CN110955050A - 一种近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近眼显示装置,包括显示光源、旋转模块和屈光放大部件,所述旋转模块绕旋转中心轴旋转,所述旋转模块上设有光源扫描部件和反射镜组,所述光源扫描部件将显示光源的部分像素点光线转为径向传播,然后光线经过反射镜组和屈光放大部件出射。光源扫描部件将显示光源的部分像素点光线转为径向传播,使光路由轴向变为径向,在不增加装置体积的前提下增加光路距离,有利于缩小装置厚度和体积,光源扫描部件在旋转装置上旋转,扩大扫描的显示光源的面积,利用人眼的视觉暂留特性,使人眼看清显示内容,并且外界光也可以通过旋转装置进入人眼,实现增强现实效果。
Description
技术领域
本发明涉及显示装置领域,特别涉及一种近眼显示装置。
背景技术
目前实现VR虚拟现实或AR增强现实需要光学近眼显示装置,现有技术的光学显示系统做出的产品要么产品厚度很厚,重量大,要么视野角度太小。现有技术中有的采用凸透镜片加显示屏幕的VR显示技术,缺点是设备体积大,重量重,镜片畸变严重,色散问题严重,要么采用自由曲面反射的AR镜片,缺点是设备体积大,重量大。而棱镜反射式和衍射镜片的AR镜片虽然体积小重量小但是,视野角更小。衍射镜片的AR镜片虽然轻薄,但是视野角还是小,加工难度大,良品率低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种近眼显示装置,具有较大的视场角且体积小,厚度薄。
根据本发明实施例的一种近眼显示装置,包括显示光源、旋转模块和屈光放大部件,所述旋转模块绕旋转中心轴旋转,所述旋转模块上设有光源扫描部件和反射镜组,所述光源扫描部件将显示光源的部分像素点光线转为径向传播,然后光线经过反射镜组和屈光放大部件出射。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,至少具有如下有益效果:光源扫描部件将显示光源的部分像素点光线转为径向传播,使光路由轴向变为径向,在不增加装置体积的前提下增加光路距离,有利于缩小装置厚度和体积,光源扫描部件在旋转装置上旋转,扩大扫描的显示光源的面积,利用人眼的视觉暂留特性,使人眼看清显示内容,并且外界光也可以通过旋转装置进入人眼,实现增强现实效果。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述反射镜组至少包括一个反射镜。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述光源扫描件为反射镜、棱镜或传像光纤。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述屈光放大部件为透射式聚焦镜片或反射式聚焦镜片,所述透射式聚焦镜片或反射式聚焦镜片固定安装在所述旋转模块一侧,不随所述旋转模块旋转;或设置在所述旋转模块上,和所述旋转模块同心旋转。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述屈光放大部件为透射式聚焦镜片,所述透射式聚焦镜片设置在远离所述显示光源的一侧,径向传播的光线依次经过反射镜组和屈光放大部件出射。或所述透射式聚焦镜片设置在旋转模块内,所述显示光源的光线经光源扫描部件转为径向光线后依次经透射式聚焦镜片和反射镜组出射。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述屈光放大部件为反射式聚焦镜片,所述反射式聚焦镜片设置在靠近所述显示光源的一侧,径向传播的光线依次经过反射镜组和反射式聚焦镜片出射。或所述反射式聚焦镜片设置在旋转模块内,所述显示光源的光线经光源扫描部件转为径向光线后依次经反射式聚焦镜片和反射镜组出射。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述反射镜组至少有两个,任意反射镜组并排设置。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,还包括半反半透镜,半反半透镜同时透过外界光线并反射经过所述屈光放大部件出射的光线。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述显示光源为平面环形光源或侧壁环形光源。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述屈光放大部件的大小和所述反射镜组的出射光线面积相匹配。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,所述屈光放大部件为固定安装的透射式聚焦镜片或反射式聚焦镜片,所述屈光放大部件上具有环形的无屈光聚焦区域和位于无屈光聚焦区域间隔位置的屈光放大区域。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,还包括变焦组件和固定框,所述固定框设置在所述旋转模块的外围,所述变焦组件的两端分别抵接在旋转模块的固定框和屈光放大部件上。
