TW202417930A - 近眼顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
本申請實施例涉及顯示技術領域並提供一種近眼顯示裝置。所述近眼顯示裝置包括：圖像源，用於出射圖像光；調焦組件，用於改變所述圖像光的焦距；耦入結構，位於所述圖像源和所述調焦組件之間，用於將所述圖像光耦入所述調焦組件；光波導，位於所述調焦組件的出光側；以及耦出結構，位於所述光波導的出光區。所述圖像光經所述調焦組件後在所述光波導內傳播並自所述耦出結構耦出所述光波導。
Description
本申請涉及顯示技術領域，具體而言，涉及一種近眼顯示裝置。
習知的基於增強現實(augmented reality，AR)技術的近眼顯示裝置，存在使用者眼睛容易疲勞，甚至產生暈眩的問題。
本申請實施例提供一種近眼顯示裝置。所述近眼顯示裝置包括：
圖像源，用於出射圖像光；
調焦組件，用於改變所述圖像光的焦距；
耦入結構，位於所述圖像源和所述調焦組件之間，用於將所述圖像光耦入所述調焦組件；
光波導，位於所述調焦組件的出光側；以及
耦出結構，位於所述光波導的出光區；
其中，所述圖像光經所述調焦組件後在所述光波導內傳播並自所述耦出結構耦出所述光波導。
由於上述的近眼顯示裝置藉由在圖像源出射的圖像光的光路上，設置所述調焦組件，能夠改變圖像源出射的圖像光的焦距，使得使用者可根據需求調整圖像源形成的虛像至人眼的距離，使得人眼看到的虛像為遠近可變化的，而非一直處於固定的對焦狀態，使得人眼的睫狀肌能夠隨之運動，從而緩解人眼的疲勞感，避免暈眩的產生，達到放鬆的目的。另，由於上述的近眼顯示裝置能夠藉由調焦組件改變圖像光的焦距，對於視力不同的使用者可直接佩戴近眼顯示裝置，而無需先佩戴近視眼鏡再佩戴近眼顯示裝置，解決了近視者穿戴不方便的問題，提升了佩戴的舒適度。
增強現實（Augmented Reality，AR）技術，是指藉由圖像源（亦稱光機或投影機）的影像的位置及角度精算並加上圖像分析技術，讓螢幕上的虛擬場景能夠與現實世界的真實場景進行結合與互動的技術。
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。
圖1為本申請一實施例的近眼顯示裝置100的結構示意圖。如圖1所示，近眼顯示裝置100被配置為眼鏡的形態（如AR眼鏡）。其他實施例中，近眼顯示裝置100亦可配置為頭盔或護目鏡的形態，在此不做限制。
具體地，近眼顯示裝置100包括鏡框10、連接在鏡框10的兩側的鏡腿20、設置於鏡框10上的兩個鏡片30及設置於鏡框10上的調焦組件60。圖1所示的實施例中，兩個鏡片30均為光波導70。
圖2為圖1中近眼顯示裝置100的光路示意圖。圖2以對應人右眼E的鏡片30為例進行說明。近眼顯示裝置100的對應人的左眼的鏡片30與圖2中對應人的右眼E的鏡片30對稱設置，結構相同。
如圖2所示，近眼顯示裝置100還包括圖像源40、耦入結構50以及耦出結構80。
具體地，圖像源40用於出射圖像光L1。圖像源40可設置在圖1所示的鏡腿20處。當近眼顯示裝置100對應人的雙眼的兩個鏡片30均用於實現AR顯示時，圖像源40的數量可為兩個，該兩個圖像源40分別設置在兩個鏡腿20處。或者，該兩個圖像源40設置在鏡框10對應鼻樑處。由於圖像源40設置在對應鼻樑處時，會在鏡框10處凸出，不利於AR眼鏡的美觀，是故圖像源40較佳地設置在鏡腿20處。
