CN115542539A - 一种可穿戴设备及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种可穿戴设备及其制备方法，该可穿戴设备包括镜片、显示装置以及传输组件；镜片内设置有凹槽；传输组件插入凹槽内，且传输组件与镜片固定连接。传输组件用于将显示图像对应的光线传输至镜片。传输组件包括介质层以及反射光栅，反射光栅设置在介质层外侧，并用于将显示图像对应的光线限制在介质层内传输。采用反射光栅控制光线的传播方向，使得传输组件传输的显示图像的光线被限制在介质层中传输至镜片，从而无需要求光线在进入到介质内的入射角满足全反射条件，即传输入介质层的光线的入射角可小于临界反射角，光线可以更多的角度偶入到介质层中，从而保证光线在从介质层中传出时，可具有更大的可视角度。
Description
技术领域
本申请涉及到虚拟与现实技术领域，尤其涉及到一种可穿戴设备及其制备方法。
背景技术
增强现实(augmented reality，AR)显示技术作为一种新形态的显示，近年来发展迅速，未来在消费、教育、医疗及安防等领域应用场景广阔。AR与眼镜结合，被行业公认为AR技术重要的发展方向，可以大幅提高AR的便携性与实用性。为了实现图像信息在眼前显示，主流方案使用光栅和光波导将侧面放置的显示装置的光线传输至眼镜镜片并投射入人眼，微显示屏发射的光线经过准直透镜组后变为平行光，由耦入光栅将光线耦入(in-coupling，指代为耦合射入)光波导玻璃中，并且光线的入射角满足光波导中的全反射条件，即入射角大于临界反射角。耦入的光线在光波导玻璃内传播，当该光线遇到耦出光栅时，全反射条件被破坏，光线由耦出光栅耦出(out-coupling，指代为耦合射出)光波导，射入人眼，实现了图像的显示。另一方面，外界光线可以正常透过光波导，从而实现了虚拟图像与现实图像的叠加，即增强现实显示。但是在采用上述方式实现虚拟与现实图像的效果时，光线在光波导中传播需要满足全反射的条件，造成虚拟图像的可视角比较小，影响显示效果。
发明内容
本申请提供了一种可穿戴设备及其制备方法，用以改善可穿戴设备的可视效果。
第一方面，提供了一种可穿戴设备，该可穿戴设备包括镜片、显示装置以及传输组件，镜片内设置有凹槽，传输组件插入凹槽内，且传输组件与镜片固定连接；其中，显示装置用于提供显示图像，镜片用于显示显示装置提供的图像，而传输组件用于将显示图像对应的光线传输至镜片。为改善传输的效果，传输组件包括介质层以及反射光栅，所述反射光栅设置在所述介质层外侧，所述介质层内用于传输所述显示图像对应的光线，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。在上述技术方案中，采用反射光栅控制光线的传播方向，使得传输组件传输的显示图像的光线被限制在介质层中传输至镜片，从而无需要求光线在进入到介质内的入射角满足全反射条件，即传输入介质层的光线的入射角可小于临界反射角，光线可以更多的角度偶入到介质层中，从而保证光线在从介质层中传出时，可具有更大的可视角度。
在一个可能的实施方案中，所述镜片与所述传输组件可拆卸的固定连接。通过传输组件和镜片采用可拆卸的方案，可适应不同类型的镜片，且方便镜片更换。
在一个可能的实施方案中，所述传输组件与所述镜片之间通过有机胶水粘接连接。
在一个可能的实施方案中，所述反射光栅包括第一反射光栅和所述第二反射光栅；其中，所述第一反射光栅和所述第二反射光栅位于所述介质层相对的两侧。通过在介质层两侧设置反射光栅，提高对光线的限定。
在一个可能的实施方案中，所述反射光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
在一个可能的实施方案中，所述传输组件还包括耦入光栅和耦出光栅；所述耦入光栅用于将所述显示图像对应的光线耦入所述介质层内；所述耦出光栅用于将所述显示图像对应的光线耦出所述介质层；其中，所述显示图像对应的光线从所述介质层耦出后穿过所述镜片进行入人眼。
在一个可能的实施方案中，在所述反射光栅包含第一反射光栅和第二反射光栅时，所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第一反射光栅位于所述介质层的同一侧，且所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第一反射光栅一体成型；或，所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第二反射光栅位于所述介质层的同一侧，且所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第二反射光栅一体成型。方便了传输组件制备。
在一个可能的实施方案中，所述耦入光栅为反射型光栅或透射型光栅；所述耦出光栅为反射型光栅或透射型光栅。