根据本发明实施例的一种近眼显示装,还包括变焦组件,所述变焦组件设置在所述旋转模块上,所述屈光放大部件设置在所述变焦组件上,所述变焦组件用于调节屈光放大部件和旋转模块的距离。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本发明一实施例的结构示意图;
图2a至图2h为本发明实施例的屈光放大部件的安装结构示意图;
图3a至图3d为本发明较优实施例的反射镜组的安装结构示意图;
图4a至图4c为本发明较优实施例的光源扫描部件的安装结构示意图;
图5a为本发明一实施例的主视图;
图5b为图5a中近眼显示装置的侧视图;
图6为本发明另一实施例的结构示意图;
图7a为本发明另一实施例的结构示意图;
图7b为本发明另一实施例的结构示意图;
图7c为本发明实施例中屈光放大部件的结构示意图
图7d为本发明另一实施例的结构示意图;
图7e和图7f为本发明图7d中显示光源的光路图;
图8为本发明实施例中旋转模块的驱动原理图;
图9a至图9e为本发明实施例中变焦组件的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参见图1,本发明的一种近眼显示装置,包括显示光源1、旋转模块2和屈光放大部件5,旋转模块2绕旋转中心轴旋转,旋转模块2上设有光源扫描部件4和反射镜组3,光源扫描部件4将显示光源1的部分像素点光线转为径向传播,然后光线经过反射镜组3和屈光放大部件5出射。光源扫描部件4将显示光源1的部分像素点光线转为径向传播,使光路由轴向变为径向,在不增加装置体积的前提下增加光路距离,有利于缩小装置厚度和体积,光源扫描部件4在旋转装置上和反射镜组3同步旋转,扩大扫描的显示光源1的面积,利用人眼的视觉暂留特性,使人眼看清显示内容。旋转模块2围绕旋转中心高速旋转,其转速在10HZ--3000HZ之间,旋转模块2旋转的方式有多种实现方式,为现有技术,不作为本申请保护范围,例如参见图8,在其外周设有齿轮,在电机轴8上设有齿轮,电机转动时驱动齿轮转动,或者利用电磁感应力或空气动力等驱动旋转模块转动。在本实施例中,光源扫描部件4为长条状的反射镜,不用覆盖整个显示光源1,面积可以做的很小,在后续增强现实方案实施例中,有利于外界光进入。屈光放大部件5用于对光线进行屈光调节,为使人眼的视网膜上呈现清晰的图像,从光源到达屈光放大部件5的光路距离和所属屈光放大部件5的焦距差值不大于10mm,在这个范围内人眼可以看到清晰的图像,为满足这一条件,以往技术往往会使近眼显示装置的厚度变大,本申请采用将轴向光转为径向光的方式解决这一问题。反射镜组3至少包括一个反射镜,用于将光源扫描部件4转化的径向光线至少改变一次传播方向,最后沿轴向射出进入人眼。
在一些实施例中,屈光放大部件5为透射式聚焦镜片,可以为凸透镜、菲涅尔透镜、衍射型透镜和偏振选择型透镜等,光源扫描部件4为反射镜,此种情况下屈光放大部件5的安装方式有如下3种。参见图2a,显示光源1和屈光放大部件5均固定安装,旋转模块2绕旋转中心轴旋转,此种安装方式屈光放大部件5不需要转动但需要覆盖反射镜组3旋转扫描过的区域或面积;参见图2b和图2c,显示光源1固定安装,屈光放大部件5安装在旋转模块2上,与旋转模块2一起绕旋转中心轴旋转,此种情况下屈光放大部件5只需覆盖反射镜组3反射出的全部或部分光线即可,如图2b,屈光放大部件5覆盖住整个旋转模块2,或者,如图2c,屈光放大部件5为长条形,由于屈光放大部件5和旋转模块2一同旋转,因此只需覆盖住反射镜组3反射出的全部光线或部分光线,面积只需和反射镜组3反射出的光线或者反射镜组3的镜片相匹配即可,此外屈光放大部件5还可以做成圆形、椭圆形等形状,减轻装置重量;参见图2d,屈光放大部件5安装在旋转模块2内部且光线先经过屈光放大部件5再通过反射镜组3转为进入人眼的轴向光线,此种方式可以进一步降低装置整体厚度。
