CN113485016B - 一种显示装置和可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种显示装置和可穿戴设备，涉及光学技术领域，显示装置能够将成像（AR）系统和投影系统集成，并且通过控制调光组件相对显示模组主光轴转动的方式，实现AR功能和投影功能的切换，满足用户在不同场景下对二者功能的使用需求，如此，能够将原本独立的AR系统和投影系统进行集成，有效降低了光学系统的功耗、体积和成本，同时，也能够减轻显示装置整体的重量，使得显示装置作为可穿戴设备使用时，能够满足可穿戴设备的产品要求，并且使得可穿戴设备具有AR和投影的多个功能。

Description

一种显示装置和可穿戴设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种显示装置和可穿戴设备。

背景技术

目前，AR(Augment Reality)技术已经引起越来越多的关注和研究，AR即增强现实技术，在现实环境中叠加虚拟信息，通过各种交互手段做到实时交互，辅助人类去感官无法轻易在现实世界中获取的信息。同时，投影技术日新月异，随着科技的发展，投影行业也发展到了一个微投新技术至高的领域，各大厂商纷纷推出AR眼镜和微投影。

AR技术和投影技术是走着不同的技术路线，在实现穿戴式AR显示功能的同时，并不能实现投影功能，通常设置为AR系统+投影系统两个单独的系统，整个系统成本高、功耗高、重量大，并不满足穿戴式产品的需求。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种显示装置和可穿戴设备，将AR系统和投影系统集成，满足穿戴式产品功耗低、重量轻的需求，同时，还能够降低成本。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

本申请实施例的一方面，提供一种显示装置，包括：显示模组和位于显示模组的显示侧的调光组件和投影模组，显示模组的显示画面经调光组件调制后在调光组件的成像侧显示，控制调光组件相对显示模组的主光轴转动以切换显示模组的显示画面的出射光路，使显示模组的显示画面由调光组件投影侧的投影模组投影显示。

可选的，调光组件包括在显示模组的显示侧依次设置的第一偏振片和偏振分光棱镜，显示模组的显示画面经第一偏振片和偏振分光棱镜调制后在偏振分光棱镜的成像侧显示，控制第一偏振片以主光轴为转动轴旋转，切换显示画面出射的偏振态，使显示模组的显示画面由偏振分光棱镜投影侧的投影模组投影显示。

可选的，调光组件为全反射元件，显示模组的显示画面经全反射元件调制后在全反射元件的成像侧显示，调节全反射元件与主光轴的夹角以调整显示画面的出射光路与全反射元件的入射角，使显示模组的显示画面由全反射元件投影侧的投影模组投影显示。

可选的，全反射元件包括贴合设置的光密介质层和光疏介质层，光密介质层与显示模组的显示侧相对设置，调节全反射元件与主光轴的夹角以调整显示画面的出射光路与光密介质层的入射角，使显示模组的显示画面由全反射元件投影侧的投影模组投影显示。

可选的，光疏介质层或光密介质层为偏振分光层。

可选的，显示装置还包括第二偏振片，第二偏振片位于显示模组和全反射元件之间。

可选的，显示装置还包括在调光组件的出光侧依次设置的1/4波片和反射镜，显示画面由调光组件的出光侧出射后经1/4波片后入射反射镜，由反射镜反射后经1/4波片和调光组件后在调光组件的成像侧显示。

可选的，反射镜的反射面为自由曲面。

可选的，反射镜为镀设于1/4波片出光面的反射膜。

可选的，显示装置还包括设置于显示模组主光轴上的准直镜。

可选的，显示装置还包括用于固定显示模组和调光组件的支架，投影模组于调光组件的投影侧与支架可拆卸连接。

本申请实施例的另一方面，提供一种可穿戴设备，包括上述任一种的显示装置。

本申请的有益效果包括：

本申请提供了一种显示装置和可穿戴设备，包括：显示模组和位于显示模组的显示侧的调光组件和投影模组，显示模组的显示画面经调光组件调制后在调光组件的成像侧显示，控制调光组件相对显示模组的主光轴转动以切换显示模组的显示画面的出射光路，使显示模组的显示画面由调光组件投影侧的投影模组投影显示。综上所述，本申请中的显示装置能够将成像（AR）系统和投影系统集成，并且通过控制调光组件相对显示模组主光轴转动的方式，实现AR功能和投影功能的切换，满足用户在不同场景下对二者功能的使用需求，如此，能够将原本独立的AR系统和投影系统进行集成，有效降低了光学系统的功耗、体积和成本，同时，也能够减轻显示装置整体的重量，使得显示装置作为可穿戴设备使用时，能够满足可穿戴设备的产品要求，并且使得可穿戴设备具有AR和投影的多个功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种显示装置的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的一种显示装置成像模式的状态示意图之一；

