，光学成像阵列系统as包括微显示器阵列11、小孔阵列12和微透镜阵列13，其中小孔阵列12和微透镜阵列13相邻设置，且位于微显示器阵列11沿图像光传播方向的下游。
74.微显示器阵列11包括多个微显示器110，其中微显示器110排布形成阵列。小孔阵列12包括多个小孔120，其中小孔120的数量与微显示器110相同，并按照与微显示器110相同的方式排布形成阵列。微透镜阵列13包括多个微透镜130，其中微透镜130的数量与微显
示器110相同，并且按照与微显示器110相同的方式排布形成阵列。微显示器110、小孔120和微透镜130一一对应，即每个微显示器110及其对应的小孔120和微透镜130形成一个光通道。
75.微显示器阵列11整体上显示图像源s，其中每个微显示器110显示图像源s经拆解后的一部分，即子图像源si。微显示器110发出的显示子图像源si的图像光经对应的小孔120遮挡及微透镜130调制后入射到瞳孔，并在视网膜的预定区域处形成子图像fi。所有子图像源si各自形成的子图像fi组成图像f，与图像源s对应。
76.根据本技术，对于微显示器阵列11中微显示器110的类型没有特别限制。例如，微显示器110可为自身发光的led、oled或mled等。或者，微显示器110可为自身不发光的dmd、lcos或lcd等，在此情况下，需要配备用于外部照明的光源，包括但不限于例如激光光源、led光源或oled光源等。
77.根据本技术，对于小孔阵列12的实现方式没有特别限制，只要其能够合适地提供小孔120即可。在此基础上，可进一步通过优化设计来控制小孔120的尺寸和具体位置分布。在本技术的一个实施方案中，小孔阵列12以包括多个小孔120的光阑的形式实现。在本技术的一个实施方案中，小孔阵列12采用平面形式，其中所有小孔120均处于同一高度。
78.根据本技术，对于小孔阵列12和微透镜阵列13的设置顺序没有特别限制，只要使两者相邻设置即可。在本技术的一个实施方案中，沿图像光传播方向依次设置微显示器阵列11、小孔阵列12和微透镜阵列13。在本技术的另一个实施方案中，沿图像光传播方向依次设置微显示器阵列11、微透镜阵列13和小孔阵列12。下文中，将仅以图像光依次通过小孔阵列12和微透镜阵列13的情况进行描述。
79.根据本技术，对于使小孔阵列12和微透镜阵列13相邻设置的方式没有特别限制，只要能够将两者固定在对应位置处即可。在此基础上，可进一步通过优化设计来设置两者的具体位置，从而实现清晰的成像。作为一种具体实施方式，如图4(a)所示，可将微透镜130贴附(例如粘贴)在对应小孔120的边缘处。作为一种替换的实施方式，如图4(b)所示，可将微透镜130置于相应形状的透明腔体(例如塑料壳)中，并将所述腔体整体置于小孔阵列12的相邻处。或者，如图4(c)所示，还可将微透镜130从沿图像光传播方向的上游或下游嵌入对应的小孔120中。
80.根据本技术，当改变小孔阵列12和微透镜阵列13中之一者与微显示器阵列11的相对位置时，另一者应被理解为自然地随前者改变位置，后文中对此不再特别说明。
81.在本技术的一个实施方案中，微显示器阵列11位于微透镜阵列13的焦平面处或焦平面附近，使得微显示器110发出的图像光经其对应的微透镜130调制后，形成平行或近似平行的光束。
82.在本技术的另一个实施方案中，微显示器阵列11位于微透镜阵列13的焦平面以内，使得微显示器110发出的图像光经其对应的微透镜130调制后，形成相对于平行光束呈一定程度发散的光束。
83.在本技术的又一个实施方案中，微显示器阵列11位于微透镜阵列13的焦平面以外，使得微显示器110发出的图像光经其对应的微透镜130调制后，形成相对于平行光束呈一定程度汇聚的光束。
84.在本技术的一个实施方案中，如图3所示，各微显示器110之间通过一定的间隔区
域相互隔开，其中所述间隔区域例如为非透光区域。
85.图5示出了根据本技术一个实施方案的微显示器阵列11的正面结构，其中包括9个微显示器110，并按照3
×
3矩形排布。本领域技术人员应当理解，图5所示排布方式仅为举例。根据本技术，微显示器阵列11中的微显示器110可采用各种常见的排布方式，包括一维阵列排布的方式(例如全部微显示器110排布成一行)，也可以是二维阵列排布的方式；另外，该阵列可为规则排布的阵列(如图3和图5中所示地)，也可为非规则排布的阵列，本领域技术人员可根据实际的场景和需求来自由设定而无需付出创造性劳动。本技术中，可选地采用矩形排布的方式，并且在按照a
×
b矩形排布(其中a和b分别为沿图3中y轴和x轴方向的微显示器的数量)的情况下，a和b可相同或不同。当微显示器110按照a
×
b矩形排布时，将图像源s相应拆解为a
×
b个区域(即子图像源si)，其中每个区域作为图像源s的一部分，由a
×
b个微显示器110中的一个显示。在设置合适的情况下，可使每个微显示器110显示的子图像源si在视网膜的预定位置处形成对应的子图像fi，并且这些子图像fi组成与图像源s对应的完整图像f。
86.图6示出了根据本技术一个实施方案的图像源拆解和组合成像的过程，其中图6(a)示出了图像源s拆解成的9个子图像源s1～s9；图6(b)示出了通过本技术的光学成像阵列系统在视网膜上所形成的图像f，其实际上由f1～f9的9个子图像组成(图中虚线仅为出于示意性目的绘制)。
87.发明人发现，与常规的矩形视场相比，圆形视场更符合人眼视野的自然状态，因此可改善应用的舒适性。为了提供圆形的视场，本技术的发明人构思出，可以将微显示器阵列、小孔阵列以及微透镜阵列均构造成多圈的环形的形式。以微显示器阵列为例，在阵列的中央具有圆形的微显示器，在该圆形的微显示器的外围上，设置一组或多组环形排布的微显示器。小孔阵列和微透镜阵列均与所述微显示器阵列相对应，即小孔阵列包括位于中央的小孔和至少一组环形排布的多个小孔，所述小孔的数量与所述微显示器相同；微透镜阵列包括位于中央的微透镜和至少一组环形排布的多个微透镜，所述微透镜的数量与所述微显示器相同。微显示器、小孔和微透镜一一对应，形成相应的光通道，在每个光通道中，所述微显示器发出的图像光经所述小孔遮挡及所述微透镜调制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处成像，并由此整体形成圆形的视场，从而更加符合人眼视野的自然状态。所述光通道之间优选设置有实体边界以减轻串扰。