在一个可能的实施方案中，所述耦入光栅和所述耦出光栅为透射型光栅；所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述介质层朝向所述显示装置的一侧。
在一个可能的实施方案中，所述耦入光栅、所述耦出光栅与所述第一反射光栅位于同一侧，且所述耦入光栅、所述耦出光栅与所述第一反射光栅的长度之和不小于所述第二反射光栅的长度，所述第一反射光栅的长度小于所述第二反射光栅的长度。以保证光线可在第二反射光栅和耦入光栅、耦出光栅之间传播。
在一个可能的实施方案中，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为反射型光栅；所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述介质层背离所述显示装置的一侧。
在一个可能的实施方案中，所述耦入光栅、所述耦出光栅与所述第二反射光栅位于同一侧，且所述耦入光栅、所述耦出光栅与所述第二反射光栅的长度之和不小于所述第一反射光栅的长度，所述第二反射光栅的长度小于所述第一反射光栅的长度。以保证光线可在第一反射光栅和耦入光栅、耦出光栅之间传播。
在一个可能的实施方案中，还包括准直透镜组；所述准直透镜组设置在所述显示装置的出光面，并用于将所述传输图像的光线准直到所述耦入光栅。通过准直透镜组改善光线的传播方向，使传输图像的光线形成近似平行光进入到传输组件。
在一个可能的实施方案中，准直透镜组为凸透镜或凹透镜或者凸透镜和凹透镜组合形成的透镜组。
在一个可能的实施方案中，所述镜片为弧形镜片或平面镜片。可适应不同类型的镜片。
在一个可能的实施方案中，所述可穿戴设备还包括镜框以及镜腿，所述镜片固定在所述镜框，所述显示装置固定在所述镜框或者镜腿。
第二方面，提供了一种可穿戴设备的制备方法，所述可穿戴设备包括镜片、传输组件和显示装置，所述方法包括以下步骤:
将所述镜片和所述传输组件固定连接；
设置所述显示装置；所述显示装置用于提供显示图像，其中，
所述传输组件包括介质层以及反射光栅；所述反射光栅设置在所述介质层外侧，所述介质层内用于传输所述显示图像对应的光线，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
在上述技术方案中，采用反射光栅控制光线的传播方向，使得传输组件传输的显示图像的光线被限制在介质层中传输至镜片，从而无需要求光线在进入到介质内的入射角满足全反射条件，即传输入介质层的光线的入射角可小于临界反射角，光线可以更大的角度偶入到介质层中，从而保证光线在从介质层中传出时，可具有更大的可视角度。
在一个可能的实施方案中，所述镜片内设置有凹槽，所述将所述镜片中和所述传输组件固定连接，包括：将所述传输组件插入到所述凹槽内，并通过有机胶水粘接连接。
第三方面，提供了一种传输组件的制备方法，该制备方法包括：设置介质层，所述介质层内用于传输显示图像对应的光线；
在所述介质层的外侧设置反射光栅，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
在上述技术方案中，采用反射光栅控制光线的传播方向，使得传输组件传输的显示图像的光线被限制在介质层中传输至镜片，从而无需要求光线在进入到介质内的入射角满足全反射条件，即传输入介质层的光线的入射角可小于临界反射角，光线可以更大的角度偶入到介质层中，从而保证光线在从介质层中传出时，可具有更大的可视角度。
在一个可能的实施方案中，所述在所述介质层的外侧设置反射光栅，具体包括：
在所述介质层的第一侧设置所述第一反射光栅；
在所述介质层的第二侧设置所述第二反射光栅；
其中，所述第一侧和所述第二侧为所述介质层相对的两侧，所述第一反射光栅和所述第二反射光栅用于将所述显示图像对应的光线。
在一个可能的实施方案中，该制备方法还包括：
在所述介质层上制备耦入光栅和耦出光栅；
其中，所述耦入光栅用于将所述显示图像对应的光线耦入所述介质层内；
所述耦出光栅用于将所述显示图像对应的光线耦出所述介质层；所述显示图像对应的光线从所述介质层耦出后穿过所述镜片进行入人眼。
在一个可能的实施方案中，所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第一反射光栅一体制备在所述介质层的所述第一侧；或，
所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第二反射光栅一体制备在所述介质层的所述第二侧。反射光栅和耦入、耦出光栅可以一次性制备，同时一次性沉积在介质层上，简化制备工艺，提高了良率。
第四方面，提供了一种图像显示的方法，所述方法应用于可穿戴设备，所述可穿戴设备包括镜片、显示装置以及传输组件，所述镜片内设置有凹槽；所述传输组件插入所述凹槽内，所述传输组件与所述镜片固定连接，所述方法包括：
通过所述传输组件将所述显示装置提供的显示图像对应的光线传输至所述镜片；
