CN115145027A - 显示组件及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种显示组件及头戴式显示设备，其中，显示组件包括层叠设置的光调制器和相干背光单元，相干背光单元被配置为，为光调制器提供相干背光源；光调制器被配置为，根据全息图像数据和相干背光源生成全息三维图像的像源；显示组件在使用状态下，人眼位于光调制器的远离相干背光单元的一侧。该信息显示组件中，将全息三维显示与头戴式显示相结合，直接由光调制器生成全息三维图像的像源，扩大了显示视场，降低了信息显示组件的复杂度、体积和重量，同时解决了双目视差三维显示导致的辐辏聚焦问题，提升了用户的使用体验。

Description

显示组件及头戴式显示设备

技术领域

本公开涉及信息显示技术领域，尤其涉及一种显示组件及头戴式显示设备。

背景技术

增强现实(augmented reality,AR)显示设备，即将计算机生成的虚拟场景与外界真实场景融合，通过光学***投射到人眼的显示设备。目前已有的AR显示设备主要为头戴式显示设备，分为两大类：一类基于传统几何光学叠加技术，该类显示设备存在光学组件厚重、视场角小、外部光线透过率底、像源光能利用率较低、加工难度较大等缺陷，在实际商业应用中显示效果不佳；另一类基于衍射光学技术，通过设计衍射光波导器件或者衍射光栅对光线进行传输和偏折，但是，该类显示设备仍存在一些问题，包括***视场角较小导致观察过程中出现视场丢失现象、衍射波导传输效率较低导致像源光能利用率较低、衍射波导显示搭载的光机引擎体积较大导致显示设备整机体积过大等。而且，上述两类显示设备都基于双目视差实现三维立体显示，人眼观察时存在辐辏聚焦矛盾，长时间佩戴会出现视疲劳。

另外，近期又出现了一种全息三维显示技术，其具备完整记录并重建物体波前信息的能力，被认为是最具前景的显示技术。但是，传统的全息三维显示技术仍存在一些问题：调制器件的空间带宽积有限导致显示分辨率和***视差角不足、全息显示的数据传输量较大需要设备有足够快的传输速度、实时地全息三维显示对设备处理器性能有很高的要求等。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开的目的在于提供一种信息显示组件及头戴式显示设备，直接由光调制器生成全息三维图像的像源，扩大显示视场，降低信息显示组件的复杂度、体积和重量，同时解决双目视差三维显示导致的辐辏聚焦问题，提升用户的使用体验。

为了达到上述目的，本公开所采用的技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种显示组件，应用于头戴式显示设备，所述显示组件包括层叠设置的光调制器和相干背光单元，其中，

所述相干背光单元被配置为，为所述光调制器提供相干背光源；

所述光调制器被配置为，根据图像信号数据和所述相干背光源生成全息三维图像的像源。

可选地，所述光调制器包括以下中任意一种：空间光调制器、超透镜光调制器、动态可刷新材料制作的光调制器。

可选地，所述相干背光单元包括背光板和相干光源。

可选地，所述背光板包括波导器件，所述波导器件被配置为，根据所述相干光源生成所述相干背光源，所述相干背光源的光线覆盖面积大于所述相干光源的光线覆盖面积。

可选地，所述波导器件包括单层格栅结构，其中，所述单层格栅结构的远离所述光调制器的一侧设置单层玻璃基底。

可选地，所述波导器件包括双层格栅结构，所述双层格栅结构包括第一格栅结构和第二格栅结构，所述第一格栅结构被配置为处理蓝色光线，所述第二格栅结构被配置为处理红色光线和绿色光线，其中，所述第一格栅结构位于所述第二格栅结构和所述光调制器之间，所述第一格栅结构和所述第二格栅结构之间设置第一玻璃基底，所述第二格栅结构的远离所述第一格栅结构的一侧设置第二玻璃基底。

可选地，所述显示组件还包括相位透镜，所述相位透镜和所述相干背光单元分别位于所述光调制器的两侧。

可选地，所述相位透镜包括以下中任意一种：微透镜阵列、衍射光学元件、菲涅尔透镜。

可选地，所述显示组件构造为半透明结构。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括数据处理组件以及如第一方面所述的信息显示组件，所述显示组件构成所述头戴式显示设备的观察镜片，所述数据处理组件与所述显示组件电连接，所述数据处理组件被配置为，向所述显示组件传输图像信号数据。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：该信息显示组件中，将全息三维显示与头戴式显示相结合，直接由光调制器生成全息三维图像的像源，扩大了显示视场，降低了信息显示组件的复杂度、体积和重量，同时解决了双目视差三维显示导致的辐辏聚焦问题，提升了用户的使用体验。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的显示组件的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的背光板的结构示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的背光板的结构示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的头戴式显示设备的结构示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的人眼与显示组件的相对位置示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开提供了一种显示组件，该显示组件中，将全息三维显示与头戴式显示相结合，直接由光调制器生成全息三维图像的像源，扩大了显示视场，降低了显示组件的复杂度、体积和重量，同时解决了双目视差三维显示导致的辐辏聚焦问题，提升了用户的使用体验。

