CN114326111A - 一种显示设备模组及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种显示设备模组，包括显示面板、非同轴光学器件、第一片状光学元件以及固定系统；显示面板用于发出光线；非同轴光学器件的入光面使得显示面板发出的光线能够经入光面透射、并从出光面透射出来；第一片状光学元件朝向非同轴光学器件的一侧用于反射出光面透射出的光线至人眼方向，第一片状光学元件还用于在反射光线时提供偏向非同轴光学系统的光焦度。本申请实施例中第一片状光学元件可以提供偏向非同轴光学系统的光焦度，以便将光线反射至人眼方向，进而使得显示设备模组可以仅包括单片的片状光学元件，降低了显示设备模组的厚度。

Description

一种显示设备模组及头戴式显示设备

技术领域

本申请涉及光学领域，尤其涉及一种显示设备模组及头戴式显示设备。

背景技术

头戴式显示设备可以利用计算机产生的附加信息对使用者所看到的真实世界景象进行增强或者扩张，极大的改变了人类与计算机或者与外部世界交互的方式，这种设备综合使用了不同研究领域的多种技术，并很快的应用到娱乐、科学研究、模拟训练、远程医疗等领域。

在基于增强现实(augmented reality，AR)以及混合现实(mix reality，MR)技术的头戴式显示设备中，显示面板显示的虚拟图像需要先经由显示设备模组处理，再与现实图像叠加呈现给用户。由于头戴显示设备佩戴在用户头部，为了减轻用户头部压力，需要进一步对头戴式显示设备进行紧凑化设计。

发明内容

本申请实施例提供了一种头戴式显示设备，使得头戴式显示设备中的显示设备模组在人眼视线方向的厚度变小，实现了对头戴式显示设备的紧凑化设计。

第一方面，本申请提供了一种显示设备模组，其特征在于，包括显示面板、非同轴光学器件、第一片状光学元件以及固定系统；所述固定系统用于固定所述显示面板、所述非同轴光学器件以及所述第一片状光学元件；

所述显示面板用于基于电子图像内容发出光线；显示面板可以基于电子图像内容显示图像，进而，可以作为光源，基于电子图像内容来发出光线；

所述非同轴光学器件包括入光面和出光面，所述非同轴光学器件的入光面朝向所述显示面板，使得所述显示面板发出的光线能够经所述入光面透射、并从所述出光面透射出来；

应理解，非同轴光学器件可以为自由曲面棱镜、或者由多个透镜构成的组合结构，本申请并不限定；本实施例中的“透射”可以理解为入射的光线穿过物体后的出射现象。其中，当光线入射到透明或半透明材料表面时，一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分可以透射过去；

所述第一片状光学元件朝向所述非同轴光学器件的一侧用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，用于形成所述电子图像内容对应的虚拟图像，所述第一片状光学元件还用于在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。其中，人眼方向可以理解为用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时，人眼所在的方向，应理解，AR以及MR眼镜包括左眼显示模组和右眼显示模组，左眼显示模组的人眼方向可以指用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时，左眼所在的方向；右眼显示模组的人眼方向可以指用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时，右眼所在的方向；

其中，第一片状光学元件可以提供偏向非同轴光学系统的光焦度，以便将光线反射至人眼方向，进而使得显示设备模组可以仅包括单片的片状光学元件，降低了显示设备模组的厚度。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件朝向所述非同轴光学器件的表面设置有反射式衍射光栅，所述反射式衍射光栅用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，并在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。

在工作时，显示面板的光线经过可以进入非同轴光学器件的内部，经过反射面的反射，通过出射面传播至下方的第一片状光学元件的反射式衍射光栅，光线在反射式衍射光栅进行反射式衍射，产生的衍射光最终进入人眼，用户可以看到显示图像。第一片状光学元件303为透光材料，使得环境光可以穿过第一片状光学元件，进入人眼，使用户可同时看到无畸变的环境，形成AR显示。由于第一片状光学元件上设置有反射式衍射光栅，可以提供偏向非同轴光学器件的光焦度，使得显示设备模组可以仅包括单片的第一片状光学元件，降低了显示设备模组的厚度。同时，环境光在从环境传播到人眼的过程中仅通过单片的第一片状光学元件，使得环境光仅进行一次能量衰减，提高了视透光效。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件内部还设置有菲涅尔镜片，所述菲涅尔镜片朝向所述非同轴光学器件的表面用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，并在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。