當使用者佩戴近眼顯示裝置100時，兩個鏡片30分別對應於使用者的左眼和右眼。位於鏡腿20處的兩個圖像源40分別發出帶有圖像資訊的光，以向兩個鏡片30（或者說兩個光波導70）分別提供虛擬影像。
具體地，兩個鏡片30（或者說兩個光波導70）為透明的，能夠直接透射真實世界的光線，使用者能夠透過兩個鏡片30看清真實世界中的真實圖像。當使用者佩戴近眼顯示裝置100時，近眼顯示裝置100能夠將虛擬影像與真實世界相疊加，讓使用者看到真實圖像與虛擬影像結合的圖像，達到超越現實的感官體驗。
舉例而言，近眼顯示裝置100為可使使用者體驗虛擬購物。當使用者佩戴上近眼顯示裝置100時，兩個鏡片30將真實世界的圖像傳遞給使用者的眼睛，例如真實世界為一個商店。此時，使用者看到的是一個商店的真實圖像。另，圖像源40能夠提供虛擬影像給光波導70，例如虛擬影像為商品的相關資訊（例如，商品的使用期限、產地、成分等）。此時，光波導70將圖像源40提供的虛擬影像傳遞給使用者，使用者看到的圖像是一個真實的商店裡的虛擬商品的相關資訊。
一實施例中，圖像源40的類型為有機發光二極體(Organic Light‑Emitting Diode，OLED)顯示器、微型無機發光二極體(Micro Light‑Emitting Diode，Micro LED)顯示器、液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)、矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)顯示器、數位微鏡器件(Digital Micro‑mirror Device，DMD)和雷射光束掃描器(Laser Beam Scanning，LBS)中的任意一種。圖像源40出射的光可以為可見光，其可以為單一波長的光線，亦可以包含複數波段的光線（例如，紅光、藍光和綠光）。
耦入結構50位於圖像源40和調焦組件60之間。耦入結構50用於將圖像源40出射的圖像光L1耦入調焦組件60。光波導70位於調焦組件60的出光側。耦入結構50例如為耦入光柵。耦入光柵能夠對入射其上的圖像光L1衍射，並使衍射出的光進入調焦組件60。
耦出結構80位於光波導70的出光區（又稱耦出區），並用於將光波導70內的圖像光L1耦出。耦出結構80例如為耦出光柵。光波導70內傳播的圖像光L1經耦出光柵衍射後，不滿足光波導70的全反射條件的光耦出光波導70，進人人眼而被感知。該過程中，部分雜光L2向遠離人眼的方向耦出。
光波導70位於調焦組件60的出光側。調焦組件60用於改變圖像光L1的焦距。請結合參閱圖1和圖3，調焦組件60包括殼體61及設置於殼體61上的旋鈕65。殼體61設置在鏡框10上，以避免遮擋使用者透過鏡片30觀察真實世界的視線。殼體61可設置在鏡框10內或鏡框10的表面，旋鈕65可設置於殼體61的外表面並從鏡框10的側面凸伸出，以便於使用者操作。
如圖3所示，調焦組件60還包括第一光引導元件62、第二光引導元件64和透鏡組63。第二光引導元件64與第一光引導元件62間隔設置。透鏡組63位於第一光引導元件62和第二光引導元件64之間。第一光引導元件62、第二光引導元件64和透鏡組63均容納於殼體61內。殼體61開設有入光孔611和出光孔612。自耦入結構50出射的圖像光L1經入光孔611入射至第一光引導元件62，而自耦入結構50耦入的圖像光L1依次經第一光引導元件62、透鏡組63及第二光引導元件64後經出光孔612耦入光波導70，所述圖像光L1在光波導70內進行全反射傳播，並自耦出結構80處耦出至人眼。
