CN115469459A - 近眼显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及显示技术领域并提供一种近眼显示设备。所述近眼显示设备包括：图像源，用于出射图像光；调焦组件，用于改变所述图像光的焦距；耦入结构，位于所述图像源和所述调焦组件之间，用于将所述图像光耦入所述调焦组件；光波导，位于所述调焦组件的出光侧；以及耦出结构，位于所述光波导的出光区。所述图像光经所述调焦组件后在所述光波导内传播并自所述耦出结构耦出所述光波导。
Description
技术领域
本申请涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种近眼显示设备。
背景技术
目前，基于增强现实(augmented reality，AR)技术的近眼显示设备，存在使用者眼睛容易疲劳，甚至产生晕眩的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种近眼显示设备。所述近眼显示设备包括：
图像源，用于出射图像光；
调焦组件，用于改变所述图像光的焦距；
耦入结构，位于所述图像源和所述调焦组件之间，用于将所述图像光耦入所述调焦组件；
光波导，位于所述调焦组件的出光侧；以及
耦出结构，位于所述光波导的出光区；
其中，所述图像光经所述调焦组件后在所述光波导内传播并自所述耦出结构耦出所述光波导。
由于上述的近眼显示设备通过在图像源出射的图像光的光路上，设置所述调焦组件，能够改变图像源出射的图像光的焦距，使得使用者可根据需求调整图像源形成的虚像至人眼的距离，使得人眼看到的虚像为远近可变化的，而非一直处于固定的对焦状态，使得人眼的睫状肌能够随之运动，从而缓解人眼的疲劳感，避免晕眩的产生，达到放松的目的。此外，由于上述的近眼显示设备能够通过调焦组件改变图像光的焦距，对于视力不同的使用者可直接佩戴近眼显示设备，而无需先佩戴近视眼镜再佩戴近眼显示设备，解决了近视者穿戴不方便的问题，提升了佩戴的舒适度。
附图说明
图1为本申请一实施例的近眼显示设备的结构示意图。
图2为图1中近眼显示设备的光路示意图。
图3为图2中的调焦组件的结构示意图。
图4A和图4B分别为本申请一实施例中，位置可调的透镜在不同位置处的光路示意图。
图5为本申请另一实施例中，超透镜的成像原理示意图。
主要元件符号说明：
近眼显示设备 100
镜框 10
镜腿 20
镜片 30
图像源 40
耦入结构 50
调焦组件 60
壳体 61
入光孔 611
出光孔 612
第一光引导元件 62
透镜组 63
第一透镜 631
第二透镜 632
第三透镜 633
超透镜 634
载体 6341
微纳结构 6342
第二光引导元件 64
旋钮 65
光波导 70
耦出结构 80
图像光 L1
杂光 L2
右眼 E
距离 D
光轴 X
具体实施方式
增强现实(Augmented Reality，AR)技术，是指通过图像源(也称光机或投影机)的影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟场景能够与现实世界的真实场景进行结合与互动的技术。
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，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本申请一实施例的近眼显示设备100的结构示意图。如图1所示，近眼显示设备100被配置为眼镜的形态(如AR眼镜)。其他实施例中，近眼显示设备100也可配置为头盔或护目镜的形态，在此不做限制。
具体地，近眼显示设备100包括镜框10、连接在镜框10的两侧的镜腿20、设置于镜框10上的两个镜片30及设置于镜框10上的调焦组件60。图1所示的实施例中，两个镜片30均为光波导70。
图2为图1中近眼显示设备100的光路示意图。图2以对应人右眼E的镜片30为例进行说明。近眼显示设备100的对应人的左眼的镜片30与图2中对应人的右眼E的镜片30对称设置，结构相同。
如图2所示，近眼显示设备100还包括图像源40、耦入结构50以及耦出结构80。
具体地，图像源40用于出射图像光L1。图像源40可设置在图1所示的镜腿20处。当近眼显示设备100对应人的双眼的两个镜片30均用于实现AR显示时，图像源40的数量可为两个，该两个图像源40分别设置在两个镜腿20处。或者，该两个图像源40设置在镜框10对应鼻梁处。由于图像源40设置在对应鼻梁处时，会在镜框10处凸出，不利于AR眼镜的美观，因此图像源40较佳地设置在镜腿20处。