在工作时，显示面板的光线经过可以进入非同轴光学器件的内部，经过反射面的反射，通过出射面传播至下方的第一片状光学元件内的菲涅尔镜片，在经过菲涅尔镜片的反射后进入人眼，用户可以看到显示面板的显示图像。同时环境光透过第一片状光学元件，进入人眼，使用户可同时看到无畸变的环境，形成AR显示；由于第一片状光学元件内设置有菲涅尔镜片，可以提供偏向非同轴光学器件的光焦度，使得显示设备模组可以仅包括单片的第一片状光学元件，降低了显示设备模组的厚度，同时，环境光在从环境传播到人眼的过程中仅通过单片的第一片状光学元件，使得环境光仅进行一次能量衰减，提高了视透光效。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件与所述人眼方向之间的夹角大于45度且小于90度。用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一片状光学元件可以与铅锤方向之间的夹角小于45度，也就是说用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一片状光学元件不会过度倾斜。第一片状光学元件可以为表面具有一定曲率的片状光学结构，或者为平板状的光学结构。若第一片状光学元件为表面具有一定曲率的片状光学结构，则第一片状光学元件与人眼方向之间的夹角可以理解为第一片状光学元件大致所处的平面与人眼方向之间的夹角，或者第一片状光学元件的大部分表面与人眼方向之间的夹角。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件各处的厚度的差异在预设范围内；所述第一片状光学元件各处的厚度在0.3毫米至3毫米的范围内。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件为透光材料，用于透射环境光。

在一种可能的实现中，所述反射式衍射光栅朝向所述非同轴光学器件的一侧包括凸起，所述凸起偏向所述非同轴光学器件。凸起的倾斜角度范围可以小于45度，倾斜结构的凸起可以增强正级衍射的效率。

在一种可能的实现中，所述反射式衍射光栅的表面设置有增强反射膜。增强反射膜可以用来控制反射与视透的比例。

在一种可能的实现中，所述反射式衍射光栅包括浮雕光栅、直衍射光栅、闪耀光栅以及体全息光栅中的一种。

在一种可能的实现中，所述菲涅尔镜片的表面设置有半反半透膜。

在一种可能的实现中，所述部分反射膜的表面设置有透明胶层，所述透明胶层与所述菲涅尔镜片的折射率的差值在预设范围内。所述菲涅尔镜片的表面设置有半反半透膜，用来控制反射与视透的比例。该菲涅尔透镜靠近人眼侧的表面还可以附有一层光学透明的胶层，所述透明胶层与所述菲涅尔镜片的折射率的差值在预设范围内，可以作为透视补偿层，胶层折射率与透镜折射率相似，透明胶层与所述菲涅尔镜片的折射率的差值所在的预设范围可以是0.05。应理解，本申请并不限定胶层的材料类型，只需要满足透过率在可见光波段高于90％，且与菲涅尔镜片的折射率的差值在预设范围即可。

在一种可能的实现中，所述非同轴光学系统还包括：至少一个反射面；

所述至少一个反射面设置在所述入光面和所述出光面之间，使得所述入光面透射的光线能够经所述至少一个反射面反射，从所述出光面透射出来。

第二方面，本申请还提供了一种头戴式显示设备，所述头戴式显示设备为增强现实AR设备或混合现实MR设备，包括：左眼显示模组、右眼显示模组、中壳以及镜腿；

所述中壳用于固定所述左眼显示模组、所述右眼显示模组以及所述镜腿，所述左眼显示模组或所述右眼显示模组包括如上述第一方面任一所述的显示设备模组。

在一种可能的实现中，还包括：前壳；

所述前壳与所述中壳连接，所述前壳位于所述头戴式显示设备的外表面，用于保护所述左眼显示模组和所述右眼显示模组。

在一种可能的实现中，所述前壳包括第一表面，所述第一表面背向所述左眼显示模组和所述右眼显示模组，所述非同轴光学器件的出光面透射出的光线朝向所述第一表面。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件与所述第一表面之间的夹角小于45度。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件包括第一端和第二端，所述第一端为所述第一片状光学元件上靠近所述非同轴光学器件的一端，所述第二端为所述第一片状光学元件上远离所述非同轴光学器件的一端，所述第一端与所述第一表面的距离小于所述第二端与所述第一表面的距离。

