CN111381377B - 一种近眼显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及光学设计技术领域，公开了一种近眼显示设备，包括：具有两个镜框支架的镜框，分别安装在两个镜框支架的两片波导片，用于调节两片波导片之间的夹角的第一可调节装置，用于将成像光线至输出对应的所述镜框支架上的所述波导片内的两个显示器件，以及，用于调整显示器件与波导片之间的相对角度的两个可调节支架，本发明实施例提供的近眼显示系统能够通过第一可调节装置和可调节支架调整波导片和显示器件在空间上的朝向，以调节入射至人眼的虚拟图像的景深。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学设计技术领域，特别涉及一种近眼显示设备。
背景技术
增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节，近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像。双目视差是指人眼双目看同一个物体时左右眼的成像存在差异，是人眼判断物体远近的重要生理因素之一，观察的物体越远视差越小，物体越近视差越大。中心视线是指双目注视单个物体时物体中心与瞳孔中心的连线，当仰望星空时双目中心视线几乎平行，人眼感受到星空在无穷远，当双目注视面前的物体时双目中心视线存在一定夹角，使得人眼感受到物体近在眼前，因此可以通过调节双目虚拟图像融合时中心视线的夹角来调节虚拟图像的远近，从而实现虚拟图像的景深调节。
在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前的双目近眼显示设备通常只有一个景深，且景深固定不能调节，当人眼观看虚拟物体时双目视线总是聚焦在一个平面上，人眼注视远处或近处时视线需要不停地在真实场景和虚拟画面之间来回切换，使虚拟物体难以很好的与真实环境相融合，从而导致用户产生眩晕感降低用户体验，难以满足多场景使用需求。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种可调节景深的近眼显示设备。
本发明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，本发明实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：镜框，其包括两个镜框支架；
两片波导片，其用于输出成像光线至人眼中，所述两片波导片分别安装在所述两个镜框支架上；
第一可调节装置，其用于调节所述两片波导片之间的夹角，所述两个镜框支架通过所述第一可调节装置安装为一体；
两个显示器件，用于将成像光线至输出对应的所述镜框支架上的所述波导片内；
两个可调节支架，一所述可调节支架的一端与一所述镜框支架安装为一体，另一端与所述显示器件安装为一体，用于调整所述显示器件与所述波导片之间的相对角度。
在一些实施例中，一所述可调节支架上设置有一第二可调节装置，其用于调节所述显示器件与所述波导片之间的角度。
在一些实施例中，所述第一可调装置包括第一可调节旋钮，其中，通过旋转所述可调节旋钮可调节所述两片波导片之间的夹角。
在一些实施例中，所述第二可调节装置包括第二可调节旋钮和第三可调节旋钮，其中，通过旋转所述第二可调节旋钮可调节所述显示器件在水平方向上的偏转角度，通过旋转所述第三可调节旋钮也可调节所述显示器件在水平方向上的偏转角度。
在一些实施例中，还包括：眼动追踪器件，其设置在所述镜框或波导片上，用于追踪人眼瞳孔的旋转角度从而获取人眼的注视距离。
在一些实施例中，所述眼动跟踪器件包括：红外线发射装置和红外线接收装置，所述红外线发射装置和所述红外线接收装置朝向人眼设置。
在一些实施例中，还包括：微型控制器，所述微型控制器分别与所述显示器件、所述第一可调节装置、所述第二可调节装置和所述眼动追踪器件连接。
在一些实施例中，所述波导片为光栅光波导或者几何阵列光波导，所述显示器件的出光面朝向所述波导片的耦入区域设置，所述波导片的耦出区域朝向人眼设置。
在一些实施例中，所述显示器件包括：微显示屏、照明装置和/或准直透镜组。
在一些实施例中，所述微显示屏为MEMS、LCD、LED、OLED、DLP、LCOS中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：具有两个镜框支架的镜框，分别安装在两个镜框支架的两片波导片，用于调节两片波导片之间的夹角的第一可调节装置，用于将成像光线至输出对应的所述镜框支架上的所述波导片内的两个显示器件，以及，用于调整显示器件与波导片之间的相对角度的两个可调节支架，本发明实施例提供的近眼显示系统能够通过第一可调节装置和可调节支架调整波导片和显示器件在空间上的朝向，以调节入射至人眼的虚拟图像的景深。
