CN108873332A - 单眼大视场近眼显示模组、显示方法及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单眼大视场近眼显示模组，包括：图像源、目镜光学器件和平板光学波导，图像源用于交替发射具有不同视场角的图像光束，平板光学波导内设置有输入耦合器和输出耦合器，输出耦合器被配置为根据入射至输出耦合器的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，每个出射状态下的输出耦合器均与图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统出射光瞳具有重合部分。本发明中输出耦合器同时具备将光束耦出平板光学波导和扫描双重作用，各出射状态下的输出耦合器向外射出的具有相应视场角的图像相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，从而增大了显示设备的视场角。

Description

单眼大视场近眼显示模组、显示方法及头戴式显示设备

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，尤其涉及单眼大视场近眼显示模组、显示方法及头戴式显示设备。

背景技术

增强现实(AR)显示设备使得用户能够透过设备的透明或半透明显示器来观看周围的环境，并且还看到显示器生成的图像覆盖在周围环境上。这类设备通常为头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可佩带的显示设备。设备通常利用光学波导来传输图像，显示器的光需要通过输入耦合器耦合入光学波导，同时光学波导内又需要设置中间部件来扩展光瞳，现有输入耦合器和中间部件的结构使得输入的图像的对角线视场角不能超过35度，特别是中间部件结构的制约，因而现有增强现实显示设备通常只有14-34度的对角线视场角。也有现有技术通过将显示设备输入的图像通过一个输入耦合部拆分成两路在光学波导内进行传播，并通过输出耦合部来会聚射出，从而达到增大增强现实显示设备对角线视场角的效果。但这种技术受制于输入耦合部的结构，其仅能将视场角扩展至接近70度，仍不能达到人们对增强现实显示设备大视场的期望，不能满足消费市场的需求。并且输入耦合部的图像拆分和输出耦合部的会聚又带来了会聚图像亮度不均匀的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种单眼大视场近眼显示系统，用以解决现有增强现实显示设备视场角小的技术缺陷。

为了实现上述发明目的，本发明第一方面提供了一种单眼大视场近眼显示模组，包括：

图像源，用于交替发射具有不同视场角的图像光束，

目镜光学器件，其被配置为将图像源发射的全部图像光束进行准直并射入平板光学波导，

平板光学波导内设置有输入耦合器和输出耦合器，输入耦合器被配置为将目镜光学器件出射的全部光束耦合入平板光学波导，通过衍射或反射每一光束使得所述光束在平板光学波导内满足所述平板光学波导的内部全反射条件，

所述的输出耦合器用于将输入耦合器耦合入平板光学波导的光束耦出平板光波导，输出耦合器具有至少两个出射状态，其被配置为根据入射至输出耦合器的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，每个出射状态具有一个相应的光束出射角度，输出耦合器将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射，该出射光束不满足平板光学波导的内部全反射条件并射出平板光学波导形成图像，该图像与入射至输出耦合器的图像光束具有相同的视场角；

每个出射状态下的输出耦合器均与图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

从而使得，各出射状态下的输出耦合器向外射出的具有相应视场角的图像相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各出射状态下的输出耦合器向外出射的图像相对应的视场角合并得到。本发明中输出耦合器可以动态改变出射光线角度，使得输出耦合器同时具备耦出平板光学波导和扫描双重作用。优选的，所述的扫描为二维扫描，如所述的扫描包括水平扫描和垂直扫描，通过控制水平扫描角度可以实现水平视场的扩展；通过控制垂直扫描角度可以实现垂直视场的扩展。

故，优选的，所述的图像源交替发射的具有不同视场角的图像是构成一个具有相应大视场角的完整图像的不同部分。

图像源交替发射的具有不同视场角的图像的数量可以为两个、三个、四个或任意多个。各出射状态下的输出耦合器向外射出的具有相应视场角的图像之间相互拼接的方式可以为沿水平方向依次拼接、也可以沿垂直方向依次拼接、也可以呈矩阵型拼接。

进一步优选的，所述的单眼大视场近眼显示模组，还包括设置于平板光学波导内的中继部件，所述的中继部件通过衍射或反射输入耦合器耦合入平板光学波导的每一光束，将每一光束进行水平扩束或垂直扩束，并将扩束后的光束导入输出耦合器。