当使用者佩戴近眼显示设备100时，两个镜片30分别对应于使用者的左眼和右眼。位于镜腿20处的两个图像源40分别发出带有图像信息的光，以向两个镜片30(或者说两个光波导70)分别提供虚拟图像。
具体地，两个镜片30(或者说两个光波导70)为透明的，能够直接透射真实世界的光线，使用者能够透过两个镜片30看清真实世界中的真实图像。当使用者佩戴近眼显示设备100时，近眼显示设备100能够将虚拟图像与真实世界相叠加，让使用者看到真实图像与虚拟图像结合的图像，达到超越现实的感官体验。
举例而言，近眼显示设备100为可使使用者体验虚拟购物。当使用者佩戴上近眼显示设备100时，两个镜片30将真实世界的图像传递给使用者的眼睛，例如真实世界为一个商店。此时，使用者看到的是一个商店的真实图像。此外，图像源40能够提供虚拟图像给光波导70，例如虚拟图像为商品的相关信息(例如，商品的使用期限、产地、成分等)。此时，光波导70将图像源40提供的虚拟图像传递给使用者，使用者看到的图像是一个真实的商店里的虚拟商品的相关信息。
一实施例中，图像源40的类型为有机发光二极管(Organic Light-EmittingDiode，OLED)显示器、微型无机发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，Micro LED)显示器、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon，LCoS)显示器、数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)和激光束扫描仪(Laser Beam Scanning，LBS)中的任意一种。图像源40出射的光可以为可见光，其可以为单一波长的光线，也可以包含多个波段的光线(例如，红光、蓝光和绿光)。
耦入结构50位于图像源40和调焦组件60之间。耦入结构50用于将图像源40出射的图像光L1耦入调焦组件60。光波导70位于调焦组件60的出光侧。耦入结构50例如为耦入光栅。耦入光栅能够对入射其上的图像光L1衍射，并使衍射出的光进入调焦组件60。
耦出结构80位于光波导70的出光区(又称耦出区)，并用于将光波导70内的图像光L1耦出。耦出结构80例如为耦出光栅。光波导70内传播的图像光L1经耦出光栅衍射后，不满足光波导70的全反射条件的光耦出光波导70，进人人眼而被感知。该过程中，部分杂光L2向远离人眼的方向耦出。
光波导70位于调焦组件60的出光侧。调焦组件60用于改变图像光L1的焦距。请结合参阅图1和图3，调焦组件60包括壳体61及设置于壳体61上的旋钮65。壳体61设置在镜框10上，以避免遮挡使用者透过镜片30观察真实世界的视线。壳体61可设置在镜框10内或镜框10的表面，旋钮65可设置于壳体61的外表面并从镜框10的侧面凸伸出，以便于使用者操作。
如图3所示，调焦组件60还包括第一光引导元件62、第二光引导元件64和透镜组63。第二光引导元件64与第一光引导元件62间隔设置。透镜组63位于第一光引导元件62和第二光引导元件64之间。第一光引导元件62、第二光引导元件64和透镜组63均容纳于壳体61内。壳体61开设有入光孔611和出光孔612。自耦入结构50出射的图像光L1经入光孔611入射至第一光引导元件62，而自耦入结构50耦入的图像光L1依次经第一光引导元件62、透镜组63及第二光引导元件64后经出光孔612耦入光波导70，所述图像光L1在光波导70内进行全反射传播，并自耦出结构80处耦出至人眼。
图3所示的实施例中，第一光引导元件62和第二光引导元件64均为转折棱镜。第一光引导元件62用于将自耦入结构50耦入的光引导至透镜组63。第二光引导元件64用于将经透镜组63的光引导至出光孔612，并使其能够以特定入射角耦入至光波导70中。
可理解地，其他实施例中，第一光引导元件62和第二光引导元件64不限于转折棱镜。例如，第一光引导元件62和第二光引导元件64还可分别为反射镜。或者，第一光引导元件62和第二光引导元件64其中之一者为反射镜，另一者为转折棱镜。