88.图7-图10示出了根据本发明另一个实施例的圆形视场的光学成像阵列系统as'，下面参考附图详细描述。
89.光学成像阵列系统as'具有与图3-图6所示的光学成像阵列系统as基本相同的体系架构，包括微显示器阵列11'、小孔阵列12'和微透镜阵列13'。微显示器阵列11'包括多个微显示器，用于发出图像光。小孔阵列12'和微透镜阵列13'沿图像光传播方向位于微显示器阵列11'的光路下游，二者相邻设置。其中与微显示器阵列11'相对应地，小孔阵列12'包括多个小孔，所述小孔的数量与所述微显示器相同；与微显示器阵列11'相对应地，微透镜阵列13'包括多个微透镜，所述微透镜的数量与所述微显示器相同。所述微显示器、小孔和微透镜一一对应，形成相应的光通道，其中在每个光通道中，所述微显示器发出的图像光经所述小孔遮挡及所述微透镜调制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处成像，并且整体形成圆形的视场。下面重点详细描述光学成像阵列系统as'与光学成像阵列系统as之间的区
别之处，二者相同之处将省略描述。
90.图7示出了根据本发明一个实施例的光学成像阵列系统as'的微显示器阵列11'。如图所示，微显示器阵列11'包括成多圈排布的多个微显示器，例如包括图中圆形的微显示器11'-0以及位于圆形的微显示器11'-0外围的至少一组环形排布的微显示器。图中示出了两组环形排布的微显示器，其中第一组为11'-1，第二组为11'-2，圆形的微显示器11'-0也可称为第零组微显示器。每个微显示器可单独地控制以发出图像光。
91.另外，如图所示，根据本发明的一个实施例，第一组环形排布的微显示器11'-1例如由紧邻圆形的微显示器11'-0的内侧圆环fr1平均等分成6份并沿径向方向向外移动而得到，第二组环形排布的微显示器11'-2则由圆环fr2平均等分成12份并沿径向方向向外移动而得到。另外本领域技术人员容易理解，上述第一组环形排布的微显示器11'-1和第二组环形排布的微显示器11'-2中的微显示器数目可以根据具体需求来决定，不限于上述具体数目。优选地，内侧圆环fr1的内部直径等于圆形的微显示器11'-0的直径，而内侧圆环fr1的外部直径等于圆环fr2的内部直径，以此类推。
92.根据本发明，微显示器阵列11'中的多个微显示器各自显示图像源经拆解后的多个子图像源。待显示的图像源可以为圆形的图像或圆形视场的视频流。以圆形的图像为例，按照微显示器阵列11'中所包含的微显示器的组数进行拆解。在图7所示的实施例中，微显示器阵列11'中包含三组微显示器(第零组11'-0、第一组11'-1和第二组11'-2)，因此可以将图像源拆解成三部分。此处，可以按照三组微显示器的径向尺寸比例进行拆解，例如图7所示地按照第零组微显示器11'-0的半径、第一组微显示器11'-1的径向厚度和第二组微显示器11'-2的径向厚度之间的比例拆解图像源。根据本发明的一个优选实施例，第零组微显示器11'-0的半径、第一组微显示器11'-1的径向厚度和第二组微显示器11'-2的径向厚度是相等的。
93.根据本发明的一个优选实施例，在每一组环形排布的微显示器中，多个微显示器具有相同的扇环形形状，并且多个扇环形形状的圆心分布在与所述圆形的微显示器共圆心的一个圆上。如图7所示，第一组环形排布的微显示器11'-1是由内侧圆环fr1进行等分后沿径向向外移动而构成的，因此每个微显示器具有相同的扇环形形状，且扇环形的圆心位于与圆形的微显示器11'-0共圆心的一个圆上。具体来说，该圆的半径等于内侧圆环fr1进行分割后沿径向向外移动以形成第一组环形排布的微显示器11'-1的距离。根据一个实施例，第一组环形排布的微显示器11'-1的圆心位于第零组圆形的微显示器11'-0边缘处的圆上。对于第二组环形排布的微显示器11'-2，多个扇环形形状的微显示器的圆心也位于与圆形的微显示器11'-0共圆心的一个圆上。具体来说，该圆的半径等于圆环fr2进行分割后沿径向向外移动以形成第二组环形排布的微显示器11'-2的距离。
94.根据本发明的一个优选实施例，在每一组环形排布的微透镜中，多个微透镜的光心分布在以所述位于中央的微透镜的光心为圆心的一个圆上。如图8所示，第一组环形排布的微透镜13'-1的光心位于圆cc1上，圆cc1以位于中央的微透镜13'-0的光心为圆心；第二组环形排布的微透镜13'-2的光心位于圆cc2上，圆cc2以位于中央的微透镜13'-0的光心为圆心。
95.根据本发明的一个优选实施例，对于其中一组环形排布的微显示器、以及与其相对应的一组环形排布的微透镜，扇环形形状的微显示器的圆心与对应的微透镜的光心重合
(沿光轴方向重合)。以图7和图8为例，图7中的第一组微显示器11'-1中的任一个微显示器与图8中的第一组微透镜13'-1中的一个微透镜对应，并且该扇环形微显示器的圆心与对应的微透镜的光心重合。对于第二组微显示器11'-2以及第二组微透镜13'-2，其具有同样的圆心-光心重合关系，此处不再赘述。
96.图7中示出了微显示器阵列11'包括圆形的微显示器11'-0和位于其外围的两组环形排布的微显示器11'-1和11'-2，然而本发明不限于此，所述微显示器阵列可包括更少或更多组的环形排布的微显示器。例如，微显示器阵列11'可以仅包括圆形的微显示器和位于其外围的一组环形排布的微显示器，微透镜阵列13'可以仅包括位于中央的微透镜和外围的一组环形排布的微透镜。或者，也可采用大于两组的环形排布的微显示器和微透镜。例如，在图10所示的实施例中，微显示器阵列包括三组环形排布的微显示器，微透镜阵列包括三组环形排布的微透镜，其结构和原理与前述是相通的，此处不再赘述。根据本发明的一个优选实施例，所述微显示器阵列包括2～5组环形排布的微显示器。
