CN116381949B - 一种显示模组 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种显示模组，涉及光学显示技术领域，本申请的显示模组，包括激光束扫描光源以及沿激光束扫描光源出光方向依次设置的光学复制组件和衍射元件，激光束扫描光源出射的激光束经光学复制组件分束为多组呈夹角出射的分束光，多组分束光分别经过衍射元件衍射出射并在预设观察区域会聚形成视点。本申请提供的显示模组，能够在视网膜显示的基础上，增大眼盒。

Description

一种显示模组

技术领域

本申请涉及光学显示技术领域，具体而言，涉及一种显示模组。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，这种利用增强现实技术的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。

激光光束扫描（Laser Beam Scanning,LBS）以其亮度高，体积小，可量产的优点备受从业者的关注。LBS出瞳直径小于人眼瞳孔直径，经过瞳孔入射视网膜后形成清晰的点，具有较大的景深，使得人眼在一个很大的范围内都能聚焦虚像画面，形成视网膜投影显示。但是，由于激光光束扫描出瞳直径较小，使其成像的眼盒相应较小。传统的扩大LBS的眼盒有两种方式，一种是增大LBS的出瞳直径，另一种是利用光波导对光束多次耦出实现扩瞳。增大LBS出瞳直径，使其大于人眼瞳孔直径，将无法实现视网膜投影，使用者容易疲劳和眩晕。多次耦出扩瞳，需保证两个出瞳之间的间隔不能太大，否则眼球在移动时画面将出现间隔的暗影，要求配合的波导厚度很薄，将会提高波导的加工难度，增加波导形变引起重影的可能。

发明内容

本申请的目的在于提供一种显示模组，能够在视网膜显示的基础上，增大眼盒。

本申请的实施例一方面提供了一种显示模组，包括激光束扫描光源以及沿激光束扫描光源出光方向依次设置的光学复制组件和衍射元件，激光束扫描光源出射的激光束经光学复制组件分束为多组呈夹角出射的分束光，多组分束光分别经过衍射元件衍射出射并在预设观察区域会聚形成视点。

作为一种可实施的方式，光学复制组件包括沿激光束扫描光源出光方向依次设置的准直光学元件和分束元件，激光束扫描光源出射的激光束经准直光学元件形成平行光，平行光经过分束元件分束为多组呈夹角出射的分束光；或者，光学复制组件为一体成型的具有光焦度的衍射器件，激光束扫描光源出射的激光束被衍射分为多组分束光，且每一组分束光为平行光。

作为一种可实施的方式，准直光学元件为准直透镜，分束元件为衍射件，平行光经过衍射件衍射出多级衍射光，以形成多组分束光。

作为一种可实施的方式，平行光经过衍射件衍射出零级衍射光、正一级衍射光以及负一级衍射光，零级衍射光、正一级衍射光以及负一级衍射光作为三组分束光入射衍射元件。

作为一种可实施的方式，准直光学元件为准直透镜，分束元件包括依次设置在准直光学元件出光侧的偏振片和偏振分束元件，平行光经过偏振片形成线偏振光，线偏振光经过偏振分束元件形成多束分束光。

