[发明专利]近眼显示系统

说明书

本申请公开了一种近眼显示系统，其包括光学引擎和衍射投影屏。光学引擎用于在其显示表面上输出目标图像，该光学引擎包括相干光源、图像调制器和光扩散器件，所述光扩散器件设置在从所述相干光源至显示表面的光路上，用于对光进行扩散，使得所述显示表面上的每一个像素发出的光束是发散的。衍射投影屏包括衍射光学器件，用于通过对来自所述光学引擎的光进行衍射而对所述目标图像形成虚像，所述显示表面上的每一个像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域与多个其它像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域至少部分地重叠。该近眼显示系统采用了新型的近眼显示技术，有利于显示装置的小型化。

技术领域

本发明总体上涉及近眼显示系统，具体而言，涉及基于衍射的近眼显示系统。

背景技术

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。

近眼显示装置是上述VR、AR和MR技术发展的重要基础。其中浸没式近眼显示装置可被用于VR技术，而透视式近眼显示装置可被用于AR和MR技术。原则上，部分用于AR以及MR的近眼显示装置在阻挡了外界进入使用者眼睛的光线后，也可以用于虚拟现实显示。

增强现实与混合现实技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息有机地集成的新技术。这里并不是狭义地指虚拟世界与真实世界图像的简单图像叠加，而是把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息,通过计算机模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。增强现实与混合现实技术，涉及到近眼显示(Near Eye Display)技术、人机互动技术、对真实世界的感知与建模技术、计算机视觉技术(Computer Vision)、真实世界的机器视觉定位技术(SLAM,Simultaneous Location and Mapping)，等等。

在增强现实与混合现实技术中，目前已有多种实现光学透射式的显示方案。一种方案是基于自由曲面棱镜元件，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现的光学透射式的增强现实显示引擎。如美国Emagin公司生产与销售该类增强现实光学引擎，同时也提供基于该类光学引擎的增强现实产品。但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类增强现实显示的进一步轻薄化。另一种方案采用了对用于头盔显示器(HMD,Head Mount Display)和抬头显示器(HUD,Heads-Up Display)中的光路进行小型化处理，其技术特征为投影光路以及需要45°反射板放置于用户眼前。美国Emagin公司于2016年注册了基于这种技术原理的方案，美国ODG公司也开发出了基于45°反射板的AR显示眼镜。但是这种方案由于45°射板在用户眼前的存在，同样限制了眼镜类增强现实显示的提及的进一步缩小。另一类设计则使用平面光波导传输图像与光栅耦合出射图像的技术方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射来传输投影机的输入图像，并使用一个或者多个光栅耦合输出界面来将图像光束耦合入自由空间，对人眼形成图像的虚像，从而有效降低了光学元件的厚度。美国Microsoft公司的第一代Hololens产品、以色列Lumus公司的产品采用的均是这类方案。但是，目前已有的平面光波导设计方案中，传输部和光栅输出部的光学元件需要合成为一体，光学部分的安装精度相互牵制，制造难度大，成本高，成为其量产和普及的一个较大的困难。另一类设计则使用传统的显微镜光学方案，如美国Google公司的Google Glass产品。这类方案的问题在于显示器对用户的视场角(FOV，Field of View)过小，而增加这种技术方案的FOV又会增加显示器体积和重量以及功耗。

可以看到，近眼显示装置很难构造，并且其在性能和造价方面存在诸多不足，限制了AR和MR显示设备的发展和普及。因此，有待开发新的近眼显示技术来解决上述问题。

发明内容