CN219162490U - 一种近眼光学显示系统以及ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种近眼光学显示系统以及AR显示设备，涉及近眼显示技术领域。一种近眼光学显示系统，包括：像源模块，用于输出投影光线；波导元件，波导元件具有耦入端，用于将投影光线耦入到波导元件内进行一次或多次全反射传输；波导元件为曲面结构；反射元件，设置在波导元件内，用于反射经波导元件一次或多次全反射传输的光线；耦出元件，设置在波导元件表面，用于将经反射元件反射出的光线耦出至人眼。该近眼光学显示系统可以实现轻薄、大视场角的效果，提高增强现实显示效果，进而提升佩戴者的体验感。

Description

一种近眼光学显示系统以及AR显示设备

技术领域

本申请涉及近眼显示技术领域，特别是涉及一种近眼光学显示系统以及AR显示设备。

背景技术

增强现实(AR，Augmented Reality)是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”；其中近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节。近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像，在消费电子和军事市场中有许多有前景的应用。

由于近眼显示设备属于头戴系统，因此它必须结构紧凑和轻薄，以提高用户佩戴的舒适度；同时提供大的视场角和出瞳直径，以实现高质量的虚拟显示和沉浸式观看。但是，受限于光学扩展量守恒，光学系统的体积、视场角、出瞳直径等参数相互制约，同时满足上述条件存在很大的困难。

发明内容

本申请的目的是提供一种能够同时满足结构紧凑、轻薄和大视场的近眼光学显示系统，提高AR显示设备的增强现实显示效果，进而提升佩戴者使用时的体验感和沉浸感。

为解决上述问题，本申请提供一种近眼光学显示系统,包括：像源模块，用于输出投影光线；波导元件，所述波导元件具有耦入端，用于将所述投影光线耦入到所述波导元件内进行一次或多次全反射传输；所述波导元件为曲面结构；反射元件，设置在所述波导元件内，用于反射经所述波导元件一次或多次全反射传输的光线；耦出元件，设置在所述波导元件表面，用于将经所述反射元件反射出的光线耦出至人眼。

在本申请的一种可选地实施例中，所述波导元件靠近人眼一侧的表面以及背离人眼一侧的表面均为曲面，两个所述曲面的曲率相同或不同。

在本申请的一种可选地实施例中，在所述像源模块的出光侧设置偏振片，用于使所述像源模块输出偏振光线；在所述耦出元件和所述波导元件之间设置四分之一波片；所述反射元件为偏振分束器，所述偏振分束器用于将在所述波导元件内一次或多次全反射的偏振光线反射后经四分之一波片传输至所述耦出元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述反射元件为设置在所述波导元件内的反射面，所述反射面用于将在所述波导元件内一次或多次全反射的投影光线再次全反射传输至所述耦出元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述反射面设置为曲面结构。

在本申请的一种可选地实施例中，所述耦出元件为HOE反射式光栅或HOE透射式光栅，所述HOE反射式光栅或HOE透射式光栅贴合设置在所述波导元件表面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述耦出元件包括相互贴合设置的耦出光栅和带有光焦度的HOE透镜，所述耦出光栅贴合设置在所述波导元件表面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述系统包括两个像源模块、两个波导元件、两个反射元件和两个耦出元件，两个所述耦出元件从不同的方向向人眼投射光线，通过两个显示画面拼接以实现更大的视场角。

在本申请的一种可选地实施例中，所述反射元件为偏振分束器或用于全反射传输的反射面时，两个所述波导元件之间通过所述反射元件进行光路隔离。

一种AR显示设备，包括如上所述的近眼光学显示系统。

本申请所提供的一种近眼光学显示系统以及AR显示设备，该近眼光学显示系统包括：像源模块，用于输出投影光线；波导元件，所述波导元件具有耦入端，用于将所述投影光线耦入到所述波导元件内进行一次或多次全反射传输；所述波导元件为曲面结构，以实现所述投影光线在所述波导元件内全反射角度的增大；反射元件，设置在所述波导元件内，用于反射经所述波导元件一次或多次全反射传输的光线；耦出元件，设置在所述波导元件表面，用于将经所述反射元件反射出的光线耦出至人眼。

本申请的近眼光学显示系统中，像源模块发出的光线，经曲面波导元件的传导，最终通过具有一定光焦度的耦出元件进行进一步的图像放大，使得近眼光学显示系统可以实现轻薄、大视场角的效果，提高增强现实显示效果，进而提升佩戴者的体验感。另外曲面的波导元件更易与镜片适配，并且可以通过使用不同光焦度的耦出元件和曲面波导元件配合来适配不同视力的人群。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种近眼光学显示系统的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种近眼光学显示系统的光路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的再一种近眼光学显示系统的光路结构示意图。