一实施例中，光波导70的折射率为1.4至1.6(如透明的玻璃)。为改善色偏现象，转折棱镜为低折射率的材料，或者说，转折棱镜为折射率接近光波导70的材料。具体地，转折棱镜的折射率为1.4至1.6，转折棱镜的材质例如为聚甲基丙烯酸甲酯(poly methylmethacrylate，PMMA)，但不限于此。
此外，近眼显示设备100还可包括位于光波导70上的转折光栅(图未示)，以实现横向扩瞳和纵向扩瞳，使视场角增大，提升使用者体验。
图3所示的实施例中，透镜组63中的透镜的数量为三个，且每个透镜均为凸透镜。定义自第一光引导元件62至第二光引导元件64的方向，三个透镜依次为第一透镜631、第二透镜632和第三透镜633。该三个透镜中，至少有一个透镜的位置使用者可通过旋钮65调整，以此在图像光L1进入光波导70之前改变焦距。尤其是对于视力不同的使用者，可通过旋钮65调整透镜组63中位置可调的透镜的位置，以此来实现变焦的需求，提升佩戴舒适度并增强观看体验。
其他实施例中，透镜组63中的透镜的数量不限于三个，例如一个、两个或大于三个。透镜组63中的透镜的类型不限于凸透镜，例如每个透镜还可为凹透镜和凹凸透镜其中之一。此外，无论透镜组63中透镜的数量为一个还是多个，透镜组63中至少有一个透镜的位置可调，以改变图像光L1的焦距。
如图4A和图4B所示，透镜组63中透镜的数量为三个，其中第一透镜631和第三透镜633为凸透镜，第二透镜632为凹透镜。在图4A和图4B所示的实施例中，第二透镜632为位置可调的透镜。如图4A和图4B所示，第一透镜631和第三透镜633为固定不动的，即第一透镜631和第三透镜633之间的距离D为固定值。第二透镜632可在第一透镜631和第三透镜633之间沿光轴X来回平移，以改变图像光L1的汇聚程度，进而改变图像光L1经光波导70后形成的虚像至人眼的距离，提升佩戴的舒适度。尤其是对于视力不同的使用者，使用者能够根据眼前虚像的清晰度，通过调焦组件60调整图像光L1的焦距，利于提升观看体验。此外，调焦组件60除了可调整焦距外，还可针对实像进行放大、缩小。
一实施例中，调焦组件60还包括位置调节结构(图未示)。位置调节结构连接位置可调的透镜，位置调节结构用于带动位置可调的透镜运动。位置调节结构例如包括连接位置可调的透镜的电机(图未示)，电机用于带动位置可调的透镜平移。
具体地，位置调节结构还包括传动机构(图未示)和控制单元(图未示)。电机通过传动机构与位置可调的透镜连接。控制单元包括信号输入端(图未示)和信号输入端(图未示)。旋钮65与控制单元的信号输入端连接。电机与控制单元的信号输出端连接。使用者可通过旋钮65给控制单元以控制信号，控制单元输出信号给电机以驱动电机转动。电机带动传动机构使可变焦的透镜平移，进而实现变焦的功能。
传动机构例如包括与电机连接的主动齿轮(图未示)、与主动齿轮啮合的从动齿轮(图未示)、与从动齿轮轴线重合的螺纹套筒(图未示)及与螺纹套筒螺纹配合的螺杆(图未示)。其中，电机转动带动主动齿轮转动，从动齿轮随主动齿轮的转动而转动，螺纹套筒随之转动，而螺杆与螺纹套筒在螺纹配合的带动下，使与其连接的透镜组63中的位置可调的透镜沿光轴X方向移动，从而达到调节近眼显示设备100的焦距的目的。其他实施例中，位置调节结构不限于通过齿轮副及螺纹副的配合进行调焦，只要位置调节结构能够实现透镜的移动即可。
一实施例中，透镜组63中透镜的数量为一个，透镜为超透镜(也称超颖透镜，metalens)。其中，透镜为超透镜的情况下，能够避免经过透镜组63的图像光L1有色散的情况的发生。且透镜为超透镜的情况下，透镜组63中位置可调的透镜为超透镜。
具体地，超透镜是扁平的(平面状)，并且超薄，因此超透镜不会产生色差。超透镜是一种“消色差”镜头，因为所有波长的光几乎都同时通过。与具有固定色散的玻璃或其他传统材料不同，超透镜的优点还包括可调色散(控制光色如何分散的能力)。而且超透镜因为并不需要与折射镜片有着相同的曲率，因此更容易加工，甚至可以直接利用半导体的制程技术，直接在载体上生长出。
图5为本申请另一实施例中，超透镜的成像原理示意图。如图5所示，超透镜634包括载体6341及位于载体6341上的多个微纳结构6342。微纳结构6342为纳米棒。其中，通过调整微纳结构6342的长度、宽度、高度、旋转角度及在载体6341上的分布规律等，可以对入射至超透镜634上的光的振幅、相位、偏振等特性进行调控，使得入射至超透镜634上的光(例如包含红光、绿光和蓝光的图像光L1)聚焦在特定位置。