图3为本申请实施例提供的一种显示装置投影模式的状态示意图之一；

图4为本申请实施例提供的一种显示装置的1/4波片和反射镜的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种显示装置的全反射元件的结构示意图之一；

图6为本申请实施例提供的一种显示装置的全反射元件的结构示意图之二；

图7为本申请实施例提供的一种显示装置成像模式的状态示意图之二；

图8为本申请实施例提供的一种显示装置投影模式的状态示意图之二。

图标：100-调光组件；110-显示模组；111-主光轴；120-第一偏振片；130-准直镜；140-偏振分光棱镜；150-1/4波片；160-反射镜；170-全反射元件；171-光密介质层；172-光疏介质层；180-第二偏振片；210-投影模组；220-投影图像。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例的一方面，提供一种显示装置，如图1所示，包括：显示模组110、调光组件100和投影模组210，调光组件100位于显示模组110的显示侧，以便于在显示模组110通过显示侧显示画面时，由显示侧出射的光束能够对应从调光组件100的入光侧入射至调光组件100。调光组件100可以对入射的光束进行调制以根据不同需求对应改变光束的出射路径，使得入射光束能够在不同需求下从调光组件100的成像侧或投影侧出射。用户位于调光组件100的成像侧，投影模组210位于调光组件100的投影侧，当光束从调光组件100的成像侧出射时，能够被成像侧的用户接收，使得显示模组110的显示画面在用户的眼睛内成像；当光束从调光组件100的投影侧出射时，能够被投影侧的投影模组210接收，然后由投影模组210将其投影，使得显示模组110的显示画面在幕布或空间内进行投影显示。应当理解的是，调光组件100的入光侧、成像侧和投影侧应当位于调光组件100的不同侧，以此，能够方便各模组和组件的设置，例如图1所示，用户、显示模组110、投影模组210分别位于调光组件100的三侧。

在实际使用时，可以使得用户位于调光组件100的成像侧。然后启动显示模组110，使得显示模组110的显示侧对应显示画面，在成像模式下，显示侧出射光束从调光组件100的入光侧入射调光组件100，经调光组件100的调制后从调光组件100的成像侧出射，并在用户的眼睛内成像显示；当用户需要将成像模式切换为投影模式时，可以驱动调光组件100运动，使得调光组件100相对显示模组110的主光轴111转动，以此改变入射调光组件100光束的光路，使得光束能够从调光组件100的投影侧出射，然后由投影侧的投影模组210将其投影显示。当然，当用户需要从投影模式切换回成像模式时，同样可以驱动调光组件100相对显示模组110的主光轴111逆向转动，从而进入成像模式，即用户可以通过驱动调光组件100转动，从而在成像模式和投影模式中来回切换。

在一些实施方式中，当显示装置处于成像模式时，还可以使得现实世界的光束经显示装置后由位于调光组件100成像侧的用户所接收，以此实现将显示模组110的显示画面叠加到现实世界，即通过显示装置在成像模式下实现增强现实（Augmented Reality，AR）。在该实施方式中，同样可以通过控制调光组件100转动，实现将成像模式切换至投影模式，从而通过显示装置实现投影功能。

综上所述，本申请中的显示装置能够将成像（AR）系统和投影系统集成，并且通过控制调光组件100相对显示模组110主光轴111转动的方式，实现AR功能和投影功能的切换，满足用户在不同场景下对二者功能的使用需求，如此，能够将原本独立的AR系统和投影系统进行集成，有效降低了光学系统的功耗、体积和成本，同时，也能够减轻显示装置整体的重量，使得显示装置作为可穿戴设备使用时，能够满足可穿戴设备的产品要求，并且使得可穿戴设备具有AR和投影的多个功能。

本申请中的显示装置或可穿戴设备，能够有效丰富用户的使用场景，满足用户在不同场景下的多种使用需求，例如：当用户佩戴有本申请的显示装置或可穿戴设备时，在成像模式下其可以体验装置的AR功能，当其需要将当前的显示画面与其他用户分享时，可以通过调光组件100切换模式，使得显示画面在空间内被投影显示，便可以进行多用户的共享。

