显示装置和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及增强显示技术领域，特别涉及一种显示装置和头戴显示设备。

背景技术

头戴显示设备的显示装置可以采用单光机方案实现增强现实技术，即采用单个光机同时对人的左右眼进行投像。由于单光机方案通常无法分别通过图形算法使左右眼显示画面具有差异性，便无法通过显示画面的差异性调整双目画面的融合距离，因而无法让人眼产生远近的距离感，导致头戴显示设备的使用受到限制。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种显示装置和头戴显示设备，旨在调节显示装置的双目融合距离。

为实现上述目的，本发明提出的一种显示装置，包括：

显示组件，用于出射光束；和

波导组件，所述波导组件包括并排设置的第一耦出区、耦入区以及第二耦出区，所述耦入区设于所述显示组件的出光路径上，用于接收光束，并将所述光束分别射向所述第一耦出区和所述第二耦出区，以通过所述第一耦出区和所述第二耦出区出射至左、右眼；

其中，所述耦入区与所述第一耦出区、所述第二耦出区的光栅周期的比值均可调节设置，用于改变通过所述第一耦出区和所述第二耦出区的光束的出射角度，以调节双眼的融合距离。

可选地，所述波导组件包括：

基底；

耦入光栅，所述耦入光栅设于所述基底，用于形成所述耦入区；以及

耦出光栅，所述耦出光栅设有两个，两所述耦出光栅间隔设置于所述基底，并分别设于所述耦入光栅的两侧，以分别形成所述第一耦出区和所述第二耦出区；

所述耦入光栅用于将接收的光束衍射形成第一衍射光和第二衍射光，所述第一衍射光经所述基底反射至所述第一耦出区，所述第二衍射光经所述基底反射至所述第二耦出区；

所述耦出光栅和/或所述耦入光栅的光栅周期可调节设置。

可选地，所述耦出光栅设为液晶光栅，所述液晶光栅包括液晶主体和电极，液晶主体内设有呈周期性排列的若干液晶分子，允许光线通过的相邻的两液晶分子之间的距离为光栅周期；

所述电极施加电压改变所述液晶分子的取向，以调节所述光栅周期的数值，继而调节通过所述耦出光栅的光束的出射角度。

可选地，所述耦入光栅和两所述耦出光栅并排设置于所述基底的一侧表面。

可选地，所述耦入光栅设于两所述耦出光栅的间距的中点。

可选地，两所述耦出光栅的光栅周期相等。

可选地，所述第一耦出区和所述第二耦出区的光栅周期大于所述耦入区的光栅周期。

可选地，所述第一耦出区和所述第二耦出区的光栅周期范围均为100nm～600nm。

可选地，所述显示组件包括：

光机，用于朝向所述耦出区出射光束；和

准直透镜，所述准直透镜设于所述光机的出射路径上，用于使所述光机出射的光束准直射入所述耦入区。

本发明还提出一种头戴显示设备，包括前述任意一项所述的显示装置，所述显示装置包括：

显示组件，用于出射光束；和

波导组件，所述波导组件包括并排设置的第一耦出区、耦入区以及第二耦出区，所述耦入区设于所述显示组件的出光路径上，用于接收光束，并将所述光束分别射向所述第一耦出区和所述第二耦出区，以通过所述第一耦出区和所述第二耦出区出射至左、右眼；

其中，所述耦入区与所述第一耦出区、所述第二耦出区的光栅周期的比值均可调节设置，用于改变通过所述第一耦出区和所述第二耦出区的光束的出射角度，以调节双眼的融合距离。

本发明的技术方案，显示装置的波导组件包括并排设置的第一耦出区、耦入区以及第二耦出区，其中，耦出区用于接收显示组件出射的光线，并将光线分别射向第一耦出区和第二耦出区，显示装置的双目融合距离即通过第一耦出区、第二耦出区的光束的交点和第一耦出区和第二耦出区的连线之间的距离。由于第一耦出区或第二耦出区与耦入区的光栅周期的比值可调节设置，在显示组件出射光束的角度、波导组件的折射率等条件不变的前提下，当第一耦出区与耦入区的光栅周期的比值减小时，通过所述第一耦出区的光束的出射角度便会随之增大；同样地，当第二耦出区与耦入区的光栅周期的比值减小时，通过所述第二耦出区的光束的出射角度也会随之增大。如此设置，可以分别调整第一耦出区和第二耦出区的出射光束的衍射角，从而可以在第一耦出区和第二耦出区的间距不变的前提下，通过调节耦入区与第一耦出区、第二耦出区的光栅周期的比值，改变第一耦出区、第二耦出区的出射光束之间的夹角，以调节显示装置的双目融合距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明显示装置一实施例的结构图；