其中，所述传输组件包括介质层以及反射光栅，所述反射光栅设置在所述介质层外侧，所述介质层内用于传输所述显示图像对应的光线，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
在一个可能的实施方案中，所述方法还包括：通过耦入光栅将所述显示图像对应的光线耦合所述介质层内；通过耦出光栅将所述显示图像对应的光线耦出所述介质层；
其中，所述显示图像对应的光线从所述介质层耦出后穿过所述镜片进行入人眼。
在一个可能的实施方案中，所述反射光栅包括第一反射光栅和第二反射光栅；其中，所述第一反射光栅和所述第二反射光栅位于所述介质层相对的两侧。
在一个可能的实施方案中，所述第一反射光栅的面积小于所述第二反射光栅的面积，所述第一反射光栅、所述耦入光栅和所述耦出光栅一体制备在所述介质层的同一侧。
附图说明
图1为现有技术中可穿戴设备的结构示意图；
图2为光线在光波导中传播时的示意图；
图3为本申请实施例提供的可穿戴设备的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的传输组件的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的阶梯型表面浮雕光栅的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的矩形表面浮雕光栅的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的楔形表面浮雕光栅的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的体全息光栅的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一传输组件的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的镜片与传输组件配合的正面示意图；
图11为本申请实施例提供的镜片与传输组件的侧面示意图；
图12为本申请实施例提供的镜片的结构示意图。
具体实施方式
首先介绍可穿戴设备，可穿戴设备应用增强现实显示技术(augmented reality，AR)，可实现虚拟与显示两种图像的显示。如图1中所示的现有技术中的可穿戴设备，为了实现图像信息在眼前显示，可穿戴设备包括显示装置、镜片以及光波导。在使用时，显示装置用于显示图像，光波导用于将显示装置显示的图像传输到镜片内进行虚拟显示。此时，外界真实的景象(现实光线)也可通过镜片传输到人眼中，同时显示装置显示的虚拟图像也可传输到人眼中，从而实现虚拟与现实景象的同时显示。在使用时，显示装置2的光线由准直透镜组5后变为平行光，由耦入光栅3将光线耦入(in-coupling，指代为耦合射入)光波导1中，通过耦出光栅4将光线耦出(out-coupling，指代为耦合射出)到眼镜镜片中。
参考图2，图2示出了光线在光波导中传播时的示意图。首先说明视场角(Field ofview，FOV)，视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，在本申请实施例中视场角也可理解为是显示装置的可视角。如图2所示，α、α'是不同光线在光波导1内的传播角度，FOV、FOV'是α、α'对应的不同的视场角。参考图2所示的光线，FOV大于FOV'，光线经过耦入光栅调整光线方向，入射角α小于α'。也就是说，FOV越大，光线经过耦入光栅调整光线方向，入射角α越小。而光线在光波导1内传播时，α≥临界角时光线才可以在光波导内通过全反射(全反射指的是当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果光线的入射角大于某一临界角时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质)传播，因此，现有技术中可穿戴设备在显示虚拟图像时无法提供一个较大的可视角。为此本申请实施例提供了一种可穿戴设备，以改善显示效果，下面结合具体的附图以及实施例对其进行详细说明。
参考图3，图3示出了本申请实施例提供的可穿戴设备的结构示意图。可穿戴设备包括镜片10、显示装置30以及传输组件20。显示装置30用于提供显示图像，镜片10用于显示显示装置30提供的显示图像。传输组件20用于将显示图像对应的光线传输到镜片10，从而使得显示装置30提供的图像可通过镜片10显示。为方便理解本申请实施例提供的可穿戴设备，下面逐一对可穿戴设备的结构进行说明。
本申请实施例提供的可穿戴设备主体为眼镜，其包含镜框、镜片10以及镜腿。镜框作为承载结构，用于固定镜片10，镜腿与镜框转动连接，从而可对镜腿实现折叠。当然，镜腿也可采用非折叠式，此时，镜腿与镜框可采用一体结构。镜片10在设置时可采用平面或者弧面的镜片，或者可以是待屈光调节的近视镜片或远视镜片等，在本申请实施例中不做具体限定。
