CN111562674A - 光学显示组件和智能穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学显示组件和智能穿戴设备。光学显示组件包括光机模组、光传输元件和光路改变元件。光机模组用于投射携带画面的光线。光传输元件包括第一面、第二面及第三面，第一面与第二面相背，第三面连接第一面与第二面，所述光传输元件用于在第一面接收所述光线并在所述第一面和所述第二面间的内部反射所述光线，第一面与光机模组的出光面呈第一夹角。光路改变元件设置在光传输元件与光机模组之间，光路改变元件用于接收光线，并将光线投射至第一面，光线从第一面出射，光线在第一面的出射位置的中心与第三面之间的距离在预定范围内。本申请利用光路改变元件改变光机模组发出的光线的传输方向，用户能以最佳视角观看光机模组投影的画面。

Description

光学显示组件和智能穿戴设备

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，特别涉及一种光学显示组件和智能穿戴设备。

背景技术

随着科技的发展，智能穿戴设备，例如AR眼镜或VR眼镜，逐渐进入人们的生活，人们通常头戴智能穿戴设备来观看由两侧的光机模组投射形成的画面来实现虚拟现实或增强现实。由于人的头部通常是前窄后宽，人们佩戴上智能穿戴设备后会将智能穿戴设备的两侧撑开，使得人们无法从最佳视角来看观看光机模组投射画面。

发明内容

本申请实施方式提供一种光学显示组件和智能穿戴设备。

本申请实施方式提供一种光学显示组件，所述光学显示组件包括：光机模组、光传输元件和光路改变元件。所述光机模组用于投射携带画面的光线；所述光传输元件包括第一面、第二面及第三面，所述第一面与所述第二面相背，所述第三面连接所述第一面与所述第二面，所述光传输元件用于在第一面接收所述光线并在所述第一面和所述第二面间内部反射所述光线，所述第一面与所述光机模组的出光面呈第一夹角；及所述光路改变元件设置在所述光传输元件与所述光机模组之间，所述光路改变元件用于接收所述光线，并将所述光线投射至所述第一面，所述光线从所述第一面出射，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述第三面之间的距离在预定范围内。

在某些实施方式中，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述第三面之间的距离等于所述光传输元件的中心轴至所述第三面之间的距离。

在某些实施方式中，所述光线相对所述第一面垂直出射。

在某些实施方式中，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述第三面之间的距离小于所述光传输元件的中心轴至所述第三面之间的距离。

在某些实施方式中，所述光线相对所述第一面呈第二夹角出射。

在某些实施方式中，所述光传输元件用于将所述光线从所述第一面投射至人眼，所述光线在所述第一面的出射位置的中心位于所述人眼在所述第一面的正投影范围内。

在某些实施方式中，所述光传输元件用于将所述光线从所述第一面投射至人眼，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述光机模组分别位于所述正投影的两侧。

在某些实施方式中，所述光路改变元件包括入射面及出射面，所述入射面与所述出光面平行，所述光线从所述出射面出射后垂直进入所述第一面。

在某些实施方式中，所述光路改变元件包括入射面及出射面，所述入射面与所述出光面平行，所述光线从所述出射面出射后倾斜进入所述第一面。

在某些实施方式中，所述光路改变元件与所述光机模组结合，且所述光路改变元件与所述光机模组通过一个共同的载体结合，所述光路改变元件与所述光机模组间隔或贴合。

本申请实施方式还提供一种智能穿戴设备，所述智能穿戴设备包括：镜框、镜腿和上述任一实施方式的所述的光学显示组件。所述光机模组与所述光路改变元件设置在所述镜腿内，所述光传输元件设置在所述镜框内。

在某些实施方式中，所述光学显示组件的数量为两个，两个所述光机模组与两个所述光路改变元件分别设置在两个所述镜腿内，两个所述光传输元件分别设置在两个所述镜框内。

本申请的光学显示组件及智能穿戴设备利用光机模组的出光面与光路传输元件的第一面呈第一夹角设置，使得光学显示组件更容易与前窄后宽的人的头部匹配。同时，本申请的光学显示组件及智能穿戴设备利用在光机模组与光路传输元件之间增设光路改变元件，并利用该光路改变元件改变光机模组发出的光线的传输方向后从光传输元件的第一面的一端进入，并使得光线经光传输元件传输后从第一面的另一端出射，且出射位置的中心与第三面之间的距离在预定范围内，从而使得用户能以最佳视角观看光机模组投影的画面。