本申请实施例提供了一种显示设备模组，包括显示面板、非同轴光学器件、第一片状光学元件以及固定系统；所述固定系统用于固定所述显示面板、所述非同轴光学器件以及所述第一片状光学元件；所述显示面板用于基于电子图像内容发出光线；所述非同轴光学器件包括入光面和出光面，所述非同轴光学器件的入光面朝向所述显示面板，使得所述显示面板发出的光线能够经所述入光面透射、并从所述出光面透射出来；所述第一片状光学元件朝向所述非同轴光学器件的一侧用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，用于形成所述电子图像内容对应的虚拟图像，所述第一片状光学元件还用于在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。本申请实施例中第一片状光学元件可以提供偏向非同轴光学系统的光焦度，以便将光线反射至人眼方向，进而使得显示设备模组可以仅包括单片的片状光学元件，降低了显示设备模组的厚度。

附图说明

图1为一种用户佩戴的头戴式显示设备的示意图；

图2为一种头戴式显示设备的示意图；

图3a为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图3b为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图3c为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图3d为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图3e为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图3f为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图3g为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图3h为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请的实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员可知，随着技术的发展和新场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间或逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。

图1示出了一种用户102佩戴的头戴式显示设备100的示意图。头戴式显示设备100可被用于显示增强现实图像以及现实世界背景场景中的物理对象。头戴式显示设备100可包括用于将设备定位在相对于用户102的眼睛的目标查看位置处的框架104(本实施例中还可以称之为镜框或者镜架)。

图2示出图1的头戴式显示设备100的示意图，如图2中示出的那样，头戴式显示设备100包括右眼显示系统200a和左眼显示系统200b。右眼显示系统200a或左眼显示系统200b)可用于既向用户显示虚拟图像又允许用户查看现实环境。其中，右眼显示系统200a可以包括右眼显示模组，左眼显示系统200b可以包括左眼显示模组，头戴式显示设备100包括还包括中壳以及镜腿(或称之为耳承)206，所述中壳用于固定所述左眼显示模组、所述右眼显示模组以及所述镜腿206，头戴式显示设备100包括还包括前壳，所述前壳与所述中壳连接，所述前壳位于所述头戴式显示设备的外表面，用于保护所述左眼显示模组和所述右眼显示模组。应理解，前壳可以为透明的遮光罩visor。

此外，图2示意性地示出可被用来向用户输出声学信息的话筒202。这样的声学信息可以采取任何合适的形式，包括但不限于计算机生成的适当语言(如用户选择的)的语音输出、并非专用于任何语言的音调或其他声音、和/或任何其他合适的声音。在一些实施例中，其他类型的输出可由头戴式显示设备100提供，如触觉/触摸输出。

左眼显示系统200b和右眼显示系统200a可经由一个或多个框架104的紧固机构被定位在相对于眼睛的查看位置处。例如，如图2所示，框架104可经由耳承206由用户的耳朵并经由鼻梁208由用户的鼻子支撑，以降低框架104的滑动。将理解，图2所示的支撑(如耳承206、鼻承、以及鼻梁208)在本质上是示例性的，且头戴式透视显示设备的透视显示系统(右眼显示系统200a和左眼显示系统200b)可经由任何合适的机构被定位在查看位置处。例如，可以利用附加支撑，和/或图2所示的支撑中的一者或多者可被移除、替换、和/或扩充以将透视显示系统定位在查看位置处。此外，透视显示系统可通过除与物理上接触用户的支撑以外的机构来被定位在查看位置处，本申请并不限定。

应理解，本实施例中的左眼显示模组以及右眼显示模组可以称之为显示设备模组。

现在转向图3a，图3a为本申请实施例提供的一种显示设备模组的结构示意图，具体的，图3a示出的显示设备模组可以为图2中左眼显示系统200b或右眼显示系统200a的组成部分，图3a示出的显示设备模组可以为左眼显示系统200b中的左眼显示模组或者右眼显示系统200a的右眼显示模组，如图3a中示出的那样，本申请提供的显示设备模组可以包括：显示面板301、非同轴光学器件302、第一片状光学元件303以及固定系统。

本申请实施例中，显示面板301可包括用于产生图像以供显示的任何合适的组件，包括但不限于微显示器和一个或多个光源。

可选的，在一些实施例中，显示面板301可包括反射微显示器，如硅上液晶(liquidcrystal on silicon，LCoS)显示器。在其他实施例中，显示面板301可包括发射微显示器，如有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)阵列显示器类型、无机发光二极管(inorganic light-emitting diode，iLED)阵列显示器类型、和/或任何其他合适的微显示器。显示面板301可包括一个或多个光源，如RGBLED阵列、一个或多个白LED(例如，具有滤色器装置)、和/或任何合适的照明光源结构。