本申请中的显示装置能够通过控制调光组件100转动，从而实现成像模式和投影模式的切换，以下将示意性的示出两种切换方式，应当理解，本申请包括但不限于以下两种切换方式：

可选的，如图2或图3所示，调光组件100包括在显示模组110的显示侧依次设置的第一偏振片120和偏振分光棱镜140，即可以沿着显示模组110的主光轴111依次设置第一偏振片120和偏振分光棱镜140，将投影模组210设置于偏振分光棱镜140的投影侧，用户则位于偏振分光棱镜140的成像侧。在一些实施方式中，如图2所示，第一偏振片120位于偏振分光棱镜140的上侧，用户和投影模组210分别位于偏振分光棱镜140的左右两侧，用户和投影模组210可以在不同实施方式中位置互换。

在一些实施方式中，为了进一步的提高显示装置的成像质量，如图2所示，（图中虚线的箭头代表光束方向），还可以在第一偏振片120和偏振分光棱镜140之间设置有准直镜130，在偏振分光棱镜140的下方依次设置有1/4波片150和反射镜160。

如图2所示，在成像模式下，显示模组110的显示侧显示画面从而出射光束，出射的光束从第一偏振片120的入光侧入射第一偏振片120，并从第一偏振片120的出光侧以S-偏振光（在其它实施方式中也可以是P-偏振光）出射，出射的S-偏振光经过准直镜130准直后，从偏振分光棱镜140的入光侧入射，透射后从偏振分光棱镜140的出光侧出射，出射的S-偏振光借助反射镜160能够两次经过1/4波片150，由此，S-偏振光在第二次经过1/4波片150后变为P-偏振光，P-偏振光由偏振分光棱镜140的出光侧入射偏振分光棱镜140，鉴于偏振分光棱镜140对S-偏振光和P-偏振光具有不同的作用机理，因此P-偏振光入射偏振分光棱镜140后，不会原路返回显示模组110，而是能够反射形成与S-偏振光不同的光路，然后从偏振分光棱镜140的左侧，即成像侧出射，实现在用户眼睛中成像。

如图3所示，当需要切换为投影模式时，用户可以控制第一偏振片120以主光轴111为转动轴进行旋转，当旋转90度后，显示模组110从第一偏振片120出射后的线偏振光则由S-偏振光变为P-偏振光，P-偏振光同样经过准直镜130的准直后，以平行光从偏振分光棱镜140的入光侧入射偏振分光棱镜140，P-偏振光被偏振分光棱镜140反射后，由偏振分光棱镜140的右侧，即投影侧出射，由投影侧设置的投影模组210接收后将其投影在幕布上显示对应的投影图像220。如此，便可以借助旋转第一偏振片120的方式改变入射偏振分光棱镜140的光束的偏振态，结合偏振分光棱镜140对不同偏振态的不同作用机理，实现入射光束的路径切换，使得显示装置能够在成像模式和投影模式中切换。当然，在其它实施例中，还可以对应去掉或调整准直镜130、1/4波片150和反射镜160，本申请对其不做限制，同理，在其它实施例中，偏振分光棱镜140也可以是对P-偏振光透射，对S-偏振光反射。

在本实施方式中，第一偏振片120能够在显示模组110出射的光束入射偏振分光棱镜140之前，先起偏形成线偏振光，然后以线偏振光的方式入射偏振分光棱镜140，如此，能够对显示模组110出射的自然光进行消杂光，进一步提高有效光束的质量。

可选的，在另一实施例中，如图7或图8所示，调光组件100可以是全反射元件170。即显示模组110的显示画面从显示侧出射后，可以先由全反射元件170的入光侧入射，通过改变全反射元件170与主光轴111的夹角，从而调整光束入射全反射元件170的入射角的大小，从而使得光束能够被透射或全反射，即改变从全反射元件170出射的光束的路径，使得显示装置能够在成像模式和投影模式中切换。

