CN115202059A - 高亮度的双目波导显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种高亮度的双目波导显示装置和增强现实显示设备，双目波导显示装置包括：显示源，设置于准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；准直系统，位于显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后通过耦入衍射光学元件耦入至波导板；耦入衍射光学元件，设置于准直系统的出射光路上，由第一偏振体全息光栅和第二偏振体全息光栅堆叠复合构成；波导板，用于将耦入的光线采用全反射的方式传输至耦出光学元件；耦出光学元件，设置于波导板的耦出区域，包括左眼耦出光学元件和右眼耦出光学元件，用于分别将光线耦出至人的左眼和右眼，左眼耦出光学元件包括第一非偏振分光膜阵列，右眼耦出光学元件包括第二非偏振分光膜阵列。

Description

高亮度的双目波导显示装置和增强现实显示设备

技术领域

本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种高亮度的双目波导显示装置和增强现实显示设备。

背景技术

增强现实技术凭借其独特的可将投影的图像叠加到用户感知的真实环境的特点，使其在军事、工业设计与制造、医疗及娱乐等虚拟现实和增强现实领域得到了广泛的应用。而且近眼显示系统在过去的十几年中尤以基于具有耦合光学元件的平面波导取得了很大的发展。

作为耦合波导近眼显示系统的基本组件之一，耦合光学元件起到了关键性的作用。耦合光学元件由其工作原理不同可分为阵列排布的分光膜或是衍射光学元件。其中阵列排布的分光膜一般为多个等间距平行放置且只针对S偏振光波(偏振矢量垂直于该平面)或是P偏振光波(偏振矢量在这个平面内)有一定分光比的半透半反膜层，从而使波导镜片光效很低，从而使最后的入眼亮度大幅度下降，无法满足对某些特定工作场合作业时的入眼亮度需求。而另一方面现阶段的衍射光学元件多采用具有高衍射效率，而且在工艺难度、成本方面具有一定优势的体全息光栅。但是由于体全息光栅具有窄带宽和严格的角度选择性，限制了视场角的大小，从而导致了体全息光栅波导耦合系统的FOV难以扩大，也成为限制体全息光栅被广泛应用的核心痛点。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种高亮度的双目波导显示装置和增强现实显示设备，从而解决长期以来体全息光栅响应带宽过窄导致的波导成像系统FOV与色彩表现较差的问题，保证最终入眼光线亮度的均匀性。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种高亮度的双目波导显示装置，包括：显示源、准直系统、耦入衍射光学元件、波导板和耦出光学元件；

所述显示源，设置于所述准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；

所述准直系统，位于所述显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后通过耦入衍射光学元件耦入至所述波导板；

所述耦入衍射光学元件，设置于所述准直系统的出射光路上，由第一偏振体全息光栅和第二偏振体全息光栅堆叠复合构成；

所述波导板，用于将耦入的光线采用全反射的方式传输至所述耦出光学元件；

所述耦出光学元件，设置于所述波导板的耦出区域，包括左眼耦出光学元件和右眼耦出光学元件，用于分别将光线耦出至人的左眼和右眼，其中，所述左眼耦出光学元件包括第一非偏振分光膜阵列，所述右眼耦出光学元件包括第二非偏振分光膜阵列。

在一个实施例中，优选地，所述第一非偏振分光膜阵列和所述第二非偏振分光膜阵列完全相同，但对称设置。

在一个实施例中，优选地，所述第一非偏振分光膜阵列和所述第二非偏振分光膜阵列分别包括多个非偏振分光膜阵列基片，所述多个非偏振分光膜阵列基片平行且倾斜设置。

在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。

在一个实施例中，优选地，所述第一偏振体全息光栅包括左旋偏振体全息光栅，所述第二偏振体全息光栅包括右旋偏振体全息光栅。

在一个实施例中，优选地，所述准直系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜和所述第三透镜为凹凸透镜，所述第四透镜为平凸透镜。

在一个实施例中，优选地，所述第一透镜的第一表面为平面，所述第一透镜的第二表面为凸面且为球面，所述第二透镜和所述第三透镜的第一表面均为凹面，且为球面，第二表面均为凸面，且为球面，所述第四透镜的第一表面为平面，第二表面为凸面，并且为非球面。

在一个实施例中，优选地，所述第二透镜的第二表面的凸面的曲率半径与所述第三透镜的第一表面的凹面的曲率半径大小相同，符号相反，并且相互胶合，使所述第二透镜和所述第三透镜形成整体的胶合透镜，所述第四透镜的第二表面的凸面的曲率半径大于所述第一透镜的第二表面的凸面的曲率半径。

在一个实施例中，优选地，所述显示源的像源包括非偏振型像源。

在一个实施例中，优选地，所述显示源包括微显示屏，所述微显示屏通过两对称布置的显示屏安装组件安装在双目波导显示装置主体的显示屏安装槽内，所述显示屏安装槽内设有透明挡板，所述双目波导显示装置主体上设有若干防尘透气孔，所述显示屏安装槽通过所述防尘透气孔与外界环境相通；

所述显示屏安装组件包括：

主轴，所述主轴转动连接在所述双目波导显示装置主体内，所述主轴一端位于第一安装腔内，另一端位于收纳腔内，且位于收纳腔内的一端设有连接螺纹，所述主轴上设有驱动电机，所述驱动电机用于驱动主轴转动；