进一步的，所述的图像源的数量为至少两个输入耦合器、输出耦合器和目镜光学器件的数量均与图像源的数量相同且均与图像源一一对应，目镜光学器件被配置为将相应的图像源发射的全部光束进行准直并射入平板光学波导，输入耦合器被配置为将相应的目镜光学器件出射的全部光束耦合入平板光学波导，所述的输出耦合器用于将相应输入耦合器耦合入平板光学波导的光束耦出平板光学波导，每个输出耦合器均与相应的图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。即，每个所述的输出耦合器均具有多个光束出射角不同的出射状态，每个输出耦合器均被配置为根据入射至输出耦合器的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射，该出射光束不满足平板光学波导的内部全反射条件并射出平板光学波导形成图像，该图像与入射至输出耦合器的图像光束具有相同的视场角；

每个出射状态下的各输出耦合器均与其对应的图像源和输入耦合器构成一个第一显示子系统，各第一显示子系统的出射光瞳具有重合部分；

且每个输出耦合器均与其对应的图像源和输入耦合器构成一个第二显示子系统，各第二显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

由于与每个图像源相对应的输出耦合器均向外射出一个由多个视场角的图像相互拼接成的具有相应大视角的完整图像，则此时多个输出耦合器向外射出的具有相应大视角的完整图像再次相互拼接，构成具有更大视场角的完整图像，该更大视场角由各输出耦合器向外射出的完整图像相对应的视场角合并得到。

故，优选的，每个图像源交替发射的具有不同视场角的图像是构成一个具有相应大视场角的完整图像的不同部分，同时每个图像源发射的具有相应大视场角的完整图像又是构成一个具有更大视场角的完整图像的不同部分。进一步的，图像源的数量可以为两个、三个、四个或任意多个。各输出耦合器向外射出的具有相应大视场角的完整图像之间相互拼接的方式可以为沿水平方向依次拼接、也可以沿垂直方向依次拼接、也可以呈矩阵型拼接。其拼接方式与单个图像源发射的多个具有不同视场角的图像的拼接方式相同，在此不再赘述。

进一步的，对于设置中继部件的实施例，中继部件的个数与输入耦合器的个数相同且一一对应设置，中继部件通过衍射或反射其对应的输入耦合器耦合入平板光学波导的每一光束，将每一光束进行水平扩束或垂直扩束，并将扩束后的光束导入相应的输出耦合器。

上述文中的输出耦合器通过反射或衍射将入射至输出耦合器的光按其对应的光束出射角度进行出射。

进一步可选的，所述的输出耦合器为电控液晶。

进一步的，上述文中的图像源的单个像素点，可以通过控制其发光产生不同的颜色信息和灰度信息，扫描(即输出耦合器在不同的出射状态间切换)的同时，光源的出射光线的RGB信息与灰度进行同步调制，以实现所需显示的图像。

进一步的所述的图像源包括微显示器，微显示器可以为数字光处理(DLP)显示器、硅基液晶(LCOS)显示器、LCD显示器、OLED显示器、光纤扫描显示器和MEMS扫描图像显示系统中的任意一种。

可选的，所述的输入耦合器可以为输入耦合光栅，输入耦合光栅通过衍射使得光束在平板光学波导内满足所述平板光学波导的内部全反射条件；

所述的中继部件可为中继光栅，中继光栅通过衍射每一光束，将每一光束引导到相应的输出耦合光，中继光栅进行水平扩束或垂直扩束是指将入射至光栅的每一光束沿着该光栅的宽度的方向被引导到该光栅的多个扩展区域上，光栅的多个扩展区域实现对每一光束的扩展，以形成该光束的多个平行子光束，达到扩展光束的出瞳直径的效果。

所述的单眼大视场近眼显示模组还包括图像处理器，其用于将待显示的、具有相应大视场角的完整图像分割成数量与图像源的数量相同的子图像，每个子图像具有相应的子视场角，图像处理器进一步的又将各子图像分割成多个具有相应子子视场角的子子图像，图像处理器将各子图像的子子图像传输给相应的图像源，每个图像源将其相对应的具有相应子子视场角的子子图像交替发射。

本发明另一方面提供一种头戴式显示设备，包括上述的任意一种单眼大视场近眼显示模组和用于佩戴于用户头部的头戴部件，单眼大视场近眼显示模组安装在所述头戴部件上并被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的眼睛上。

可选的，所述的头戴式显示设备具有一个单眼大视场近眼显示模组，单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的左眼或右眼上。

