CN216210248U - 近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种近眼显示设备，其包括用于发射图像光的图像源、具有耦入区和耦出区的衍射波导以及用于调制并反射该图像光的成像透镜组，其中该衍射波导被对应地设置于该图像源的发光侧，并且该成像透镜组被对应地设置于该衍射波导，以使该衍射波导位于该图像源和该成像透镜组之间的光路中，使得经由该图像源发射的图像光先穿过该衍射波导，再在被该成像透镜组调制且反射回该衍射波导后，经由该衍射波导的该耦入区被耦入该衍射波导内以传输至该衍射波导的该耦出区，进而经由该衍射波导的该耦出区耦出以传播至人眼而实现近眼显示，以便采用离轴反射式成像光路设计，获得小体积、轻重量、低成本的近眼显示光学系统，便于规模化生产和推广。

Description

近眼显示设备

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设备。

背景技术

近年来，随着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。尤其是随着投影显示技术的不断发展和市场需求，可穿戴的微投影系统越来越收到重视，例如在现如今发展火热的增强现实(英文Augmented reality，简称AR)和虚拟现实(英文Virtual Reality，简称VR)等近眼显示(英文Near-eye display，简称NED)领域。

目前，在近眼显示领域的全彩显示AR方案中，光波导显示技术以其最接近眼镜形态，且能够为用户提供良好的体验感而备受大家的关注，尤其是衍射光波导因其在成本及工艺可实现性上的优势而具备大规模量产化的潜力，因此在各类AR显示技术中脱颖而出，受到大家的推崇及争相研究。

然而，现有的光机搭配衍射波导的技术方案，通常采用直筒式投影镜头，其镜片数一般为4片左右，厚度方向上的尺寸较大且重量较重。此外，现有的近眼显示方案还存在装配繁琐、成本高的缺点。尤其是当采用单色Micro-LED作为显示器件时，现有的近眼显示方案需要额外配置合色器件才能够实现彩色图像的近眼显示，这无疑会进一步增大尺寸、重量以及装配难度，无法满足当下对电子设备的小型化、轻重量、低成本的发展要求。

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设备，其能够减少设备体积和重量，提高整体紧凑性，有助于满足电子设备的小型化和轻重量的发展潮流。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示设备能够使成像透镜贴附于衍射波导的表面，以便利用衍射波导在较小的空间内延长成像光程，提高整体结构的紧凑性。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示设备能够将图像源和成像透镜直接贴附于衍射波导，以简化装配工艺，降低成本。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示设备能够采用离轴两反式光路设计，增强结构的紧凑性，降低装配难度。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示设备能够使图像源所发出的单色图像光分别从对应的单色耦入区耦入波导，以进行各色图像光的分立传输，有助于提高传输图像的颜色均匀性。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示设备能够在使用三个单色Micro-LED显示芯片提供三种单色图像光时，不仅无需额外设置合色器件，而且能够消除因光栅的色散特性而引起的颜色不均匀现象。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示设备，其中，在本实用新型的一实施例中，所述近眼显示设备中的成像透镜能够采用阵列式设计，以便进一步降低装配难度，提高结构紧凑型。

本实用新型的另一优势在于提供一种近眼显示设备，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，不只提供一种简单的近眼显示设备，同时还增加了所述近眼显示设备的实用性和可靠性。

为了实现本实用新型的上述至少一优势或其他优点和目的，本实用新型提供了一种近眼显示设备，包括：

图像源，用于发射图像光；

衍射波导，其中所述衍射波导被对应地设置于所述图像源的发光侧，并且所述衍射波导具有用于耦入该图像光的耦入区和用于耦出该图像光的耦出区；以及

成像透镜组，其中所述成像透镜组被对应地设置于所述衍射波导，以使所述衍射波导位于所述图像源和所述成像透镜组之间的光路中，并且所述成像透镜组用于调制从所述衍射波导射出的该图像光，并将调制后的该图像光反射回所述衍射波导以传播至所述耦入区。

根据本申请的一个实施例，所述衍射波导具有平行表面，并且所述成像透镜组被对应地贴附于所述衍射波导的所述平行表面。

根据本申请的一个实施例，所述衍射波导的所述平行表面包括相互平行的第一表面和第二表面，并且所述成像透镜组包括被对应地贴附于所述衍射波导的所述第一表面的第一成像透镜，并且所述衍射波导的所述耦入区位于所述衍射波导的所述第二表面。