螺纹连接块，所述螺纹连接块螺纹连接在主轴位于收纳腔的一端，所述螺纹连接块上设有卡槽，所述微显示屏插接在所述卡槽内；

第一齿轮，所述第一齿轮键连接在主轴上；

第一转轴和第二齿轮，所述第一转轴转动连接在双目波导显示装置主体内，所述第一转轴一端位于第一安装腔内，另一端位于显示屏安装槽内，所述第二齿轮滑键连接在第一转轴上，所述第二齿轮上设有第一驱动件，所述第一驱动件用于驱动所述第二齿轮沿所述第一转轴滑动，所述第二齿轮用于与所述第一齿轮相互啮合；

安装槽体，所述安装槽体固定连接在显示屏安装槽内，所述安装槽体内转动连接有丝杠，所述丝杠上键连接有第三齿轮，所述第一转轴位于安装槽体内的一端键连接有第四齿轮，所述第三齿轮与所述第四齿轮相互啮合；

丝杠螺母安装块，所述丝杠螺母安装块螺纹连接在丝杠上，所述丝杠螺母安装块内通过导杆滑动连接有齿条，所述丝杠螺母安装块内转动连接有清洁刷杆和挥动齿轮，清洁刷杆和挥动齿轮同轴转动连接在丝杠螺母安装块上，所述挥动齿轮与齿条相互啮合，所述齿条上设有第二驱动件，所述第二驱动件用于驱动所述齿条沿所述导杆滑动；

第一锥齿轮，所述第一锥齿轮键连接在所述主轴上；

第二转轴，所述第二转轴转动连接在双目波导显示装置主体内，所述第二转轴位于第一安装腔内的一端滑键连接有第二锥齿轮，所述第二锥齿轮上设有第三驱动件，所述第三驱动件用于驱动所述第二锥齿轮沿所述第二转轴滑动，所述第二锥齿轮用于与所述第一锥齿轮相互啮合，所述第二转轴位于第二安装腔内的一端健连接有第三锥齿轮；

第三转轴，所述第三转轴转动连接在双目波导显示装置主体内，第三转轴位于第二安装腔内的一端健连接有第四锥齿轮，所述第四锥齿轮与所述第三锥齿轮相互啮合，所述第三转轴位于出风腔的一端固定连接有风扇；

加热器和防尘网，所述加热器固定连接在所述出风腔内壁，所述防尘网固定连接在所述出风腔内；

储液腔，所述储液腔设置在所述双目波导显示装置主体内，所述储液腔内设有清洁液；

出水管，所述出水管固定连接在所述螺纹连接块上，所述出水管上安装有微型抽水泵，所述微型抽水泵的进水端与储液腔相通。

在一个实施例中，优选地，所述装置还包括：

双目波导显示装置监测系统，所述双目波导显示装置监测系统用于监测所述双目波导显示装置的工作状态，并在所述双目波导显示装置工作状态不佳时进行报警提示，所述双目波导显示装置监测系统包括：

第一光强传感器，所述第一光强传感器设置在所述左眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述左眼耦出衍射光学元件的光栅条纹的光强；

第二光强传感器，所述第二光强传感器设置在所述右眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述右眼耦出衍射光学元件的光栅条纹的光强；

第一波长传感器，所述第一波长传感器设置在所述左眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述左眼耦出衍射光学元件的光栅的波长；

第二波长传感器，所述第二波长传感器设置在所述右眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述右眼耦出衍射光学元件的光栅的波长；

计时器，所述计时器设置在所述双目波导显示装置上，用于检测所述双目波导显示装置的使用总时长；

控制器，报警器，所述控制器与所述第一光强传感器、所述第二光强传感器、所述第一波长传感器、所述第二波长传感器、所述计时器和报警器电连接，所述控制器基于所述第一光强传感器、所述第二光强传感器、所述第一波长传感器、所述计时器和所述第二波长传感器控制所述报警器报警，包括以下步骤：

步骤一：基于第一光强传感器、第二光强传感器和公式(1)，计算所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度：

其中，Δ为所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度，ln为以e为底的对数，β为第一光强传感器和第二光强传感器的检测误差系数，W_1max为第一光强传感器的在检测周期内的最大检测值，W_1min为第一光强传感器的在检测周期内的最小检测值，W_2max为第二光强传感器的在检测周期内的最大检测值，W_2min为第二光强传感器的在检测周期内的最小检测值；

步骤二：基于第一波长传感器、第二波长传感器、所述计时器、步骤一和公式(2)，计算所述双目波导显示装置的实际工作状态系数：

其中，α为所述双目波导显示装置的实际工作状态系数，Δ为所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度，d₁为左眼耦出衍射光学元件的厚度，d₂为右眼耦出衍射光学元件的厚度，μ为波导板的折射率，λ₁为第一波长传感器的检测值，λ₂为第二波长传感器的检测值，λ₀为光在空气中的波长，γ₁为左眼耦出衍射光学元件的光栅耦合强度，γ₂为右眼耦出衍射光学元件的光栅耦合强度，γ₀为所述耦入衍射光学元件的预设光栅耦合强度，ε为双目波导显示装置的布拉格失配量，T为所述计时器的检测值，TH为所述双目波导显示装置的使用寿命；

步骤三：所述控制器比较所述双目波导显示装置的实际工作状态系数和所述双目波导显示装置的预设工作状态系数范围，若所述双目波导显示装置的实际工作状态系数不在所述双目波导显示装置的预设工作状态系数范围内，则所述报警器报警。