也可选的，所述的头戴式显示设备具有两个单眼大视场近眼显示模组，其中一个单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的左眼上，另外一个单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的右眼上。

所述的头戴部件包括框架、头盔或头带等可以佩戴于用户头上的部件。

本发明另一方面提供一种单眼大视场近眼显示方法，包括以下步骤：

S1、图像源交替发射具有不同视场角的图像光束，同一图像源发射的具有不同视角的图像相互拼接构成一个具有相应大视场角的完整图像；当所述的图像源为两个或两个以上时，各图像源发射的具有相应大视场角的完整图像相互拼接构成一个具有更大视场角的完整图像；

S2、图像源发射的光束经对应设置的目镜光学器件准直后全部射入平板光学波导的相应输入耦合器；各输入耦合器将相应目镜光学器件出射的、用于形成具有相应视场角的图像的全部光束耦合入平板光学波导，通过衍射或反射每一光束使得所述光束在平板光学波导内满足所述平板光学波导的内部全反射条件，所述光束经平板光学波导传输入射至相应输出耦合器，输出耦合器根据入射至输出耦合器的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射，该出射光束不满足平板光学波导的内部全反射条件并射出平板光学波导形成图像，该图像与入射至输出耦合器的图像光束具有相同的视场角，每个出射状态下的输出耦合器均与图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分；当所述的图像源为两个或两个以上时，每个输出耦合器均与相应的图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

进一步的，每个输出耦合器的各出射状态下输出的具有相应视场角的图像相互拼接成的具有相应大视角的完整图像，与该输出耦合器相对应的图像源交替出射的具有不同视场角的图像相互拼接成的具有相应大视场角的完整图像相对应。当图像源为两个或两个以上时，各输出耦合器出射的具有相应大视场角的完整图像相互拼接成的具有相应更大视场角的完整图像，与各图像源输出的具有相应大视场角的完整图像相互拼接成的具有更大视场角的完整图像相对应。

进一步的，对于平板光学波导内设置有中继部件的单眼大视场近眼显示模组，所述显示方法还包括中继部件将引导至中继部件的每一光束进行水平扩束或垂直扩束的步骤。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明中输出耦合器可以动态改变出射光线角度，使得输出耦合器同时具备耦出平板光学波导和扫描双重作用，各出射状态下的输出耦合器向外射出的具有相应视场角的图像相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各出射状态下的输出耦合器向外出射的图像相对应的视场角合并得到，从而增大了显示设备的视场角。

附图说明

图1为本发明一个实施例的俯视结构示意图；

图2为图1所示实施例的左视结构示意图；

图3为图1所示实施例中平板光学波导的结构示意图；

图4为本发明具有两个图像源的一个实施例的俯视结构示意图；

图5为图4所示实施例中平板光学波导的结构示意图；

图6为具有四个图像源、四个输出耦合器水平排列的实施例的结构示意图；

图7为具有四个图像源、四个输出耦合器水平排列的另一种实施例的结构示意图；

图8为具有四个图像源、四个输出耦合器呈阵列排列的实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供单眼大视场近眼显示模组，用以交替发射具有不同市场角的图像。

本发明实施例第一方面提供单眼大视场近眼显示模组，如图1、图2所示，包括：

图像源1，用于交替发射具有不同视场角的图像光束，

目镜光学器件2，其被配置为将图像源1发射的全部图像光束进行准直并射入平板光学波导3，

如图3所示，平板光学波导3内设置有输入耦合器4和输出耦合器5，输入耦合器4被配置为将目镜光学器件2出射的全部光束耦合入平板光学波导3，通过衍射或反射每一光束使得所述光束在平板光学波导3内满足所述平板光学波导3的内部全反射条件，

所述的输出耦合器5用于将输入耦合器4耦合入平板光学波导3的光束耦出平板光波导，输出耦合器5具有至少两个出射状态，其被配置为根据入射至输出耦合器5的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，每个出射状态具有一个相应的出射角度，输出耦合器5将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射，该出射光束不满足平板光学波导3的内部全反射条件并射出平板光学波导3形成图像，该图像与入射至输出耦合器5的图像光束具有相同的视场角；

每个出射状态下的输出耦合器5均与图像源1和输入耦合器4构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