圖3所示的實施例中，第一光引導元件62和第二光引導元件64均為轉折棱鏡。第一光引導元件62用於將自耦入結構50耦入的光引導至透鏡組63。第二光引導元件64用於將經透鏡組63的光引導至出光孔612，並使其能夠以特定入射角耦入至光波導70中。
可理解地，其他實施例中，第一光引導元件62和第二光引導元件64不限於轉折棱鏡。例如，第一光引導元件62和第二光引導元件64還可分別為反射鏡。或者，第一光引導元件62和第二光引導元件64其中之一者為反射鏡，另一者為轉折棱鏡。
一實施例中，光波導70的折射率為1.4至1.6（如透明的玻璃）。為改善色偏現象，轉折棱鏡為低折射率的材料，或者說，轉折棱鏡為折射率接近光波導70的材料。具體地，轉折棱鏡的折射率為1.4至1.6，轉折棱鏡的材質例如為聚甲基丙烯酸甲酯（poly methyl methacrylate，PMMA），但不限於此。
另，近眼顯示裝置100還可包括位於光波導70上的轉折光柵（圖未示），以實現橫向擴瞳和縱向擴瞳，使視場角增大，提升使用者體驗。
圖3所示的實施例中，透鏡組63中的透鏡的數量為三個，且每個透鏡均為凸透鏡。定義自第一光引導元件62至第二光引導元件64的方向，三個透鏡依次為第一透鏡631、第二透鏡632和第三透鏡633。該三個透鏡中，至少有一個透鏡的位置使用者可藉由旋鈕65調整，以此在圖像光L1進入光波導70之前改變焦距。尤其是對於視力不同的使用者，可藉由旋鈕65調整透鏡組63中位置可調的透鏡的位置，以此來實現變焦的需求，提升佩戴舒適度並增強觀看體驗。
其他實施例中，透鏡組63中的透鏡的數量不限於三個，例如一個、兩個或大於三個。透鏡組63中的透鏡的類型不限於凸透鏡，例如每個透鏡還可為凹透鏡和凹凸透鏡其中之一。另，無論透鏡組63中透鏡的數量為一個還是複數，透鏡組63中至少有一個透鏡的位置可調，以改變圖像光L1的焦距。
如圖4A和圖4B所示，透鏡組63中透鏡的數量為三個，其中第一透鏡631和第三透鏡633為凸透鏡，第二透鏡632為凹透鏡。在圖4A和圖4B所示的實施例中，第二透鏡632為位置可調的透鏡。如圖4A和圖4B所示，第一透鏡631和第三透鏡633為固定不動的，即第一透鏡631和第三透鏡633之間的距離D為固定值。第二透鏡632可在第一透鏡631和第三透鏡633之間沿光軸X來回平移，以改變圖像光L1的彙聚程度，進而改變圖像光L1經光波導70後形成的虛像至人眼的距離，提升佩戴的舒適度。尤其是對於視力不同的使用者，使用者能夠根據眼前虛像的清晰度，藉由調焦組件60調整圖像光L1的焦距，利於提升觀看體驗。另，調焦組件60除了可調整焦距外，還可針對實像進行放大、縮小。
一實施例中，調焦組件60還包括位置調節結構（圖未示）。位置調節結構連接位置可調的透鏡，位置調節結構用於帶動位置可調的透鏡運動。位置調節結構例如包括連接位置可調的透鏡的電機（圖未示），電機用於帶動位置可調的透鏡平移。
具體地，位置調節結構還包括傳動機構（圖未示）和控制單元（圖未示）。電機藉由傳動機構與位置可調的透鏡連接。控制單元包括訊號輸入端（圖未示）和訊號輸入端（圖未示）。旋鈕65與控制單元的訊號輸入端連接。電機與控制單元的訊號輸出端連接。使用者可藉由旋鈕65給控制單元以控制訊號，控制單元輸出訊號給電機以驅動電機轉動。電機帶動傳動機構使可變焦的透鏡平移，進而實現變焦的功能。
