CN207424391U - 近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种近眼显示装置，包括平面波导阵列显示装置、红外发射装置、红外摄像模组和能将平面波转换为球面波的红外反射衍射元件。平面波导阵列显示装置包括显示输出光组、导光衬底和至少一个倾斜耦合面。倾斜耦合面覆有对可见光波段可透可反的分光膜。红外反射衍射元件设置于导光衬底靠近人眼或远离人眼的一侧。红外反射衍射元件的反射出射光轴与红外摄像模组的光轴实质上平行或共轴。红外发射装置发射的红外光覆盖人眼范围，人眼反射的红外光被红外反射衍射元件反射衍射后形成的人眼虚像被红外摄像模组获取。该近眼显示装置实现了不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，不干扰用户观看虚拟画面的视觉效果，可用于眼球跟踪、虹膜识别等。

Description

近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种近眼显示装置。

背景技术

增强现实(AR，Augmented Reality)是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育等各领域。随着新兴技术的发展和广泛应用，使用的个人隐私的保护及支付使用等安全性问题也将凸显。虹膜识别进行身份认证被认为是仅次于DNA识别的生物技术，将虹膜识别技术应用于近眼显示装置解决了用户在使用显示设备的使用权限、交易支付等身份验证问题，是技术发展趋势。

虹膜识别模块要求拍摄人眼图像的摄像头正对于人眼，以获得最有效、最可靠的人眼图像。而当近眼显示装置为增强现实眼镜时，摄像头正对于人眼会遮挡用户视线，不便于用户观察外界环境。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种能够满足虹膜识别要求且不遮挡用户视线的近眼显示装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型较佳实施例提供一种近眼显示装置，包括平面波导阵列显示装置、红外发射装置、红外摄像模组和能将平面波转换为球面波的红外反射衍射元件，所述平面波导阵列显示装置包括显示输出光组、导光衬底和至少一个倾斜耦合面，所述倾斜耦合面覆有对可见光波段可透可反的分光膜；

所述红外反射衍射元件设置于所述导光衬底靠近人眼或远离人眼的一侧，所述红外反射衍射元件的反射出射光轴与所述红外摄像模组的光轴实质上平行或共轴；

所述显示输出光组输出的图像光线在所述导光衬底传输过程中，部分图像光线被所述至少一个倾斜耦合面分别反射后穿过所述导光衬底进入人眼形成虚拟图像，用于对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示；真实世界环境光线经过所述红外反射衍射元件、导光衬底和至少一个倾斜耦合面直接透射进入人眼；所述红外发射装置发射的红外光覆盖人眼范围，人眼反射的红外光被所述红外反射衍射元件反射衍射后形成的人眼虚像被所述红外摄像模组获取。

可选地，所述红外反射衍射元件为一层具有红外反射衍射图案特征的透明软膜，所述红外反射衍射元件贴附于所述导光衬底。

可选地，所述红外反射衍射元件为在透明基板上刻蚀有红外反射衍射图案的元件，所述红外反射衍射元件与所述导光衬底具有空气间隙或所述红外反射衍射元件与所述导光衬底胶合在一起。

可选地，所述红外发射装置包括至少一个第一红外光源。

可选地，所述红外发射装置为光纤式红外发射装置。

可选地，所述光纤式红外发射装置包括第二红外光源、光纤耦合模块和光纤；

所述第二红外光源发射的红外光经所述光纤耦合模块耦入所述光纤后，从所述光纤的出射端进入人眼。

可选地，所述光纤包括多个出射端，使耦入所述光纤的光束被分成多束光分别从所述多个出射端出射。

可选地，所述出射端为球面、锥面、双曲面或斜切面。

可选地，所述光纤式红外发射装置还包括光匀化器件，所述光匀化器件罩设于所述光纤的出射端，以将所述光纤出射的近高斯分布的光束转换为***顶分布光。

可选地，所述倾斜耦合面有四个，四个所述倾斜耦合面的透射率和反射率的比值分别为0.25、0.35、0.45和0.95。

本实用新型提供的近眼显示装置通过设置红外反射衍射元件及红外反射衍射元件的反射出射光轴与所述红外摄像模组的光轴实质上平行或共轴，以形成人眼虚像，并使该人眼虚像距红外摄像模组的距离大于红外摄像模组的最近工作距离，以被红外摄像模组获取。从而实现了红外摄像模组不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，且不干扰用户对真实世界环境光线的接收，可用于眼球跟踪、虹膜识别身份验证等。其中，正眼图像是指等效于以正对人眼的拍摄角度拍摄的人眼图像。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本实用新型较佳实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。

