近眼显示装置及穿戴设备

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置及穿戴设备。

背景技术

光波导因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级增强现实（Augmented Reality，AR）穿戴设备中近眼显示装置的必选光学方案，能够实现良好的产品形态和较优的显示效果。光波导根据耦合光学的形式可分为衍射光波导（DiffractionWaveguides，简称DWGs）和反射光波导（Reflective Waveguides，简称RWGs）。其中，衍射光波导通过波导表面刻蚀的光栅结构对入射光实现出瞳扩展；反射光波导根据几何光学原理，利用部分反射镜阵列对入射光实现出瞳扩展。

但目前的光波导主要依靠全反射对光线进行传输，一般情况下，为了避免鬼像和重影的问题，光波导内传输的光线一般是多个方向的平行光，而且，当要实现较大视场角时，一系列平行光之间发散的角度就会变大，会面临眼盒较小、波导片体积增大等问题；同时，由于光波导主要起到传输和扩瞳的作用，这样从波导出射后的光也为平行光，因此人眼观察到的图像是一个固定位置的图像，长时间佩戴会引起视觉辐辏，引起人体不适。

因此，研发一种大眼盒、小体积、无限景深的近眼显示装置及穿戴设备是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近眼显示装置及穿戴设备，旨在获得大眼盒、小体积、无限景深的近眼显示装置及穿戴设备。

本发明是这样实现的，第一方面，提供了一种近眼显示装置，包括激光发生模块、光波导元件和全息光学元件；所述激光发生模块用于发出平行激光束；所述光波导元件具有耦入区域和耦出区域，所述光波导元件用于接收所述平行激光束、并将所述平行激光束进行一维扩瞳或者二维扩瞳后平行输出；所述全息光学元件具有干涉条纹、贴设于所述耦出区域上，所述全息光学元件用于接收所述光波导元件输出的平行光束，并通过衍射实现所述平行激光束的反射或者透射，以输出多束会聚的图像光。

在一个可选的实施例中，所述光波导元件包括沿光线传输方向依次设置的耦入模块、转折模块和耦出模块，所述耦入模块用于将所述平行激光束耦入所述转折模块，所述转折模块用于改变所述平行激光束的传播方向并实现所述平行激光束在第一方向上的扩瞳；所述耦出模块用于实现扩瞳后的所述平行激光束在第二方向上的扩瞳、并输出激光束，所述第二方向与所述第一方向呈夹角设置。

在一个可选的实施例中，所述转折模块包括第一波导基板以及形成于所述第一波导基板内的第一分光结构，所述第一分光结构包括沿第一方向间隔设置的多个第一分光膜；所述耦出模块包括第二波导基板以及形成于所述第二波导基板内的第二分光结构，所述第二分光结构包括沿第二方向间隔设置的多个第二分光膜。

在一个可选的实施例中，所述全息光学元件包括沿第二方向依次设置的多个全息透镜，所述全息透镜为反射式全息透镜或者透射式全息透镜，多个所述全息透镜与多个所述第二分光膜一一对应设置，各所述全息透镜上均形成有所述干涉条纹，用于接收对应所述第二分光膜反射的光线，并输出所述图像光。

在一个可选的实施例中，所述全息透镜经过全息透镜记录系统记录而成，当所述全息透镜为反射式全息透镜时，所述全息透镜记录系统包括依次设置的第一透镜、第二透镜、玻璃基底、全息膜和第三透镜，其中所述全息膜贴设于所述玻璃基底上；信号光经过所述第一透镜准直后再经所述第二透镜和所述玻璃基底聚焦至所述全息膜上；参考光经过所述第三透镜得到平行参考光，所述平行光经过入射到所述全息膜上，与所述信号光相干形成所述干涉条纹。

在一个可选的实施例中，所述转折模块位于所述耦出模块长度方向的一端，或者所述耦出模块的上方；

当所述转折模块位于所述耦出模块长度方向的一端时，所述耦入模块位于所述转折模块远离所述耦出模块的一侧。

在一个可选的实施例中，当所述转折模块位于所述耦出模块长度方向的一端时，所述第一波导基板远离所述耦出模块的侧面上凸设有锥形部，所述锥形部具有一个斜面，所述斜面为入光面，所述耦入模块为三角棱镜，所述三角棱镜的出光面贴设于所述锥形部的入光面上，两者组成三角形结构。