97.图8示出了根据上述实施例的微透镜阵列13'。如图8所示，微透镜阵列13'包括成多圈排布的多个微透镜，分别对应于图7中的多个微显示器。具体地，微透镜阵列13'包括位于中央的微透镜13'-0，以及位于中央的微透镜13'-0外围的至少一组环形排布的微透镜。图中示出了两组环形排布的微透镜，其中第一组为13'-1(数目为6个)，其光心平均分布在圆cc1上，且圆cc1的圆心与位于中央的微透镜13'-0的光心重合；而第二组为13'-2(数目为12个)，其光心平均分布在圆cc2上，且圆cc2的圆心与位于中央的微透镜13'-0的光心重合。另外，位于中央的微透镜13'-0也可称为第零组微透镜。
98.根据本发明的一个优选实施例，每一组环形排布的微显示器的数量为6n，其中n为从所述圆形微显示器开始计数的该组环形排布的微显示器的序号，n为整数且n≥1。例如对于第一组微显示器11'-1，其序号为1，因此包括6个微显示器；对于第二组微显示器11'-2，其序号为2，因此包括12个微显示器。对于包括更多圈微显示器的情形也是一样，以此类推。另外，与微显示器的数量相对应地，微透镜阵列13'中每组环形排布的微透镜的数量同样为6n。
99.根据本发明的一个优选实施例，所述微透镜为圆形微透镜，在每一组环形排布的微透镜中，相邻微透镜相切或者相互间隔开。在图8所示实施例中，位于中央的微透镜13'-0与第一组微透镜13'-1中的6个微透镜均是相切的，并且这6个微透镜之间也是彼此相切的，但本发明并不限于此。例如，当将内侧圆cc1设置得更大时，第一组微透镜13'-1中的6个微透镜的光心仍平均分布于圆cc1上，然而此时这6个微透镜之间彼此不再相切，而是隔开一定距离；并且这6个微透镜与位于中央的微透镜13'-0也不再相切，而是隔开一定距离。第二组微透镜13'-2中的12个微透镜与上述情况类似，此处不再赘述。
100.小孔阵列12'可如图4所示相同地和微透镜阵列13'相邻设置，其中与微显示器阵列11'相对应地，小孔阵列12'包括位于中央的小孔和至少一组环形排布的多个小孔，所述小孔的数量与微显示器相同，例如同样为6n。与前述类似地，小孔阵列12'可沿图像光传播方向位于微透镜阵列13'的上游或下游。与前述类似地，微显示器阵列11'可位于微透镜阵列13'的焦平面处或焦平面附近，使得微显示器发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后，形成平行或近似平行的光束；或者，微显示器阵列11'可位于微透镜阵列13'的焦平面以内，使得微显示器发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后，形成相对于平行
光束呈发散的光束；或者，微显示器阵列11'可位于微透镜阵列13'的焦平面以外，使得微显示器发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后，形成相对于平行光束呈汇聚的光束。
101.以下详细描述根据本发明的光学成像阵列系统as'的工作方式。
102.在本发明的光学成像阵列系统as'中，微显示器、小孔和微透镜一一对应，形成相应的光通道，其中在每个光通道中，所述微显示器发出的图像光经所述小孔遮挡及所述微透镜调制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处成像，并且整体形成圆形的视场。根据一个实施例，微显示器阵列11'中的多个微显示器各自显示图像源经拆解后的多个子图像源，其中每个微显示器发出的显示对应子图像源的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处形成子图像，所述子图像组成与所述图像源对应的图像。
103.图9示出了根据上述实施例在视网膜上形成的完整图像，其中：中心的圆形区域对应于图7中的圆形的微显示器11'-0经小孔阵列以及图8中的位于中央的微透镜13'-0在视网膜上所成的像；内侧的环形区域对应于图7中的第一组微显示器11'-1经小孔阵列以及图8中的第一组微透镜13'-1在视网膜上所成的像；外侧的环形区域对应于图7中的第二组微显示器11'-2经小孔阵列以及图8中的第二组微透镜13'-2在视网膜上所成的像。本领域技术人员应当理解，根据需要，还可以增加更多的环形显示区域，并且各个环形显示区域之间的比例可以根据需要进行调整。
104.另外，在图7中，第一组环形排布的微显示器11'-1由内侧圆环fr1平均等分成6份并沿径向方向向外移动而得到，即其中每个微显示器所对应的角度为60度；第二组环形排布的微显示器11'-2由圆环fr2平均等分成12份并沿径向方向向外移动而得到，即其中每个微显示器所对应的角度为30度。但本发明并不限于此。例如，在同一组环形排布的微显示器中，相邻微显示器的所对应的角度也可以具有一定的重叠。以第一组环形排布的微显示器11'-1为例，其中六个扇环形微显示器中的每一个所对应的角度可例如为70度。这些都在本发明的保护范围内。后文中，将对此进行更详细的描述。
105.根据本技术，微显示器阵列及其包括的微显示器可以多种方式实现。下面以微显示器阵列11为例进行说明。本领域技术人员容易理解，以下内容同样适用于图7-10的实施例(例如微显示器阵列11')。在本技术的一个实施方案中，微显示器阵列11通过将多个独立的微显示器110设置在基底上而得到。在由图像源s拆解的各子图像源si的数量、位置和尺寸均唯一的情况下，可简单地将同样数量、位置和尺寸的微显示器110固定在基底上。然而在更多情况下，为了适用不同的图像源拆解方式(子图像源si的数量、位置和/或尺寸发生变化)，需增大微显示器阵列11中可用于显示的区域，使得其中各微显示器110的尺寸不小于待显示的子图像源si的最大尺寸，且各微显示器110的间距不大于待显示的子图像源si的最小间距。就此而言，在本技术的一个优选实施方案中，微显示器阵列11通过指定整体覆盖有像素点的微显示装置中的部分区域工作而其他区域不工作的方式实现，其中，微显示器阵列11根据接收到的指令控制其特定区域中的像素点发光而其他区域中的像素点不发光，此处发光的区域即相当于所述微显示器，不发光的区域即相当于所述间隔区域。
106.因此，本技术中对于微显示器诸如数量、位置和尺寸等参数的描述，通常也可理解为对于该微显示器所对应的子图像源的相应参数的描述。下文中，除非特别说明，对于有关“微显示器”和“子图像源”的描述不作单独区分，例如术语“微显示器尺寸”与“子图像源尺