作为一种可实施的方式，偏振分束元件为PB元件，线偏振光经过PB元件形成三束分束光；或者，偏振分束元件为偏振衍射件，线偏振光经过偏振衍射件形成三束分束光。

作为一种可实施的方式，光学复制组件包括层叠设置的第一光学复制件和第二光学复制件，第一光学复制件和第二光学复制件分别将平行光在相互垂直的两个平面内进行分束。

作为一种可实施的方式，显示模组还包括光波导，衍射元件设置于光波导的耦出面上，分束光在光波导内经过至少一次全反射后经衍射元件衍射出射。

作为一种可实施的方式，相邻两束分束光的光轴之间的夹角在5º-10º的范围内。

作为一种可实施的方式，相邻两束分束光的光轴之间的夹角为8º。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的显示模组，包括激光束扫描光源以及沿激光束扫描光源出光方向依次设置的光学复制组件和衍射元件，激光束扫描光源出射的激光束经光学复制组件和衍射元件在预设观察区域会聚形成视点，以使光线进入人眼成像。由于激光扫描光源发出的光束出瞳直径小于人眼瞳孔，可以实现视网膜显示，使得人眼在一个很大的范围内都能聚焦虚像画面，解决辐辏冲突问题，避免用户出现疲劳和眩晕的感觉。但同时，由于激光扫描光源的出瞳直径小，因此眼盒也很小，对用户的体验感有很大影响。传统的扩瞳方案中，增大激光光束的出瞳直径将无法实现视网膜显示，而利用光波导对光束多次耦出实现扩瞳则需要所用的光波导厚度极薄，以避免出现暗影间隔，但波导过薄无法保证其机械强度，使得波导容易变形引起重影问题。本申请中，激光光束经光学复制组件分束为多组呈夹角出射的分束光，多组分束光分别经过衍射元件衍射出射并在预设观察区域会聚形成视点，由于多个分束光的光轴之间具有预设夹角，使得多组分束光照射到衍射元件上的入射角不同，各个分束光投射到衍射元件的光斑相互错位，这样，经过衍射元件的衍射出射，衍射元件上不同位置对以不同角度入射的光线发生衍射出射，将多组分束光衍射出射并在预设观察区域会聚形成多个视点，多个视点分散于预设观察区域内，从而使得多个视点占据一定的宽度，实现扩瞳，无需增大激光束扫描光源的出瞳直径，也无需光波导的多次耦出，使得本申请能够在实现视网膜成像的同时，无需减小波导的厚度，保证了波导的机械强度，并能增大显示模组成像的眼盒，提高用户的体验感，具有较好的显示效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种显示模组的结构示意图之一；

图2为图1的显示模组的光路简化图；

图3为本申请实施例提供的一种显示模组的结构示意图之二；

图4为图3的显示模组的光路示意图；

图5为本申请实施例提供的一种显示模组的结构示意图之三；

图6为本申请实施例提供的一种显示模组的结构示意图之四。

图标：10-显示模组；11-激光束扫描光源；12-准直光学元件；13-分束元件；131-衍射件；132-偏振片；133-PB元件；134-偏振衍射件；135-第一衍射光栅；136-第二衍射光栅；14-衍射元件；15-光波导；16-基底；17-光学复制组件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

应用于AR设备的显示模组10，应当具有较大的视场角、眼盒和高亮度图像以提高使用者的体验，LBS具有较高的亮度和较大视场角，且其具有很大的景深，避免用户在使用过程中容易出现的疲劳和眩晕，解决辐辏冲突问题。但是其出瞳直径较小，使得人眼能够看到的虚拟图像的眼盒较小。

本申请提供了一种显示模组10，如图1、图3、图5和图6所示，包括激光束扫描光源11以及沿激光束扫描光源11出光方向依次设置的光学复制组件17和衍射元件14，激光束扫描光源11出射的激光束经光学复制组件17分束为多组呈夹角出射的分束光，多组分束光分别经过衍射元件14衍射出射并在预设观察区域会聚形成视点。

本申请实施例提供的显示模组10，应用于AR设备，具体的，本申请实施例的显示模组10，采用激光束扫描光源11作为激光束的发生器，激光束具有亮度高的优点。在此基础上，激光束扫描光源11的出瞳直径较小，本申请实施例在激光束扫描光源11的出光侧设置光学复制组件17，将激光束扫描光源11出射的激光束准直并分束为多组分束光，其中，多组分束光为平行光且其光轴之间具有预设夹角，多组分束光分别经过衍射元件14衍射并出射在预设观察区域会聚形成视点，由于多个分束光的光轴之间具有预设夹角，使得多组分束光照射到衍射元件14上的入射角不同，各个分束光投射到衍射元件14的光斑相互错位，这样，经过衍射元件14的衍射出射，衍射元件14上不同位置对以不同角度入射的光线发生衍射出射，将多组分束光衍射出射并在预设观察区域会聚形成多个视点，多个视点分散于预设观察区域内，从而使得多个视点占据一定的宽度，实现扩瞳。

