CN218956921U - 一种光机模组及近眼显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例涉及近眼显示技术领域，公开了一种光机模组及近眼显示设备，光机模组包括图像源和设置于图像源的出光方向上的成像***，成像***包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，第一自由曲面棱镜与第二自由曲面棱镜之间设置有介质间隙，第一自由曲面棱镜至少包括第一入光面、第一反光面和第一出光面，第一反光面为自由曲面，第二自由曲面棱镜至少包括第二入光面、第二反光面和第二出光面，第二反光面为自由曲面，图像源出射的图像光线通过第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜进行至少四次全反射后从所述第二出光面出射。本实用新型实施例提供的光机模组通过设置两个自由曲面棱镜对光束进行转折，设备结构紧凑、尺寸较小、重量也较轻。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求于2022年05月25日提交中国专利局，申请号为202210574458.2，发明名称为“一种光机模组及近眼显示设备”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本实用新型实施例涉及近眼显示技术领域，特别涉及一种光机模组及近眼显示设备。
背景技术
近年来，随着近眼显示技术的日趋成熟及发展，多种类型的小型穿戴式显示设备开始进入消费者的视野，近眼显示***在多种场景下获得了更多的应用，其发展前景备受期待。在近眼显示领域中，光波导显示技术以其最接近眼镜形态的轻薄体积而备受关注。使用自发光芯片如有机发光二极管(Organ i cLi ght-Emitt i ng Di ode，OLED)的投影光引擎结构简单，得到了广泛使用。
在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：请参见图1，现有的光机/光引擎中通常需要设置由多片(例如，通常需要3片以上)透镜组成的透镜组，透镜数量较多，不仅会增加加工成本，而且多个光学元件和结构件在装配时的难度也较大，增加生产的工时，也会降低产品质量的成品率，而且透镜组的体积普遍较大，不利于增强现实(Augmented Rea l ity，AR)眼镜等近眼显示产品的结构设计。
实用新型内容
本申请实施例提供了一种近眼显示设备。
本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种光机模组，包括图像源和设置于所述图像源的出光方向上的成像***，所述成像***包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述第一自由曲面棱镜与所述第二自由曲面棱镜之间设置有介质间隙，所述第一自由曲面棱镜至少包括第一入光面、第一反光面和第一出光面，所述第一反光面为自由曲面，所述第二自由曲面棱镜至少包括第二入光面、第二反光面和第二出光面，所述第二反光面为自由曲面，所述图像源出射的图像光线自所述第一入光面进入所述第一自由曲面棱镜，依次经所述第一反光面反射和所述第一入光面全反射后从所述第一出光面出射，从所述第一出光面出射的图像光线经所述介质间隙自所述第二入光面进入所述第二自由曲面棱镜，依次经所述第二反光面反射和所述第二入光面全反射后从所述第二出光面出射。
在一些实施例中，所述第一入光面和所述第一出光面为平面；所述第二入光面为平面或自由曲面；所述第二出光面为平面、球面、非球面或自由曲面。
在一些实施例中，所述光机模组应用于近眼显示设备，所述近眼显示设备还包括波导片，所述波导片为一维扩瞳波导，所述第二出光面与所述一维扩瞳波导的入光面相对设置，在所述波导片的宽度方向上，所述第一自由曲面棱镜中靠近所述第二自由曲面棱镜的宽度大于远离所述第二自由曲面棱镜的宽度，其中，所述波导片的宽度方向垂直于所述波导片的出光方向和所述波导片的扩瞳方向。
在一些实施例中，所述自由曲面的面型为XY多项式自由曲面面型、Zern i ke多项式自由曲面面型和变形非球面面型中的一种或多种的组合。
在一些实施例中，所述自由曲面的面型为XY多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型的表达式为：
