CN114690432A - 偏置显示光机及其方法和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其能够有效地减轻或消除显示画面内的鬼像，改善观感。该偏置显示光机包括：照明组件，用于发射照明光束；偏置成像组件，用于偏转地调制图像光束以成像；以及中继显示组件，该中继显示组件被设置于该照明组件和该偏置成像组件之间的光路中，该中继显示组件用于将来自该照明组件的照明光束调制成图像光束以传播至该偏置成像组件，该偏置成像组件用于偏转来自该中继显示组件的图像光束以倾斜地投射该图像光束至该波导显示主体的耦入区，使得该偏置显示光机的视场产生偏置。

Description

偏置显示光机及其方法和近眼显示设备

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，特别是涉及一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备。

背景技术

近年来，随着新型显示技术的不断发展，近眼显示设备（如AR或VR眼镜等）相关市场日趋成熟。目前，在近眼显示领域的各类方案之中，主流的方案不乏有折反结构（Birdbath，BB）、自由曲面棱镜、阵列光波导以及衍射光波导等各种形式，其中基于波导方案的AR模组虽然因具有体积小巧轻薄、体验感好等优点而被广泛地关注应用，但是基于衍射光波导的AR显示模组，通常会在AR显示画面中出现鬼像，影响观感，因此如何有效地减轻及消除显示画面内的鬼像显得尤为重要，并极具意义。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其能够有效地减轻或消除显示画面内的鬼像，改善观感。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述偏置显示光机能够采用光机视场偏置的方式，实现图像和鬼像之间的分离，从而有效地将鬼像从图像显示画面中移出，以达到消除画面中鬼像的效果。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述偏置显示光机能够通过偏置成像组件来偏转图像光束，以实现光机视场的偏置，有效地消除视野内的鬼像。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述偏置显示光机能够仅采用三个成像镜片就能够达到所需的成像性能，以使该偏置成像组件具有良好的热差性能。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述偏置显示光机能够支持-20℃至80℃范围内清晰成像，公差表现良好。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述偏置显示光机能够采用塑料化的光学元件，有助于减小光机整体重量，降低成本，使得结构紧凑小巧。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述偏置显示光机能够采用由抗紫外黄化的PC材质制备的中继棱镜，以便提升光机效率。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中，在本发明的一个实施例中，所述偏置显示光机能够在中继棱镜的斜面上镀有大角度增透膜，以利用该膜系的耐高温和强度高等特点，保证光机工作的耐久性和功能稳定性。

本发明的另一个优势在于提供一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其中为了达到上述目的，在本发明中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本发明成功和有效地提供一种解决方案，不只提供一种简单的偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，同时还增加了所述偏置显示光机及其方法和近眼显示设备的实用性和可靠性。

为了实现本发明的上述至少一个优势或其他优点和目的，本发明提供了一种偏置显示光机，用于投射图像光束至光波导以进行近眼显示，所述偏置显示光机包括：

照明组件，用于发射照明光束；

偏置成像组件，用于偏转地调制图像光束以成像；以及

中继显示组件，所述中继显示组件被设置于所述照明组件和所述偏置成像组件之间的光路中，所述中继显示组件用于将来自所述照明组件的照明光束调制成图像光束以传播至所述偏置成像组件，所述偏置成像组件用于偏转来自该中继显示组件的图像光束以倾斜地投射该图像光束至该波导显示主体的耦入区。

根据本申请的一个实施例，所述偏置显示光机所投射的图像光束的中心光线与该波导显示主体的耦入区法线之间的夹角大于等于所述偏置显示光机的半视场角。

根据本申请的一个实施例，所述偏置成像组件的偏置角大于等于所述偏置显示光机的水平视场角或垂直视场角的一半。

根据本申请的一个实施例，所述中继显示组件包括中继棱镜组和用于将照明光束调制成图像光束的显示芯片，所述中继棱镜组被设置于所述显示芯片与所述照明组件和所述偏置成像组件之间的光路中，用于将来自所述照明组件的照明光束先传播至所述显示芯片以被调制成图像光束后，再将该图像光束传播至所述偏置成像组件以进行偏置地投射成像。

