CN211857058U - 一种近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种近眼显示设备，本实用新型中的近眼显示设备用作挂载式AR眼镜，包含一字型容置梁，作为眼镜横梁，内部中空用于容置光学模组，波导镜片，设置于一字型容置梁的下方，对应于使用者的左右眼，所述光学模组输出的光束入射至所述波导镜片，并由所述波导镜片将光束出射至人眼，挂载结构，设置于一字型容置梁后表面，用于将所述近眼显示设备挂载于眼镜上，两条光纤传输线，从所述一字型容置梁两端连接于所述一字型容置梁中的光学模组。本申请中挂载式的AR眼镜具有体积小、重量轻的特点，也适用于近视人群。

Description

一种近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及扫描显示技术领域，具体涉及一种近眼显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)显示，是真实世界信息和虚拟信息实时叠加至同一个画面或空间的新兴显示技术。使用者佩戴上相应的近眼显示设备后，人眼可实时接收自然环境光线以及叠加于自然环境中的虚拟图像，实现超越现实的感官体验。通常而言，在实际应用场景中，可通过诸如AR眼镜等近眼显示设备实现AR显示。

对于目前市面上推出的部分诸如AR眼镜，均设置相应佩戴结构，这便会造成近眼显示设备的整体体积较大、重量较重。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种近眼显示设备，以实现一定程度的小体积、轻量化。

本实用新型实施例提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备用作挂载式 AR眼镜，包括：一字型容置梁，作为眼镜横梁，内部中空用于容置光学模组；

波导镜片，设置于一字型容置梁的下方，对应于使用者的左右眼，所述光学模组输出的光束入射至所述波导镜片，所述光束在所述波导镜片中传导后输出；

挂载结构，设置于一字型容置梁后表面，用于将所述近眼显示设备挂载于眼镜上；

两条光纤传输线，从所述一字型容置梁两端连接于所述一字型容置梁中的光学模组。

可选地，所述一字型容置梁中容置有两路所述光学模组，每一路所述光学模组包括：平行于所述一字型容置梁纵长方向、且沿所述一字型容置梁端侧朝向中间位置的方向依次排布的光纤扫描器、镜组以及转折镜。

可选地，所述光纤传输线中包含光纤、信号传输线及电源线；

所述光纤贯穿所述光纤扫描器，在所述光纤扫描器的输出端形成扫描光纤，用于扫描输出光束；

所述信号传输线及所述电源线连接于所述光纤扫描器中的致动部，用于供电及传输驱动控制信号。

可选地，所述光纤传输线在所述一字型容置梁以外的部分，表面设置有防护层。

可选地，所述光纤传输线的另一端与外部图像源设备相连接。

可选地，所述一字型容置梁包括横截面呈C字型的曲面外壳以及与所述C 字型曲面外壳的未闭合部分相配合的前表面，所述C字型曲面外壳及所述前表面共同构成封闭的容置空间。

可选地，所述前表面的左右两端按照一定曲率向后弯曲。

可选地，在所述前表面弯曲的左右两端设置有开孔，所述光纤传输线穿过所述开孔并连接至所述一字型封装壳中的所述光学模组。

可选地，挂载结构包括固定部及挂件；

所述固定部设置在所述C字型曲面外壳后方中间偏下的位置；

所述挂件的数量为至少两个，一端固定在所述固定部上，另一端用于挂载。

采用本实用新型实施例中的技术方案可以实现以下技术效果：

对于本方案中的近眼显示设备而言，其提供了一种挂载式的AR眼镜，可以挂载于近视镜或不同的眼镜上。一方面，本申请中挂载式的AR眼镜中采用光纤扫描器作为扫描显示元件，光纤扫描器自身具备小型化的特点，且使用光纤扫描器并不需要复杂的光路设计，故可将包含有光纤扫描器的光学模组容置于一字型容置梁中。采用一字型容置梁的结构，在起到容置光学元件的作用的同时，也充当了AR眼镜的眼镜横梁，这样一来，可以将用于显示成像的光学元件前置，无需多余的容置结构，便可有效减少近眼显示设备的体积、重量。

