适用于眼睛的光学显示装置、智能眼镜以及成像方法
技术领域
本申请涉及光学显示技术领域，具体涉及一种适用于眼睛的光学显示装置以及智能眼镜以及成像方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，显示设备的类型也越来越丰富。虚拟现实（VirtualReality，简称“VR”），又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。目前实现VR的方式，基本是采用显示屏加光学放大透镜组合形成VR眼镜，通过透镜的放大能力将图像源放大，给人强烈的沉浸感，但由于目前市面上用来制作VR眼镜的显示屏分辨率不高，所以VR眼镜都存在纱窗效应，导致眼睛会直接看到显示屏的像素点，好像隔着纱窗看显示屏一样，影响人的视觉体验。
增强现实(Augmented Reality，简称“AR”)是一种实时将虚拟图像与现实场景进行结合展现的技术，其基本的光学原理为向人眼同时入射携带真实世界景物信息和虚拟图像信息的光线，两个光学路径上传输的图像信息在人眼处融合，使得人眼同时获得真实世界景物信息和虚拟图像的混合图像，从而达到增强现实的效果。现有的增强现实技术方案中，基本都是通过AR眼镜将虚拟图像和外部真实世界景物结合后一起入射到人眼，AR眼镜是增强现实技术的核心部件，AR眼镜和VR眼镜最大的不同是，AR眼镜需要外部光线，所以眼前不能有物体遮挡，那就只能将显示屏放在AR眼镜的侧面，通过光波导传输到人眼，实现AR眼镜的光波导技术主要是几何光波导和衍射光波导。几何光波导实现AR的技术主要是利用反射镜将图像信息入射至波导中，利用光在光波导内全反射传播，在波导中传播的图像通过半反半透镜片进入人眼。由LCOS（Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅）微型显示屏的工作原理可知，由于几何波导传播的光通常是偏振的，所以每个镜片都需要镀膜，镀膜的层数根据其功能而变，可能达到几十层。另外，这些镜面是镀膜后层层摞在一起并用特殊的胶水粘合，然后按照一个角度切割出波导的形状，这个过程中镜面之间的平行度和切割的角度都会影响到成像质量，导致加工难度特别大，设计门槛高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种适用于眼睛的光学显示装置、智能眼镜以及成像方法，以解决上述问题。本申请实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
第一方面，本申请实施例提供了一种适用于眼睛的光学显示装置，包括反射镜、反射层和MEMS激光投影仪，反射镜包括椭圆反射曲面，椭圆反射曲面具有第一焦点和第二焦点；反射层的反射率为50%~98%，反射层贴合于椭圆反射曲面设置；MEMS激光投影仪用于从第一焦点处发出投影光束，投影光束经椭圆反射曲面反射后入射至第二焦点并进入眼睛。
在一种实施方式中，MEMS激光投影仪包括激光发生器、MEMS微镜和驱动单元，激光发生器用于发出激光光束；MEMS微镜设置于第一焦点，用于将激光光束反射至椭圆反射曲面；驱动单元连接于MEMS微镜，用于控制MEMS微镜的偏转角度，以调节激光光束的入射角度。
在一种实施方式中，MEMS激光投影仪还包括光束准直模组，用于对激光发生器发出的激光光束进行准直后发出至MEMS微镜。
在一种实施方式中，反射率为85%-98%，以减少外部光线进入眼睛。
在一种实施方式中，反射率为50%-70%，以使投影光束和外部光线混合进入眼睛。
在一种实施方式中，光学显示装置还包括光束调节模组，位于第一焦点和椭圆反射曲面之间，用于将投影光束进行准直和扩散后发出至椭圆反射曲面。
在一种实施方式中，光束调节模组包括透镜组，透镜组包括至少一个透镜。
在一种实施方式中，投影光束进入眼睛时的宽度为2mm-8mm。
第二方面，本申请实施例提供了一种智能眼镜，包括眼镜本体，还包括上述的光学显示装置，光学显示装置设置于眼镜本体。