根据本申请的一个实施例，所述中继棱镜组包括邻近所述照明组件的第一棱镜、邻近所述偏置成像组件的第二棱镜以及被对应地设置于所述第一棱镜的一个侧面的反射镜，所述第一棱镜和所述第二棱镜以斜面对斜面的方式被间隔地布置，以在所述第一棱镜和所述第二棱镜之间形成全反射间隙，所述反射镜和所述显示芯片被对应地设置于所述第一棱镜和所述第二棱镜的相对两侧。

根据本申请的一个实施例，所述中继棱镜组进一步包括被镀设于所述第一棱镜和/或所述第二棱镜的斜面的增透膜。

根据本申请的一个实施例，所述偏置成像组件被光轴偏移地设置于所述中继显示组件的出光侧，其中所述偏置成像组件包括依次被同轴布置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，用于使来自所述中继显示组件的图像光束依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜以被调制，进而倾斜地投射至该波导显示主体的耦入区。

根据本申请的一个实施例，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为切边镜片。

根据本申请的一个实施例，所述偏置成像组件进一步包括偏转棱镜，所述偏转棱镜被设置于所述中继显示组件的出光侧，用于偏转地折射图像光束，以使该图像光束倾斜地投射至该波导显示主体的耦入区。

根据本申请的一个实施例，所述偏置成像组件包括依次被设置于所述中继显示组件的出光侧的第一透镜、第二透镜以及异形棱镜，用于使来自该中继显示组件的图像光束先透过所述第一透镜和所述第二透镜以被调制，再透过所述异形棱镜以被调制和偏转方向，进而倾斜地投射至该波导显示主体的耦入区。

根据本申请的一个实施例，该异形棱镜为具有非旋转对称结构的异形自由曲面注塑棱镜。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了一种近眼显示设备，包括：

波导显示主体；和

上述任一所述的偏置显示光机，所述波导显示主体位于所述偏置显示光机的投射侧，所述偏置显示光机用于倾斜地投射图像光书至所述波导显示主体的耦入区以进行近眼显示。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供了一种偏置显示方法，包括步骤：

发射照明光束；

调制该照明光束以形成图像光束；以及

偏转该图像光束以倾斜地投射至波导显示主体而进行近眼显示。

附图说明

图1是根据本申请的一个实施例的近眼显示设备的框图示意图；

图2示出了根据本申请的上述实施例的近眼显示设备的一个应用示例；

图3示出了根据本申请的上述实施例的近眼显示设备的结构示意图；

图4示出了根据本申请的上述实施例的近眼显示设备的原理示意图；

图5示出了根据本申请的上述实施例的近眼显示设备中偏置显示光机的结构示意图；

图6示出了根据本申请的上述实施例的偏置显示光机的第一变形示例；

图7示出了根据本申请的上述实施例的偏置显示光机的第二变形示例；

图8示出了根据本申请的上述实施例的偏置显示光机的第三变形示例；

图9A至图9E分别示出了根据本申请的上述实施例的偏置显示光机中准直元件的示例；

图10是根据本申请的一个实施例的偏置显示方法的流程示意图。

主要元件符号说明：1、近眼显示设备；10、偏置显示光机；101、图像光束；102、鬼像光束；11、照明组件；111、发光元件；112、准直元件；113、匀光元件；114、合色元件；12、偏置成像组件；120、光轴；1200、切边镜片；121、第一透镜；122、第二透镜；123、第三透镜；124、偏转棱镜；125、异形棱镜；1250、异形自由曲面注塑棱镜；13、中继显示组件；131、中继棱镜组；1310、全反射间隙；1311、第一棱镜；1312、第二棱镜；1313、反射镜；1314、增透膜；132、显示芯片；1320、DMD芯片；20、波导显示主体；21、衍射光波导。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本发明的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“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者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

考虑到现有基于光波导类型的AR模组，通常光机出射的有效图像光中的中心光线会垂直传播至波导平面，此时有效图像光中的一部分光线会通过波导耦入区在波导内继续传播，但另一部分光线则经由波导平面反射后会再进入光机，并达到显示芯片后再次反射以从光瞳出射并进入波导耦入口，进而在波导中传播以经由波导耦出口出射进入人眼，而这部分二次反射的光线在进入人眼时就会形成鬼像，严重影响用户的观感。因此，本申请创造性地提出了一种偏置显示光机及其方法和近眼显示设备，其能够有效地减轻或消除显示画面内的鬼像，改善观感。