在一个可选的实施例中，所述三角形结构远离所述耦出模块的顶角的度数为所述第二分光膜倾斜角度的2倍，所述第一分光膜的倾斜角度为45°。

在一个可选的实施例中，所述激光发生模块包括激光发生主体和准直模块，所述激光发生主体包括沿光线的传播路径依次设置的光源、合束镜及扫描模块，所述光源为RGB三色光源，所述光源发出的光束由所述合束镜整合再依次经所述扫描模块和所述准直模块形成所述平行激光束。

第二方面，提供了一种穿戴设备，包括上述各实施例提供的近眼显示装置。

本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的近眼显示装置及穿戴设备，包括激光发生模块、光波导元件和全息光学元件，其中光波导元件用于接收激光发生模块发出的平行激光束、并能够将该平行激光束进行一维扩瞳或者二维扩瞳后平行输出；全息光学元件具有干涉条纹、贴设于耦出区域上，能够接收光波导元件输出的平行光束，并通过衍射实现上述平行激光束的反射或者透射，以输出多束会聚的图像光。其中，多束图像光间隔排布。采用这一结构，既实现了光束的一维扩瞳或者二维扩瞳，增大了近眼显示装置的眼盒，且体积较小，同时激光发生模块和全息光学元件相配合可实现小孔成像的效果，实现无限景深。综上所述，本发明实施例提供的近眼显示装置，利用激光发生模块、体全息技术和光波导技术可以在很小的体积内实现较大的眼盒及无限景深。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的近眼显示结构的主视结构示意图；

图2是图1所示近眼显示结构的俯视结构示意图；

图3是图1所示近眼显示结构的侧视结构示意图；

图4是本发明一实施例所采用的全息透镜记录系统的使用状态示意图；

图5是通过图4所示全息透镜记录系统获得的全息光学元件的光路示意图，图中全息光学元件为反射式全息光学元件；

图6是本发明一实施例所采用的光波导元件的透视结构示意图；

图7是本发明一实施例所采用的光波导元件的透视结构示意图；

图8是图7所示光波导元件的侧视结构示意图；

图9是图1所示光波导元件中的转折模块和耦入模块的主视结构示意图；

附图标记说明：

100、激光发生模块；110、激光发生主体；120、准直模块；200、光波导元件；210、耦入模块；220、转折模块；221、第一波导基板；222、第一分光膜；223、锥形部；230、耦出模块；231、第二波导基板；232、第二分光膜；300、全息光学元件；310、全息透镜；400、全息透镜记录系统；410、第一透镜；420、第二透镜；430、玻璃基底；440、全息膜；450、第三透镜；X、第一方向；Y、第二方向；θ、三角形结构远离耦出模块的顶角的度数；α、第二分光膜倾斜角度；β、第一分光膜的倾斜角度。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。

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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参照图1至图3所示，在本发明实施例中，提供一种近眼显示装置，包括激光发生模块100、光波导元件200和全息光学元件300。

激光发生模块100用于发出平行激光束。这里所说的平行激光束一般由红绿蓝三色激光束通过扫描模块、准直模块120后形成，也可以采用单色激光束，具体可以根据使用需要灵活选择。平行激光束中的每一条光线都代表了一个像素，所有的光线会聚在一起可形成一个完整的图像。

光波导元件200具有耦入区域和耦出区域，光波导元件200用于接收平行激光束、并将平行激光束进行一维扩瞳或者二维扩瞳后平行输出。具体的，本实施例中的光波导元件200可以为反射光波导，也可以为衍射光波导，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。

全息光学元件300（Holographic Optical Element，HOE）具有干涉条纹、贴设于光波导元件200的耦出区域上，全息光学元件300用于接收光波导元件200输出的平行光束，并通过衍射实现平行激光束的反射或者透射，以输出多束会聚的图像光。

具体的，本实施例中的全息光学元件300可以为反射式全息透镜阵列，也可以为透射式全息透镜阵列。全息光学元件300一般包括基底和全息膜440，干涉条纹通过参考光和信号光之间进行干涉在全息膜440内形成。更为具体的，当全息光学元件300采用反射式全息透镜阵列时，参考光和信号光由全息膜440的两侧对全息膜440进行照射，以形成干涉条纹；当全息光学元件300采用透射式全息透镜阵列时，参考光和信号光由全息膜440的同侧对全息膜440进行照射，以形成干涉条纹。

为便于理解，图4给出了全息光学元件300采用反射式全息透镜阵列时单个反射式全息透镜的曝光原理图，信号光经过第一准直透镜被准直为平行光，通过聚焦透镜后变成会聚的球面波入射到HOE上，同时，参考光经过第二准直透镜准直后，入射到HOE上，此时，信号光和参考光在HOE内进行干涉，形成干涉条纹。HOE完成记录后，当平行光（与上述参考光相似的光）入射到HOE上时，则平行光会被聚焦并反射，形成类似于信号光的光束，如图5所示。