第三方面，本申请实施例还提供了第一方面所述的光学显示装置的成像方法，该成像方法包括：
MEMS激光投影仪从第一焦点处发出投影光束；
投影光束经椭圆反射曲面反射后入射至第二焦点并进入眼睛。
相对于现有技术，本申请实施例提供的光学显示装置、智能眼镜以及成像方法通过MEMS激光投影仪从第一焦点发出的投影光束经椭圆反射曲面反射后入射至第二焦点，当眼睛在第二焦点处进行观察时，投影光束便可以在视网膜上形成虚拟图像，使得光学显示装置即可以用作VR显示装置也可以用作AR显示装置，与现有VR显示装置相比，本申请实施例提供的光学显示装置通过MEMS激光投影仪产生投影光束，能够解决现有VR显示装置中的纱窗效应，且光学显示装置结构简单，有效简化了成像光路，方便进行加工制造。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的光学显示装置的结构示意图。
图2是本申请实施例提供的光学显示装置的反射镜的截面示意图。
图3是本申请实施例提供的光学显示装置的MEMS激光投影仪的结构示意图。
图4是本申请实施例提供的光学显示装置的另一结构示意图。
图5是本申请实施例提供的光学显示装置的成像传播示意图。
图6是相关技术中椭圆的示意图。
图7是本申请实施例提供的光学显示装置的光束传播示意图。
图8是本申请实施例提供的智能眼镜的结构示意图。
图9是本申请实施例提供的光学显示装置的成像方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1是本申请实施例提供的光学显示装置的结构示意图，如图1所示，光学显示装置100包括反射镜10、MEMS（MicroElectroMechanical Systems，微机电系统）激光投影仪20和反射层50（详见图2），反射镜10包括椭圆反射曲面11，椭圆反射曲面11具有第一焦点12和第二焦点13。反射层50的反射率为50%-98%，反射层50贴合于椭圆反射曲面11设置。MEMS激光投影仪20用于从第一焦点12发出投影光束30，投影光束30经椭圆反射曲面11反射后入射至第二焦点13并进入眼睛40。
光学显示装置100利用了椭圆的光学特性：当光线从一个焦点射出经椭圆壁反射后必然经过另一个焦点，使得从第一焦点12发出的投影光束30经椭圆反射曲面11反射后可以入射至第二焦点13，当眼睛40在第二焦点13处进行观察时，投影光束30便可以在视网膜上形成虚拟图像，因此光学显示装置100可以用作VR显示装置。与现有VR显示装置相比，光学显示装置100通过MEMS激光投影仪20产生投影光束，MEMS激光投影属于扫描式投影显示技术，其以激光扫描的方式成像，能够利用MEMS微镜的旋转运动调制激光光束的照明角度，从而可以按照照明角度细分投射画面视场，能够解决现有VR显示装置中的纱窗效应。
另外，反射层50的反射率为50%-98%，外部光线也可经反射镜10透射至眼睛40形成环境图像，这样，用户不仅能够看见MEMS激光投影仪20提供的虚拟图像，还能够看见外界环境的真实图像，从而获得虚拟图像和真实图像叠加后的虚拟现实的显示效果。与现有AR眼镜相比，MEMS激光投影仪20具有体积小（例如厚度约为6mm）、重量轻（例如10g）等优点，且反射镜10结构简单，有效降低了光学显示装置100的结构复杂度，方便进行加工制造。
在本实施例中，反射镜10可以为半椭球形的壳体结构，椭圆反射曲面11为反射镜10的内表面，反射镜10还包括外表面15，外表面15与椭圆反射曲面11相互间隔，且外表面15与椭圆反射曲面11之间的间隔处处相等，使得反射镜10的厚度均匀，可以方便反射镜10的加工。当然，反射镜10也可以是斜球面反射镜、非球面镜、椭圆镜和椭球面镜等其他一些形状的反射镜，只要反射镜10具有椭圆反射曲面11，能够提供第一焦点和第二焦点即可。
反射镜10还包括连接椭圆反射曲面11和外表面15的端面16，端面16可以为平面，以进一步方便反射镜10的加工制造。
在本实施例中，反射镜10具有对称面14，对称面14垂直于第一焦点12和第二焦点13的连接线，并位于第一焦点12和第二焦点13中间。反射镜10为面对称结构，容易加工，且在加工过程中可以保证加工精度。
