[发明专利]组合式光学成像阵列系统、近眼显示装置及光学系统图像投射方法

说明书

本申请公开了一种组合式光学成像阵列系统、近眼显示装置及光学系统图像投射方法。所述组合式光学成像阵列系统包括沿第一方向和/或第二方向布置的多个光学成像阵列单元，其中所述光学成像阵列单元包括微显示器阵列、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，每个微显示器发出的图像光经对应的小孔和微透镜后入射到瞳孔，在视网膜的预定区域处成像。本申请的组合式光学成像阵列系统可通过调节光学成像阵列单元的结构和布置方式自主选择图像源拆解方式及光路设置，具有改善的适用性和灵活性；且可抑制透镜的像差性质的不利影响，提高成像质量。

技术领域

本申请大致涉及光学显示领域，尤其涉及一种组合式光学成像阵列系统、近眼显示装置及光学系统图像投射方法。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。