寸”、“微显示器间距”与“子图像源间距”以及“微显示器的数量”与“子图像源的数量”等均可互换使用，本领域技术人员对此应当灵活地理解。
107.以下将描述本技术的光学成像阵列系统在视网膜上成像的光学过程。本领域技术人员能够理解，在图3所示的z-y坐标系和z-x坐标系下的光学成像过程是相同或相似的。下文中，出于表述方便，将仅在二维平面(z-y坐标系)下进行描述和限定。在此情况下，有时可能会出于简明的目的而省略诸如“沿z轴方向”和“沿y轴方向”等表述，本领域技术人员对此应当灵活地理解。
108.另外，由于本技术的光学成像阵列系统在图3所示的z-y坐标系和z-x坐标系下的光学成像原理是相通的，因此在不引入坐标系的描述下，也可将图3中的y轴方向和x轴方向中的任一个非特指地表述为“第一方向”，此时两者中的另一个自然表述为“第二方向”，本领域技术人员对此应当合适地理解。
109.图11示出了根据本技术一个实施方案的光学成像阵列系统由图像源形成图像的光路过程。如图11中所示，光学成像阵列系统as包括沿图像光传播方向依次设置的微显示器阵列11、小孔阵列12和微透镜阵列13，其中微显示器阵列11包括微显示器111、112和113，分别显示子图像源s1、s2和s3，小孔阵列12包括小孔121、122和123，微透镜阵列13包括微透镜131、132和133，所述微显示器、小孔和微透镜一一对应。以微显示器111为例，其中一个像素点首先发出光束l1；光束l1在穿过小孔121的过程中经其遮挡形成光束尺寸减小的光束l2；光束l2随后入射到微透镜131上，经其调制形成平行或近似平行的光束l3；光束l3其后入射到瞳孔，经瞳孔折射在视网膜上的k1区域形成相应的像点。如此，微显示器111中的全部像素点在视网膜上k1区域共同形成子图像f1。与上述过程类似地，显示子图像源s2的微显示器112发出的图像光经小孔122遮挡及微透镜132调制，在视网膜上的k2区域形成子图像f2；显示子图像源s3的微显示器113发出的图像光经小孔123遮挡及微透镜133调制，在视网膜上的k3区域形成子图像f3。
110.基于相同的原理，在z-x坐标系下的成像过程与上述在z-y坐标系下类似。由此，本技术的光学成像阵列系统能够实现沿y轴方向和x轴方向对图像源进行拆解并在视网膜上重新组合成像的光学过程。
111.此处需说明的是，图11所示实施方案示出的是微显示器阵列11位于微透镜阵列13的焦平面处或焦平面附近，从而适用例如正常视力的人的情况。然而本技术并不局限于此。根据本技术，光学成像阵列系统as也可设置为，其中微显示器阵列11位于微透镜阵列13的焦平面以内/以外，使得图11中光束l2经微透镜131调制后形成相对于平行光束呈一定程度发散/汇聚的光束，从而适用于例如近视/远视的人。这些实施方案均在本技术的范围内，其与图11所示的实施方案在原理上是相通的。下文中，将同样出于表述简明的目的而仅就适用正常视力的人的情况进行描述，对于适用其他视力水平的人的实施方案，可如上所述地通过改变微显示器阵列与微透镜阵列的间距以及调制光束的发散/汇聚程度而相应得到。
112.本领域技术人员应当理解，在上述光学成像过程中，为了能够显示与图像源完全对应的图像，在视网膜上形成的各个子图像的边界需要合适地彼此对接。如果子图像的间距过小，则可能观看到重叠图像区域；如果子图像的间距过大，则可能观看到无图像区域。为此，需要对本技术的光学成像阵列系统的结构和参数进行合理设置。
113.从视场角(fov)的角度而言，眼球能够观看到清晰、完整的图像，可理解为在以瞳
孔为顶点的视场角范围内，由图像源发出的光线形成入射角度的连续分布。本技术中，将图像源拆解为多个子图像源，其中每个子图像源发出的光线通过对应的小孔和微透镜入射到瞳孔，构成瞳孔接收的整个入射角度的一部分。即，根据本技术，由图像源拆解的每个子图像源在以瞳孔为顶点的视场角范围内形成一个角度分量，这些角度分量的总和构成整个视场角。在此情况下，同样要求所有子图像源发出的图像光在以瞳孔为顶点的视场角范围内形成入射角度的连续分布。
114.具体而言，在以瞳孔为顶点的视场角范围内，相邻的角度分量之间应恰好对接，既不能有空白角度分量(导致子图像间距过大而观看到无图像区域)，也不能有重叠角度分量(导致子图像间距过小而观看到重影区域)。因此，为了能够观看到与图像源完全对应的图像，应使得构成视场角的每个角度分量的边界光线与相邻角度分量的边界光线重合。
115.图12示出了根据本技术一个实施方案的光学成像阵列系统在视网膜上成像的视场角角度分解。如图12所示，光学成像阵列系统as包括沿图像光传播方向依次设置的微显示器阵列11、小孔阵列12和微透镜阵列13，其中小孔阵列12和微透镜阵列13相邻设置。微显示器阵列11包括微显示器111、112和113，小孔阵列12包括小孔121、122和123，微透镜阵列13包括微透镜131、132和133，所述微显示器、小孔和微透镜一一对应。图像源s拆解为3个子图像源s1、s2和s3，分别在微显示器111、112和113中显示。
116.参见图12，微显示器111发出的图像光经小孔121遮挡及微透镜131调制后入射到瞳孔，其边界光线分别为l
11
和l
12
。由边界光线l
11
和l
12
限定的图像光的主方向与眼轴ao的夹角为α1，且边界光线l
11
和l
12
与眼轴ao的夹角分别为和
117.此处及下文中，术语“眼轴”可一般性地理解为人眼观看物体时的视线的主方向或中心方向。
118.图12中还以虚线绘制光线l
11
'，其为通过瞳孔中心(相当于单透镜光心)且与光线l
11
平行的光线。l
11
'通过瞳孔中心后沿图像光传播方向的延长线与视网膜的交点为a1，此时由于l
11
和l
11
'为平行光线，两者通过瞳孔后将汇聚于一点，即a1点。类似地，以虚线绘制的光线l
12
'通过瞳孔中心且与光线l
12
平行，其在通过瞳孔中心后沿图像光传播方向的延长线与视网膜的交点为a2，从而光线l
12
通过瞳孔后汇聚于a2点。
119.由此，微显示器111发出的由边界光线l
11
和l
