CN216285986U - 近眼显示设备 - Google Patents

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王雁茹
陈杭
张倩
胡增新
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Abstract

本实用新型涉及一种近眼显示设备,其包括:波导器件,其中该波导器件具有被对应地布置的耦入区和耦出区;投射镜头,其中该投射镜头的出光端被对应地设置于该波导器件的该耦入区,并且该投射镜头的光轴相对倾斜于该波导器件的表面;以及图像源,其中该图像源被偏置于该投射镜头的入光端,并且该投射镜头位于该图像源和该波导器件之间的光路中,用于使经由该图像源发射的中心主光线先经由该投射镜头的调制以偏轴地投射至该波导器件的该耦入区,再经由该波导器件从该耦入区传输至该耦出区以垂直地入射至人眼,以便兼顾整体图像的显示效果和用户佩戴的舒适体验。

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,诸如增强现实(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)技术越发火热。而伴随着LED技术和微型显示芯片技术的发展,投影显示越来越趋于小型化,使得可穿戴的近眼显示系统备受关注,人们在追求小体积、高分辨率的基础上,对其佩戴舒适度的要求也越来越高。
在理想状态下,现有的近眼显示系统的光路如图1A所示,其包括相互垂直放置的投影光引擎1P和显示器件2P,其中该显示器件2P被垂直放置于人眼的正前方,并且该投影光引擎1P中图像源12P发出的中心主光线与投射镜头11P的光轴重合,使得经由该投影光引擎1P发射的轴上光线会先垂直地进入该显示器件2P,再经由该显示器件2P传输后垂直地射入人眼,此时显示图像将呈现在人眼视野中心。
然而,为了满足客户及市场的适配眼镜外观需求,现有的近眼显示系统在实际状态下的光路如图1B所示,其中该投影光引擎1P与该显示器件2P不再垂直放置,而是存在一定的倾斜角度。此时,该投影光引擎1P的光轴与该显示器件2P存在的相对角度可能是更多维度,而不再是90°,使得经由该投影光引擎1P发射的轴上线光不再垂直地入射至该显示器件2P,进而从该显示器件2P出射的光线同样会存在一定角度地进入人眼,造成显示图像会偏离人眼视野中心,或者伴有一定倾斜/畸变显示,严重影响整体图像的显示效果和佩戴体验。此外,实际状态下的近眼显示系统中的该显示器件2P可能也不会被垂直放置于人眼的正前方,即该显示器件2P在人眼正前方被倾斜地放置,这样将加剧从该显示器件2P出射的光线在入射至人眼时的倾斜角度,进一步影响整体图像的显示效果和佩戴体验。
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,其能够兼顾整体图像的显示效果和用户佩戴的舒适体验。
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实现中心主光线的倾斜入射,使得经由波导器件传输后能够垂直地入射至人眼,以便在适配眼镜外观需求的同时确保显示图像呈现在人眼视野中心。
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偏置于投射镜头,使得所述图像源发射的中心主光线相对于所述投射镜头偏轴地投射,以保证该中心主光线在经由波导器件传输后能够垂直地入射至人眼。
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通过调整所述图像源与所述投射镜头之间的相对位置,实现各种适配眼镜外观的近眼显示设备所显示的图像能够始终在人眼视野的正中心呈现。
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通过调整所述图像源与所述投射镜头之间的相对位置以保证图像位置的同时,实现后焦的调整,以保证图像清晰度。
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适用于各种适配眼镜外观的显示设备的装调,不受角度维度多样化的限制。