具体地，根据光路需求，可通过光学软件模拟计算出不同波长的光的聚焦位置，进而修改微纳结构6342的长度、宽度、高度、旋转角度及在载体6341上的分布规律等，获得所需的超透镜的结构参数，使三原色光(即红光、绿光和蓝光)聚焦于同一点上。然后再利用半导体制程，如镀膜再蚀刻出所需的图案，进而在载体6341上生长出多个微纳结构6342，得到所需的超透镜。一实施例中，微纳结构6342为二氧化钛纳米棒，其高度大致为600纳米，但不限于此。载体6341的材料为透明的玻璃、透明的塑料或其他低折射率的材料。
综上，本申请实施例的近眼显示设备，由于调节组件能够改变图像源出射的图像光的焦距，使得使用者可根据需求调整图像源形成的虚像至人眼的距离，使得人眼看到的虚像为远近可变化的而非一直处于固定的对焦状态，使得人眼的睫状肌能够随之运动，从而缓解人眼的疲劳感，避免晕眩的产生，达到放松的目的。
此外，由于上述的近眼显示设备能够通过调焦组件改变图像光的焦距，对于视力不同的使用者可直接佩戴近眼显示设备，而无需先佩戴近视眼镜再佩戴近眼显示设备，解决了近视者穿戴不方便的问题，提升了佩戴的舒适度。
而且，本申请实施例中，近眼显示设备的调焦组件位于镜框处实现对虚像的调焦，使用时不会遮挡眼睛正前方对真实世界(实像)的观看。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：
图像源，用于出射图像光；
调焦组件，用于改变所述图像光的焦距；
耦入结构，位于所述图像源和所述调焦组件之间，用于将所述图像光耦入所述调焦组件；
光波导，位于所述调焦组件的出光侧；以及
耦出结构，位于所述光波导的出光区；
其中，所述图像光经所述调焦组件后在所述光波导内传播并自所述耦出结构耦出所述光波导。
2.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，所述调焦组件包括：
第一光引导元件；
第二光引导元件，与所述第一光引导元件间隔设置；以及
透镜组，位于所述第一光引导元件和所述第二光引导元件之间；
其中，所述透镜组包括至少一个位置可调的透镜，自所述耦入结构出射的所述图像光依次经所述第一光引导元件、所述透镜组及所述第二光引导元件后耦入所述光波导。
3.如权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，所述透镜组中的透镜的数量为多个，每个所述透镜为凸透镜、凹透镜和凹凸透镜其中之一。
4.如权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，所述透镜组中的透镜的数量为一个，所述透镜为超透镜。
5.如权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，所述第一光引导元件为反射镜和转折棱镜其中之一，所述第二光引导元件为反射镜和转折棱镜其中之一。
6.如权利要求5所述的近眼显示设备，其特征在于，所述第一光引导元件和所述第二光引导元件均为转折棱镜，所述光波导的折射率为1.4至1.6，所述转折棱镜的折射率为1.4至1.6。
7.如权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，所述调焦组件还包括壳体，所述第一光引导元件、所述第二光引导元件和所述透镜组均容纳于所述壳体内；
所述壳体开设有入光孔和出光孔，自所述耦入结构出射的所述图像光经所述入光孔入射至所述第一光引导元件，自所述第二光引导元件出射的所述图像光经所述出光孔后耦入所述光波导。
8.如权利要求2至7中任意一项所述的近眼显示设备，其特征在于，所述调焦组件还包括位置调节结构，所述位置调节结构连接所述位置可调的透镜，所述位置调节结构用于带动所述位置可调的透镜运动。
9.如权利要求8所述的近眼显示设备，其特征在于，所述位置调节结构包括电机，所述电机连接所述位置可调的透镜，所述电机用于带动所述位置可调的透镜平移。
10.如权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，所述调焦组件还包括传动机构、旋钮及控制单元；
所述电机通过所述传动机构与所述位置可调的透镜连接；
所述旋钮与所述控制单元的信号输入端连接；
所述电机与所述控制单元的信号输出端连接。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right |