本申请实施例中，显示面板301可以基于电子图像内容显示图像，进而，可以作为光源，基于电子图像内容来发出光线。

可选地，本申请实施例中，固定系统可以包括外壳、承靠面、连接件、V形槽以及其他机械结构，或者是用于固定或者连接的材料。

本实施例中，可以通过固定系统的设置来将显示设备模组包括的各个元件固定在对应的位置。例如，固定系统可以包括承靠面和头戴式显示设备的外壳，显示面板301中背向发光面的一侧可以为承靠面，显示面板301可以通过上述承靠面与头戴式显示设备的外壳固定连接。

可选地，本申请实施例中，所述非同轴光学器件302可以通过固定系统与所述显示面板301固定。

本实施例中，可以通过固定系统的设置来将显示面板301与非同轴光学器件302固定连接，固定系统可以是位于显示面板301与非同轴光学器件302之间的连接件，通过连接件来将显示面板301与非同轴光学器件302直接连接；固定系统还可以是头戴式显示设备的外壳，显示面板301与外壳固定连接，非同轴光学器件302与外壳固定连接，相当于通过外壳来将显示面板301与非同轴光学器件302间接连接。

本申请实施例中，所述非同轴光学器件302可以包括入光面3022和出光面3024，所述非同轴光学器件302的入光面3022朝向所述显示面板301，使得所述显示面板301发出的光线能够经所述入光面3022透射、并从所述出光面3024透射出来。

应理解，本实施例中的“透射”可以理解为入射的光线穿过物体后的出射现象。其中，当光线入射到透明或半透明材料表面时，一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分可以透射过去。

应理解，非同轴光学器件302可以为自由曲面棱镜、或者由多个透镜构成的组合结构，本申请并不限定。

如图3a所示，所述非同轴光学器件302可以包括入光面3022、第一反射面3025、第二反射面3021和出光面3024，所述非同轴光学器件302的入光面3022朝向所述显示面板301，使得所述显示面板301发出的光线能够经所述入光面3022透射、并经所述第一反射面3025以及所述第二反射面3021之间的反射，从所述出光面3024透射出来。

应理解，本实施例中仅以非同轴光学器件302包括第一反射面3025和第二反射面3021为例进行说明。需要说明的是，非同轴光学器件302包括中包括的反射面的数量可以大于2个、等于2个或者小于2个，本申请并不限定。

可选的，本申请实施例中，如图3b中示出的那样，显示面板301与非同轴光学器件302的入光面3022之间的距离L8可以在0.1mm至1mm的范围内。

本申请实施例中，非同轴光学器件302可包括至少三个表面，每一表面可以但不限于是非平面且非球面的。例如，非同轴光学器件302可包括第一反射面3025、第二反射面3021、入光面3022和出光面3024。其中，出光面3024为非同轴光学器件302的下端面，出光面3024可以为非旋转对称透射面，出光面3024的边缘从空气弯向非同轴光学器件302，这样可以减小主光线入射角度，有利于像差矫正。入光面3022为非同轴光学器件302的上端面，入光面3022可以为非旋转对称性透射面。

本申请实施例中，第二反射面3021可以为非同轴光学器件302的一个端面，在用户佩戴头戴式显示设备时，第二反射面3021可以背对人眼，为非同轴光学器件302的外侧面，第二反射面3021可以为非旋转对称性反射面，本申请实施例中，来自显示面板301的光线沿显示光路行进，经过入光面3022透射后进入非同轴光学器件302，经过第一反射面3025和第二反射面3021之间的反射，并最终通过第二反射面3021的反射，从出光面3024透射出来。

需要说明的是，本申请实施例中，非同轴光学器件302的第一反射面3025和第二反射面3021可以镀有反射膜，此时，非同轴光学器件302的第一反射面3025和第二反射面3021可以将入射的光线全部反射。

需要说明的是，本申请实施中，非同轴光学器件302可以包括多个反射面，显示面板301发出的光线通过非同轴光学器件302的入射面的透射后，进入非同轴光学器件302内部，并经过多个反射面的折转后，从出光面3024透射出非同轴光学器件302，本申请并不限定反射面的数量。