其中，z表示所述自由曲面的矢高值，c表示曲率半径的倒数，r表示表面上一点的径向距离，k表示二次曲面常数，Cj表示多项式系数，m和n分别表示所述自由曲面的面坐标x和y的阶数。
在一些实施例中，所述第一入光面、所述第一出光面、所述第二入光面和/或所述第二出光面镀设有增透膜，所述第一反光面和所述第二反光面镀设有高反射膜。
在一些实施例中，所述第一反光面为凸面，所述第二反光面为凹面。
在一些实施例中，所述介质间隙为空气间隙，所述介质间隙的厚度为微米级或毫米级。
在一些实施例中，所述图像源的出光面设置于所述第一自由棱镜的一侧，使所述图像源的出光面平行于第一方向，或者所述图像源的出光面与所述第一方向的夹角不大于所述第一入光面与所述第一方向的夹角，所述第一方向为所述光机模组的长度方向。
为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，包括如第一方面所述的光机模组和设置于所述光机模组的出光方向上的波导片，从所述第二出光面出射的图像光线通过所述波导片出射至人眼成像。
在一些实施例中，所述波导片包括耦入棱镜，所述耦入棱镜用于调整所述第二出光面出射的图像光线射至所述波导片的表面时的入射角，以使所述图像光线可在所述波导片内全反射传播，或者，所述波导片包括一与所述第二出光面呈预设角度的反射面，所述反射面用于调整所述第二出光面出射的图像光线射至所述波导片的表面时的入射角，以使所述图像光线可在所述波导片内全反射传播。
在一些实施例中，所述图像源的出光面与所述波导片的出光面相互垂直设置。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种光机模组及近眼显示设备，光机模组包括图像源和设置于所述图像源的出光方向上的成像***，成像***包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述第一自由曲面棱镜与所述第二自由曲面棱镜之间设置有介质间隙，所述第一自由曲面棱镜至少包括第一入光面、第一反光面和第一出光面，所述第一反光面为自由曲面，所述第二自由曲面棱镜至少包括第二入光面、第二反光面和第二出光面，所述第二反光面为自由曲面，所述图像源出射的图像光线自所述第一入光面进入所述第一自由曲面棱镜，依次经所述第一反光面反射和所述第一入光面全反射后从所述第一出光面出射，从所述第一出光面出射的图像光线经所述介质间隙自所述第二入光面进入所述第二自由曲面棱镜，依次经所述第二反光面反射和所述第二入光面全反射后从所述第二出光面出射。本实用新型实施例提供的光机模组通过在成像***中设置两个自由曲面棱镜对图像光束进行转折，改善光机模组的各光学组件之间的排布自由度的同时、减少了光学组件的使用数量，从而使得光机模组的结构紧凑、尺寸较小、重量也较轻。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是现有技术中的穿戴式近眼显示设备的结构的俯视图；
图2是本实用新型实施例提供的一种光机模组及其搭载的一种波导片的结构示意图；
图3是图2所示的光机模组在表1所示参数下的全视场MTF曲线图；
图4是图2所示的光机模组在表1所示参数下的网格畸变图；
图5是本实用新型实施例提供的一种穿戴式近眼显示设备的结构的俯视图；
图6是本实用新型实施例提供的另一种光机模组及其搭载的另一种波导片的结构示意图；
图7(a)是本实用新型实施例提供的另一种光机模组及其搭载的另一种波导片的三维结构示意图；
图7(b)是图7(a)所示光机模组及波导片在Y方向上的视图；
图7(c)是图7(a)所示光机模组及波导片在X方向上的视图；
图8是本实用新型实施例提供的另一种穿戴式近眼显示设备的结构的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。为了便于连接结构限定，本实用新型以图像光线的出光方向为参考进行部件的位置限定。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了解决现有的近眼显示设备中，光机尺寸较大、重量大、装配难度大、光学器件多的问题，本实用新型实施例提供了一种光机模组和近眼显示设备，光机模组中通过设置两个自由曲面棱镜对图像光线进行四次转折，使得光机模组用于近眼显示设备时，图像光线能够入射至设备的波导片中耦出成像，具有较小的尺寸。进一步地，图像源的出光面平行于光机模组的长度方向设置，或者图像源的出光面相对光机模组的长度方向倾斜设置且倾斜程度不大于第一自由曲面棱镜的入光面相对光机模组的长度方向倾斜，使得光机***应用于穿戴式近眼显示设备时，图像源的背光面能够趋向平行于用户的侧脸的方向设置，从而缩小光机的厚度，减小设备的尺寸，并且可以根据所需的。
