CN114326123B - 一种近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种近眼显示装置。该近眼显示装置包括：显示单元；光波导，光波导包括耦入结构和耦出结构，耦入结构用于将显示单元输出的光束耦合入光波导内，耦出结构用于将光波导内的光束输出；放大单元，放大单元包括第一透镜和第二透镜，第一透镜位于光波导的第一侧，第二透镜位于光波导的第二侧，第一透镜的某一焦平面与第二透镜的某一焦平面共面设置；耦出结构输出的光束入射至第一透镜发生反射，反射的光束依次经过光波导和第二透镜透射后入射至人眼。本发明实施例的技术方案，在采用低折射率材料前提下，可以实现较大的视场角，且可以实现较大的出瞳距离到眼点的距离。

Description

一种近眼显示装置

技术领域

本发明实施例涉及光学技术，尤其涉及一种近眼显示装置。

背景技术

随着显示技术的发展，用于增强现实(Augmented Reality，AR)或虚拟现实(Virtual Reality，VR)的近眼显示技术应用越来越广泛。例如，AR显示装置可以让人们在查看周围环境的同时，观看正在放映的虚拟图像，虚拟图像叠加在用户感知的真实世界上，能够营造更逼真的体验，用户沉浸感更强。

现有的近眼显示装置中，多数应用Birdbath、棱镜、自由曲面、光波导等技术。在前三种方案中都存在着增大视场角和减小体积的矛盾；为了解决这个问题，研究人员提出光波导方案，但是在阵列光波导方案中，AR显示装置的视场角普遍较小，现已知的设备视场角最大的约为42°，这是因为制作阵列光波导的材料以及阵列光波导本身引入的鬼像两个方面共同限制决定的。

若要增大视场角，比较可行的方案是采用更高折射率的材料，但是这种方法会使得加工工艺难度提升，也伴随着成本的提高。如何在不显著增加成本的同时增大近眼显示装置的视场角，是近眼显示装置进一步发展应用需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种近眼显示装置，该装置在采用低折射率材料前提下，可以实现较大的视场角，且可以实现较大的出瞳距离到眼点的距离。

本发明实施例提供一种近眼显示装置，包括：

显示单元；

光波导，所述光波导包括耦入结构和耦出结构，所述耦入结构用于将所述显示单元输出的光束耦合入所述光波导内，所述耦出结构用于将所述光波导内的光束输出；

放大单元，所述放大单元包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜位于所述光波导的第一侧，所述第二透镜位于所述光波导的第二侧，所述第一透镜的某一焦平面与所述第二透镜的某一焦平面共面设置；

所述耦出结构输出的光束入射至所述第一透镜发生反射，反射的光束依次经过所述光波导和所述第二透镜透射后入射至人眼。

可选的，所述第一透镜和所述第二透镜均包括凸透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的距离为f₁+f₂，其中f₁表示所述第一透镜的焦距，f₂表示所述第二透镜的焦距。

可选的，所述第一透镜包括凸透镜，所述第二透镜包括凹透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的距离为f₁-f₂，其中f₁表示所述第一透镜的焦距，f₂表示所述第二透镜的焦距的绝对值。

可选的，所述光波导包括平行设置的第一平面和第二平面，光束在所述光波导内传输时在所述第一平面和所述第二平面发生全反射。

可选的，所述耦入结构包括位于所述第一平面和所述第二平面之间的棱镜或反射镜。

可选的，所述耦出结构包括至少两个平行设置的分束镜，所述分束镜平行设置于所述第一平面和所述第二平面之间，且与所述第一平面具有预设夹角；

入射至所述分束镜的部分光线发生反射后输出，另一部分光线发生透射，在所述光波导内继续传输。

可选的，还包括：

成像单元，所述成像单元设置于所述显示单元和所述耦入结构之间，所述成像单元用于将所述显示单元出射的光束转换为平行光后入射至所述耦入结构。

可选的，所述成像单元包括至少一个具有汇聚作用的透镜。

可选的，所述显示单元包括微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器。

可选的，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

本发明实施例提供的近眼显示装置，包括显示单元、光波导和放大单元，光波导包括耦入结构和耦出结构，放大单元包括第一透镜和第二透镜，第一透镜位于光波导的第一侧，第二透镜位于光波导的第二侧，第一透镜的某一焦平面与第二透镜的某一焦平面共面设置。通过显示单元出射成像光束，成像光束经过耦入结构耦合入光波导内，通过耦出结构将光波导内的光束输出；通过放大单元设置第一透镜和第二透镜，耦出结构输出的光束入射至第一透镜发生反射，反射的光束依次经过光波导和第二透镜透射后将视场角放大的光线传输至人眼。该装置的光波导无需使用高折射率材料，可以在采用低折射率材料前提下，实现较大的视场角，且可以实现较大的出瞳距离到眼点的距离。

