显示装置及可穿戴式显示设备

技术领域

本公开涉及显示技术领域，尤其涉及一种显示装置及可穿戴式显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息集成的新技术，在日常生活中可以为人们带来便利。它可以实现超越电子屏幕的视觉体验，在展现真实世界的信息是同时，将虚拟的信息同时显示出来，数码世界和真实世界的信息相互补充和叠加，一起呈现在用户眼中。

当前的AR显示产品的结构仍在不断探索、应用和发展中，如何设计具有新的结构的AR显示产品以拓展AR技术的应用，成为当前AR显示领域的重要研究课题。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的在于提出一种显示装置及可穿戴式显示设备。

基于上述目的，本公开提供了一种显示装置，包括光波导元件、显示单元及光传感器；

所述光波导元件，包括第一光面、与所述第一光面相邻的第二光面、与所述第二光面相对的第三光面、第一半透半反元件及反射元件；

所述显示单元，用于从所述第一光面向所述光波导元件入射用于显示图像的第一光线；

所述第一半透半反元件，用于透射部分所述第一光线，并反射部分从所述第三光面入射的第二光线至所述第一光面；

所述反射元件，用于将所述第一半透半反元件透射的部分所述第一光线反射至所述第二光面射出；

所述光传感器，用于接收从所述第一光面射出的部分所述第二光线，将所述第二光线转换为电信号以根据所述电信号生成所述显示单元的显示图像。

可选的，所述第一半透半反元件包括：

第一偏振反射膜，用于将部分所述第一光线转化为第一偏振光出射至所述反射元件，将部分所述第二光线转化为第二偏振光出射至所述第一光面，将部分所述第二光线转化为第三偏振光出射至所述第二光面。

可选的，所述第一偏振反射膜的数量为多个，且多个所述第一偏振反射膜平行且等间隔排布，所述第一偏振反射膜相对于所述第二光面倾斜设置。

可选的，所述反射元件包括：

光线转换装置，用于将所述第一偏振光转换为与所述第一偏振光垂直的第四偏振光；

第二半透半反元件，用于将所述第四偏振光反射至所述第二光面射出。

可选的，所述第二半透半反元件包括多个第二偏振反射膜，且多个所述第二偏振反射膜平行且等间隔排布，所述第二偏振反射膜相对于所述第二光面倾斜设置。

可选的，所述第一偏振反射膜与所述第二光面之间包括第一夹角，所述第二偏振反射膜与所述第二光面之间包括第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角之和为180°。

可选的，所述第一偏振光与所述第三偏振光为相同类型的偏振光，所述第二偏振光与所述第四偏振光为相同类型的偏振光。

可选的，所述光线转换装置包括1/2波片，所述光线转换装置与所述第二偏振反射膜平行设置。

可选的，所述显示单元包括多个阵列排布的显示子单元，所述光传感器包括多个阵列排布的光传感子单元，且所述显示子单元与所述光传感子单元间隔设置。

可选的，每个所述显示子单元包括一个或多个像素单元，且所述光传感器与所述显示单元一体设置。

可选的，所述显示单元包括微型显示单元。

本公开还提供了一种可穿戴式显示设备，包括如上述任一项所述的显示装置。

从上面所述可以看出，本公开提供的显示装置及可穿戴式显示设备，通过在光波导元件中设置第一半透半反元件及反射元件，将外景图像的采集光路以及近眼显示的显示光路均设置在一个光波导元件中，从而实现即采即显，无需分成两个模块，进一步增强显示装置的集成化程度；同时，利用该显示装置制作AR眼镜等设备时，可以将显示单元和光传感器远离眼镜移到额头顶部或者侧面，从而可以极大降低光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而可以改善设备的佩戴体验，优化设备的外观。

附图说明

为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，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为本公开实施例所述显示装置的结构示意图；

图2为本公开实施例显示单元及光传感器的结构示意图；

图3为本公开实施例所述显示装置的光路示意图；

图4为本公开实施例可穿戴式显示设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在光学成像元件中，光波导技术是应AR眼镜需求而生的一个比较有特色的光学组件，因它的轻薄与外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案，而随着微软Hololens两代产品以及Magic Leap One等设备对光波导的采用和量产，关于光波导的讨论热度也在持续增加。