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/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种空间点位置上的虚拟图像的双目中心视线夹角的计算原理示意图；
图2是本发明实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的近眼显示设备的一种俯视图示意图；
图4是本发明实施例提供的近眼显示设备的另一种俯视图示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
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，本发明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。
需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。为了便于连接结构限定，本发明以人站立或正坐佩戴所述近眼显示设备时近眼显示设备在空间上的位置作为参考进行部件的位置限定，例如，波导片设置在人眼“前”方。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明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，不是用于限制本发明。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，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
瞳距是指人眼双目瞳孔之间的间距，成年人瞳距通常在50-70mm之间，对于虚拟显示图像，中心视线定义为双目重叠部分的图像中心与瞳孔中心的连线。请参见图1，其示出了一空间点位置上的虚拟图像的双目中心视线夹角的计算原理，由图1及几何计算定理不难得出，所述双目中心视线夹角的计算公式如下：
其中，θ表示双目中心视线夹角，L表示瞳距，D表示双目显示的虚拟图像与双目之间的距离。
以瞳距L为70mm为例，则可以根据上述计算公式计算得到，当距离D为0.5m时双目中心视线夹角θ为8°，当距离D趋于无穷远时双目中心视线夹角θ趋于0°，因而，对于一个瞳距为70mm的用户来说，将双目中心视线夹角θ在0-8°之间进行调节就可以实现虚拟图像成像位置(也即是景深)从眼前0.5m到无穷远处的调节。
基于上述原理，本申请提供了一种能够调节虚拟图像成像位置，即景深的近眼显示设备，该近眼显示设备包括：具有两个镜框支架的镜框，分别安装在两个镜框支架的两片波导片，用于调节两片波导片之间的夹角的第一可调节装置，用于将成像光线至输出对应的所述镜框支架上的所述波导片内的两个显示器件，以及，用于调整显示器件与波导片之间的相对角度的两个可调节支架，本发明实施例提供的近眼显示系统能够通过第一可调节装置和可调节支架调整波导片和显示器件在空间上的朝向，以调节入射至人眼的虚拟图像的景深。
具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
本发明实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图2，其示出了本发明实施例提供的近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备包括：镜框10、两片波导片20、第一可调节装置30、两个显示器件40和两个可调节支架50。
所述镜框10包括两个镜框支架11，所述两个镜框支架11对应于人的左右眼位置，能够用于收纳所述波导片20。在图2所示实施例中，所述两个镜框支架11、所述两片波导片20、所述两个显示器件40和所述两个可调节支架50左右镜像对称分布，所述镜框支架11仅包裹住所述波导片20的一侧。在其他的一些实施例中，上述双数的装置和器件也可以是不用对称分布的，或者仅保留一侧，所述镜框支架11也可以不是如图2所示形状的，具体地，可根据实际应用场景进行设置和选择，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
所述两片波导片20用于输出成像光线至人眼中，所述两片波导片20分别安装在所述两个镜框支架11上。请一并参见图3，其示出了本发明实施例提供的近眼显示设备的在一种工作场景下的俯视图，在本发明实施例中，所述波导片20光栅光波导或者几何阵列光波导，所述波导片20包括：耦入区域21、耦出区域22和全反射区域23，所述显示器件40的出光面朝向所述耦入区域21的入光面设置，所述耦出区域22的出光面朝向人眼设置。所述耦入区域21和所述耦出区域22可以替换为棱镜、浮雕光栅、全息光栅等几何或衍射光学元件，所述耦入区域21和所述耦出区域22可以与所述全反射区域23以多种方式结合，如覆盖在所述全反射区域23上下表面或嵌入所述全反射区域23中。
