CN212302101U - 近眼显示光学设备 - Google Patents

Abstract

一种近眼显示光学设备包括至少一图像光投射组件和至少一波导器件。该波导器件包括一波导组、一耦入元件组以及一耦出元件组。该波导组具有一耦入区域和一耦出区域，用于将从该耦入区域耦入的至少二单色图像光传播至该耦出区域。该耦入元件组被对应地设置于该波导组的该耦入区域，并且该耦入元件对应于该图像光投射组件，用于将经由该图像光投射组件投射的该至少二单色图像光从该耦入区域耦入该波导组。该耦出元件组被对应地设置于该波导组的该耦出区域，用于将经由该波导组传播的该至少二单色图像光从该耦出区域耦出，以形成具有相同角度空间分布的至少二单色图像光。

Description

近眼显示光学设备

技术领域

本实用新型涉及近眼显示技术领域，特别是涉及一种近眼显示光学设备。

背景技术

近年来，随着LED技术和微型显示芯片技术的出现，使得小型化和高分辨率的投影显示成为可能。而随着投影显示技术的不断发展以及市场需求，大视场、高成像质量、小体积、可穿戴的微型投影光引擎越来越受到重视，尤其是在现如今发展火热的增强现实(Augmented reality,简称AR)、近眼显示(Near-eye display,简称NED)以及可穿戴等领域。

目前，现有的近眼显示系统通常由微型投影光引擎和波导显示器件组成，以通过波导显示器件将来自该微型投影光引擎的图像光传递至人眼中以实现近眼显示。具体地，如图1所示，现有的微型投影光引擎1P通常照明系统10P、中继镜组20P、显示芯片30P以及投影成像系统40P，其中该中继镜组20P位于该照明系统10P的照明路径，并且该显示芯片30P和该投影成像系统40P分别位于该中继镜组20P的相对侧。当该照明系统10P沿照明路径发射照明光束时，该中继镜组20P先将照明光束传输至该显示芯片30P，以在通过诸如LCOS的显示芯片30P将该照明光束调制成图像光之后，再将该图像光传输至该投影成像系40P，以通过该投影成像系统40P将该图像光投影成像。

此外，为了实现彩色显示，现有的微型投影光引擎1P的照明系统10P通常采用诸如X合色棱镜(X-Cube)等之类的合色装置将来自三条光路的基色光合并到同一条光路中。如图1所示，X合色棱镜通常由四个直角棱镜11P沿直角面胶合而成，并且直角棱镜11P的直角面镀有相应的第一和第二膜系12P、13P；其中四个直角棱镜11P的斜面分别作为光的输入面和输出面，并且红、绿、蓝三基色偏振光源14P分别对应于三个直角棱镜11P的斜面，其余的一个直角棱镜11P的斜面作为三基色光合成白光后的输出面。

然而，虽然该X合色棱镜能够将三路基色光合成一路白光，但是受该X合色棱镜自身结构的限制，其结构比较松散、体积大，导致配置有该X合色棱镜的照明系统的体积和重量均比较大。特别地，现有的微型投影光引擎因自身结构的限制(如图1所示，该照明系统10P所发出的照明光束必须通过体积大、重量重的中继镜组20P来达到显示芯片30P所需的照射面积，并且转向地传输照明光束，以便通过所述显示芯片30P调制出图像光等等)而存在很多不足之处，例如尺寸大、设备笨重、制造难度极大等等，很难满足市场对小体积、轻重量的微型投影光引擎的需求，尤其是无法在增强现实、近眼显示以及可穿戴等领域得到广泛应用和普及。

实用新型内容

本实用新型的一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其能够满足市场对小体积、轻重量的近眼显示光学设备的需求。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示光学设备的波导器件能够实现近眼显示的基础上，又能够实现诸如X合色棱镜的合色功能，以便克服因现有的微型投影光引擎自身结构的限制而引起的体积较大、重量较重的问题。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述波导器件能够将不同角度空间分布的单色图像光调制成相同角度空间分布的图像光，以便在人眼前直接实现合色，进而无需额外设置合色器件就能够实现彩色显示。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示光学设备无需采用偏振光和复眼技术，能够极大地提升光能利用率。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示光学设备采用了波导直接进行合色，无需额外设置合色器件，使得整个设备更紧凑、体积更小、重量更轻，也有助于在降低加工、组装难度，降低成本。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示光学设备的图像源采用单色自发光显示芯片，省去了传统系统中的照明中继，以便在大幅地减少微投影光引擎的体积和重量的基础上，降低成本。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示光学设备采用创新的系统设计，达到足够小的体积，使得所述近眼显示光学设备可穿戴、面向消费者成为可能。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示光学设备，其中，为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一解决方案，不只提供简单的近眼显示光学设备，同时还增加了所述近眼显示光学设备的实用性和可靠性。

