CN116400451A - 显示设备和眼镜 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种显示设备和眼镜，显示设备包括光波导、第一投射器、第二投射器、至少一个光感测组件和反馈追踪装置。第一投射器、第二投射器分别将波长为可见光波长的第一光、波长为第二波长的第二光投射至耦入装置。光感测组件与耦出装置对应设置，光感测组件包括至少一个成像装置。反馈追踪装置电连接至第一投射器和光感测组件。耦入装置将第一光和第二光耦入波导基板，耦出装置将第一光和第二光至少部分地耦出波导基板至人眼，光感测组件用于接收人眼反射的第二光，反馈追踪装置根据光感测组件接收的第二光调整第一投射器，使耦出装置耦出的第一光追随人眼的视线。本申请的显示设备结构简单，可以呈现眼动追踪的增强现实显示效果。
Description
技术领域
本申请总地涉及光学技术领域，更具体地涉及一种显示设备及眼镜。
背景技术
随着科学技术的发展，AR（Augmented Reality）增强现实技术作为一种十分智能、便携的显示技术正慢慢的走向大众，其主要特点是将虚拟画面叠加在现实场景之上，可以实现让人们在观看虚拟画面的同时还可以观看现实场景。
基于光波导的增强现实显示设备具有耦入装置和耦出装置，其中，耦入装置将载有图像信息的入射光耦入波导基板中。耦出装置对该载有图像信息的光进行传播和扩展，同时将光从波导基板中耦出，形成耦出光场。眼睛接收耦出光场的光，从而可以例如观察到入射光所载图像。
在类似的显示设备中，可以增加眼动追踪系统，该眼动追踪系统通过成像装置收集眼睛的虹膜、瞳孔、视网膜等图像来计算视觉中心点，从而获取眼球注视的方向，再反馈给图像投射装置，以将投射图像呈现在以眼球注视方向为中心的位置，实现投射图像实时保持在眼球正视中心的效果。
而目前具有眼动追踪功能的显示设备结构较为复杂，成像效果有待提高。因此，有必要对传统的显示设备进行改进，以解决至少一个技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本申请的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为至少部分地解决上述问题，本申请第一方面提供了一种显示设备，包括：
光波导，包括波导基板、耦入装置和至少一个耦出装置，所述耦入装置和所述耦出装置在所述波导基板上沿所述波导基板的长度方向排列；
第一投射器，用于将波长为可见光波长的第一光投射至所述耦入装置；
第二投射器，用于将波长为第二波长的第二光投射至所述耦入装置；
至少一个光感测组件，与所述耦出装置对应设置，所述光感测组件包括至少一个成像装置；和
反馈追踪装置，分别电连接至所述第一投射器和所述光感测组件，
其中，所述耦入装置用于将所述第一光和所述第二光耦入所述波导基板，所述耦出装置用于将所述第一光和所述第二光至少部分地耦出所述波导基板至人眼，所述至少一个光感测组件用于接收人眼反射的所述第二光，所述反馈追踪装置用于根据所述光感测组件接收的所述第二光调整所述第一投射器，以使所述耦出装置耦出的所述第一光追随人眼的视线。
根据本申请的显示设备，可以呈现具有眼动追踪功能的增强现实显示效果。其中，耦入装置可以同时用于将可见光波长的第一光和波长为第二波长的第二光耦入波导基板，耦出装置可以同时用于将第一光和第二光耦出波导基板，即第一光和第二光可共用一套波导耦合系统，实现耦入、耦出、扩展分光。本申请的显示设备中第二投射器用于眼动追踪的眼球照明光源，通过波导分光耦出后的照明光更加均匀，成像装置收集到的眼球图像质量更好。因此，本申请的显示设备结构简单，成本较低，眼球成像效果好。
可选地，所述第一投射器和所述第二投射器分别位于所述波导基板的沿厚度方向的两侧；或者
所述第一投射器和所述第二投射器同时位于所述波导基板的沿厚度方向的同侧。
根据本申请，第一投射器和第二投射器位置设置灵活，可以在波导基板的同侧，也可以在波导基板的异侧。
可选地，所述耦入装置包括第一耦入光栅和第二耦入光栅，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅的周期相同，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅沿所述波导基板的宽度方向排列，所述显示设备构造为使得所述第一光投射至所述第一耦入光栅，使得所述第二光投射至所述第二耦入光栅；或者
所述耦入装置包括第三耦入光栅，所述第一光和所述第二光均投射至所述第三耦入光栅。