此外，在图3所示实施例中，所述耦入区域21和所述耦出区域22皆贴合设置在所述全反射区域23的表面上，且所述显示器件40、所述耦入区域21和所述耦出区域22皆设置在所述全反射区域23靠近人眼的一侧。在其他的一些实施例中，所述显示器件40、所述耦入区域21和/或所述耦出区域22还可以是设置在所述全反射区域23远离人眼的一侧，仅需保证所述显示器件40出射的成像光线能够通过所述耦入区域21入射到所述全反射区域23中，且所述成像光线能够从所述耦出区域22输出至人眼即可，具体地，可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
所述第一可调节装置30用于调节所述两片波导片20之间的夹角，所述两个镜框支架11通过所述第一可调节装置30安装为一体。优选地，在本图2所示实施例中，所述第一可调装置30包括第一可调节旋钮，其中，通过旋转所述可调节旋钮可调节所述两片波导片之间的夹角。
所述两个显示器件40用于将成像光线至输出对应的所述镜框支架11上的所述波导片20内。所述显示器件40包括：微显示屏、照明装置和/或准直透镜组。所述微显示屏可以为MEMS(微机电系统激光扫描投影)、LCD(液晶显示)、LED(发光二极管显示)、OLED(有机发光二极管显示)、DLP(数字光处理)、LCOS(硅基液晶)中的一种，具体地，可根据实际使用场景下的成像需求进行选择。
一所述可调节支架50的一端与一所述镜框支架11安装为一体，另一端与所述显示器件40安装为一体，所述可调节支架50用于调整所述显示器件40与所述波导片20之间的相对角度。一所述可调节支架50上设置有一第二可调节装置，其用于调节所述显示器件与所述波导片之间的角度。所述第二可调节装置可以是旋转台、球形定位装置、云台等能够使得显示器件40在空间坐标系上自由改变成像面朝向的装置，具体可根据实际需要进行选择。
优选地，在图2所示实施例中，所述第二可调节装置包括第二可调节旋钮51和第三可调节旋钮52，其中，通过旋转所述第二可调节旋钮51可调节所述显示器件40在水平方向上的偏转角度，通过旋转所述第三可调节旋钮52也可调节所述显示器件40在水平方向上的偏转角度。
在正常工作时，本发明实施例提供的近眼显示设备具有两种调节景深的方式：
请继续参见图3，在第一种调节方式中，通过调整所述第一调节装置30(即旋转第一调节旋钮)，改变所述两个波导片20之间的夹角，从而调节如上述双目中心视线夹角θ，实现对近眼显示设备的景深，也即是虚拟图像成像位置的调节。
请一并参见图4，其示出了本发明实施例提供的近眼显示设备的在一种工作场景下的俯视图，在第二中调节方式中，通过调整所述可调节支架50上的第二可调节装置(即旋转第二调节旋钮51和/或第三调节旋钮52)，改变所述显示器件40的对准方向，以调整成像光线的出射位置和方向，以改变如上述双目中心视线夹角θ，实现对近眼显示设备的景深，也即是虚拟图像成像位置的调节。
进一步地，在极限条件下，将所述显示器件40如图3所示正对所述耦入区域21的入光面设置，并将所述两片全反射区域23如图4所示设置在同一平面上时，中心视场的光线与全反射区域23垂直且全反射区域23相对于双眼水平放置，此时双目中心视线平行，虚拟图像显示在无穷远处。
需要说明的是，本发明实施例图2至图4所示的近眼显示设备为光波导近眼显示设备，在实际使用中，本发明实施例所述的近眼显示设备不限于光波导近眼显示设备，还可以是自由曲面、全息视网膜投影等其他近眼显示设备，具体地，可根据实际需要进行设计，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
此外，在一些实施例中，所述近眼显示设备还包括：眼动追踪器件(图未示)，其设置在所述镜框11或波导片20上，用于追踪人眼瞳孔的旋转角度从而获取人眼的注视距离。所述眼动跟踪器件包括：红外线发射装置和红外线接收装置，所述红外线发射装置和所述红外线接收装置朝向人眼设置。所述眼动追踪器件工作时，朝向人眼发射红外线，发射的红外线部分会进入到人的瞳孔中，部分在虹膜上会被反射，通过分析反射的光线可以确定人眼的转动方向，在左右两个镜框支架11，或者两个波导片20上各装一个所述眼动追踪器件并对准人眼就可以确定人的两个眼球转动的夹角变化情况。