具体地，参考本申请的说明书附图之图1至图8，根据本申请的一实施例提供了一种近眼显示设备1，其可以包括偏置显示光机10和位于该偏置显示光机10投射侧的波导显示主体20，该偏置显示光机10用于倾斜地投射图像光束101至该波导显示主体20的耦入区以进行近眼显示，使得该偏置显示光机10的视场产生偏置，实现图像光线与鬼像光线之间的分离，有效地减轻或消除显示画面内的鬼像，改善观感。

更具体地，如图1至图4所示，该偏置显示光机10可以包括用于发射照明光束的照明组件11、用于偏转地调制图像光束101以成像的偏置成像组件12以及被设置于该照明组件11和该偏置成像组件12之间光路中的中继显示组件13。该中继显示组件13用于将来自该照明组件11的照明光束调制成图像光束101以传播至该偏置成像组件12；该偏置成像组件12用于偏转来自该中继显示组件13的图像光束101以倾斜地投射该图像光束101至该波导显示主体20的耦入区。

值得注意的是，由于本申请的该偏置成像组件12能够将来自该中继显示组件13的图像光束101偏转以倾斜地投射该图像光束101至该波导显示主体20的耦入区，因此投射至耦入区的图像光线与被耦入区反射回的鬼像光线能够相互分离，减少或避免鬼像光线沿着图像光线的传播路径先被反射回该中继显示组件13中的芯片，再被进一步反射回该波导显示主体20的耦入区而在显示画面中形成鬼像。

此外，如图2和图3所示，本申请的该波导显示主体20可以但不限于包括衍射光波导21，以通过衍射的方式将光线耦入或耦出波导；当然，本申请的该波导显示主体20还可以包括诸如眼镜架或头戴罩等结构（图中未示出），以将该衍射光波导21作为镜片进行近眼显示。可以理解的是，在本申请的其他示例中，该波导显示主体20还可以包括耦入棱镜等辅助结构，以将该偏置显示光机10投射的图像光束101辅助耦入该衍射光波导21，本申请对此不再赘述。

优选地，如图2和图4所示，该偏置显示光机10所投射的图像光束101的中心光线与该波导显示主体20的耦入区法线之间的夹角θ大于等于该偏置显示光机10的半视场角½FOV，即θ≥½FOV。这样，经由该波导显示主体20的耦入区反射回的鬼像光束102将与投射至该波导显示主体20的耦入区的图像光束101完全分离，使得鬼像被移出到显示画面之外，以消除画面中的鬼像。

根据本申请的上述实施例，如图3所示，该中继显示组件13可以包括中继棱镜组131和用于将照明光束调制成图像光束101的显示芯片132，该中继棱镜组131被设置于该显示芯片132与该照明组件11和该偏置成像组件12之间的光路中，用于将来自该照明组件11的照明光束先传播至该显示芯片132以被调制成图像光束101，再将该图像光束101传播至该偏置成像组件12以进行偏置地投射成像。

可选地，如图3所示，该中继显示组件13中的该显示芯片132优选地被实施为DMD芯片1320，以使该偏置显示光机10被实施为DLP光机。此外，该中继棱镜组131通常可以被实施为RTIR棱镜组或TIR棱镜组，以满足DLP光机中照明光和图像光的中继传输需求。但在本申请的上述实施例中，该中继显示组件13的该中继棱镜组131还可以被实施为双全反射棱镜组，既能够将照明光束全反射地传输至该DMD芯片1320，又能够将图像光束101全反射地传输至该偏置成像组件12，以在较小的空间内延长照明光路和成像光路，有助于减小光机系统的整体尺寸。可以理解的是，在本申请的其他示例中，本申请的该显示芯片132也可以被实施为诸如LCoS芯片或LCD芯片等其他类型的显示芯片，只需要配置对应的中继组件和所需的照明组件即可，本申请对此不再赘述。