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仅利用一个六轴调试台来实现所述图像源相对于所述投射镜头的位置调试,操作简单,有助于节约成本。
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:
波导器件,其中所述波导器件具有被对应地布置的耦入区和耦出区;
投射镜头,其中所述投射镜头的出光端被对应地设置于所述波导器件的所述耦入区,并且所述投射镜头的光轴相对倾斜于所述波导器件的表面;以及
图像源,其中所述图像源被偏置于所述投射镜头的入光端,并且所述投射镜头位于所述图像源和所述波导器件之间的光路中,用于使经由所述图像源发射的中心主光线在经由所述投射镜头调制后偏轴地投射至所述波导器件的所述耦入区。
根据本申请的一个实施例,所述投射镜头的光轴垂直于所述图像源的发光面,并且所述图像源的中心偏离所述投射镜头的所述光轴。
根据本申请的一个实施例,所述图像源被可移位地设置于所述投射镜头的所述入光端,用于通过调试来调整所述图像源和所述投射镜头之间的相对位置。
根据本申请的一个实施例,所述图像源被胶合于所述投射镜头的所述入光端。
根据本申请的一个实施例,所述图像源的中心相对于所述投射镜头的所述光轴的偏离距离与所述投射镜头的所述光轴相对于所述波导器件的倾斜角度成正相关。
根据本申请的一个实施例,所述近眼显示设备进一步包括眼镜架,其中所述眼镜架包括鼻托和一对镜腿,其中所述鼻托被对应地设置于所述波导器件的内侧,并且两个所述镜腿分别被对应地设置于所述波导器件的外侧,其中所述图像源和所述投射镜头被对应地设置于所述镜腿。
根据本申请的一个实施例,所述波导器件为具有平行表面的光波导镜片。
根据本申请的一个实施例,所述光波导镜片的所述平行表面为平面。
根据本申请的一个实施例,所述图像源为自发光显示芯片。
根据本申请的一个实施例,所述波导器件的所述耦入区和所述耦出区设有衍射光栅结构或反射阵列。
附图说明
图1A和图1B分别为现有技术中近眼显示系统在理想状态和实际状态下的光路示意图;
图2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光路示意图;
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局部放大示意图;
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调试示意图。
主要元件符号说明:1、近眼显示设备;10、波导器件;100、光波导镜片;11、耦入区;12、耦出区;20、投射镜头;200、光轴;21、出光端;22、入光端;30、图像源;300、中心主光线;31、自发光显示芯片;40、眼镜架;41、鼻托;42、镜腿;1P、投影光引擎;2P、显示器件。
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,现有技术中近眼显示方案为了满足客户及市场的适配眼镜外观需求,通常将投影光引擎倾斜地设置于显示器件,使得经由该投影光引擎发射的轴上线光不再垂直地入射至该显示器件,进而从该显示器件出射的光线同样会存在一定角度地进入人眼,造成显示图像会偏离人眼视野中心,或者伴有一定倾斜/畸变显示,严重影响整体图像的显示效果和佩戴体验。
为了解决上述问题,本申请提供了一种近眼显示设备,其能够通过将图像源偏置于投射镜头,实现经由所述图像源发射的中心主光线相对于所述投射镜头的光轴倾斜地投射(即偏轴地投射),以保证该中心主光线在经由波导器件传输后能够垂直地入射至人眼,使得显示图像呈现在人眼视野中心,有助于保证整体图像显示效果和佩戴体验。
具体地,参考附图2至图5所示,本实用新型的一实施例提供了一种近眼显示设备1,其可以包括波导器件10、投射镜头20以及图像源30。所述波导器件10具有被对应地布置的耦入区11和耦出区12。所述投射镜头20的出光端21被对应地设置于所述波导器件10的所述耦入区11,并且所述投射镜头20的光轴200相对倾斜于所述波导器件10的表面。所述图像源30被偏置于所述投射镜头20的入光端22,并且所述投射镜头20位于所述图像源30和所述波导器件10之间的光路中,用于使经由所述图像源30发射的中心主光线300先经由所述投射镜头20的调制以偏轴地投射至所述波导器件10的所述耦入区11,再经由所述波导器件10从所述耦入区11传输至所述耦出区12以垂直地入射至人眼。