可选的，本申请实施例中，如图3b中示出的那样，本申请实施例提供的显示设备模组可以设置于头戴式显示设备(AR或MR眼镜)的镜片内，非同轴光学器件302在人眼直视视线方向的宽度L7可以在3mm至15mm的范围内，应理解，上述人眼直视视线方向为用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时，人眼目光直视时的视线方向。

本申请实施例中，用户在佩戴头戴式显示设备时，来自显示面板301的光线可以沿显示光路行进，依次经过非同轴光学器件302和第一片状光学元件303，向人眼方向传播，进而到达人眼。

本实施例中的人眼方向可以理解为用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时，人眼所在的方向，应理解，AR以及MR眼镜包括左眼显示模组和右眼显示模组，左眼显示模组的人眼方向可以指用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时，左眼所在的方向；右眼显示模组的人眼方向可以指用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时，右眼所在的方向。

本实施例中，可以通过固定系统的设置来将第一片状光学元件303与非同轴光学器件302固定连接，固定系统可以是位于第一片状光学元件303与非同轴光学器件302之间的连接件，通过连接件来将第一片状光学元件303与非同轴光学器件302直接连接；固定系统还可以是头戴式显示设备的外壳，第一片状光学元件303与外壳固定连接，非同轴光学器件302与外壳固定连接，相当于通过外壳来将第一片状光学元件303与非同轴光学器件302间接连接。

可选地，本申请实施例中，固定系统可以包括V形槽，所述第一片状光学元件303可以通过V形槽定位的方式与非同轴光学器件302连接，第一片状光学元件303也可以通过在通光区域之外延伸出承靠面，进而通过承靠面的方式与非同轴光学器件302固定连接。

需要说明的是，上述光学元件的固定方式仅为一种示例，并不构成对本申请的限定。

本申请实施例中，所述第一片状光学元件303可以用于反射所述出光面3024透射出的光线，且所述第一片状光学元件303朝向所述非同轴光学器件302的一面设置可以有反射式衍射光栅或菲涅尔镜片，用于为所述第一片状光学元件303反射光线时提供偏向所述非同轴光学器件302的光焦度。

接下来描述第一片状光学元件303在头戴式显示设备中所处的位置。

本申请实施例中，第一片状光学元件303可以位于用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时人眼前方的区域，在一种可能的实现中，所述非同轴光学器件302和所述人眼位于所述第一片状光学元件303的同一侧，所述第一片状光学元件303可以包括相对的表面4001和表面4002，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，表面4001可以为远离人眼的第一片状光学元件303的表面，也就是第一片状光学元件303上朝向环境侧的表面，表面4002可以为朝向人眼的第一片状光学元件303的表面，所述非同轴光学器件302和人眼可以位于所述第一片状光学元件303上表面4002朝向的区域。

如图3b所示，所述第一片状光学元件303可以包括相对的表面4001和表面4002，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，表面4001可以为远离人眼的第一片状光学元件303的表面，也就是第一片状光学元件303上朝向环境侧的表面，表面4002可以为朝向人眼的第一片状光学元件303的表面，非同轴光学器件302的出光面3024透射出的光线朝向环境侧，而在经过第一片状光学元件303的反射后，光线的传播方向变更为朝向人眼方向，换一种表述方式，在经过第一片状光学元件303的反射后，光线的传播方向变更为朝向人眼方向用户以正确的方式佩戴AR或MR眼镜时人眼所在的方向。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件303与人眼方向之间的夹角大于45度且小于90度。

本申请实施例中，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一片状光学元件303可以与铅锤方向之间的夹角小于45度，也就是说用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一片状光学元件303不会过度倾斜。

本申请实施例中，第一片状光学元件303可以为表面具有一定曲率的片状光学结构，或者为平板状的光学结构。若第一片状光学元件303为表面具有一定曲率的片状光学结构，则第一片状光学元件303与人眼方向之间的夹角可以理解为第一片状光学元件303大致所处的平面与人眼方向之间的夹角，或者第一片状光学元件303的大部分表面与人眼方向之间的夹角。示例性的，如图3c所示，第一片状光学元件303与人眼方向之间的夹角为θ1，θ1可以大于45度且小于90度。