反射镜10可以位于第一焦点12和第二焦点13的连接线的同一侧，即椭圆反射曲面11、外表面15的端面16位于第一焦点12和第二焦点13的同一侧，能够在不影响对投影光束30进行反射的基础上，尽量减小反射镜10所占据的空间可以使得产品的整体尺寸变小，以方便用户携带或者使用。
在本申请的一个实施例中，反射层50的反射率为85%-98%，以减少外部光线进入眼睛40，使得光学显示装置100更加适用于VR应用，并能够实现良好的VR显示效果。反射层50的反射率可以根据实际需求进行选择，反射层50的反射率越大，对外部光线的反射效果越好，能够实现沉浸感更好的VR显示效果。
作为一种示例，反射层50可以为全反射膜，全反射膜的反射率可以大于95%，全反射膜贴合于椭圆反射曲面11，用于将投影光束30反射至第二焦点13的同时可以隔绝外部光线。当眼睛40在第二焦点13处进行观察时，通过全反射膜可以增强对光线的反射效果，并能够避免外部光线入射至眼睛40，从而给人带来强烈的沉浸感，实现良好的VR显示效果。反射镜10可以是由玻璃或者塑胶材料制成，全反射膜可以是厚度均匀的全反射金属膜或者全反射介质膜等。
在本申请的另一实施例中，反射层50的反射率为50%-70%，以使投影光束30和外部光线混合进入眼睛40，使得眼睛40可以同时观察到虚拟图像和真实图像，从而获得AR的显示效果。反射层50的反射率可以根据实际需求进行选择，反射层50的反射率越小，对外部光线的透射效果越好，能够更加清晰地看到真实图像。
作为一种示例，反射层50可以为半透半反膜，半透半反膜的反射率可以在50%-55%之间，半透半反膜贴合于椭圆反射曲面11，用于反射投影光束30并透射外部光线。当眼睛40在第二焦点13处进行观察时，外部光线可以透过半透半反膜入射至眼睛40，同时投影光线30经半透半反膜反射至眼睛40处。反射镜10可以采用PET（Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PMMA（polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯或亚克力）等透明有机材料制成，可以控制反射镜10的可见光透过率在90%以上。半透半反膜可以是铝金属、银金属或者铝银金属组合物等纳米金属镀层，随着纳米金属镀层厚度的增大，纳米金属镀层对可见光的反射率逐渐提高，对可见光的透射率逐渐下降，因此可以通过纳米金属镀层的厚度控制透射光和反射光的比例，在此不再赘述。
图3是本申请实施例提供的MEMS激光投影仪的结构示意图，结合图1和图3所示，MEMS激光投影仪20包括激光发生器21、MEMS微镜22和驱动单元（未示出）。
激光发生器21用于发出激光光束，激光发生器21可以为RGB激光管，RGB激光管包括用于发生红光的红色激光管、用于发出绿光的绿色激光管和用于发出蓝光蓝色激光管，红光、绿光和蓝光可以汇合形成激光光束。
投影光束30可以是由一组平行光线组成，投影光束30入射至眼睛40时的宽度范围为2mm-8mm，以适应人眼的视场范围。
作为一种示例，红色激光管可以发出波长为635nm的红光，绿色激光管可以发出波长为531nm的绿光，蓝色激光管可以发出波长为452nm的蓝光，能够将激光发生器21的功耗控制在毫瓦级，降低激光发生器21的功率。
MEMS微镜22设置于第一焦点12，用于将激光光束反射至椭圆反射曲面11。MEMS微镜22能够将激光发生器21输出的激光光束进行反射，以形成从第一焦点12处出射的投影光束30，只要MEMS微镜22扫描的速度足够快，由于人眼的视觉暂留现象，用户便能够看见相应的投影图像。将MEMS微镜22设置在第一焦点12，可以确保投影光束30由第一焦点12处入射，进而可以被椭圆反射曲面11反射至第二焦点13。MEMS微镜22能够在第一方向221和第二方向222上进行偏转，且第一方向221与第二方向222相互垂直。作为一种示例，第一方向221可以为水平方向，第二方向222可以为竖直方向。