12
限定的图像光在成像上，可等效于由边界光线l
11
'和l
12
'所限定的光束，该等效光束的顶点为瞳孔中心，且在以瞳孔为顶点的视场角范围内的角度分量为至并且，微显示器111发出的由边界光线l
11
和l
12
限定的图像光在视网膜上的入射区域为a1点与a2点之间，其在该区域内形成子图像f1，与子图像源s1对应。
120.与上述类似地，微显示器112发出的图像光经小孔122遮挡及微透镜132调制后入射到瞳孔，其边界光线分别为l
21
和l
22
。由边界光线l
21
和l
22
限定的图像光的主方向与眼轴ao的夹角为α0，且边界光线l
21
和l
22
与眼轴ao的夹角分别为和以虚线绘制的光线l
21
'和l
22
'通过瞳孔中心且分别与光线l
21
和l
22
平行，其通过瞳孔中心后沿图像光传播方向的延长线与视网膜的交点分别为b1和b2，从而光线l
21
和l
22
通过瞳孔后分别汇聚于b1点和b2点。由此，微显示器112发出的由边界光线l
21
和l
22
限定的图像光在成像上，可等效于由边界光线l
21
'和l
22
'所限定的光束，该等效光束的顶点为瞳孔中心，且在以瞳孔为顶点的视
场角范围内的角度分量为至并且，微显示器112发出的由边界光线l
21
和l
22
限定的图像光在视网膜上的入射区域为b1点与b2点之间，其在该区域内形成子图像f2，与子图像源s2对应。
121.与上述类似地，微显示器113发出的图像光经小孔123遮挡及微透镜133调制后入射到瞳孔，其边界光线分别为l
31
和l
32
。由边界光线l
31
和l
32
限定的图像光的主方向与眼轴ao的夹角为α-1
，且边界光线l
31
和l
32
与眼轴ao的夹角分别为和以虚线绘制光线l
31
'和l
32
'通过瞳孔中心且分别与光线l
31
和l
32
平行，其通过瞳孔中心后沿图像光传播方向的延长线与视网膜的交点分别为c1和c2，从而光线l
31
和l
32
通过瞳孔后分别汇聚于c1点和c2点。由此，微显示器113发出的由边界光线l
31
和l
32
限定的图像光在成像上，可等效于由边界光线l
31
'和l
32
'所限定的光束，该等效光束的顶点为瞳孔中心，且在以瞳孔为顶点的视场角范围内角度分量为至并且，微显示器113发出的由边界光线l
31
和l
32
限定的图像光在视网膜上的入射区域为c1点与c2点之间，其在该区域内形成子图像f3，与子图像源s3对应。
122.由图12可见，等效光线l
11
'、l
12
'、l
21
'、l
22
'、l
31
'和l
32
'均通过瞳孔中心，且共同构成以瞳孔为顶点的视场角范围。显然，为使由图像源拆解的所有子图像源发出的图像光在以瞳孔为顶点的视场角范围内形成入射角度的连续分布，其中相邻的角度分量之间恰好对接，应通过调整使得等效光线l
12
'与l
21
'重合以及等效光线l
22
'与l
31
'重合，从而使得视网膜上a2点与b1点重合以及b2点与c1点重合。在此情况下，微显示器111、微显示器112和微显示器113发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后形成的入射光束，等效于以瞳孔为顶点且以等效光线l
11
'和l
32
'为边界的入射角度连续分布的入射光束；并且其在视网膜上的a1点与c2点之间的区域内形成由子图像f1、f2和f3共同组成的图像，该图像与图像源中的子图像源s1、s2和s3对应，且不含无图像区域或重影区域。
123.在图12所示的实施方案中，本技术的光学成像阵列系统包括3个微显示器以及对应的小孔和微透镜，并且具有对称结构。然而本领域技术人员应当理解，上述结构仅是出于方便描述考虑示出的简化情况。在该结构的基础上，微显示器(以及对应的小孔和微透镜)的数量不限于3个，也可包括更多或更少数量的微显示器(以及对应的小孔和微透镜)。并且，本技术的光学成像阵列系统在结构上并非必须对称，例如其中各个微显示器和小孔的尺寸和间距可以相同或不同。当然，从诸如结构规整性以及加工效率等方面考虑，将各个微显示器和小孔的尺寸和间距设置成相同可能是优选的。尽管如此，那些基于上述基本结构的简单变形和局部调整均在本技术的范围内。
124.通过以上关于图像源拆解及组合成像的描述，本领域技术人员能够理解，为了实现预期的光路，即使得由图像源拆解的所有子图像源发出的图像光在以瞳孔为顶点的视场角范围内形成入射角度的连续分布，需要对本技术的光学成像阵列系统的结构和参数进行合理设置。
125.图13示出了根据本技术一个实施方案的光学成像阵列系统的结构参数。如图13所示，光学成像阵列系统as包括沿图像光传播方向依次设置的微显示器阵列11、小孔阵列12和微透镜阵列13，其中微显示器阵列11包括微显示器111、112和113，小孔阵列12包括小孔121、122和123，微透镜阵列13包括微透镜131、132和133，所述微显示器、小孔和微透镜一一
对应，各自形成光通道。
126.图13中标示的结构参数的含义说明如下：d1表示微显示器沿y轴方向的长度(以下简称微显示器尺寸)；p1表示相邻微显示器的中点沿y轴方向的距离(以下简称微显示器间距)；p0表示相邻小孔的中点沿y轴方向的距离(以下简称小孔间距)；l
da
表示微显示器阵列与小孔阵列(微显示器与小孔)沿z轴方向的距离(以下简称微显示器-小孔间距)；l0表示小孔阵列与瞳孔中心沿z轴方向的距离(以下简称小孔-瞳孔间距)；de表示瞳孔直径；dc表示瞳孔中心与另一瞳孔中心沿y轴方向的距离(以下简称串扰安全距离)。
127.将沿y轴方向的微显示器(以及对应的小孔和微透镜)的数量定义为n。此处，由于本技术中微显示器、小孔和微透镜一一对应，其数量相等，因此关于术语“微显示器(以及对应的小孔和微透镜)的数量n”，有时会出于简明的目的而将其表述为“微显示器的数量n”、“小孔的数量n”、“微透镜的数量n”等，其具有相同或等同的含义。
128.并且，如前所述，本技术中对于有关“微显示器”和“子图像源”的描述不作特别区分。因此，d1也可理解为子图像源沿y轴方向的长度(简称子图像源尺寸)；p1也可理解为相邻子图像源的中点沿y轴方向的距离(简称子图像源间距)；n也可理解为沿y轴方向的子图像源的数量。