为了实现上述至少一优势或其他优势和目的，本实用新型提供了一近眼显示光学设备，包括：

至少一图像光投射组件，其中所述图像光投射组件用于投射至少二单色图像光；和

至少一波导器件，其中所述波导器件包括：

一波导组，其中所述波导组具有一耦入区域和一耦出区域，用于将从所述耦入区域耦入的该至少二单色图像光传播至所述耦出区域；

一耦入元件组，其中所述耦入元件组被对应地设置于所述波导组的所述耦入区域，并且所述耦入元件对应于所述图像光投射组件，用于将经由所述图像光投射组件投射的该至少二单色图像光从所述耦入区域耦入所述波导组；以及一耦出元件组，其中所述耦出元件组被对应地设置于所述波导组的所述耦出区域，用于将经由所述波导组传播的该至少二单色图像光从所述耦出区域耦出，以形成具有相同角度空间分布的至少二单色图像光。

根据本实用新型的一实施例，所述波导组包括依次被叠置的一第一波导层、一第二波导层以及一第三波导层，其中所述第一波导层用于将该至少二单色图像光中的具有第一角度空间分布的第一单色图像光从所述耦入区域传播至所述耦出区域；其中所述第二波导层用于将该至少二单色图像光中的具有第二角度空间分布的第二单色图像光从所述耦入区域传播至所述耦出区域；其中所述第三波导层用于将该至少二单色图像光中的具有第三角度空间分布的第三单色图像光从所述耦入区域传播至所述耦出区域。

根据本实用新型的一实施例，所述耦入元件组包括被对应地设置于所述第一波导层的一第一耦入元件，被对应地设置于所述第二波导层的一第二耦入元件以及被对应地设置于所述第三波导层的一第三耦入元件，并且所述耦出元件组包括被对应地设置于所述第一波导层的一第一耦出元件，被对应地设置于所述第二波导层的一第二耦出元件以及被对应地设置于所述第三波导层的一第三耦出元件。

根据本实用新型的一实施例，所述第一耦入元件、所述第二耦入元件以及所述第三耦入元件依次被对准地叠置，并且所述第一耦入元件和所述第三耦入元件适于分别位于邻近和远离该图像光投射组件的位置，其中所述第一耦入元件用于将该具有第一角度空间分布的第一单色图像光耦入所述第一波导层，并允许该具有第二角度空间分布的第二单色图像光和该具有第三角度空间分布的第三单色图像光透过；其中所述第二耦入元件用于将该具有第二角度空间分布的第二单色图像光耦入所述第二波导层，并允许该具有第三角度空间分布的第三单色图像光透过；其中所述第三耦入元件用于将该具有第三角度空间分布的第三单色图像光耦入所述第三波导层。

根据本实用新型的一实施例，所述第一耦入元件、所述第二耦入元件以及所述第三耦入元件依次被错位地叠置，其中所述第一耦入元件用于将该具有第一角度空间分布的第一单色图像光耦入所述第一波导层；其中所述第二耦入元件用于将该具有第二角度空间分布的第二单色图像光耦入所述第二波导层；其中所述第三耦入元件用于将该具有第三角度空间分布的第三单色图像光耦入所述第三波导层。

根据本实用新型的一实施例，所述第一耦出元件、所述第二耦出元件以及所述第三耦出元件依次被对准地叠置。

根据本实用新型的一实施例，所述耦入元件组和所述耦出元件组均包括表面浮雕光栅、体光栅、超表面、等离子体和光子晶体中的一种或多种。

根据本实用新型的一实施例，所述图像光投射组件包括一图像源和一成像镜头，其中所述图像源用于发射携带有相同图像信息的至少二单色图像光，其中所述成像镜头被设置于所述图像源和所述波导器件的所述波导组的所述耦入区域之间的光路中，用于对来自所述图像源的该至少二单色图像光进行成像处理，以投射出该具有不同角度空间分布的至少二单色图像光至所述波导组的所述耦入区域。