驱动单元连接于MEMS微镜22，用于控制MEMS微镜22的偏转角度，以调节投影光束30的入射角度。
光学显示装置100还可以包括主控单元，主控单元连接于驱动单元，用于生成偏转驱动信号并发送到驱动单元，驱动单元能够根据偏转驱动信号通过热驱动、静电驱动、压电驱动或者电磁驱动等方式控制MEMS微镜22进行偏转。
作为一种示例，在激光发生器21根据控制时序发出某一图像对应的激光时，驱动单元同步控制MEMS微镜22进行偏转，这样激光发生器21发出的某一图像对应的激光能够被MEMS微镜22反射至对应的位置。例如，经过解码后，该图像的A点为红色激光，与A点不同的B点为蓝色激光，且扫描顺序为先扫描A点再扫描B点，则在激光发生器21根据对应的控制时序生成红色激光时，驱动单元同步控制MEMS微镜22偏转至A点对应的位置，使得该红色激光恰好被反射至A点，在激光发生器21根据对应的控制时序生成蓝色激光时，驱动单元同步控制MEMS微镜22偏转至B点对应的位置，使得该蓝色激光恰好被反射至B点，以此类推，从而实现对该图像的扫描，使得眼睛能够接收到该图像。
在本实施例中，MEMS激光投影仪20还包括光束准直模组23，光束准直模组23设于激光发生器21和MEMS微镜22之间的光路上，用于将激光发生器21发出的激光光束进行准直后发出至MEMS微镜22，使得激光光束能够在后续的光路中得到有效的利用。
光束准直模组23可以采用光纤作为光束整形器件，并在激光发生器21和光纤之间插入微透镜等光学元件，可以有效汇聚激光发生器21的输出光束，压缩光束的发散角，能够对光束进行很好的准直。
图4是本申请实施例提供的光学显示装置的另一结构示意图，结合图1和图4所示，光学显示装置100还包括光束调节模组70，光束调节模组70设于第一焦点12和椭圆反射曲面11之间的光路上，用于将MEMS微镜22反射的投影光束30进行准直和扩散后发出至椭圆反射曲面11。
光束调节模组70用于在光束准直模组23对投影光束30进行初步准直整形的基础上，对投影光束30进行进一步地的准直整形，可以确保最终入射至椭圆反射曲面11的光束为准直光束，提高投影光束30的利用率。光束调节模组70还用于对MEMS微镜22反射的投影光束30进行扩散，使得投影光束30可以从各个方向入射至椭圆反射曲面11，扩大光学显示装置100的视场，从而能够向用户展示更多的内容。
光束调节模组70可以包括透镜组71，透镜组71包括至少一个透镜710。例如，透镜710的数量可以为一个，透镜710包括相背设置的入射面711和出射面712，入射面711朝向MEMS激光投影仪20设置，投影光束30经入射面711入射后在出射面712发生折射，通过出射面712的折射作用可以调节投影光束30的行进方向，使得投影光束30能够以更大的偏转角入射至椭圆反射曲面11，从而扩大光学显示装置100的视场。
光束调节模组70还可以包括准直透镜，准直透镜可以设于透镜组71和椭圆反射曲面11之间的光路上，或者设于透镜组71和MEMS激光投影仪20之间的光路上，用于对投影光束30进行准直。
图5是本申请实施例提供的光学显示装置的成像传播示意图，结合图1、图4和图5所示，MEMS激光投影仪20从第一焦点12处发出的投影光束30中可以包括光束L0，光束L0的角度坐标可以用
光束L0依次被光束调节模组70折射和被椭圆反射曲面11反射后得到光束L1，光束L1与光束L0一一对应。
光束L1和光束L0仍然基本符合相关三角函数关系，如正弦定理和余弦定理等，光束L1
光束L1经过眼睛到达视网膜，在眼前形成虚像，在本实施例中，将虚像等效为距离眼睛D处的一副投影画面，即虚像面41。
距离D和光束L1的入射角度
由于光束L0的角度坐标与MEMS微镜22的偏转角度相关，根据光束L0和光束L1的坐标关系，以及光束L1和虚像点阵的坐标关系可知，光学显示装置100形成的虚像点阵受MEMS微镜22的偏转角度的控制，即光学显示装置100通过MEMS激光投影仪20可以控制投影光束30的入射角度以获得最终的虚拟图像。