根据本申请的一个实施例，所述衍射波导的所述平行表面包括相互平行的第一表面和第二表面，其中所述成像透镜组包括被对应地贴附于所述衍射波导的所述第一表面的第一成像透镜和被对应地贴附于所述衍射波导的所述第二表面的第二成像透镜，并且所述衍射波导的所述耦入区位于所述衍射波导的所述第一表面。

根据本申请的一个实施例，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜分别被对应地胶合于所述衍射波导的所述第一表面和所述第二表面。

根据本申请的一个实施例，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜分别选自非球面透镜、自由曲面透镜以及衍射透镜中的一种。

根据本申请的一个实施例，所述衍射波导进一步具有相对于所述平行表面倾斜的入射面，并且所述图像源被对应地贴附于所述衍射波导的所述入射面。

根据本申请的一个实施例，所述图像源为Mirco-LED显示芯片或Mirco-OLED显示芯片。

根据本申请的一个实施例，所述图像源为用于发射具有不同颜色的三路单色图像光的三个单色Mirco-LED显示芯片，其中所述衍射波导具有三个所述耦入区，并且三个所述耦入区与三个所述单色Mirco-LED显示芯片一一对应，用于分别耦入对应的该单色图像光。

根据本申请的一个实施例，所述图像源为RGB三合一Mirco-LED显示芯片，其中所述成像透镜组为平凸透镜阵列，并且所述平凸透镜阵列中的平凸透镜单元分别用于调制并反射对应的该单色图像光。

附图说明

图1为根据本实用新型的一个实施例的近眼显示设备的立体示意图；

图2示出了根据本实用新型的上述实施例的所述近眼显示设备的远离示意图；

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设备的第一变形实施方式；

图4示出了根据本实用新型的上述实施例的所述近眼显示设备的第二变形实施方式；

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设备的第三变形实施方式；

主要元件符号说明：1、近眼显示设备；10、图像源；100、图像光；11、彩色Mirco-LED显示芯片；12、单色Mirco-LED显示芯片；120、RGB三合一Mirco-LED显示芯片；20、衍射波导；200、平行表面；201、第一表面；202、第二表面；203、入射面；21、耦入区；22、耦出区；23、扩瞳区；30、成像透镜组；301、平凸透镜；302、平凸透镜阵列；31、第一成像透镜；32、第二成像透镜。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

目前，现有技术中配置有衍射波导的近眼显示方案通常是将直筒式投影镜头设置在图像源和衍射波导之间，其中该投影镜头中的镜片数一般在4片左右，这导致厚度方向尺寸偏大且整体重量较重。

为了解决上述问题，本申请提供了一种近眼显示设备，其可以包括用于发射图像光的图像源、具有耦入区和耦出区的衍射波导以及用于调制并反射该图像光的成像透镜组，其中所述衍射波导被对应地设置于所述图像源的发光侧，并且所述成像透镜组被对应地设置于所述衍射波导，以使所述衍射波导位于所述图像源和所述成像透镜组之间的光路中，使得经由所述图像源发射的图像光先穿过所述衍射波导，再在被所述成像透镜组调制且反射回所述衍射波导后，经由所述衍射波导的所述耦入区被耦入所述衍射波导内以传输至所述衍射波导的所述耦出区，进而经由所述衍射波导的所述耦出区耦出以传播至人眼而实现近眼显示。换言之，本申请的所述近眼显示设备采用离轴反射式成像光路设计，获得小体积、轻重量、低成本的近眼显示光学系统，便于规模化生产和推广。

具体地，参考附图1和图2所示，本实用新型的一实施例提供了一种近眼显示设备1，其可以包括用于发射图像光100的图像源10、具有平行表面200的衍射波导20以及用于调制且反射该图像光100的成像透镜组30。所述衍射波导20被对应地设置于所述图像源10的发光侧，其中所述成像透镜组30被对应地贴附于所述衍射波导20的所述平行表面200，并且所述衍射波导20的耦入区21和耦出区22被对应地设置于所述平行表面200。可以理解的是，所述耦入区21和所述耦出区22可以位于同一个所述平行表面200，也可以分别位于不同的所述平行表面200，只要能够实现从所述耦入区21耦入的光线在经由所述衍射波导20的所述平行表面200全内反射以传输至所述耦出区22后，从所述耦出区22耦出以入射至人眼即可，本申请对此不再赘述。

