CN218585097U - 增强现实显示装置及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于增强现实显示技术领域，提供了一种增强现实显示装置及近眼显示设备。增强现实显示装置包括图像发生器和耦合器件，耦合器件具有耦入区域和耦出区域，图像发生器位于耦合器件的第一侧，且与耦出区域位置对应，第一侧为与耦出区域相背的一侧，图像发生器用于提供图像光，图像光能够直接穿过耦合器件并通过耦出区域穿出，同时外部环境光能够通过耦入区域耦入耦合器件并经耦合器件传导再经耦出区域耦出。本实用新型提供的增强现实显示装置及近眼显示设备，视场角大、体积小、眼盒大。

Description

增强现实显示装置及近眼显示设备

技术领域

本实用新型属于增强现实显示技术领域，尤其涉及一种增强现实显示装置及近眼显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动，一般通过光波导件技术将虚拟图像与现实图像通过耦合器件耦合到人眼，实现增强现实显示效果。

该技术所需的耦合器件(光波导件、棱镜、自由曲面等)为透明或半透明器件，能够在看到虚拟图像的同时看到现实世界。现实世界通过透明或半透明的耦合器件直接透射进入人眼；虚拟图像则通过投影模组(目视系统)后成像到人眼。

但目前的增强现实显示装置存在至少以下问题：

1、现有的增强现实显示装置的FOV(Field of View，视场角)比较小(普遍在15°-45°之间)，沉浸感比较差，且眼盒较小；

2、由于器件的光效问题，虚拟图像在亮的现实世界背景下必须通过增加虚拟图像的亮度才能使用(晴天室外使用得达到1500nit)，因此大大增加了设备的功耗，减小了微显示器的使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种增强现实显示装置及近眼显示设备，旨在解决现有技术中视场角小、眼盒小、设备功耗大等技术问题。

本实用新型是这样实现的，第一方面，提供了一种增强现实显示装置，包括图像发生器和耦合器件，所述耦合器件具有耦入区域和耦出区域，所述图像发生器位于所述耦合器件的第一侧，且与所述耦出区域位置对应，所述第一侧为与所述耦出区域相背的一侧，所述图像发生器用于提供图像光，所述图像光能够直接穿过所述耦合器件并通过耦出区域穿出，同时外部环境光能够通过所述耦入区域耦入所述耦合器件并经所述耦合器件传导再经所述耦出区域耦出。

在一个可选实施例中，所述耦出区域和所述耦入区域在同一参考面上的投影区域相接设置或者间隔设置。

在一个可选实施例中，所述耦合器件包括光传导件、耦入结构和耦出结构；所述光传导件的表面上形成有所述耦入区域和所述耦出区域，所述光传导件用于将耦入其内的所述环境光传导至所述耦出结构所在区域；所述耦入结构和所述耦出结构分别形成于所述光传导件内或者外表面上，所述耦入结构与所述耦入区域位置对应、用于将所述环境光耦入所述光传导件，所述耦出结构与所述耦出区域位置对应、用于供所述图像光穿过以及所述环境光耦出。

在一个可选实施例中，所述光传导件为光波导，所述光波导的入光面和出光面均为斜面，所述耦入结构为设置于所述光波导件的入光面上的反射结构，所述耦出结构为设置于所述光波导件件的出光面上的分光结构。

在一个可选实施例中，所述反射结构为形成于所述光波导件的入光面上的反射面，或者贴设于所述光波导件的入光面上的反射膜，或者与所述光波导件的入光面相接的反射棱镜。

在一个可选实施例中，所述分光结构为形成于所述光波导件的出光面上的分光面，或者贴设于所述光波导件的出光面上的分光膜，或者与所述光波导件的出光面相接的分光棱镜。

在一个可选实施例中，所述光传导件为光波导，所述耦入结构包括形成于所述光波导内的反射结构，所述耦出结构包括形成于所述光波导内的分光面。

在一个可选实施例中，所述分光面设有多个且沿第一方向依次间隔排列，所述第一方向为与所述图像光的传播方向垂直的方向。

在一个可选实施例中，所述光传导件为衍射光波导，所述耦出结构包括设置于所述耦出区域上的耦出光栅以及与所述耦出光栅相对设置的第一耦入光栅；所述耦入结构包括设置于所述耦入区域上的第二耦入光栅。