从而使得，各出射状态下的输出耦合器5向外射出的具有相应视场角的图像相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各出射状态下的输出耦合器5向外出射的图像相对应的视场角合并得到。本发明中输出耦合器5可以动态改变出射光线角度，使得输出耦合器5同时具备耦出平板光学波导3和扫描双重作用。优选的，所述的扫描为二维扫描，如所述的扫描包括水平扫描和垂直扫描，通过控制水平扫描角度可以实现水平视场的扩展，例如图1中a、b角，左右视场可以通过水平扫描角度控制；通过控制垂直扫描角度可以实现垂直视场的扩展。

故，优选的，所述的图像源1交替发射的具有不同视场角的图像是构成一个具有相应大视场角的完整图像的不同部分。各出射状态下的输出耦合器5向外射出的具有相应视场角的图像相互拼接构成的具有相应大视角的完整图像与所述图像源1所发射的具有不同视场角的图像所构成的一个具有相应大视场角的完整图像相对应。

图像源1交替发射的具有不同视场角的图像的数量可以为两个、三个、四个或任意多个。各出射状态下的输出耦合器5向外射出的具有相应视场角的图像之间相互拼接的方式可以为沿水平方向依次拼接、也可以沿垂直方向依次拼接、也可以呈矩阵型拼接。例如，对于任意两个水平拼接的图像，图像源1交替发射的两个具有不同视场角的图像中，一个图像的水平视场角为a°-b°，另一个图像的水平视场角为b°-c°或d°-a°，则这两个图像水平拼接后的图像的水平视场角即为a°-c°或d°-b°。又例如，对于任意两个垂直拼接的图像，图像源1交替发射的两个具有不同视场角的图像中，一个图像的垂直视场角为a°-b°，另一个图像的垂直视场角为b°-c°或d°-a°，则这两个图像源1显示的局部图像垂直拼接后的图像的垂直视场角即为a°-c°或d°-b°。同理，多个局部图像拼接就能获得目标水平视场角和目标垂直视场角。

进一步优选的，所述的单眼大视场近眼显示模组，还包括设置于平板光学波导3内的中继部件6，所述的中继部件6通过衍射或反射输入耦合器4耦合入平板光学波导3的每一光束，将每一光束进行水平扩束或垂直扩束，并将扩束后的光束导入输出耦合器5。

进一步的，如图4-图8所示，所述的图像源1的数量为至少两个输入耦合器4、输出耦合器5和目镜光学器件2的数量均与图像源1的数量相同且均与图像源1一一对应，目镜光学器件2被配置为将相应的图像源1发射的全部光束进行准直并射入平板光学波导3，输入耦合器4被配置为将相应的目镜光学器件2出射的全部光束耦合入平板光学波导3，所述的输出耦合器5用于将相应输入耦合器4耦合入平板光学波导3的光束耦出平板光学波导3，每个输出耦合器5均与相应的图像源1和输入耦合器4构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

对于设置有中继部件6的实施例，中继部件6的个数与输入耦合器4的个数相同且一一对应设置，中继部件6通过衍射或反射其对应的输入耦合器4耦合入平板光学波导3的每一光束，将每一光束进行水平扩束或垂直扩束，并将扩束后的光束导入相应的输出耦合器5。

由于与每个图像源1相对应的输出耦合器5均向外射出一个由多个视场角的图像相互拼接成的具有相应大视角的完整图像，则此时多个输出耦合器5向外射出的具有相应大视角的完整图像再次相互拼接，构成具有更大视场角的完整图像，该更大视场角由各输出耦合器5向外射出的完整图像相对应的视场角合并得到，如图4所示。

故，优选的，每个图像源1交替发射的具有不同视场角的图像是构成一个具有相应大视场角的完整图像的不同部分，同时每个图像源1发射的具有相应大视场角的完整图像又是构成一个具有更大视场角的完整图像的不同部分。进一步的，图像源1的数量可以为两个、三个、四个或任意多个。各输出耦合器5向外射出的具有相应大视场角的完整图像之间相互拼接的方式可以为沿水平方向依次拼接、也可以沿垂直方向依次拼接、也可以呈矩阵型拼接。其拼接方式与单个图像源1发射的多个具有不同视场角的图像的拼接方式相同，在此不再赘述。