在一个实施例中，优选地，所述装置还包括检测系统，所述检测系统包括：

若干检测模块，在第一耦入衍射光学元件的光入射面间隔设置，用于采集其所在区域的入射光的实际信息，所述入射光的实际信息包括：实际光强信息；

存储模块，存储有每个检测模块的编号及对应的位置信息；

第一参数采集单元，用于采集所述检测模块的实际运行参数；

第一判断模块，用于比较每个检测模块的实际运行参数与对应的额定运行参数，根据比较结果，判断每个检测模块为正常检测模块或异常检测模块；

第二参数采集单元，用于采集所述准直系统的实际运行参数；

第二判断模块，用于比较准直系统的实际运行参数与对应的额定运行参数，根据比较结果，判断准直系统为正常准直系统或异常准直系统；

第三判断模块，与所述检测模块连接，比较每个检测模块采集的入射光的实际信息与对应的基准信息的范围，当某个检测模块采集的入射光的实际信息不在对应的基准信息的范围内且该检测模块为正常检测模块，则判断该检测模块对应的区域为异常区域；

计数模块，用于对所述异常区域进行计数；

构建单元，与存储模块及检测模块连接，基于目标检测模块的位置信息，构建实际入射区域，所述目标检测模块：采集到由准直系统发出的入射光的检测模块；

匹配单元，将所述实际入射区域与标准入射区域进行匹配，获取匹配结果；

调整策略制定单元，基于异常区域的数量及位置、第二判断模块的判断结果以及匹配单元的匹配结果，制定对检测模块、准直系统、显示源的调整策略。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：

如第一方面任一项所述的增强现实近眼显示装置。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1)本发明中采用偏振体全息光栅PVG作为光耦入装置用以解决长期以来体全息光栅响应带宽过窄导致的波导成像系统FOV与色彩表现较差的问题。

2)本发明中采用非偏振分光膜阵列作为光耦出装置。由于非偏振分光膜阵列的使用使得波导显示系统中的光机准直系统设计可以不受传统光路设计的约束，采用全透镜式的光路设计。

3)本发明中光机准直系统中透镜数量少，结构简单，可有效缩小体积及重量，适合人体佩戴，同时由于工艺要求低，易实现，所以极大地降低了制造成本。

4)本发明中可只使用单一像源就可以实现双目显示，而不需要为左右眼各配备一个像源，这无疑对系统的体积、重量、功耗等都有一定的优势。

5)本发明中可通过编译控制模块直接对液晶的相位进行调控，并以足够的刷新频率(>120Hz)在时序上改变波导入射光束的偏振态，当传入左右眼的时序画面内容上存在一定的视差时，佩戴者就可以获得基于双目视差下的画面立体感，实现近眼波导双目立体显示。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种高亮度的双目波导显示装置的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种高亮度的双目波导显示装置中准直系统的结构示意图。

图3为本发明双目波导显示装置主体17结构示意图。

图4为本发明图3的A-A处剖视图。

图5为本发明丝杠螺母安装块结构示意图。

图6为本发明图4的B处局部放大图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是根据一示例性实施例示出的一种高亮度的双目波导显示装置的结构示意图。

如图1所示，高亮度的双目波导近眼显示装置，包括：显示源11、准直系统12、耦入衍射光学元件13、波导板14和耦出光学元件15；

所述显示源11，设置于所述准直系统12的主光轴上，用于加载并输出图像；显示源可以是微显示器，微显示器为0.39英寸OLED微显示屏，具有高亮度、高对比度、低功耗的特性，并且设置于准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像。

所述准直系统12，位于所述显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后通过耦入衍射光学元件13耦入至所述波导板14；

所述耦入衍射光学元件13，设置于所述准直系统12的出射光路上，由第一偏振体全息光栅和第二偏振体全息光栅堆叠复合构成；

所述波导板14，用于将耦入的光线采用全反射的方式传输至所述耦出光学元件；

所述耦出光学元件15，设置于所述波导板14的耦出区域，包括左眼耦出光学元件151和右眼耦出光学元件152，用于分别将光线耦出至人的左眼和右眼，其中，所述左眼耦出光学元件151包括第一非偏振分光膜阵列，所述右眼耦出光学元件152包括第二非偏振分光膜阵列。

在一个实施例中，优选地，所述第一非偏振分光膜阵列和所述第二非偏振分光膜阵列完全相同，但对称设置。

在一个实施例中，优选地，所述第一非偏振分光膜阵列和所述第二非偏振分光膜阵列分别包括多个非偏振分光膜阵列基片，所述多个非偏振分光膜阵列基片平行且倾斜设置。

在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。

例如，非偏振分光膜阵列可以包括有四个非偏振分光膜阵列基片，所述四个非偏振分光膜阵列基片等距离排列，且间距为4.26mm，所述非偏振分光膜阵列基片与波导板基底的倾斜角为25度，所述波导板基底的厚度为2mm。

在一个实施例中，优选地，所述第一偏振体全息光栅PVG1包括左旋偏振体全息光栅，所述第二偏振体全息光栅PVG2包括右旋偏振体全息光栅。耦入衍射光学元件设置于准直系统的出射光路上，由两层偏振体全息光栅(PVG)堆叠复合构成。其中PVG1和PVG2材料中的手性掺杂剂的螺旋方向是正交的，于是其中的液晶分子旋转方向相反但周期性保持相同。由于偏振体全息光栅的偏振特性表现为其只对单一旋向的圆偏振光发生衍射，而对于另一正交旋向的圆偏振光则直接透过，从而可以分别衍射左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束，以实现高效率的波导耦合。

在一个实施例中，优选地，所述准直系统12包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123和第四透镜124，其中，所述第一透镜121为平凸透镜，所述第二透镜122和所述第三透镜123为凹凸透镜，所述第四透镜为平凸透镜。