根据本实用新型的一实施例，所述图像源包括至少二单色自发光显示芯片，其中所述至少二单色自发光显示芯片具有相同的发光面，并且所述至少二单色自发光显示芯片相对于所述成像镜头的像面存在位置偏移。

根据本实用新型的一实施例，所述至少二单色自发光显示芯片为Micro LED芯片或OLED芯片。

根据本实用新型的一实施例，所述至少二单色自发光显示芯片包括一第一单色自发光显示芯片、一第二单色自发光显示芯片以及一第三单色自发光显示芯片，其中所述第一单色自发光显示芯片、所述第二单色自发光显示芯片以及所述第三单色自发光显示芯片被并排地设置于所述成像镜头的同一侧，并且所述第一单色自发光显示芯片、所述第二单色自发光显示芯片以及所述第三单色自发光显示芯片相对于所述成像镜头的像面存在位置偏移。

根据本实用新型的一实施例，所述第一单色自发光显示芯片用于发射红色图像光，所述第二单色自发光显示芯片用于发射绿色图像光，所述第三单色自发光显示芯片用于发射蓝色图像光。

根据本实用新型的一实施例，所述成像镜头选自成像透镜组、折返式镜头、超透镜以及衍射透镜中的一种。

通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。

本实用新型的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1示出了现有的微型投影光引擎的结构示意图。

图2是根据本实用新型的一实施例的近眼显示光学设备的结构示意图。

图3示出了根据本实用新型的上述实施例的所述近眼显示光学设备的波导器件的原理示意图。

图4A至图4D示出了根据本实用新型的上述实施例的上述波导器件的一个变形实施方式。

图5示出了根据本实用新型的上述实施例的所述近眼显示光学设备的图像光投射组件的结构示意图。

图6示出了根据本实用新型的上述实施例的所述图像光投射组件的第一变形实施方式。

图7示出了根据本实用新型的上述实施例的所述图像光投射组件的第二变形实施方式。

图8示出了根据本实用新型的上述实施例的所述图像光投射组件的第三变形实施方式。

图9是根据本实用新型的一实施例的波导器件的合色显示方法的流程示意图。

图10是根据本实用新型的一实施例的近眼显示光学设备的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本实用新型的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“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者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

现有的微投影光学系统通常包括照明模块和成像模块，而为了实现彩色显示，所述照明模块通常需要含有光源、合色以及匀光器件，这导致整个微投影光学系统及其近眼显示系统的体积大、重量重。但目前的AR、NED可穿戴产品对体积和重量的要求越来越严苛，只有足够小体积、轻重量、低成本而又具有高成像质量的产品才能够满足市场需求。因此，为了满足市场需求，本实用新型申请提供了一种近眼显示光学设备。

参考说明书附图之图2和图3所示，根据本实用新型的一实施例的近眼显示光学设备1被阐明，其中所述近眼显示光学设备1包括至少一波导器件10和至少一图像光投射组件20，其中所述波导器件10可以包括一波导组11，并且所述波导组11具有一耦入区域1101和一偶出区域1102，用于将从所述耦入区域1101耦入的至少二单色图像光200传播至所述耦出区域1102。

具体地，所述图像光投射组件20被设置于所述波导器件10的所述波导组11的一侧，且对应于所述波导组11的所述耦入区域1101，用于向所述波导组11的所述耦入区域1101投射具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200，其中所述波导器件10用于传播该至少二单色图像光200，并将该具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200调制成具有相同角度空间分布的至少二单色图像光200，以在人眼前实现重合，从而实现全彩近眼显示。

更具体地，如图2所示，所述波导器件10可以进一步包括一耦入元件组12和一耦出元件组13。所述耦入元件组12被对应地设置于所述波导组11的所述耦入区域1101，并且所述耦入元件组12适于对应于该图像光投射组件20，用于将经由该图像光投射组件20投射的具有不同角度空间分布的该至少二单色图像光200从所述耦入区域1101耦入所述波导组11。所述耦出元件组13被设置于所述波导组11的所述耦出区域1102，用于将经由所述波导组11传播的该至少二单色图像光200从所述耦出区域1102耦出，以形成具有相同角度空间分布的该至少二单色图像光200，从而实现合色显示。