傳動機構例如包括與電機連接的主動齒輪（圖未示）、與主動齒輪嚙合的從動齒輪（圖未示）、與從動齒輪軸線重合的螺紋套筒（圖未示）及與螺紋套筒螺紋配合的螺桿（圖未示）。其中，電機轉動帶動主動齒輪轉動，從動齒輪隨主動齒輪的轉動而轉動，螺紋套筒隨之轉動，而螺桿與螺紋套筒在螺紋配合的帶動下，使與其連接的透鏡組63中的位置可調的透鏡沿光軸X方向移動，從而達到調節近眼顯示裝置100的焦距的目的。其他實施例中，位置調節結構不限於藉由齒輪副及螺紋副的配合進行調焦，只要位置調節結構能夠實現透鏡的移動即可。
一實施例中，透鏡組63中透鏡的數量為一個，透鏡為超透鏡（亦稱超穎透鏡，meta lens）。其中，透鏡為超透鏡的情況下，能夠避免經過透鏡組63的圖像光L1有色散的情況的發生。且透鏡為超透鏡的情況下，透鏡組63中位置可調的透鏡為超透鏡。
具體地，超透鏡是扁平的（平面狀），並且超薄，是故超透鏡不會產生色差。超透鏡是一種“消色差”鏡頭，因為所有波長的光幾乎都同時通過。與具有固定色散的玻璃或其他傳統材料不同，超透鏡的優點還包括可調色散（控制光色如何分散的能力）。而且超透鏡因為並不需要與折射鏡片有著相同的曲率，是故更容易加工，甚至可以直接利用半導體的製程技術，直接在載體上生長出。
圖5為本申請另一實施例中，超透鏡的成像原理示意圖。如圖5所示，超透鏡634包括載體6341及位於載體6341上的複數微納結構6342。微納結構6342為奈米棒。其中，藉由調整微納結構6342的長度、寬度、高度、旋轉角度及在載體6341上的分佈規律等，可以對入射至超透鏡634上的光的振幅、相位、偏振等特性進行調控，使得入射至超透鏡634上的光（例如包含紅光、綠光和藍光的圖像光L1）聚焦在特定位置。
具體地，根據光路需求，可藉由光學軟體類比計算出不同波長的光的聚焦位置，進而修改微納結構6342的長度、寬度、高度、旋轉角度及在載體6341上的分佈規律等，獲得所需的超透鏡的結構參數，使三原色光（即紅光、綠光和藍光）聚焦於同一點上。然後再利用半導體製程，如鍍膜再蝕刻出所需的圖案，進而在載體6341上生長出複數微納結構6342，得到所需的超透鏡。一實施例中，微納結構6342為二氧化鈦奈米棒，其高度大致為600奈米，但不限於此。載體6341的材料為透明的玻璃、透明的塑膠或其他低折射率的材料。
綜上，本申請實施例的近眼顯示裝置，由於調節組件能夠改變圖像源出射的圖像光的焦距，使得使用者可根據需求調整圖像源形成的虛像至人眼的距離，使得人眼看到的虛像為遠近可變化的而非一直處於固定的對焦狀態，使得人眼的睫狀肌能夠隨之運動，從而緩解人眼的疲勞感，避免暈眩的產生，達到放鬆的目的。
另，由於上述的近眼顯示裝置能夠藉由調焦組件改變圖像光的焦距，對於視力不同的使用者可直接佩戴近眼顯示裝置，而無需先佩戴近視眼鏡再佩戴近眼顯示裝置，解決了近視者穿戴不方便的問題，提升了佩戴的舒適度。
而且，本申請實施例中，近眼顯示裝置的調焦組件位於鏡框處實現對虛像的調焦，使用時不會遮擋眼睛正前方對真實世界（實像）的觀看。
以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神及範圍。
100:近眼顯示裝置
10:鏡框
20:鏡腿
30:鏡片
40:圖像源