在一些实施例中,屈光放大部件5为反射式聚焦镜片,可以为反射凹面镜、菲涅尔反射镜、衍射型反射镜和偏振选择型反射镜等,光源扫描部件4为反射镜。此种情况下屈光放大部件5的安装方式有如下几种。参见图2e,屈光放大部件5固定安装在显示光源1所在的一侧,显示光源1为环形,屈光放大部件5固定在环形显示光源的内圈,避免挡住显示光源1的光线,显示光源1发出的轴向光经过光源扫描部件4反射为径向光,然后由反射镜组3反射为轴向光线射向反射式聚焦镜片进行屈光放大并反射进入人眼,此处的反射镜组3可采用半透半反反射镜或全反射界面或偏光选择镜片;参见图2f和图2g,屈光放大部件5安装在旋转模块2上,随旋转模块2旋转,此种情况下屈光放大部件5的形状为圆形,矩形或条形等,反射范围覆盖反射镜组3反射光线的全部或部分,光路和第一种情况基本一样,如图2f,屈光放大部件5覆盖住整个旋转模块2,或者,如图2g,屈光放大部件5为长条形,只需覆盖住反射镜组3反射出的全部光线或部分光线,面积只需和反射镜组3反射出的光线或者反射镜组3的镜片相匹配即可;参见图2h,屈光放大部件5安装在旋转模块2的内部,并在显示光源1反射为轴向光线之前经过屈光放大部件5进行屈光放大,从而使人眼能够看清,光线经过光源扫描部件4反射为径向光,然后经反射式聚焦镜片进行屈光放大后,再经过反射镜组3反射为轴向光线出射进入人眼,此处的反射镜组3可采用半透半反反射镜或全反射界面或偏光选择镜片。
在本发明的一些实施例中,反射镜组3可以包括若干个反射镜,通过调整反射镜数量、位置、角度的变化组合,实现光源到屈光放大部件5的距离变化和虚像位置的变化。参见图3a至图3d,反射镜组3包括若干反射镜,通过调节反射镜及光源扫描部件4的角度和位置,改变光源到屈光放大部件5的光路距离,同时,也可以改变光源扫描部件4扫描光源的位置,从光源中心线向外围扩展。反射镜组3包括的反射镜还可以为半透半反或全反的反射镜或全反射界面或偏光选择镜等。参见3a,反射镜组3包括第一反射镜301a和第二反射镜302a,光源扫描部件4和第二反射镜302a均设置在旋转模块2的中部,第一反射镜301a设置在旋转模块2的上部,显示光源1的光线经过光源扫描部件4反射到第一反射镜301a后经过第二反射镜302a反射,然后经过屈光放大部件5屈光出射;参见3b,反射镜组3包括第一反射镜301b和第二反射镜302b,光源扫描部件4为反射镜,设置在旋转模块2的下部,第一反射镜301b设置在旋转模块2的上部,第二反射镜302b设置在旋转模块2的中部,显示光源1的光线经过光源扫描部件4反射到第一反射镜301b后经过第二反射镜302b反射,然后经过屈光放大部件5屈光出射;参见图3c,反射镜组3包括第一反射镜301c、第二反射镜302c、第三反射镜303c、第四反射镜304c及第五反射镜305c,显示光源1的光线经过光源扫描部件4反射后依次经过第一反射镜301c、第二反射镜反射302c、第三反射镜303c、第四反射镜304c及第五反射镜305c反射,然后经过屈光放大部件5屈光出射;参见图3d,反射镜组3包括第一反射镜301d和第二反射镜302d,与前面的实施方式的区别在于,在图3a、图3b和图3c中,光源扫描部件4为反射镜,而本实施例中,光源扫描部件4为棱镜式反射镜片,包括一个全反射镜面及一个反射面,显示光源1的光线经全反射面反射到反射面后,经过反射面反射到全反射面透射和折射出去,第一次经过全反射面时入射角较大,发生全反射,第二次经过全反射面时入射角较小,光线因而透射出去,然后再经过第一反射镜301d、第二反射镜302d出射。可以想到的是,反射镜组3的反射镜片的数量和安装位置、角度都可以做出相应改变。
光源扫描部件4可以为反射镜、棱镜或传像光纤等,参见图4a,光源扫描部件4为反射镜将显示光源1的光线反射为轴向光线在旋转单元所在平面内传播;参见图4b,光源扫描部件4为棱镜,该棱镜包括一个全反射镜面,显示光源1从光疏介质进入光密介质的棱镜中,在棱镜中经过一个不透光反射面进行第一次反射,反射后的光在光密介质中到达全反射面的入射角比较大从而产生全反射,第二次反射后的光射出棱镜的入射角比较小,因而从棱镜中折射和透射出来;参见图4c,光源扫描部件4为传像光纤,通过传像光纤的光纤阵列来传导光源的像素点,将其转为径向光纤传播。
参见图5a和图5b,显示光源1为侧壁环形光源,设置在旋转模块2的圆周外围,环形固定安装,光源扫描部件4采用传像光纤,设置在旋转模块上,通过传像光纤将圆弧形光源像素传导为平面像素阵列,将显示光源1上A点的光转化为A′的发光位置。