值得注意的是，由于经由该图像光投射组件20投射出的该具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200在经由所述耦入元件组12和/或所述耦出元件组13的调制后，形成从所述耦出区域1102耦出的该具有相同角度空间分布的至少二单色图像光200，因此从所述耦出区域1102耦出的至少二单色图像光200因具有相同角度空间分布而在人眼前实现重合(即合色)，从而无需额外设置诸如X合色棱镜等合色器件，就能够实现彩色显示，有助于使得整个光学设备的结构更加紧凑、体积更小、重量更轻。

此外，本实用新型的所述耦入元件组12和所述耦出元件组13均可以但不限于包括诸如表面浮雕光栅或体光栅等衍射光栅，还可以包括超表面、等离子体或光子晶体等微结构，只要能够实现通过所述耦入元件组12和/或所述耦出元件组13将具有不同角度空间分布的该至少二单色图像光200调制成具有相同角度空间分布的该至少二单色图像光200即可，本实用新型对此不再赘述。

示例性地，如图2和图3所示，经由该图像光投射组件20投射出的该具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200可以但不限于被实施为具有第一角度空间分布的第一单色图像光201、具有第二角度空间分布的第二单色图像光202以及具有第三角度空间分布的第三单色图像光203，对应地，从所述耦出区域1102耦出的至少二单色图像光200也可以被实施为均具有第四角度空间分布的第一单色图像光201、第二单色图像光202以及第三单色图像光203。可以理解的是，所述第一单色图像光201、所述第二单色图像光202以及所述第三单色图像光203的颜色互不相同，例如可以分别被实施为红色图像光(R图像光)、绿色图像光(G图像光)以及蓝色图像光(B图像光)。此外，所述第一角度空间分布、所述第二角度空间分布以及所述第三角度空间分布互不相同，而所述第四角度空间分布可以与所述第一角度空间分布、所述第二角度空间分布以及所述第三角度空间分布均不相同，也可以与所述第一角度空间分布、所述第二角度空间分布以及所述第三角度空间分布中之一相同。

优选地，所述第一单色图像光201、所述第二单色图像光202以及所述第三单色图像光203均携带有相同的图像信息，以确保在人眼前实现重合，从而实现全彩近眼显示。

更优选地，经由该图像光投射组件20投射出的所述第一单色图像光201、所述第二单色图像光202以及所述第三单色图像光203均具有相同的视场角，以便获得高质量的全彩近眼显示。换言之，携带有相同图像信息的RGB单色图像光以相同的视场角且不同的角度空间分布从所述耦入区域1101耦入所述波导组11；之后，携带有相同图像信息的RGB单色图像光会以相同的视场角且相同的角度空间分布从所述耦出区域1102耦出所述波导组11，使得耦出的所述RGB单色图像光能够在人眼前完全重合，从而实现全彩显示。

根据本实用新型的上述实施例，如图3所示，所述波导器件10的所述波导组11可以包括依次被叠置的一第一波导层111、一第二波导层112以及一第三波导层113，其中所述耦入元件组12可以对应地包括一第一耦入元件121、一第二耦入元件122以及一第三耦入元件123，并且所述耦出元件组13可以对应地包括一第一耦出元件131、一第三耦出元件132以及一第三耦出元件133。

更详细地，如图3所示，所述第一耦入元件121被对应地设置于所述第一波导层111，且位于所述波导组11的所述耦入区域1101；其中所述第一耦出元件131被对应地设置于所述第一波导层111，且位于所述波导组11的所述耦出区域1102。这样，该具有第一角度空间分布的第一单色图像光201将先经由所述第一耦入元件121的调制以从所述耦入区域1101耦入所述第一波导层111，再在经由所述第一波导层111的传播之后，经由所述第一耦出元件131的调制从所述耦出区域1102耦出所述第一波导层111，以形成该具有第四角度空间分布的第一单色图像光201。