根据本申请，耦入装置可以为一个光栅，也可以为两个不同的光栅。耦入装置为一个光栅时，第一光和第二光共用同一耦入光栅，结构简单。耦入装置为两个光栅时，两个光栅可以分别设置为适应于第一光、第二光的结构，使得对第一光和第二光的衍射效率更高。第一耦入光栅和第二耦入光栅的周期相同，第一耦入光栅和第二耦入光栅沿波导基板的宽度方向排列，使第一光和第二光分别入射到耦入光栅并衍射分光后可以共用同一耦出光栅耦出，进而使显示设备结构简单。
优选地，所述第一投射器和所述第二投射器分别位于所述波导基板沿厚度方向的两侧，所述耦入装置构造为第三耦入光栅，其中，所述第三耦入光栅用于透射式衍射所述第一光和所述第二光中的一个，并反射式衍射所述第一光和所述第二光中的另一个。
根据本申请，第一投射器和第二投射器分别位于波导基板沿厚度方向的两侧，第一光和第二光可以共用同一耦入光栅，可以使显示设备结构简单，容易制作，降低成本。
可选地，所述光波导包括两个所述耦出装置，第一耦出装置和第二耦出装置，所述耦入装置沿所述波导基板的长度方向位于所述第一耦出装置与所述第二耦出装置的中间位置；
所述第二投射器构造为用于向所述耦入装置投射两束不同方向的所述第二光，使得所述两束第二光分别通过所述第一耦出装置和所述第二耦出装置耦出至人眼。
根据本申请，采用一个投射器即可实现双眼的照明。耦入装置沿波导基板的长度方向位于第一耦出装置与第二耦出装置的中间位置，耦入装置向两侧分光，使双目均观察到第一光的图像，且双目均能被第二光照明。第二投射器向耦入装置投射两束不同方向的第二光，使用一个第二投射器可以使双目均被照明，显示设备的结构设计简单。
优选地，所述第一投射器和所述第二投射器分别位于所述波导基板的沿厚度方向的两侧，所述耦入装置构造为第三耦入光栅，其中，所述第三耦入光栅用于透射式衍射所述第一光和所述第二光中的一个，并反射式衍射所述第一光和所述第二光中的另一个。
根据本申请，在可以双目观察的显示设备中，第一投射器和第二投射器在波导基板的异侧设置，可以共用同一耦入光栅将投射的光衍射到耦出装置，使两眼球均可以观察到图像同时均被用于眼动追踪的投射光照明。相对于第一投射器和第二投射器在波导基板同侧设置的情况，可以减小耦入光栅的面积。
可选地，所述显示设备构造为使得所述两束第二光投射至所述第三耦入光栅的入射角相等。
根据本申请，两束第二光投射至耦入光栅的入射角相等，可以使光栅设计简单，耦出光波导的光出射角相同。
可选地，所述显示设备构造为使得所述第三耦入光栅向两侧衍射分光的效率相同。
根据本申请，双目接收到的光的强度相同。
可选地，所述第三耦入光栅具有对称结构。
根据本申请，第三耦入光栅具有对称结构可使得第三耦入光栅向两侧衍射分光的效率相同，两个耦出装置可以对称设置。
可选地，所述第三耦入光栅的表面构造有镀膜。
根据本申请，光栅表面镀膜可以提升衍射效率。
可选地，所述第二投射器包括两个光源，用于向所述耦入装置投射两束不同方向的所述第二光。
根据本申请，第二投射器向耦入装置投射两束不同方向的第二光，使用一个第二投射器可以使双目均被照亮。
可选地，所述第二投射器包括：
基板；
第一所述光源，设置至所述基板，用于发射第一束所述第二光，所述第一光源包括多个第一子光源；和
第二所述光源，设置至所述基板，用于发射第二束所述第二光，所述第二光源包括多个第二子光源，
其中，所述第一光源与所述第二光源在所述基板上间隔设置。
根据本申请，第二投射器采用两个光源可以分别设置不同的入射方向，使双目都能被照亮，由子光源组成光源阵列作为光源，对子光源的光强度要求较低。
可选地，所述第一光源和/或所述第二光源配置为垂直腔面发射激光器阵列。
根据本申请，由垂直腔面发射激光器阵列作为光源，对温度变化相对不太敏感，预期工作寿命长，并且光源构造方法简单。
可选地，所述光源配置为激光光源。
根据本申请，光源投射的光方向性好，亮度高。
可选地，所述光感测组件包括间隔设置的多个所述成像装置。
根据本申请，可以从多个角度获取眼球反射的光，对眼球的追踪效果更好。
可选地，所述第二光配置为红外光。
根据本申请，眼动追踪使用红外光照向人眼，不会影响人眼观察可见光图像且不伤害人眼。
可选地，所述耦出装置为二维光栅；或者
所述耦出装置包括第一光栅和第二光栅，所述第一光栅与所述耦入装置沿所述波导基板的长度方向排列，所述第一光栅与所述第二光栅沿所述波导基板的宽度方向排列，其中，所述第一光栅为一维光栅，用于将所述第一光和所述第二光衍射入所述第二光栅，所述第二光栅为一维光栅，用于将所述第一光和所述第二光衍射出所述波导基板至人眼。
根据本申请，耦出装置可以为二维光栅，对耦出光束的范围进行二维扩展，也可以通过设置两个一维光栅实现同样效果。
可选地，所述耦出装置用于直接将所述耦入装置耦入所述波导基板的所述第一光和所述第二光耦出所述波导基板；或者