本申请实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点可以从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请某些实施方式的智能穿戴设备的结构示意图；

图2是本申请某些实施方式的光学显示组件的结构示意图；

图3是本申请某些实施方式的光学显示组件的结构示意图；

图4是本申请某些实施方式的光学显示组件的结构示意图；

图5是本申请某些实施方式的智能穿戴设备的结构示意图；

图6是本申请某些实施方式的光学显示组件的结构示意图；

图7是本申请某些实施方式的光学显示组件的结构示意图；

图8是本申请某些实施方式的智能穿戴设备的结构示意图；

图9是本申请某些实施方式的光学显示组件的结构示意图。

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，相同或类似的标号自始至终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，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的实施方式的限制。

请参阅图1，本申请实施方式提供一种智能穿戴设备1000，该智能穿戴设备1000可以是智能AR眼镜、智能AR眼罩、智能AR头盔、智能AR头环、智能VR眼镜、智能VR眼罩、智能VR头盔、或智能VR头环等。本申请实施例以智能穿戴设备1000为智能AR眼镜为例进行说明。

具体地，请结合图2，智能穿戴设备1000包括光学显示组件100、镜框200和镜腿300。在一个实施方式中，镜框200与镜腿300的数量均为两个，两个镜框200与两个镜腿300一一对应，每个镜腿300与对应的镜框200的外侧连接。

光学显示组件100包括光机模组10、光传输元件20和光路改变元件30。光机模组10与光路改变元件30设置在镜腿300内，光传输元件20设置在镜框200内。光机模组10用于投射携带画面的光线。光传输元件20包括第一面21、第二面23及第三面25，第一面21与第二面23相背，第三面25连接第一面21与第二面23，光传输元件20用于在第一面21接收光线并在第一面21和第二面23间的内部反射光线，第一面21与光机模组10的出光面11呈第一夹角γ。光路改变元件30设置在光传输元件20与光机模组10之间，光路改变元件30用于接收光线，并将光线投射至第一面21，光线从第一面21出射，光线在第一面21的出射位置的中心与第三面25之间的距离在预定范围内。

其中，光学显示组件100的数量可以是一个或两个，当光学显示组件100的数量是一个时，光机模组10与光路改变元件30设置在其中一个镜腿300内，光传输元件20设置在与该镜腿300对应的镜框200内。此时的智能穿戴设备1000可为用户的一侧视觉提供虚拟画面或增强现实画面，光机模组10投射的画面不会进入用户的另一侧视觉范围，避免在特定场合对用户视觉造成影响。例如，特定场合可以是用户在开车或驾驶飞机等交通工具时，用户不希望虚拟图像阻挡在一侧视野的前方。

当光学显示组件100的数量是两个时，两个光机模组10与两个光路改变元件30分别设置在两个镜腿300内，两个光传输元件20分别设置在两个镜框200内。此时的智能穿戴设备1000可为用户的两侧视觉提供虚拟画面或增强现实画面，提高用户在特定使用场景，例如游戏中的沉浸感。

具体地，光机模组10包括结构组件、显示屏、和镜片，显示屏与镜片均设置在结构组件内，结构组件用于为显示屏与镜片提供保护，例如防尘、防水、防摔保护等。显示屏用于显示图像，镜片设置在显示屏前方以用于汇聚或扩散从显示屏出射的光线。光机模组10用于投射携带画面的光线，也即是说，光机模组10用于将显示屏显示的图像放大输出。需要指出的是，光机模组10投射至光传输元件20中的光线位于第一面21上的指定范围内，例如，该指定范围的尺寸(当指定范围为矩形，则尺寸是宽度；当指定范围为圆形，则尺寸是半径)可以为小于等于5mm，或为小于等于10mm，也可以为小于等于15mm等。