具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
实施例一
本实用新型实施例提供了一种光机模组，可用于近眼显示设备，请参见图2和图6，所述光机模组包括图像源11和设置于所述图像源11的出光方向上的成像***。
所述成像***包括第一自由曲面棱镜12和第二自由曲面棱镜13，所述第一自由曲面棱镜12与所述第二自由曲面棱镜13之间设置有介质间隙。在所述第一自由曲面棱镜12和第二自由曲面棱镜13中，图像光线主要通过的各个面，如反光面和透光面，至少存在一个自由曲面。可选地，所述第一自由曲面棱镜12的材质和所述第二自由曲面棱镜13的材质可为树脂或玻璃等，例如，可以是聚甲基丙烯酸甲酯(po l ymethy lmethacry l ate，PMMA)、K26R、F52R、T62R等树脂材料。可选地，所述介质间隙的介质的折射率小于所述第一自由曲面棱镜12和第二自由曲面棱镜13的折射率，从而满足反射定律，使得图像光线能够透过所述介质间隙进入到第二自由曲面棱镜13中，优选地，所述介质间隙为空气间隙，且所述空气间隙的厚度为微米级或毫米级，例如，可以是5μm、50μm、500μm、1mm等，具体可根据实际需要进行设计。
所述第一自由曲面棱镜12至少包括第一入光面121、第一反光面122和第一出光面123；所述第一入光面121和所述第一出光面123可为平面、球面、非球面或自由曲面，较佳的，为了更容易加工，所述第一入光面121和所述第一出光面123为平面；所述第一反光面122为自由曲面。进一步地，所述第一入光面121和/或所述第一出光面123镀设有增透膜，所述第一反光面122镀设有高反射膜，从而提高光学效率。所述图像源11产生的图像光线通过所述第一入光面121进入到所述第一自由曲面棱镜12中，通过所述第一反光面122进行反射后，到达所述第一入光面121进行全反射，最后通过所述第一出光面123透射出射。较佳的，在另一种实施方式中，所述图像光线入射到所述第一自由曲面棱镜12的角度，和/或，所述第一入光面121、第一反光面122和所述第一出光面123三个面两两之间的设置的角度，需要配置为图像光线到达所述第一反光面122和第二次到达所述第一入光面121时，图像光线的入射角都在面的全反射临界角内，从而实现图像在所述第一自由曲面棱镜12内的全反射传输。
所述第二自由曲面棱镜13至少包括第二入光面131、第二反光面132和第二出光面133；所述第二入光面121可为平面、球面、非球面或自由曲面，较佳的，所述第二入光面131为平面或自由曲面；所述第二反光面132为自由曲面；所述第二出光面133为平面、球面、非球面或者自由曲面的一种，较佳的，在图2和图6所示示例中，所述第二出光面133均为自由曲面。进一步地，所述第二入光面131和/或所述第二出光面133镀设有增透膜，所述第二反光面132镀设有高反射膜，从而提高光学效率。从所述第一自由曲面棱镜12出射的图像光线通过所述第二入光面131进入所述第二自由曲面棱镜13中，通过所述第二反光面132进行反射后，到达所述第二入光面131进行全反射，最后通过所述第二出光面132出射，从所述第二自由曲面棱镜13出射的图像光线为准直的平行光。较佳的，在一种实施方式中，所述图像光线入射到所述第二自由曲面棱镜13的角度，和/或，所述第二入光面131、所述第二反光面132和所述第二出光面133三个面两两之间的设置的角度，需要配置为图像光线到达所述第二反光面132和第二次到达所述第二入光面131时，图像光线的入射角都在面的全反射临界角内，从而实现图像在所述第二自由曲面棱镜13内的全反射传输。
进一步地，所述第一反光面122为凸面，所述第二反光面132为凹面。第一反光面122为凸面是为了使从图像源11发出的每个视场的汇聚光束能够发散，使其满足图像源11的像高，第二反光面132为凹面是为了收缩光束以减小耦入棱镜的体积。