所述耦出装置包括转折光栅和耦出光栅，其中，所述耦出光栅用于将经所述转折光栅传播的所述耦入装置耦入所述波导基板的所述第一光和所述第二光耦出所述波导基板。
根据本申请，耦出装置可以使用一个光栅实现二维扩展，也可以使用转折光栅和另一个光栅共同实现同样效果。
可选地，所述第一投射器和/或所述第二投射器包括准直镜。
根据本申请，通过准直镜可以使投射器投向耦入光栅的光束的方向性更好。
可选地，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
根据本申请的显示设备可以用于例如AR眼镜。
可选地，所述反馈追踪装置配置为用于根据所述光感测组件接收的所述第二光调整所述第一投射器，使得所述第一投射器投射的所述第一光相对于所述耦入装置的入射角度改变，以使所述耦出装置耦出的所述第一光追随人眼的视线。
根据本申请，反馈追踪装置可以根据光感测组件接收的人眼反射的第二光调整第一投射器的投射光的角度，使耦出装置耦出的第一光追随人眼的视线，即在眼球转动时，人眼观察到的图像仍位于视线方向的中心位置。
可选地，所述耦入装置构造为耦入光栅，所述显示设备构造为使得所述第二投射器向所述耦入光栅投射的所述第二光的入射角度大于6°。
根据本申请，第二光的入射角度大于6°时具有相对密集的耦出光斑分布，从而有均匀的照明效果。
可选地，所述显示设备构造为使得所述第二投射器向所述耦入光栅投射的所述第二光的入射角度大于20°。
根据本申请，第二光的入射角度大于20°时具有更密集的耦出光斑分布，有更均匀的照明效果。
本申请第二方面，还提供了一种眼镜，包括：
根据前述的技术方案所述的显示设备；
镜片；和
框架，用于将所述镜片保持在靠近人眼的位置，
其中，所述光波导嵌入在所述镜片中。
根据本申请的眼镜，使用一个第二投射器，与投射可见光的第一投射器共用一套耦入耦出系统，可实现双眼照明，进行眼动追踪，呈现增强现实显示效果，结构简单，成本较低，眼球成像效果好。
附图说明
本申请的下列附图在此作为本申请的一部分用于理解本申请。附图中示出了本申请的实施方式及其描述，用来解释本申请的原理。
图1为根据本申请的第一实施方式的显示设备的俯视示意图；
图2为根据本申请的第二实施方式的显示设备的侧视示意图；
图3为根据本申请的具体实施方式的显示设备的光波导的第一示例的正视示意图；
图4为根据本申请的具体实施方式的显示设备的光波导的第二示例的正视示意图；
图5为根据本申请的具体实施方式的显示设备的光波导的第三示例的正视示意图；
图6为根据本申请的第二实施方式的显示设备的俯视示意图；
图7为图6所示的显示设备的第二投射器投射第二光的示意图；
图8为根据本申请的具体实施方式的显示设备的耦入装置在不同参数下的第一光的耦入效率与第一光的入射角度的关系曲线示意图，其中，a曲线对应的耦入装置的参数为深度410nm、宽度185nm，b曲线对应的耦入装置的参数为深度260nm、宽度273nm；
图9为根据本申请的具体实施方式的显示设备的耦入装置在图8所示的参数下的第二光的耦入效率与第二光的入射角度的关系曲线示意图，其中，c曲线对应的耦入装置的参数为深度410nm、宽度185nm，d曲线对应的耦入装置的参数为深度260nm、宽度273nm；
图10为根据本申请的优选实施方式的眼镜的立体示意图。
附图标记说明：
100/200/300：显示设备
10/110/210/310：光波导
11/12：波导基板
20：耦入装置
21：第一耦入光栅
22：第二耦入光栅
23：第三耦入光栅
30：耦出装置
31：第一耦出装置
32：第二耦出装置
33：第一光栅
34：第二光栅
350：眼镜
351：镜片
352：框架
40：第一投射器
41：准直镜
50：第二投射器
51：准直镜
52：光源
52A：第一光源
52B：第二光源
53A：第一子光源
53B：第二子光源
54：基板
60：光感测组件
61：第一光感测组件
62：第二光感测组件
70：人眼
D1：波导基板的长度方向
D2：波导基板的宽度方向
D3：波导基板的厚度方向
L1：第二光的入射光
L2：第二光的耦出光
L3：光感测组件接收光
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的描述。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。显然，本申请实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本申请的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。