显示装置30包含有一个微显示屏，该微显示屏用于显示虚拟图像的内容，包含但不限定图片或者影像等。微显示屏设置在眼镜的一侧，示例性的，微显示屏可固定在镜腿上，或者固定在镜框上。但是无论微显示屏设置在上述哪个位置，均应保证微显示屏的出光面31朝向传输组件20，以使得微显示屏发射的光线可传输到传输组件20中。
应理解，本申请实施例提供的显示装置30不仅限于微显示屏，还可为微投影仪。微投影仪也可用于发射可穿戴设备所需的虚拟图像。上述的微显示屏以及微投影仪中的“微”指代尺寸的大小，在本申请中微显示屏或微投影仪的尺寸需要满足能够设置在眼镜上的尺寸要求，但是具体的尺寸可根据实际的产品设备而定，在本申请中不做具体限定。
作为一个可选的方案，可穿戴设备还可包含准直透镜组40，准直透镜组40设置在显示装置30的出光面，并用于将传输图像的光线准直到耦入光栅。示例性的，准直透镜组40位于显示装置30与传输组件20之间，显示装置30发射出的发散的光线经过准直透镜组40准直后形成平行或者近似平行的光线进入到传输组件20中。
在微显示屏位于眼镜的一侧时，准直透镜组40也置于眼镜的同一侧，以保证可将光线准直进入到传输组件20中。
准直透镜组40即可包含单个透镜，也可包含多个透镜。示例性的，在采用单个透镜时，透镜可采用凸透镜、凹透镜、三棱镜等不同的透镜。在采用多个透镜时，可以采用凸透镜和凹透镜组合形成的透镜组，只要组成的准直透镜组40具备将发散的光线准直形成平行的光线即可。
一并参考图4，图4示出了传输组件20的结构示意图。传输组件20内用于传输显示图像对应的光线。其主体结构为介质层21，示例性的，该介质层21可以为玻璃、树脂等可传输光线的光波导。
介质层21的长度方向沿第一方向，第一方向为镜片的长度方向。介质层21在与镜片配合时，介质层21部分插入到镜片中，部分外露在镜片外。为方便描述，将介质层21按照区域划分为第一区域、第二区域和第三区域。第一区域位于镜片中，第二区域位于第一区域和第三区域之间，第三区域朝向显示装置。
在工作时，第三区域作为介质层21的输入区域，显示装置发射的光线可从第三区域射入，并在介质层21中传播，并在第二区域内传输后，进入到第三区域。第一区域作为传输组件20的输出区域。光线从第一区域进入到镜片中，并在镜片上进行显示。
传输组件20还包括耦入光栅24和耦出光栅23。耦入光栅24用于将显示图像对应的光线耦入到介质层21内进行传播，耦出光栅23用于将显示图像对应的光线耦出介质层21。显示图像对应的光线从介质层21耦出后穿过镜片进入人眼中，以实现虚拟图像的显示。在设置耦入光栅24和耦出光栅23时，耦入光栅24和耦出光栅23分别位于介质层21的两端，其中，耦入光栅24位于介质层21的第一区域，显示图像对应的光线通过耦入光栅24耦入到介质层21中；耦出光栅23位于介质层21的第三区域，显示图像对应的光线通过耦出光栅23耦出到镜片中，并透过镜片进入人眼，从而使得人眼接收到显示图像对应的光线，实现虚拟显示。
光线在介质层21内反射时，若仅通过介质层21传播，需要考虑介质层21的全反射角影响，而现有技术中为保证光线可在介质层21内反射，需要光线以一定的角度进入到介质层21内，从而造成虚拟图像在显示时的可视角度较小。为改善光线在介质层21内的传播情况，本申请实施例中的传输组件20设置了反射光栅22，该反射光栅22用于将显示图像对应的光线限定在介质层21内传输。以通过反射光栅22作为光路控制，实现光线的反射与传播，相比传统的全反射模式，显示图像对应的光线通过反射光栅22反射时，无需考虑光线在介质层21内传播时的临界角，因此显示图像对应的光线的入射角可以较小，从而实现较大的可视角显示。下面详细说明本申请实施例提供的反射光栅22。
本申请实施例提供的反射光栅22包括第一反射光栅222和第二反射光栅221，且第一反射光栅222和第二反射光栅221位于介质层21相对的两侧。其中，介质层21的相对的两侧指代的是介质层21朝向显示装置的一侧，以及背离显示装置的一侧。示例性的，第一反射光栅222位于介质层21朝向显示装置的一侧，第二反射光栅221位于介质层21背离显示装置的一侧。
第一反射光栅222和第二反射光栅221可通过刻蚀或者雕刻的方式直接形成在介质层21，也可通过其他方式直接固定在介质层21，如第一反射光栅222和第二反射光栅221通过粘接的方式与介质层21固定连接。
反射光栅22可采用不同类型的光栅，如第一反射光栅222和第二反射光栅221可为表面浮雕光栅或体全息光栅。即第一反射光栅222和第二反射光栅221可同时为表面浮雕光栅，或者第一反射光栅222和第二反射光栅221同时为体全息光栅。
第一反射光栅222和第二反射光栅221在采用表面浮雕光栅时，可采用不同类型的反射式表面浮雕光栅，如图5所示的阶梯型表面浮雕光栅、图6所示的矩形表面浮雕光栅或者如图7所示的楔形表面浮雕光栅。
光线在光栅处发生衍射效应，单色光会出现分光，通过光栅结构控制其中某一个衍射级数(反射或者透射)的强度最大，从而实现光线传播方向的改变。因此不同的类型光栅可根据光栅参数对不同的透射、反射级数及强度分布进行调控，以控制光线的传播方向。
