CN217360452U - 近眼显示模组及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及增强现实的技术领域，公开了一种近眼显示模组及近眼显示设备，其中，近眼显示模组包括：图像源、目镜系统和波导片，目镜系统包括光路转折元件和多个透镜，光路转折元件用于光路的转折，图像源设于光路转折元件的一侧；波导片包括耦入结构和耦出结构；图像源输出的光线依次经过光路转折元件和多个透镜，从耦入结构进入波导片，在波导片内全反射传输，并从耦出结构耦出。该近眼显示模组可实现增强现实的功能；并且通过将图像源设于目镜系统的光路转折元件的一侧，从而使得图像源的长度方向与目镜系统的长度方向一致，从而使得近眼显示模组的光机部分结构更紧凑，占用的空间小。

Description

近眼显示模组及近眼显示设备

技术领域

本实用新型专利涉及增强现实的技术领域，具体而言，涉及近眼显示模组及近眼显示设备。

背景技术

近眼显示系统，也称为头盔显示器，它最初起源于空军领域，主要是解决驾驶员面对飞机上日益增多的精密仪器及武器系统所收集的大量信息的困扰，利用近眼显示产品可以将各仪器仪表的所有的信息全部呈现在驾驶员前面的视场内,使驾驶员集中精力操作飞机和进行瞄准。随着人们对于近眼显示产品的学习和认识，近眼显示产品的应用领域也不断扩展。在民用方面主要是结合相关的虚拟技术，应用于教育与训练；商业产品的展览与推销；医学的模拟训练等。

传统的近眼显示模组中的图像源设置在目镜系统的表面，如此，当近眼显示模组用作AR(Augmented Reality，增强现实)眼镜时，一方面图像源的长度方向与镜腿的长度方向不一致，会影响图像源的驱动电路的排线，从而影响近眼显示模组的后续设计和生产；另一方面，使得光机(包括图像源和目镜系统)的占用空间较大，造成空间浪费，从而导致近眼显示模组的整体体积较大，且形态怪异，不符合常规审美标准。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供近眼显示模组及近眼显示设备，旨在解决现有技术中，近眼显示模组占用空间大的问题。

本实用新型是这样实现的，近眼显示模组，包括：图像源，用于输出包含图像信息的光线；目镜系统，所述目镜系统包括光路转折元件和多个透镜，所述光路转折元件用于光路的转折，所述图像源设于所述光路转折元件的一侧；及波导片，所述波导片包括耦入结构和耦出结构；其中，所述图像源输出的光线依次经过所述光路转折元件和多个所述透镜，从所述耦入结构进入所述波导片，在所述波导片内全反射传输，并从所述耦出结构耦出。

可选的，所述目镜系统的光轴垂直于所述波导片。

可选的，所述透镜的面型为球面、非球面或自由曲面中的一种或多种组合。

可选的，多个所述透镜包括第一成像透镜、第二成像透镜、第三成像透镜，经所述光路转折元件转折后的光线依次通过所述第一成像透镜、所述第二成像透镜、所述第三成像透镜；所述第一成像透镜和所述第二成像透镜为球面透镜，所述第三成像透镜为非球面透镜。

可选的，所述目镜系统的全视场范围内的最大畸变≤0.8％，所述目镜系统在分辨率为20lp/mm时的调制传递函数MTF≥0.2。

可选的，所述光路转折元件为直角棱镜或反射镜。

可选的，所述波导片为几何阵列光波导或锯齿光波导。

可选的，所述耦出结构包括形成于所述波导片内部的多个分光斜面，多个所述分光斜面依次排列；在所述波导片中全反射传输的光入射到所述分光斜面上，部分光线被反射后耦出，部分光线透射后入射到下一个所述分光斜面上。

可选的，所述图像源为LCoS、LCD、OLED、DMD或Micro-LED。

近眼显示设备，包括结构外壳和所述近眼显示模组，所述近眼显示模组设于所述结构外壳内，所述结构外壳内还设有驱动电路，所述驱动电路与所述图像源电连接。

与现有技术相比，本实用新型提供的近眼显示模组，通过将图像源设于目镜系统的光路转折元件的一侧，从而使得图像源的长度方向与目镜系统的长度方向一致，从而使得近眼显示模组的光机部分(即图像源和目镜系统的组合)结构更紧凑，占用的空间小；而图像源输出的带有图像信息的光线经过目镜系统传输后进入到波导片，从波导片的耦出结构出射，进入到人眼，实现增强现实的功能。