本申请中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。“第一”“第二”以及“第三”等词语的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为名称。
需要说明的是，本申请中所使用的术语“上”“下”“前”“后”“左”“右”“内”“外”以及类似的表述只是为了说明目的，并非限制。
本申请的第一方面提供一种显示设备，可以呈现眼动追踪的增强现实显示效果。其中，可见光和用于眼动追踪的照明光共用一套耦合系统，实现耦入、耦出和扩展分光。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。
如图1所示，第一实施方式的显示设备100包括光波导10、第一投射器40、第二投射器50、光感测组件60和反馈追踪装置（图中未示出）。其中，光波导10包括波导基板11、耦入装置20和至少一个耦出装置30。耦入装置20和耦出装置30在波导基板11上沿波导基板11的长度方向D1排列。第一投射器40用于将波长为可见光波长的第一光（图中未示出）投射至耦入装置20，第二投射器50用于将波长为第二波长的第二光投射至耦入装置20（如图1中光线L1）。光感测组件60与耦出装置30对应设置，光感测组件60包括至少一个成像装置。如图1中所示的光波导10包括一个耦出装置30和一个光感测组件60，当光波导10包括两个耦出装置30时，显示设备100包括两个光感测组件60。耦入装置20用于将第一光和第二光耦入波导基板11，耦出装置30用于将第一光和第二光至少部分地耦出波导基板11至人眼70（如图1中光线L2），光感测组件60用于接收人眼70反射的第二光（如图1中光线L3）。反馈追踪装置分别电连接至第一投射器40和光感测组件60，用于根据光感测组件60接收的第二光调整第一投射器40，以使耦出装置30耦出的第一光追随人眼的视线。
根据本申请的显示设备100，耦入装置20可以同时用于将可见光波长的第一光和波长为第二波长的第二光耦入波导基板11，耦出装置30可以同时用于将第一光和第二光耦出波导基板11，第一光和第二光共用一套波导耦合系统进行耦入、耦出、扩展分光，同时实现图像光的投射和眼动追踪照明光的投射，在反馈追踪装置的作用下实现眼动追踪的显示功能。并且，通过波导分光耦出后的照明光更加均匀，成像装置收集到的眼球图像质量更好。显示设备100结构简单，成本较低，眼球成像效果好。
可选地，第二光配置为红外光，不会影响人眼观察可见光图像且不伤害人眼。
反馈追踪装置可以通过光感测组件60获取的图像分析眼球（视线）的移动。可选地，光感测组件60包括间隔设置的多个成像装置（成像装置例如为红外摄像头），分别用于在不同位置接收人眼反射的第二光。从而反馈追踪装置可以通过多个人眼反射的第二光的图像综合判断眼球的移动，以使对眼球追踪的效果更好。多个成像装置例如可以围绕人眼70均匀分布。可以理解的，成像装置设置在不妨碍人眼70观察第一光的位置。
可选地，反馈追踪装置配置为用于根据光感测组件60接收的第二光调整第一投射器40，使得第一投射器40投射的第一光相对于耦入装置20的入射角度改变，以使耦出装置30耦出的第一光追随人眼70的视线。当第一光相对于耦入装置20的入射角度改变，会导致耦出装置30耦出第一光的角度改变，从而使从波导基板11耦出的第一光能够跟随人眼70。
可选地，第一投射器40包括准直镜41，使得投射向耦入装置20的第一光的方向性好。
可选地，第二投射器50包括准直镜51，使得投射向耦入装置20的第二光的方向性好。
可选地，显示设备100为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
可选地，如图1所示，第一实施方式的显示设备100的第一投射器40和第二投射器50分别位于波导基板11的沿厚度方向D3的两侧。
如图2所示，第二实施方式的显示设备200的第一投射器40和第二投射器50同时位于波导基板11的沿厚度方向D3的同侧。第一投射器40和第二投射器50沿波导基板11的沿宽度方向D2排列。
可选地，如图3实施例所示，光波导10的耦入装置20包括第一耦入光栅21和第二耦入光栅22。第一耦入光栅21和第二耦入光栅22的光栅矢量方向沿波导基板11的长度方向D1。第一耦入光栅21和第二耦入光栅22的周期相同，第一耦入光栅21和第二耦入光栅22沿波导基板11的宽度方向D2排列。显示设备构造为使得第一光投射至第一耦入光栅21，使得第二光投射至第二耦入光栅22。也即，第一光和第二光分别使用各自的耦入光栅，从而显示设备可以分别设计适应于第一光和第二光的光栅结构，使得对第一光和第二光的衍射效率更高。