在一个实施例中，优选地，所述第一透镜121的第一表面为平面，所述第一透镜121的第二表面为凸面且为球面，所述第二透镜122和所述第三透镜123的第一表面均为凹面，且为球面，第二表面均为凸面，且为球面，所述第四透镜124的第一表面为平面，第二表面为凸面，并且为非球面。

在一个实施例中，优选地，所述第二透镜122的第二表面的凸面的曲率半径与所述第三透镜123的第一表面的凹面的曲率半径大小相同，符号相反，并且相互胶合，使所述第二透镜122和所述第三透镜123形成整体的胶合透镜，所述第四透镜124的第二表面的凸面的曲率半径大于所述第一透镜121的第二表面的凸面的曲率半径。第一透镜121、第二透镜122、第三透镜123、第四透镜124的材料均为玻璃。

该高亮度的双目波导显示系统的工作原理如下：微显示器发出的光经过准直系统准直后入射到耦入衍射光学元件。由于微显示器为OLED显示屏，此类像源为非偏振型像源，而非偏振光可视为包含等量的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分量。耦入衍射光学元件由两层偏振体全息光栅(PVG)堆叠复合构成，而且其中PVG1和PVG2中的手性掺杂剂的螺旋方向是正交的，于是其中的液晶分子旋转方向相反但周期性保持相同。由于偏振体全息光栅的偏振特性表现为其只对单一旋向的圆偏振光发生衍射，而对于另一正交旋向的圆偏振光则直接透过，从而可以分别衍射非偏振光中的左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束，实现高效率的波导耦合。左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束分别被衍射朝向两个方向耦合进入波导板，当这两束衍射光以满足波导介质全反射条件的角度时，便以全反射的形式分别向两个方向向前传输至耦出光学元件。耦出光学元件各由一个完全相同但对称设置的非偏振分光膜阵列构成。由于该非偏振分光膜阵列，通过对膜系的优化设计，使得该非偏振分光膜阵列可对圆偏振光直接耦出，并通过设定好的分光比，可保证最终入眼光线亮度的均匀性。于是最后两束衍射光由耦出光学元件分别耦出至左右眼成像。这样便可只使用单一像源就可以实现双目显示，而不需要为左右眼各配备一个像源，这无疑对系统的体积、重量、功耗等都有一定的优势。进一步地，对于液晶型像源，可以通过编译控制模块直接对液晶的相位进行调控，以足够的刷新频率(>120Hz)在时序上改变波导入射光束的偏振态。于是当传入左右眼的时序画面内容上存在一定的视差时，佩戴者就可以获得基于双目视差下的画面立体感，实现近眼波导双目立体显示。

在一个实施例中，还包括检测系统，所述检测系统包括：

若干检测模块，在第一耦入衍射光学元件的光入射面间隔设置，用于采集其所在区域的入射光的实际信息，所述入射光的实际信息包括：实际光强信息；

存储模块，存储有每个检测模块的编号及对应的位置信息；

第一参数采集单元，用于采集所述检测模块的实际运行参数；

第一判断模块，用于比较每个检测模块的实际运行参数与对应的额定运行参数，根据比较结果，判断每个检测模块为正常检测模块或异常检测模块；

第二参数采集单元，用于采集所述准直系统的实际运行参数；

第二判断模块，用于比较准直系统的实际运行参数与对应的额定运行参数，根据比较结果，判断准直系统为正常准直系统或异常准直系统；

第三判断模块，与所述检测模块连接，比较每个检测模块采集的入射光的实际信息与对应的基准信息的范围，当某个检测模块采集的入射光的实际信息不在对应的基准信息的范围内且该检测模块为正常检测模块，则判断该检测模块对应的区域为异常区域；

计数模块，用于对所述异常区域进行计数；

构建单元，与存储模块及检测模块连接，基于目标检测模块的位置信息，构建实际入射区域，所述目标检测模块：采集到由准直系统发出的入射光的检测模块；

匹配单元，将所述实际入射区域与标准入射区域进行匹配，获取匹配结果；

调整策略制定单元，基于异常区域的数量及位置、第二判断模块的判断结果以及匹配单元的匹配结果，制定对检测模块、准直系统、显示源的调整策略。

上述技术方案的有益效果为：在第一耦入衍射光学元件的光入射面间隔设置若干检测模块，检测模块用于采集其所在区域的入射光的实际信息，同时若干检测模块构成的区域包含标准入射区域，根据实际入射区域与标准入射区域的匹配，可以判断第一耦入衍射光学元件的光入射面的入射范围状态是否正常；当某个检测模块采集的入射光的实际信息不在对应的基准信息的范围内且该检测模块为正常检测模块，则判断该检测模块对应的区域为异常区域，即排除了检测模块自身异常导致的检测模块检测结果异常，使得最终确定的异常检测区域更加准确，同时判断准直系统为正常准直系统或异常准直系统，可以判断上述准直系统状态对入射范围状态及某个检测区域的影响状态；最终基于异常区域的数量及位置、第二判断模块的判断结果以及匹配单元的匹配结果，制定对检测模块、准直系统、显示源的调整策略，可以基于上述多种参数(异常区域的数量及位置、第二判断模块的判断结果以及匹配单元的匹配结果)对检测模块、准直系统、显示源可靠调整。