更具体地，在本申请的上述实施例中，所述衍射波导20的所述平行表面200可以包括相互平行的第一表面201和第二表面202，其中所述衍射波导20的所述耦入区21和所述耦出区22可以但不限于均位于所述衍射波导20的所述第二表面202。所述成像透镜组30可以包括被对应地贴附于所述衍射波导20的所述第一表面201的第一成像透镜31，使得经由所述图像源10发射的该图像光100先从所述衍射波导20的所述第一表面201射出以被所述第一成像透镜31调制并反射回所述衍射波导20，再在所述衍射波导20的所述第二表面202处被所述耦入区21耦入至所述衍射波导20内以进行全内反射地传输。可以理解的是，所述第一表面201和所述第二表面202可以是平面，也可以自由曲面或球面等，本申请对此不再赘述。

值得注意的是，本申请的所述成像透镜组30直接被贴附于所述衍射波导20的所述平行表面200，而不是采用直筒式投影镜头，这不仅有助于大幅地减小整体尺寸和重量，而且还能够简化装配，降低成本。此外，所述衍射波导20还可以进一步具有位于所述平行表面200的扩瞳区23，其中所述扩瞳区23位于所述耦入区21和所述耦出区22之间的光路中，使得经由所述耦入区21耦入的该图像光100先经由所述扩瞳区23的扩展后，再经由所述耦出区22耦出以入射至人眼。可以理解的是，所述衍射波导20的所述耦入区21、所述耦出区22以及所述扩瞳区23可以但不限于设有衍射光栅结构，并且所述衍射光栅结构可以是一维的，也可以是二维的，只要能够实现所需的耦入、耦出以及扩瞳功能即可，本申请对此不再赘述。

根据本申请的上述实施例，优选地，所述衍射波导20可以进一步具有相对于所述平行表面200倾斜的入射面203，并且所述图像源10被对应地贴附于所述衍射波导20的所述入射面203，使得经由所述图像源10发射的该图像光100在从所述入射面203射入所述衍射波导20后，将倾斜地传播至所述衍射波导20的所述第一表面201以被所述第一成像透镜31调制并反射回所述衍射波导20。可以理解的是，所述图像源10可以但不限于直接胶合于所述衍射波导20的所述入射面203，以降低组装难度，提高整体结构的紧凑性。

更优选地，所述第一成像透镜31被胶合于所述衍射波导20的所述第一表面201，以确保经由所述图像源10发射的该图像光100在倾斜地传播至所述衍射波导20的所述第一表面201上与所述第一成像透镜31对应的区域时不会发生全内反射，而是射出所述第一表面201以被所述第一成像透镜31调制并反射回所述衍射波导20。可以理解的是，在本申请的其他示例中，所述第一成像透镜31还可以通过其他方式被贴附于所述衍射波导20的所述第一表面201，只需确保该图像光100能够从所述第一表面201射出以传播至所述第一成像透镜31内即可，本申请对此不再赘述。

值得注意的是，所述第一成像透镜31可以但不限于被实施为非球面透镜、自由曲面透镜以及衍射面透镜中的一种。特别地，所述第一成像透镜31被实施为平凸透镜301，以便将所述第一成像透镜31面对面地胶合于所述衍射波导20的所述第一表面201。

根据本申请的上述实施例，所述第一成像透镜31可以通过全内反射的方式来反射被调制后的该图像光100，也就是说，从所述第一表面201射出的该图像光100在所述第一成像透镜31的功能表面满足全内反射条件，以将调制后的图像光100全内反射回所述衍射波导20。可以理解的是，在本申请的其他示例中，所述第一成像透镜31还可以通过诸如膜反射等反射方式将被调制后的该图像光100反射回所述衍射波导20，也就是说，所述第一成像透镜31的功能表面可以镀有高反膜系或其他类型的反射膜系，甚至可以直接镀银以形成反射镜面。

值得注意的是，虽然根据本申请的上述实施例的所述近眼显示设备1中的所述成像透镜组30仅包括一个成像透镜(即所述第一成像透镜31)来阐述其特征和优势，但其仅为举例，在本本申请的其他示例中，所述成像透镜组30还可以包括两个或两个以上的成像透镜，只需要保证将从所述衍射波导20射出的图像光调制并反射回所述衍射波导20以传播至所述耦入区21即可，本申请对此不做限制。