示例性地，如图3和图5所示，该中继棱镜组131可以包括邻近该照明组件11的第一棱镜1311、邻近该偏置成像组件12的第二棱镜1312以及被对应地设置于该第一棱镜1311的一个侧面的反射镜1313；该第一棱镜1311和该第二棱镜1312以斜面对斜面的方式被间隔地布置，以在该第一棱镜1311和该第二棱镜1312之间形成全反射间隙1310，使得该第一棱镜1311的斜面和该第二棱镜1312的斜面均被实施为该中继棱镜组131的全反射面；该反射镜1313和该显示芯片132被对应地设置于该第一棱镜1311和该第二棱镜1312的相对两侧。这样，经由该照明组件11发出的照明光束在射入该第一棱镜1311后，先被该第一棱镜1311的斜面全反射以弯折地传播至该反射镜1313，再被该反射镜1313反射以传播至该显示芯片132而被调制成图像光束101；之后，经由该显示芯片132调制成的图像光束101被该第二棱镜1312的斜面全反射以弯折地传播至该偏置成像组件12而被投射成像。

值得注意的是，本申请的该反射镜1313优选地被实施为曲面反射镜，用于在将从该第一棱镜1311出射的照光光束反射回该第一棱镜1311的同时，还能够对该照明光束进行整形，以调整照明光斑的形状，使得该照明光斑能够匹配该显示芯片132的调制面。可以理解的是，本申请的该反射镜1313可以与该第一棱镜1311是分体的，以作为一个独立的光学器件被胶合于该第一棱镜1311的侧面；也可以与该第一棱镜1311是一体的，以在该第一棱镜1311的一个侧面镀设高反膜而成，本申请对此不再赘述。

可选地，本申请的该第一棱镜1311和/或该第二棱镜1312可以但不限于被实施为塑料棱镜，有助于减小光机的整体重量，降低成本，使得光机结构紧凑小巧。当然，在本申请的其他示例中，该第一棱镜1311和/或该第二棱镜1312也可以被实施为玻璃棱镜。

优选地，本申请的该第一棱镜1311和/或该第二棱镜1312由抗紫外黄化的PC材质制备而成。

更优选地，如图3和图5所示，该中继棱镜组131可以进一步包括被镀设于该第一棱镜1311和/或该第二棱镜1312的斜面的增透膜1314，以便提升光机效率。可以理解的是，本申请的该增透膜1314具有大角度、耐高温、强度高等特点，能够保证光机工作的耐久性和功能稳定性。

值得注意的是，常规的近眼显示光机通常相对于波导显示主体被正放，使得常规的近眼显示光机所投射的图像光束101的中心光线通常是垂直地投射至波导显示主体的耦入区，即中心光线与耦入区法线之间的夹角为零，使得图像显示画面中存在鬼像，影响观感。此时，虽然相对于该波导显示主体倾斜近眼显示光机（即相对于该波导显示主体倾斜放置该近眼显示光机）也能够使图像光束101的中心光线倾斜地投射至波导显示主体的耦入区，但若要保证中心光线与耦入区法线之间的夹角大于等于光机的半视场角，则该近眼显示光机与该波导显示主体将占据较大的空间，无法满足近眼显示设备的小型化要求。

然而，本申请的该近眼显示设备1即便正放该偏置显示光机10，但仅利用该偏置成像组件12的偏转作用也能够达到所需的视场偏置效果。当然，在本申请的其他示例中，该近眼显示设备1也可以倾斜放置该偏置显示光机10，并结合该偏置成像组件12的偏转作用来达到所需的视场偏置效果，此时不仅该偏置显示光机10无需倾斜太大角度，避免增大设备体积，而且也降低了该偏置成像组件12的光学设计难度，有助于降低成本。

示例性地，在本申请的一个示例中，如图3所示，当该偏置显示光机10被正放，即该偏置显示光机10的倾斜角β=0时，该偏置成像组件12的偏置角ɑ优选地大于等于该偏置显示光机10的半视场角½FOV，即ɑ≥½FOV，以保证该偏置显示光机10所投射的图像光束101的中心光线与该波导显示主体20的耦入区法线之间的夹角θ大于等于该偏置显示光机10的半视场角½FOV，即θ≥½FOV。