本发明实施例提供的近眼显示装置的工作流程如下：

使用时，启动激光发生模块100，发出平行激光束，之后该平行激光束经光波导元件200的耦入区域进入光波导元件200内，经光波导元件200实现一维扩瞳或者二维扩瞳后，先经其耦出区域平行射出并进入全息光学元件300中。

之后若全息光学元件300为透射式结构，则照射至全息光学元件300上的平行激光束经全息光学元件300上的干涉条纹衍射后，经全息光学元件300的另一面射出，形成会聚的图像光；若全息光学元件300为反射式结构，则照射至全息光学元件300上的平行激光束经全息光学元件300上的干涉条纹衍射后，经全息光学元件300反射，形成会聚的图像光，并穿过光波导元件200射出。

与此同时，现实世界中的环境光可以穿过近眼显示装置直接射入人眼，这样人眼通过近眼显示装置可以看到的影像为虚拟影像与显示影像叠加而成的影像，实现增强现实的目的。

上述过程中，照射至全息光学元件300上的平行激光束的照射角度与形成全息光学元件300上的干涉条纹的参考光相当，经全息光学元件300衍射生成的图像光与形成全息光学元件300上的干涉条纹的信号光相对应。

本发明实施例提供的近眼显示装置，包括激光发生模块100、光波导元件200和全息光学元件300，其中光波导元件200用于接收激光发生模块100发出的平行激光束、并能够将该平行激光束进行一维扩瞳或者二维扩瞳后平行输出；全息光学元件300具有干涉条纹、贴设于光波导元件200的耦出区域上，能够接收光波导元件200输出的平行光束，并通过衍射实现上述平行激光束的反射或者透射，以输出多束会聚的图像光。其中，多束图像光间隔排布。采用这一结构，既实现了光束的一维扩瞳或者二维扩瞳，增大了近眼显示装置的眼盒，且体积较小，同时激光发生模块100和全息光学元件300相配合可实现小孔成像的效果，实现无限景深。综上所述，本发明实施例提供的近眼显示装置，利用激光发生模块100、体全息技术和光波导技术可以在很小的体积内实现较大的眼盒及无限景深。

在一个可选的实施例中，如图6及图7所示，光波导元件200包括沿光线传输方向依次设置的耦入模块210、转折模块220和耦出模块230，耦入模块210用于将平行激光束耦入转折模块220，转折模块220用于改变平行激光束的传播方向并实现平行激光束在第一方向X上的扩瞳；耦出模块230用于实现扩瞳后的平行激光束在第二方向Y上的扩瞳、并输出激光束，第二方向Y与第一方向X呈夹角设置。

具体的，第一方向X可以为耦出模块230的长度方向、高度方向或者其他方向。第二方向Y可以根据第一方向X的方向设定，如当第一方向X为耦出模块230的长度方向时，第二方向Y可以为耦出模块230的高度方向，或者与耦出模块230的高度方向呈锐角设置的任一方向；当第一方向X为耦出模块230的高度方向时，第二方向Y可以为耦出模块230的长度方向，或者与耦出模块230的长度方向呈锐角设置的任一方向，具体可以根据使用需要灵活选择。第二方向Y可与第一方向X垂直或者呈其他非零夹角设置，以实现二维扩瞳。

本实施例中的耦入模块210可以采用反射棱镜，使得进入反射棱镜的光线经反射后可以进入转折模块220内；还可以采用反射镜或者其他耦入结构，只要经过耦入模块210的光线能够进入转折模块220即可。转折模块220可以采用沿第一方向X依次排列的棱镜，每个棱镜的出光面上贴设分光膜，以使得光线经过棱镜的出光面时可以一部分被反射以经棱镜的侧面射出，另一部分穿过该分光膜进入下一个棱镜，以实现在第一方向X上的扩瞳；还可以采用能够实现第一方向X扩瞳的几何光波导。耦出模块230可以采用沿第二方向Y依次排列的棱镜，每个棱镜的出光面上贴设分光膜，以使得光线经过棱镜的出光面时可以一部分被反射以经棱镜的侧面射出，另一部分穿过该分光膜进入下一个棱镜，以实现在第二方向Y上的扩瞳；还可以采用能够实现第二方向Y扩瞳的几何光波导。