129.此外，如前所述，本技术中，使小孔阵列和微透镜阵列相邻设置且无顺序限制，并且当两者之一的位置改变时另一者自然地随前者改变位置。因此，本技术中对于微显示器阵列与小孔阵列/微透镜阵列的间距亦不作特别区分，l
da
也可理解为微显示器阵列与微透镜阵列(微显示器与微透镜)沿z轴方向的距离(简称微显示器-微透镜间距)。
130.首先，在本技术的光学成像阵列系统的结构和参数设置中，应考虑防止发生诸如串扰等不期望的光路问题。参见图13，以微显示器112为例来说明。根据本技术，微显示器112与小孔122和微透镜132形成光通道，其显示的子图像源的图像光经小孔122遮挡及微透镜132调制后入射到瞳孔，并在视网膜上形成子图像。实际情况下，由于微显示器112发出的图像光为发散光，其不仅入射通过小孔122和微透镜132，还可能入射通过其他小孔和微透镜，例如图13中所示地与小孔123和微透镜133形成非期望的光通道。当同一微显示器发出的图像光经由多个小孔和微透镜形成多条入射光束，并且这些光束同时入射到同一瞳孔时，即出现导致图像重叠的串扰现象。为防止发生该问题，应确保由微显示器112发出的图像光中，仅通过小孔122和微透镜132形成的光束能够入射到瞳孔，而通过其他小孔和微透镜形成的光束不能入射到瞳孔。
131.关于小孔-瞳孔间距l0，本技术对于l0的数值范围没有特别限制。然而，当将本技术的光学成像阵列系统应用于例如近眼显示领域时，过大的l0并不具有实际意义。出于实用性考虑，在本技术的一个实施方案中，l0在5～30mm的范围内，优选在10～20mm的范围内。
132.关于瞳孔直径de，本技术对于de的数值范围没有特别限制。宽泛而言，人的瞳孔直径de可在2～5mm的范围内。在本技术的一个实施方案中，作为相对普遍的情况，de为约3mm。
133.关于微显示器-小孔间距l
da
，理论上，其变化总可以通过对其他参数(例如微显示器尺寸d1和微显示器间距p1)的相应调节来进行平衡。例如当l
da
增大或减小时，可通过相应增大或减小d1和p1来保持成像。然而，一方面，l
da
作为直接影响光学模组厚度的参数应越小越好，那么d1也需相应设置得尽可能小，但受显示器单像素尺寸(r0)限制，当d1减小时子图像源的分辨率亦随之降低，从而导致成像的质量下降；另一方面，如果l
da
设置得过大，则光
学模组厚度相应增加，从而导致产品的尺寸过大。鉴于此，出于实用性考虑，在本技术的一个实施方案中，l
da
在0.5～30mm的范围内，优选在1.4～13mm的范围内。
134.关于微显示器尺寸d1，其应设置在合理的数值范围内。在其他条件给定的情况下，如果d1过大，则微显示器发出的图像光经对应的小孔遮挡及微透镜调制后形成的入射光束无法被瞳孔全部接收，或由于过度增加微显示器-小孔间距l
da
而导致光学模组的整体厚度过大；而如果d1过小，则如前所述地会因子图像源的分辨率降低而导致成像的质量下降。进一步地，根据图13所示的基本几何关系，可得到如下关系式：
[0135][0136]
式(1)中，de和l0本身具有相对确定的数值范围，同时结合上文中对l
da
的限定，则可相应限定d1的数值范围。在本技术一个实施方案中，d1在0.5～5mm的范围内，优选在1～3mm的范围内。
[0137]
在本技术的光学成像阵列系统中，如前所述，微显示器阵列包括的微显示器的总数量≥2。在此前提下，所述微显示器阵列沿图3中的y轴方向和x轴方向中的任一个方向所包括的微显示器数量至少为1，即微显示器的数量n的数值范围的下限为1。在此基础上，对于给定的图像源，微显示器的数量n与微显示器尺寸d1定性地成反比关系。因此，如果n设置得过小，则如前所述地会因d1过大而导致瞳孔无法接收全部入射光束，或导致光学模组厚度过大而对产品外观、重量等造成不利影响。另一方面，如果n设置得过大，则如前所述地会因d1过小而导致子图像源的分辨率过低，从而影响成像质量。在实际应用中，过低的分辨率显然是不被期望的和价值有限的。出于实用性考虑，在本技术的一个实施方案中，以640
×
480作为子图像源的最低分辨率，在确定n的数值范围时需将其纳入考虑。由此，在本技术的一个实施方案中，在微显示器的总数量≥2的条件下，微显示器阵列在所述第一方向或第二方向上包括的微显示器的数量n在1～10的范围内，优选在2～5的范围内。
[0138]
关于串扰安全距离dc，其可理解为同一微显示器发出的图像光经由相邻小孔和微透镜形成的入射光束不同时入射到同一瞳孔的最小光束间距，即作为不发生串扰的量度。图13示出了使用本技术的光学成像阵列系统观看由图像源形成的图像的实际眼球e，以及位于实际眼球e沿y轴方向附近处的假想眼球e'。以微显示器112为例来说明，其发出的一部分图像光经由小孔122和微透镜132入射到实际眼球e的瞳孔，而另一部分图像光经由小孔123和微透镜133入射到假想眼球e'的瞳孔。由此，dc可等同于实际眼球e的瞳孔中心与假想眼球e'的瞳孔中心的最小距离。在此情况下，本领域技术人员能够理解，dc只要不小于de即可在理论上满足上述条件。然而在实际应用中，将dc设置为在一定程度上大于de从而更稳妥地防止诸如串扰等光路重叠问题可能是必要的。
[0139]
因此，在不小于de的前提下，本技术对于dc的数值范围下限原则上没有限制。出于实用性考虑，在本技术的一个实施方案中，dc的数值范围下限选自5mm、5.5mm、6mm、6.5mm和7mm，优选为6mm。
[0140]
换言之，本技术对于de/dc的数值范围的上限原则上没有限制，只要其≤1即可。出于实用性考虑，在本技术的一个实施方案中，de/dc≤0.6，优选地≤0.5。
[0141]
另一方面，de/dc的数值过小同样是不合适的。根据图13所示的基本几何关系，还可得到如下关系式：
[0142][0143][0144]
由式(2)和式(3)结合式(1)，经推导可进一步得到如下关系式：
[0145][0146]
由式(4)可见，de/dc与d1/p1在数值上是相等的。d1/p1作为微显示器尺寸与微显示器间距的比值，其可反映微显示器阵列中的发光区域与不发光区域的占比，因而可作为微显示器阵列的发光效率的量度。通常而言，微显示器阵列的发光效率在合理范围内尽可能高是有利的，而过低的发光效率则是不期望的。同时，这也解释了de/dc的数值不宜设置得过小的原因。