图2为图1中近眼显示装置的虚拟图像显示的光路示意图。

图3为图1中近眼显示装置进行人眼虚像成像的光路示意图。

图4为另一实施方式中近眼显示装置的结构图。

图5为图4中近眼显示装置进行人眼虚像成像的光路示意图。

图6为另一实施方式中近眼显示装置的结构图。

图7为图6中近眼显示装置的另一视角的结构图。

图8为另一实施方式中近眼显示装置的结构图。

图9为图8中近眼显示装置的另一视角的结构图。

图10为另一实施方式中近眼显示装置的结构图。

图11为另一实施方式中近眼显示装置的结构图。

图标:1-近眼显示装置；30-红外发射装置；50-红外摄像模组；70-红外反射衍射元件；11-显示输出光组；13-导光衬底；151-第一倾斜耦合面；153-第二倾斜耦合面；155-第三倾斜耦合面；157-第四倾斜耦合面；31-第一红外光源；S131-倾斜工作面；S133-第一工作平面；S135-第二工作平面；33-第二红外光源；35-光纤耦合模块；37-光纤；371-出射端；S137-第一非光学工作面；S139-第二非光学工作面；39-光匀化器件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参考图1，图1为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置1的示意图。如图1所示，所述近眼显示装置1包括：平面波导阵列显示装置、红外发射装置30、红外摄像模组50和红外反射衍射元件70。

所述平面波导阵列显示装置包括显示输出光组11、导光衬底13和至少一个倾斜耦合面。显示输出光组11用于将图像显示器上待显示的每一个像素输出的光锥束准直后输出耦合进导光衬底13。显示输出光组11可以是常规图像显示器件，如LCOS显示器、OLED自发光显示器和光学成像***等。所述倾斜耦合面覆有对可见光波段可透可反的分光膜。所述倾斜耦合面可以有一个、两个或多个，倾斜耦合面的个数及每个倾斜耦合面得分光膜的透射率和反射率的比值可以按实际需求进行设置。可选地，在本实施例中，所述倾斜耦合面有四个，分别记为第一倾斜耦合面151、第二倾斜耦合面153、第三倾斜耦合面155和第四倾斜耦合面157。第一倾斜耦合面151、第二倾斜耦合面153、第三倾斜耦合面155和第四倾斜耦合面157的透射率和反射率的比值分别为0.25、0.35、0.45和0.95。对应地，第一倾斜耦合面151、第二倾斜耦合面153、第三倾斜耦合面155和第四倾斜耦合面157输出的能量分别是0.25、0.2625、0.2194、0.2547，耦合输出得总能量为0.9866。从而在获得耦合输出能量比较均匀的情况下的总能量接近于显示输出光组11提供的能量。

红外发射装置30是发射红外线的装置。可选地，在本实施例中，外发射装置为第一红外光源31。该第一红外光源31可以是红外LED光源、红外LD光源等可选地，在本实施例中红外发射装置30可放置于近眼显示装置1的任何一处，能覆盖人眼范围且不会对投影成像的视野及预设的外界环境观察视野造成遮挡即可。红外摄像模组50可以是红外相机等能进行红外成像的仪器。红外发射装置30发射的红外光的波长可以是，但不限于940nm。940nm的红外光人眼看不见，因此不影响用户观看虚拟图像或观察外界环境。