另一方面，挂载式的AR眼镜由于可以挂载于近视镜上，因此对于近视用户而言，可以在佩戴近视镜的同时挂载使用AR眼镜，通过近视镜观看AR眼镜的虚拟图像，不会出现因近视导致的模糊现象。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a是本实用新型实施例提供的一种说明性扫描显示系统的结构示意图；

图1b是本实用新型实施例提供的一种说明性的光纤扫描器的结构示意图；

图2a是本实用新型实施例提供的一种说明性的波导的立体结构示意图；

图2b是本实用新型实施例提供的一种说明性的近眼显示系统的结构示意图；

图3a～3c是本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备在不同视角下的结构示意图；

图4a及4b是本实用新型实施例提供的近眼显示设备中光学模组的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

在本实用新型中，近眼显示设备具体可为AR头戴式设备，所述的近眼显示设备可产生虚拟图像，该虚拟图像可叠加于实际环境图像上，从而为用户提供增强现实体验。换言之，为了生成相应的虚拟图像，在近眼显示设备中需要设置相应的光学元件。同时考虑到实现近眼显示设备的轻量化、小体积，对光学模组的要求较高，故本实用新型的近眼显示设备中可以采用光纤扫描器及相关的光学元件实现虚拟图像的显示，当然，应理解，扫描显示器件并不限于光纤扫描器，在本实用新型的方案中，还可采用诸如微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)扫描镜等扫描显示器件，本实用新型的实施例中，主要以光纤扫描器为例进行说明。为便于理解，首先对本实用新型中所涉及到的光纤扫描器、近眼显示系统进行阐述。

说明性扫描显示系统及近眼显示系统

如图1a所示，为本实用新型中的一种说明性的扫描显示系统，其中主要包括：

处理器100、激光器组110、光纤扫描器120、传输光纤130、光源调制电路140、扫描驱动电路150及合束单元160。

处理器100可以为图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或者其它具有控制功能、图像处理功能的芯片或电路，这里并不进行具体限定。

工作时，处理器100可根据待显示的图像数据控制光源调制电路140对激光器组110进行调制，激光器组110中包含多个单色激光器，分别发出不同颜色的光束。从图1a中可见，激光器组中具体可采用红(Red，R)、绿(Green， G)、蓝(Blue，B)三色激光器。激光器组110中各激光器发出的光束经由合束单元160合束为一束激光并耦入至传输光纤130中。

处理器100控制扫描驱动电路150驱动光纤扫描器120进行扫动，从而将传输光纤130中传输的光束扫描输出。

由光纤扫描器120扫描输出的光束作用于介质表面上某一像素点位置，并在该像素点位置上形成光斑，便实现了对该像素点位置的扫描。在光纤扫描器 120带动下，传输光纤130输出端按照一定扫描轨迹扫动，从而使得光束移动至对应的像素点位置进行扫描。实际扫描过程中，传输光纤130输出的光束将在每个像素点位置形成具有相应图像信息(如：颜色、灰度或亮度)的光斑。在一帧的时间里，光束以足够高的速度遍历每一像素点位置完成一帧图像的扫描，由于人眼观察事物存在“视觉残留”的特点，故人眼便无法察觉光束在每一像素点位置上的移动，而是看见一帧完整的图像。

继续参考图1b，为光纤扫描器120的具体结构，其中包括：致动器121、光纤悬臂122、扫描器封装壳124以及固定件125。致动器121通过固定件125 固定于扫描器封装壳124中，传输光纤130在致动器121的自由端延伸形成光纤悬臂122(也可称为扫描光纤)，工作时，致动器121在扫描驱动信号的驱动下沿第一方向(Y方向)及第二方向(X方向)振动，受致动器121带动，光纤悬臂122的自由端按预设轨迹扫动并出射光束，出射的光束便可在介质表面上扫描。需要说明的是，传输光纤130从A端接入致动部121，其中的光束可传输至B端的光纤悬臂122，在可能的实施方式中，传输光纤130贯穿致动部 121，并在致动部121的自由端延伸形成光纤悬臂122；或者，传输光纤130 从A端接入致动部121，并在致动部121内部与B端的光纤悬臂122的精密对接，从而可将光束输出至光纤悬臂122中，也就是说，传输光纤130和光纤悬臂122并不是一体的。