当人眼位于视点位置时，激光光束通过瞳孔进入人眼，使视网膜上相应位置出现光感，以使人眼感知到图像，实现AR显示，本申请采用视网膜成像，使得人眼在相当大的范围内都能看清显示图像，可以使人眼的聚焦距离范围扩大，在3D显示时可以避免辐辏冲突。

衍射元件14上不同位置对以不同角度入射的光线发生衍射出射，可以理解的是，衍射元件14为复用的衍射元件，具体的，衍射元件14可以是复用的单片衍射件，也可以是多片具有单一功能的衍射件叠加贴合形成的复用衍射元件14。

另外，衍射元件14能够将多个分束光反射会聚形成不同的视点，所以，衍射元件14具有一定的光焦度。

可选的，光学复制组件17包括沿激光束扫描光源11出光方向依次设置的准直光学元件12和分束元件13，激光束扫描光源11出射的激光束经准直光学元件12形成平行光，平行光经过分束元件13分束为多组呈夹角出射的分束光；或者，光学复制组件17为一体成型的具有一定光焦度的衍射器件，激光束扫描光源11出射的激光束被衍射分为多组分束光，且每一组分束光为平行光。

其中，准直光学元件12的具体形式本申请实施例不做限制，只要能将激光束扫描光源11出射的发散光准直形成平行光即可，示例的，可以是如图1所示的凸透镜。凸透镜不改变激光束光轴的方向，且结构相对简单、准直效果较好。另外，对于分束元件13的具体形式，本申请实施例也不做限制，只要能够平行光分束为多组分束光即可。

可选的，如图1和图3所示，准直光学元件12为准直透镜，分束元件13为设置在准直透镜出光侧的衍射件131，平行光经过衍射件131衍射出多级衍射光，以形成多组分束光。

作为一种可实施的方式，平行光经过衍射件131衍射出零级衍射光、正一级衍射光以及负一级衍射光，零级衍射光、正一级衍射光以及负一级衍射光作为三组分束光入射衍射元件14。

当分束元件13为透射式衍射件131，平行光经透射式衍射件131时，根据透射式衍射件131的衍射原理，平行光被衍射出零级衍射光、正一级衍射光和负一级衍射光，零级衍射光、正一级衍射光和负一级衍射光作为三组分束光入射衍射元件14，以图1为例，激光束经过准直光学元件12准直后，再经透射式衍射件131的衍射，形成了正一级衍射光（如图1和图2中的虚线所示）、零级衍射光（如图1和图2中的实线所示）、以及负一级衍射光（如图1和图2中的点划线所示），其中，图1中的各线型为对应的分束光的边缘，图2中的各线型为对应的分束光的光轴方向，由图1可以看出，三个视点之间具有间距，以实现扩瞳。

需要说明的是，为了实现较好的显示效果，避免分光束之间的串扰，则需要各组平行光投射在衍射元件14上的光斑错位较多，因此，各组分束光的光轴之间具有预设夹角，以使各组分束光以不同的角度入射衍射元件14，本申请实施例为了实现较好的显示效果，将预设夹角设置为大于5°。优选地，如图2所示，相邻两束分束光的光轴之间的夹角在5º-10º的范围内。进一步地，夹角为8°。

需要说明的是，因为人眼的观察范围有限，超大的眼盒会超出人眼的观察范围，不利于观察，所以，各个视点之间的距离不能过大，应当与人的瞳孔直径大小相当，具体地，可以根据眼镜的尺寸、透射式衍射件131到衍射元件14之间的距离进行设计，本申请在此不做具体限定。

另外，为了提高预设观察区域处各个视点的光的均匀性，可以对应调整透射式衍射件131，使得零级衍射光、正一级衍射光和负一级衍射光的亮度相同，这样，三束光经过衍射元件14衍射反射后，在预设距离处会聚的视点的光的亮度相同，从而使得各个视点处的光均匀分配。

可以理解的是，当透射式衍射件131为衍射光栅时，可以将透射式衍射件131设置于准直光学元件12的出光面上，如图1所示，这样能够减少显示模组10中元件的个数，减小AR设备的体积，也便于显示模组10的调试。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1所示，透射式衍射件131使平行光分束为三束分束光并入射衍射元件14，在预设观察区域形成3个视点。其中，如图1所示，相邻两个视点之间的距离在2-4mm之间，从而使得三个视点的最宽距离与人眼的通孔大小接近，不会形成暗影间隔。