如图3所示，所述第二耦入元件122被对应地设置于所述第二波导层112，且位于所述波导组11的所述耦入区域1101；其中所述第二耦出元件132被对应地设置于所述第二波导层112，且位于所述波导组11的所述耦出区域1102。这样，该具有第二角度空间分布的第二单色图像光202将先经由所述第二耦入元件122的调制以从所述耦入区域1101耦入所述第二波导层112，再在经由所述第二波导层112的传播之后，经由所述第二耦出元件132的调制从所述耦出区域1102耦出所述第二波导层112，以形成该具有第四角度空间分布的第二单色图像光202。

如图3所示，所述第三耦入元件123被对应地设置于所述第三波导层113，且位于所述波导组11的所述耦入区域1101；其中所述第三耦出元件133被对应地设置于所述第三波导层113，且位于所述波导组11的所述耦出区域1102。这样，该具有第三角度空间分布的第三单色图像光203将先经由所述第三耦入元件123的调制以从所述耦入区域1101耦入所述第三波导层113，再在经由所述第三波导层113的传播之后，经由所述第三耦出元件133的调制从所述耦出区域1102耦出所述第三波导层113，以形成该具有第四角度空间分布的第三单色图像光203。

值得注意的是，在本实用新型的上述实施例中，如图3所示，所述第一耦入元件121、所述第二耦入元件122以及所述第三耦入元件123依次被对准地叠置，并且所述第一耦入元件121和所述第三耦入元件123分别位于邻近和远离所述图像光投射组件20的位置。此时，经由所述图像光投射组件20投射出的所述至少二单色图像光200将会均传播至所述第一耦入元件121，因此所述第一耦入元件121优选地被设计成用于将具有第一角度空间分布的该第一单色图像光201耦入所述第一波导层111，并允许具有第二角度空间分布的该第二单色图像光202和具有第三角度空间分布的该第三单色图像光203透过。

同样地，经由所述图像光投射组件20投射出的具有第二角度空间分布的该第二单色图像光202和具有第三角度空间分布的该第三单色图像光203将会均传播至所述第二耦入元件122，因此所述第二耦入元件123优选地被设计成用于将具有第二角度空间分布的该第二单色图像光202耦入所述第二波导层112，并允许具有第三角度空间分布的该第三单色图像光203透过。

值得注意的是，在本实用新型的上述实施例中，如图3所示，所述第一耦出元件131、所述第二耦出元件132以及所述第三耦出元件133优选地也依次被对准地叠置，以便确保分别经由所述第一耦出元件131、所述第二耦出元件132以及所述第三耦出元件133耦出的所述第一单色图像光201、所述第二单色图像光202以及所述第三单色图像光203具有相同的角度空间分布，进而在人眼前进行合色显示。

值得一提的是，附图4A至图4D示出了根据本实用新型的上述实施例的所述波导器件10的一个变形实施方式。相比于根据本实用新型的上述实施例，根据本实用新型的这个变形实施方式的不同之处在于：所述第一耦入元件121、所述第二耦入元件122以及所述第三耦入元件123依次被错位地叠置。此时，经由所述图像光投射组件20投射出的具有第一角度空间分布的该第一单色图像光201、具有第二角度空间分布的该第二单色图像光202以及具有第三角度空间分布的该第三单色图像光203将会分别对应地传播至所述第一耦入元件121、所述第二耦入元件122以及所述第三耦入元件123，因此所述第一耦入元件121、所述第二耦入元件122以及所述第三耦入元件123只需被设计用于将具有第一角度空间分布的该第一单色图像光201、具有第二角度空间分布的该第二单色图像光202以及具有第三角度空间分布的该第三单色图像光203分别耦入至所述第一波导层111、所述第二波导层112以及所述第三波导层113即可，有助于降低所述第一耦入元件121、所述第二耦入元件122以及所述第三耦入元件123的设计难度。

值得注意的是，在本实用新型的上述实施例中，如图2所示，所述图像光投射组件20和所述人眼可以位于所述波导器件10的同一侧，使得该具有相同角度空间分布的至少二单色图像光200的耦出方向与该具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200的耦入方向恰好相反。当然，在本实用新型的其他示例中，所述图像光投射组件20和所述人眼也可以位于所述波导器件10的相对侧，使得该具有相同角度空间分布的至少二单色图像光200的耦出方向与该具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200的耦入方向保持一致。