然而，在本申请的另一示例中，当该偏置显示光机10被倾斜放置，即该偏置显示光机10的倾斜角β≠0时，该偏置成像组件12的偏置角ɑ即便小于该偏置显示光机10的半视场角½FOV，即ɑ＜½FOV，但只要该偏置显示光机10的倾斜角β与该偏置成像组件12的偏置角ɑ之和大于等于该偏置显示光机10的半视场角½FOV，即ɑ+β≥½FOV，也能够保证该偏置显示光机10所投射的图像光束101的中心光线与该波导显示主体20的耦入区法线之间的夹角θ大于等于该偏置显示光机10的半视场角½FOV，即θ≥½FOV。这样，一方面，该偏置显示光机10无需倾斜太大角度，避免增大设备体积；另一方面，该偏置成像组件12的光学设计难度也得以降低，有助于降低成本。可以理解的是，在本申请的这一示例中，该偏置显示光机10的倾斜方向与该偏置成像组件12的偏置方向保持相同，以最大限度地利用倾斜角和偏置角，使得该偏置显示光机10的倾斜和该偏置成像组件12的偏置均较小；当然，在本申请的其他示例中，该偏置显示光机10的倾斜方向与该偏置成像组件12的偏置方向也可以不同，以便灵活地布置该近眼显示设备1的结构。

值得注意的是，为了便于描述，以下均以该偏置显示光机10被正放为例进行论述，以阐述本申请的该偏置显示光机10的优势和特征。由于该偏置显示光机10的视场角FOV通常包括水平视场角HFOV、垂直视场角VFOV以及对角线视场角DFOV，因此当该偏置成像组件12在水平方向上偏转该图像光束101时，该偏置成像组件12的偏置角θ需要大于等于该偏置显示光机10的水平视场角的一半，即θ≥½HFOV，才能够完全移除鬼像；而当该偏置成像组件12在垂直方向上偏转该图像光束101时，该偏置成像组件12的偏置角θ需要大于等于该偏置显示光机10的垂直视场角的一半，即θ≥½VFOV，才能够完全移除鬼像；类似地，当该偏置成像组件12在对角线方向上偏转该图像光束101时，该偏置成像组件12的偏置角θ需要大于等于该偏置显示光机10的对角线视场角的一半，即θ≥½DFOV，才能够完全移除鬼像。

示例性地，如图5所示，该偏置成像组件12被光轴偏移地设置于该中继显示组件13的出光侧，以使该偏置成像组件12的光轴120偏离经由该中继显示组件13出射的图像光束101的中心光线，使得经由该中继显示组件13出射的图像光束101的中心光线在穿过该偏置成像组件12后倾斜地投射至该波导显示主体20的耦入区。换言之，本申请的该偏置成像组件12被光轴偏移地设置于该中继显示组件13的出光侧，相当于将该显示芯片132进行偏移，使得经由该显示芯片132调制的图像光束101的中心光线在从该中继棱镜组131出射后不会入射到该偏置成像组件12的光轴处，而是会偏向该偏置成像组件12的光轴120传播，进而倾斜地投射至该波导显示主体20的耦入区。

可选地，该偏置成像组件12可以包括依次被同轴布置的第一透镜121、第二透镜122以及第三透镜123，使得来自该中继显示组件13的图像光束101依次穿过该第一透镜121、该第二透镜122以及该第三透镜123而被调制，进而倾斜地投射至该波导显示主体20的耦入区。

可选地，该第一透镜121、该第二透镜122以及该第三透镜123中存在一个玻璃透镜（1G）和两个塑胶透镜（2P）。优选地，该玻璃透镜被实施为玻璃非球面镜片（GMO）。

值得注意的是，由于该显示芯片132进行偏移时会增大视场，因此该偏置成像组件12中的透镜口径通常会增大。而该偏置成像组件12中透镜的偏置侧会存在一部分不会被利用到，因此附图6示出了根据本申请的上述实施例的该偏置显示光机10的第一变形示例，其中该偏置成像组件12中的该第一透镜121、该第二透镜122以及该第三透镜123均可以进行切边处理，以形成切边镜片1200，有助于减少透镜口径，减轻重量。

此外，当该显示芯片132不进行偏移，即该偏置成像组件12中的透镜光轴对准该显示芯片132的中心时，该偏置成像组件12也可以采用增设偏转棱镜或替换非对称棱镜来实现视场偏置的效果。例如，附图7示出了根据本申请的该偏置显示光机10的第二变形示例；相比于根据本申请的上述实施例，根据本申请的第二变形示例的该偏置显示光机10的不同之处在于：该偏置成像组件12可以进一步包括偏转棱镜124，该偏转棱镜124被设置于该中继显示组件13的出光侧，用于偏转地折射该图像光束101，以使该图像光束101倾斜地投射至该波导显示主体20的耦入区。