或者，如图4实施例所示，光波导110的耦入装置20包括第三耦入光栅23，显示设备100或显示设备200构造为使得第一光和第二光均投射至第三耦入光栅23。也即第一光和第二光共用同一个耦入光栅，从而显示设备结构简单。优选地，第一光和第二光投射到第三耦入光栅23的不同部位。
可选地，如图4实施例所示，耦出装置30用于直接将耦入装置20耦入波导基板11的第一光和第二光耦出波导基板11。例如，耦出装置30为二维光栅，同时对第一光和第二光进行二维扩展耦出。
或者，如图5实施例所示，光波导210的耦出装置30包括转折光栅33和耦出光栅34，其中，耦出光栅34用于将经转折光栅33传播的耦入装置20耦入波导基板11的第一光和第二光耦出波导基板11。例如，耦出装置30包括第一光栅33（也即转折光栅）和第二光栅34（也即耦出光栅）。第一光栅33与耦入装置20沿波导基板11的长度方向D1排列，第一光栅33与第二光栅34沿波导基板11的宽度方向D2排列。其中，第一光栅33为一维光栅，用于将第一光和第二光衍射入第二光栅34，第二光栅34也为一维光栅，用于将第一光和第二光衍射出波导基板11至人眼。
优选地，第一投射器40和第二投射器50分别位于波导基板11沿厚度方向D3的两侧，耦入装置20构造为第三耦入光栅23。其中，如图1所示，第三耦入光栅23用于透射式衍射第一光和第二光中的一个（例如第一光），并反射式衍射第一光和第二光中的另一个（例如第二光）。当第一光与第二光共用耦入光栅时，如果第一光和第二光位于光栅同侧，考虑到第一投射器与第二投射器的空间分布，通常耦入光栅需要具有较大的面积以接收全部的第一光和第二光。当第一光与第二光本别位于光栅的两侧时，则可以减小光栅的面积，并且更方便地设置第一投射器和第二投射器。
如图6所示的第三实施方式的显示设备300，光波导310包括两个耦出装置30，第一耦出装置31和第二耦出装置32，用于使双眼均能接收出射光。耦入装置20沿波导基板12的长度方向D1位于第一耦出装置31与第二耦出装置32的中间位置，例如光波导310可设置为对称结构。第二投射器50构造为用于向耦入装置20投射两束不同方向的第二光，使得两束第二光分别通过第一耦出装置31和第二耦出装置32耦出至人眼70。
光感测组件60与耦出装置30对应设置。显示设备300包括与第一耦出装置31对应设置的第一光感测组件61和与第二耦出装置32对应设置的第二光感测组件62。第一光感测组件61和第二光感测组件62分别用于检测两只人眼70的移动。
在第三实施方式的显示设备300中，第一投射器40和第二投射器50同样可以设置为如前所述，分别位于波导基板12沿厚度方向D3的两侧，或者同时位于波导基板12的沿厚度方向D3的同侧。耦入装置20同样可以设置为如前所述，包括第一耦入光栅21和第二耦入光栅22（第一耦入光栅21和第二耦入光栅22的光栅矢量方向沿波导基板11的长度方向D1，使得耦入装置20对第一光和第二光的衍射分光方向两侧对称，同时均可以到达耦出装置30，第一光与第二光可以共用耦出装置30），或者只包括第三耦入光栅23。耦出装置30可以设置为如前所述，包括一个耦出光栅，或者包括一个转折光栅和一个耦出光栅。
优选地，显示设备300中，第一投射器40和第二投射器50分别位于波导基板12的沿厚度方向D3的两侧，耦入装置20构造为第三耦入光栅23。其中，第三耦入光栅23用于透射式衍射第一光和第二光中的一个，并反射式衍射第一光和第二光中的另一个。由此，第一投射器40和第二投射器50可以共用同一耦入装置和耦出装置，使双眼都可以观察到第一光的图像且被用于眼动追踪的第二光照明，显示设备结构简单，制作简化，成本较低。
优选地，第二投射器50包括两个光源52，用于向耦入装置20投射两束不同方向的第二光。例如，如图7所示，第二投射器50包括基板54、第一光源52A和第二光源52B。其中第一光源52A设置至基板54，用于发射第一束第二光。优选地，第一光源52A包括多个第一子光源53A。第二光源52B可以与第一光源52A结构相同。第二光源52B也设置至基板54，用于发射第二束第二光。优选地，第二光源52B包括多个第二子光源53B。第一光源52A与第二光源52B在基板54上间隔设置。
如图7所示，第一光源52A发出的第二光在第三耦入光栅23的入射角为β1，第二光源52B发出的第二光在第三耦入光栅23的入射角为β2。优选地，显示设备300构造为使得两束第二光投射至第三耦入光栅23的入射角β1和β2相等。