图2为图1中耦出光栅的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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，除非另有明确的限定。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。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

传统的头戴显示设备的显示装置常采用双光机的方案，即通过两个光机分别对人的左右眼进行投影，但双光机的方案会增加增强现实显示设备的制造成本。相关技术中，部分显示装置也可以采用单光机的方案，即通过单个光机分别对人的左右眼进行投像，然而，单光机方案的显示装置一般无法调节其朝向左右眼出射的光束的角度，使得双目画面的融合距离固定，从而无法让人眼产生远近的距离感，难以满足用户的使用需求。因此，本发明提出一种显示装置100，波导组件20的耦入区能够接收单个显示组件10所出射的光束，并使光束分别射向第一耦出区和第二耦出区，进而可以使光束通过第一耦出区和第二耦出区分别出射至人的左右眼，以满足显示装置100轻量化和小型化的设计需求。并且，耦入区与第一耦出区、第二耦出区的光栅周期的比值均可调节设置，从而可以分别调节显示装置100朝向左右眼出射的光束的角度，进而可以改变左右眼出射光束的交汇点位置，以实现双眼融合距离的调节。

请参照图1，在本发明显示装置100的一些实施例中，所述显示装置100包括：

显示组件10，用于出射光束；和

波导组件20，所述波导组件20包括并排设置的第一耦出区、耦入区以及第二耦出区，所述耦入区设于所述显示组件10的出光路径上，用于接收光束，并将所述光束分别射向所述第一耦出区和所述第二耦出区，以通过所述第一耦出区和所述第二耦出区出射至左、右眼；

其中，所述耦入区与所述第一耦出区、所述第二耦出区的光栅周期的比值均可调节设置，用于改变通过所述第一耦出区和所述第二耦出区的光束的出射角度，以调节双眼的融合距离。

本实施例中，显示装置100的显示组件10和波导组件20间隔设置，显示组件10可以通过单个光机11朝向波导组件20出射光束，以使光束通过波导组件20的衍射作用同时进入到人的左右眼。具体地，波导组件20可以为光波导或者其他可进行光传导的部件，波导组件20包括在垂直于波导组件20和显示组件10的排布方向上并排设置的第一耦出区、第二耦出区以及耦入区，入射至耦入区的光束能够发生衍射，并分别射向第一耦出区和第二耦出区，以通过第一耦出区和第二耦出区出射至左、右眼。于一些实施例中，波导组件20可以设为两个并排排布的光波导，两个光波导的耦入光栅22共同形成耦入区，两个光波导的耦出光栅23分别形成第一耦出区和第二耦出区，显示组件10出射的光束可以经过分光后同时传播至两个光波导的耦入光栅22处，并分别在两个光波导的基底21内传输至第一耦出区和第二耦出区。于其他实施例中，波导组件20也可以如后述实施例中设为一体的光波导，在此不做赘述。

可知的，当入射至光栅的光束角度一定，而光栅周期的数值变化时，经过光栅的光束的衍射角也会发生变化，从而可以通过改变光栅周期的数值，使显示装置100出射至左、右眼的光束的出射角度发生改变。同样的，当光栅周期的数值一定，而入射至光栅的光束角度变化时，进过光栅的光束的衍射角也会发生变化。

显示组件10入射至耦入区的光束的入射角度不变。在此基础上，波导组件20的光栅可以是设置为液晶光栅或其他光栅周期可调节的光栅。如此，可以通过调节耦入区的光栅周期的数值，以改变耦入区与第一耦出区、第二耦出区的光栅周期的比值，此时，经过耦入区的光束的衍射角度发生改变，则入射至第一耦出区和第二耦出区的光束的入射角度也会随之改变，进而能够改变通过第一耦出区和第二耦出区的光束的出射角度。当然，也可以是通过分别调节第一耦出区和第二耦出区的光栅周期的数值，以分别改变耦入区与第一耦出区、第二耦出区的光栅周期的比值，此时经过第一耦出区、第二耦出区的光束的衍射角度发生改变，在此不做限定。