具体来说，如图4、图5所示，所述的图像源1的数量为至少两个的实施例的单眼大视场近眼显示模组，包括：

至少两个图像源1，每个图像源1均用于交替发射具有不同视场角的图像光束，

目镜光学器件2，其被配置为相应的图像源1发射的全部光束进行准直并射入平板光学波导3，

平板光学波导3内设置有与所述目镜光学器件2一一对应的输入耦合器4和与所述输入耦合器4一一对应的输出耦合器5，

输入耦合器4被配置为将对应的目镜光学器件2出射的全部光束耦合入平板光学波导3，通过衍射或反射每一光束使得所述光束在平板光学波导3内满足所述平板光学波导3的内部全反射条件，

每个所述的输出耦合器5均具有多个光束出射角不同的出射状态，每个输出耦合器5均被配置为根据入射至输出耦合器5的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射，该出射光束不满足平板光学波导3的内部全反射条件并射出平板光学波导3形成图像，该图像与入射至输出耦合器5的图像光束具有相同的视场角；

每个出射状态下的各输出耦合器5均与其对应的图像源1和输入耦合器4构成一个第一显示子系统，各第一显示子系统的出射光瞳具有重合部分；

且每个输出耦合器5均与其对应的图像源1和输入耦合器4构成一个第二显示子系统，各第二显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

进一步优选的，对于设置中继部件6的实施例，所述单眼大视场近眼显示模组还包括与输入耦合器4一一对应设置的中继部件6，中继部件6通过衍射或反射与其相对应的输入耦合器4耦合入平板光学波导3的每一光束，将每一光束进行水平扩束或垂直扩束，并将扩束后的光束导入与该中继部件6相对应的输出耦合器5。

进一步的，上述文中的输出耦合器5通过反射或衍射将入射至输出耦合器5的光按其对应的光束出射角度进行出射。具体来说，是指照射至该输出耦合器5的光束按与该图像光束所具有的视场角相对应的预定出射角度偏转出射，出射光束不满足平板光学波导3的内部全反射条件部光束离开平板光学波导3并形成图像。

平板光学波导3的输出耦合器5被配置于用户单眼的前方，以形成对用户单眼可见的图像。平板光学波导3是基本透明的，以使得用户不仅可以观看来自图像源1的图像，还可以透过平板光学波导3观看来自现实世界的图像。从而使得本发明可用于增强现实显示设备，将所述拼接形成的图像叠加于现实世界中，达到提高增强显示设备视场角的技术效果。

以用户眼睛相对于平板光学波导3所处的位置为后，所述的平板光学波导3包括前后两个相互平行的表面。平板光学波导3的输入耦合器4、中继部件6和输出耦合器5均可布设于平板光学波导3的表面或内部。图像源1及对应的目镜光学器件2既可以布设于平板光学波导3的前侧，也可以布设于平板光学波导3的后侧。

进一步可选的，所述的输出耦合器5为电控液晶，如PDLC(聚合物分散液晶)，输出耦合器5可通过反射和衍射入射至输出耦合器5的光，使其按相应的光束出射角度进行出射。从而均可达到耦出光波导与扫描的双重作用。

进一步的，上述文中的图像源1的单个像素点，可以通过控制其发光产生不同的颜色信息和灰度信息，扫描(即输出耦合器5在不同的出射状态间切换)的同时，光源的出射光线的RGB信息与灰度进行同步调制，以实现所需显示的图像。

进一步的所述的图像源1包括微显示器，微显示器可以为数字光处理(DLP)显示器、硅基液晶(LCOS)显示器、LCD显示器、OLED显示器、光纤扫描显示器和MEMS扫描图像显示系统中的任意一种。优选的所述的微显示器采用光纤扫描显示器，其具有体积小、重量轻的特点，其结合本发明中需要配置多个图像源111的客观特点，能够使得本发明实用性、便捷性得到明显提升。而类似数字光处理(DLP)显示器、硅基液晶(LCOS)显示器、LCD显示器、OLED显示器、光纤扫描显示器和MEMS扫描图像显示系统均具有部件结构复杂、体积大、重量大的特点，一个显示系统或模组采用一个上述显示器就已具有相当大的体积和重量，特别是对于头戴设备，一个显示系统采用两个或多个上述显示器带来的大体积、大重量是不能被用户接受的。

进一步的，上述文中的目镜光学器件2一般包括准直透镜，其用于放大成像并将图像源1发射的全部光束进行准直，并将准直后的全部光束射入平板光学波导3，进一步的，准直后的全部光束射向平板光学波导3的输入耦合器4。输入耦合器4的面积大于目镜光学器件2射出的光束的直径，从而保证目镜光学器件2出射的、用于形成具有相应视场角的图像的全部光束耦合入平板光学波导3。