在一个实施例中，如图3-图6所示，所述显示源包括微显示屏16，所述微显示屏16通过两对称布置的显示屏安装组件18安装在双目波导显示装置主体17的显示屏安装槽19内，所述显示屏安装槽19内设有透明挡板20，所述双目波导显示装置主体17上设有若干防尘透气孔21，所述显示屏安装槽19通过所述防尘透气孔21与外界环境相通；

所述显示屏安装组件18包括：

主轴180，所述主轴180转动连接在所述双目波导显示装置主体17内，所述主轴180一端位于第一安装腔1800内，另一端位于收纳腔1801内，且位于收纳腔1801内的一端设有连接螺纹，所述主轴180上设有驱动电机1802，所述驱动电机1802用于驱动主轴180转动；

螺纹连接块1803，所述螺纹连接块1803螺纹连接在主轴180位于收纳腔1801的一端，所述螺纹连接块1803上设有卡槽1804，所述微显示屏16插接在所述卡槽1804内；

第一齿轮1805，所述第一齿轮1805键连接在主轴180上；

第一转轴1806和第二齿轮1807，所述第一转轴1806转动连接在双目波导显示装置主体17内，所述第一转轴1806一端位于第一安装腔1800内，另一端位于显示屏安装槽19内，所述第二齿轮1807滑键连接在第一转轴1806上，所述第二齿轮1807上设有第一驱动件，所述第一驱动件用于驱动所述第二齿轮1807沿所述第一转轴1806滑动，所述第二齿轮1807用于与所述第一齿轮1805相互啮合；

安装槽体1808，所述安装槽体1808固定连接在显示屏安装槽19内，所述安装槽体1808内转动连接有丝杠1809，所述丝杠1809上键连接有第三齿轮181，所述第一转轴1806位于安装槽体1808内的一端键连接有第四齿轮1810，所述第三齿轮181与所述第四齿轮1810相互啮合；

丝杠螺母安装块1811，所述丝杠螺母安装块1811螺纹连接在丝杠1809上，所述丝杠螺母安装块1811内通过导杆1812滑动连接有齿条1813，所述丝杠螺母安装块1811内转动连接有清洁刷杆1814和挥动齿轮1815，清洁刷杆1814和挥动齿轮1815同轴转动连接在丝杠螺母安装块1811上，所述挥动齿轮1815与齿条1813相互啮合，所述齿条1813上设有第二驱动件，所述第二驱动件用于驱动所述齿条1813沿所述导杆1812滑动；

第一锥齿轮1816，所述第一锥齿轮1816键连接在所述主轴180上；

第二转轴1817，所述第二转轴1817转动连接在双目波导显示装置主体17内，所述第二转轴1817位于第一安装腔1800内的一端滑键连接有第二锥齿轮1818，所述第二锥齿轮1818上设有第三驱动件，所述第三驱动件用于驱动所述第二锥齿轮1818沿所述第二转轴1817滑动，所述第二锥齿轮1818用于与所述第一锥齿轮1816相互啮合，所述第二转轴1817位于第二安装腔1819内的一端健连接有第三锥齿轮182；

第三转轴1820，所述第三转轴1820转动连接在双目波导显示装置主体17内，第三转轴1820位于第二安装腔1819内的一端健连接有第四锥齿轮1821，所述第四锥齿轮1821与所述第三锥齿轮182相互啮合，所述第三转轴1820位于出风腔的一端固定连接有风扇1822；

加热器1823和防尘网1824，所述加热器1823固定连接在所述出风腔内壁，所述防尘网1824固定连接在所述出风腔内；

储液腔1825，所述储液腔1825设置在所述双目波导显示装置主体17内，所述储液腔1825内设有清洁液；

出水管1826，所述出水管1826固定连接在所述螺纹连接块1803上，所述出水管1826上安装有微型抽水泵1827，所述微型抽水泵1827的进水端与储液腔1825相通。

上述实施例的工作原理及有益效果为：对微显示屏16进行安装时，驱动电机1802带动主轴180转动，主轴180转动带动两螺纹连接块1803在螺纹的作用下相互靠近，从而将微显示屏16装夹在卡槽1804内，微显示屏16在使用长期过程中外界环境中的杂质灰尘会进入双目波导显示装置主体17内，从而使得微显示屏16表面附着杂质灰层，需对微显示屏16进行清洁处理；

对微显示屏16进行清洁工作时，第一驱动件驱动所述第二齿轮1807沿所述第一转轴1806滑动，使得第二齿轮1807与第一齿轮1805相互啮合，驱动电机1802带动主轴180转动，主轴180转动带动第一齿轮1805转动，第一齿轮1805转动带动第二齿轮1807转动，第二齿轮1807转动带动第一转轴1806转动，第一转轴1806转动带动第四齿轮1810转动，第四齿轮1810转动带动第三齿轮181转动，第三齿轮181转动带动丝杠1809转动，丝杠1809转动带动丝杠螺母安装块1811沿丝杠1809运动，丝杠螺母安装块1811沿丝杠1809运动的过程中，第二驱动件驱动所述齿条1813沿所述导杆1812滑动，所述齿条1813运动带动挥动齿轮1815转动，挥动齿轮1815转动带动清洁刷杆1814挥动，清洁刷杆1814挥动对微显示屏16进行清洁，同时微型抽水泵1827将储液腔1825内的清洁液泵入出水管1826，清洁液经所述出水管1826喷向微显示屏16，配合清洁刷杆1814挥动对微显示屏16进行清洁；