继续参考图5，图5中的部分标号可参考图4中的相同标号的描述。在阶梯型表面浮雕光栅中，可以通过调控倾角θ、光栅周期n、光栅高度m、占空比b以及阶梯宽度a、阶梯高度c实现不同反射级数和反射角度。示例性的，R0为反射零级，R1为反射一级，T0为透射零级，对于其他透射级数和反射级数，本实施例暂未体现。当一定波长的入射光I进入光栅之后各级的反射光线和透射光线的强度可以由光栅周期n、光栅高度m及占空比b等参数调节。在本实施例中，反射一级R1的强度最大，反射一级R1遇到第一反射光栅222后，反射一级R1的光线强度最大，并且保持与入射光线I相同的入射角，以保证光线在介质层21中传播的角度一致，避免在耦出光栅射出的光线出现“彩虹效应”。
同理，对于图6和图7所示的矩形型表面浮雕光栅和楔形表面浮雕光栅，反射光线的角度和强度也通过光栅周期、占空比等参数调控，在此不再赘述。
此外，反射光栅也可以是体全息光栅，如图8所示。体全息光栅对光线调制作用由光栅周期n，倾角θ以及折射率调制系数△n控制。其中
n2为填充线部分的折射率，n1为母材的折射率，通过这些参数，实现光线强度和角度的调控。
在本申请实施例中，通过采用反射式光栅进行光线控制，传播角度由光栅参数控制，光线传播角度取值范围大。结合图2所示的可视角度示意图，以α示意为光线在本申请实施例提供的传输组件的传输角度，α'示意为光线在现有技术中的光波导在全反射式传输时对应的角度，α'≥临界角度，而本申请中由于采用反射光栅控制光线传播，α可以小于临界角，因此，本申请实施例提供的传输组件可提供更大的可视角。
耦入光栅23和耦出光栅24在设置时，可采用不同类型的光栅，即可采用反射型光栅，也可采用透射型光栅。
耦入光栅23和耦出光栅24可以采用衍射透射模式或衍射反射模式。如耦入光栅23和耦出光栅24均为衍射透射模式，或者耦入光栅23和耦出光栅24采用衍射反射模式。当然，耦入光栅23和耦出的光栅不限定同时为衍射透射或者衍射反射模式，亦可以是衍射透射和衍射反射模式的混合搭配，如耦入光栅23为衍射透射模式，耦出光栅24为衍射反射模式。下面结合附图，示例几种具体的耦入光栅23和耦出光栅24。
如图4中所示，耦入光栅23和耦出光栅24为透射型光栅，耦入光栅23和耦出光栅24位于介质层朝向显示装置的一侧，即耦入光栅23、耦出光栅24以及第一反射光栅222位于介质层的同一侧；第二反射光栅221位于介质层的另一侧。
在设置第一反射光栅222、第二反射光栅221以及耦入光栅23和耦出光栅24时，耦入光栅23、耦出光栅24与第一反射光栅222的长度之和不小于第二反射光栅221的长度，第一反射光栅222的长度小于第二反射光栅221的长度。示例性的，第一反射光栅222的长度为L1、第二反射光栅221的长度为L2、耦入光栅23的长度为L3、耦出光栅24的长度为L4，则满足：L1+L3+L4≥L2，且L1＜L2。从而使得第一反射光栅222和第二反射光栅221可对保证将光线限定在介质层内进行传播。
如图9所示，耦入光栅23和耦出光栅24还可为反射型光栅，耦入光栅23和耦出光栅24位于介质层背离显示装置的一侧。即耦入光栅23、耦出光栅24以及第二反射光栅221位于同一侧，第一反射光栅222位于介质层的另一侧。由光栅的结构可知，光栅可透过设定角度的光线，因此显示图像对应的光线可透过第二反射光栅222和介质层后传播到耦入光栅23，并通过耦入光栅23反射光线，反射后的光线通过第一反射光栅222和第二反射光栅221反射并限定在介质层内传播。
在设置第一反射光栅222、第二反射光栅221以及耦入光栅23和耦出光栅24时，耦入光栅23、耦出光栅24与第二反射光栅221位于同一侧，且所述耦入光栅23、耦出光栅24与第二反射光栅221的长度之和不小于第一反射光栅222的长度，第二反射光栅221的长度小于第一反射光栅222的长度。第一反射光栅222的长度为L1、第二反射光栅221的长度为L2、耦入光栅23的长度为L3、耦出光栅24的长度为L4，则满足：L2+L3+L4≥L1，且L2＜L1。
耦入光栅23和耦出光栅24可以是表面浮雕光栅或体全息光栅，表面浮雕光栅及体全息光栅的结构可参考图5～图8。作为一个可选的方案，反射光栅和耦入光栅23、耦出光栅24的类型一致，示例性的，反射光栅选择表面浮雕光栅，耦入光栅23和耦出光栅24同样选择表面浮雕光栅。由于光栅的类型一致时，因此反射光栅和耦入光栅23、耦出光栅24可以一次性制备，同时一次性沉积在光波导玻璃上，简化制备工艺，提高了良率。示例性的，耦入光栅和耦出光栅与第一反射光栅位于所述介质层的同一侧，耦入光栅和耦出光栅与第一反射光栅一体成型在所述介质层；或者，耦入光栅和耦出光栅与第二反射光栅位于所述介质层的同一侧，耦入光栅和耦出光栅与第二反射光栅一体成型在所述介质层。从而简化了传输组件的制备工艺。