作为优选的，输出耦合器5尽量位于平板光学波导3的中间位置，但不限于此。输入耦合器4可以设置于平板光学波导3的任意位置，并不受限制，但为了方便配置图像源1及相应的目镜光学器件2，并且尽量降低对用户视场的影响，输入耦合器4可以设置于平板光学波导3的边缘或边角处。

可选的，所述的输入耦合器4可以为输入耦合光栅，输入耦合光栅通过衍射使得光束在平板光学波导3内满足所述平板光学波导3的内部全反射条件；

所述的平板光学波导3可以为单层平板光学波导，也可以由多个单色波导堆叠构成的，每个单色波导上均设置有与该单色波导相对应的单色输入耦合器和单色输出耦合器。进一步的还可设置与该单色波导相对应的单色中继部件。

每个单色波导均通过单色输入耦合器将与入射平板光学波导3的图像中相对应的一个单色光耦合到单色波导中，各所述单色光在各相应单色波导内经过单色中继部件、单色输出耦合器后射出(如未设置单色中继部件，则耦合入的单色光经单色波导直接传导至单色输出耦合器)。例如光学波导可以由红色单色波导、绿色单色波导和蓝色单色波导三个单色波导堆叠构成，当然单色波导的个数也可以少于三个或多于三个。

所述的中继部件6可为中继光栅，中继光栅通过衍射每一光束，将每一光束引导到相应的输出耦合光，中继光栅进行水平扩束或垂直扩束是指将入射至光栅的每一光束沿着该光栅的宽度的方向被引导到该光栅的多个扩展区域上，光栅的多个扩展区域实现对每一光束的扩展，以形成该光束的多个平行子光束，达到扩展光束的出瞳直径的效果。通过调节各扩展区域的衍射效率实现扩束并保证扩展出瞳的光亮度均匀性。

输入耦合光栅和中继光栅均可为透射光栅或反射光栅，根据上述光栅布设位置的不同和光路的需要选用相应类型的光栅，输入耦合光栅和中继光栅均可布设于平板光学波导3的表面或内部。

所述的单眼大视场近眼显示模组还包括图像处理器，其用于将待显示的、具有相应大视场角的完整图像分割成数量与图像源1的数量相同的子图像，每个子图像具有相应的子视场角，图像处理器进一步的又将各子图像分割成多个具有相应子子视场角的子子图像，图像处理器将各子图像的子子图像传输给相应的图像源1，每个图像源1将其相对应的具有相应子子视场角的子子图像交替发射。从而，每个输出耦合器5在各出射状态下射出的具有相应子子视场角的子子图像相互拼接构成具有相应子视场角的子图像，进一步的个输出耦合器5射出的具有相应子视场角的子图像相互拼接构成具有相应大视场角的完整图像并射入观察者单眼。观察者单眼接收到的即为具有相应大视场角的完整图像。

上述的单眼大视场近眼显示模组可以结合到混合现实显示设备或增强现实显示设备中，但不限于此。上述单眼大视场近眼显示模组的单个实施例可以提供给用户的左眼和右眼中的每一个。因而本发明另一方面提供一种头戴式显示设备，包括上述的任意一种单眼大视场近眼显示模组和用于佩戴于用户头部的头戴部件，单眼大视场近眼显示模组安装在所述头戴部件上并被定位成其输出耦合器5将光束引导到佩戴者的眼睛上。

可选的，所述的头戴式显示设备具有一个单眼大视场近眼显示模组，单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器5将光束引导到佩戴者的左眼或右眼上。

也可选的，所述的头戴式显示设备具有两个单眼大视场近眼显示模组，其中一个单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器5将光束引导到佩戴者的左眼上，另外一个单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器5将光束引导到佩戴者的右眼上。

作为一个优选的实施例两个单眼大视场近眼显示模组共用一个平板光学波导3，然后在该平板光学波导3的所需部位分别设置用于两个单眼大视场近眼显示模组的输入耦合器4、中继部件6和输出耦合器5。