附图说明

图1为一种光波导内光线传输的光路示意图；

图2为另一种光波导内光线传输的光路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种放大单元的光路原理示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种放大单元的光路原理示意图；

图7为本发明实施例提供的一种光波导的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的又一种近眼显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为一种光波导内光线传输的光路示意图，参考图1，光波导包括分束镜1和分束镜2，光线经过分束镜1时部分光线反射，耦出到光波导外，部分光线透射，继续在光波导内传播。θ表示光波导内分束镜1和分束镜2的倾角，实线表示在光波导入射角度为α_in的平行光，虚线表示在光波导入射角度为α_in-0的平行光，入射角为α_in-0的平行光在被分束镜2耦出时，出射方向与光波导表面垂直。假设光波导材料折射率为n，则波导片全反射临界角α_c为：

所以，理论上光波导可传输的最大视场角(波导内部)FOV_max为：

FOV_max＝90°-θ (2)

图2为另一种光波导内光线传输的光路示意图，由于在光波导会有图2所示的情况，光波导实际可传输的最大视场角远小于上述公式(2)计算所得。参考图2，实线表示入射角α₁的平行光的一条传输路径，虚线表示其另一条传输路径，点线表示入射角度α_e的平行光的传输路径。从图2中可以看出，入射角α₁的平行光由于传输中有两个方向的出射光，由于不同入射角度的平行光进入人眼会在视网膜上不同位置成像，所以人眼会在不同位置观察到入射角α₁的平行光所传递的像，其中一个像为“主像”，是显示系统所希望显示的像，另一个可以称为“鬼像”。对于入射角α₁的平行光而言，出射方向a的光为主像来源，出射方向b的光为鬼像来源。不仅如此，从图2还可以看出，入射角α₁的平行光其鬼像出射方向与入射角α_e的平行光的主像出射方向是一致的，因此称α_e是入射角α₁鬼像的等效入射角。

在市面上的所有采用阵列光波导方案的近眼(例如AR)显示装置中，几乎都存在鬼像，当设计的系统中鬼像与主像之间的距离很近时，会十分影响AR显示装置显示效果，因此需要对鬼像和主像的距离进行计算。

假设所有视场角的光在波导片内入射角α_in∈[α_min,α_max]，中心入射角α_mid的光线出射方向垂直于波导片表面，其中：

α_min＝α_c (3)

FOV＝α_max-α_min (5)

FOV为光波导内传输的视场角范围，根据图2中的几何关系可得：

α_mid＝2θ (6)

对于入射角为α_in的平行光而言，其鬼像等效入射角α_e为：

α_e＝180°-α_in-2θ (7)

将公式(3)–(6)代入(7)，当主像和鬼像刚好接触时，可得：

若光波导采用材料为H-BAK5(n＝1.56)，采用长宽比为16:9的微型显示屏，根据公式(1)和(8)可得光波导内传输的视场角范围FOV＝24°，根据光线的折射关系，可以计算出AR显示装置的视场角约为43°。考虑到制造以及装配时的公差，在设计时，入射角α_min应大于临界角α_c，否则可能会导致所需传输视场角不满足全反射条件而不能传输；而且为了使得鬼像与主像之间有一定的距离，α_max也需要适当减小。因此，在选择阵列光波导方案时，AR显示装置的视场角普遍不超过42°。

图3为本发明实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。参考图3，本发明实施例提供的近眼显示装置包括：显示单元10；光波导20，光波导20包括耦入结构21和耦出结构22，耦入结构21用于将显示单元10输出的光束耦合入光波导20内，耦出结构22用于将光波导20内的光束输出；放大单元30，放大单元30包括第一透镜31和第二透镜32，第一透镜31位于光波导20的第一侧，第二透镜32位于光波导20的第二侧，第一透镜21的某一焦平面第二透镜32的某一焦平面共面设置(图中未示出焦平面)；耦出结构22输出的光束入射至第一透镜31发生反射，反射的光束依次经过光波导20和第二透镜32透射后入射至人眼40。