参考图10和图11，图10示出了镜片与传输组件配合的正面示意图，图11示出了镜片与传输组件的侧面示意图。本申请实施例提供的可穿戴设备采用模块化组件，镜片10和传输组件20属于独立组件，两者之间采用可拆卸的连接方式连接。因此，可根据不同的使用者进行镜片10和传输组件20的选择。比如，近视用户可以选择屈光曲面镜片，传输组件20中的波导可采用常规光波导；又如安防人员仅需要单色的简单信息即可满足场景需求，可以选择平光的曲面镜片10，传输组件20中的光波导采用单色光波导。在采用上述模块化的结构时，有助于灵活组装和维修。当用户因为视力变化需要更换曲面镜片10时，可以将两者拆卸，只更换曲面镜片10。
一并参考图12，图12示出了镜片10的结构示意图，镜片10上设置有用于容纳传输组件20的凹槽11，该凹槽11一端开口，在装配时，传输组件20插入凹槽11并与镜片10固定连接。示例性的，可用透明的有机胶水将传输组件20和镜片10固定在一起，形成如图10所示的结构。若需要对眼镜进行维修更换，可使用有机胶水对应的有机溶剂将有机胶水溶解，便可以将曲面镜片10和传输组件20无损分离。
在具体制备镜片10时，根据用户使用要求，使用树脂注塑成型，且在注塑成型时留出凹槽11，示例性的，凹槽11对应的尺寸如下：厚度t约1～0.3mm的凹槽11，宽度w为15～30mm，深度d为20～40mm。应理解，上述尺寸仅为凹槽11的一个具体示例，在不同使用场景下，凹槽11的宽度和深度根据曲面镜片10大小可以进行调整。如在采用护目镜时，对应的深度可能需要调整至30～60mm。
对应的传输组件20的尺寸如下：长度为d+10mm，宽度为w-0.1mm，厚度为t-0.1mm；曲面镜片10和传输组件20装配时，传输组件20与凹槽11之间的间隙≤50μm。
在将传输组件20与镜片10组装时，将传输组件20插入曲面镜片10的凹槽11中，在传输组件20插入到凹槽内后，注入有机胶水固定和封装。有机胶水可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂等透明聚合物，在一定条件下有机胶水固化，从而起到固定传输组件20和封装效果。
由于有机胶水固化之后可以重新被溶解在对应的有机溶剂中，如丙酮，故当需要拆卸曲面镜片10或者光波导时，可通过有机溶剂将有机胶水溶解实现曲面镜片10和光波导的无损分离，便于更换和维修。
通过上述描述可看出，本申请实施例提供的可穿戴设备采用在光波导外围制备有反射光栅，用于控制光线的传播方向。区别于传统的全反射方式，反射光栅的好处在于无需考虑光波导外围介质的折射率，从而可保证高可视角显示。此外，可穿戴设备模块化的镜片10和光波导，可灵活拆卸组装，提高产品良率。
本申请实施例还提供了一种可穿戴设备的制备方法，该可穿戴设备包括镜片、传输组件和显示装置，方法包括以下步骤:
步骤001：将所片和传输组件固定连接；
首先，在镜片内设置有凹槽。如根据用户使用要求，制备曲面镜片，在铸造成型时形成厚度t约1～0.3mm、宽度w为15～30mm、深度d为20～40mm的凹槽。不同使用场景下，凹槽的宽度和深度根据曲面镜片大小可以进行调整。比如，护目镜，对应的深度可能需要调整至30～60mm。
镜片与传输组件组装。将传输组件插入镜片的凹槽内，并通过有机胶水粘接连接。示例性的，在传输组件插入到凹槽内后，注入有机胶水固定和封装。有机胶水可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂等透明聚合物，在一定条件下有机胶水固化，从而起到固定光波导和封装效果。
由于有机胶水固化之后可以重新被溶解在对应的有机溶剂中，如丙酮，故当需要拆卸曲面镜片或者光波导时，可通过有机溶剂将有机胶水溶解实现曲面镜片和光波导的无损分离，便于更换和维修。
其中，传输组件包括介质层以及反射光栅；反射光栅设置在介质层外侧，介质层内用于传输显示图像对应的光线，反射光栅用于将显示图像对应的光线限制在介质层内传输。
步骤002：设置显示装置。
具体的，显示装置用于提供显示图像，在装配时，将显示装置固定在眼镜的镜框或者镜腿上，且显示装置的出光面朝向传输组件的耦入光栅，以使得显示装置发射出的光线可通过耦入光栅耦入到介质层内。
本申请实施例还提供了一种传输组件的制备方法，该制备方法用以制备可穿戴设备中的传输组件。该制备方法包括：
步骤01：设置介质层。
具体的，采用玻璃、树脂等可传播光线的光波导制备介质层。该介质层内用于传输显示图像对应的光线；
步骤02：在介质层的外侧设置反射光栅。
反射光栅用于将显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。为了实现光线在介质层内的反射和传输，在介质层相对的两侧制备反射光栅，控制光线的传播方向。具体的，在介质层的第一侧设置第一反射光栅；在介质层的第二侧设置第二反射光栅。其中，第一侧和第二侧为介质层相对的两侧，第一反射光栅和第二反射光栅用于将显示图像对应的光线。
步骤03：在介质层上制备耦入光栅和耦出光栅；
具体的，耦入光栅用于将显示图像对应的光线耦入介质层内；耦出光栅用于将显示图像对应的光线耦出介质层；显示图像对应的光线从介质层耦出后穿过镜片进行入人眼。