[0147]
因此，本技术对于d1/p1的数值范围的下限原则上没有限制。然而出于实用性考虑，在本技术的一个实施方案中，d1/p1≥0.2，优选地≥0.4。
[0148]
相应地，在本技术的一个实施方案中，de/dc≥0.2，优选地≥0.4。
[0149]
相应地，在本技术的一个实施方案中，d1/p1≤0.6，优选地≤0.5。
[0150]
关于小孔间距p0，其应设置在合理的数值范围内。在其他条件给定的情况下，如果p0过小，则相对容易产生诸如串扰等导致光路重叠的问题；而如果p0过大，则可能会导致子图像源在视网膜上形成的子图像的间距过大而观看到无图像区域。进一步地，根据式(3)，在l0本身具有相对确定的数值范围，同时结合上文中对l
da
和dc的限定的情况下，可以相应限定p0的数值范围。在本技术的一个实施方案中，p0在1～5mm的范围内，优选在2～4mm的范围内。
[0151]
另外，关于小孔的孔径，其同样应设置在合理的数值范围内。如前所述，在其他条件给定的情况下，如果孔径过小，则微显示器发出的图像光经小孔遮挡后形成的光束的光强过低，导致成像过暗而影响观看；而如果孔径过大，则通过小孔遮挡降低微显示器发出的图像光的光束尺寸的作用被削弱，并且由于微透镜的口径和焦距相应增大而造成光学模组的尺寸(例如厚度)增加。根据本技术，孔径的选择原则上应在确保成像亮度的前提下尽可能减小尺寸。鉴于当前商业购得的微显示装置的亮度水平，出于实用性考虑，在本技术的一个实施方案中，小孔的孔径在0.2～3mm的范围内，优选在0.5～2mm的范围内。
[0152]
以上参考图11-13，对本技术的光学成像阵列系统(以光学成像阵列系统as为例)在视网膜上成像的光学过程进行了描述。本领域技术人员容易理解，以上关于图11-13的方案和描述同样适用于图7-10所示的实施例(例如光学成像阵列系统as')。参见图14，其示出了由图7中所截取的圆形的微显示器11'-0、第一组环形排布的微显示器11'-1中的一个和第二组环形排布的微显示器11'-2中的一个，其中圆形的微显示器11'-0可认为由上半部和下半部构成，图中仅示出了上半部。如图14所示，圆形的微显示器11'-0的上半部可对应于图11-13中的微显示器113，第一组微显示器11'-1中的微显示器可对应于图11-13中的微显示器112，而第二组微显示器11'-2中的微显示器可对应于图11-13中的微显示器111。另外，图14中的各个微显示器沿径向方向的尺寸可对应于图13中的参数d1，而图14中相邻的微显示器沿其对称轴线的径向中点之间的距离可对应于图13中的参数p1。
[0153]
由此，前述关于图11-13涉及的内容同样适用于图7-10以及图14所示的实施例，使得在根据本技术的光学成像阵列系统as'中，圆形的微显示器11'-0、第一组环形排布的微显示器11'-1、第二组环形排布的微显示器11'-2乃至更多组环形排布的微显示器各自显示的子图像源，其在视网膜上所形成的各个子图像能够在径向方向以及相应地周向方向上恰好拼接，从而形成不含无图像区域或重影区域的、与图像源对应的完整图像，并且具有圆形的视场。
[0154]
尽管以上出于方便理解的目的对本技术的光学成像阵列系统的主要结构参数逐一进行了分解说明，本领域技术人员应当理解，作为一个整体性系统，这些结构参数之间是相互影响和制约的，其数值范围的确定和调节涉及整个系统的统筹协调，而非仅通过对个别参数的有限变动所能够容易地实现。
[0155]
在前述各实施例中，根据本技术的光学成像阵列系统均配置为，其中每个微显示器显示由图像源拆解的一个子图像源，并且各个子图像源的成像彼此恰好对接，由此形成完整的图像。本技术的发明人另外构思出，可以将所述光学成像阵列系统的微显示器阵列中的至少一个微显示器设置为，使其除显示对应的子图像源外，还显示该子图像源的至少一个相邻子图像源的一部分。下面参考图15-17详细描述。
[0156]
图15a和15b示出了根据本发明一个实施例的微显示器阵列的示意图。作为参比方案，图15a所示的微显示器阵列包括9个微显示器，在水平方向和竖直方向上成三行三列排布，每个微显示器均显示与其相对应的子图像源，相互之间恰好对接而不存在重叠部分。图15b示出了根据该实施例的微显示器阵列，其中每个微显示器除了显示与其相对应的子图像源，另外还显示与其沿水平方向、竖直方向相邻以及对角相邻的微显示器相对应的子图像源的一部分(例如在其靠近所述相邻的微显示器的位置处)。在图15a和15b中，通过颜色深浅来代表不同的子图像源。如图15b所示，在每一个微显示器上，在微显示器的中心处显示与其对应的子图像源，在该中心的正上方、正下方、正左方、正右方位置处分别显示上、下、左、右相邻的微显示器所对应的子图像源的一部分，并且在该中心的左上方、右上方、左下方、右下方位置处分别显示对角相邻的微显示器所对应的子图像源的一部分。
[0157]
在图15b所示的微显示器阵列中，每个微显示器均额外显示与其相邻的所有微显示器相对应的子图像源的一部分，然而这仅是最为典型的一种情况。本领域技术人员能够理解，除上述外也可实施为例如仅一部分微显示器进行额外显示和/或微显示器仅额外显示一部分相邻子图像源的情况。这些都在本发明的保护范围内，此处不再赘述。
[0158]
图16a和16b示出了根据本发明另一实施例的微显示器阵列的示意图。作为参比方案，图16a所示的微显示器阵列包括位于中心的圆形的微显示器以及一组环形排布的微显示器(图中为6个)，类似于图7所示的微显示器阵列11'，其中每个微显示器均显示与其相对应的子图像源，相互之间恰好对接而不存在重叠部分。图16b示出了根据该实施例的微显示器阵列，其中所有微显示器除了显示与其相对应的子图像源，另外还显示与其周向和径向相邻的微显示器相对应的子图像源的一部分(例如在其靠近所述相邻的微显示器的位置处)。如图16b所示，对于所述圆形的微显示器，除了在中心部位显示与其对应的子图像源，另外在其外周上还包括数目与所述环形排布的微显示器的数目相对应的多个扇环形区域，分别用于显示各个环形排布的微显示器所对应的子图像源的一部分。对于所述环形排布的微显示器，其中每个微显示器均在其对应的子图像源外围，另外显示沿周向和径向方向相