示例性地，附图3示出了根据本申请的上述实施例的所述近眼显示设备1的第一变形实施方式，其中所述成像透镜组30可以包括被对应地贴附于所述衍射波导20的所述第一表面201的所述第一成像透镜31和被对应地贴附于所述衍射波导20的所述第二表面202的第二成像透镜32，并且所述衍射波导20的所述耦入区21处于所述衍射波导20的所述第一表面201。换言之，所述第一成像透镜31和所述第二成像透镜32依次处于所述图像源10和所述耦入区21之间的光路中，使得经由所述图像源10发射的该图像光100先从所述衍射波导20的所述第一表面201射出以被所述第一成像透镜31调制并反射回所述衍射波导20，再从所述衍射波导20的所述第二表面202射出以被所述第二成像透镜32调制并反射回所述衍射波导20，最后在所述衍射波导20的所述第一表面201处被所述耦入区21耦入至所述衍射波导20内以进行全内反射地传输。

值得注意的是，在本申请的上述第一变形实施方式中，经由所述第一成像透镜31和所述第二成像透镜32两次调制后的图像光100可以形成无穷远的像以进入所述衍射波导20的所述耦入区21，进而再经过所述衍射波导20全内反射地传输，最后进过所述衍射波导20的所述耦出区22被耦出以入射至人眼而实现近眼显示。可以理解的是，在本申请的上述第一示例和第二示例中，所述第一成像透镜31和所述第二成像透镜32均可以但不限于被实施为单片平凸透镜301，并且所述平凸透镜301的面型可以但不限于被实施为非球面、自由曲面或衍射面，只要能够使图像光100在调制后能够形成无穷远的像即可。

根据本申请的上述实施例，所述近眼显示设备1中的所述图像源10可以但不限于被实施为诸如Mirco-LED显示芯片或Mirco-OLED显示芯片等自发光显示芯片。优选地，在本申请的上述实施例及变形实施方式中，所述图像源10被实施为彩色Mirco-LED显示芯片11，用于发出彩色图像光，使得所述近眼显示设备1能够实现彩色图像的显示。可以理解的是，在本申请的其他示例中，所述图像源10还可以被实施为单色Mirco-LED显示芯片，用于发出单色图像光，此时所述近眼显示设备1只能显示单色图像。

值得注意的是，当采用单色Mirco-LED显示芯片作为图像源时，现有技术通常还需要额外配置合色光学系统才能够实现彩色图像输出，这无疑又会增加重量、尺寸及成本。此外，在根据本申请的上述实施例中，所述衍射波导20只具有一个所述耦入区21，而彩色图像光在从同一个所述耦入区21耦入时将会发生光色散现象，这无疑会造成输出图像的颜色不均匀。

为了解决这一技术问题，附图4示出了根据本申请的上述实施例的所述近眼显示设备1的第二变形实施方式，其中所述近眼显示设备1的所述图像源10被实施为三个单色Mirco-LED显示芯片12，用于发射具有不同颜色的三路单色图像光；并且所述衍射波导20具有与三个所述单色Mirco-LED显示芯片12一一对应的三个所述耦入区21，使得经由所述单色Mirco-LED显示芯片12发射的单色图像光在经由所述成像透镜组30的调制和反射后传播至对应的所述耦入区21以分别被耦入所述衍射波导20。可以理解的是，所述衍射波导20的三个所述耦入区21可以分别设有不同的衍射光栅，并且三个所述耦入区21的衍射光栅周期可以根据三种不同颜色的单色图像光的波长进行匹配性设计，以彻底消除图像光在耦入时发生的光色散问题，有助于提高近眼显示的彩色图像质量。

值得注意的是，在本申请的上述第二变形实施方式中，所述成像透镜组30可以但不限于被实施为平凸透镜阵列302，并且所述平凸透镜阵列302中的平凸透镜单元分别对应于不同的所述单色Mirco-LED显示芯片12，以分别调制并反射所对应的单色图像光。换言之，所述第一成像透镜31和所述第二成像透镜32均可以被实施为所述平凸透镜阵列302。可以理解的是，在本申请的其他示例中，所述第一成像透镜31和所述第二成像透镜32还可以被实施为阵列排布的多个平凸透镜，只要能够保证对应地调制并反射单色图像光即可，本申请对此不再赘述。

优选地，所述图像源10被实施为RGB三合一Mirco-LED显示芯片120，用于发射红色图像光、绿色图像光以及蓝色图像光。可以理解的是，所述单色图像光可以但不限于被实施为三种基色光，即分别为R光(即红色图像光)、G光(即绿色图像光)以及B光(即蓝色图像光)。当然，在本申请的其他示例中，本申请所提及的所述单色图像光可以被实施为其他颜色的图像光束，只要能够显示出全彩图像即可，本申请对此不再赘述。