具体地，在本实用新型的上述实施例中，如图2和图3所示，所述近眼显示光学设备1的所述图像光投射组件20可以包括一图像源21和一成像镜头22，其中所述图像源21用于发射携带有相同图像信息的至少二单色图像光200，其中所述成像镜头22被设置于所述图像源21和所述波导器件10的所述波导组11的所述耦入区域111之间的光路中，用于对来自所述图像源21的所述至少二单色图像光200进行成像处理，以投射具有不同角度空间分布的该至少二单色图像光200至所述波导组11的所述耦入区域111。

更具体地，如图2和图3所示，所述图像光投射组件20的所述图像源21可以包括至少二单色自发光显示芯片210，其中所述至少二单色自发光显示芯片210具有相同的发光面，以携带相同的图像信息，并且所述至少二单色自发光显示芯片210相对于所述成像镜头22的像面存在位置偏移，以使经由所述至少二单色自发光显示芯片210发射的携带有相同图像信息的该至少二单色图像光200在经过所述成像镜头22后形成该具有不同角度空间分布的该至少二单色图像光200。

值得注意的是，所述图像源21的所述至少二单色自发光显示芯片210可以但不限于被实施为Micro LED芯片或OLED芯片。可以理解的是，正是由于所述近眼显示光学系统1的所述图像源21采用了能够直接提供图像光的Micro LED芯片或OLED芯片，因此相比于现有的微型投影光引擎，本实用新型的所述近眼显示光学系统1无需额外设置中继镜组，使得所述近眼显示光学系统1的体积和重量得以大幅地减小。

示例性地，如图2和图3所示，所述图像源21的所述至少二单色自发光显示芯片210可以包括一第一单色自发光显示芯片211、一第二单色自发光显示芯片212以及一第三单色自发光显示芯片213，其中所述第一单色自发光显示芯片211、所述第二单色自发光显示芯片212以及所述第三单色自发光显示芯片213被并排地设置于所述成像镜头22的同一侧，并且所述第一单色自发光显示芯片211、所述第二单色自发光显示芯片212以及所述第三单色自发光显示芯片213相对于所述成像镜头22的像面存在位置偏移。

优选地，所述第一单色自发光显示芯片211用于发射红色图像光，所述第二单色自发光显示芯片212用于发射绿色图像光，所述第三单色自发光显示芯片213用于发射蓝色图像光。当然，在本实用新型的其他示例中，所述第一单色自发光显示芯片211、所述第二单色自发光显示芯片212以及所述第三单色自发光显示芯片213所发射的图像光的颜色可以互换，还可以用于发射其他颜色的单色图像光。

值得注意的是，所述第一、第二以及第三单色自发光显示芯片211、212、213具有相同的发光面且携带有相同的图像信息，用于依次发射携带有相同图像信息的第一、第二以及第三单色图像光201、202、203。此外，由于所述第一单色自发光显示芯片211、所述第二单色自发光显示芯片212以及所述第三单色自发光显示芯片213相对于所述成像镜头22的像面存在位置偏移，因此经由所述第一、第二以及第三单色自发光显示芯片211、212、213发射的携带有相同图像信息的第一、第二以及第三单色图像光201、202、203在经由所述成像镜头22的成像处理后可以形成具有不同角度空间分布的第一、第二以及第三单色图像光201、202、203，从而实现RGB单色图像光在不同角度空间的投射。

值得一提的是，在本实用新型的上述实施例中，如图5所示，所述图像光投射组件20的所述成像镜头22可以但不限于被实施为一成像透镜组221，其中所述成像透镜组221被对应地设置于所述图像源21和所述波导器件10的所述波导组11的所述耦入区域1101之间，用于对来自所述图像源21的所述至少二单色图像光200进行汇聚以成像，并将汇聚后的所述至少二单色图像光200传递至所述耦入区域1101，以通过所述耦入元件组12将所述至少二单色图像光200耦入至所述波导组11。然后，在所述波导组11内传播至所述耦出区域1102后，通过所述耦出元件组13将所述至少二单色图像光200耦出所述波导组11，以传播至用户眼睛中而被用户观看到对应的彩色图像。可以理解的是，所述成像透镜组221中的透镜数量、材料和面型不局限于图中所示，只要能够实现本实用新型所需的投影成像即可，本实用新型对此不做限制。