根据光栅方程n·sinθ=sinβ+m·λ /d，其中，n为波导基板的折射率（例如在1.5~2.1之间），θ为第三耦入光栅23第m级次的衍射角，β为第二光投射至第三耦入光栅23的入射角，m为衍射级次，λ为眼动追踪的第二光波长（例如在800~1000nm之间，为红外光），d为第三耦入光栅23的周期（例如在300~550nm之间）。由于波导内传播的衍射级次在θ<65°时有相对密集的耦出光斑分布，从而有均匀的照明效果。因此，优选地，β<-6°或β>6°，即入射角度大小大于6°。更优选地，β<-20°或β>20°，即入射角度大小大于20°。
可以理解的，在本申请中，无论显示设备包括一个耦出装置30还是两个耦出装置30，也即无论显示设备用于单目还是双目，优选地，显示设备构造为使得第二投射器50向第三耦入光栅23投射的第二光的入射角度β大于6°。更优选地，显示设备构造为使得第二投射器50向第三耦入光栅23投射的第二光的入射角度β大于20°。
可选地，光源52配置为激光光源，例如垂直腔面发射激光器（Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL）或边发射激光器（Edge Emitting Laser，EEL），从而投射光的方向性好，亮度高。
优选地，第一光源52A和/或第二光源52B配置为垂直腔面发射激光器阵列，可以提高光源强度。也即每一个第一子光源53A和/或每一个第二子光源53B均为一个垂直腔面发射激光器。优选的，显示设备300构造为使得第三耦入光栅23向两侧衍射分光的效率相同，以使双目接收的光强度相同。优选地，第三耦入光栅23具有对称结构，如构造为矩形光栅、对称的梯形光栅、对称的台阶光栅、等腰三角光栅等。优选的，第三耦入光栅23的表面构造有镀膜，以进一步提高衍射效率。
进一步，第三耦入光栅23的结构主要按照第一投射器40投射的第一光的波长和入射角度范围进行结构优化设计，同时兼顾第二投射器50投射的第二光的衍射效率。
以第三耦入光栅23为周期为420nm的矩形光栅、第一投射器40投射的第一光波长为530nm、第二光波长为830nm为例。如图8所示，当第三耦入光栅23为深度410nm、宽度185nm的矩形光栅时，在入射角的大小小于12°的范围内，第一光具有11.9%的平均耦入效率和29.2%的均匀性（曲线a）。当第三耦入光栅23为深度260nm，宽度273nm的矩形光栅时，在入射角的大小小于12°的范围内，第一光具有12.4%的平均耦入效率和28.3%的均匀性（曲线b）。这两种光栅结构对第一光的耦入效率和均匀性都比较接近。如图9所示，当第三耦入光栅23为深度410nm、宽度185nm的矩形光栅时，第二光的平均耦入效率和均匀性分别为11.1%、44.5%（曲线c）。当第三耦入光栅23为深度260nm、宽度273nm的矩形光栅时，第二光的平均耦入效率和均匀性分别为9.2%和82.1%（曲线d）。因此，为兼顾第二光的耦入效率，则选择光栅深度410nm、宽度185nm这组结构参数。
在第一方面的显示设备300的另一个具体的示例中，第一投射器40投射的第一光的波长为530nm。第一耦出装置31和第二耦出装置32为二维光栅，关于耦入装置20左右对称设置。耦入装置20包括第一耦入光栅和第二耦入光栅，第一耦入光栅设置为接收第一光，第二耦入光栅设置为接收第二光。第一耦入光栅和第二耦入光栅沿波导基板的宽度方向排列，第一耦入光栅和第二耦入光栅的光栅矢量方向沿波导基板11的长度方向（左右方向）。第一耦入光栅为周期420nm、光栅结构深度260nm、宽度273nm的线栅。第一耦入光栅的结构可以使得向两侧分光对称，且对波长为530nm的可见光有比较高的耦入效率（例如11.9%）。第二投射器50包括VCSEL阵列和准直镜，出射850nm波长的两束第二光。两束第二光在第二耦入光栅的入射角度为20°~35°。第二耦入光栅为周期420nm、光栅结构为深度400nm、70%占空比的线栅。第二耦入光栅的结构可以使得向两侧分光对称，且对850nm的红外光有相对较高的耦入效率（例如11.5%）。
可以理解的，在显示设备300中，无论耦入装置20包括一个光栅还是两个光栅，全部光栅的光栅矢量方向平行于波导基板12的长度方向D1，从而耦入装置20向两侧分光，使两个耦出装置30均能接收到第一光和第二光。
另一方面，本申请还提供一种眼镜。如图10实施例所示，眼镜350包括镜片351、框架352和第一方面所述的显示设备（例如显示设备300）。其中框架352用于将镜片351保持在靠近人眼的位置，显示设备的光波导嵌入在镜片351中。镜片351例如对于可见光透明，从而不妨碍人眼观察环境。同时，显示设备将第一投射器的第一光（例如为画面）从镜片351投向人眼，使人眼能够同时看到环境和第一光的画面，形成了增强现实显示的效果。显示设备通过其光感测组件捕捉人眼反射的第二光，从而反馈追踪装置可以分析出视线的移动。继而，反馈追踪装置根据人眼移动的情况调整第一投射器，使得从镜片351出射的第一光能够跟随人眼视线，从而第一光的画面始终位于视线的正前方。