光波导元件200采用本实施例提供的结构，结构简单，且扩瞳效果好。

在一个可选的实施例中，如图6所示，转折模块220位于耦出模块230的上方，此时耦出模块230的显示中心偏下。

在另一个可选的实施例中，如图7及图8所示，转折模块220位于耦出模块230长度方向的一端，耦入模块210位于转折模块220远离耦出模块230的一侧。本实施例提供的光波导元件200中，耦入模块210和转折模块220的位置不再位于耦出模块230的上方，而是位于耦出模块230长度方向的一端，如此在应用于近眼显示装置或者智能眼镜时，光波导元件200的显示中心位置和光波导元件200的显示中心到镜腿的水平距离（即DO值）均发生了改变。举例说明，当本实施例提供的光波导元件200应用于智能眼镜时，图像源可设置于镜腿上，耦入模块210和转折模块220可靠近镜腿设置，耦出模块230则位于镜片位置，这样耦出模块230的显示中心可与普通镜片中心的位置相当，不会下移，同时由于耦入模块210和转折模块220靠近镜腿设置，还可使得光波导元件200的显示中心到镜腿的水平距离（即DO值）增大，更符合人们一般的佩戴习惯，有助于提高客户体验感。

在一个示例性的实施例中，如图6及图7所示，转折模块220包括第一波导基板221以及形成于第一波导基板221内的第一分光结构，第一分光结构包括沿第一方向X间隔设置的多个第一分光膜222。耦出模块230包括第二波导基板231以及形成于第二波导基板231内的第二分光结构，第二分光结构包括沿第二方向Y间隔设置的多个第二分光膜232。

本实施例中的第一分光膜222和第二分光膜232均倾斜设置，即第一分光膜222与第一方向X呈锐角设置，第二分光膜232与第二方向Y呈锐角设置，如此，经各分光膜反射的光线可以经相应波导基板的侧壁射出。另外，第一分光膜222和第二分光膜232均具有一定分光比例，两者的分光比例可以相同，也可以不同，具体可根据出光效果的需求而定。转折模块220和耦出模块230采用本实施例提供的结构，结构简单，便于设计和制备，且出光效果好。

在一个示例性的实施例中，如图3所示，全息光学元件300包括沿第二方向Y依次设置的多个全息透镜310，全息透镜310为反射式全息透镜或者透射式全息透镜，多个全息透镜310与多个第二分光膜232一一对应设置，各全息透镜310上均形成有干涉条纹，用于接收对应第二分光膜232反射的光线，并输出图像光。

由于经耦入模块210耦入转折模块220内的所有光线都是同一角度，因此光线的路径是固定的，所以可以通过精确的控制激光发生模块100、光波导元件200的位置，使得全息光学元件300中的每个全息透镜310和扩瞳后的每个出瞳一一匹配，这样就可保证入射到每个全息透镜310的光线的位置是一样的，因此经过全息透镜310被反射和聚焦的会聚光是一样的，这样人眼在观察时就可以在多个位置观察到会聚的图像光，也就是多个位置观察到图像。同时，由于入射到光波导元件200的光线是一个角度的平行光，因此转折模块220可以做的很小就可以满足整个图像的传输。

本实施例中的全息光学元件300可以通过微透镜阵列直接曝光得到，也可以通过改变单透镜位置进行多次曝光得到，具体可以根据使用需要灵活选择。全息光学元件300采用本实施例提供的结构，可以接收所有第二分光膜232反射出的光线，并形成多束间隔分布的图像光，实现光线的较高利用率。且本实施例中的全息光学元件300仅对经光波导元件200出射的偏振光线起会聚作用，对无偏振的自然光可完全透过。

在一个可选的实施例中，如图4所示，全息透镜经过全息透镜记录系统400记录而成，当全息透镜为反射式全息透镜时，全息透镜记录系统400包括依次设置的第一透镜410、第二透镜420、玻璃基底430、全息膜440和第三透镜450，其中全息膜440贴设于玻璃基底430上；信号光经过第一透镜410准直后再经第二透镜420和玻璃基底430聚焦至全息膜440上；参考光经过第三透镜450得到平行参考光，平行光经过入射到全息膜440上，与信号光相干形成干涉条纹。

本实施例中的第一透镜410和第三透镜450均为准直透镜，第二透镜420为聚焦透镜，各透镜均可以为由一个或者多个透镜组成，具体可以根据使用需要灵活选择。全息透镜采用本实施例提供的全息透镜记录系统记录而成，所形成的干涉条纹便于控制，且出光效果好。

在一个可选的实施例中，如图7及图8所示，第一波导基板221远离耦出模块230的侧面上凸设有锥形部223。锥形部223具有一个斜面，斜面为入光面。具体的，锥形部223可以与第一波导基板221的主体采用一体成型结构，也可以为独立的部件，贴设于第一波导基板221的主体的相应侧壁上，具体可根据设计需要灵活选择。