所述的自由曲面的面型为XY多项式自由曲面面型、Zern i ke多项式自由曲面面型和变形非球面(Anamorph i c Asphere)面型中的一种或多种的组合，所述第一自由曲面棱镜12与所述第二自由曲面棱镜13上各自由曲面的面型可以相同，也可以不同，本实用新型实施例利用自由曲面这一异形光学结构，能够矫正光学***的离轴像差，从而提升成像质量，通过设计优化通光光学面之间的特殊角度来控制光轴偏转角度，使得光轴角度可以被调节到合适的方向，以与光波导片14耦入角度配合并适应AR眼镜整机产品造型设计的需要。其中，当所述自由曲面的面型为XY多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型的表达式为：
其中，z表示所述自由曲面的矢高值，c表示曲率半径的倒数，r表示表面上一点的径向距离，k表示二次曲面常数，Cj表示多项式系数，m和n分别表示所述自由曲面的面坐标x和y的阶数。
所述图像源11可为自发光显示芯片，能够直接输出图像光线，例如，可以是有机发光二极管(OrganicLight-Emitt i ng Diode，OLED)、微型发光二极管(Micro-LED)等，具体地，可根据实际需要进行选择。
所述图像源11的出光面设置于所述第一自由棱镜12的一侧，使所述图像源11的出光面平行于第一方向，或者所述图像源11的出光面与所述第一方向的夹角不大于所述第一入光面与所述第一方向的夹角，所述第一方向为所述光机模组的长度方向。具体的，一并参阅图2、图5、图6、图8，当所述第一入光面121相对所述第一方向平行或倾斜设置时，所述图像源11的出光面平行于第一方向时，也即：光机模组应用于近眼显示设备时，所述图像源11的出光面与波导片的出光面相互垂直设置。为了光机模组的整体结构设置更紧凑合理，或者光机模组应用于近眼显示设备时设备的整体结构设置更紧凑合理，请参阅图6、图8，当所述第一入光面121相对所述第一方向倾斜设置时，所述图像源11可相对于第一方向倾斜一定的角度设置，倾斜的程度最大至所述图像源11的出光面与所述第一入光面121(即第一自由棱镜12的入光面)平行设置；也即：当所述第一入光面121相对所述第一方向倾斜时，所述图像源11的出光面与所述第一方向的夹角不大于所述第一入光面121与所述第一方向的夹角。显然，相对于如图1所示的现有光机模组中将芯片(即图像源)的屏幕显示方向与视场角方向设为一致(即芯片横置)，为了包裹横置的芯片，不得不增宽镜腿，会导致在AR整机中光机模组的横向尺寸过大，同时也会影响AR眼镜等近眼显示设备的外形；本实施例设置的图像源11相对第一方向平行或倾斜设置(即显示芯片侧置/纵置)的方案更有利于减小光机模组的横向尺寸，从而使得光机模组应用于近眼显示设备时、更利于近眼显示设备符合人体工学设计，同时还可以根据镜腿与波导片所需的角度设计第一入光面121与波导片的角度，满足不同AR眼镜的镜腿角度设计需求；另外，由于整个光路结构排布有序，图像源侧置，使整个光机无折叠凸起，避免了图像源的长边横置，为后续整机的结构设计提供了极大的方便。
当所述光机模组应用于AR眼镜时，所述AR眼镜的镜腿的宽度，一方面，与所述第一自由曲面棱镜在所述图像源的出光方向上的尺寸正相关，另一方面，又与波导片的宽度方向正相关，请一并参见图7(a)、图7(b)和图7(c)，其示出了本实用新型实施例提供的又一种光机模组及其搭载的又一种波导片的三维结构以及Y方向和X方向上的投影。对于AR眼镜来说，镜腿的宽度与光机模组的图像源11、第一自由曲面棱镜12和第二自由曲面棱镜13在Y方向和Z方向的尺寸相关。对于镜腿在Y方向上的尺寸，本申请通过将图像源的芯片沿X方向放置的方式，减少了镜腿在Y方向上所需要的空间，从而缩小镜腿在Y方向的宽度。
而对于镜腿在Z方向上的尺寸，常规的一维扩瞳波导中，由于波导片14是设计成只在Y方向上(也即波导片的长度方向)进行扩瞳，而在Z方向上(也即波导片的宽度方向)不进行扩瞳，并且波导片14在Z方向上也需要保证有足够大的出光范围才能满足所需的眼动范围，因此，波导片14的耦入面141在Z方向上的宽度通常需要设计成与波导片的出光宽度一致，这样就导致波导片14的耦入面141较宽，对应地将图像光从图像源11输出到波导片14的棱镜13也需要较宽的耦出面，从而导致镜腿在Z方向上所需要的宽度较大。
为了解决这一问题，如图7(a)和图7(b)所示，通过设计第一自由曲面棱镜的结构和光路，将第一自由曲面棱镜12在波导片14的宽度方向上的宽度从靠近第二自由曲面的一端向远离第二自由曲面的一端逐渐减小，并调整第一自由曲面的参数以使得光线经第一入光面进入第一自由曲面棱镜，依次经第一反光面反射和第一入光面全反射后从第一出光面出射至第二入光面，即在所述波导片14的宽度方向上，所述第一自由曲面棱镜12中靠近所述第二自由曲面棱镜13的宽度大于远离所述第二自由曲面棱镜13的宽度，其中，所述波导片14的宽度方向垂直于所述波导片14的出光方向(即X方向)和所述波导片的扩瞳方向(即Y方向)，也即所述波导片14的宽度方向为各图7所示的Z方向上。将所述第一自由曲面棱镜12用于耦入图像光一侧的结构在Z方向上缩小后，AR眼镜的镜腿也可以对应缩小Z方向的尺寸，从而得到如图7(c)所示较窄的镜腿宽度。