可以理解的，根据本申请的眼镜包括根据本申请的显示设备的全部特征和效果。
在理解本申请的范围时，如本文所使用的术语“包含”及其派生词旨在是开放式术语，其指定所记载的特征、元件、部件、群组、整体和/或步骤的存在，但不排除其他未记载的特征、元件、部件、群组、整体和/或步骤的存在。这种概念也适用于具有类似含义的词语，例如术语“包括”“具有”及其衍生词。
这里使用的术语“被附接”或“附接”包括：通过将元件直接固定到另一元件而将元件直接固定到另一元件的构造；通过将元件固定到中间构件上，中间构件转而固定到另一元件而将元件间接固定到另一元件上的构造；以及一个元件与另一个元件是一体，即一个元件基本上是另一个元件的一部分的构造。该定义也适用于具有相似含义的词，例如“连接”“联接”“耦合”“安装”“粘合”“固定”及其衍生词。最后，这里使用的诸如“基本上”“大约”和“近似”的程度术语表示修改术语使得最终结果不会显着改变的偏差量。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本申请。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本申请已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本申请限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本申请并不局限于上述实施方式，根据本申请的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本申请所要求保护的范围以内。
Claims (24)
1.一种显示设备，其特征在于，包括：
光波导，包括波导基板、耦入装置和至少一个耦出装置，所述耦入装置和所述耦出装置在所述波导基板上沿所述波导基板的长度方向排列；
第一投射器，用于将波长为可见光波长的第一光投射至所述耦入装置；
第二投射器，用于将波长为第二波长的第二光投射至所述耦入装置；
至少一个光感测组件，与所述耦出装置对应设置，所述光感测组件包括至少一个成像装置；和
反馈追踪装置，分别电连接至所述第一投射器和所述光感测组件，
其中，所述耦入装置用于将所述第一光和所述第二光耦入所述波导基板，所述耦出装置用于将所述第一光和所述第二光至少部分地耦出所述波导基板至人眼，所述至少一个光感测组件用于接收人眼反射的所述第二光，所述反馈追踪装置用于根据所述光感测组件接收的所述第二光调整所述第一投射器，以使所述耦出装置耦出的所述第一光追随人眼的视线。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，
所述第一投射器和所述第二投射器分别位于所述波导基板的沿厚度方向的两侧；或者
所述第一投射器和所述第二投射器同时位于所述波导基板的沿厚度方向的同侧。
3.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，
所述耦入装置包括第一耦入光栅和第二耦入光栅，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅的周期相同，所述第一耦入光栅和所述第二耦入光栅沿所述波导基板的宽度方向排列，所述显示设备构造为使得所述第一光投射至所述第一耦入光栅，使得所述第二光投射至所述第二耦入光栅；或者
所述耦入装置包括第三耦入光栅，所述第一光和所述第二光均投射至所述第三耦入光栅。
4.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述第一投射器和所述第二投射器分别位于所述波导基板沿厚度方向的两侧，所述耦入装置构造为第三耦入光栅，其中，所述第三耦入光栅用于透射式衍射所述第一光和所述第二光中的一个，并反射式衍射所述第一光和所述第二光中的另一个。
5.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，
所述光波导包括两个所述耦出装置，第一耦出装置和第二耦出装置，所述耦入装置沿所述波导基板的长度方向位于所述第一耦出装置与所述第二耦出装置的中间位置；
所述第二投射器构造为用于向所述耦入装置投射两束不同方向的所述第二光，使得所述两束第二光分别通过所述第一耦出装置和所述第二耦出装置耦出至人眼。