耦入模块210为三角棱镜，三角棱镜的出光面贴设于锥形部223的入光面上，两者组成三角形结构。

具体的，三角棱镜具有一个入光面和一个出光面，其他面可为反射面，以保证经入光面进入三角棱镜的光线，可经三角棱镜全部进入转折模块220中。同时，转折模块220中除入光面和出光面，其他面也可为反射面，以确保进入转折模块220内的光线可全部进入耦出模块230。

本实施例提供的光波导元件200的工作原理如下：

经耦入模块210的入光面进入耦入模块210后，可经耦入模块210传导或者经反射面反射，经耦入模块210的出光面和转折模块220的入光面射入转折模块220内，再经锥形部223和第一波导基板221全反射到达第一分光膜222所在区域，之后经第一分光膜222分光、扩瞳后射出转折模块220，并进入耦出模块230，再经第二波导基板231全反射，到达第二分光膜232所在区域，之后经第二分光膜232分光、扩瞳后射出。

耦入模块210和第一波导基板221采用本实施例提供的结构，使得两者连接后的组合件的体积较小，进而使得整个光波导元件200的体积较小。

在一个可选的实施例中，如图8所示，耦入模块210和上述锥形部223所组成的结构的三角形结构远离耦出模块230的顶角的度数θ为第二分光膜232倾斜角度α的2倍。采用这一设置，可使得经耦出模块230出射的中心光线可以以垂直于第二波导基板231的板面的角度出射，使得光波导元件200的出光效果良好。

在一个可选的实施例中，第二方向Y与第一方向X垂直，以使得光波导元件的出光面积较大，便于体验者在较大区域范围内均可观看到图像，提高体验感。

在一个可选的实施例中，如图9所示，第一分光膜222的倾斜角度β为45°。采用这一设置，便于设计和加工，同时扩瞳效果良好。

上述各实施例中的激光发生模块可以有多种形式。在一个示例性的实施例中，激光发生模块可以包括激光器、扫描模块和准直模块。其中，激光器设有一个或者多个，当激光器设有多个时，各激光器发出的光线颜色可以相同或者不同，具体可以根据使用需要灵活选择，多个激光束发出的光线形成出射激光束。扫描模块可以为转镜、一维振镜、二维振镜、一维振镜+转镜等中的任一种，用于接收激光束并实现激光束的一维或二维扫描，准直模块可以包括一个或者多个透镜，用于接收扫描光束，并使其准直输出至光波导元件中。

在另一个示例性的实施例中，激光发生模块可以包括呈阵列排布的多个激光器，以及准直模块。其中，多个激光器可以呈一维阵列排布或者多个阵列排布，以发出呈阵列排布的激光束，准直模块可以包括一个或者多个透镜，用于接收上述激光束，并使其准直输出至光波导元件中。

当然，在其他实施例中，激光发生模块还可以采用其他结构，只要能够输出符合设计要求的平行激光束即可，这里不做唯一限定。

在一个可选的实施例中，如图1及图2所示，激光发生模块100包括激光发生主体110和准直模块120。激光发生主体110包括沿光线的传播路径依次设置的光源、合束镜及扫描模块。光源为RGB三色光源，光源发出的光束由合束镜整合再依次经扫描模块和准直模块120形成平行激光束。具体的，本实施例中的光源可包括三个单色光源，即红色光源、绿色光源和蓝色光源，三个单色光源环绕合束镜设置。使用时，三个单色光源发出的光线经过合束镜合束呈一束彩色光束，之后该光束先经扫描模块形成扫描光束，再经准直模块120准直后输出形成平行激光束。

由于激光扫描成像技术（Laser Beam Scanning，LBS）的特性，每个单色光源均可视为一个点光源，合束后的每条光线都代表了一个像素，所有像素会聚在一起可形成一个完整的图像。激光发生模块100采用本实施例提供的结构，结构简单，出光效果稳定。

在一个可选的实施例中，扫描模块为二维MEMS（微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System）扫描振镜，具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点，适用于便携式微型近眼显示装置，具有广阔的市场前景。

在本发明的另一实施例中，提供了一种穿戴设备，该穿戴设备可以为AR智能眼镜、智能头箍、智能面罩等，具体可以根据使用需要灵活选择。本实施例提供的穿戴设备，包括上述各实施例提供的近眼显示装置，可以有效减小穿戴设备的体积，扩大眼盒，并实现无限景深。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明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发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。