附图6示出了根据本实用新型的上述实施例的所述成像镜头22的第一变形实施方式，其中所述成像镜头22被实施为一折返式镜头222，其中所述折返式镜头22被对应地设置于所述图像源21和所述波导器件10的所述波导组11的所述耦入区域1101之间，用于折返所述至少二单色图像光200，使得所述折返式镜头222中的成像光路进行折返地转向，以便在更小的空间内提供足够长的成像光路，有助于减小所述成像镜头的体积和重量，进而达到进一步减小所述近眼显示光学设备1的体积和重量的效果。

附图7示出了根据本实用新型的上述实施例的所述成像镜头22的第二变形实施方式，其中所述成像镜头22被实施为一超透镜223，其中所述超透镜223被对应地设置于所述图像源21和所述波导器件10的所述波导组11的所述耦入区域1101之间，以通过所述超透镜223对来自所述图像源21的所述至少二单色图像光200进行成像处理。值得注意的是，由于所述超透镜223的体积和重量远远小于所述成像透镜组221的体积和重量，因此所述近眼显示光学设备1的体积和重量均得到大幅地减小。

附图8示出了根据本实用新型的上述实施例的所述成像镜头22的第三变形实施方式，其中所述成像镜头22被实施为一衍射透镜224(如菲涅尔透镜等等)，其中所述衍射透镜224被对应地设置于所述图像源21和所述波导器件10的所述波导组11的所述耦入区域1101之间，以经由所述衍射透镜224的衍射对来自所述图像源21的所述至少二单色图像光200进行成像处理。值得注意的是，由于所述衍射透镜224的体积和重量也远小于所述成像透镜组221的体积和重量，因此所述近眼显示光学设备1的体积和重量同样能够得以大幅地减小。

根据本实用新型的另一方面，如图9所示，本实用新型进一步提供了一种波导器件的合色显示方法，包括如下步骤：

S110：经由一耦入元件组12将具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200从一波导组11的耦入区域1101耦入所述波导组11；

S120：经由所述波导组11将从所述耦入区域1101耦入的所述至少二单色图像光200传播至所述波导组11的耦出区域1102；以及

S130：经由一耦出元件组13将传播至所述耦出区域1102的所述至少二单色图像光200耦出所述波导组11，其中所述具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200在经由所述耦入元件组12和/或所述耦出元件组13的调制后形成具有相同角度空间分布的至少二单色图像光200。

根据本实用新型的另一方面，如图10所示，本实用新型的一实施例进一步提供了一近眼显示光学设备的制造方法，包括步骤：

S210：分别对应地设置一耦入元件组12和一耦出元件组13于一波导组11的耦入区域1101和耦出区域1102，以得到一波导器件10；和

S220：对应地设置一图像光投射组件20于所述波导器件10的所述波导组11的所述耦入区域1101，其中所述图像光投射组件20用于投射具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200至所述波导组11的所述耦入区域1101，并且所述耦入元件组12和/或所述耦出元件组13用于调制所述具有不同角度空间分布的至少二单色图像光200以形成具有相同角度空间分布的至少二单色图像光200，以实现合色显示。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (13)

1.一近眼显示光学设备，其特征在于，包括：

至少一图像光投射组件，其中所述图像光投射组件用于投射至少二单色图像光；和

至少一波导器件，其中所述波导器件包括：

一波导组，其中所述波导组具有一耦入区域和一耦出区域，用于将从所述耦入区域耦入的该至少二单色图像光传播至所述耦出区域；

一耦入元件组，其中所述耦入元件组被对应地设置于所述波导组的所述耦入区域，并且所述耦入元件对应于所述图像光投射组件，用于将经由所述图像光投射组件投射的该至少二单色图像光从所述耦入区域耦入所述波导组；以及

一耦出元件组，其中所述耦出元件组被对应地设置于所述波导组的所述耦出区域，用于将经由所述波导组传播的该至少二单色图像光从所述耦出区域耦出，以形成具有相同角度空间分布的至少二单色图像光。

2.如权利要求1所述的近眼显示光学设备，其中，所述波导组包括依次被叠置的一第一波导层、一第二波导层以及一第三波导层，其中所述第一波导层用于将该至少二单色图像光中的具有第一角度空间分布的第一单色图像光从所述耦入区域传播至所述耦出区域；其中所述第二波导层用于将该至少二单色图像光中的具有第二角度空间分布的第二单色图像光从所述耦入区域传播至所述耦出区域；其中所述第三波导层用于将该至少二单色图像光中的具有第三角度空间分布的第三单色图像光从所述耦入区域传播至所述耦出区域。