所述的头戴部件包括框架、头盔或头带等可以佩戴于用户头上的部件。

所述的大视场近眼显示模组的各图像源1及其对应的目镜光学器件2可以位于头戴部件的侧面，使其位于用户两个眼睛的外侧；也可以位于用户的鼻梁的上方；也可以位于用户两个眼睛的上方或下方。优选的是位于不影响用户视野的位置。由于本申请的图像源1及其对应的目镜光学器件2既可以位于平板光学波导3的后侧也可以位于平板光学波导3的前侧，因而可以轻松的在头戴部件上设置所需数量的图像源1及其对应的目镜光学器件2。进一步的，作为优选的图像源1，光纤扫描显示器体积小、重量轻的特点，使得本发明的实用性进一步提升，使得本发明的头戴式显示设备同时具有良好的显示性能和佩戴舒适性。

本发明另一方面提供一种单眼大视场近眼显示方法，包括以下步骤：

S1、图像源1交替发射具有不同视场角的图像光束，同一图像源1发射的具有不同视角的图像相互拼接构成一个具有相应大视场角的完整图像；当所述的图像源1为两个或两个以上时，各图像源1发射的具有相应大视场角的完整图像相互拼接构成一个具有更大视场角的完整图像；

S2、图像源1发射的光束经对应设置的目镜光学器件2准直后全部射入平板光学波导3的相应输入耦合器4；各输入耦合器4将相应目镜光学器件2出射的、用于形成具有相应视场角的图像的全部光束耦合入平板光学波导3，通过衍射或反射每一光束使得所述光束在平板光学波导3内满足所述平板光学波导3的内部全反射条件，所述光束经平板光学波导3传输入射至相应输出耦合器5，输出耦合器5根据入射至输出耦合器5的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射，该出射光束不满足平板光学波导3的内部全反射条件并射出平板光学波导3形成图像，该图像与入射至输出耦合器5的图像光束具有相同的视场角，每个出射状态下的输出耦合器5均与图像源1和输入耦合器4构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分；当所述的图像源1为两个或两个以上时，每个输出耦合器5均与相应的图像源1和输入耦合器4构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

从而每个输出耦合器5的各出射状态下的输出的具有相应视场角的图像相互拼接成的一个具有相应大视角的完整图像。当图像源1为两个或两个以上时，各输出耦合器5出射的具有相应大视场角的完整图像又相互拼接成一个具有相应更大视场角的完整图像。

进一步的，每个输出耦合器5的各出射状态下输出的具有相应视场角的图像相互拼接成的具有相应大视角的完整图像，与该输出耦合器5相对应的图像源1交替出射的具有不同视场角的图像相互拼接成的具有相应大视场角的完整图像相对应。当图像源1为两个或两个以上时，各输出耦合器5出射的具有相应大视场角的完整图像相互拼接成的具有相应更大视场角的完整图像，与各图像源1输出的具有相应大视场角的完整图像相互拼接成的具有更大视场角的完整图像相对应。

进一步的，对于平板光学波导3内设置有中继部件6的单眼大视场近眼显示模组，还包括中继部件6将引导至中继部件6的每一光束进行水平扩束或垂直扩束。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明中输出耦合器可以动态改变出射光线角度，使得输出耦合器同时具备耦出平板光学波导和扫描双重作用，各出射状态下的输出耦合器向外射出的具有相应视场角的图像相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各出射状态下的输出耦合器向外出射的图像相对应的视场角合并得到，从而增大了显示设备的视场角。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

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。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (13)

1.单眼大视场近眼显示模组，其特征在于，包括：

图像源，用于交替发射具有不同视场角的图像光束，

目镜光学器件，其被配置为将图像源发射的全部图像光束进行准直并射入平板光学波导，

平板光学波导内设置有输入耦合器和输出耦合器，输入耦合器被配置为将目镜光学器件出射的全部光束耦合入平板光学波导，

所述的输出耦合器用于将输入耦合器耦合入平板光学波导的光束耦出平板光波导，输出耦合器具有至少两个出射状态，其被配置为根据入射至输出耦合器的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，每个出射状态具有一个相应的光束出射角度，输出耦合器将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射；