第一夹角γ可以为锐角(图2中的与光机模组10相接的虚线平行于第一面21)，即γ＜90°，γ可以为15°、20°、30°、45°、55°、60°、67°、70°、80°、88°等。目前，在镜腿300与光传输元件20垂直时，要使得光机模组10发出的光垂直进入光传输元件20之后，再垂直射入人眼，只需要镜腿300的中心轴与光机模组10的光轴平行即可，也即光机模组10的光轴与光传输元件20垂直即可。但是，人们佩戴上智能穿戴设备1000后会将智能穿戴设备1000的两侧撑开，在结构设计上，本申请实施方式的镜腿300的中心轴与光传输元件20(镜框200)之间设计成相对倾斜并呈一夹角，而非互相垂直，以更符合人体工程学。如果在保持镜腿300宽度不变，且光机模组10的光轴与光传输元件20保持垂直的情况下，仅仅依靠旋转镜腿300以形成这个夹角，镜腿300则无法把光轴垂直光传输元件20的光机模组10包裹进来。一个解决办法是：增大镜腿300的尺寸以能够将光机模组10包裹进来，此方法会增加镜腿300的***尺寸，降低美观，还增加镜腿300的体积与重量，增加成本的同时还影响佩戴舒适度。本申请的智能穿戴设备1000及光学显示组件100通过将第一面21与光机模组10的出光面11呈第一夹角γ设计，使得光路改变元件30与光机模组10可以一起放置于智能穿戴设备1000中，且光路改变元件30与光机模组10构成的光学组件的光轴与镜腿300的中心轴保持平行，此时，光路改变元件30与光机模组10构成的光学组件相对光传输元件20倾斜相同的角度，由此可不增加智能穿戴设备1000的镜腿300的体积和重量便可将光机模组10及光路改变元件30均包裹进来，使得智能穿戴设备1000轻便且结构紧凑。

光传输元件20用于将从光机模组10中发射出来的携带有画面的光线在光传输元件20内部经过全反射后从光传输元件20的出射位置射出。光传输元件20包括光波导，例如波导片、光纤等，光波导可以由玻璃或塑料制成。本实施方式中，光传输元件20为波导片。在本申请实施方式的智能穿戴设备1000中，由于光传输元件20(光波导)轻薄而且对外界光线有高穿透性，从第一面21进入光传输元件20内部的光线在光波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来，光传输元件20将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”原理将光传输到人眼的前方再从第一面21释放出来。在整个传输的过程中，光传输元件20只负责传输光机模组10投射的图像，在人眼位置可以看到光机模组10投射的虚拟的图像，同时因为光传输元件20的高穿透性，用户还可以看到真实的世界，从而能够实现现实增强效果。本申请实施方式的智能穿戴设备1000因为有了光传输元件20这个传输元件，可以将光机模组10远离镜框200设置，例如设置在智能穿戴设备1000的侧面，即设置在镜腿300上，这极大降低了光机模组10对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而改善了智能穿戴设备1000的佩戴体验。