在一个示例性实施例中，提供了一种显示组件。参考图1所示，该显示组件1包括层叠设置的光调制器12和相干背光单元11。其中，相干背光单元11被配置为，为光调制器12提供相干背光源；光调制器12被配置为，根据全息图像数据和相干背光源生成全息三维图像的像源。显示组件在使用状态下，人眼位于光调制器的远离相干背光单元的一侧。

该显示组件1基于相干光源设计，光调制器12通过对相干光源进行位相振幅调制进而生成可直接供人眼观看的全息三维图像的像源，实现全息三维显示。全息三维显示通过光线的衍射在空间投射全息三维图像。在全息显示的记录过程中，三维场景的信息包括强度、深度、纹理、光照等，上述信息会被无差别的全部记录，因此当真实物体和全息三维图像位于同一个空间时，它们可以被人眼无差别的接收，进而解决双目视差三维显示导致的辐辏聚焦问题，用户即使长时间使用，也不会出现视疲劳。

其中，该显示组件1可以构造为半透明结构，以更好地确保人眼既可以观看到由光调制器12生成的全息三维图像，又可观看到真实世界的物体，提升用户的使用体验。需要注意的是，该显示组件1中，半透明结构的透明度是为了能够保证既可观看到虚拟的全息三维图像，又可观看到真实的物体，半透明结构的透光度并非必须为50％，其也可以是40％、80％或90％等，在此不做赘述。

另外，光调制器12可以是基于振幅调制，也可以是基于位相调制(又叫相位调制)，也可同时基于振幅和位相调制。示例地，光调制器12可以包括以下中的任意一种：空间光调制器12(LCOS)、超透镜光调制器12(Metalens)或动态可刷新材料制作的光调制器12。即，光调制器12可以是空间光调制器12(LCOS)、超透镜光调制器12(Metalens)或动态可刷新材料制作的光调制器12。其中，动态可刷新材料制作的光调制器12可以是，基于聚合物光折变材料、光折变晶体或光至变色材料制作的光调制器12，在实际应用中还需关注材料的透过率参数，在此不做赘述。

在全息三维显示中，光调制器12的空间带宽积(space bandwidth product,SBP)决定显示组件1的分辨率和视差角(即人眼左右移动的角度范围)。通常来说，光调制器12的空间带宽积可以表示为：

W×θ＝λ×N

其中W为图像尺寸，θ为视差角，λ为入射光波长，N为光调制器12的像素数。

示例地，假设显示组件1的有效尺寸为50mm*50mm，视场角为80°，出瞳距离为30mm。当显示组件1的视差角为±1°时，对应出瞳尺寸为1.79mm；当视差角为±2°时，对应出瞳尺寸为3.57mm；当视差角为±3°时，对应出瞳尺寸为5.37mm；当视差角为±4°时，对应出瞳尺寸为7.17mm。由上述数据可知，视差角在±3°-±4°的范围时，显示组件1既可实现大视场角，又可满足人眼观察需要的出瞳尺寸，因此，该显示组件1可以降低对显示组件1的空间带宽积的要求，削弱显示组件1的空间带宽积对显示效果的制约。

需要注意的是，上述仅仅是示例性的说明，在实际应用中，显示组件1的实际尺寸根据设计需求确定，在此不作赘述。

该显示组件1中，将全息三维显示与头戴式显示相结合，光调制器12生成全息三维图像的像源(像源指人眼直接观看的图像)，即用户可直接通过观看光调制器12生成的全息三维图像。当该显示组件1应用于头戴式显示设备时，直接将像源作为观察窗口，像源不需要经过波导传输直接进入人眼，即，人眼不仅仅可直接观看到像源(全息三维图像)，还可透过像源观察真实世界的景物，实现增强显示的效果。人眼的出瞳位置与显示组件1的相对移动较小，即对显示组件1的视差角要求较小，可以很好地扩大显示视场。

另外，该显示组件1中，基于相干背光源，通过光调制器12件实现全息三维显示，舍弃衍射光学技术中搭载的光机引擎，将大大缩小整个组件的体积和重量，还可以很好地规避视场角受限问题，进一步扩大显示视场，提升用户的使用体验。