微显示屏16清洁完毕后，第三驱动件驱动所述第二锥齿轮1818沿所述第二转轴1817滑动，从而使得第二锥齿轮1818与第一锥齿轮1816相互啮合，驱动电机1802带动主轴180转动，主轴180转动带动第一锥齿轮1816转动，第一锥齿轮1816转动带动第二锥齿轮1818转动，第二锥齿轮1818转动带动第二转轴1817转动，第二转轴1817转动带动第三锥齿轮182转动，第三锥齿轮182转动带动第四锥齿轮1821转动，第四锥齿轮1821转动带动第三转轴1820转动，第三转轴1820转动带动风扇1822转动，风扇1822转动的同时加热器1823工作，将热气吹向显示屏安装槽19内，从而加速显示屏安装槽19内空气的流动，使得微显示屏16上的清洁液经防尘透气孔21快速蒸发到外界环境中，同时在微显示屏16因潮湿产生雾气时，也可使用风扇1822对其进行干燥，由此保证微显示屏16的图像加载和输出效果。

在一个实施例中，还包括：

双目波导显示装置监测系统，所述双目波导显示装置监测系统用于监测所述双目波导显示装置的工作状态，并在所述双目波导显示装置工作状态不佳时进行报警提示，所述双目波导显示装置监测系统包括：

第一光强传感器，所述第一光强传感器设置在所述左眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述左眼耦出衍射光学元件的光栅条纹的光强；

第二光强传感器，所述第二光强传感器设置在所述右眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述右眼耦出衍射光学元件的光栅条纹的光强；

第一波长传感器，所述第一波长传感器设置在所述左眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述左眼耦出衍射光学元件的光栅的波长；

第二波长传感器，所述第二波长传感器设置在所述右眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述右眼耦出衍射光学元件的光栅的波长；

计时器，所述计时器设置在所述双目波导显示装置上，用于检测所述双目波导显示装置的使用总时长；

控制器，报警器，所述控制器与所述第一光强传感器、所述第二光强传感器、所述第一波长传感器、所述第二波长传感器、所述计时器和报警器电连接，所述控制器基于所述第一光强传感器、所述第二光强传感器、所述第一波长传感器、所述计时器和所述第二波长传感器控制所述报警器报警，包括以下步骤：

步骤一：基于第一光强传感器、第二光强传感器和公式(1)，计算所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度：

其中，Δ为所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度，ln为以e为底的对数，β为第一光强传感器和第二光强传感器的检测误差系数，W_1max为第一光强传感器的在检测周期内的最大检测值，W_1min为第一光强传感器的在检测周期内的最小检测值，W_2max为第二光强传感器的在检测周期内的最大检测值，W_2min为第二光强传感器的在检测周期内的最小检测值；

步骤二：基于第一波长传感器、第二波长传感器、所述计时器、步骤一和公式(2)，计算所述双目波导显示装置的实际工作状态系数：

其中，α为所述双目波导显示装置的实际工作状态系数，Δ为所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度，d₁为左眼耦出衍射光学元件的厚度，d₂为右眼耦出衍射光学元件的厚度，μ为波导板的折射率，λ₁为第一波长传感器的检测值，λ₂为第二波长传感器的检测值，λ₀为光在空气中的波长，γ₁为左眼耦出衍射光学元件的光栅耦合强度，γ₂为右眼耦出衍射光学元件的光栅耦合强度，γ₀为所述耦入衍射光学元件的预设光栅耦合强度，ε为双目波导显示装置的布拉格失配量，T为所述计时器的检测值，TH为所述双目波导显示装置的使用寿命；

步骤三：所述控制器比较所述双目波导显示装置的实际工作状态系数和所述双目波导显示装置的预设工作状态系数范围，若所述双目波导显示装置的实际工作状态系数不在所述双目波导显示装置的预设工作状态系数范围内，则所述报警器报警。

上述实施例的工作原理及有益效果为：所述双目波导显示装置在长期使用过程中会出现耦合效率不佳或自然损耗的情况，从而导致双目波导显示装置工作状态不佳，双目波导显示装置监测系统的设计用于监测所述双目波导显示装置的工作状态(包括双目波导显示装置自然损耗状态和双目波导显示装置的光栅耦合效率)，并在所述双目波导显示装置工作状态不佳时进行报警提示，保证了所述双目波导显示装置的在工作异常时及时得以维修，计算所述双目波导显示装置的实际工作状态系数时，其中

为双目波导显示装置的光栅耦合效率，引入

考虑到了双目波导显示装置的自然损耗，引入双目波导显示装置的布拉格失配量ε，ε越大双目波导显示装置的光栅耦合效率越小，引入所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度Δ，Δ越大双目波导显示装置形成的光栅结构越清晰，同时考虑到了左右眼耦出衍射光学元件自身参数d₁和d₂、波导板的折射率μ对计算结果的影响，使得计算结果更为精确，从而提高了双目波导显示装置监测系统的监测灵敏度。

基于相同的构思，本公开实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述的增强现实近眼显示装置。增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1)本发明中采用偏振体全息光栅PVG作为光耦入装置用以解决长期以来体全息光栅响应带宽过窄导致的波导成像系统FOV与色彩表现较差的问题。

2)本发明中采用非偏振分光膜阵列作为光耦出装置。由于非偏振分光膜阵列的使用使得波导显示系统中的光机准直系统设计可以不受传统光路设计的约束，采用全透镜式的光路设计。