6.根据权利要求5所述的显示设备，其特征在于，所述第一投射器和所述第二投射器分别位于所述波导基板的沿厚度方向的两侧，所述耦入装置构造为第三耦入光栅，其中，所述第三耦入光栅用于透射式衍射所述第一光和所述第二光中的一个，并反射式衍射所述第一光和所述第二光中的另一个。
7.根据权利要求6所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备构造为使得所述两束第二光投射至所述第三耦入光栅的入射角相等。
8.根据权利要求6所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备构造为使得所述第三耦入光栅向两侧衍射分光的效率相同。
9.根据权利要求8所述的显示设备，其特征在于，所述第三耦入光栅具有对称结构。
10.根据权利要求6所述的显示设备，其特征在于，所述第三耦入光栅的表面构造有镀膜。
11.根据权利要求5所述的显示设备，其特征在于，所述第二投射器包括两个光源，用于向所述耦入装置投射两束不同方向的所述第二光。
12.根据权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述第二投射器包括：
基板；
第一所述光源，设置至所述基板，用于发射第一束所述第二光，所述第一光源包括多个第一子光源；和
第二所述光源，设置至所述基板，用于发射第二束所述第二光，所述第二光源包括多个第二子光源，
其中，所述第一光源与所述第二光源在所述基板上间隔设置。
13.根据权利要求12所述的显示设备，其特征在于，所述第一光源和/或所述第二光源配置为垂直腔面发射激光器阵列。
14.根据权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述光源配置为激光光源。
15.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述光感测组件包括间隔设置的多个所述成像装置。
16.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述第二光配置为红外光。
17.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，
所述耦出装置为二维光栅；或者
所述耦出装置包括第一光栅和第二光栅，所述第一光栅与所述耦入装置沿所述波导基板的长度方向排列，所述第一光栅与所述第二光栅沿所述波导基板的宽度方向排列，其中，所述第一光栅为一维光栅，用于将所述第一光和所述第二光衍射入所述第二光栅，所述第二光栅为一维光栅，用于将所述第一光和所述第二光衍射出所述波导基板至人眼。
18.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，
所述耦出装置用于直接将所述耦入装置耦入所述波导基板的所述第一光和所述第二光耦出所述波导基板；或者
所述耦出装置包括转折光栅和耦出光栅，其中，所述耦出光栅用于将经所述转折光栅传播的所述耦入装置耦入所述波导基板的所述第一光和所述第二光耦出所述波导基板。
19.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述第一投射器和/或所述第二投射器包括准直镜。
20.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备为增强现实显示设备或虚拟现实显示设备。
21.根据权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述反馈追踪装置配置为用于根据所述光感测组件接收的所述第二光调整所述第一投射器，使得所述第一投射器投射的所述第一光相对于所述耦入装置的入射角度改变，以使所述耦出装置耦出的所述第一光追随人眼的视线。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述耦入装置构造为耦入光栅，所述显示设备构造为使得所述第二投射器向所述耦入光栅投射的所述第二光的入射角度大于6°。
23.根据权利要求22所述的显示设备，其特征在于，所述显示设备构造为使得所述第二投射器向所述耦入光栅投射的所述第二光的入射角度大于20°。
24.一种眼镜，其特征在于，包括：
根据权利要求1至23中任一项所述的显示设备；
镜片；和
框架，用于将所述镜片保持在靠近人眼的位置，
其中，所述光波导嵌入在所述镜片中。
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| GR01 | Patent grant | ||
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