参见图6,为了扩大眼睛的观察范围,需要在旋转模块2上设置至少两个反射镜组3。例如共设有3层反射镜组3,每层反射镜组的结构形式一致,其中一组反射镜组3的最后一块反射入人眼的反射镜,设置在旋转模块2上靠近旋转中心的中间部位,其他层的反射镜组3的最后一块反射入人眼的反射镜和上述反射镜并排设置,这样设置,光源发出的光线经过数层的反光镜组,最后从不同位置射出,经过屈光放大部件5进入人眼。经过数组的径向反光镜,最终将A点的光转化为A′的虚像。人眼不管对准任何一个出射光线均可以看到清楚的图像,降低对人眼观察角度的限制。反射镜组3层数还可以为2层、4层、5层等任意整数层。其中的屈光放大部件5可以固定设置或安装在旋转模块上,可为透射或反射聚焦镜,原理如前不再赘述。
在本发明一些实施例中,近眼显示装置能够实现增强现实的透过式显示效果,具体的实现方案为:
方案一:增加半反半透镜6,整个旋转近眼显示装置接近水平安装,半反半透镜同时透过外界光线并反射虚拟图像光线。参见图7a,显示光源采用不透光的屏幕的方案,在上述方案的基础上,增加一个半反半透镜6,与不透光的旋转光学系统构成增强现实方案。显示光源的光经过光源扫描部件4将显示光源1的部分像素点光线转为径向传播,然后光线经过反射镜组3和屈光放大部件5出射到半反半透镜6,半反半透镜6将光线反射进入人眼,外界光则直接通过半反半透镜进入人眼,外界光和屏幕光共同作用于人眼实现增强现实效果。
方案二:近眼显示装置中部分光学结构可以允许外界光线透过,使得人眼能看清外部环境,从而实现增强现实的透过式显示效果。
参见图7b,显示光源1为平面环形光源,屈光放大部件5固定在旋转模块2上,随旋转模块2旋转,其形状只需覆盖反射镜组3反射出的光线即可,外界光线通过显示光源1中间的区域进入人眼,可以看清外界。显示光源1光线通过光源扫描部件4、反射镜组3和屈光放大部件5射入人眼,呈现虚拟图像。另外,参见图7c,如果屈光放大部件5为固定安装,则需要在固定安装的透射式聚焦镜片或反射式聚焦镜片上制作出以旋转中心为同心圆的环形无屈光聚焦区域52,无屈光聚焦区域52为平面透镜或镂空,此区域宽度不大于3mm,两个相邻的无屈光聚焦区域间隔不大于3mm,其间隔部分为屈光放大区域51。
参见图7d,显示光源1为侧壁环形光源,光源在侧壁通过传像光纤扫描,形成径向光路,显示光源1在侧壁通过传像光纤扫描部件4,形成径向光源。在本实施例中,侧壁显示光源为沿圆周排列的侧壁内侧单层像素阵列7。传像光纤将侧壁内侧光源按照光源像素排列顺序传导到另外一段,这样就将侧壁的弧形光源阵列转化为平直的光源阵列,并沿径向传播,经过反射镜组3和屈光放大部件5最后射入人眼。如图7e,为第一时刻侧壁显示光源阵列A到B的光源阵列经过导光和反射放大,最终在人眼中形成虚像A″到B″的图像。如图7f,为第二时刻侧壁显示光源阵列C到D的光源阵列经过导光和反射放大,最终在人眼中形成虚像C″到D″的图像。其中第一时刻和第二时刻的间隔非常短,旋转部件为高速旋转,其中旋转频率在10HZ~1000HZ范围内。屈光放大部件安装方式也可以固定安装或安装在旋转模块上,例如图2a至图2h、图7c所示。
在本发明的一些实施例中,还包括变焦组件9。具体的,参见图9a,旋转模块2的外围设有固定框21,变焦组件9设置在固定框21上,屈光放大部件5为反射式聚焦镜片,屈光放大部件5固定安装在靠近显示光源1的一侧,变焦组件9包括微型线性步进电机91,线性步进电机91的本体和输出轴分别抵接在旋转模块的固定框21和屈光放大部件5上,通过线性步进电机91的直线伸缩调节屈光放大部件5和固定框21的距离,实现变焦目的。本发明还提供一个实施例,参见图9b,旋转模块2的外围设有固定框21,屈光放大部件5为透射式聚焦镜片,屈光放大部件5固定安装在靠近人眼的一侧,变焦组件9包括微型线性步进电机91,线性步进电机91的本体和输出轴分别抵接在旋转模块的固定框21和屈光放大部件5上,通过线性步进电机91的直线伸缩调节屈光放大部件5和固定框21的距离,实现变焦目的。
在本发明的一些实施例中,还包括变焦组件9。参见图9c,屈光放大部件5为反射式聚焦镜片,变焦组件9安装在旋转模块2上和旋转模块2同心旋转,屈光放大部件5安装在变焦组件9上,屈光放大部件5只需覆盖住反射镜组3反射出来的光线即可,因此面积基本和反射镜组3最后一块反射镜的面积相当。参见图9d,屈光放大部件5为透射式聚焦镜片,变焦组件9安装在旋转模块2上和旋转模块2同心旋转,屈光放大部件5安装在变焦组件9上。参见图9e,变焦组件9的具体实现方式为:变焦组件9设置在旋转模块2上和旋转模块同心旋转,变焦组件9包括第一固定块92、第二固定块94、弹性件93和楔形块95,弹性件93的两端分别连接第一固定块92和第二固定块94,楔形块95设置在第一固定块92和第二固定块94之间的夹缝内,屈光放大部件5设置在第一固定件92上。当装置旋转时,根据转速大小,楔形块95会产生不同的离心力,从而使弹簧拉伸,调节屈光放大部件5和旋转模块2的距离,实现变焦目的。