反射光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。耦入耦出和耦出光栅亦可以是表面浮雕光栅或体全息光栅。优选的，反射光栅和耦入光栅、耦出光栅的类型一致，比如反射光栅选择表面浮雕光栅，那么耦入光栅和耦出光栅同样选择表面浮雕光栅。从而在制备时，反射光栅和耦入光栅、耦出光栅可以一体制备在介质层。如反射光栅和耦入光栅、耦出光栅采用一次性沉积在介质层上，简化制备工艺，提高了良率。示例性的，耦入光栅和耦出光栅与第一反射光栅位于所述介质层的同一侧，耦入光栅和耦出光栅与第一反射光栅一体成型在所述介质层；或者，耦入光栅和耦出光栅与第二反射光栅位于所述介质层的同一侧，耦入光栅和耦出光栅与第二反射光栅一体成型在所述介质层。从而简化了传输组件的制备工艺。
本申请实施例还提供了一种图像显示的方法，所述方法应用于可穿戴设备，可穿戴设备包括镜片、显示装置以及传输组件，所述镜片内设置有凹槽；所述传输组件插入所述凹槽内，所述传输组件与所述镜片固定连接，所述方法包括：通过所述传输组件将所述显示装置提供的显示图像对应的光线传输至所述镜片；其中，传输组件包括介质层以及反射光栅，反射光栅设置在介质层外侧，介质层内用于传输显示图像对应的光线，反射光栅用于将显示图像对应的光线限制在介质层内传输。示例性的，反射光栅包括第一反射光栅和第二反射光栅；其中，第一反射光栅和第二反射光栅位于所述介质层相对的两侧。第一反射光栅的面积小于第二反射光栅的面积，第一反射光栅、耦入光栅和耦出光栅一体制备在介质层的同一侧。具体的，可参考图3和图4中关于可穿戴设备中显示装置、传输组件以及镜片的使用说明。
该方法还包括：通过耦入光栅将所述显示图像对应的光线耦合所述介质层内；通过耦出光栅将所述显示图像对应的光线耦出所述介质层；其中，所述显示图像对应的光线从所述介质层耦出后穿过所述镜片进行入人眼。具体的可参考图4中关于传输组件使用的说明。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (21)
1.一种可穿戴设备，其特征在于，包括：镜片、显示装置以及传输组件，所述镜片内设置有凹槽，所述传输组件插入所述凹槽内，所述传输组件与所述镜片固定连接；其中，
所述显示装置用于提供显示图像；
所述传输组件用于将所述显示图像对应的光线传输至所述镜片；
其中，所述传输组件包括介质层以及反射光栅，所述反射光栅设置在所述介质层外侧，所述介质层内用于传输所述显示图像对应的光线，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
2.如权利要求1所述的可穿戴设备，其特征在于，所述镜片与所述传输组件可拆卸的固定连接。
3.如权利要求2所述的可穿戴设备，其特征在于，所述传输组件与所述镜片之间通过有机胶水粘接连接。
4.如权利要求1至3任一项所述的可穿戴设备，其特征在于，所述反射光栅包括第一反射光栅和第二反射光栅；其中，
所述第一反射光栅和所述第二反射光栅位于所述介质层相对的两侧。
5.如权利要求1～4任一项所述的可穿戴设备，其特征在于，所述反射光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。
6.如权利要求1～5任一项所述的可穿戴设备，其特征在于，所述传输组件还包括耦入光栅和耦出光栅；
所述耦入光栅用于将所述显示图像对应的光线耦入所述介质层内；
所述耦出光栅用于将所述显示图像对应的光线耦出所述介质层；
其中，所述显示图像对应的光线从所述介质层耦出后穿过所述镜片进行入人眼。
7.如权利要求6所述的可穿戴设备，其特征在于，在所述反射光栅包含第一反射光栅和第二反射光栅时，所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第一反射光栅位于所述介质层的同一侧，且所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第一反射光栅一体成型；或，
所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第二反射光栅位于所述介质层的同一侧，且所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第二反射光栅一体成型。
8.如权利要求6或7所述的可穿戴设备，其特征在于，所述耦入光栅为反射型光栅或透射型光栅；
所述耦出光栅为反射型光栅或透射型光栅。
9.如权利要求8所述的可穿戴设备，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为透射型光栅；
所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述介质层朝向所述显示装置的一侧。
10.如权利要求8所述的可穿戴设备，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅均为反射型光栅；