可选的，光学复制组件17包括层叠设置的第一光学复制件和第二光学复制件，第一光学复制件和第二光学复制件分别将平行光在相互垂直的两个平面内进行分束。第一光学复制件用于在第一平面内对光束进行分束，第二光学复制件用于在第二平面内对光束进行分束，第一平面与第二平面垂直。

具体的，如图3和图4所示，第一光学复制件包括第一衍射光栅135，第二光学复制元件包括第二衍射光栅136，第一衍射光栅135和第二衍射光栅136的衍射方向相互垂直，平行光依次经过第一衍射光栅135和第二衍射光栅136分束。

如图4所示，激光束扫描光源11出射的激光束经过第一衍射光栅135衍射并出射零级衍射光、正一级衍射光以及负一级衍射光三束光，三束光的传播方向位于第一平面上，上述三束光再入射第二衍射光栅136，第二衍射光栅136分别对上述三束光进行再次衍射出射，由于第一衍射光栅135和第二衍射光栅136的衍射方向相互垂直，使得上述三束光中的每一束再次衍射出的零级衍射光、正一级衍射光以及负一级衍射光位于第二平面上，第二平面与第一平面相互垂直，使得平行光经过第一衍射光栅135和第二衍射光栅136衍射后，平行光被分束为三行三列阵列式排布的分束光，分束光分别经过衍射元件14衍射出射并在预设观察区域会聚形成三行三列的视点，实现二维扩瞳。需要说明的是，相邻两个视点之间的距离在2-4mm之间，从而使得行列式中每行或每列中三个视点的最宽距离与人眼的通孔大小接近，不会形成暗影间隔。

本申请实施例的一种可实现的方式中，衍射元件14为衍射光栅时，显示模组10还包括基底16，衍射元件14设置于基底16的表面上。

当衍射元件14为衍射光栅时，本领域技术人员应当知晓，衍射光栅的需要制备在基底16上。

需要说明的是，衍射元件14为衍射光栅时，衍射元件14的具体形式本申请实施例不做限制，可以为体全息光栅，体全息光栅具有良好的入射光波长选择性和入射角度选择性，当入射光角度和波长满足布拉格条件时，体全息光栅的衍射效率很高。此外，体全息光栅厚度一般为十几至几十微米，可使结构又轻又薄，可以实现轻薄化设计。具体的，体全息光栅的材料可以是重铬酸盐明胶，银盐，聚合物或者其他已知可以用于体全息光栅的材料。

另外，第一衍射光栅135和第二衍射光栅136与衍射元件14类似，也可采用体全息光栅。

可选的，本申请中分束元件13可以为偏振分束元件。如图5所示，分束元件13包括依次设置在准直光学元件12出光侧的偏振片132和PB元件133，平行光经过偏振片132形成线偏振光，线偏振光经过PB元件133形成三束分束光。

当分束元件13为偏振片132和PB元件133时，激光束扫描光源11出射的激光束经准直光学元件12准直后形成平行光，平行光经过偏振片132后形成线偏振光，线偏振光入射PB元件133，PB元件133能够使得左旋偏振光和右旋偏振光以相对零级光的对称且相反的传播方向透射，线偏振光为左旋偏振光和右旋偏振光的叠加，当线偏振光入射PB元件133后，被PB元件133分成为沿原方向透射的第一光束（如图5中的实线光线所示）、左旋偏振光和右旋偏振光经过具有角度的透射后形成关于第一光束对称的第二光束和第三光束（如图5中的虚线和点划线所示），第一光束、第二光束和第三光束由光波导15的耦入面耦入光波导15，并在光波导15内经过至少一次全反射后由衍射元件14衍射出射。