值得注意的是,由于本申请的所述近眼显示设备1中的所述图像源30被偏置于所述投射镜头20的所述入光端22,使得所述投射镜头20的所述光轴200无法穿过所述图像源30的中心,因此经由所述图像源30发出的该中心主光线300不会沿着所述投射镜头20的所述光轴200传播,反而会沿着偏离所述投射镜头20的所述光轴200的方向传播,使得该中心主光线300在经由所述投射镜头20的调制后将偏轴地投射至所述耦入区11以被耦入所述波导器件10,以便保证该中心主光线300在经由所述波导器件10传输后从所述耦出区12耦出以垂直地进入人眼,从而使得所述近眼显示设备1不仅能够适配眼镜外观的需求,而且还能够确保显示图像被呈现在人眼视野的中心,保证整体图像显示效果和佩戴体验。
可以理解的是,当所述近眼显示设备1具备眼镜外观,即被实施为近眼显示眼镜时,由于所述图像源30和所述投射镜头20通常被安装于眼镜的镜腿部,而眼镜的镜腿部通常会相对于镜片(如所述波导器件10)向外倾斜地布置,才能够满足用户佩戴的舒适体验,因此被安装于镜腿部的所述投射镜头20的光轴200将相对倾斜于所述波导器件10的表面,此时如果所述图像源30仍按照现有技术那样被正对光轴地设置于所述投射镜头20的入光端22,则经由所述图像源30发射的中心主光线300将沿着所述投射镜头20的光轴200投射至所述波导器件10的所述耦入区11,这将导致该中心主光线300在经由所述波导器件10传输后无法垂直地入射至人眼,造成显示图像偏离人眼视野中心,甚至会出现倾斜/畸变显示,严重影响整体图像显示效果和佩戴体验。
更具体地,如图3和图4所示,所述近眼显示设备1中的所述投射镜头20的所述光轴200垂直于所述图像源30的发光面,并且所述图像源30的中心偏离所述投射镜头20的所述光轴200,这样经由所述图像源30发射的所述中心主光线300在经由所述投射镜头20调制后将偏轴地投射至所述波导器件10的所述耦入区11,有助于后续垂直地入射至人眼,以保证显示图像被呈现在人眼视野的中心,避免出现倾斜/畸变显示。
示例性地,当所述近眼显示设备1中的所述波导器件10被垂直地放置在人眼的正前方时,虽然所述投射镜头20的所述光轴200不垂直于所述波导器件10的表面,但经由所述图像源30发射的中心主光线300在经由所述投射镜头20调制后却能够垂直地投射至所述波导器件10的所述耦入区11,进而经由所述波导器件10的传输以从所述耦出区12垂直地耦出,以便垂直地入射至人眼,确保显示图像被呈现在人眼视野的中心。
而当所述近眼显示设备1中的所述波导器件10被倾斜地放置在人眼的正前方,以适配近眼显示眼镜的结构形态时,经由所述图像源30发射的中心主光线300在经由所述投射镜头20调制后能够倾斜地投射至所述波导器件10的所述耦入区11,进而经由所述波导器件10的传输以从所述耦出区12相对倾斜地耦出,仍能够垂直地入射至人眼,确保显示图像被呈现在人眼视野的中心。
值得注意的是,如图4所示,对于所述近眼显示设备1而言,当所述投射镜头20的所述光轴200相对于所述波导器件10的倾斜角度θ不同时,所述图像源30的中心偏离所述投射镜头20的所述光轴200的距离s也将不同,只要确保耦出的中心主光线300能够垂直地入射至人眼即可。优选地,随着所述投射镜头20的所述光轴200相对于所述波导器件10的倾斜角度θ的增大,所述图像源30的中心偏离所述光轴200的距离s随之增大。换言之,所述图像源30的中心相对于所述投射镜头20的所述光轴200的偏离距离s与所述投射镜头20的所述光轴200相对于所述波导器件10的倾斜角度θ成正相关。可以理解的是,当所述波导器件10自身具有自调节能力时,所述偏离距离s与所述倾斜角度θ可能会发生变化,本申请对此不再赘述。