3.如权利要求2所述的近眼显示光学设备，其中，所述耦入元件组包括被对应地设置于所述第一波导层的一第一耦入元件，被对应地设置于所述第二波导层的一第二耦入元件以及被对应地设置于所述第三波导层的一第三耦入元件，并且所述耦出元件组包括被对应地设置于所述第一波导层的一第一耦出元件，被对应地设置于所述第二波导层的一第二耦出元件以及被对应地设置于所述第三波导层的一第三耦出元件。

4.如权利要求3所述的近眼显示光学设备，其中，所述第一耦入元件、所述第二耦入元件以及所述第三耦入元件依次被对准地叠置，并且所述第一耦入元件和所述第三耦入元件适于分别位于邻近和远离该图像光投射组件的位置，其中所述第一耦入元件用于将该具有第一角度空间分布的第一单色图像光耦入所述第一波导层，并允许该具有第二角度空间分布的第二单色图像光和该具有第三角度空间分布的第三单色图像光透过；其中所述第二耦入元件用于将该具有第二角度空间分布的第二单色图像光耦入所述第二波导层，并允许该具有第三角度空间分布的第三单色图像光透过；其中所述第三耦入元件用于将该具有第三角度空间分布的第三单色图像光耦入所述第三波导层。

5.如权利要求3所述的近眼显示光学设备，其中，所述第一耦入元件、所述第二耦入元件以及所述第三耦入元件依次被错位地叠置，其中所述第一耦入元件用于将该具有第一角度空间分布的第一单色图像光耦入所述第一波导层；其中所述第二耦入元件用于将该具有第二角度空间分布的第二单色图像光耦入所述第二波导层；其中所述第三耦入元件用于将该具有第三角度空间分布的第三单色图像光耦入所述第三波导层。

6.如权利要求4或5所述的近眼显示光学设备，其中，所述第一耦出元件、所述第二耦出元件以及所述第三耦出元件依次被对准地叠置。

7.如权利要求1至5中任一所述的近眼显示光学设备，其中，所述耦入元件组和所述耦出元件组均包括表面浮雕光栅、体光栅、超表面、等离子体和光子晶体中的一种或多种。

8.如权利要求1至5中任一所述的近眼显示光学设备，其中，所述图像光投射组件包括一图像源和一成像镜头，其中所述图像源用于发射携带有相同图像信息的至少二单色图像光，其中所述成像镜头被设置于所述图像源和所述波导器件的所述波导组的所述耦入区域之间的光路中，用于对来自所述图像源的该至少二单色图像光进行成像处理，以投射出该具有不同角度空间分布的至少二单色图像光至所述波导组的所述耦入区域。

9.如权利要求8所述的近眼显示光学设备，其中，所述图像源包括至少二单色自发光显示芯片，其中所述至少二单色自发光显示芯片具有相同的发光面，并且所述至少二单色自发光显示芯片相对于所述成像镜头的像面存在位置偏移。

10.如权利要求9所述的近眼显示光学设备，其中，所述至少二单色自发光显示芯片为Micro LED芯片或OLED芯片。

11.如权利要求10所述的近眼显示光学设备，其中，所述至少二单色自发光显示芯片包括一第一单色自发光显示芯片、一第二单色自发光显示芯片以及一第三单色自发光显示芯片，其中所述第一单色自发光显示芯片、所述第二单色自发光显示芯片以及所述第三单色自发光显示芯片被并排地设置于所述成像镜头的同一侧，并且所述第一单色自发光显示芯片、所述第二单色自发光显示芯片以及所述第三单色自发光显示芯片相对于所述成像镜头的像面存在位置偏移。

12.如权利要求11所述的近眼显示光学设备，其中，所述第一单色自发光显示芯片用于发射红色图像光，所述第二单色自发光显示芯片用于发射绿色图像光，所述第三单色自发光显示芯片用于发射蓝色图像光。

13.如权利要求8所述的近眼显示光学设备，其中，所述成像镜头选自成像透镜组、折返式镜头、超透镜以及衍射透镜中的一种。

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