在AR眼镜中，要想光在传输的过程中无损失无泄漏，“全反射”是关键，即光在波导中像只游蛇一样通过来回反射前进而并不会透射出来。简单来说达到全反射需要满足两个条件：(1)传输介质即波导材料需要具备比周围介质高的折射率(n1>n2)；(2)光进入波导的入射角需要大于临界角θc。

光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基底中，通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。在这个过程中，波导只负责传输图像，一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。

申请人发现，有了波导这个传输渠道，可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面，这可以极大降低光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而可以改善设备的佩戴体验。

基于上述理由，本公开实施例提供一种显示装置。如图1所示，所述显示装置包括光波导元件1、显示单元2以及光传感器。

其中，所述光波导元件1包括第一光面11、与所述第一光面11相邻的第二光面12、与所述第二光面12相对的第三光面13、第一半透半反元件14及反射元件15。其中，第二光面12与第三光面13平行设置，第一光面11与第二光面12之间的夹角为锐角。第一半透半反元件14设置于第二光面12与第三光面13之间，第一光面11设置于第一半透半反元件14的一侧，反射元件15设置在第一半透半反元件14的另一侧，且第一半透半反元件14与反射元件15设置于同一平面内。可选的，第二光面12面向人眼，第三光面13面向外界景物。

所述显示单元2位于第一光面11远离第一半透半反元件14的一侧，且与第一光面11平行设置。显示单元2用于从所述第一光面向所述光波导元件1入射用于显示图像的第一光线。在本实施例中，显示单元2用于显示图像，基于显示单元2的显示图像生成第一光线，该第一光线从第一光面11入射至光波导元件1内。

所述第一半透半反元件14用于透射部分所述第一光线。其中，第一光线从第一光面11射入后会进入第一半透半反元件14，第一半透半反元件14可以透射部分第一光线，透射出的部分第一光线可射入反射元件15。同时，外界景物所形成的第二光线可经由第三光面13入射至光波导元件1内部后进入第一半透半反元件14，第一半透半反元件14可将从所述第三光面13入射的第二光线中的部分反射至所述第一光面11后射出。

所述反射元件15用于将所述第一半透半反元件14透射的部分所述第一光线反射至所述第二光面12射出。从第一半透半反元件14透射出来的部分第一光线可被反射元件15反射至第二光面12后射出，从而可以使得人眼能够观看到显示单元2的显示图像。

所述光传感器设置于显示单元2上，即光传感器也设置于第一光面11远离第一半透半反元件14的一侧且与第一光面11平行设置。光传感器用于接收从所述第一光面射出的部分所述第二光线，并将所述第二光线转换为电信号以便于可以根据所述第二光线转换转换的所述电信号生成所述显示单元的显示图像。第二光线从第三光面13入射后，第一半透半反元件14将部分第二光线反射至第一光面11射出，光传感器可采集射出的该部分第一光面11并将其转换为对应的电信号，该电信号用于生成显示单元2的显示图像。

本实施例所述显示装置，通过在光波导元件中设置第一半透半反元件及反射元件，将外景图像的采集光路以及近眼显示的显示光路均设置在一个光波导元件中，从而实现即采即显，无需分成两个模块，进一步增强显示装置的集成化程度；同时，利用该显示装置制作AR眼镜等设备时，可以将显示单元和光传感器远离眼镜移到额头顶部或者侧面，从而可以极大降低光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而可以改善设备的佩戴体验，优化设备的外观。

在一些实施例中，用于显示外界景物图像的第二光线通过第三光面13入射后，第一半透半反元件14将部分第二光线反射至第一光面11射出后被光传感器吸收后转换为对应的电信号。在一些可选的实施例中，光传感器可以连接服务器等设备，通过服务器对光传感器处理后的与该部分第二光线对应的电信号进行处理，从而可以获得与外界景物图像相关的一些显示信息，并通过显示单元2显示该显示信息。其中，该显示信息可以为对外界景物图像的补充显示内容，或者在人眼无法识别外界景物图像的情况下将外界景物图像处理至能被人眼识别后再通过显示单元2显示。显示单元2以图像的方式显示该显示信息后，用于显示该显示信息图像的第一光线通过第一光面11后在光波导元件1内传播至第一半透半反元件14，部分第一光线从第一半透半反元件14透射出并入射至反射元件15，并被反射元件15反射至第二光面12后射出，从而可以使得人眼能够观看到显示单元2的显示图像。