图中标号说明：

1-像源模块；2-波导元件；3-反射元件；4-耦出元件；5-四分之一波片。

实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1-3所示，在本申请的一种具体实施例中，该近眼光学显示系统可以包括：像源模块1，用于输出投影光线；波导元件2，波导元件2具有耦入端，用于将投影光线耦入到波导元件2内进行一次或多次全反射传输；波导元件2为曲面结构；反射元件3，设置在波导元件2内，用于反射经波导元件2一次或多次全反射传输的光线；耦出元件4，设置在波导元件2表面，用于将经反射元件3反射出的光线耦出至人眼。

本申请的一些具体的实施方式中，像源模块1可以设置在光学耦入端上，并且相对波导元件2不会太突出设置，一方面，能够减小整个系统的厚度，结构更为紧凑；另一方面，不易造成用户视线过多的遮挡。在实际应用过程中，为了有效消除杂光影响，可以在耦入端设置增透膜。

更进一步的，上述像源模块1可以是自发光的有源器件，例如发光二极管面板，如micro-OLED或micro-LED，这种micro-OLED或micro-LED等自发光的像源模块1，体积较小，使得包括该像源模块1的近眼光学显示系统可以应用于诸如眼镜、泳镜等较小的设备上，另外需要说明的是，micro-OLED或micro-LED等在将光线投影到波导元件2的过程中需要配合光学透镜使用，在此不做详细阐述；也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，例如透射式的LCD或反射式的LCOS；还可以是基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列DMD或激光束扫描仪LBS。由于不同的应用场景对于微显示器的体积、亮度、分辨率等的要求可能不同，在具体实施过程中，可以根据应用场景和技术的需要，选择合适的显示器件作为像源模块1。此外，不同的像源模块1发出的显示光的偏振态可能不同，为满足光学设计的要求，可以在像源模块1的出光侧设置偏振片或偏光膜，以改变显示光的偏振态。

本实施例中的波导元件2靠近人眼一侧的表面以及背离人眼一侧的表面均为曲面，两个曲面的曲率相同或不同，曲率中心位于靠近人眼一侧。波导元件2的两个曲面曲率不同时，可以满足近视或远视用户的视力矫正需求；波导元件2的两个曲面曲率相同时，可以满足正常视力用户的佩戴使用，外界环境光可以正常进入人眼，避免人眼观察到扭曲的外界景象。

如图1所示，在本实施例中，在像源模块1的出光侧设置偏振片，用于使像源模块1输出偏振光线；在耦出元件4和波导元件2之间设置四分之一波片5；反射元件3为偏振分束器，偏振分束器用于将在波导元件2内一次或多次全反射的偏振光线反射后经四分之一波片5传输至耦出元件4。具体的，偏振方向与偏振分束器的透射轴方向垂直的光线被反射，偏振方向与偏振分束器透射轴方向相同的光线被透射，此处，像源模块1发出的偏振光线的偏振方向与偏振分束器的透射轴方向垂直。

具体的，图1所示的光路描述为：像源模块1发出的光线通过波导元件2的耦入端进入波导元件2内，在波导元件2内发生一次或多次全反射传输后，入射至偏振分束器；此时光线偏振方向与偏振分束器的透射轴方向垂直，光线发生反射；反射光线经波导元件2背离人眼一侧的表面入射至耦出元件4上，再经耦出元件4衍射；此过程中，由于光线连续两次通过四分之一波片5，光线的偏振方向转变为与偏振分束器的透射轴方向相同，光线经耦出元件4衍射后经过偏振分束器透射到人眼，人眼接收到放大的虚拟图像。同时外界环境光线依次透过耦出元件4和波导元件2后进入人眼，人眼即可观察到虚实叠加的图像。

如图2所示，本实施例中的反射元件3为设置在波导元件2内的反射面，反射面用于将在波导元件2内一次或多次全反射的投影光线再次全反射传输至耦出元件4。为了使耦出元件4的衍射光线以及外界的环境光线能够入射至人眼，该反射面可以是半透半反面。另外为了保证进入人眼的光线亮度足够，避免光线的浪费，该半透半反面可以设置为透射光大于反射光，使得衍射光线和外界环境光线能够尽可能多的进入人眼。

具体的，图2所示的光路描述为：像源模块1发出的光线通过波导元件2的耦入端进入波导元件2内；在波导元件2内发生一次或多次全反射传输后，入射至反射面；在反射面上发生全反射后传输至耦出元件4，再经耦出元件4衍射后经过反射面后透射后进入人眼，人眼接收到放大的虚拟图像。同时外界环境光线依次透过耦出元件4和波导元件2后进入人眼，人眼即可观察到虚实叠加的图像。

示例性的，本实施例中的反射面设置为曲面结构，可以使得整个近眼光学显示系统的自由度更大，成像质量更好。

本实施例中，耦出元件4为HOE反射式光栅或HOE透射式光栅，HOE反射式光栅或HOE透射式光栅贴合设置在波导元件2表面。如图1和图2所示，当耦出元件4设置在波导元件2背离人眼一侧的表面时，该耦出元件4为HOE反射式光栅，对投影光线反射耦出；如图3所示，当耦出元件4设置在波导元件2靠近人眼一侧的表面时，该耦出元件4为HOE透射式光栅。HOE反射式光栅或HOE透射式光栅的设置能够使整个光学系统的体积减小、重量减轻。

