[发明专利]视网膜投影式近眼显示装置

说明书

本发明涉及一种增强现实用头戴式近眼显示设备，特别涉及利用诸如MEMS扫描微振镜投影等高像素密度高亮度图像源的视网膜投影式近眼显示光学设备，主要包括第一透镜组、平面反射镜、第二透镜组和具有预定透反比的分光镜；第一透镜组和第二透镜组通过介于其中的平面反光镜进行光路折转，第二透镜组中含有一个中性减光片以保证人眼安全，人眼通过分光镜可同时观察真实世界场景和增强现实图像，根据本发明的近眼显示设备，其可实现瞳距可调、整体体积小且质量轻，光学结构简单而紧凑，以实现视网膜投影显示光学设备良好的体验效果。

技术领域

本发明涉及一种增强现实用头戴式近眼显示设备，特别涉及利用诸如MEMS扫描微振镜投影等高像素密度高亮激光扫描图像源的视网膜投影式近眼显示光学设备。

背景技术

消费电子产品在近年来得到了蓬勃的发展，在智能手机之后，消费者已普遍地知道虚拟现实(VirtualReality,VR)和增强现实(AugmentedReality,AR)的概念，并追逐相关的各种概念产品作为体验新技术的尝试，头戴式显示器(Head-MountedDisplay,HMD)之类的显示设备可实现通过简单的穿戴获得增强现实(AR)体验或虚拟现实(VR)体验，在航空、工程、科学、医疗、游戏、视频、体育、训练和仿真等领域有着广泛的应用。

在通过HMD来实现AR体验的方式中，眼镜类设备因其具有佩戴便利的优势和逐渐趋向轻薄型趋势，视为近眼显示设备的代表模式受到了广泛的追捧，例如，Microsoft公司推出基于全息波导光栅投影方式的Hololens，Google公司推出的基于半反半透式棱镜的Googleglass。

由于人眼是通过使睫状体的肌肉松弛或紧张来改变晶状体的厚度，从而对光弯折程度进行调节，以使入射光能够良好地聚光在视网膜上，具体的，人在看近处时使睫状体紧张，晶状体变厚，厚度变厚的晶状体焦距减小，来自近处的光容易聚光于视网膜上，从而可以清楚地看到近处的物体；而在看远处时，人眼的睫状体松弛，晶状体变薄，减少厚度的晶状体焦距变长，使来自远处的光容易聚光在视网膜上，从而可以清楚地看到远处的物体。因此，作为近眼显示的基本原则，通常以将距离人眼很近的像源元件以光学虚拟放大显示于尽可能远处，以减轻长时间聚焦近处物体的疲劳，例如某些VR方式近眼显示装置中的菲涅尔透镜。但对于AR方式的近眼显示装置而言来说，鉴于实现虚实融合的需要，并不能以此完全调节，则容易产生辐辏聚焦矛盾，其指的是单一固定的虚拟显示屏幕使得人眼晶状体的调焦和双目的辐辏不一致。

正常视力的人眼聚焦至真实物体，其调焦与辐辏保持一致，如图1(a)所示；对于AR近眼显示而言，用户需要调焦到虚拟显示图像平面以获取附加在真实场景上的虚拟数字信息，同时又要会聚辐辏到真实物体上，当两者的距离超过人眼所能调节的范围时，便会引起人眼不自然的视觉体验，如图1(b)所示。

不同于放大投影成像方式，视网膜投影显示(Retinalprojectiondisplay,RPD)将所需显示的图像进行二维扫描，进而将图像直接投影到视网膜，视网膜投影显示基于麦克斯韦观察法原理，具有很长的焦深，能够克服辐辏聚焦矛盾带来的人眼不适问题，实现良好的用户体验。然而，以实现视网膜投影技术目前主要实现方式借由光纤作为受驱动的投影扫描元件，鉴于光纤的纤细难以保证强度和对光纤本身高精度驱动扫描的难度，导致其至今难以实现稳定而小型化的实际产品应用。

发明内容

本发明目的在于克服现已有的视网膜投影显示设备中视场角小、体积和质量无法满足小型便携的不足，而提供一种视场角较大、亮度高、瞳距可调、质量轻、体积小且光学结构简单紧凑的视网膜投影近眼显示设备。

根据本发明的一种克服辐辏聚焦矛盾的视网膜投影式近眼显示装置，包括沿光路方向上依次排列的：像源元件，用以产生图像信息；第一透镜组，用以将来自像源元件的图像信息准直形成为单一视场的图像信息光束；反射镜，用以将第一透镜组出射的光反射至不同于第一透镜组光轴的方向；第二透镜组，用以将反射镜反射的光会聚；分光镜，靠近使用者的人眼设置，用以将第二透镜组会聚的光部分反射以射入人眼瞳孔。