示例性的，如图2、图6、图7(a)所示，光机模组应用于近眼显示设备时，光机模组的出光方向上设置有波导片14，所述波导片14可以是几何光波导、衍射光波导等类型光波导片，或者多种类型的光波导片的组合，具体地，可根据实际需要进行设置，从所述第二自由曲面棱镜13出射的图像光线通过所述波导片14全反射传输后，最终耦出到达人眼，实现增强现实显示的成像效果。进一步地，请继续参见图2、图6、图7(a)，所述波导片14包括耦入棱镜141，所述耦入棱镜141将所述第二自由曲面棱镜13出射的图像光线调整角度，以使所述图像光线可在所述波导片14内全反射传播。
在本实用新型实施例中，所述图像源11出射的图像光线自所述第一入光面121进入所述第一自由曲面棱镜，依次经所述第一反光面122反射和所述第一入光面121进行全反射后从所述第一出光面123出射，从所述第一出光面123出射的图像光线经所述介质间隙自所述第二入光面131进入所述第二自由曲面棱镜13，依次经所述第二反光面132反射和所述第二入光面131再次进行全反射后从所述第二出光面133出射，总共经过四次反射后的图像光线通过所述波导片14出射至人眼成像。其中，所述第一自由曲面棱镜12和所述第二自由曲面棱镜13以一定的介质间隙间隔排布设置，使得图像光线在所述第一自由曲面棱镜12和所述第二自由曲面棱镜13中通过全反射或全反射结合高反射实现多次折返传输，从而使得光机模组可以实现：(1)尽可能多地引入全反射使得光效损失小，光学效率高；(2)通过设计不同反射面之间的相对角度可控制光轴传输方向、调整出光方向；(3)利用自由曲面调整图像光线的离轴像差，能够提升成像质量；(4)整个光学***的光路多次折返使得光机***的光程短、结构紧凑、体积小、质量轻。
具体地，请参见下表1，其示出了以图2所示的虚线位置的平面为参考面(EP)时、图2所示的光机模组的基本光学表面参数，且有光学体积为15.0mm*6.0mm*18.0mm、图像源11为OLED时，该光机模组在投影视场角为25°，出瞳范围为4mm*18mm的条件下，测试得到的调制传递函数(Modu l at i on Transfer Funct i on，MTF)曲线请参见图3，由图3可得出所述光机模组的全视场范围内成像MTF＞0.4@50l p/mm，表明具有较好的成像质量；该光机模组的网格畸变图请参见图4，由图4可得出所述光机模组的畸变小于2％，表明具有较好的成像质量。经测试得出图6所示的光机模组同样具有较好的成像质量，在此不再举例。
表1
其中，I nf表示无穷大(I nfi nity)，球面的曲率半径是无穷大时即为平面。
实施例二
本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备，请参见一并参见图2和图5，其中，图5示出的穿戴式近眼显示设备包括如实施例一中图2所示的光机模组和设置于所述光机模组的出光方向上的波导片14，从所述第二出光面出射的图像光线通过所述波导片14出射至人眼成像。
具体地，当所述近眼显示设备为AR眼镜时，请继续参见图5，所述波导片包括耦入棱镜，所述耦入棱镜用于调整所述第二出光面出射的图像光线射至所述波导片14的表面时的入射角，以使所述图像光线可在所述波导片14内全反射传播。
此外，请继续参见图1，在现有的近眼显示设备的设计方案中，屏幕显示方向与视场角方向一致，为了包裹横置的芯片，不得不增宽镜腿，这导致在，AR整机中光机的横向尺寸过大，同时也会影响AR眼镜等近眼显示设备的外形。因此，在一些实施例中，请继续参见图5，所述图像源11的出光面与所述波导片14的出光面相互垂直设置，所述图像源11的芯片设于光机模组的一侧，芯片的电路板铺设方向为沿着AR眼镜的镜腿方向，在用户佩戴所述近眼显示设备时，所述图像源11的背光面平行且靠近于用户的侧脸方向设置，这样的设计能够极大地缩小了镜腿宽度，极大地减小整个光机模组的体积，十分有利于可穿戴增强现实产品的轻便设计。
需要说明的是，所述的相互垂直设置，可以是完全垂直，即成90°夹角的关系，也可以是接近垂直、近似垂直，例如，可以是成80°至90°夹角的关系，具体可根据实际应用过程中，近眼显示设备的外观形状等进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