3)本发明中光机准直系统中透镜数量少，结构简单，可有效缩小体积及重量，适合人体佩戴，同时由于工艺要求低，易实现，所以极大地降低了制造成本。

4)本发明中可只使用单一像源就可以实现双目显示，而不需要为左右眼各配备一个像源，这无疑对系统的体积、重量、功耗等都有一定的优势。

5)本发明中可通过编译控制模块直接对液晶的相位进行调控，并以足够的刷新频率(>120Hz)在时序上改变波导入射光束的偏振态，当传入左右眼的时序画面内容上存在一定的视差时，佩戴者就可以获得基于双目视差下的画面立体感，实现近眼波导双目立体显示。

进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种高亮度的双目波导显示装置，其特征在于，包括：显示源、准直系统、耦入衍射光学元件、波导板和耦出光学元件；

所述显示源，设置于所述准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；

所述准直系统，位于所述显示源的出光面，用于将显示源输出的图像进行准直校正后通过耦入衍射光学元件耦入至所述波导板；

所述耦入衍射光学元件，设置于所述准直系统的出射光路上，由第一偏振体全息光栅和第二偏振体全息光栅堆叠复合构成；

所述波导板，用于将耦入的光线采用全反射的方式传输至所述耦出光学元件；

所述耦出光学元件，设置于所述波导板的耦出区域，包括左眼耦出光学元件和右眼耦出光学元件，用于分别将光线耦出至人的左眼和右眼，其中，所述左眼耦出光学元件包括第一非偏振分光膜阵列，所述右眼耦出光学元件包括第二非偏振分光膜阵列。

2.根据权利要求1所述的双目波导显示装置，其特征在于，所述第一非偏振分光膜阵列和所述第二非偏振分光膜阵列完全相同，但对称设置；

所述第一非偏振分光膜阵列和所述第二非偏振分光膜阵列分别包括多个非偏振分光膜阵列基片，所述多个非偏振分光膜阵列基片平行且倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的双目波导显示装置，其特征在于，所述多个非偏振分光膜阵列基片为等间距平行设置，任意两个非偏振分光膜阵列基片之间的间距均为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片的倾斜角度为预设角度。

4.根据权利要求1所述的双目波导显示装置，其特征在于，所述第一偏振体全息光栅包括左旋偏振体全息光栅，所述第二偏振体全息光栅包括右旋偏振体全息光栅。

5.根据权利要求1所述的双目波导显示装置，其特征在于，所述准直系统包括从物面开始到像面为止依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜和所述第三透镜为凹凸透镜，所述第四透镜为平凸透镜。

6.根据权利要求5所述的双目波导显示装置，其特征在于，所述第一透镜的第一表面为平面，所述第一透镜的第二表面为凸面且为球面，所述第二透镜和所述第三透镜的第一表面均为凹面，且为球面，第二表面均为凸面，且为球面，所述第四透镜的第一表面为平面，第二表面为凸面，并且为非球面；

所述第二透镜的第二表面的凸面的曲率半径与所述第三透镜的第一表面的凹面的曲率半径大小相同，符号相反，并且相互胶合，使所述第二透镜和所述第三透镜形成整体的胶合透镜，所述第四透镜的第二表面的凸面的曲率半径大于所述第一透镜的第二表面的凸面的曲率半径。

7.根据权利要求1所述的双目波导显示装置，其特征在于，

所述显示源包括微显示屏，所述微显示屏通过两对称布置的显示屏安装组件安装在双目波导显示装置主体的显示屏安装槽内，所述显示屏安装槽内设有透明挡板，所述双目波导显示装置主体上设有若干防尘透气孔，所述显示屏安装槽通过所述防尘透气孔与外界环境相通；

所述显示屏安装组件包括：

主轴，所述主轴转动连接在所述双目波导显示装置主体内，所述主轴一端位于第一安装腔内，另一端位于收纳腔内，且位于收纳腔内的一端设有连接螺纹，所述主轴上设有驱动电机，所述驱动电机用于驱动主轴转动；

螺纹连接块，所述螺纹连接块螺纹连接在主轴位于收纳腔的一端，所述螺纹连接块上设有卡槽，所述微显示屏插接在所述卡槽内；

第一齿轮，所述第一齿轮键连接在主轴上；

第一转轴和第二齿轮，所述第一转轴转动连接在双目波导显示装置主体内，所述第一转轴一端位于第一安装腔内，另一端位于显示屏安装槽内，所述第二齿轮滑键连接在第一转轴上，所述第二齿轮上设有第一驱动件，所述第一驱动件用于驱动所述第二齿轮沿所述第一转轴滑动，所述第二齿轮用于与所述第一齿轮相互啮合；

安装槽体，所述安装槽体固定连接在显示屏安装槽内，所述安装槽体内转动连接有丝杠，所述丝杠上键连接有第三齿轮，所述第一转轴位于安装槽体内的一端键连接有第四齿轮，所述第三齿轮与所述第四齿轮相互啮合；

丝杠螺母安装块，所述丝杠螺母安装块螺纹连接在丝杠上，所述丝杠螺母安装块内通过导杆滑动连接有齿条，所述丝杠螺母安装块内转动连接有清洁刷杆和挥动齿轮，清洁刷杆和挥动齿轮同轴转动连接在丝杠螺母安装块上，所述挥动齿轮与齿条相互啮合，所述齿条上设有第二驱动件，所述第二驱动件用于驱动所述齿条沿所述导杆滑动；

第一锥齿轮，所述第一锥齿轮键连接在所述主轴上；

第二转轴，所述第二转轴转动连接在双目波导显示装置主体内，所述第二转轴位于第一安装腔内的一端滑键连接有第二锥齿轮，所述第二锥齿轮上设有第三驱动件，所述第三驱动件用于驱动所述第二锥齿轮沿所述第二转轴滑动，所述第二锥齿轮用于与所述第一锥齿轮相互啮合，所述第二转轴位于第二安装腔内的一端健连接有第三锥齿轮；