其中，本发明实施例中的近眼显示装置可以为虚拟现实VR显示装置或增强现实AR显示装置。具体的，当第一透镜31不能透过外界光线或者设置有遮光器件时，人眼40不能观察到外界环境光线，该近眼显示装置即为VR显示装置，当第一透镜31对外界光线具有一定的透过性时，人眼40能同时观察到外界环境光线和显示单元10出射的光线，该近眼显示装置即为AR显示装置，具体实施时可以根据实际情况设计，本发明实施例对此不作限定。

显示单元10用于出射成像光束，本实施例提供的近眼显示装置可以匹配多种显示单元10使用。可选的，显示单元10包括微有机发光二极管(Micro OLED)显示器、微发光二极管(Micro LED)显示器或液晶(LC)显示器。进一步的，微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器可以均为硅基显示器。硅基显示器以单晶硅片为基底，像素尺寸约为传统显示器的1/10，具有功耗低、体积小、分辨率高等优点，非常适用于近距离观察的近眼显示装置。

光波导20包括耦入结构21和耦出结构22，其中光束在光波导20内传输时发生多次全反射，本发明实施例不对耦入结构21和耦出结构22的具体结构进行限定，例如可以均设置为光栅结构，耦入结构21也可以设置为棱镜、反射镜等，耦出结构22也可以设置多个半透半反镜，具体实施时可以根据实际情况设置。

放大单元30包括共焦设置的第一透镜31和第二透镜32，本实施例中，耦出结构22输出的光线不是直接入射到人眼40，而是经过放大单元30后入射至人眼40，放大单元20可以在光束传输过程中进行中间成像，有效放大视场角，最大视场角可达60°。

本实施例的技术方案，通过显示单元出射成像光束，成像光束经过耦入结构耦合入光波导内，通过耦出结构将光波导内的光束输出；通过放大单元设置第一透镜和第二透镜，耦出结构输出的光束入射至第一透镜发生反射，反射的光束依次经过光波导和第二透镜透射后将视场角放大的光线传输至人眼。该装置的光波导无需使用高折射率材料，可以在采用低折射率材料前提下，实现较大的视场角，且可以实现较大的出瞳距离到眼点的距离。

在上述技术方案的基础上，可选的，第一透镜和第二透镜均包括凸透镜，第一透镜和第二透镜的距离为f₁+f₂，其中f₁表示第一透镜的焦距，f₂表示第二透镜的焦距。

示例性的，图4为本发明实施例提供的一种放大单元的光路原理示意图。参考图4，放大单元包括两个焦点重合的第一透镜31和第二透镜32，二者均为凸透镜，两个凸透镜形成开普勒望远镜结构。外界的平行光通过第一透镜31后成像到第一透镜31的焦平面上，这里称之为中间像，由于两个透镜的焦点重合，因此中间像经过第二透镜32后又变成了一系列不同角度的平行光出射。根据图中的几何关系，可以得出，出射平行光的视场角β和入射平行光的视场角α的关系为：

f₁tanα＝f₂tanβ (9)

化简可得：

因此，通过增大焦距f₁和f₂的比值，或者增大入射平行光的视场角α就可以增大出射光的视场角。在实际实施过程中，一般光波导内的视场角小于或等于25°，光波导出射的视场角不容易调整，可以通过增大f₁和f₂的比值，增大视场角。可以理解的是，图4中示意性示出光线从左向右传输，本实施例中光波导设置在两个透镜之间，光波导输出的光束经过第一透镜31反射后再传输到第二透镜32，即相当于图4中第一透镜31左侧的入射光线镜像至第一透镜31右侧。

图5为本发明实施例提供的另一种近眼显示装置的结构示意图。参考图5，可选的，第一透镜31包括凸透镜，第二透镜32包括凹透镜，第一透镜31和第二透镜32的距离为f₁-f₂，其中f₁表示第一透镜31的焦距，f₂表示第二透镜32的焦距的绝对值。

