CN109116566A - 一种近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种宽近眼显示装置，包括第一输入耦合器、第一输出耦合器、第二输入耦合器、第二输出耦合器、图像加载器、红外探测器及光波导。通过将衍射光学元件与光波导组合代替传统的光学系统，目标图像与携带人眼信息的红外光信号共用同一光路，构建一套基于红外眼动跟踪功能的近眼显示装置，实现紧凑、体积小、重量轻、集成化、效率高的目的。

Description

一种近眼显示装置
技术领域
本申请涉及显示技术领域，特别涉及一种近眼显示装置。
背景技术
近眼显示是观察者在看外界真实物体的同时，叠加在真实环境中的图像或者数据等信息也可被观看，因此被广泛应用于各个领域，尤其在军事及消费领域。
常见的近眼显示技术解决方案包括自由形式棱镜方案、可变形反射镜方案、投影系统方案、全息投影方案和全息波导方案。
眼动追踪技术有三种类型：一种是根据眼球特征的变化进行跟踪，二是根据虹膜角度的变化进行跟踪，三是主动将红外线投射到虹膜上用于提取特征。其中，红外投射的方式具有很大的优势，特别是在识别精度方面。近年来，将眼动追踪应用于近眼显示设备的趋势变得更加明显，因为该方法使用眼睛注视而不是传统的手动交互，这可以显着提高抬头性能并为用户提供新的交互式体验。
眼动追踪和近眼显示技术的发展先前已在各个层面进行了探索。许多科技公司，如MagicLeap，Lumus，Oculus，谷歌和微软，已经推出了具有眼动追踪功能的近眼显示设备。然而，这些设备的眼睛跟踪模块独立于成像模块，这将使设备体积庞大且缺乏便携性。
发明内容
本申请提供一种近眼显示装置，至少解决现有技术中存在的至少一个问题。
为解决上述问题，第一方面，本申请实施例提供一种近眼显示装置，包括第一输入耦合器、第一输出耦合器、第二输入耦合器、第二输出耦合器、图像加载器、红外探测器及光波导；
所述第一输入耦合器用于将所述图像加载器输入的目标图像传输进所述光波导；
所述第一输出耦合器用于将经过所述光波导传播后的所述目标图像输出；
所述第二输入耦合器用于将携带有人眼信息的红外光传输进所述光波导；
所述第二输出耦合器用于将经过所述光波导传播后的所述携带有人眼信息的红外光输出；
所述红外探测器用于接收所述携带有人眼信息的红外光，并根据所述人眼信息调整所述图像加载器输入的目标图像位置；
其中，所述目标图像和所述红外光在同一光波导中共用光路传输。
进一步，所述人眼信息包括虹膜特征、角膜特征中的任一种。
进一步，所述第二输入耦合器和第一输出耦合器共用同一耦合器。
进一步，所述第二输入耦合器位于所述第一输出耦合器四周。
进一步，所述第一输出耦合器和所述第二输入耦合器相邻设置。
进一步，所述第一输入耦合器、第一输出耦合器、第二输入耦合器和第二输出耦合器均为体全息光栅。
进一步，所述近眼显示装置还包括红外光源，所述红外光源入射角度根据所述体全息光栅的记录光波长和角度、再现光波长确定。
进一步，所述第一输入耦合器和第一输出耦合器分别与第二输入耦合器和第二输出耦合器的光栅矢量不同。
进一步，所述光波导的厚度为2mm至5mm，所述光波导的材料包括光学玻璃。
进一步，所述体全息光栅的材料包括卤化银、光致聚合物、重铬酸明胶、光致抗蚀剂、光折变晶体中的任一种。
本申请实施例公开的近眼显示装置，包括第一输入耦合器、第一输出耦合器、第二输入耦合器、第二输出耦合器、图像加载器、红外探测器及光波导；所述第一输入耦合器用于将所述图像加载器输入的目标图像传输进所述光波导；所述第一输出耦合器用于将经过所述光波导传播后的所述目标图像输出；所述第二输入耦合器用于将携带有人眼信息的红外光传输进所述光波导；所述第二输出耦合器用于将经过所述光波导传播后的所述携带有人眼信息的红外光输出；所述红外探测器用于接收所述携带有人眼信息的红外光，并根据所述人眼信息调整所述图像加载器输入的目标图像位置；其中，所述目标图像和所述红外光在同一光波导中共用光路传输。通过将衍射光学元件与光波导组合代替传统的光学系统，目标图像与携带人眼信息的红外光信号共用同一光路，构建一套基于红外眼动跟踪功能的近眼显示装置，实现紧凑、体积小、重量轻、集成化、效率高的目的。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：
图1为本申请实施例一的近眼显示装置的结构示意图；
图2为本申请实施例二的近眼显示装置的侧视图；
图3为本申请实施例三的一种近眼显示装置的俯视图；
图4为本申请实施例三的一种近眼显示装置的侧视图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
本申请实施例一公开了一种宽视角的波导显示器，如图1所述，包括第一输入耦合器101、第一输出耦合器102、第二输入耦合器202、第二输出耦合器201、图像加载器1、红外探测器2及光波导3。
其中，所述第一输入耦合器101用于将所述图像加载器1输入的目标图像传输进所述光波导3。
所述第一输出耦合器102用于将经过所述光波导3传播后的所述目标图像输出。
所述第二输入耦合器202用于将携带有人眼信息的红外光传输进所述光波导3；
所述第二输出耦合器201用于将经过所述光波导3传播后的所述携带有人眼信息的红外光输出；
所述红外探测器2用于接收所述携带有人眼信息的红外光，并根据所述人眼信息调整所述图像加载器1输入的目标图像位置；
特别的，所述目标图像和所述红外光在同一光波导中共用光路传输。
其中，所述人眼信息包括佩戴者/图像观看者的虹膜特征或者角膜特征，红外探测器2接收到携带人眼信息的红外光后，对红外光信号进行分析得到人眼4的实时特征数据，从而控制调整所述图像加载器输入的目标图像的位置。