例如，外界景物为一盆植物，用于显示该植物图像的第二光线通过第三光面13入射后，部分第二光线被第一半透半反元件14反射至第一光面11射出后被光传感器吸收后处理为电信号，与该光传感器连接的服务器基于该电信号获得与该植物对应的外界景物图像，并对该外界景物图像进行特征识别，从而获得该植物的名称、产地、习性等基本信息，并通过显示单元2显示出来；用于显示该基本信息图像的第一光线通过第一光面11后，部分第一光线从第一半透半反元件14透射出并被反射元件15反射至第二光面12后射出，从而可以使得人眼能够观看到显示单元2的显示的该植物的名称、产地、习性等基本信息。

例如，外界景物为一栋建筑，用于显示该建筑图像的第二光线通过第三光面13入射后，部分第二光线被第一半透半反元件14反射至第一光面11射出后被光传感器吸收后处理为电信号，与该光传感器连接的服务器基于该电信号获得与该建筑对应的外界景物图像，并对该外界景物图像进行特征识别，从而获得该建筑的名称、位置、风格、历史等建筑信息，并通过显示单元2显示出来；用于显示该建筑信息图像的第一光线通过第一光面11后，部分第一光线从第一半透半反元件14透射出并被反射元件15反射至第二光面12后射出，从而可以使得人眼能够观看到显示单元2的显示的该该建筑的名称、位置、风格、历史等建筑信息。

例如，当用户处于矿井、黑夜等极端环境时，由于人眼无法直接识别外界景物从而无法看清周围环境。这时，使用具有高感光性能的光传感器接收并处理用于显示周围环境的部分第二光线生成对应的电信号，服务器基于该电信号获取周围环境的图片或者视频并进行调亮、增强等处理，将不能被人眼直接识别的灰暗的、模糊的图片或者视频调整为可被人眼直接识别的明亮的、清晰的图片或者视频并通过通过显示单元2显示出来；之后用于显示周围环境的第一光线通过第一光面11后，部分第一光线从第一半透半反元件14透射出并被反射元件15反射至第二光面12后射出，从而可以使得人眼能够透过该显示装置直接看到周围环境。

例如，当用户处于复杂环境搜索人、物时，通过光传感器接收用于显示外界景物的第二光线并转换为与第二光线对应的电信号，之后服务器基于该电信号生成外界景物的图像或视频，通过对该图像或视频进行目标识别，用户所关注的目标，例如人、物等，标记后通过显示单元2显示出来；之后用于显示外界景物的第一光线通过第一光面11后，部分第一光线从第一半透半反元件14透射出并被反射元件15反射至第二光面12后射出，从而可以使得人眼可以迅速确定复杂环境中所关注的目标所在的位置。

在一些实施例中，如图1所示，所述第一半透半反元件14包括第一偏振反射膜141。所述第一偏振反射膜141用于：将部分所述第一光线转化为第一偏振光出射至所述反射元件15，将部分所述第二光线转化为第二偏振光出射至所述第一光面11，以及，将部分所述第二光线转化为第三偏振光出射至所述第二光面12。

在本实施例中，第一半透半反元件14可以包括第一偏振反射膜141，第一偏振反射膜141可以将入射光线转化为偏振光。因此，当由第一光面11入射的用于显示图像的第一光线射入第一偏振反射膜141时，部分第一光线被转化为第一偏振光并出射至反射元件15；当外界景物所形成的第二光线经由第三光面13入射至第一偏振反射膜141时，部分第二光线被转化为第二偏振光出射至第一光面11后被光传感器吸收，另一部分第二光线被转化为第三偏振光出射至第二光面12后经由第二光面12射出，从而使得位于第二光面12一侧的人眼可以透过光波导元件1看到外界景物。这样，用户可同时看到外界景物以及显示单元2的显示内容。