还需要说明的是，上述实施例一所提供的光机模组可以不仅是应用于如本实用新型实施例提供的穿戴式这一类型的近眼显示设备中，还可以应用在其他类型的近眼显示设备中，具体可根据实际需要进行设计，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
实施例三
本实用新型实施例提供了一种穿戴式近眼显示设备，请一并参见图6和图8，其中，图8示出了本实用新型实施例提供的另一种穿戴式近眼显示设备的结构，图6是本实用新型实施例提供的另一种光机模组及其搭载的另一种波导片的结构，也即图8中光机模组和波导片的结构，该穿戴式近眼显示设备包括如实施例一中图6所示的光机模组和设置于所述光机模组的出光方向上的波导片14，从所述第二出光面出射的图像光线通过所述波导片14出射至人眼成像。
区别于实施例二，在本实用新型实施例中，进入所述波导片14的图像光线采用直入式的耦入方式，具体地，所述波导片14包括一与所述第二出光面呈预设角度的反射面，所述反射面用于调整所述第二出光面出射的图像光线射至所述波导片14的表面时的入射角，以使所述图像光线可在所述波导片内全反射传播。这样的设计能够让镜腿前端的头部尺寸可以进一步减小，使得搭载本实用新型实施例的光机模组的AR眼镜/近眼显示设备更接近于实际眼镜形态。更具体的，通过合理设计所述预设角度，以使所述第二出光面出射的图像光线经所述反射面反射、到达所述波导片14的表面时的入射角大于全反射临界角，从而所述图像光线可在所述波导片内全反射传播。
此外，请继续参见图1，在现有的近眼显示设备的设计方案中，屏幕显示方向与视场角方向一致，为了包裹横置的芯片，不得不增宽镜腿，这导致在AR整机中光机的横向尺寸过大，同时也会影响AR眼镜等近眼显示设备的外形。因此，在一些实施例中，请继续参见图8，所述图像源11的出光面可与所述波导片14的出光面相互垂直设置，所述图像源11的芯片设于光机模组的一侧，芯片的电路板铺设方向为沿着AR眼镜的镜腿方向，在用户佩戴所述近眼显示设备时，所述图像源11的背光面平行且靠近于用户的侧脸方向设置，这样的设计能够极大地缩小了镜腿宽度，极大地减小整个光机模组的体积，十分有利于可穿戴增强现实产品的轻便设计。
需要说明的是，所述的相互垂直设置，可以是完全垂直，即成90°夹角的关系，也可以是接近垂直、近似垂直，例如，可以是成80°至90°夹角的关系，具体可根据实际应用过程中，近眼显示设备的外观形状等进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
还需要说明的是，上述实施例一所提供的光机模组可以不仅是应用于如本实用新型实施例提供的穿戴式这一类型的近眼显示设备中，还可以应用在其他类型的近眼显示设备中，具体可根据实际需要进行设计，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
本实用新型实施例中提供了一种光机模组及近眼显示设备，光机模组包括图像源和设置于所述图像源的出光方向上的成像***，成像***包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述第一自由曲面棱镜与所述第二自由曲面棱镜之间设置有介质间隙，所述第一自由曲面棱镜至少包括第一入光面、第一反光面和第一出光面，所述第一反光面为自由曲面，所述第二自由曲面棱镜至少包括第二入光面、第二反光面和第二出光面，所述第二反光面为自由曲面，所述图像源出射的图像光线自所述第一入光面进入所述第一自由曲面棱镜，依次经所述第一反光面反射和所述第一入光面全反射后从所述第一出光面出射，从所述第一出光面出射的图像光线经所述介质间隙自所述第二入光面进入所述第二自由曲面棱镜，依次经所述第二反光面反射和所述第二入光面全反射后从所述第二出光面出射。本实用新型实施例提供的光机模组巧妙地通过在成像***中设置两个自由曲面棱镜对光束进行转折，两个自由曲面棱镜以一定角度组合替代了传统的多片式投影镜头组，一方面可以有效缩小了光机模组的空间体积，长度和宽度均可有效降低；另一方面光学元件数量少，组装简单，成本低，良率高；自由曲面的使用，使光机模组的成像质量更优，分辨率更高，图像畸变更小，图像均匀性更高；另外，通过两个自由曲面棱镜对光束进行转折，使得光轴的出射角度可任意调整，从而可满足：后续应用时更好的配合波导片以及AR产品整机设计的个性化需求。因此本实用新型实施例的光机模组具有结构紧凑、尺寸较小、重量也较轻、成像效果好以及更能满足光机的应用设备的后续设计等特点。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其他变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种光机模组，包括图像源和设置于所述图像源的出光方向上的成像***，其特征在于，