在一些实施方式中，如图5所示，全反射元件170可以是全反射棱镜，在成像模式下，显示模组110的显示画面从而出射光束，出射的光束入射全反射棱镜，此时，可以使得光束从全反射棱镜的成像侧出射至空气（光密至光疏）的角度小于临界角，便可以使得光束顺利从全反射棱镜的成像侧出射，以由成像侧的用户接收并成像。当需要切换为投影模式时，用户可以改变全反射棱镜与主光轴111的夹角，调整光束入射全反射棱镜的入射角，从而使得光束从全反射棱镜的出射至空气（光密至光疏）的角度大于临界角，此时，光束则在全反射棱镜的成像侧发生全反射，然后由全反射棱镜的投影侧出射，继而由投影模组210接收，并在目标区域投影图像220。

在一些实施方式中，如图6所示，全反射元件170可以包括贴合设置在一起的光密介质层171和光疏介质层172，其中，光密介质层171与显示模组110的显示侧相对设置，即光密介质层171位于显示模组110和光疏介质层172之间。为了进一步的提高显示装置的成像质量，还可以在显示模组110和全反射元件170之间设置第二偏振片180和准直镜130，在偏振分光棱镜140的下方依次设置有1/4波片150和反射镜160，光疏介质层172可以是偏振分光层（在其它实施方式中，还可以是光密介质层171为偏振分光层）。

如图7所示，图中虚线的箭头代表光束方向，在成像模式下，显示模组110的显示侧显示画面从而出射光束，出射的光束从第二偏振片180的入光侧入射第二偏振片180，并从第二偏振片180的出光侧以S-偏振光（在其它实施方式中也可以是P-偏振光）出射，出射的S-偏振光经过准直镜130准直后，从光密介质层171入射，此时全反射元件170与主光轴111的夹角a能够使得光束从光密介质层171到光疏介质层172的入射角度小于临界角，此时，光束能够顺利入射偏振分光层，并从偏振分光层出射，出射的S-偏振光借助反射镜160能够两次经过1/4波片150，由此，S-偏振光在第二次经过1/4波片150后变为P-偏振光，P-偏振光入射偏振分光层，鉴于偏振分光层对S-偏振光和P-偏振光具有不同的作用机理，因此P-偏振光入射偏振分光层后，不会原路返回显示模组110，而是能够反射形成与S-偏振光不同的光路，然后从全反射元件170的左侧，即成像侧出射，实现在用户眼睛中成像。

如图8所示，当需要切换为投影模式时，用户可以控制全反射元件170相对主光轴111转动，从而将全反射元件170与主光轴111的夹角a变为夹角b，此时，显示模组110从准直镜130出射后的S-偏振光入射光密介质层171，从光密介质层171到偏振分光层的入射角度大于临界角，在光密介质层171和光疏介质层172接触界面发生全反射，即改变光束的路径，使得光束由全反射元件170的右侧，即投影侧出射，由投影侧设置的投影模组210接收后将其投影在幕布上显示对应的投影图像220。当然，在其它实施例中，还可以对应去掉或更换准直镜130、1/4波片150和反射镜160，本申请对其不做限制，同理，在其它实施例中，偏振分光层也可以是对P-偏振光透射，对S-偏振光反射。

在本实施方式中，第二偏振片180能够在显示模组110出射的光束入射全反射元件170之前，先起偏形成线偏振光，然后以线偏振光的方式入射全反射元件170，如此，能够对显示模组110出射的自然光进行消杂光，进一步提高有效光束的质量。

在一些实施方式中，如图4所示，反射镜160的反射面为自由曲面，如此，能够在光束经过反射镜160时，有效增大显示装置的视场角。在一些实施方式中，反射镜160的反射率可以大于90%。

在一些实施方式中，如图4所示，反射镜160与1/4波片150设置为一体，1/4波片150位于反射镜160的入光侧，反射镜160为反射膜以镀膜的形式镀设于1/4波片150，如此，能够进一步的缩小整个显示装置的光学系统的体积，在其作为可穿戴设备使用时，能够具有重量轻、体积小、便于携带的优势。

可选的，前述实施方式中的准直镜130、第一偏振片120或第二偏振片180、偏振分光棱镜140或全反射元件170均可以位于显示模组110的主光轴111上设置。在一些实施方式中，投影模组210可以与调光组件100的投影侧同光轴。在一些实施方式中，第一偏振片120或第二偏振片180可以是薄膜材质、玻璃材质中的一种。在一些实施方式中，1/4波片150可以是玻璃材质。在一些实施方式中，偏振分光棱镜140可以是玻璃材质。

可选的，第一偏振片120或第二偏振片180可以是粘贴于准直镜130的入光侧或显示模组110的出光侧，以此，能够进一步的缩小整个显示装置的光学系统的体积，在其作为可穿戴设备使用时，能够具有重量轻、体积小、便于携带的优势。