这样，可以采用本实施例所述的显示装置制作AR眼镜，将光波导元件1作为眼镜的镜片，将显示单元2及光传感器设置于AR眼镜的额头顶部或者侧面，这样用户在使用该AR眼镜时，既可以可以看到由显示单元2显示的显示内容，又可以透过光波导元件1制作的镜片看到外界景物。这样，用户即使在公共场所佩戴该AR眼镜观看显示内容，也可以时时观察外界情况，从而可以获得更加安全的观看体验。

可选的，在上述实施例中，第一偏振光为平行偏振光(P光)，第二偏振光为垂直偏振光(S光)，第三偏振光为平行偏振光(P光)。

可选的，在上述实施例中，当第一光线射入第一偏振反射膜141时，50％的第一光线被转化为第一偏振光并出射至反射元件15；当第二光线入射至第一偏振反射膜141时，50％的第二光线被转化为第二偏振光出射至第一光面11后被光传感器吸收，另外50％的第二光线被转化为第三偏振光出射至第二光面12后经由第二光面12射出，从而可以提高第一半透半反元件14的透过率和反射率。

可选的，如图1所示，在上述实施例中，所述第一偏振反射膜141的数量为多个，且多个所述第一偏振反射膜141平行且等间隔排布，所述第一偏振反射膜相对于所述第二光面倾斜设置。本实施例中，多个第一偏振反射膜141在第二光面12上的正投影连接且不重合。例如，图1中所示的三个第一偏振反射膜141，位于中间位置的第一偏振反射膜141靠近第二光面12的一端在第二光面12上的正投影与位于左侧的第一偏振反射膜141靠近第三光面13的一端在第二光面12上的正投影重合，位于中间位置的第一偏振反射膜141靠近第三光面13的一端在第二光面12上的正投影与位于右侧的第一偏振反射膜141靠近第二光面12的一端在第二光面12上的正投影重合，从而保证外界景物透射后的显示效果。

可选的，在上述实施例中，可以通过调整第一偏振反射膜141的参数、第一偏振反射膜141与第二光面12之间的角度等信息，使得第三偏振光以用户需要的角度由第二光面12射出。例如，可以第三偏振光垂直于第二光面12射出。

在另一些实施例中，如图1所示，所述反射元件15包括光线转换装置151以及第二半透半反元件152。其中，光线转换装置151用于将所述第一偏振光转换为与所述第一偏振光垂直的第四偏振光；第二半透半反元件152用于将所述第四偏振光反射至所述第二光面12射出。

本实施例中，光线转换装置151设置于光波导元件1内，且位于第一半透半反元件14与第二半透半反元件152之间；光线转换装置151可以对偏振光进行转换，从而将入射进光线转换装置151的第一偏振光转换为第四偏振光，之后通过第二半透半反元件152将该第四偏振光反射至第二光面12射出，从而被人眼看到。

可选的，如图1所示，所述第二半透半反元件152包括多个第二偏振反射膜1521，且多个所述第二偏振反射膜1521平行且等间隔排布，所述第二偏振反射膜1521相对于所述第二光面12倾斜设置。本实施例中，第二半透半反元件152可以包括多个平行且等间隔排布的第二偏振反射膜1521，第二偏振反射膜1521可以将入射的第四偏振光反射至第二光面12射出从而为位于第二光面12一侧的人眼看到。

可选的，本实施例中，多个第二偏振反射膜1521在第二光面12上的正投影连接且不重合。例如，图1中所示的三个第二偏振反射膜1521，位于中间位置的第二偏振反射膜1521靠近第三光面13的一端在第二光面12上的正投影与位于左侧的第二偏振反射膜1521靠近第二光面12的一端在第二光面12上的正投影重合，位于中间位置的第二偏振反射膜1521靠近第二光面12的一端在第二光面12上的正投影与位于右侧的第二偏振反射膜1521靠近第三光面13的一端在第二光面12上的正投影重合，从而保证外界景物透射后的显示效果。