本申请实施例中，显示设备模组可以设置于头戴式显示设备内，头戴式显示设备可以包括增强现实AR设备或混合现实MR设备，头戴式显示设备可以包括左眼显示模组、右眼显示模组、中壳以及前壳400，左眼显示模组、右眼显示模组以前壳都固定在中壳上，所述前壳400位于所述头戴式显示设备的外表面，用于保护所述左眼显示模组和所述右眼显示模组，前壳可以包括第一表面4005，所述第一表面4005为头戴式显示设备上背向所述人眼方向的表面，所述非同轴光学器件302的出光面透射出的光线朝向所述第一表面4005。

示例性的，可以参照图3c，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一表面4001可以为远离人眼的前壳的表面，也就是头戴式显示设备上朝向环境侧的表面。非同轴光学系统302的出光面3024透射出的光线在未被目标光学元件303反射时，光线的传播方向为朝向第一表面4001的，而在经过目标光学元件303的反射后，光线的传播方向变更为朝向人眼方向。

在一种可能的实现中，所述目标光学元件303与所述第一表面4005之间的夹角小于45度。

如图3c所示，本申请实施例中，所述第一片状光学元件303可以包括第一端4003和第二端4004，所述第一端4003为所述第一片状光学元件303上靠近所述非同轴光学器件302的一端，所述第二端4004为所述第一片状光学元件303上远离所述非同轴光学器件302的一端，所述第一端4003与所述第一表面4005的距离小于所述第二端4004与所述第一表面4005的距离。

本申请实施例中，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一片状光学元件303沿铅锤方向的长度L2可以在20mm到40mm之间，沿用户平视的视线方向的长度L1可以在1mm至20mm之间，用户的眼镜到第一片状光学元件303上最近的距离L6可以在10mm至20mm之间。

本申请实施例中，第一片状光学元件303可以为离轴的自由曲面镜片，第一片状光学元件303可以为具有非旋转对称性的薄玻璃或者塑料透明介质。

在一种可能的实现中，所述第一片状光学元件303各处的厚度的差异在预设范围内，所述第一片状光学元件303各处的厚度L3在0.3毫米至3毫米的范围内。

本申请实施例中，所述第一片状光学元件303可以用于反射所述出光面3024透射出的光线至人眼，所述第一片状光学元件303用于在反射光线时提供偏向所述非同轴光学器件302的光焦度。

在一种实现中，相比于平面反射，所述第一片状光学元件303在反射光线时，可以提供偏向所述非同轴光学器件302大于0度而小于30度的角度偏转。

本申请实施例中，可以在所述第一片状光学元件303朝向所述非同轴光学器件302的一面设置反射式衍射光栅或菲涅尔镜片，用于为所述第一片状光学元件303反射光线时提供偏向所述非同轴光学器件302的光焦度。

在一种实现中，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一片状光学元件303上靠近人眼侧的表面可以设置有反射式衍射光栅，例如反射式衍射光栅可以为一维衍射结构。非同轴光学器件302的出光面3024投射出的光线经过第一片状光学元件303上的反射式衍射光栅的衍射面可以产生反射式衍射，以使得从第一片状光学元件303反射的光线的光焦度相比于平面镜反射的光焦度更大，具体的，可以参照图3d，非同轴光学器件302的出光面3024投射出的光线R1经过第一片状光学元件303上的反射式衍射光栅的衍射面之后的反射角为θ2，相比于平面镜反射的光线(图3d中示出的R1光线经过第一片状光学元件303反射后的虚线)的反射角更小，而光线R0类似。

可选的，反射式衍射光栅可以为浮雕光栅、直衍射光栅、闪耀光栅或体全息光栅等其他可发生衍射现象的结构。在一种实现中，所述反射式衍射光栅可以包括向所述非同轴光学器件302倾斜的凸起402。

示例性的，本实施例中的反射式衍射光栅的截面可以如图3e所示，反射式衍射光栅可以为倾斜浮雕光栅，凸起402可以偏向上方非同轴光学器件302，凸起402的倾斜角度范围可以小于45度，倾斜结构的作用是增强正级衍射的效率。

可选的，在一种实现中，反射式衍射光栅上可以镀有增强反射膜401，增强反射膜401可以用来控制反射与视透的比例，反射式衍射光栅远离人眼的表面可以为光学透射面，镀有增透膜。