前述图1a及图1b所对应的内容示出了光纤扫描器的基本结构及基本工作原理，对于近眼显示设备，特别是AR眼镜而言，除了前述的扫描显示系统之外，还需要相应的透镜、波导配合构成可应用的近眼显示系统，以实现虚拟图像与真实世界环境光线的叠加显示。

在上述说明性扫描显示系统的基础上，可进一步参考图2a及图2b所示的说明性内容。其中，参考图2a，为一种示例性的波导的立体结构，具体而言，波导203中包括耦入单元2031、中继单元2033以及耦出单元2032，光束从耦入单元2031输入至波导203中，并在中继单元2033内进行X方向的扩展后输入至耦出单元2032，在耦出单元2032内进行Y方向上的扩展后输出。图2a 所示的波导203上的箭头代表光束的传输方向。

图2b为本申请实施例中的一种说明性的近眼显示系统，可应用于AR眼镜中，该光学系统至少包括：光纤扫描器201、透镜202以及波导203。光纤扫描器201扫描输出的光束经透镜202后，从波导203的耦入单元2031进入波导203内传输，再经中继单元(未在图2b中示出)扩展后，由耦出单元2032 耦出进入人眼。

当然，图2a和2b中所示的波导及近眼显示系统的位置关系、结构形态等仅是一种示例，不应理解为对本实用新型的限定。

在上述说明性内容的基础上，将对本实用新型实施例中的技术方案进行详细描述。另外，为了便于后续实施例中的描述，前述内容中所示出的方向坐标系可沿用至后续实施例中，这里并不应作为对本实用新型的限定。

对于现有的AR眼镜而言，往往均采用镜腿、头带等佩戴结构，这样的结构会增加AR眼镜的整体体积及重量。此外，AR眼镜的波导镜片通常不具备屈光功能，而AR虚拟图像的显示原理与人眼观看实际景物的原理类似，这样一来，对于近视的用户而言，在观看AR眼镜呈现的虚拟图像时，仍然会出现模糊的情况。

近眼显示设备

在本实用新型中提供一种新式的近眼显示设备30，用作AR眼镜。具体可参考图3a～3b，需要说明的是，本申请中所描述的左右两端、前后、上下等位置关系，是以近眼显示设备30被佩戴使用时的状态为基准的，故可定义：前表面(或前方)为远离使用者面部的表面(或方向)，后表面(或后方)为朝向使用者面部的表面(或方向)，顶面(或上方)为与使用者头顶朝向一致的表面(或方向)，底面(或下方)为与顶面(或上方)相对的一面(或方向)，左右两端与使用者佩戴时的左右的方向划分一致。

一字型容置梁310内部中空形成容置空间，可用于容置光学元件。在容置空间内，具体可容置两路光学模组(光学模组中可包括：光纤扫描器、镜组等光学元件)，产生的两路光束分别作用于波导镜片312，进而可实现虚拟图像的显示。一字型容置梁310在起到容置光学元件的作用的同时，也充当了AR眼镜的眼镜横梁。

光学模组输出的光束输入至波导镜片312后，波导镜片312传导光束并输出，输出的光束进入人眼使得使用者看到虚拟图像。在本实施例中，波导镜片 312共有两片，分别对应着使用者的左右眼。

在一字型容置梁310后表面设置有挂载结构860，使得近眼显示设备30 可以挂载在不同的眼镜上。以便于平时佩戴近视镜的使用者可以方便地获得 AR体验。

在本实施例中，一字型容置梁310整体呈一字长柱状，包括横截面呈C字型的曲面外壳3104以及与C字型曲面外壳3104的未闭合部分相配合的前表面 3106。前表面3106的左右两端按照一定曲率向后弯曲，弯曲程度大致为90°。当然，实际应用中也可以采用不同的弯曲程度，这里并不进行具体限制。曲面外壳3104及前表面3106共同构成封闭的容置空间。

在前表面3106弯曲的左右两端设置有开孔，用于光纤传输线316穿过从而连接至一字型封装壳310中的光学模组。应理解，图3a～3c主要为了直观展示近眼显示设备30外部形态中各结构部件的位置关系，这里并不应理解为对本申请的限定。

在一种实施例中，一字型容置梁310的前表面3106是可拆卸的，而一字型容置梁310的曲面外壳3104是一体成型的。前表面3106和曲面外壳3104 之间的固定方式可包括但不限于：铆接、焊接、胶粘等。此种结构在制造近眼显示设备30时有利于光学元件的摆放安装，并且也利于查看光学元件的状态 (即，将前表面拆卸即可查看)。