在一些实施例中，所述近眼显示设备还包括：微型控制器，所述微型控制器分别与所述显示器件40、所述第一可调节装置30、所述第二可调节装置和所述眼动追踪器件连接。所述微型控制器能够接收所述眼动追踪器件所反馈的人眼的注视方向和距离，经计算后输出控制指令和控制信号了解所述显示器件40、所述第一可调节装置30和/或所述第二可调节装置在空间上的相对位置，以实现智能自动调节。优选地，所述近眼显示设备还可以包括电池组，分别与所述显示器件40、所述第一可调节装置30、所述第二可调节装置、所述眼动追踪器件和所述微型控制器电连接，为所述显示器件40、所述第一可调节装置30、所述第二可调节装置、所述眼动追踪器件和所述微型控制器供电。
本发明实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：具有两个镜框支架的镜框，分别安装在两个镜框支架的两片波导片，用于调节两片波导片之间的夹角的第一可调节装置，用于将成像光线至输出对应的所述镜框支架上的所述波导片内的两个显示器件，以及，用于调整显示器件与波导片之间的相对角度的两个可调节支架，本发明实施例提供的近眼显示系统能够通过第一可调节装置和可调节支架调整波导片和显示器件在空间上的朝向，以调节入射至人眼的虚拟图像的景深。
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发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，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发明的不同方面的许多其它变化，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发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：
镜框，其包括两个镜框支架；
两片波导片，其用于输出成像光线至人眼中，所述两片波导片分别安装在所述两个镜框支架上；
第一可调节装置，其用于调节所述两片波导片之间的夹角，从而调节双目中心视线夹角，以调节所述近眼显示设备的景深、虚拟图像的成像位置，所述两个镜框支架通过所述第一可调节装置安装为一体，其中，所述第一可调节装置用于将所述两片波导片之间远离人眼的一侧的夹角调整为≤180°的角度；
两个显示器件，用于将成像光线至输出对应的所述镜框支架上的所述波导片内；
两个可调节支架，一所述可调节支架的一端与一所述镜框支架安装为一体，另一端与所述显示器件安装为一体，用于调整所述显示器件与所述波导片之间的相对角度。
2.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，
一所述可调节支架上设置有一第二可调节装置，其用于调节所述显示器件与所述波导片之间的角度。
3.根据权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述第一可调装置包括第一可调节旋钮，其中，通过旋转所述可调节旋钮可调节所述两片波导片之间的夹角。
4.根据权利要求2或3任一项所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述第二可调节装置包括第二可调节旋钮和第三可调节旋钮，其中，通过旋转所述第二可调节旋钮可调节所述显示器件在水平方向上的偏转角度，通过旋转所述第三可调节旋钮也可调节所述显示器件在水平方向上的偏转角度。
5.根据权利要求4所述的近眼显示设备，其特征在于，还包括：眼动追踪器件，其设置在所述镜框或波导片上，用于追踪人眼瞳孔的旋转角度从而获取人眼的注视距离。
6.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述眼动跟踪器件包括：红外线发射装置和红外线接收装置，所述红外线发射装置和所述红外线接收装置朝向人眼设置。
7.根据权利要求6所述的近眼显示设备，其特征在于，还包括：微型控制器，所述微型控制器分别与所述显示器件、所述第一可调节装置、所述第二可调节装置和所述眼动追踪器件连接。
8.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述波导片为光栅光波导或者几何阵列光波导，所述显示器件的出光面朝向所述波导片的耦入区域设置，所述波导片的耦出区域朝向人眼设置。
9.根据权利要求8所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述显示器件包括：微显示屏、照明装置和/或准直透镜组。
10.根据权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，
所述微显示屏为MEMS、LCD、LED、OLED、DLP、LCOS中的一种。
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