在工作时，显示面板301的光线经过可以进入非同轴光学器件302的内部，经过反射面的反射，通过出射面传播至下方的第一片状光学元件303的反射式衍射光栅，光线在反射式衍射光栅进行反射式衍射，产生的衍射光最终进入人眼，用户可以看到显示图像。第一片状光学元件303为透光材料，使得环境光可以穿过第一片状光学元件303，进入人眼，使用户可同时看到无畸变的环境，形成AR显示。

本申请实施例中，在目标元件为表面具有曲率的片状结构时，反射式衍射光栅和目标元件的表面曲率可以共同提供显示设备模组的光焦度。本申请实施例中，在目标元件为平板结构时，反射式衍射光栅可以提供显示设备模组的光焦度。

本申请实施例中，由于第一片状光学元件303上设置有反射式衍射光栅，可以提供偏向非同轴光学器件302的光焦度，使得显示设备模组可以仅包括单片的第一片状光学元件303，降低了显示设备模组的厚度。同时，环境光在从环境传播到人眼的过程中仅通过单片的第一片状光学元件303，使得环境光仅进行一次能量衰减，提高了视透光效，具体的，可以参照图3g，若环境光需要通过两片光学元件，则会发生两次的能量衰减(一次衰减为50％，一次衰减为25％)。

在一种实现中，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，第一片状光学元件303上靠近人眼侧的表面可以设置有菲涅尔镜片，用于为所述第一片状光学元件303反射光线时提供偏向所述非同轴光学器件302的光焦度。

可选地，菲涅尔镜片的基底材料可以为薄玻璃或者塑料透明介质，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，菲涅尔镜片的菲涅尔齿面403靠近人眼侧，且齿面403均向上方的非同轴光学器件302倾斜，进而可以使菲涅尔镜片为所述第一片状光学元件303反射光线时提供偏向所述非同轴光学器件302的光焦度。菲涅尔镜片的厚度范围可以为0.3至3mm。

具体的，可以参照图3f，用户在正确佩戴头戴式显示设备时，菲涅尔镜片的菲涅尔齿面403靠近人眼侧，且齿面403均向偏向上方的非同轴光学器件302。

在一种可能的实现中，所述菲涅尔镜片的表面设置有半反半透膜，用来控制反射与视透的比例。该菲涅尔透镜靠近人眼侧的表面还可以附有一层光学透明的胶层，所述透明胶层与所述菲涅尔镜片的折射率的差值在预设范围内，可以作为透视补偿层，胶层折射率与透镜折射率相似，透明胶层与所述菲涅尔镜片的折射率的差值所在的预设范围可以是0.05。应理解，本申请并不限定胶层的材料类型，只需要满足透过率在可见光波段高于90％，且与菲涅尔镜片的折射率的差值在预设范围即可。

在工作时，显示面板301的光线经过可以进入非同轴光学器件302的内部，经过反射面的反射，通过出射面传播至下方的第一片状光学元件303内的菲涅尔镜片，在经过菲涅尔镜片的反射后进入人眼，用户可以看到显示面板301的显示图像。同时环境光透过第一片状光学元件303，进入人眼，使用户可同时看到无畸变的环境，形成AR显示。

本申请实施例中，由于第一片状光学元件303内设置有菲涅尔镜片，可以提供偏向非同轴光学器件302的光焦度，使得显示设备模组可以仅包括单片的第一片状光学元件303，降低了显示设备模组的厚度，同时，环境光在从环境传播到人眼的过程中仅通过单片的第一片状光学元件303，使得环境光仅进行一次能量衰减，提高了视透光效。

此外还可以如图4所示，图4为本申请实施例提供的一种显示设备模组的示意。

本申请实施例提供了一种显示设备模组，包括显示面板、非同轴光学器件、第一片状光学元件以及固定系统；所述固定系统用于固定所述显示面板、所述非同轴光学器件以及所述第一片状光学元件；所述显示面板用于基于电子图像内容发出光线；所述非同轴光学器件包括入光面和出光面，所述非同轴光学器件的入光面朝向所述显示面板，使得所述显示面板发出的光线能够经所述入光面透射、并从所述出光面透射出来；所述第一片状光学元件朝向所述非同轴光学器件的一侧用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，用于形成所述电子图像内容对应的虚拟图像，所述第一片状光学元件还用于在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。本申请实施例中第一片状光学元件可以提供偏向非同轴光学系统的光焦度，以便将光线反射至人眼方向，进而使得显示设备模组可以仅包括单片的片状光学元件，降低了显示设备模组的厚度。