可选的，显示装置还包括用于固定显示模组110和调光组件100的支架，该支架可以是外壳，即将整个光路系统设置于外壳内，通过外壳对各个组件进行定位以及提供保护。准直镜130、第一偏振片120或第二偏振片180、偏振分光棱镜140或全反射元件170可以是通过同轴支架固定于外壳内，保证整个光路系统的准直性。在一些实施方式中，壳体可以是塑料壳体、碳纤维壳体、金属壳体等等。

可选的，投影模组210可以于调光组件100的投影侧与支架可拆卸连接，可拆卸连接的方式可以是卡扣或螺接等。在一些实施方式中，投影模组210可以是单片透镜，也可以是透镜组，具体选择时可以根据产品定位，即可穿戴设备的重量以及投影质量灵活选择。例如：若是一体化设计，可以采用单个透镜作为投影模组210，若采用透镜组作为投影模组210，则可采用可拆卸式连接。

在一些实施方式中，显示模组110可以是自发光显示模组110，例如具有OLED、miniLED、MicroLED屏幕的手表、手机、平板、电脑等等，利用自发光的特性，为显示装置提供光源或图像源。

在一些实施方式中，显示模组110可以为液晶显示模组110，例如具有LCD屏幕的手表、手机、平板、电脑等等，利用LCD背板发光的特性，为显示装置提供光源或图像源。

在一些实施方式中，显示模组110还可以是硅基液晶显示装置，此时，可以在硅基液晶显示装置的出光侧还设置有补光装置，补光装置包括但不限于LED或是激光光源，当补光装置为激光光源时，还可以设置有消散斑单元，以此，使得激光光束具有更好的应用效果；当补光装置是LED光源时，还可以设置有准直元件，使得提供的光束为准直光束。

本申请实施例的另一方面，提供一种可穿戴设备，包括上述任一种的显示装置，例如可以是AR头盔式显示器、AR眼镜等等，相对于传统仅能实现AR功能的可穿戴设备，本申请的可穿戴设备，能够将投影功能集成，通过调整调光组件100，实现AR功能和投影功能的切换，结合可穿戴设备的使用场景，能够进一步丰富用户使用的多样性，例如随时随地在用户需要展示或共享显示装置中显示模组110的显示画面时，可以通过投影模组210在幕布上成像，实现与多人之间的共享。

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 (8)

1.一种显示装置，其特征在于，包括：显示模组和位于所述显示模组的显示侧的调光组件和投影模组，所述显示模组的显示画面经所述调光组件调制后在所述调光组件的成像侧显示，控制所述调光组件相对所述显示模组的主光轴转动以切换所述显示模组的显示画面的出射光路，使所述显示模组的显示画面由所述调光组件投影侧的所述投影模组投影显示；

所述调光组件为全反射元件，所述显示模组的显示画面经所述全反射元件调制后在所述全反射元件的成像侧显示，调节所述全反射元件与所述主光轴的夹角以调整所述显示画面的出射光路与所述全反射元件的入射角，使所述显示模组的显示画面由所述全反射元件投影侧的所述投影模组投影显示；

所述全反射元件包括贴合设置的光密介质层和光疏介质层，所述光密介质层与所述显示模组的显示侧相对设置，调节所述全反射元件与所述主光轴的夹角以调整所述显示画面的出射光路与所述光密介质层的入射角，使所述显示模组的显示画面由所述全反射元件投影侧的所述投影模组投影显示；

所述光疏介质层或所述光密介质层为偏振分光层。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，还包括第二偏振片，所述第二偏振片位于所述显示模组和所述全反射元件之间。

3.如权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，还包括在所述调光组件的出光侧依次设置的1/4波片和反射镜，所述显示画面由所述调光组件的出光侧出射后经所述1/4波片后入射所述反射镜，由所述反射镜反射后经所述1/4波片和所述调光组件后在所述调光组件的成像侧显示。

4.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述反射镜的反射面为自由曲面。

5.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述反射镜为镀设于所述1/4波片出光面的反射膜。

6.如权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，还包括设置于所述显示模组主光轴上的准直镜。

7.如权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，还包括用于固定所述显示模组和所述调光组件的支架，所述投影模组于所述调光组件的投影侧与所述支架可拆卸连接。

8.一种可穿戴设备，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的显示装置。

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