此外,当所述波导器件10相对于人眼的倾斜角度不同时,所述图像源30的中心偏离所述光轴200的距离也将不同,只要确保耦出的中心主光线300能够垂直地入射至人眼即可。优选地,随着所述波导器件10相对于人眼的倾斜角度的增大,所述图像源30的中心偏离所述光轴200的距离也将进一步随之增大。可以理解的是,所述波导器件10通常相对于人眼是向前倾斜的,此时就要求所述中心主光线300从所述耦出区12被倾斜地耦出,以便保证耦出的所述中心主光线300能够垂直地入射至人眼。
根据本申请的上述实施例,如图3和图4所示,所述图像源30优选地被可移位地设置于所述投射镜头20的所述入光端22,用于通过调试来调整所述图像源30与所述投射镜头20之间的相对位置,以便实现各种适配眼镜外观的近眼显示设备所显示的图像均能够在人眼的视野正中心成像,保证图像显示效果和佩戴的舒适体验。
示例性地,在实际装调过程中,所述图像源30和所述投射镜头20之间相对位置的调整可以但不限于通过诸如六轴调试台等调试平台实现,也就是说,可以利用固定位置的相机来替代人眼实现图像接收,并通过六轴调试台来调整所述图像源30相对于所述投射镜头20的平移和/或旋转等来实现中心主光线偏轴地投射,以便通过所述波导器件10传输后在所述相机的视场中心无旋转且无倾角地清晰显示。例如,如图5所示,在上下左右方向上平移所述图像源30,以调整所述图像源30与所述投射镜头20之间的相对位置。可以理解的是,在实际装调过程中,除了能够调整所述图像源30的中心相对于所述投射镜头20的所述光轴200的距离之外,还可以调整所述图像源30的发光面与所述投射镜头20的所述入光端22之间的距离,使得所述图像源30的所述发光面处于所述投射镜头20的后焦平面内,有助于提高所述近眼显示设备1的显示图像清晰度。此外,本申请的所述近眼显示设备1中的图像位置和清晰度实现仅需要通过一个六轴调试台和一个相机,其操作简单,能够大幅地节约成本。
优选地,所述图像源30被胶合于所述投射镜头20的所述入光端22。这样,在所述图像源30与所述投射镜头20的所述入光端22之间的胶水固化之前,所述图像源30能够相对于所述投射镜头20活动,以保证在装调过程中所述图像源30与所述投射镜头20之间的相对位置能够在一定范围内被调整;而在装调所述近眼显示设备1之后,所述图像源30与所述投射镜头20的所述入光端22之间的胶水被固化,以固定所述图像源30与所述投射镜头20之间的相对位置,确保所述近眼显示设备1具备稳定的显示性能。可以理解的是,所述图像源30与所述投射镜头20的所述入光端22之间的胶水可以但不限于被实施为热固胶或光固胶。
此外,本申请的其他示例中,所述图像源30还可以通过调节螺丝被可调节地固定于所述投射镜头20的所述入光端22。
根据本申请的上述实施例,如图2和图3所示,所述近眼显示设备1可以进一步包括眼镜架40,其中所述眼镜架40可以包括鼻托41和一对镜腿42,其中所述鼻托41被对应地设置于所述波导器件10的内侧,并且两个所述镜腿42分别被对应地设置于所述波导器件10的外侧,其中所述图像源30和所述投射镜头20被对应地设置于所述镜腿42,以形成近眼显示眼镜,便于用户舒适地佩戴。
值得注意的是,尽管在附图2和上述描述中以所述近眼显示设备1包括所述眼镜架40为例,阐述本实用新型的特征和优势,但本领域的技术人员可以理解的是,附图2以及相应的描述中揭露的所述近眼显示设备1仅为举例,其并不构成对本实用新型的内容和范围的限制,例如,在本申请的其他示例中,所述近眼显示设备1也可以包括诸如头盔或头戴支架等等适于被佩戴至用户头部的装置,只要能够确保能够实现近眼显示即可,本申请对此不再赘述。
根据本申请的上述实施例,如图3所示,所述波导器件10可以但不限于被实施为具有平行表面的光波导镜片100。优选地,所述光波导镜片100的所述平行表面被实施为平面。可以理解的是,在本申请的其他示例中,所述光波导镜片100的所述平行表面也可以是诸如自由曲面或球面等曲面,本申请对此不再赘述。