请参照图1，在本发明显示装置100的一些实施例中，所述波导组件20包括：

基底21；

耦入光栅22，所述耦入光栅22设于所述基底21，用于形成所述耦入区；以及

耦出光栅23，所述耦出光栅23设有两个，两所述耦出光栅23间隔设置于所述基底21，并分别设于所述耦入光栅22的两侧，以分别形成所述第一耦出区和所述第二耦出区；

所述耦入光栅22用于将接收的光束衍射形成第一衍射光和第二衍射光，所述第一衍射光经所述基底21反射至所述第一耦出区，所述第二衍射光经所述基底21反射至所述第二耦出区；

所述耦出光栅23和/或所述耦入光栅22的光栅周期可调节设置。

本实施例中，波导组件20包括基底21、耦入光栅22和两耦出光栅23，其中，耦出光栅23设于基底21，两耦出光栅23分别设于耦入光栅22的两侧。其中，耦入光栅22为衍射光栅，如此，经过耦入光栅22的光束衍射可以分别形成+1级衍射光和-1级衍射光，以分别传输至耦入光栅22的两侧的两耦出光栅23。如此，可以使波导组件20实现一体式设计，外观简单。

需要说明的是，耦入光栅22的光栅周期与+1级次衍射角之间的关系满足公式：

其中，n1为衍射光线所在介质的折射率，θ1为衍射角，n0为入射光线所在介质的折射率，θ0为入射角，λ为入射波长，d为光栅周期。

可知，当显示组件10传输至耦入光栅22的入射光束的入射角θ0、入射波长λ、入射光束所在介质的折射率n0、波导组件20的折射率不变n1时，衍射角θ1的大小可以通过耦入光栅22的光栅周期d来进行调控。

需要说明的是，当耦出光栅23和耦入光栅22的光栅周期相等时，耦出光栅23的出射光线的方向与耦入光栅22的入射光线的方向相互平行，此时，两耦出光栅23的出射光线之间相互平行，双目融合距离为无穷远。

例如，在本发明的显示装置100的一实施例中，当显示组件10出射的波长为650nm的光线通过空气垂直入射到折射率为1.5446，周期为505nm的耦入光栅22中时，通过计算可得，进入基底21的光束的衍射角为56.44°。而后，进入基底21的光线可以在基底21中以全反射的方式分别传递到两耦出光栅23处，并以56.44°的入射角入射到周期为505nm的耦出光栅23，通过计算可得，耦出光栅23的出射光线的衍射角为0°。

当耦出光栅23和耦入光栅22的光栅周期不相等时，耦出光栅23的出射光线的方向与耦入光栅22的入射光线的方向相互平行，此时，两耦出光栅23的出射光线之间也相互不平行，如此可以使两出射光线的传输方向交汇于一点，两出射光线的传输方向的交汇点至双眼连线的距离即双目融合距离。如此，通过控制耦出光栅23和耦入光栅22的光栅周期比值，即可改变进入左右眼光线的夹角，从而可以在瞳间距不变的前提下，改变双目融合距离。

请参照图2，在本发明显示装置100的一些实施例中，所述耦出光栅23设为液晶光栅，所述液晶光栅包括液晶主体231和电极，液晶主体231内设有呈周期性排列的若干液晶分子232，允许光线通过的相邻的两液晶分子232之间的距离为光栅周期；

所述电极施加电压改变所述液晶分子232的取向，以调节所述光栅周期的数值，继而调节通过所述耦出光栅23的光束的出射角度。

本实施例中，液晶主体231可以是设为液晶盒，液晶盒具有电极，液晶盒内灌注有各向异性的向列相液晶，以形成呈周期性排列的若干液晶分子232。由于液晶具有介电和光学各向异性，并且，在电场的作用下液晶分子232取向可以发生改变，而导致液晶折射率发生改变，使入射光原有的波前重新构建，从而使光波场，即衍射场重新分布。因此，可以通过改变对电极施加的电场，实现对耦出光栅23的光栅周期的调控，以使耦出光栅23可以如图2所示，在长周期A

请参照图1，在本发明显示装置100的一些实施例中，所述耦入光栅22和两所述耦出光栅23并排设置于所述基底21的一侧表面。

本实施例中，耦入光栅22和两耦出光栅23可以作为单独的光学元件，贴附在基底21的一侧表面，也可以是直接在基底21的一侧表面加工成型出耦入光栅22和耦出光栅23的结构，在此不做限定。将耦入光栅22和耦出光栅23并排设置在基底21的同一表面，例如，设置于基底21朝向双眼的一侧表面。如此，可以方便加工，并使两个耦出光栅23和耦入光栅22在垂直于波导组件20和显示组件10的排布方向上沿同一直线平齐排布。