上述HOE（全息光学元件）是根据全息术原理制成的光学元件，可根据耦合功能要求制作成全息光栅或全息透镜等的形式，贴合在玻璃或其他光学介质的表面。

另外，以上所述的耦出元件4为集成像和耦出功能为一体的部件；在实际应用过程中，耦出元件4也可以是包含成像单元和耦出单元两个部分。具体的，耦出元件4包括相互贴合设置的耦出光栅和带有光焦度的HOE透镜，耦出光栅贴合设置在波导元件2表面。其中，HOE透镜可以是HOE透射镜，也可以是HOE反射镜。

具体的，如图3所示的光路描述为：像源模块1发出的光线通过波导元件2的耦入端进入波导元件2内，在波导元件2内发生一次或多次全反射传输后，入射至反射面；在反射面上发生全反射后传输至耦出元件4；再经耦出元件4衍射后进入人眼，人眼接收到放大的虚拟图像。同时外界环境光线依次透过波导元件2和耦出元件4后进入人眼，人眼即可观察到虚实叠加的图像。

对于本申请的耦出元件4还可以是浮雕光栅、超表面结构或共振光栅结构等。

本申请中的近眼光学显示系统可以包括两个像源模块1、两个波导元件2、两个反射元件3和两个耦出元件4，两个耦出元件4从不同的方向向人眼投射光线，通过两个显示画面拼接以实现更大的视场角。

上述反射元件3为偏振分束器或用于全反射传输的反射面时，两个波导元件2之间通过反射元件3进行光路隔离，从而使得两个像源模块1发射出的投影光线之间不易发生串扰。在此以图1所示为例进行说明，位于图1所示位置上侧的像源模块1发射出的投影光线经耦入端进入波导元件2内后发生一次或多次全反射后经反射元件3反射至耦出元件4，经耦出元件4衍射至人眼，进而光线不会经过上侧的波导元件2进入下侧的波导元件2中，从而达到光路隔离的效果。

综上，本申请中的近眼光学显示系统中，像源模块1发出的光线，经曲面波导元件2的传导，最终通过具有一定光焦度的耦出元件4进行进一步的图像放大，使得近眼光学显示系统可以实现轻薄、大视场角的效果，提高增强现实显示效果，进而提升佩戴者的体验感。另外曲面的波导元件2更易与镜片适配，并且可以通过使用不同光焦度的耦出元件4和曲面波导元件配合来适配不同视力的人群。

本申请还公开了一种AR显示设备的实施例，该AR显示设备包括如上所述的近眼光学显示系统。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种近眼光学显示系统，其特征在于：包括：

像源模块，用于输出投影光线；

波导元件，所述波导元件具有耦入端，用于将所述投影光线耦入到所述波导元件内进行一次或多次全反射传输；所述波导元件为曲面结构；

反射元件，设置在所述波导元件内，用于反射经所述波导元件一次或多次全反射传输的光线；

耦出元件，设置在所述波导元件表面，用于将经所述反射元件反射出的光线耦出至人眼。

2.如权利要求1所述的一种近眼光学显示系统，其特征在于：所述波导元件靠近人眼一侧的表面以及背离人眼一侧的表面均为曲面，两个所述曲面的曲率相同或不同。

3.如权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于：在所述像源模块的出光侧设置偏振片，用于使所述像源模块输出偏振光线；在所述耦出元件和所述波导元件之间设置四分之一波片；所述反射元件为偏振分束器，所述偏振分束器用于将在所述波导元件内一次或多次全反射的偏振光线反射后经四分之一波片传输至所述耦出元件。

4.如权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于：所述反射元件为设置在所述波导元件内的反射面，所述反射面用于将在所述波导元件内一次或多次全反射的投影光线再次全反射传输至所述耦出元件。

5.如权利要求4所述的近眼光学显示系统，其特征在于：所述反射面设置为曲面结构。

6.如权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于：所述耦出元件为HOE反射式光栅或HOE透射式光栅，所述HOE反射式光栅或HOE透射式光栅贴合设置在所述波导元件表面。

7.如权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于：所述耦出元件包括相互贴合设置的耦出光栅和带有光焦度的HOE透镜，所述耦出光栅贴合设置在所述波导元件表面。

8.如权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于：所述系统包括两个像源模块、两个波导元件、两个反射元件和两个耦出元件，两个所述耦出元件从不同的方向向人眼投射光线，通过两个显示画面拼接以实现更大的视场角。

9.如权利要求8所述的近眼光学显示系统，其特征在于：所述反射元件为偏振分束器或用于全反射传输的反射面时，两个所述波导元件之间通过所述反射元件进行光路隔离。

10.一种AR显示设备，其特征在于：包括如权利要求1至9任一项所述的近眼光学显示系统。

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