光路改变元件30包括棱镜、透镜、光栅、平行平板、菲涅耳波带片、双折射晶体、液晶等，用于改变光线传输路径。本申请实施例中，光路改变元件30为棱镜。

尽管光路改变元件30与光机模组10构成的光学组件的光轴与镜腿300的中心轴保持平行，即可解决前述的镜腿300无法把光轴垂直光传输元件20的光机模组10包裹进来的问题，但是，此时，来自光机模组10的光线不会垂直进入光传输元件20，也不会垂直出射并进入人眼了，导致人们仍然无法从最佳视角来看观看光机模组10的投射画面。鉴于此，本申请实施方式中，光路改变元件30与光传输元件20共同作用使得光线在第一面21的出射位置的中心与第三面25之间的距离在预定范围内，预定范围可以是距离第三面25的距离为10mm～30mm，可以包括10mm、15mm、18mm、20mm、22mm、26mm、28mm、29mm、30mm等，预定范围可以是如图1所示的虚线圈表示的范围，能够保证光学显示组件100的投影显示的位置与用户观看投影画面的最佳视角相匹配，增强用户体验。在某些实施方式中，光线在第一面21的出射位置的中心可以是与光传输元件20的中心轴27位置相对应，此时光线能够在镜框200的中心区域投射至用户面前，使得人们能够从最佳视角来看观看光机模组10投射画面，投影视角更好，场景真实感增加。当智能穿戴设备1000为智能AR眼镜，人们在佩戴该智能穿戴设备1000时，人眼通常会与光传输元件20的中心轴27正对，因此，光线在第一面21的出射位置的中心也可以与人眼在佩戴智能穿戴设备1000后在第一面21上的正投影的中心位置相对应，使得用户不需要偏转眼球就可以看到投射画面，观看视角更好，场景真实感增加。

综上，本申请的光学显示组件100及智能穿戴设备1000利用光机模组10的出光面11与光路传输元件20的第一面21呈第一夹角γ设置，使得光学显示组件100更容易与前窄后宽的人的头部匹配。同时，本申请的光学显示组件100及智能穿戴设备1000利用在光机模组10与光路传输元件20之间增设光路改变元件30，并利用该光路改变元件30改变光机模组10发出的光线的传输方向后从光传输元件20的第一面21的一端进入，并使得光线经光传输元件20传输后从第一面21的另一端出射，且出射位置的中心与第三面25之间的距离在预定范围内，从而使得用户能以最佳视角观看光机模组10投影的画面。

请参阅图3，在某些实施方式中，光路改变元件30与光传输元件20共同作用使得光线在第一面21的出射位置的中心与第三面25之间的距离等于光传输元件20的中心轴27至第三面25之间的距离。也即是说，光线的出射位置的中心位于光传输元件20的中心轴27上，这样能够保证光线的出射位置位于用户的正前方，使得光学显示组件100的投影显示位置与用户观看投影画面的最佳视角相匹配，投影视角更好，场景真实感增加，增强用户体验。

请继续参阅图3，具体地，光路改变元件30包括相背设置的入射面31及出射面32。入射面31与光机模组10的出光面11平行，出射面32与入射面31的夹角呈第一锐角，使得光路改变元件30内的光线折射后(向右偏转)垂直第一面21进入光传输元件20。进入光传输元件20内部的光线经过多次全反射后垂直第一面21出射，由于人眼通常位于与光传输元件20的中心轴27正对的位置，从第一面21垂直出射的光线可垂直进入人眼，此时，用户不仅可以以最佳视角观看光机模组10投射的画面，而且光线投射至人眼的路线最短，缩短用户看到投射画面的时间，用户体验最佳。

请参阅图4，在某些实施方式中，光路改变元件30与光传输元件20共同作用使得光线在第一面21的出射位置的中心与第三面25之间的距离小于光传输元件20的中心轴27至第三面25之间的距离。其中，光线在第一面21的出射位置位于图4中虚线圈中的区域，光线在第一面21的出射位置的中心偏离中心轴27并邻近第三面25。

具体地，请继续参阅图4，光路改变元件30仍然包括相背设置的入射面31及出射面32。入射面31与光机模组10的出光面11平行，出射面32与入射面31的夹角呈第二锐角，且第二锐角小于第一锐角，使得光路改变元件30内的光线折射后(相较图3向右偏转更多)并倾斜地从第一面21进入光传输元件20。进入光传输元件20内部的光线经过多次全反射后相对第一面21倾斜出射(倾斜方向朝向中心轴27的方向)，由于人眼通常位于与光传输元件20的中心轴27正对的位置，从第一面21倾斜出射的光线仍可进入人眼，此时，用户不仅可以以最佳视角观看光机模组10投射的画面，而且，光机模组10投射的画面位于光传输元件20的远离光机模组10的一侧，不在用户的正前方，不会阻挡用户的视野，避免特定场合对用户视觉的影响。特定场合例如可以是用户在开车或者驾驶飞机等交通工具的同时使用智能穿戴设备1000的时候，投影画面不在用户的正前方，不会阻挡用户的视野，从而能够保证用户在特定场合使用智能穿戴设备1000的安全性。