第三转轴，所述第三转轴转动连接在双目波导显示装置主体内，第三转轴位于第二安装腔内的一端健连接有第四锥齿轮，所述第四锥齿轮与所述第三锥齿轮相互啮合，所述第三转轴位于出风腔的一端固定连接有风扇；

加热器和防尘网，所述加热器固定连接在所述出风腔内壁，所述防尘网固定连接在所述出风腔内；

储液腔，所述储液腔设置在所述双目波导显示装置主体内，所述储液腔内设有清洁液；

出水管，所述出水管固定连接在所述螺纹连接块上，所述出水管上安装有微型抽水泵，所述微型抽水泵的进水端与储液腔相通。

8.根据权利要求1所述的双目波导显示装置，其特征在于，所述装置还包括：

双目波导显示装置监测系统，所述双目波导显示装置监测系统用于监测所述双目波导显示装置的工作状态，并在所述双目波导显示装置工作状态不佳时进行报警提示，所述双目波导显示装置监测系统包括：

第一光强传感器，所述第一光强传感器设置在所述左眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述左眼耦出衍射光学元件的光栅条纹的光强；

第二光强传感器，所述第二光强传感器设置在所述右眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述右眼耦出衍射光学元件的光栅条纹的光强；

第一波长传感器，所述第一波长传感器设置在所述左眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述左眼耦出衍射光学元件的光栅的波长；

第二波长传感器，所述第二波长传感器设置在所述右眼耦出衍射光学元件上，用于检测所述右眼耦出衍射光学元件的光栅的波长；

计时器，所述计时器设置在所述双目波导显示装置上，用于检测所述双目波导显示装置的使用总时长；

控制器，报警器，所述控制器与所述第一光强传感器、所述第二光强传感器、所述第一波长传感器、所述第二波长传感器、所述计时器和报警器电连接，所述控制器基于所述第一光强传感器、所述第二光强传感器、所述第一波长传感器、所述计时器和所述第二波长传感器控制所述报警器报警，包括以下步骤：

步骤一：基于第一光强传感器、第二光强传感器和公式(1)，计算所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度：

其中，Δ为所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度，ln为以e为底的对数，β为第一光强传感器和第二光强传感器的检测误差系数，W_1max为第一光强传感器的在检测周期内的最大检测值，W_1min为第一光强传感器的在检测周期内的最小检测值，W_2max为第二光强传感器的在检测周期内的最大检测值，W_2min为第二光强传感器的在检测周期内的最小检测值；

步骤二：基于第一波长传感器、第二波长传感器、所述计时器、步骤一和公式(2)，计算所述双目波导显示装置的实际工作状态系数：

其中，α为所述双目波导显示装置的实际工作状态系数，Δ为所述左眼耦出衍射光学元件和所述右眼耦出衍射光学元件的对数平均光栅对比度，d₁为左眼耦出衍射光学元件的厚度，d₂为右眼耦出衍射光学元件的厚度，μ为波导板的折射率，λ₁为第一波长传感器的检测值，λ₂为第二波长传感器的检测值，λ₀为光在空气中的波长，γ₁为左眼耦出衍射光学元件的光栅耦合强度，γ₂为右眼耦出衍射光学元件的光栅耦合强度，γ₀为所述耦入衍射光学元件的预设光栅耦合强度，ε为双目波导显示装置的布拉格失配量，T为所述计时器的检测值，TH为所述双目波导显示装置的使用寿命；

步骤三：所述控制器比较所述双目波导显示装置的实际工作状态系数和所述双目波导显示装置的预设工作状态系数范围，若所述双目波导显示装置的实际工作状态系数不在所述双目波导显示装置的预设工作状态系数范围内，则所述报警器报警。

9.根据权利要求1所述的双目波导显示装置，其特征在于，所述装置还包括检测系统，所述检测系统包括：

若干检测模块，在第一耦入衍射光学元件的光入射面间隔设置，用于采集其所在区域的入射光的实际信息，所述入射光的实际信息包括：实际光强信息；

存储模块，存储有每个检测模块的编号及对应的位置信息；

第一参数采集单元，用于采集所述检测模块的实际运行参数；

第一判断模块，用于比较每个检测模块的实际运行参数与对应的额定运行参数，根据比较结果，判断每个检测模块为正常检测模块或异常检测模块；

第二参数采集单元，用于采集所述准直系统的实际运行参数；

第二判断模块，用于比较准直系统的实际运行参数与对应的额定运行参数，根据比较结果，判断准直系统为正常准直系统或异常准直系统；

第三判断模块，与所述检测模块连接，比较每个检测模块采集的入射光的实际信息与对应的基准信息的范围，当某个检测模块采集的入射光的实际信息不在对应的基准信息的范围内且该检测模块为正常检测模块，则判断该检测模块对应的区域为异常区域；

计数模块，用于对所述异常区域进行计数；

构建单元，与存储模块及检测模块连接，基于目标检测模块的位置信息，构建实际入射区域，所述目标检测模块：采集到由准直系统发出的入射光的检测模块；

匹配单元，将所述实际入射区域与标准入射区域进行匹配，获取匹配结果；

调整策略制定单元，基于异常区域的数量及位置、第二判断模块的判断结果以及匹配单元的匹配结果，制定对检测模块、准直系统、显示源的调整策略。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至9中任一项所述的高亮度的双目波导显示装置。

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