所述红外反射衍射元件70设置于所述导光衬底13靠近人眼或远离人眼的一侧。所述红外反射衍射元件70能将平面波转换为球面波。所述红外反射衍射元件70可以为一层具有红外反射衍射图案特征的透明软膜，所述红外反射衍射元件70贴附于所述导光衬底13。所述红外反射衍射元件70还可以是在透明基板上刻蚀有红外反射衍射图案的元件，所述红外反射衍射元件70与所述导光衬底13具有空气间隙或所述红外反射衍射元件70与所述导光衬底13胶合在一起。所述红外反射衍射元件70的反射出射光轴与所述红外摄像模组50的光轴实质上平行或共轴。其中，实质上平行或共轴是指接***行或共轴。对于所述红外反射衍射元件70的反射出射光轴与所述红外摄像模组50的光轴在可接受范围内有小角度的偏差，也是实质上平行或共轴。

当所述红外反射衍射元件70设置于所述导光衬底13远离人眼的一侧，该近眼显示装置1的虚拟图像显示的光路示意图如图2所示。所述导光衬底13包括倾斜工作面S131、第一工作平面S133和第二工作平面S135。所述显示输出光组11输出的图像光线进入导光衬底13，被导光衬底13的倾斜工作面S131全反射到第一工作平面S133，第一工作平面S133对入射的光束再次全反射到第二工作平面S135。以此类推，显示输出光组11的光束通过在导光衬底13的第一工作平面S133和第二工作平面S135之间的多次反射完成光束的传输。光束传输到第一倾斜耦合面151时，一部分光束被反射后穿过导光衬底13的第二工作面后向人眼方向传播，另一部分光束继续穿过第一倾斜耦合面151向前传输到导光衬底13的第一工作平面S133，被第一工作平面S133全反射后的光束传输到第二倾斜耦合面153。传输到第二倾斜耦合面153面的光束一部分被反射后穿过导光衬底13的第二工作面后向人眼方向传播，另一部分穿过第二倾斜耦合面153继续传输。以此方式，光束依次被第一倾斜耦合面151、第二倾斜耦合面153、第三倾斜耦合面155、第四倾斜耦合面157部分反射后进入人眼形成虚拟图像，用于对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示。并且，该近眼显示装置1还实现了光束输出口径的扩展，增大了出瞳直径。

真实世界环境光线经过所述红外反射衍射元件70、导光衬底13和倾斜耦合面直接透射进入人眼。

如图3所示，该近眼显示装置1进行人眼虚像成像时，红外发射装置30发射的红外光覆盖人眼范围，人眼反射或散射的红外光线穿过导光衬底13和倾斜耦合面后，被所述红外反射衍射元件70反射衍射后形成的人眼虚像被所述红外摄像模组50获取。由于所述红外反射衍射元件70的反射出射光轴PK与所述红外摄像模组50的光轴OG实质上平行或共轴，因此红外摄像模组50能够对人眼正眼成像。人眼到红外摄像模组50的物理距离L1+L2很短，通常小于100mm。而红外摄像模组50的最近工作距离一般远大于此值，通常在300mm～3m之间。因此，若红外摄像模组50直接对人眼反射的红外线进行成像，则不能获得清晰的人眼像。为解决上述问题，本实用新型实施例提供的近眼显示装置1包括能将平面波转换为球面波的红外反射衍射元件70。红外反射衍射元件70可以在距离红外摄像模组50L处形成人眼虚像，红外摄像模组50对人眼虚像成像在红外摄像模组50的接收面。其中，L可以大于300nm，甚至达到5m，则L落在红外摄像模组50的工作距离范围内，满足红外摄像模组50清晰成像的距离要求。显然，由于红外反射衍射元件70的成像作用间接地增大了人眼到红外摄像模组50的等效物理距离，使得红外摄像模组50能够获取人眼的正眼清晰图像。通常情况下，为提高人眼反射的红外光的透过率还可以对导光衬底13和倾斜耦合面镀红外增透膜。

现有技术中，红外摄像模组50是朝向人眼，直接对人眼反射的红外线进行成像。为了避免红外摄像模组50对用户视野造成局部或全部遮挡，红外摄像模组50通常需要放置在近眼显示装置1的显示区的周边，继而造成红外摄像模组50的光轴与人眼光轴会有大角度的偏离，不能够获得人眼的正眼图像。并且，人眼距红外摄像模组50的物理距离一般小于100mm，小于红外摄像模组50的最近工作距离(300mm～3m之间)，不满足红外摄像模组50清晰成像的距离要求。