在另一种可能的实施例中，一字型容置梁310可以是一体成型的，也即，前表面3106和曲面外壳3104之间是一体成型的。

在其它实施例中，曲面外壳3104并非一体成型，而是可由上下两个对称的曲面外壳拼接而成。当然，曲面外壳3104由左右两个对称的曲面外壳拼接而成也是可行的，在此基础上，一字型容置梁310也可以是左右两部分拼接构成，每一部分中空的腔体中分别容置有一路光学元件。

挂载结构860进一步包括固定部8601及挂件8602，固定部8601设置在曲面外壳3104后方中间偏下的位置，挂件8602的数量为两个，当然，也可以采用三个或四个挂件8602。挂件一端固定在固定部8601上，其与固定部8601 的固定方式可包括但不限于：铆接、焊接、胶粘、3D打印一体成型等。挂件 8602具有较强的回弹性，以便稳定夹挂在不同厚度的近视镜横梁上。

波导镜片312设置于一字型容置梁310的下方。在本实施例中，波导镜片 312的一部分固定于一字型容置梁310内部腔体中，也就是说，在曲面外壳3104 上与波导镜片312对应的位置，开设有相应的通槽(并未在图中示出)，使得波导镜片312可以穿过通槽并延伸至一字型容置梁310内部。这样一来，波导镜片312既可与容置空间内部的光学模组配合，也可稳定地实现固定。当然，从图3c所示的仰视视角可见，波导镜片312位于眼镜横梁322上靠近使用者眼部的位置。

其固定方式可包括：在波导镜片312的指定位置开设安装通孔(并未在图中示出)，一字型封装壳310内部设有相应的固定结构，穿过波导镜片312的安装通孔后实现固定；或者，在曲面外壳3104的通槽上布设有粘胶，将波导镜片312固定。

当然，在一些实施例中，可以采用胶粘的方式，直接将波导镜片312顶面胶粘固定于曲面外壳3104下方。在该种方式下，波导镜片312的耦入单元(未在图3a～3c中示出)的位置设置于波导镜片312的顶面，曲面外壳3104下方对应于波导镜片312的耦入单元的位置开设有通孔或采用透明材质，相应地，光学模组的光路结构也需要适应性调整，使得输出的光束从曲面外壳3104下方出射，光束便可以入射至波导镜片312中。

一字型容置梁310可以采用钢化玻璃、碳酸聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)或热塑聚合物等材料，这里所述的热塑聚合物包括但不限于：丙烯腈- 丁二烯-苯乙烯塑料、混合到丁二烯橡胶中的塑化苯乙烯、丙烯和聚丁二烯等。在一些实施例中，考虑到光纤扫描器扫描输出的激光光束可能会产生一定的热量，还可以在一字型容置梁310的腔体上采用碳纳米颗粒材料，如：石墨烯，以便于散热。采用的形式包括：制造一字型容置梁310时添加，或者在一字型容置梁310成型后在其表面涂布形成涂层。具体采用何种方式还需视实际应用的需要而定。

参考图4a及4b，示出了近眼显示设备30中的光学模组的结构示意图。其中，以一路(位于近眼显示设备30右侧的一路)光学模组进行说明，光学模组包括顺序排列设置的光纤扫描器400、镜组500以及转折镜600。光学模组中的各光学元件具体是按照从一字型容置梁310左或右其中一端向一字型容置梁310中间位置的方向顺序排列的。光纤扫描器400的结构具体可参考前述的说明性内容，这里便不再过多赘述。

镜组500由多个具有不同光学功能的镜片组合而成，可实现诸如准直、球差校正、调节光束均匀性等。

经过镜组500后的光束作用于转折镜600上，由转折镜600将光束转向，使光束入射至波导镜片312的耦入单元3120上。

光纤传输线316中可包含光纤、信号传输线及电源线，光纤用于传输图像光束，信号传输线及电源线连接于光纤扫描器400的致动部上，用于供电以及传输致动信号。从图4a中可见，光纤传输线316在一字型容置梁310以外的部分，表面设置有防护层，具体可诸如：橡胶、编织金属线、热塑性弹性体 (Thermoplastic Elastomer，TPE)编织材料等软性防护层。而光纤传输线316 在一字型容置梁310中连接于光学部件的部分，则不设置防护层，光纤可直接采用裸光纤(带有包层和纤芯)或纤芯，信号传输线同样也可以直接采用包层或去包层的方式连接。