附图说明

图1是本实用新型提供的近眼显示模组的立体示意图；

图2是本实用新型提供的近眼显示模组的图像光线在光机中的光路示意图；

图3是本实用新型提供的近眼显示模组的波导片的结构示意图；

图4是本实用新型提供的近眼显示模组的图像光线在近眼显示模组中的光路示意图。

附图标记说明：

10-图像源，11-驱动电路；

20-目镜系统，21-光路转折元件，22-第一成像透镜，23-第二成像透镜，24-第三成像透镜，241-第三成像透镜的后表面；

30-波导片，31-耦出结构，301-第一反射斜面，302-第二反射斜面，303-第三反射斜面，304-第四反射斜面，305-第五反射斜面，306-第六反射斜面，307-第七反射斜面。

具体实施方式

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

参照图1-4所示，为本实用新型提供的较佳实施例。

近眼显示模组，包括：图像源10，用于输出包含图像信息的光线；目镜系统20，目镜系统20包括光路转折元件21和多个透镜，光路转折元件21用于光路的转折，图像源10设于光路转折元件21的一侧；及波导片30，波导片30包括耦入结构和耦出结构31；其中，图像源10输出的光线依次经过光路转折元件21和多个透镜，从耦入结构进入波导片30，在波导片30内全反射传输，并从耦出结构31耦出。

本实施例提供的近眼显示模组，通过将图像源10设于目镜系统20的光路转折元件21的一侧，从而使得图像源10的长度方向与目镜系统20的长度方向一致，从而使得近眼显示模组的光机部分(即图像源10和目镜系统20的组合)结构更紧凑，占用的空间小；而图像源10输出的带有图像信息的光线经过目镜系统20传输后进入到波导片30，从波导片30的耦出结构31出射，进入到人眼，实现增强现实的功能。

具体的，图像源10可为LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED(Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管)、LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)、DMD(digital micromirror device，数字微镜器件)、Micro-LED(Micro-LightEmitting Diode，微型发光二极管)中的一种及其所包含的电子相关部分。图像源10的尺寸及分辨率则可以根据实际情况进行适应性设计，例如，图像源10可以采用尺寸为0.23inch(即5.842mm)、分辨率为640*400的OLED显示屏。

目镜系统20包括光路转折元件21和多个透镜，其中，光路转折元件21具有至少一个反射面，通过光的反射作用将光路转折，例如，可以采用直角棱镜，直角棱镜的直角边所在的两个面分别作为光的入射面和出射面，直角棱镜的斜面作为光的反射面，若入射光线在该反射面处满足全反射条件，则入射光线在该反射面处全反射；若入射光线在该反射面处不满足全反射条件，则在该反射面上镀反射膜，用于增强反射效率；或者光路转折元件21也可采用反射镜，用于光路的转折。

目镜系统20中通常包括2-5片透镜，形成成像效果优良的镜头组组合；透镜的面型可为球面、非球面或自由曲面中的一种或多种组合。透镜的材料可为玻璃或树脂或光学液体中的一种或多种组合。

例如，目镜系统20可包括直角棱镜、第一成像透镜22、第二成像透镜23和第三成像透镜24。经直角棱镜反射后的光线依次通过第一成像透镜22、第二成像透镜23、第三成像透镜24，然后进入波导片30全反射传输；其中第一成像透镜22和第二成像透镜23为球面透镜，第三成像透镜24为非球面透镜。

球面透镜是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率，而非球面透镜则是从中心到边缘的曲率连续发生变化。为了保证镜头的光学性能，必须校正众多的“像差”。若仅仅用球面透镜来校正，则对应镜头的技术要求需要有许多透镜组合，这使得整体镜头的尺寸难以得到缩小。对于特殊的高级镜头，仅用球面透镜有时不能使像差校正到用户满意的程度。

通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差。而且1～2片非球面透镜就可以实现5片以上球面透镜类似或更好的光学品质，从而减小系统尺寸，提高成本率，降低系统的综合成本。

具体的，目镜系统20的光轴垂直于波导片30布置，这样布置方式使得当近眼显示模组用作AR眼镜时，目镜系统20可设置在镜腿上，符合佩戴习惯，不额外占用空间。

如果图像源10的长度方向与目镜系统20的长度方向垂直的话，镜腿就会变得很粗，非常不便于佩戴，图像源10的尺寸也会受到很大限制，而图像源10尺寸小的话，其输出光线的能量也小，经目镜系统20和波导片30传输后光线能量也小，则进入人眼的图像的质量会比较差；相比较而言，目镜系统20设置在镜腿上，图像源10的长度方向与目镜系统20的长度方向一致，这样图像源10的尺寸可以做得比较大，最后波导片30输出的图像质量会比较好。并且图像源10的驱动电路11也可以沿着镜腿的方向设置，非常方便。