因此，本实用新型实施例提供的近眼显示装置1不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，不干扰用户对真实世界环境光线的接收，可用于眼球跟踪、虹膜识别身份验证等。其中，正眼图像是指等效于以正对人眼的拍摄角度拍摄的人眼图像。

当所述红外反射衍射元件70设置于所述导光衬底13靠近人眼的一侧，该近眼显示装置1的结构如图4所示。该近眼显示装置1进行人眼虚像成像的光路示意图如图5所示。红外发射装置30发射的红外光覆盖人眼范围，人眼反射或散射的红外光线被所述红外反射衍射元件70反射衍射后形成的人眼虚像被所述红外摄像模组50获取。将红外反射衍射元件70设置于所述导光衬底13靠近人眼的一侧，使得人眼反射或散射的红外光线直接被所述红外反射衍射元件70反射衍射后形成的人眼虚像再被所述红外摄像模组50获取，避免了由导光衬底13和倾斜耦合面造成的人眼反射或散射的红外光的透过率降低及红外杂散光对人眼图像拍摄的影响，从而红外摄像模组50能获得更清晰的人眼图像。

如图6和图7所示，图6为另一实施方式中近眼显示装置1的结构图，图7为图6中近眼显示装置1的另一视角的结构图。与图1类似，不同的是：所述红外发射装置30包括多个第一红外光源31。

每个第一红外光源31的光束朝向人眼方向，多个第一红外光源31可以是均匀间隔设置。同时，为使得第一红外光源31更多的照射到人眼，可将第一红外光源31倾斜放置使得第一红外光源31的发光主轴交汇于人眼的位置。在实际应用中，可以在所述导光衬底13的第一非光学工作面S137和第二非光学工作面S139两侧布置若干各第一红外光源31。其中，第一非光学工作面S137和第二非光学工作面S139相对，且夹在第一工作面和第二工作面之间。

一般第一红外光源31的光束发散角是160°～180°之间，能量利用低。为了提高能量利用率及减小功耗，可选地，在本实用新型提供的其它实施方式中，所述红外发射装置30为光纤37式红外发射装置30。光纤37式红外发射装置30的数值孔径一般是0.1～0.2，对应的光束发散角是5.74°～11.54°之间。对于出射端371为球面、锥面、双曲面或斜切面等的光纤37式红外发射装置30的数值孔径一般是0.3～0.7，对应的光束发散角是17.46°～44.43°之间。

如图8和图9所示，图8和图9为另一实施方式中近眼显示装置1的结构图。与图1类似，不同的是：所述红外发射装置30为光纤37式红外发射装置30，所述光纤37式红外发射装置30包括第二红外光源33、光纤耦合模块35和光纤37。

其中，第二红外光源33可以是红外LED光源、红外LD光源等。光纤37的出射端371紧邻所述导光衬底13的一侧侧壁，光纤37沿着导光衬底13的第一非光学工作面S137延伸至光纤耦合模块35，光纤耦合模块35可以设置在导光衬底13的倾斜工作面S131的一侧，使得近眼显示装置1的结构更紧凑。在实际使用中，可以根据需要在导光衬底13第一非光学工作面S137和/或第二非光学工作面S139设置多个上述的光纤37式红外发射器件。

所述第二红外光源33发射的红外光经所述光纤耦合模块35耦入所述光纤37后，从所述光纤37的出射端371出射，进入人眼。

如图10所示，图10为另一实施方式中近眼显示装置1的结构图。与图9类似，不同的是：所述光纤37包括多个出射端371，使耦入所述光纤37的光束被分成多束光分别从所述多个出射端371出射。

所述光纤37可以通过熔融拉锥的方式拉锥成包括多个出射端371的光纤37。

为使得单个光纤37式红外发射装置30发射的红外光覆盖人眼的范围更大，光纤37可以采用多模光纤37且光纤37的出射端371可以是非平截面，如球面、锥面、双曲面或斜切面等，以增大光纤37出射端371的数值孔径，即增大光纤37出射光束的发散角。为使得红外发射光的利用率更高，光纤37出射端371可以倾斜放置，光束集中朝向人眼发射。