示例性的，图6为本发明实施例提供的另一种放大单元的光路原理示意图。参考图6，放大单元包括两个焦点重合的第一透镜31和第二透镜32，其中第一透镜31为凸透镜，第二透镜32为凹透镜，两个透镜形成伽利略望远镜结构。外界的平行光通过第一透镜31后的虚像在第一透镜31的焦平面上，这里称之为中间虚像，由于两个透镜的焦点重合，光线经过第二透镜32后又变成了一系列不同角度的平行光出射。可以理解的是，当近眼显示装置为AR显示装置时，第一透镜31的反射面需要设置一定的分光比，以透射外界环境光线。

图7为本发明实施例提供的一种光波导的结构示意图。参考图7，可选的，光波导20包括平行设置的第一平面201和第二平面202，光束在光波导20内传输时在第一平面201和第二平面202发生全反射。其中光波导20可以利用玻璃、树脂等透明材料形成。可选的，耦入结构21包括位于第一平面201和第二平面202之间的棱镜或反射镜。图7中示意性示出耦入结构21包括反射镜211，并不是对本发明实施例的限定。

可选的，耦出结构22包括至少两个平行设置的分束镜221，分束镜221平行设置于第一平面201和第二平面202之间，且与第一平面201具有预设夹角；入射至分束镜221的部分光线发生反射后输出(图中点线所示)，另一部分光线发生透射，在光波导内继续传输(图中虚线所示)。

其中，图7中示出的三个分束镜221仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定，具体实施时可以根据实际情况设计分束镜221的数量进行限定，也不对耦出结构的形成工艺作限定，例如可以先制作多个平行四边形结构，在平行四边形的两个侧面镀半透半返膜形成分束镜，再贴合在一起形成耦出结构。

图8为本发明实施例提供的又一种近眼显示装置的结构示意图。参考图8，可选的，本实施例提供的近眼显示装置还包括：成像单元50，成像单元50设置于显示单元10和耦入结构21之间，成像单元50用于将显示单元10出射的光束转换为平行光后入射至耦入结构21。

其中，成像单元50用于将显示单元10出射的光束转换成一系列不同角度的平行光，接着被耦入结构21耦入光波导20内进行全反射传输，然后经过耦出结构22耦出光波导，最后耦出的平行光通过放大单元30后变成平行光进入人眼40。

可选的，继续参考图8，成像单元50包括至少一个具有汇聚作用的透镜51，图8示意性示出成像单元50包括一个透镜51，并不是对本发明实施例的限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：

显示单元；

光波导，所述光波导包括耦入结构和耦出结构，所述耦入结构用于将所述显示单元输出的光束耦合入所述光波导内，所述耦出结构用于将所述光波导内的光束输出；

放大单元，所述放大单元包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜位于所述光波导的第一侧，所述第二透镜位于所述光波导的第二侧，所述第一透镜的某一焦平面与所述第二透镜的某一焦平面共面设置；

所述耦出结构输出的光束入射至所述第一透镜发生反射，反射的光束依次经过所述光波导和所述第二透镜透射后入射至人眼。

2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜均包括凸透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的距离为f₁+f₂，其中f₁表示所述第一透镜的焦距，f₂表示所述第二透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一透镜包括凸透镜，所述第二透镜包括凹透镜，所述第一透镜和所述第二透镜的距离为f₁-f₂，其中f₁表示所述第一透镜的焦距，f₂表示所述第二透镜的焦距的绝对值。

4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光波导包括平行设置的第一平面和第二平面，光束在所述光波导内传输时在所述第一平面和所述第二平面发生全反射。

5.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述耦入结构包括位于所述第一平面和所述第二平面之间的棱镜或反射镜。

6.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述耦出结构包括至少两个平行设置的分束镜，所述分束镜平行设置于所述第一平面和所述第二平面之间，且与所述第一平面具有预设夹角；

入射至所述分束镜的部分光线发生反射后输出，另一部分光线发生透射，在所述光波导内继续传输。

7.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括：

成像单元，所述成像单元设置于所述显示单元和所述耦入结构之间，所述成像单元用于将所述显示单元出射的光束转换为平行光后入射至所述耦入结构。

8.根据权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述成像单元包括至少一个具有汇聚作用的透镜。

9.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示单元包括微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器。

10.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

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