以下结合图6所示对正弦定理进行示例性说明，如图6所示，F1、F2分别是椭圆的两个焦点，P是椭圆上的任意一点，a为长轴，b为短轴，c为焦距，
令
则得到：
由
图7是本申请实施例提供的光学显示装置的另一光束传播示意图，以下结合图1、图5和图7所示对投影光束30从第一焦点12入射，到从第二焦点13出射的过程中角度坐标的对应关系进行示例性说明。
以第二焦点为基准建立坐标系统，假定从MEMS激光投影仪20发出的投影光束包括光束L01
以
经过椭圆第一焦点时光束L01的角度坐标（cosα01，cosβ01，cosγ01）=（0，0.28349，-0.95897），经过椭圆第二焦点时对应的光束L11的角度坐标（cosα11，cosβ11，cosγ11）=（0，-1，0）；
经过椭圆第一焦点时光束L02的角度坐标（cosα02，cosβ02，cosγ02）=（0，0.68745，-0.72632），经过椭圆第二焦点时对应的光束L12的角度坐标（cosα12，cosβ12，cosγ12）=(0，0.11719，-0.99311)；
经过椭圆第一焦点时光束L03的角度坐标（cosα03，cosβ03，cosγ03）=(0，0.11719，-0.99311)，经过椭圆第二焦点时对应的光束L13的角度坐标（cosα13，cosβ13，cosγ13）=(0，-0.70711，0.70711)。
根据计算公式m1=D*Tanα1，n1=D*Tanβ1可以进一步计算得到光束L11形成对应的虚像点坐标（m11，n11），类似地，光束L12、光束L13的虚像点坐标分别表示为（m12，n12）、（m12，n12）。由此可知，从MEMS激光投影仪20发出的光束L01、光束L02和光束L03与虚像点坐标（m11，n11）、（m12，n12）、（m12，n12）一一对应，光学显示装置100可以通过MEMS激光投影仪20控制投影光束的入射角度以获得最终的虚拟图像。
图8是本申请实施例提供的智能眼镜的结构示意图，结合图1和图8所示，智能眼镜200包括眼镜本体21以及光学显示装置100，光学显示装置100设置于眼镜本体21。眼镜本体21可以是壳体结构或者框架结构，只要可以用于安装光学显示装置100即可。作为一种示例，眼镜本体21可以包括镜架211和设置于镜架211的镜脚212，反射镜10可以设置于镜架211，MEMS激光投影仪20可以设置于镜脚212。
智能眼镜200可以是VR眼镜或者AR眼镜，当智能眼镜200为VR眼镜时，通过MEMS激光投影仪产生投影光束，能够利用MEMS微镜的旋转运动调制激光光束的照明角度，从而可以按照照明角度细分投射画面视场，能够解决现有VR眼镜中的纱窗效应。当智能眼镜200为AR眼镜时，其结构简单，相比于现有AR眼镜有效降低了结构复杂度，方便进行加工制造。
图9是本申请实施例提供的光学显示装置的成像方法的流程图，结合图1、图3和图9所示，该成像方法可以包括步骤S1和步骤S2。
步骤S1，MEMS激光投影仪20从第一焦点12处发出投影光束30；
步骤S2，投影光束30经椭圆反射曲面11反射后入射至第二焦点13并进入眼睛40。
本申请实施例提供的成像方法通过MEMS激光投影仪20从第一焦点12处发出投影光束30，投影光束30经椭圆反射曲面11反射后入射至第二焦点13，当眼睛在第二焦点12处进行观察时，投影光束30便可以在视网膜上形成虚拟图像。该成像方法通过MEMS激光投影仪产生投影光束，能够解决现有VR显示装置中的纱窗效应。在一些实施例中，步骤S1还包括：
激光发射器21发出激光光束；以及
MEMS微镜22将激光光束反射至椭圆反射曲面11。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本实施例提供的光学显示装置100的成像方法是基于上述实施例中的光学显示装置100实现的，为描述的方便和简洁，该成像方法的详细内容可以参阅上述实施例中的光学显示装置100的详细描述，在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