如图11所示，为了使光强均匀分布，可选地，在本实施例中，所述光纤37式红外发射装置30还包括光匀化器件39，所述光匀化器件39罩设于所述光纤37的出射端371，以将所述光纤37出射的近高斯分布的光束转换为***顶分布光。

可选地，本实用新型实施例提供的近眼显示装置1还可以包括控制模组。控制模组至少包括主控模块和眼图计算单元。所述主控模块是所述近眼显示装置1的调控中心，它可以通过FPC与近眼显示装置1的其它功能模块数据通信。眼图计算单元根据所述红外摄像模组50采集到的正眼图像分析处理获得用户的虹膜特征及用户眼球的实时位置坐标，将信息传递到主控模块。主控模块对接收到的用户的虹膜特征进行身份验证，并根据接收到的用户的眼球的位置信息执行不同的眼控操作。例如，如果识别到人眼在设定的时间内注视点保持在图像界面的某个控件位置，进行此控件对应的***操作等。

当该近眼显示装置1为增强现实眼镜时，该近眼显示装置1还包括佩戴的部件(如镜腿)及将上述的平面波导阵列显示装置、红外发射装置30、红外摄像模组50和红外反射衍射元件70连接起来的结构件。

本实用新型实施例提供的近眼显示装置1，实现了红外摄像模组50不用正对人眼就可以获得清晰的正眼图像，且不干扰用户对真实世界环境光线的接收，可用于眼球跟踪、虹膜识别身份验证等。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括平面波导阵列显示装置、红外发射装置、红外摄像模组和能将平面波转换为球面波的红外反射衍射元件，所述平面波导阵列显示装置包括显示输出光组、导光衬底和至少一个倾斜耦合面，所述倾斜耦合面覆有对可见光波段可透可反的分光膜；

所述红外反射衍射元件设置于所述导光衬底靠近人眼或远离人眼的一侧，所述红外反射衍射元件的反射出射光轴与所述红外摄像模组的光轴实质上平行或共轴；

所述显示输出光组输出的图像光线在所述导光衬底传输过程中，部分图像光线被所述至少一个倾斜耦合面分别反射后穿过所述导光衬底进入人眼形成虚拟图像，用于对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示；真实世界环境光线经过所述红外反射衍射元件、导光衬底和至少一个倾斜耦合面直接透射进入人眼；所述红外发射装置发射的红外光覆盖人眼范围，人眼反射的红外光被所述红外反射衍射元件反射衍射后形成的人眼虚像被所述红外摄像模组获取。

2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述红外反射衍射元件为一层具有红外反射衍射图案特征的透明软膜，所述红外反射衍射元件贴附于所述导光衬底。

3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述红外反射衍射元件为在透明基板上刻蚀有红外反射衍射图案的元件，所述红外反射衍射元件与所述导光衬底具有空气间隙或所述红外反射衍射元件与所述导光衬底胶合在一起。

4.根据权利要求3所述的近眼显示装置，其特征在于，所述红外发射装置包括至少一个第一红外光源。

5.根据权利要求3所述的近眼显示装置，其特征在于，所述红外发射装置为光纤式红外发射装置。

6.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光纤式红外发射装置包括第二红外光源、光纤耦合模块和光纤；

所述第二红外光源发射的红外光经所述光纤耦合模块耦入所述光纤后，从所述光纤的出射端进入人眼。

7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光纤包括多个出射端，使耦入所述光纤的光束被分成多束光分别从所述多个出射端出射。

8.根据权利要求6或7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述出射端为球面、锥面、双曲面或斜切面。

9.根据权利要求6或7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光纤式红外发射装置还包括光匀化器件，所述光匀化器件罩设于所述光纤的出射端，以将所述光纤出射的近高斯分布的光束转换为***顶分布光。

10.根据权利要求1-7任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，所述倾斜耦合面有四个，四个所述倾斜耦合面的透射率和反射率的比值分别为0.25、0.35、0.45和0.95。