在一个示例性实施例中，提供了一种显示组件。参考图1-3所示，该显示组件1中，相干背光单元11包括背光板和相干光源(图中未示出)，相干光源可以是激光光源或LED光源。

该显示组件1中，通过背光板对相干光源进行扩展，形成较大尺寸的相干背光源，供光调制器12使用，更好地确保光调制器12生成的全息三维图像位于人眼可观察的最佳范围内，提升了用户的使用体验。

需要注意的是，由于该显示组件1中的光调制器12具备动态刷新能力，因此可以适当降低对相干背光源的光源强度均匀性的要求，更加便于相干背光单元11的设置。

其中，背光板的尺寸大于或等于50mm*50mm，其包括波导器件，波导器件被配置为，根据相干光源生成相干背光源，相干背光源的光线覆盖面积大于相干光源的光线覆盖面积，即，通过波导器件对相干光源进行扩展，形成较大尺寸的相干背光源。

示例1，

参考图1和2所示，波导器件包括单层格栅结构101，其中，单层格栅结构101的远离光调制器12的一侧设置单层玻璃基底102，一般情况下，玻璃基底102的折射率越低越好。该示例中的波导器件中，相干光源的光线(图1和2中箭头所示)从输入光栅射入，然后经过波导器件对相干光源处理，从输出光栅输出，起到扩展相干光源的目的，实现大尺寸的相干背光源供光调制器12使用。

由该波导器件和相干光源形成的相干背光单元，结构简单，厚度尺寸较小，可以更好地减小显示组件1的整体尺寸，当该显示组件1应用于头戴式显示设备时，可更好地提高佩戴的舒适性，提升用户的佩戴体验。

示例2，

参考图3所示，波导器件包括双层格栅结构101a，双层格栅结构101a包括第一格栅结构a1和第二格栅结构a2，第一格栅结构a1被配置为处理蓝色光线，第二格栅结构a2被配置为处理红色光线和绿色光线，其中，第一格栅结构a1位于第二格栅结构a2和光调制器12之间，第一格栅结构a1和第二格栅结构a2之间设置第一玻璃基底b1，第二格栅结构a2的远离第一格栅结构a1的一侧设置第二玻璃基底b2。

该波导器件中，相干光源中的蓝色光线从第一格栅结构a1的输入光栅射入，然后从第一格栅结构a1的输出光栅射出；相干光源的红色光线和绿色光线从第二格栅结构a2的输入光栅射入，然后依次经过第二格栅结构a2的输出光栅、第一玻璃基底b1和第一格栅结构a1的输出光栅，输出波导器件a。即，相干光源经过波导器件的处理，将其扩展为尺寸较大的相干背光源，供光调制器12使用。

该示例中的波导器件中，相干背光源的光源强度均匀性更好，显示组件1的全息三维显示效果更好，进一步提升用户的观看体验。

需要注意的是，该显示组件1中，波导器件仅仅是作为背光板，为光调制器12提供相干背光源，其具体结构形式并不局限于上述两种示例，也可以是其他结构形式，在此不做赘述。

在一个示例性实施例中，提供了一种显示组件。参考图1所示，该显示组件1还包括相位透镜13，相位透镜13和相干背光单元11分别位于光调制器12相反的两侧，即，在使用状态下，相位透镜13位于靠近人眼的一侧，人眼通过相位透镜13观察光调制器12生成的全息三维图像。

其中，相位透镜13可以包括以下中的任意一种：微透镜阵列、衍射光学元件、菲涅尔透镜，即，相位透镜13可以是微透镜阵列、衍射光学元件或菲涅尔透镜。当然，相位透镜13还可以是其他具有相位调节能力(例如会聚光线能力)的光学元件，在此不做赘述。

该显示组件1中，在靠近人眼的位置根据光调制器12件的调焦范围增加相位透镜13，可以很好地解决的近视和远视的问题，更好地提高显示组件1的灵活性和适配性，保证光调制器12生成的全息三维图像位于人眼观察的最佳范围内，进一步提升了用户的使用体验。

例如，当光调制器12生成的全息三维图像过远时，可以通过相位透镜13将像面拉到人眼合理的观察范围，以确保人眼可以很好地观察到全息三维图像。

在一个示例性实施例中，提供了一种头戴式显示设备。该头戴式显示设备与全息三维显示技术实现增强现实的效果。参考图4和5所示，该头戴式显示设备包括数据处理组件2以及如上所述的显示组件1，数据处理组件2与显示组件1电连接，数据处理组件2被配置为，向显示组件1传输用于生成全息图像的图像信号数据，显示组件1可根据图像信号数据生成虚拟的全息三维图像。显示组件1构成头戴式显示设备的观察镜片，人眼可通过该观察家镜片观察真实世界的景物，还可通过该观察镜片观察全息三维图像，以实现增强现实的效果。