可选的，目镜系统20的全视场范围内的最大畸变≤0.8％，目镜系统20在分辨率为20lp/mm(对线每毫米，指一毫米里可以分辨出来的线对数量)时的调制传递函数MTF≥0.2。

畸变作为光学系统中经常提到的一个参数，是光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度，只引起像的变形，对像的清晰度并无影响。

MTF是调制传递函数(Modulation Transfer Function)的简称。简单来说，就是画面中图像明暗亮度的对比及分辨程度。

具体的，波导片30可采用几何阵列光波导或锯齿光波导。

几何阵列光波导主要是通过阵列反射镜堆叠实现图像的输出。

锯齿光波导是指光波导的耦出结构31具有锯齿状的结构，其基本原理为在眼睛前方的位置，利用锯齿状的有一定反射率的反射面，将光反射耦出到人眼。

具体的，波导片30的材质可以是玻璃、树脂等透明材料。通常会选择高折射率的光学玻璃或树脂材料。

投影光线在波导片30内全反射传输，即在传输时，投影光线每次入射至第一表面或第二表面的入射角均大于波导片30的临界角。

投影光线在波导片30中临界角可根据全反射的原理进行计算，例如：投影光线在波导片30中的折射率为n₁，在空气中的折射率为n₂，投影光线在波导片30内入射至第一表面的入射角为θ₁，在空气中的折射角为θ₂，根据折射定律，n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，当θ₂＝90°时，临界角θ_临＝arcsin(n₂/n₁)。相对折射率越大，则临界角越小，而全反射时入射角大于临界角，因此，临界角越小，越有利于进行全反射。波导片30采用高折射率的材质，有利于投影光线在波导片30中进行全反射传输。

波导片30的耦入结构可以是反射镜、棱镜等具有反射功能的光学结构，在其反射面上可镀有反射膜，以将投影光线尽可能全部反射到波导片30中。

波导片30的耦出结构31包括形成于波导片30内部的多个分光斜面，多个分光斜面依次排列；在波导片30中全反射传输的光入射到分光斜面上，部分光线被反射后耦出，部分光线透射后入射到下一个分光斜面上。投影光线从耦入结构进入波导片30后全反射传播，遇到分光斜面后，被多个分光斜面依次耦出进入人眼。

可选的，分光斜面上镀有角度选择性透过反射膜。

分光斜面可以是“半透半反”(确切说是“部分透部分反”)的镜面，是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度的表面，每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼，剩下的光线透射过去继续在波导中前进。然后这部分前进的光又遇到另一个“半透半反”镜面，从而重复上面的“反射-透射”过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。

近眼显示设备，包括结构外壳和以上所述的近眼显示模组，近眼显示模组设于结构外壳内，结构外壳内还设有驱动电路11，驱动电路11与图像源10电连接。

在以下一具体实施例中：

近眼显示模组的波导片30与目镜系统20呈垂直状态(即两者的夹角为90°)，此状态有利于最终产品形态设计，可使整体结构更趋近于传统意义的眼镜。

本实施例的图像源10是一款尺寸为0.23英寸(inch)(即5.842mm)，分辨率为640*400的OLED，其相关电路驱动部分示图予以省略，此OLED的主要相关信息见表1。

表1 OLED的主要相关信息：

芯片类型	aa区尺寸	屏幕比例	分辨率	像素大小
					OLED	0.23inch	16∶10	640＊400	7.8um

如图2所示，本实例的目镜系统20包括一个直角棱镜和3个透镜，其中，第一成像透镜22可为球面透镜；第二成像透镜23可为球面透镜；第三成像透镜24可为非球面透镜。

此目镜系统20全视场范围内的最大畸变≤0.8％，出瞳直径为4mm，MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)≥0.2@20lp/mm，FOV(Field of View，视场角)为25°，透镜的最大半径为9mm，目镜系统20的等效焦距为13.4mm，此目镜系统20的各项指标见表2，该指标能够满足近眼显示系统的需求。

表2目镜系统20的各项指标：

畸变	出瞳直径	MTF	视场角	透镜最大半径	等效焦距
						0.80％	4mm	≥0.2@20lp/mm	25°	9mm	13.4mm

如图3所示，本实施例的波导片30，其尺寸为63mm*20mm*1.5mm，其中，耦入结构包括第一反射斜面301，耦出结构31包括第二反射斜面302、第三反射斜面303、第四反射斜面304、第五反射斜面305、第六反射斜面306、第七反射斜面307，其中，第一反射斜面301上镀有反射率为95％以上的全反射膜，第二反射斜面302～第七反射斜面307上镀有角度选择性透过反射膜，关于上述镀膜内容以为本行业内从业人员所熟知；此波导片30的一些重要参数见表3，其最大可支持FOV为40°，可兼容图2中的目镜系统20。