更优选地，所述RGB三合一Mirco-LED显示芯片120中的三个所述单色Mirco-LED显示芯片12可以呈直线式分布；对应地，所述平凸透镜阵列302中的平凸透镜单元也呈直线式分布。可以理解的是，在本申请的其他示例中，所述RGB三合一Mirco-LED显示芯片120中的三个所述单色Mirco-LED显示芯片12也可以呈品字形分布或L形分布，本申请对此不再赘述。

值得注意的是，在本申请的上述实施例和变形实施方式中，所述衍射波导20中的所述耦入区21、所述扩瞳区23以及所述耦出区22呈L形分布，即所述扩瞳区23被实施为转折区，使得从所述耦入区21耦入的图像光在所述扩瞳区23处发生转折以传播至所述耦出区22被耦出，此时所述扩瞳区23可以设有一维光栅结构就能够实现转折扩瞳功能。而附图5示出了根据本申请的上述实施例的所述近眼显示设备1的第三变形实施方式，其中所述衍射波导20中的所述耦入区21、所述扩瞳区23以及所述耦出区22呈直线式分布，即所述扩瞳区23位于所述耦入区21和所述耦出区22的中间，此时所述扩瞳区23可以设有二维光栅结构以实现扩瞳功能。

可以理解的是，在本申请的其他实施例中，所述衍射波导20也可以不包括所述扩瞳区23，以直接在所述耦出区22处进行扩瞳和耦出；或者，所述衍射波导20中的所述扩瞳区23可以包括两个或两个以上，并且可以按照所需扩瞳形式进行排布，只要能够实现所需的扩瞳效果即可，本申请对此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.近眼显示设备，其特征在于，包括：

图像源，用于发射图像光；

衍射波导，其中所述衍射波导被对应地设置于所述图像源的发光侧，并且所述衍射波导具有用于耦入该图像光的耦入区和用于耦出该图像光的耦出区；以及

成像透镜组，其中所述成像透镜组被对应地设置于所述衍射波导，以使所述衍射波导位于所述图像源和所述成像透镜组之间的光路中，并且所述成像透镜组用于调制从所述衍射波导射出的该图像光，并将调制后的该图像光反射回所述衍射波导以传播至所述耦入区。

2.如权利要求1所述的近眼显示设备，其特征在于，所述衍射波导具有平行表面，并且所述成像透镜组被对应地贴附于所述衍射波导的所述平行表面。

3.如权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，所述衍射波导的所述平行表面包括相互平行的第一表面和第二表面，并且所述成像透镜组包括被对应地贴附于所述衍射波导的所述第一表面的第一成像透镜，并且所述衍射波导的所述耦入区位于所述衍射波导的所述第二表面。

4.如权利要求2所述的近眼显示设备，其特征在于，所述衍射波导的所述平行表面包括相互平行的第一表面和第二表面，其中所述成像透镜组包括被对应地贴附于所述衍射波导的所述第一表面的第一成像透镜和被对应地贴附于所述衍射波导的所述第二表面的第二成像透镜，并且所述衍射波导的所述耦入区位于所述衍射波导的所述第一表面。

5.如权利要求4所述的近眼显示设备，其特征在于，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜分别被对应地胶合于所述衍射波导的所述第一表面和所述第二表面。

6.如权利要求4所述的近眼显示设备，其特征在于，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜分别选自非球面透镜、自由曲面透镜以及衍射透镜中的一种。

7.如权利要求2至6中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述衍射波导进一步具有相对于所述平行表面倾斜的入射面，并且所述图像源被对应地贴附于所述衍射波导的所述入射面。

8.如权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，所述图像源为Mirco-LED显示芯片或Mirco-OLED显示芯片。

9.如权利要求1至6中任一所述的近眼显示设备，其特征在于，所述图像源为用于发射具有不同颜色的三路单色图像光的三个单色Mirco-LED显示芯片，其中所述衍射波导具有三个所述耦入区，并且三个所述耦入区与三个所述单色Mirco-LED显示芯片一一对应，用于分别耦入对应的该单色图像光。

10.如权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，所述图像源为RGB三合一Mirco-LED显示芯片，其中所述成像透镜组为平凸透镜阵列，并且所述平凸透镜阵列中的平凸透镜单元分别用于调制并反射对应的该单色图像光。

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