该头戴式显示设备的基本形态可与传统眼镜类似。与传统眼镜相比，该头戴式显示设备除了包括眼镜框3和观察镜片外，还包括如图4所示的数据处理组件2，数据处理组件2可以由计算单元、电池、存储器等组成，数据处理组件2与观察镜片通过数据传输线4连接，数据处理组件2通过数据传输线4向观察镜片中的光调制器12传输图像信号数据，光调制器12可根据图像信号数据生成虚拟的全息三维图像。

其中，输出传输线可部分设置在眼镜框3内，即，头戴式显示设备可从眼镜框3的末端(末端指与设置观察镜片相反的一端)出线，然后与数据处理组件2连接，在佩戴状态下，数据传输线4从用户头部的后侧绕线，对人眼的视线不会产生影响，以提高佩戴的舒适性，进一步提升使用体验。

图像信号数据可通过计算单元生成，也可从云端加载，然后传输至显示组件1，通过显示组件1对全息图像数据进行调制，形成进入人眼的全息三维图像的像源。此处显示组件1可以为半透明结构，使得虚拟的全息三维图像和外界真实的景物同时进入人眼，实现增强现实的三维显示效果，提升用户的使用体验。

如图5所示，该头戴式显示设备中，将传统的全息三维显示与传统的头戴式显示相结合，直接将像源作为观察窗口，像源不需要经过波导传输直接进入人眼，人眼不仅仅可直接观看到像源(全息三维图像)，还可透过像源观察真实世界的景物，解决了双目视差三维显示导致的辐辏聚焦问题，用户即使长时间使用，也不会出现视疲劳。人眼的出瞳位置与显示组件1的相对移动较小，即对显示组件1的视差角要求较小，可以很好地扩大显示视场，且可以降低对显示组件1的空间带宽积的要求，削弱显示组件1的空间带宽积对显示效果的制约。另外，该头戴式显示设备中，基于相干背光源，通过光调制器件实现全息三维显示，舍弃衍射光学技术中搭载的光机引擎，将大大缩小整个组件的体积和重量，提升佩戴的舒适性，还可以很好地规避视场角受限问题，进一步扩大显示视场，更好地提升用户的使用体验。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种显示组件，应用于头戴式显示设备，其特征在于，所述显示组件包括层叠设置的光调制器和相干背光单元，其中，

所述相干背光单元被配置为，为所述光调制器提供相干背光源；

所述光调制器被配置为，根据图像信号数据和所述相干背光源生成全息三维图像的像源；

所述显示组件在使用状态下，人眼位于所述光调制器的远离所述相干背光单元的一侧。

2.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述光调制器包括以下中任意一种：空间光调制器、超透镜光调制器、动态可刷新材料制作的光调制器。

3.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述相干背光单元包括背光板和相干光源。

4.根据权利要求3所述的显示组件，其特征在于，所述背光板包括波导器件，所述波导器件被配置为，根据所述相干光源生成所述相干背光源，所述相干背光源的光线覆盖面积大于所述相干光源的光线覆盖面积。

5.根据权利要求4所述的显示组件，其特征在于，所述波导器件包括单层格栅结构，其中，所述单层格栅结构的远离所述光调制器的一侧设置单层玻璃基底。

6.根据权利要求4所述的显示组件，其特征在于，所述波导器件包括双层格栅结构，所述双层格栅结构包括第一格栅结构和第二格栅结构，所述第一格栅结构被配置为处理蓝色光线，所述第二格栅结构被配置为处理红色光线和绿色光线，其中，所述第一格栅结构位于所述第二格栅结构和所述光调制器之间，所述第一格栅结构和所述第二格栅结构之间设置第一玻璃基底，所述第二格栅结构的远离所述第一格栅结构的一侧设置第二玻璃基底。

7.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述显示组件还包括相位透镜，所述相位透镜和所述相干背光单元分别位于所述光调制器的两侧。

8.根据权利要求7所述的显示组件，其特征在于，所述相位透镜包括以下中任意一种：微透镜阵列、衍射光学元件、菲涅尔透镜。

9.根据权利要求1-8任一项所述的显示组件，其特征在于，所述显示组件构造为半透明结构。

10.一种头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备包括数据处理组件以及如权利要求1-10任一项所述的显示组件，所述显示组件构成所述头戴式显示设备的观察镜片，所述数据处理组件与所述显示组件电连接，所述数据处理组件被配置为，向所述显示组件传输图像信号数据。

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