此外,所述波导器件10还可以进一步具有位于所述平行表面的扩瞳区,其中所述扩瞳区位于所述耦入区11和所述耦出区12之间的光路中,使得经由所述耦入区11耦入的光线先经由所述扩瞳区的扩展后,再经由所述耦出区12耦出以入射至人眼。可以理解的是,所述波导器件10的所述耦入区11、所述耦出区12以及所述扩瞳区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。此外,在本申请的其他实施例中,所述波导器件10也可以不包括所述扩瞳区,以直接在所述耦出区12处进行扩瞳和耦出,只要能够实现所需的扩瞳效果即可,本申请对此不再赘述。当然,在本申请的其他示例中,所述波导器件10的所述耦入区11和所述耦出区12也可以设有反射阵列;或者所述耦入区11设有TIP棱镜等。
根据本申请的上述实施例,如图3所示,所述近眼显示设备1中的所述图像源30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31。优选地,所述图像源30被实施为彩色Mirco-LED显示芯片,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。
值得注意的是,在本申请的其他示例中,所述图像源30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。可以理解的是,当采用单色Mirco-LED作为图像源时,所述近眼显示设备1还可以额外配置合色光学系统以实现彩色图像输出。
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:
波导器件,其中所述波导器件具有被对应地布置的耦入区和耦出区;
投射镜头,其中所述投射镜头的出光端被对应地设置于所述波导器件的所述耦入区,并且所述投射镜头的光轴相对倾斜于所述波导器件的表面;以及
图像源,其中所述图像源被偏置于所述投射镜头的入光端,并且所述投射镜头位于所述图像源和所述波导器件之间的光路中,用于使经由所述图像源发射的中心主光线在经由所述投射镜头调制后偏轴地投射至所述波导器件的所述耦入区。
2.如权利要求1所述的近眼显示设备,其特征在于,所述投射镜头的光轴垂直于所述图像源的发光面,并且所述图像源的中心偏离所述投射镜头的所述光轴。
3.如权利要求2所述的近眼显示设备,其特征在于,所述图像源被可移位地设置于所述投射镜头的所述入光端,用于通过调试来调整所述图像源和所述投射镜头之间的相对位置。
4.如权利要求3所述的近眼显示设备,其特征在于,所述图像源被胶合于所述投射镜头的所述入光端。
5.如权利要求2至4中任一所述的近眼显示设备,其特征在于,所述图像源的中心相对于所述投射镜头的所述光轴的偏离距离与所述投射镜头的所述光轴相对于所述波导器件的倾斜角度成正相关。
6.如权利要求1至4中任一所述的近眼显示设备,其特征在于,所述近眼显示设备进一步包括眼镜架,其中所述眼镜架包括鼻托和一对镜腿,其中所述鼻托被对应地设置于所述波导器件的内侧,并且两个所述镜腿分别被对应地设置于所述波导器件的外侧,其中所述图像源和所述投射镜头被对应地设置于所述镜腿。
7.如权利要求6所述的近眼显示设备,其特征在于,所述波导器件为具有平行表面的光波导镜片。
8.如权利要求7所述的近眼显示设备,其特征在于,所述光波导镜片的所述平行表面为平面。
9.如权利要求1至4中任一所述的近眼显示设备,其特征在于,所述图像源为自发光显示芯片。
10.如权利要求1至4中任一所述的近眼显示设备,其特征在于,所述波导器件的所述耦入区和所述耦出区设有衍射光栅结构或反射阵列。
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Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Zhejiang Shunwei Technology Co.,Ltd.

Assignor: SUNNY OPTICAL (ZHEJIANG) RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024330000055

Denomination of utility model: Near eye display devices

Granted publication date: 20220412

License type: Common License

Record date: 20240515