本申请实施例还提供了一种头戴式显示设备，头戴式显示设备可以为AR/MR设备，头戴式显示设备可以包括上述图3a至图3f所示的显示设备模组，如图3h所示，头戴式显示设备可以包括中壳(图3h中未示出)、镜腿4007以及前壳400，头戴式显示设备还可以包括后壳500，上述图3a至图3f所示的显示设备模组可以设置于图3h中示出的头戴式显示设备中，具体可以参照上述实施例中关于显示设备模组的描述，这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

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单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者其他网络设备等)执行本申请图2实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (17)

1.一种显示设备模组，其特征在于，包括显示面板、非同轴光学器件、第一片状光学元件以及固定系统；所述固定系统用于固定所述显示面板、所述非同轴光学器件以及所述第一片状光学元件；

所述显示面板用于基于电子图像内容发出光线；

所述非同轴光学器件包括入光面和出光面，所述非同轴光学器件的入光面朝向所述显示面板，使得所述显示面板发出的光线能够经所述入光面透射、并从所述出光面透射出来；

所述第一片状光学元件朝向所述非同轴光学器件的一侧用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，用于形成所述电子图像内容对应的虚拟图像，所述第一片状光学元件还用于在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。

2.根据权利要求1所述的显示设备模组，其特征在于，所述第一片状光学元件朝向所述非同轴光学器件的表面设置有反射式衍射光栅，所述反射式衍射光栅用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，并在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。

3.根据权利要求1所述的显示设备模组，其特征在于，所述第一片状光学元件内部还设置有菲涅尔镜片，所述菲涅尔镜片朝向所述非同轴光学器件的表面用于反射所述出光面透射出的光线至人眼方向，并在反射光线时提供偏向所述非同轴光学系统的光焦度。

4.根据权利要求1至3任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述第一片状光学元件与所述人眼方向之间的夹角大于45度且小于90度。

5.根据权利要求1至4任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述第一片状光学元件各处的厚度的差异在预设范围内；所述第一片状光学元件各处的厚度在0.3毫米至3毫米的范围内。

6.根据权利要求1至5任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述第一片状光学元件为透光材料，用于透射环境光。

7.根据权利要求2、4至6任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述反射式衍射光栅朝向所述非同轴光学器件的一侧包括凸起，所述凸起偏向所述非同轴光学器件。

8.根据权利要求2、4至7任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述反射式衍射光栅的表面设置有增强反射膜。

9.根据权利要求2、4至8任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述反射式衍射光栅包括浮雕光栅、直衍射光栅、闪耀光栅以及体全息光栅中的一种。

10.根据权利要求3至6任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述菲涅尔镜片的表面设置有半反半透膜。

11.根据权利要求10所述的显示设备模组，其特征在于，所述部分反射膜的表面设置有透明胶层，所述透明胶层与所述菲涅尔镜片的折射率的差值在预设范围内。

12.根据权利要求1至11任一所述的显示设备模组，其特征在于，所述非同轴光学器件还包括：至少一个反射面；

所述至少一个反射面设置在所述入光面和所述出光面之间，使得所述入光面透射的光线能够经所述至少一个反射面反射，从所述出光面透射出来。

13.一种头戴式显示设备，所述头戴式显示设备为增强现实AR设备或混合现实MR设备，其特征在于，包括：左眼显示模组、右眼显示模组、中壳以及镜腿；

所述中壳用于固定所述左眼显示模组、所述右眼显示模组以及所述镜腿，所述左眼显示模组或所述右眼显示模组包括如权利要求1至12任一所述的显示设备模组。

14.根据权利要求13所述的头戴式显示设备，其特征在于，还包括：前壳；

所述前壳与所述中壳连接，所述前壳位于所述头戴式显示设备的外表面，用于保护所述左眼显示模组和所述右眼显示模组。

15.根据权利要求13或14所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述前壳包括第一表面，所述第一表面背向所述左眼显示模组和所述右眼显示模组，所述非同轴光学器件的出光面透射出的光线朝向所述第一表面。

16.根据权利要求15所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一片状光学元件与所述第一表面之间的夹角小于45度。

17.根据权利要求15或16所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一片状光学元件包括第一端和第二端，所述第一端为所述第一片状光学元件上靠近所述非同轴光学器件的一端，所述第二端为所述第一片状光学元件上远离所述非同轴光学器件的一端，所述第一端与所述第一表面的距离小于所述第二端与所述第一表面的距离。

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