第二方面，提供了一种近眼显示设备，包括上述各实施例提供的增强现实显示装置。

本实用新型相对于现有技术的技术效果是：本实用新型实施例提供的增强现实显示装置及近眼显示设备，改变了图像光和环境光的传播方式，以及图像发生器的安装位置，这样现实世界是通过耦合器件传播到人眼，虚拟图像通过透射方式到达人眼，两者配合实现增强现实现显示效果。

采用这一结构，图像发生器不再设置在人眼一侧，而是设置在人眼前方，从而实现了多方面的优点：

第一方面，使得图像发生器的安装空间变大，应用于近眼显示设备中时，可以采用视场角较大的图像发生器，实现大视场成像，增加用户的沉浸感；

第二方面，使得图像发生器对应的出瞳距离少了耦合器件中的光程(通常只有15-22mm)，方便图像发生器中目视系统或者位于图像发生器外与之配套的目视系统的设计，且更容易获得较大的眼盒；

第三方面，使得耦出区域对应部分不再透明，这样图像发生器发出的虚拟图像的亮度只需要很低的一个状态(＞200nits)便可被看清，使得图像发生器的功耗大大降低。

与此同时，现实世界中的环境光通过耦合器件耦合到人眼，耦入区域无需像现有技术方案一般附加投影系统，可以大大降低应用本实用新型实施例提供的虚拟现实显示装置的智能眼镜镜腿的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中增强现实显示装置的光路示意图，图中虚线箭头表示环境光的传播方向，实线箭头表示图像光的传播方向；

图2是现有技术中增强现实显示装置的出瞳距离示意图；

图3是本实用新型实施例提供增强现实显示装置的结构示意图，图中虚线箭头表示环境光的传播方向，实线箭头表示图像光的传播方向；

图4是本实用新型实施例提供增强现实显示装置的出瞳距离和眼盒尺寸示意图；

图5是本实用新型实施例一所采用的耦合器件的结构示意图，图中虚线箭头表示环境光的传播方向，实线箭头表示图像光的传播方向；

图6是本实用新型实施例二所采用的耦合器件的结构示意图，图中虚线箭头表示环境光的传播方向，实线箭头表示图像光的传播方向；

图7是本实用新型实施例三所采用的耦合器件的结构示意图，图中虚线箭头表示环境光的传播方向，实线箭头表示图像光的传播方向。

附图标记说明：

100、图像发生器；200、耦合器件；210、光传导件；220、耦入结构；221、第二耦入光栅；230、耦出结构；231、分光面；232、第一耦入光栅；233、耦出光栅；d、出瞳距离；a、眼盒尺寸；X、第一方向。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

请参照图3所示，在本实用新型一实施例中，提供一种增强现实显示装置，包括图像发生器100和耦合器件200。本实施例中的图像发生器100可以采用市场上现有虚拟图像发生器100，如虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备中所用的图像发生组件、普通增强现实显示装置中的投影系统等，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。本实施例中的耦合器件200可以采用光波导件、棱镜、自由曲面等中的任一种或者多种组合，具体可以根据使用需要灵活选择。

耦合器件200具有耦入区域和耦出区域。图像发生器100位于耦合器件200的第一侧，且与耦出区域位置对应。其中，第一侧为与耦出区域相背的一侧。

图像发生器100用于提供图像光，图像光能够直接穿过耦合器件200并通过耦出区域穿出，同时外部环境光能够通过耦入区域耦入耦合器件200并经耦合器件200传导再经耦出区域耦出。

本实用新型实施例提供的增强现实显示装置的工作原理如下：

现有技术中，如图1所示，增强现实显示装置通常是将图像发生器设置于耦合器件的一端，使得图像发生器发出的图像光由耦合器件的端部进入耦合器件，再经耦合器件传导进入人眼，现实环境光则直接穿过透明或者半透明的耦合器件进入人眼。此时，图像光的光程(如图2所示)包括耦合器件中的光程和空气中的光程，且耦合器件中的光程较长，导致图像发生器的出瞳距离较长，且眼盒较小。

而本实用新型实施例提供的增强现实显示装置，则打破了这种传统模式，将图像发生器100设置在了人眼对应的耦出区域的背侧，使得经过图像发生装置发出的图像光可以直接穿过耦合器件200进入人眼，环境光则由图像发生器100的一侧经耦入区域进入耦合器件200，再经耦合器件200传导，经耦出区域耦出后进入人眼。

由此可见，本实用新型实施例提供的增强现实显示装置，改变了图像光和环境光的传播方式，以及图像发生器100的安装位置，这样现实世界是通过耦合器件200传播到人眼，虚拟图像通过透射方式到达人眼，两者配合实现增强现实现显示效果。