所述成像***包括第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜，所述第一自由曲面棱镜与所述第二自由曲面棱镜之间设置有介质间隙，
所述第一自由曲面棱镜至少包括第一入光面、第一反光面和第一出光面，所述第一反光面为自由曲面，
所述第二自由曲面棱镜至少包括第二入光面、第二反光面和第二出光面，所述第二反光面为自由曲面，
所述图像源出射的图像光线自所述第一入光面进入所述第一自由曲面棱镜，依次经所述第一反光面反射和所述第一入光面全反射后从所述第一出光面出射，从所述第一出光面出射的图像光线经所述介质间隙自所述第二入光面进入所述第二自由曲面棱镜，依次经所述第二反光面反射和所述第二入光面全反射后从所述第二出光面出射。
2.根据权利要求1所述的光机模组，其特征在于，
所述第一入光面和所述第一出光面为平面；
所述第二入光面为平面或自由曲面；
所述第二出光面为平面、球面、非球面或自由曲面。
3.根据权利要求1所述的光机模组，其特征在于，
所述光机模组应用于近眼显示设备，所述近眼显示设备还包括波导片，所述波导片为一维扩瞳波导，所述第二出光面与所述一维扩瞳波导的入光面相对设置，
在所述波导片的宽度方向上，所述第一自由曲面棱镜中靠近所述第二自由曲面棱镜的宽度大于远离所述第二自由曲面棱镜的宽度，其中，所述波导片的宽度方向垂直于所述波导片的出光方向和所述波导片的扩瞳方向。
4.根据权利要求2所述的光机模组，其特征在于，
所述自由曲面的面型为XY多项式自由曲面面型、Zernike多项式自由曲面面型和变形非球面面型中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求4所述的光机模组，其特征在于，
所述自由曲面的面型为XY多项式自由曲面面型时，所述自由曲面的面型的表达式为：
其中，z表示所述自由曲面的矢高值，c表示曲率半径的倒数，r表示表面上一点的径向距离，k表示二次曲面常数，Cj表示多项式系数，m和n分别表示所述自由曲面的面坐标x和y的阶数。
6.根据权利要求4所述的光机模组，其特征在于，
所述第一入光面、所述第一出光面、所述第二入光面和/或所述第二出光面镀设有增透膜，所述第一反光面和所述第二反光面镀设有高反射膜。
7.根据权利要求4所述的光机模组，其特征在于，
所述第一反光面为凸面，所述第二反光面为凹面。
8.根据权利要求1所述的光机模组，其特征在于，
所述介质间隙为空气间隙，所述介质间隙的厚度为微米级或毫米级。
9.根据权利要求1-8任一项所述的光机模组，其特征在于，
所述图像源的出光面设置于所述第一自由棱镜的一侧，使所述图像源的出光面平行于第一方向，或者所述图像源的出光面与所述第一方向的夹角不大于所述第一入光面与所述第一方向的夹角，所述第一方向为所述光机模组的长度方向。
10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的光机模组和设置于所述光机模组的出光方向上的波导片，从所述第二出光面出射的图像光线通过所述波导片出射至人眼成像。
11.根据权利要求10所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述波导片包括耦入棱镜，所述耦入棱镜用于调整所述第二出光面出射的图像光线射至所述波导片的表面时的入射角，以使所述图像光线可在所述波导片内全反射传播，
或者，
所述波导片包括一与所述第二出光面呈预设角度的反射面，所述反射面用于调整所述第二出光面出射的图像光线射至所述波导片的表面时的入射角，以使所述图像光线可在所述波导片内全反射传播。
12.根据权利要求10所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述图像源的出光面与所述波导片的出光面相互垂直设置。
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