以上仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。各个实施例间除相互矛盾的情况均可相互结合,对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围之内。
Claims (13)
1.一种近眼显示装置,其特征在于:包括显示光源(1)、旋转模块(2)和屈光放大部件(5),所述旋转模块(2)绕旋转中心轴旋转,所述旋转模块(2)上设有光源扫描部件(4)和反射镜组(3),所述光源扫描部件(4)将显示光源(1)的部分像素点光线转为径向传播,然后光线经过反射镜组(3)和屈光放大部件(5)出射。
2.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述反射镜组(3)至少包括一个反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述光源扫描件为反射镜、棱镜或传像光纤。
4.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述屈光放大部件(5)为透射式聚焦镜片或反射式聚焦镜片,所述透射式聚焦镜片或反射式聚焦镜片固定安装在所述旋转模块(2)一侧,不随所述旋转模块(2)旋转;或设置在所述旋转模块(2)上,和所述旋转模块(2)同心旋转。
5.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述屈光放大部件(5)为透射式聚焦镜片,所述透射式聚焦镜片设置在远离所述显示光源(1)的一侧,径向传播的光线依次经过反射镜组(3)和屈光放大部件(5)出射。或所述透射式聚焦镜片设置在旋转模块(2)内,所述显示光源(1)的光线经光源扫描部件(4)转为径向光线后依次经透射式聚焦镜片和反射镜组(3)出射。
6.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述屈光放大部件(5)为反射式聚焦镜片,所述反射式聚焦镜片设置在靠近所述显示光源(1)的一侧,径向传播的光线依次经过反射镜组(3)和反射式聚焦镜片出射。或所述反射式聚焦镜片设置在旋转模块(2)内,所述显示光源(1)的光线经光源扫描部件(4)转为径向光线后依次经反射式聚焦镜片和反射镜组(3)出射。
7.根据权利要求1或2所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述反射镜组(3)至少有两个,任意反射镜组(3)并排设置。
8.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:还包括半反半透镜(6),所述半反半透镜(6)同时透过外界光线并反射经过所述旋转模块(2)出射的光线。
9.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述显示光源(1)为平面环形光源或侧壁环形光源。
10.根据权利要求4或9所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述屈光放大部件(5)的大小和所述反射镜组(3)的出射光线面积相匹配。
11.根据权利要求9所述的一种近眼显示装置,其特征在于:所述屈光放大部件(5)为固定安装的透射式聚焦镜片或反射式聚焦镜片,所述屈光放大部件(5)上具有环形的无屈光聚焦区域(52)和位于无屈光聚焦区域间隔位置的屈光放大区域(51)。
12.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:还包括变焦组件(9)和固定框(21),所述固定框(21)设置在所述旋转模块(2)的外围,所述变焦组件(9)的两端分别抵接在旋转模块的固定框(21)和屈光放大部件(5)上。
13.根据权利要求1所述的一种近眼显示装置,其特征在于:还包括变焦组件(9),所述变焦组件(9)设置在所述旋转模块(2)上,所述屈光放大部件(5)设置在所述变焦组件(9)上,所述变焦组件(9)用于调节屈光放大部件(5)和旋转模块(2)的距离。
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