每个出射状态下的输出耦合器均与图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

2.如权利要求1所述的单眼大视场近眼显示模组，其特征在于，所述的图像源交替发射的具有不同视场角的图像是构成一个具有相应大视场角的完整图像的不同部分。

3.如权利要求1所述的单眼大视场近眼显示模组，其特征在于，还包括设置于平板光学波导内的中继部件，所述的中继部件将输入耦合器耦合入平板光学波导的每一光束进行水平扩束或垂直扩束，并将扩束后的光束导入输出耦合器。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的单眼大视场近眼显示模组，其特征在于，所述的图像源的数量为至少两个，输入耦合器、输出耦合器和目镜光学器件的数量均与图像源的数量相同且均与图像源一一对应，目镜光学器件被配置为将相应的图像源发射的全部光束进行准直并射入平板光学波导，输入耦合器被配置为将相应的目镜光学器件出射的全部光束耦合入平板光学波导，所述的输出耦合器用于将相应输入耦合器耦合入平板光学波导的光束耦出平板光学波导，每个输出耦合器均与相应的图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统的出射光瞳具有重合部分。

5.如权利要求1所述的单眼大视场近眼显示模组，其特征在于，输出耦合器将入射至输出耦合器的光按其对应的光束出射角度进行出射。

6.如权利要求5所述的单眼大视场近眼显示模组，其特征在于，所述的输出耦合器为电控液晶。

7.如权利要求1或4所述的单眼大视场近眼显示模组，其特征在于，还包括图像处理器，其用于将待显示的、具有相应大视场角的完整图像分割成数量与图像源的数量相同的子图像，每个子图像具有相应的子视场角，图像处理器进一步的又将各子图像分割成多个具有相应子子视场角的子子图像，图像处理器将各子图像的子子图像传输给相应的图像源，每个图像源将其相对应的具有相应子子视场角的子子图像交替发射。

8.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-7中任意一项所述的单眼大视场近眼显示模组和用于佩戴于用户头部的头戴部件，单眼大视场近眼显示模组安装在所述头戴部件上并被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的眼睛上。

9.如权利要求8所述的一种头戴式显示设备，其特征在于，具有一个单眼大视场近眼显示模组，单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的左眼或右眼上。

10.如权利要求8所述的一种头戴式显示设备，其特征在于，具有两个单眼大视场近眼显示模组，其中一个单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的左眼上，另外一个单眼大视场近眼显示模组被定位成其输出耦合器将光束引导到佩戴者的右眼上。

11.一种单眼大视场近眼显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、图像源交替发射具有不同视场角的图像光束，同一图像源发射的具有不同视角的图像相互拼接构成一个具有相应大视场角的完整图像；当所述的图像源为两个或两个以上时，各图像源发射的具有相应大视场角的完整图像相互拼接构成一个具有更大视场角的完整图像；

S2、图像源发射的光束经对应设置的目镜光学器件准直后全部射入平板光学波导的相应输入耦合器；各输入耦合器将相应目镜光学器件出射的、用于形成具有相应视场角的图像的全部光束耦合入平板光学波导，通过衍射或反射每一光束使得所述光束在平板光学波导内满足所述平板光学波导的内部全反射条件，所述光束经平板光学波导传输入射至相应输出耦合器，输出耦合器根据入射至输出耦合器的图像光束所具有的视场角切换至与该视场角相对应的出射状态，将入射的图像光束偏转至该出射状态下的光束出射角度进行出射，该出射光束不满足平板光学波导的内部全反射条件并射出平板光学波导形成图像，该图像与入射至输出耦合器的图像光束具有相同的视场角，每个出射状态下的输出耦合器均与图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统具有部分重合或全部重合的出射光瞳；当所述的图像源为两个或两个以上时，每个输出耦合器均与相应的图像源和输入耦合器构成一个显示子系统，各显示子系统具有部分重合或全部重合的出射光瞳。

12.如权利要求11所述的一种单眼大视场近眼显示方法，其特征在于，每个输出耦合器的各出射状态下输出的具有相应视场角的图像相互拼接成的具有相应大视角的完整图像，与该输出耦合器相对应的图像源交替出射的具有不同视场角的图像相互拼接成的具有相应大视场角的完整图像相对应；当图像源为两个或两个以上时，各输出耦合器出射的具有相应大视场角的完整图像相互拼接成的具有相应更大视场角的完整图像，与各图像源输出的具有相应大视场角的完整图像相互拼接成的具有更大视场角的完整图像相对应。

13.如权利要求11或12所述的一种单眼大视场近眼显示方法，其特征在于，对于平板光学波导内设置有中继部件的单眼大视场近眼显示模组，所述显示方法还包括中继部件将引导至中继部件的每一光束进行水平扩束或垂直扩束的步骤。