由于第一光束、第二光束和第三光束之间具有预设夹角，使得第一光束、第二光束和第三光束经过光波导15全反射后入射衍射元件14的角度不同，第一光束、第二光束和第三光束作为三个分束光，各个分束光投射到衍射元件14的光斑相互错位，这样，衍射元件14上不同位置对以不同角度入射的光线发生衍射出射，将多组分束光衍射出射并在预设观察区域会聚形成多个视点，多个视点间隔设置，从而使得多个视点占据一定的宽度，实现扩瞳。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图6所示，分束元件13为依次设置在准直光学元件12出光侧的偏振片132和偏振衍射件134，平行光经过偏振片132形成线偏振光，线偏振光经过偏振衍射件134形成三束分束光。

与图5中的显示模组10相似，本申请实施例的分束元件13采用偏振片132和偏振衍射件134，其中，偏振衍射件134和PB元件133的作用相同，能够使得左旋偏振光和右旋偏振光以相对零级光的对称且相反的传播方向透射。具体工作原理上述实施例相同，在此不做赘述。

可选的，如图5和图6所示，显示模组10还包括光波导15，衍射元件14设置于光波导15的耦出面上，分束光在光波导15内经过至少一次全反射后经衍射元件14衍射出射。

根据实际情况，需要激光束传播较远的距离时，可以设置光波导15，如图5和图6所示，将衍射元件14设置于光波导15的耦出面上，由分束元件13分成的各组分束光先由光波导15的耦入面耦入光波导15，并在光波导15内进行至少一次全反射，最后入射衍射元件14，经过衍射元件14衍射出射并在预设观察区域处形成视点。

其中，对于光波导15的材质，本申请不做限制，示例的，可以是玻璃，或者是塑料，或者是树脂。光波导15耦入的方式本申请实施例也不做限制，可以是斜面，或者棱镜，或者光栅。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种显示模组，其特征在于，包括激光束扫描光源（11）以及沿所述激光束扫描光源（11）出光方向依次设置的光学复制组件（17）和衍射元件（14），所述激光束扫描光源（11）出射的激光束经所述光学复制组件（17）分束为多组呈夹角出射的分束光，多组所述分束光分别经过所述衍射元件（14）衍射出射并在预设观察区域会聚形成视点，所述光学复制组件包括准直光学元件以及分束元件，所述激光束扫描光源（11）出射的激光束经所述准直光学元件（12）形成平行光，所述分束元件包括衍射件，所述平行光经过所述衍射件（131）衍射出多级衍射光，以形成多组分束光；或者，所述分束元件包括偏振片（132）和偏振分束元件；所述平行光经过所述偏振片（132）形成线偏振光，所述线偏振光经过偏振分束元件形成多束分束光；或者，所述光学复制组件（17）为一体成型的具有光焦度的衍射器件，所述激光束扫描光源（11）出射的激光束被所述衍射器件衍射分为多组分束光，且每一组分束光为平行光。

2.根据权利要求1所述的显示模组，其特征在于，所述平行光经过所述衍射件（131）衍射出零级衍射光、正一级衍射光以及负一级衍射光，所述零级衍射光、所述正一级衍射光以及所述负一级衍射光作为三组分束光入射所述衍射元件（14）。

3.根据权利要求1所述的显示模组，其特征在于，所述偏振分束元件为PB元件（133），所述线偏振光经过所述PB元件（133）形成三束分束光；或者，所述偏振分束元件（13）为偏振衍射件（134），所述线偏振光经过所述偏振衍射件（134）形成三束分束光。

4.根据权利要求1所述的显示模组，其特征在于，所述光学复制组件（17）包括层叠设置的第一光学复制件和第二光学复制件，所述第一光学复制件和所述第二光学复制件分别将平行光在相互垂直的两个平面内进行分束。

5.根据权利要求1所述的显示模组，其特征在于，还包括光波导（15），所述衍射元件（14）设置于所述光波导（15）的耦出面上，所述分束光在所述光波导（15）内经过至少一次全反射后经所述衍射元件（14）衍射出射。

6.根据权利要求1所述的显示模组，其特征在于，相邻两束分束光的光轴之间的夹角在5°-10°的范围内。

7.根据权利要求6所述的显示模组，其特征在于，相邻两束分束光的光轴之间的夹角为8°。