请参阅图5，在某些实施方式中，进入光传输元件20内部的光线经过多次全反射后相对第一面21倾斜出射包括：光线相对第一面21呈第二夹角出射。第二夹角可以为锐角，如图5所示中的θ角所示，即第二夹角θ＜90°，θ可以为19°、25°、35°、45°、50°、60°、67°、70°、82°、89°等。第二夹角也可以指的是与图5中的θ角互补的角，此时第二夹角即为钝角。光线相对第一面21呈第二夹角θ出射可以使得倾斜进入光传输元件20的光线能从第一面21倾斜出射且仍可进入人眼，此时，用户不仅可以以最佳视角观看光机模组10投射的画面，而且，光机模组10投射的画面位于光传输元件20的远离光机模组10的一侧，不在用户的正前方，不会阻挡用户的视野，避免特定场合对用户视觉的影响，从而能够保证用户在特定场合使用智能穿戴设备1000的安全性。

请参阅图6，在某些实施方式中，光传输元件20用于将光线从第一面21投射至人眼，光线在第一面21的出射位置的中心位于人眼在第一面21的正投影范围内。

具体地，人眼在第一面21的正投影如图6中虚线圈所示，光线从人眼在第一面21的正投影范围内出射能够保证投影画面在人眼的正前方，用户不需要偏转眼球就可以轻松看到投影画面，可以减轻人眼疲劳。

请继续参阅图6，更具体地，光路改变元件30可包括相背设置的入射面31及出射面32。入射面31与光机模组10的出光面11平行，出射面32与入射面31的夹角呈第三锐角，使得光路改变元件30内的光线折射后(向右偏转)垂直第一面21进入光传输元件20。进入光传输元件20内部的光线经过多次全反射后垂直第一面21出射。其中，第三锐角可以与第一锐角相同，也可以不同。

在一个例子中，人眼位于与光传输元件20的中心轴27正对的位置，从第一面21垂直出射的光线可垂直进入人眼，此时，用户不仅可以以最佳视角观看光机模组10投射的画面，而且光线投射至人眼的路线最短，缩短用户看到投射画面的时间，用户体验最佳。

请参阅图7，在某些实施方式中，光传输元件20用于将光线从第一面21投射至人眼，光线在第一面21的出射位置的中心与光机模组10分别位于正投影的两侧。

具体地，人眼在第一面21的正投影如图7中虚线圈所示，光线在第一面21的出射位置的中心与光机模组10分别位于正投影的两侧，能够满足用户在观看投影画面时，入射至用户双眼的光线的反方向可以汇聚至一个点O上(如图8所示)，这对于人眼来说，是舒适自然的，增强用户体验。

请继续参阅图7，更具体地，光路改变元件30仍然包括相背设置的入射面31及出射面32。入射面31与光机模组10的出光面11平行，出射面32与入射面31的夹角呈第四锐角，且第四锐角小于第三锐角，使得光路改变元件30内的光线折射后(相较图6向右偏转更多)并倾斜地从第一面21进入光传输元件20。进入光传输元件20内部的光线经过多次全反射后相对第一面21倾斜出射(倾斜方向朝向中心轴27的方向)。其中，第四锐角可以与第二锐角相同，也可以不同，第四锐角小于第三锐角。

在一个例子中，人眼位于与光传输元件20的中心轴27正对的位置，从第一面21倾斜出射的光线可倾斜进入人眼，此时，用户不仅可以以最佳视角观看光机模组10投射的画面，而且，光机模组10投射的画面位于光传输元件20的远离光机模组10的一侧，不在用户的正前方，不会阻挡用户的视野，避免特定场合对用户视觉的影响，从而能够保证用户在特定场合使用智能穿戴设备1000的安全性。