所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述介质层背离所述显示装置的一侧。
11.如权利要求1～10任一项所述的可穿戴设备，其特征在于，还包括准直透镜组；所述准直透镜组设置在所述显示装置的出光面，所述准直透镜用于将所述传输所述显示图像的光线准直到所述耦入光栅。
12.一种可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述可穿戴设备包括镜片、传输组件和显示装置，所述方法包括以下步骤：
将所述镜片和所述传输组件固定连接；
设置所述显示装置；所述显示装置用于提供显示图像，其中，
所述传输组件包括介质层以及反射光栅；所述反射光栅设置在所述介质层外侧，所述介质层内用于传输所述显示图像对应的光线，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
13.如权利要求12所述的可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述镜片内设置有凹槽，所述将所述镜片中和所述传输组件固定连接，包括：
将所述传输组件插入到所述凹槽内，并通过有机胶水粘接连接。
14.一种传输组件的制备方法，其特征在于，包括：
设置介质层，所述介质层内用于传输显示图像对应的光线；
在所述介质层的外侧设置反射光栅，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
15.如权利要求14所述的传输组件的制备方法，其特征在于，所述在所述介质层的外侧设置反射光栅，具体包括：
在所述介质层的第一侧设置所述第一反射光栅；
在所述介质层的第二侧设置所述第二反射光栅；
其中，所述第一侧和所述第二侧为所述介质层相对的两侧，所述第一反射光栅和所述第二反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
16.如权利要求15所述的传输组件的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述介质层上制备耦入光栅和耦出光栅；
其中，所述耦入光栅用于将所述显示图像对应的光线耦入所述介质层内；
所述耦出光栅用于将所述显示图像对应的光线耦出所述介质层；所述显示图像对应的光线从所述介质层耦出后穿过所述镜片进行入人眼。
17.如权利要求16所述的传输组件的制备方法，其特征在于，
所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第一反射光栅一体制备在所述介质层的所述第一侧；或，
所述耦入光栅和所述耦出光栅与所述第二反射光栅一体制备在所述介质层的所述第二侧。
18.一种图像显示的方法，其特征在于，所述方法应用于可穿戴设备，所述可穿戴设备包括镜片、显示装置以及传输组件，所述镜片内设置有凹槽；所述传输组件插入所述凹槽内，所述传输组件与所述镜片固定连接，所述方法包括：
通过所述传输组件将所述显示装置提供的显示图像对应的光线传输至所述镜片；
其中，所述传输组件包括介质层以及反射光栅，所述反射光栅设置在所述介质层外侧，所述介质层内用于传输所述显示图像对应的光线，所述反射光栅用于将所述显示图像对应的光线限制在所述介质层内传输。
19.如权利要求18所述的图像显示的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过耦入光栅将所述显示图像对应的光线耦合所述介质层内；
通过耦出光栅将所述显示图像对应的光线耦出所述介质层；
其中，所述显示图像对应的光线从所述介质层耦出后穿过所述镜片进行入人眼。
20.如权利要求18或19所述的图像显示的方法，其特征在于，所述反射光栅包括第一反射光栅和第二反射光栅；其中，
所述第一反射光栅和所述第二反射光栅位于所述介质层相对的两侧。
21.如权利要求20所述的图像显示方法，其特征在于，所述第一反射光栅的面积小于所述第二反射光栅的面积，所述第一反射光栅、所述耦入光栅和所述耦出光栅一体制备在所述介质层的同一侧。
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Address after: Room 101, No. 2 Hongqiaogang Road, Qingpu District, Shanghai, 201721 Applicant after: Haisi Technology Co.,Ltd. Address before: Room 101, 318 Shuixiu Road, Jinze town (xicen), Qingpu District, Shanghai, 201799 Applicant before: Shanghai Haisi Technology Co.,Ltd. |