表3波导片30的一些重要参数：

波导片类型	尺寸	质量	最大支持FOV
				几何阵列光波导	63＊20＊1.5/mm<sup>3</sup>	5g	40°

如图4所示，图像源10(以OLED为例)经其电路驱动点亮后，由于其自身的技术原理，会投射出像面尺寸为0.23inch，显示比例为16：10，分辨率为640*400的图像源10，由于OLED自发光的特性，包含图像信息的光线会向前传播依次经过目镜系统20的直角棱镜～第三成像透镜24；由于OLED位于目镜系统20的焦平面上，其所发出的光线经过目镜系统20的直角棱镜～第三成像透镜24整形后会变成平行光经由第三成像透镜的后表面241出射，此时图像源10与目镜系统20共同组成的系统成像效果为：在无穷远处形成一个FOV为25°的像；由于目镜系统20与波导片30垂直放置，经过第三成像透镜的后表面241出射的光线垂直打进波导片30内，并直接打到第一反射面301上，由于第一反射斜面301上镀有全反射膜，光线会被反射后再在波导片30内部以全反射形式向前传播，当光线经过第二反射斜面302时，由于第二反射斜面302上镀有角度选择性透过反射膜，因此一部分光线会透过第二反射斜面302继续向前传播，一部分光线会被第二反射斜面302反射并垂直于波导片30出射，其中透过第二反射斜面302继续向前传播的光线在经过第三反射斜面303～第七反射斜面307时重复上述传播过程，上述过程完全遵循折反射定理；最终用户的眼睛在波导片30的光线出射处可接收到携带图像信息的光线，在经过大脑处理后可以看到完整的图像。

相比于传统的近眼显示模组的图像源设于目镜系统的表面；本实施例的近眼显示模组的图像源10设置在目镜系统20的一侧，如此设置，当该近眼显示模组用作制备AR眼镜时，图像源10的长度方向与镜腿的长度方向一致，方便图像源10的驱动电路11的排线，从而有利于近眼显示设备(如AR眼镜)的后续设计和生产；另外，将图像源10设置在目镜系统20的一侧有利于减小光机(包括图像源10和目镜系统20)的占用空间，从而可减小近眼显示模组的整体体积，有利于其后期的整体结构设计，可使其最终形态更趋向于传统的眼镜形态，兼有美观轻便的优点，符合常规审美标准。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.近眼显示模组，其特征在于，包括：

图像源，用于输出包含图像信息的光线；

目镜系统，所述目镜系统包括光路转折元件和多个透镜，所述光路转折元件用于光路的转折，所述图像源设于所述光路转折元件的一侧；

及波导片，所述波导片包括耦入结构和耦出结构；

其中，所述图像源输出的光线依次经过所述光路转折元件和多个所述透镜，从所述耦入结构进入所述波导片，在所述波导片内全反射传输，并从所述耦出结构耦出；所述目镜系统的全视场范围内的最大畸变≤0.8%，所述目镜系统在分辨率为20lp/mm时的调制传递函数MTF≥0.2。

2.如权利要求1所述的近眼显示模组，其特征在于，所述目镜系统的光轴垂直于所述波导片。

3.如权利要求2所述的近眼显示模组，其特征在于，所述透镜的面型为球面、非球面或自由曲面中的一种或多种组合。

4.如权利要求3所述的近眼显示模组，其特征在于，多个所述透镜包括第一成像透镜、第二成像透镜、第三成像透镜，经所述光路转折元件转折后的光线依次通过所述第一成像透镜、所述第二成像透镜、所述第三成像透镜；所述第一成像透镜和所述第二成像透镜为球面透镜，所述第三成像透镜为非球面透镜。

5.如权利要求1-4任一项所述的近眼显示模组，其特征在于，所述光路转折元件为直角棱镜或反射镜。

6.如权利要求1-4任一项所述的近眼显示模组，其特征在于，所述波导片为几何阵列光波导或锯齿光波导。

7.如权利要求6所述的近眼显示模组，其特征在于，所述耦出结构包括形成于所述波导片内部的多个分光斜面，多个所述分光斜面依次排列；在所述波导片中全反射传输的光入射到所述分光斜面上，部分光线被反射后耦出，部分光线透射后入射到下一个所述分光斜面上。

8.如权利要求1-4任一项所述的近眼显示模组，其特征在于，所述图像源为LCoS、LCD、OLED、DMD或Micro-LED。

9.近眼显示设备，其特征在于，包括结构外壳和如权利要求1至8中任一项所述的近眼显示模组，所述近眼显示模组设于所述结构外壳内，所述结构外壳内还设有驱动电路，所述驱动电路与所述图像源电连接。

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