50:耦入結構
60:調焦組件
61:殼體
611:入光孔
612:出光孔
62:第一光引導元件
63:透鏡組
631:第一透鏡
632:第二透鏡
633:第三透鏡
634:超透鏡
6341:載體
6342:微納結構
64:第二光引導元件
65:旋鈕
70:光波導
80:耦出結構
L1:圖像光
L2:雜光
E:右眼
D:距離
X:光軸
圖1為本申請一實施例的近眼顯示裝置的結構示意圖。
圖2為圖1中近眼顯示裝置的光路示意圖。
圖3為圖2中的調焦組件的結構示意圖。
圖4A和圖4B分別為本申請一實施例中，位置可調的透鏡在不同位置處的光路示意圖。
圖5為本申請另一實施例中，超透鏡的成像原理示意圖。
100:近眼顯示裝置
30:鏡片
40:圖像源
50:耦入結構
60:調焦組件
70:光波導
80:耦出結構
L1:圖像光
L2:雜光
E:右眼
Claims (10)
- 一種近眼顯示裝置，包括： 圖像源，用於出射圖像光； 調焦組件，用於改變所述圖像光的焦距； 耦入結構，位於所述圖像源和所述調焦組件之間，用於將所述圖像光耦入所述調焦組件； 光波導，位於所述調焦組件的出光側；以及 耦出結構，位於所述光波導的出光區； 其中，所述圖像光經所述調焦組件後在所述光波導內傳播並自所述耦出結構耦出所述光波導。
- 如請求項1所述的近眼顯示裝置，其中，所述調焦組件包括： 第一光引導元件； 第二光引導元件，與所述第一光引導元件間隔設置；以及 透鏡組，位於所述第一光引導元件和所述第二光引導元件之間； 其中，所述透鏡組包括至少一個位置可調的透鏡，自所述耦入結構出射的所述圖像光依次經所述第一光引導元件、所述透鏡組及所述第二光引導元件後耦入所述光波導。
- 如請求項2所述的近眼顯示裝置，其中，所述透鏡組中的透鏡的數量為複數，每個所述透鏡為凸透鏡、凹透鏡和凹凸透鏡其中之一。
- 如請求項2所述的近眼顯示裝置，其中，所述透鏡組中的透鏡的數量為一個，所述透鏡為超透鏡。
- 如請求項2所述的近眼顯示裝置，其中，所述第一光引導元件為反射鏡和轉折棱鏡其中之一，所述第二光引導元件為反射鏡和轉折棱鏡其中之一。
- 如請求項5所述的近眼顯示裝置，其中，所述第一光引導元件和所述第二光引導元件均為轉折棱鏡，所述光波導的折射率為1.4至1.6，所述轉折棱鏡的折射率為1.4至1.6。
- 如請求項2所述的近眼顯示裝置，其中，所述調焦組件還包括殼體，所述第一光引導元件、所述第二光引導元件和所述透鏡組均容納於所述殼體內； 所述殼體開設有入光孔和出光孔，自所述耦入結構出射的所述圖像光經所述入光孔入射至所述第一光引導元件，自所述第二光引導元件出射的所述圖像光經所述出光孔後耦入所述光波導。
- 如請求項2至7中任意一項所述的近眼顯示裝置，其中，所述調焦組件還包括位置調節結構，所述位置調節結構連接所述位置可調的透鏡，所述位置調節結構用於帶動所述位置可調的透鏡運動。
- 如請求項8所述的近眼顯示裝置，其中，所述位置調節結構包括電機，所述電機連接所述位置可調的透鏡，所述電機用於帶動所述位置可調的透鏡平移。
- 如請求項9所述的近眼顯示裝置，其中，所述調焦組件還包括傳動機構、旋鈕及控制單元；所述電機藉由所述傳動機構與所述位置可調的透鏡連接；所述旋鈕與所述控制單元的訊號輸入端連接；所述電機與所述控制單元的訊號輸出端連接。
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