需要说明的是，光纤传输线316的另一端可以连接至相应的图像源设备上，图像源设备可以产生图像光束、控制信号，并提供电源。当然，对于图像源设备这里不进行过多赘述。

图4a中，光纤扫描器400可通过封装壳70独立封装，镜组500和转折镜 600可通过封装壳72实现封装。经过封装后的光学元件便于安装固定。

当然，上述示例仅是可能的应用方式，并不应理解为对本实用新型的限定。

对于本方案中的近眼显示设备而言，光纤扫描器自身具备小型化的特点，且使用光纤扫描器并不需要复杂的光路设计，故可将包含有光纤扫描器的光学模组容置于一字型容置梁中。同时，采用一字型容置梁的结构，在起到容置光学元件的作用的同时，也充当了AR眼镜的眼镜横梁，这样一来，可以将用于显示成像的光学元件前置，无需多余的容置结构，便可有效减少近眼显示设备的体积、重量。

本实用新型中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备和介质类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可，这里就不再一一赘述。

至此，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。

在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。例如，第一用户设备和第二用户设备表示不同的用户设备，虽然两者均是用户设备。例如，在不背离本公开的范围的前提下，第一元件可称作第二元件，类似地，第二元件可称作第一元件。

当一个元件(例如，第一元件)称为与另一元件(例如，第二元件)“(可操作地或可通信地)联接”或“(可操作地或可通信地)联接至”另一元件(例如，第二元件)或“连接至”另一元件(例如，第二元件)时，应理解为该一个元件直接连接至该另一元件或者该一个元件经由又一个元件(例如，第三元件)间接连接至该另一个元件。相反，可理解，当元件(例如，第一元件)称为“直接连接”或“直接联接”至另一元件(第二元件)时，则没有元件(例如，第三元件)插入在这两者之间。

以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本实用新型中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备用作挂载式AR眼镜，包括：一字型容置梁，作为眼镜横梁，内部中空用于容置光学模组；

波导镜片，设置于一字型容置梁的下方，对应于使用者的左右眼，所述光学模组输出的光束入射至所述波导镜片，所述光束在所述波导镜片中传导后输出；

挂载结构，设置于一字型容置梁后表面，用于将所述近眼显示设备挂载于眼镜上；

两条光纤传输线，从所述一字型容置梁两端连接于所述一字型容置梁中的光学模组。

2.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，所述一字型容置梁中容置有两路所述光学模组，每一路所述光学模组包括：平行于所述一字型容置梁纵长方向、且沿所述一字型容置梁端侧朝向中间位置的方向依次排布的光纤扫描器、镜组以及转折镜。

3.如权利要求2中所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光纤传输线中包含光纤、信号传输线及电源线；

所述光纤贯穿所述光纤扫描器，在所述光纤扫描器的输出端形成扫描光纤，用于扫描输出光束；

所述信号传输线及所述电源线连接于所述光纤扫描器中的致动部，用于供电及传输驱动控制信号。

4.如权利要求3所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光纤传输线在所述一字型容置梁以外的部分，表面设置有防护层。

5.如权利要求3所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光纤传输线的另一端与外部图像源设备相连接。

6.如权利要求1～5中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述一字型容置梁包括横截面呈C字型的曲面外壳以及与所述C字型曲面外壳的未闭合部分相配合的前表面，所述C字型曲面外壳及所述前表面共同构成封闭的容置空间。

7.如权利要求6所述的近眼显示设备，其特征在于，所述前表面的左右两端按照一定曲率向后弯曲。

8.如权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，在所述前表面弯曲的左右两端设置有开孔，所述光纤传输线穿过所述开孔并连接至所述一字型封装壳中的所述光学模组。

9.如权利要求6所述的近眼显示设备，其特征在于，所述挂载结构包括固定部及挂件；

所述固定部设置在所述C字型曲面外壳后方中间偏下的位置；

所述挂件的数量为至少两个，一端固定在所述固定部上，另一端用于挂载。

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