邻的微显示器所对应的子图像源的一部分。
[0159]
同样地，在图16b所示的微显示器阵列中，除上述每个微显示器均额外显示与其相邻的所有微显示器相对应的子图像源的一部分的典型情况外，也可实施为例如仅一部分微显示器进行额外显示和/或微显示器仅额外显示一部分相邻子图像源的情况。这些亦都在本发明的保护范围内，此处不再赘述。
[0160]
另外，图16b中仅示出了包括一组环形排布的微显示器的微显示器阵列，但本发明不限于此，所述微显示器阵列也可包括更多组环形排布的微显示器，例如2～5组。
[0161]
这样设计的一个有利之处在于，当用户瞳孔的位置发生小幅度的变化时，原来的一部分子图像源的图像光无法再进入瞳孔，导致成像中出现空白区域；但此时相邻微显示器中额外显示的该子图像源的重复部分可对此空白区域进行补偿，从而仍然能够形成完整的图像。因此，本技术中基于上述方案的光学成像阵列系统允许用户的瞳孔在小范围内移动而不会影响其观看效果，有利于提高应用的舒适性和便利性。
[0162]
需要说明的是，在额外显示相邻子图像源的情况下，必要时可以对子图像源进行相应的压缩，以适应同时显示相邻子图像源的要求。或者可替换地，也可以使得微显示器的尺寸“增大”，以容纳需额外显示的相邻子图像源部分。就此而言，本发明中对于微显示器阵列及其包括的微显示器的实现方式，优选通过前述“指定整体覆盖有像素点的微显示装置中的部分区域工作而其他区域不工作”的方式来实现。
[0163]
图17示出了根据例如图15b/图16b实施例的相邻微显示器补偿成像的光路示意图。在该实施例中，出于简化描述考虑，仅涉及两个微显示器且其中仅一个微显示器实施额外显示，对于更复杂的情况其在原理上亦是相通的。如图17所示，微显示器111'显示子图像源s1，其中子图像源s1包含s
1a
部分；微显示器112'显示子图像源s2，并且还额外显示子图像源s1的s
1a
部分。当瞳孔处于初始位置(图中以虚线标示)时，微显示器111'发出的由l
11
和l
12
限定的图像光经对应的小孔和微透镜入射到瞳孔并成像。对于微显示器112'，一方面，其发出的显示子图像源s2的、由l
21
和l
22
限定的图像光入射到瞳孔并成像；另一方面，其发出的显示子图像源s1的s
1a
部分的、由l
23
和l
21
限定的图像光未入射到瞳孔，因而不会在人眼中成像。
[0164]
参见图17，当瞳孔沿图中箭头方向向下移动一定距离时，在微显示器111'发出的图像光中，显示子图像源s1的s
1a
部分的、由l
13
和l
12
限定的图像光不再入射到瞳孔，由此在视网膜上相应产生无成像区域。然而，微显示器112'发出的由l
23
和l
21
限定的图像光此时则入射到瞳孔，在视网膜上的相同区域处形成与此前由l
13
和l
12
限定的图像光所成相同的像，从而确保本技术的成像条件仍能够被满足，即由图像源拆解的所有子图像源发出的图像光在以瞳孔为顶点的视场角范围内形成入射角度的连续分布。
[0165]
此外，如前所述，根据本技术，光学成像阵列系统中的每个微显示器及其对应的小孔和微透镜形成一个光通道；而如果某个微显示器发出的图像光照射到并非与其对应小孔和微透镜上，则可能发生诸如串扰等导致光路重叠的问题。为消除或至少减轻串扰等问题，除根据上述进行结构和参数设置外，在本技术的一个实施方案中，还可以在各个光通道之间形成实体边界。例如，可在微显示器阵列与小孔阵列/微透镜阵列之间设置间隔件，所述间隔件可预设有对应于各个光通道的通孔，从而能够对所述光通道进行限定和分割。这样的间隔件例如可通过3d打印技术制作，并可根据需要涂黑以形成消光筒。
[0166]
另外需要说明的是，除前述外，本技术的光学成像阵列系统还可通过合理利用透镜性质改善成像质量。具体而言，透镜(包括微透镜)的结构决定了其具有像差(例如球差和慧差)的固有性质，其中当图像光以相对于透镜的光轴呈较大角度入射到透镜时，透射光线无法全部汇聚到透镜后面的一点而是形成光斑，由此导致成像的质量下降。本技术中，通过将图像源拆解为多个子图像源，并使得每个子图像源经由对应的微透镜成像，同时利用小孔限制光线的光束尺寸，由此从整体上减小了图像源发出的图像光相对于透镜光轴的角度，从而能够抑制透镜的像差性质所带来的不利影响，使成像质量获得改善。
[0167]
本技术的第二方面涉及一种近眼显示装置。所述近眼显示装置包括如上所述的光学成像阵列系统。
[0168]
在本技术的一个实施方案中，所述近眼显示装置包括两个所述光学成像阵列系统，分别用于为使用者的左眼和右眼显示相应的图像。
[0169]
在本技术的一个实施方案中，所述近眼显示装置包括图像处理模块，所述图像处理模块与所述光学成像阵列系统中的微显示器阵列耦合，将由图像源拆解的子图像源在所述微显示器阵列的微显示器中显示。
[0170]
本技术的第三方面涉及一种图像投射方法。所述图像投射方法包括以下步骤：
[0171]
s1：提供微显示器阵列以及沿图像光传播方向位于其下游且相邻设置的小孔阵列和微透镜阵列，所述微显示器阵列、小孔阵列和微透镜阵列分别包括数量和排布方式相同的多个微显示器、小孔和微透镜，所述微显示器、小孔和微透镜一一对应，形成相应的光通道；
[0172]
s2：与所述微显示器阵列的微显示器相对应地，将图像源拆解为多个子图像源，在每个微显示器中显示其中一个子图像源；
[0173]
s3：使每个微显示器发出的显示对应子图像源的图像光，经对应的小孔遮挡及微透镜调制后入射到瞳孔，各自在视网膜的预定区域处形成子图像；
[0174]
s4：使所述子图像组成与所述图像源对应的图像。
[0175]
在本技术的一个实施方案中，所述图像投射方法通过如上所述的光学成像阵列系统或包括如上所述的光学成像阵列系统的近眼显示装置实施。
[0176]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案，例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。