在该显示装置中，第一输入耦合器和第一输出耦合器分别与第二输入耦合器和第二输出耦合器的光栅矢量不同，从而避免目标图像和红光外传输中相互干扰。
所述光波导的厚度为2mm至5mm，所述光波导的材料包括光学玻璃，优选的，所述光波导的厚度为3mm。
本申请实施例所公开的近眼显示装置，通过将衍射光学元件与光波导组合代替传统的光学系统，目标图像与携带人眼信息的红外光信号共用同一光路，构建一套基于红外眼动跟踪功能的近眼显示装置，实现紧凑、体积小、重量轻、集成化、效率高的目的。
实施例二
本实施例公开了一种近眼显示装置，如图2所示，包括第一输入耦合器101、第一输出耦合器102、第二输入耦合器202、第二输出耦合器201、图像加载器1、红外探测器2及光波导3。具体的结构位置关系如实施例一，在此不做赘述。
所述第一输入耦合器101、第一输出耦合器102、第二输入耦合器202和第二输出耦合器201均为体全息光栅。当然，其也可以为其他类型的衍射光学元件。
该体全息光栅优选反射型体全息光栅。
优选的，所述第二输入耦合器202和第一输出耦合器102共用同一耦合器，在耦合器的为体全息光栅时，全息光栅记录材料在同一位置以不同角度记录两次，得到两个不同的全息光栅，即为第二输入耦合器和第一输出耦合器。这样，可以减少系统中的光栅个数，使得系统更加的小型化。
本申请中所述的近眼显示装置还包括红外光源5，如图1所示。所述红外光源5照射人眼以获取人眼信息，反射后的红外光携带有人眼信息，通过第二输入耦合器202传输进光波导3。其中，所述红外光源入射角度根据所述体全息光栅的记录光波长和角度、再现光波长确定。这样能够最大化提高衍射效率。
所述红外光源以及红外探测器的波长范围为780mm-1000nm，优选850mm。
具体的，反射后的红外光通过第二输入耦合器入射进光波导的角度通过如下公式确定：
衍射效率
布拉格矢量参量
光栅耦合强度
其中d为光栅厚度，K为波矢，n0为光栅材料折射率，Δn为折射率调制度，λ为再现时的波长，为波失倾斜角，θr为入射角，θs为衍射角。
在体全息光栅的记录光波长和再现光波长存在一定波长偏移量的情况下，可以得出得出相应的入射角度偏移量，以达到衍射效率最大化。比如，体全息光栅以532nm波长的激光作为记录光进行记录，以850nm波长的红外光再现，此时波长偏移量为318nm，若记录光的入射角度为74°，则再现光入射角度相对垂直位置偏离25°。
实施例三
本实施例公开了一种近眼显示装置，包括第一输入耦合器101、第一输出耦合器102、第二输入耦合器202、第二输出耦合器201、图像加载器1、红外探测器2及光波导3。具体的结构位置关系如实施例一，在此不做赘述。
如图3所示，第二输入耦合器202位于第一输出耦合器102的四周，即所述第二输入耦合器202为中空结构，所述第一输出耦合器102位于所述中空位置。
如图4所示，所述第一输出耦合器102和所述第二输入耦合器202相邻设置，两者可以紧密相邻，也可以中间有一定空隙。
在本申请中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括第一输入耦合器、第一输出耦合器、第二输入耦合器、第二输出耦合器、图像加载器、红外探测器及光波导；
所述第一输入耦合器用于将所述图像加载器输入的目标图像传输进所述光波导；
所述第一输出耦合器用于将经过所述光波导传播后的所述目标图像输出；
所述第二输入耦合器用于将携带有人眼信息的红外光传输进所述光波导；
所述第二输出耦合器用于将经过所述光波导传播后的所述携带有人眼信息的红外光输出；
所述红外探测器用于接收所述携带有人眼信息的红外光，并根据所述人眼信息调整所述图像加载器输入的目标图像位置；
其中，所述目标图像和所述红外光在同一光波导中共用光路传输。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述人眼信息包括虹膜特征、角膜特征中的任一种。
3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二输入耦合器和第一输出耦合器共用同一耦合器。
4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二输入耦合器位于所述第一输出耦合器四周。
5.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一输出耦合器和所述第二输入耦合器相邻设置。
6.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一输入耦合器、第一输出耦合器、第二输入耦合器和第二输出耦合器均为体全息光栅。
7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置还包括红外光源，所述红外光源入射角度根据所述体全息光栅的记录光波长和角度、再现光波长确定。
8.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一输入耦合器和第一输出耦合器分别与第二输入耦合器和第二输出耦合器的光栅矢量不同。
9.根据权利要求1-8任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光波导的厚度为2mm至5mm，所述光波导的材料包括光学玻璃。
10.根据所述权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述体全息光栅的材料包括卤化银、光致聚合物、重铬酸明胶、光致抗蚀剂、光折变晶体中的任一种。
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