采用这一结构，图像发生器100不再设置在人眼一侧，而是设置在人眼前方，从而实现了多方面的优点：

第一方面，使得图像发生器100的安装空间变大，应用于近眼显示设备中时，可以采用视场角较大的图像发生器100，实现大视场成像，增加用户的沉浸感；

第二方面，如图4所示，使得图像发生器100对应的出瞳距离少了耦合器件200中的光程(通常只有15-22mm)，方便图像发生器100中目视系统或者位于图像发生器100外与之配套的目视系统的设计，且更容易获得较大的眼盒；

第三方面，使得耦出区域对应部分不再透明，这样图像发生器100发出的虚拟图像的亮度只需要很低的一个状态(＞200nits)便可被看清，使得图像发生器100的功耗大大降低。

与此同时，现实世界中的环境光通过耦合器件200耦合到人眼，耦入区域无需像现有技术方案一般附加投影系统，可以大大降低应用本实用新型实施例提供的虚拟现实显示装置的智能眼镜镜腿的体积。

上述耦出区域和耦入区域在同一参考面上的投影区域可以相接设置，与可以间隔设置。具体的，耦出区域一般为一个平面，这里所说的参考面可以为平行于耦出区域所在平面的任一平面。其中，耦出区域和耦入区域在同一参考面上的投影区域相接设置时，增强现实显示装置的体积较小，间隔设置时，图像发生装置不会阻挡环境光进入耦合器件200，可允许较多环境光进入耦合器件200内。

如图5至图7所示，上述耦合器件200可以有多种设置方式，一般包括光传导件210、耦入结构220和耦出结构230。光传导件210的表面上形成有耦入区域和耦出区域，光传导件210用于将耦入其内的环境光传导至耦出结构230所在区域。

耦入结构220和耦出结构230分别形成于光传导件210内或者外表面上。耦入结构220与耦入区域位置对应，用于将环境光耦入光传导件210。耦出结构230与耦出区域位置对应，用于供图像光穿过以及环境光耦出。本实施例中耦入结构220可以为棱镜、耦入光栅等，光传导件210可以为光波导件、棱镜等，耦出结构230可以为分光棱镜、光波导件+分光膜等。耦合器件200采用这一结构，既可实现上述功能，又结构简单，便于制备。

上述光传导件210、耦入结构220和耦出结构230存在多种设置方式，为便于理解，现举例说明：

实施例一

如图5所示，光传导件210为光波导，光波导的入光面和出光面均为斜面，耦入结构220为设置于光波导的入光面上的反射结构，耦出结构230为设置于光波导件件的出光面上的分光结构。

本实施例中的反射结构可以为通过涂布、印刷等方式形成于光波导件的入光面上反射面，也可以为贴设于光波导件的入光面上的反射膜，还可以为通过粘接或者直接与光波导件的入光面接触的反射棱镜，具体可以根据加工及设计需要灵活选择。当反射结构采用反射面、反射膜时，耦合器件200的结构紧凑且体积小；当反射结构采用反射棱镜时，取材方便，便于制备和更换。

本实施例中的分光结构可以为通过涂布、印刷等方式形成于光波导件的出光面上分光面231，也可以为贴设于光波导件的出光面上的分光膜，还可以为通过粘接或者直接与光波导件的出光面接触的分光棱镜，具体可以根据加工及设计需要灵活选择。当分光结构采用分光面231、分光膜时，耦合器件200的结构紧凑且体积小；当分光结构采用分光棱镜时，取材方便，便于制备和更换。

光传导件210、耦入结构220和耦出结构230采用本实施例提供的结构，取材方便，便于制备，且制得的耦合器件200的光线传导效果好。

实施例二

如图6所示，光传导件210为光波导。具体的，本实施例中的光波导可以采用现有技术中任一可以实现上述功能的波导。光波导具有与图像发生器100相对设置的第一表面、以及与第一表面相对设置的第二表面，第一表面上形成有耦入区域，第二表面上形成有耦出区域。耦入结构220包括形成于光波导内的反射结构，反射结构位于耦入区域对应位置。耦出结构230包括形成于光波导内的分光面231。

本实施例中的反射结构一般为形成于光波导内的反射面或者反射层，当然也可以为嵌装于光波导内的反射镜等，具体可以根据使用需要灵活选择。光传导件210、耦入结构220和耦出结构230采用本实施例提供的结构，使得耦合器件200结构紧凑，体积小。