请参照图1，在本发明显示装置100的一些实施例中，所述耦入光栅22设于两所述耦出光栅23的间距的中点。

本实施例中，耦入光栅22设置在两耦出光栅23之间，并位于两耦出光栅23的间距的中点上，如此设置，可以使波导组件20形成对称结构，且使自耦入光栅22分别射向两耦出光栅23的两光束的传输路径相互对称。

在本发明显示装置100的一些实施例中，两所述耦出光栅23的光栅周期相等。

本实施例中，两耦出光栅23设于同一基底21上，且两耦出光栅23的光栅周期相等，如此，当基底21内的光束通过耦出光栅23朝向人眼耦出时，两耦出光栅23的出射光束的衍射角相等，且传输路径相互对称。

在本发明显示装置100的一些实施例中，所述第一耦出区和所述第二耦出区的光栅周期大于所述耦入区的光栅周期。

本实施例中，第一耦出区和第二耦出区的光栅周期大于耦入区的光栅周期，如此，第一耦出区和第二耦出区的出射光束的传输方向并非相互平行，且能够交汇于波导组件20背离双眼的一侧，此时，两出射光束的传输方向的交汇点至双眼连线的距离即双目融合距离。

下面将用实例说明本发明的显示装置100。

在本发明的实施例一中，显示装置100出射的光束波长为650nm，并从空气垂直入射到耦入区的折射率为1.5446，周期为505nm的耦入光栅22中，此时，经过耦入光栅22进入波导组件20的基底21的光束的衍射角为56.44°，并以全反射的方式分别传递到第一耦出区和第二耦出区，从而能够以56.44°的入射角入射到第一耦出区和第二耦出区的耦出光栅23处。

在第一耦出区和第二耦出区的耦出光栅23的周期均为502nm时，第一耦出区和第二耦出区的出射光束在空气中的衍射角为24′，则两出射光束的夹角为48′，在瞳间距L为64mm的条件下，此时双目融合距离约为4.1m。

在本发明的实施例二中，显示装置100出射的光束波长、耦入光栅22的光栅周期、瞳间距L等前提条件和实施例一相同，仅改变第一耦出区和第二耦出区的光栅周期。在第一耦出区和第二耦出区的耦出光栅23的周期均为500nm时，第一耦出区和第二耦出区的出射光束在空气中的衍射角为44′，则两出射光束的夹角为88′，此时双目融合距离约为2.5m。

在本发明的实施例三中，显示装置100出射的光束波长、耦入光栅22的光栅周期、瞳间距L等前提条件和实施例一相同，仅改变第一耦出区和第二耦出区的光栅周期。在第一耦出区和第二耦出区的耦出光栅23的周期均为495nm时，第一耦出区和第二耦出区的出射光束在空气中的衍射角为89′，则两出射光束的夹角为178′，此时双目融合距离约为1m。

也即，在耦入区的光栅周期一定的条件下，通过减小第一耦出区和第二耦出区的光栅周期，可以增大耦出光线的衍射角，并增加两耦出光线之间的夹角，进而缩短双目融合距离。

在本发明显示装置100的一些实施例中，所述第一耦出区和所述第二耦出区的光栅周期范围均为100nm～600nm。

本实施例中，第一耦出区的光栅周期范围为100nm～600nm，如此，可以限制第一耦出区出射光束的衍射角，以使显示装置100出射的光束能够精准传输至左眼。

同理，第二耦出区的光栅周期范围为100nm～600nm，如此，可以限制第二耦出区出射光束的衍射角，以使显示装置100出射的光束能够精准传输至右眼。

请参照图1，在本发明显示装置100的一些实施例中，所述显示组件10包括：

光机11，用于朝向所述耦出区出射光束；和

准直透镜12，所述准直透镜12设于所述光机11的出射路径上，用于使所述光机11出射的光束准直射入所述耦入区。

本实施例中，光机11用于朝向耦出区出射光束，以使光束通过波导组件20分别出射至左右眼。其中，光机11的出光路径上还设有准直透镜12，光机11通过准直镜头后转变为平行光束，以准直入射至波导组件20的耦入区，进而可以保证垂直入射至耦入区的光束。如此，可以确保光信号传输的准确性，且使传输中耦入区的光束的入射角保持为90°。

本发明还提出一种头戴显示设备，该头戴显示设备包括前述任一实施例中所述的显示装置100，所述显示装置100的具体结构参照前述任一实施例。由于本申请提出的头戴显示设备可应用前述所有实施例中的全部技术方案，因此至少具有前述技术方案带来的全部有益效果，在此不一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。