请参阅图8和图9，在某些实施方式中，光路改变元件30与光机模组10结合。具体地，在一个实施例中，光路改变元件30与光机模组10结合的方式包括：光路改变元件30与光机模组10通过一个共同的载体结合，例如，光路改变元件30与光机模组10均安装在载体内，但二者可以是间隔的，即出光面11与入射面31可以是间隔的(如图8所示)，能够避免在使用智能穿戴设备1000时，光机模组10与光路改变元件30发生摩擦，损坏光机模组10或光路改变元件30，延长智能穿戴设备1000的使用寿命。当然，光路改变元件30与光机模组10均安装在载体内，但二者可以是相互贴紧的，即出光面11与入射面31接触，如此可以避免杂光入射面31进入，提高了智能穿戴设备1000的成像质量，增强用户体验。

在另一个实施例中，光路改变元件30与光机模组10可以通过螺纹连接、胶合、焊接、卡合等方式组成为一个单体结构，此时，该单体结构可以安装在一个载体内，此时，出光面11与入射面31也可以是贴合的(如图9所示)，如此，能够减小镜腿300的内部体积，有利于智能穿戴设备1000的轻便化。此外，出光面11与入射面31是贴合的，还可以避免光入射面31进入，提高了智能穿戴设备1000的成像质量，增强用户体验。

需要说明的是，此处的载体可以是镜腿300，也可以是其他壳体结构，在此不作限制。

Claims (12)

1.一种光学显示组件，其特征在于，包括：

光机模组，所述光机模组用于投射携带画面的光线；

光传输元件，所述光传输元件包括第一面、第二面及第三面，所述第一面与所述第二面相背，所述第三面连接所述第一面与所述第二面，所述光传输元件用于在第一面接收所述光线并在所述第一面和所述第二面间的内部反射所述光线，所述第一面与所述光机模组的出光面呈第一夹角；及

光路改变元件，所述光路改变元件设置在所述光传输元件与所述光机模组之间，所述光路改变元件用于接收所述光线，并将所述光线投射至所述第一面，所述光线从所述第一面出射，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述第三面之间的距离在预定范围内。

2.根据权利要求1所述的光学显示组件，其特征在于，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述第三面之间的距离等于所述光传输元件的中心轴至所述第三面之间的距离。

3.根据权利要求2所述的光学显示组件，其特征在于，所述光线相对所述第一面垂直出射。

4.根据权利要求1所述的光学显示组件，其特征在于，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述第三面之间的距离小于所述光传输元件的中心轴至所述第三面之间的距离。

5.根据权利要求4所述的光学显示组件，其特征在于，所述光线相对所述第一面呈第二夹角出射。

6.根据权利要求1所述的光学显示组件，其特征在于，所述光传输元件用于将所述光线从所述第一面投射至人眼，所述光线在所述第一面的出射位置的中心位于所述人眼在所述第一面的正投影范围内。

7.根据权利要求1所述的光学显示组件，其特征在于，所述光传输元件用于将所述光线从所述第一面投射至人眼，所述光线在所述第一面的出射位置的中心与所述光机模组分别位于所述正投影的两侧。

8.根据权利要求2或6所述的光学显示组件，其特征在于，所述光路改变元件包括入射面及出射面，所述入射面与所述出光面平行，所述光线从所述出射面出射后垂直进入所述第一面。

9.根据权利要求4或7所述的光学显示组件，其特征在于，所述光路改变元件包括入射面及出射面，所述入射面与所述出光面平行，所述光线从所述出射面出射后倾斜进入所述第一面。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的光学显示组件，其特征在于，所述光路改变元件与所述光机模组结合，且所述光路改变元件与所述光机模组通过一个共同的载体结合，所述光路改变元件与所述光机模组间隔或贴合。

11.一种智能穿戴设备，其特征在于，包括：

镜框；

镜腿；及

权利要求1-10任意一项所述的光学显示组件，所述光机模组与所述光路改变元件设置在所述镜腿内，所述光传输元件设置在所述镜框内。

12.根据权利要求11所述的智能穿戴设备，其特征在于，所述光学显示组件的数量为两个，两个所述光机模组与两个所述光路改变元件分别设置在两个所述镜腿内，两个所述光传输元件分别设置在两个所述镜框内。

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