可选的，在上述实施例中，第四偏振光为垂直偏振光(S光)。即：所述第一偏振光与所述第三偏振光为相同类型的偏振光，均为平行偏振光(P光)；所述第二偏振光与所述第四偏振光为相同类型的偏振光，均为垂直偏振光(S光)。

可选的，如图1所示，所述第一偏振反射膜141与所述第二光面12之间包括第一夹角142，所述第二偏振反射膜1521与所述第二光面12之间包括第二夹角153，所述第一夹角142与所述第二夹角153之和为180°。

在本公开的一些实施例中，所述光线转换装置151包括1/2波片，1/2波片设置于光波导元件1中，且与第二光面12之间的夹角可以为锐角或直角，通过1/2波片可以将第一偏振光转换为第四偏振光。可选的，所述光线转换装置151与所述第二偏振反射膜1521平行设置，从而可以提高光线转换装置151的转换效率。

在一些可选的实施例中，如图2所示，所述显示单元2包括多个阵列排布的显示子单元21，所述光传感器4包括多个阵列排布的光传感子单元41，且所述显示子单元21与所述光传感子单元41间隔设置，从而使得光传感器4及显示单元2分别能很好的实现光线的采集以及图像的显示的功能。

可选的，每个所述显示子单元21包括一个或多个像素单元，且所述光传感器与所述显示单元2一体设置。本实施例中，像素级的显示子单元21以及显示子单元21集成为一体，即采用Camera&display一体化技术将光传感器与显示单元2集成为一体，从而可以提高整个显示装置的集成化效率，节省光传感器与显示单元2的安装空间并减轻显示装置的重量，使得重量分布更符合人体工程学。

可选的，所述显示单元2包括微型显示单元，从而降低像素感，提高观看效果。

可选的，所述显示单元2与第一光面11之间还设置有光路控制组件3，通过该光路控制组件3可以将显示单元2出射的第一光线引导为基本平行的光束，以射入光波导元件1中。

在本公开的实施例中，如图3所示，用于显示外界景物图像的第二光线71通过第三光面13入射至第一偏振反射膜141后，第一偏振反射膜141将部分第二光线71转化为第二偏振光73出射至第一光面11后被光传感器吸收，另一部分第二光线71被转化为第三偏振光72出射至第二光面12后经由第二光面12射出，从而使得位于第二光面12一侧的人眼可以透过光波导元件1看到外界景物。

光传感器接收第二偏振光73后，将第二偏振光73转化为对应的电信号，与光传感器连接的服务器可以对该电信号进行处理，从而可以获得显示单元2的显示内容，并通过显示单元2显示出来。

之后，用于显示图像的第一光线61经由第一光面11入射至第一偏振反射膜141后，第一偏振反射膜141将部分第一光线61转化为第一偏振光62出射至光线转换装置151，光线转换装置151将第一偏振光62转换为第四偏振光63后入射至第二偏振反射膜1521，通过第二偏振反射膜1521将反射的偏振光64出射至所述第二光面12，从而被位于第二光面12一侧的人眼所见。

此外，用于显示外界景物图像的第二光线71通过第三光面13入射至第二偏振反射膜1521后，第二偏振反射膜1521将部分第二光线71转化为第五偏振光74后经由第二光面12射出，从而使得位于第二光面12一侧的人眼也可以透过此处看到外界景物。同时，第二偏振反射膜1521将部分第二光线71转化为第六偏振光75后反射至第四光面14射出，该第六偏振光75不会被人眼看到，不会影响整个显示装置的显示效果。

基于同一发明构思，与上述任意实施例所述显示装置相对应的，本公开还提供了一种可穿戴式显示设备，该可穿戴式显示设备包括如上述任一项所述的显示装置。例如，该可穿戴式显示设备可以为可穿戴AR头盔、AR眼镜等。

如图4所示，当采用本实施例所述显示装置制作AR头盔、AR眼镜等可穿戴式显示设备时，可采用两个对称设置的本实施例所述显示装置制作AR头盔、AR眼镜的两个镜片，从而实现用户双眼AR显示。

上述实施例的可穿戴式显示设备包括前述任一实施例中相应的显示装置，并且具有相应的显示装置实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。