换言之，在本申请的第二变形示例中，该偏置成像组件12中的该第一透镜121、该第二透镜122以及该第三透镜123均被实施为旋转对称透镜，且这些透镜的光轴不进行偏移，使得该偏置显示光机10调制成的图像光束101中的中心光线能够沿着这些透镜的光轴传播；与此同时，经由该偏置显示光机10调制呈的图像光束101在透过该偏转棱镜124时会被偏转，以倾斜地传播至该波导显示主体20的耦入区。

优选地，该第一透镜121、该第二透镜122以及该第三透镜123位于该中继显示组件13和该偏转棱镜124之间的光路中，使得来自该中继显示组件13的图像光束101先透过该第一透镜121、该第二透镜122以及该第三透镜123以被调制成像之后，再透过该偏转棱镜124以偏转地传播至该波导显示主体20的耦入区，有助于降低该第一透镜121、该第二透镜122以及该第三透镜123的设计和组装调试难度。

此外，附图8示出了根据本申请的该偏置显示光机10的第三变形示例；相比于根据本申请的上述第二变形示例，根据本申请的第三变形示例的该偏置显示光机10的不同之处在于：该偏置成像组件12可以采用异形棱镜125来替代上述第二变形示例中的该第三透镜123和该偏转棱镜124，用于在偏转图像光束101的同时，对该图像光束101进行调制，以便在确保成像和偏置效果的同时减少镜片数量，减小光机体积和重量。

换言之，该偏置成像组件12可以包括该第一透镜121、该第二透镜122以及该异形棱镜125，来自该中继显示组件13的图像光束101先透过该第一透镜121和该第二透镜122以被调制，再透过该异形棱镜125以被调制和偏转方向，进而倾斜地传播至该波导显示主体20的耦入区。

可选地，该异形棱镜125被实施为具有非旋转对称结构的异形自由曲面注塑棱镜1250，以在实现视场偏置的同时，改善光机对像差的校正能力。例如，该异形棱镜125中面向该第二透镜122的表面的面型为自由曲面，以在完成调制成像后再进行光线偏转，有助于达到较好的成像性能。

值得注意的是，本申请的该偏置显示光机10中该DMD芯片1320可以被实施为尺寸为0.16寸、视场角为28度以及入瞳直径EPD为3.5mm的芯片，且该偏置成像组件12采用三片式成像架构。这样，该偏置显示光机10无论从成本方面，还是从性能方面都具有良好的表现。

此外，根据本申请的上述实施例，如图5所示，该偏置显示光机10中的该照明组件11可以但不限于包括发光元件111、准直元件112以及匀光元件113，该准直元件112被设置于该发光元件111和该匀光元件113之间的光路中，用于准直经由该发光元件111发射的照明光以传播至该匀光元件113；该匀光元件113用于对被准直后的照明光进行匀光处理，以形成传播至该中继显示组件13的照明光束。

可选地，本申请的该发光元件111可以但不限于被实施为LED光源。

可选地，该准直元件112可以但不限于被实施为如图9A至图9E所示的准直镜1120。此外，本申请的该准直元件112还可以被实施为TIR准直镜，并采用抗紫外黄化材料，使得结构紧凑，成本可控。

可选地，该匀光元件113可以但不限于被实施为复眼元件或由纳米压印而成的微透镜阵列；当然，该匀光元件113也可以被实施为其他具有角度调制的二元匀光器件，本申请对此不再赘述。

可选地，如图5所示，本申请的该照明组件11还可以进一步包括合色元件114，该合色元件114被设置于该准直元件112和该匀光元件113之间的光路中，用于先将被准直后的照明光进行合色，再传播至该匀光元件113以进行匀光，以便实现彩色近眼显示。