为扩大眼盒，上述分光面231优选为多个，且沿第一方向依次间隔排列，第一方向为与图像光的传播方向垂直的方向。采用这一结构，环境光耦出时，经过第一个分光面231时一部分可以穿过该分光面231照射至第二分光面231，另一部分则经分光面231反射耦出耦合器件200，照射至第二分光面231上的环境光重复上述过程，直至环境光照射至最后一个分光面231上，全部被反射耦出耦合器件200。如此，可实现环境光的扩瞳，扩大眼盒。

实施例三

如图7所示，光传导件210为衍射光波导。本实施例中的衍射光波导可以为表面浮雕光栅光波导件，也可以为体全息光栅光波导件，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。

具体的，衍射光波导具有与图像发生器100相对设置的第一表面、以及与第一表面相对设置的第二表面。第一表面上形成有耦入区域，第二表面上形成有耦出区域。耦出结构230包括设置于耦出区域上的耦出光栅233以及与耦出光栅233相对设置的第一耦入光栅232。耦入结构220包括设置于耦入区域上的第二耦入光栅221。

本实施例中的第一耦入光栅232、第二耦入光栅221和耦出光栅233可以分别直接制备于衍射光波导上，也可以采用光栅片通过粘接剂等贴设于衍射光波导上。

光传导件210、耦入结构220和耦出结构230采用本实施例提供的结构，使得耦合器件200结构紧凑，体积小。

当然，在其他实施例中，光传导件210、耦入结构220和耦出结构230还可以采用其他结构，这里不做唯一限定。

在本实用新型另一实施例中，提供了一种近眼显示设备，包括上述各实施例提供的增强现实显示装置。

本实施例中的近眼显示设备可以为智能眼镜、智能头盔、智能面罩等，具体可以根据设计需要灵活选择。

本实用新型实施例提供的近眼显示设备，采用了上述各实施例提供的增强现实显示装置，可实现与之相同的技术效果，这里不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，仅具体描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其他具体实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增强现实显示装置，其特征在于，包括图像发生器和耦合器件，所述耦合器件具有耦入区域和耦出区域，所述图像发生器位于所述耦合器件的第一侧，且与所述耦出区域位置对应，所述第一侧为与所述耦出区域相背的一侧，所述图像发生器用于提供图像光，所述图像光能够直接穿过所述耦合器件并通过耦出区域穿出，同时外部环境光能够通过所述耦入区域耦入所述耦合器件并经所述耦合器件传导再经所述耦出区域耦出。

2.如权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述耦出区域和所述耦入区域在同一参考面上的投影区域相接设置或者间隔设置。

3.如权利要求1或2所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述耦合器件包括光传导件、耦入结构和耦出结构；所述光传导件的表面上形成有所述耦入区域和所述耦出区域，所述光传导件用于将耦入其内的所述环境光传导至所述耦出结构所在区域；所述耦入结构和所述耦出结构分别形成于所述光传导件内或者外表面上，所述耦入结构与所述耦入区域位置对应、用于将所述环境光耦入所述光传导件，所述耦出结构与所述耦出区域位置对应、用于供所述图像光穿过以及所述环境光耦出。

4.如权利要求3所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述光传导件为光波导，所述光波导的入光面和出光面均为斜面，所述耦入结构为设置于所述光波导件的入光面上的反射结构，所述耦出结构为设置于所述光波导件件的出光面上的分光结构。

5.如权利要求4所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述反射结构为形成于所述光波导件的入光面上的反射面，或者贴设于所述光波导件的入光面上的反射膜，或者与所述光波导件的入光面相接的反射棱镜。

6.如权利要求4所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述分光结构为形成于所述光波导件的出光面上的分光面，或者贴设于所述光波导件的出光面上的分光膜，或者与所述光波导件的出光面相接的分光棱镜。

7.如权利要求3所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述光传导件为光波导，所述耦入结构包括形成于所述光波导内的反射结构，所述耦出结构包括形成于所述光波导内的分光面。

8.如权利要求7所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述分光面设有多个且沿第一方向依次间隔排列，所述第一方向为与所述图像光的传播方向垂直的方向。

9.如权利要求3所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述光传导件为衍射光波导，所述耦出结构包括设置于所述耦出区域上的耦出光栅以及与所述耦出光栅相对设置的第一耦入光栅；所述耦入结构包括设置于所述耦入区域上的第二耦入光栅。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的增强现实显示装置。

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