值得一提的是，如图10所示，根据本申请的一个实施例进一步提供了一种偏置显示方法，可以包括步骤：

S100：发射照明光束；

S200：调制该照明光束以形成图像光束；以及

S300：偏转该图像光束以倾斜地投射至波导显示主体而进行近眼显示。

值得注意的是，在本申请的该步骤S300中，所投射的图像光束的中心光线与该波导显示主体的耦入区法线之间的夹角大于等于偏置显示光机的半视场角。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.偏置显示光机，用于投射图像光束至光波导以进行近眼显示，其特征在于，所述偏置显示光机包括：

照明组件，用于发射照明光束；

偏置成像组件，用于偏转地调制图像光束以成像；以及

中继显示组件，所述中继显示组件被设置于所述照明组件和所述偏置成像组件之间的光路中，所述中继显示组件用于将来自所述照明组件的照明光束调制成图像光束以传播至所述偏置成像组件，所述偏置成像组件用于偏转来自所述中继显示组件的图像光束以倾斜地投射该图像光束至该波导显示主体的耦入区。

2.根据权利要求1所述的偏置显示光机，其特征在于，所述偏置显示光机所投射的图像光束的中心光线与该波导显示主体的耦入区法线之间的夹角大于等于所述偏置显示光机的半视场角。

3.根据权利要求2所述的偏置显示光机，其特征在于，所述偏置成像组件的偏置角大于等于所述偏置显示光机的水平视场角或垂直视场角的一半。

4.根据权利要求1所述的偏置显示光机，其特征在于，所述中继显示组件包括中继棱镜组和用于将照明光束调制成图像光束的显示芯片，所述中继棱镜组被设置于所述显示芯片与所述照明组件和所述偏置成像组件之间的光路中，用于将来自所述照明组件的照明光束先传播至所述显示芯片以被调制成图像光束后，再将该图像光束传播至所述偏置成像组件以进行偏置地投射成像。

5.根据权利要求4所述的偏置显示光机，其特征在于，所述中继棱镜组包括邻近所述照明组件的第一棱镜、邻近所述偏置成像组件的第二棱镜以及被对应地设置于所述第一棱镜的一个侧面的反射镜，所述第一棱镜和所述第二棱镜以斜面对斜面的方式被间隔地布置，以在所述第一棱镜和所述第二棱镜之间形成全反射间隙，所述反射镜和所述显示芯片被对应地设置于所述第一棱镜和所述第二棱镜的相对两侧。

6.根据权利要求5所述的偏置显示光机，其特征在于，所述中继棱镜组进一步包括被镀设于所述第一棱镜和/或所述第二棱镜的斜面的增透膜。

7.根据权利要求1至6中任一所述的偏置显示光机，其特征在于，所述偏置成像组件被光轴偏移地设置于所述中继显示组件的出光侧，其中所述偏置成像组件包括依次被同轴布置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，用于使来自所述中继显示组件的图像光束依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜以被调制，进而倾斜地投射至该波导显示主体的耦入区。

8.根据权利要求7所述的偏置显示光机，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为切边镜片。

9.根据权利要求7所述的偏置显示光机，其特征在于，所述偏置成像组件进一步包括偏转棱镜，所述偏转棱镜被设置于所述中继显示组件的出光侧，用于偏转地折射图像光束，以使该图像光束倾斜地投射至该波导显示主体的耦入区。

10.根据权利要求1至6中任一所述的偏置显示光机，其特征在于，所述偏置成像组件包括依次被设置于所述中继显示组件的出光侧的第一透镜、第二透镜以及异形棱镜，用于使来自所述中继显示组件的图像光束先透过所述第一透镜和所述第二透镜以被调制，再透过所述异形棱镜以被调制和偏转方向，进而倾斜地投射至该波导显示主体的耦入区。

11.根据权利要求10所述的偏置显示光机，其特征在于，所述异形棱镜为具有非旋转对称结构的异形自由曲面注塑棱镜。

12.近眼显示设备，其特征在于，包括：

波导显示主体；和

如权利要求1至11中任一所述的偏置显示光机，所述波导显示主体位于所述偏置显示光机的投射侧，所述偏置显示光机用于倾斜地投射图像光书至所述波导显示主体的耦入区以进行近眼显示。

13.偏置显示方法，其特征在于，包括步骤：

发射照明光束；

调制该照明光束以形成图像光束；以及

偏转该图像光束以倾斜地投射至波导显示主体而进行近眼显示。

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