一种显示模组及AR设备

技术领域

本申请涉及光学显示技术领域，具体而言，涉及一种显示模组及AR设备。

背景技术

随着成像技术的不断发展，人们对沉浸式体验的需求越来越高，增强现实(Augmented reality，AR)和虚拟现实(Virtual Reality，VR)等近眼显示(Near-eyedisplay，NED)应运而生。AR显示系统通常包括微型投影光机和光学显示屏，光波导显示屏具有较大的成像距离、较大的画面尺寸以及一定的透过率等优点，被广泛应用于AR显示系统中。其中，微型投影光机生成的图像光束投射至光波导的入瞳区域，通过入瞳区域耦合输入光波导并在光波导内以全反射方式传输至出瞳区域，最终在出瞳区域耦合输出光波导形成输出图像光。

现有技术中，由于投影光机的功耗和散热等问题，投影光机的体积不能太大，即出射光束的口径较小，衍射光波导上的入瞳区域接收投影光机出射的光束，因此入瞳区域的面积较小。当显示模组应用于大面积显示时，即需要更大的出瞳显示，需要在入瞳区域和出瞳区域之间设置扩瞳区域，扩瞳区域接收由入瞳区域耦入的光束，并对光束进行衍射扩展后传输至出瞳区域，以增大出瞳区域的尺寸。由于扩瞳区域衍射效率的原因，在扩瞳区域以全反射方式传输的光束中部分被衍射扩展传输至出瞳区域，部分继续向前传输至波导边缘出射无法再被衍射扩展传输至出瞳区域，导致这部分光能量被浪费掉，如图6所示。即由入瞳区域耦合进入光波导的成像光束并没有完全传输至出瞳区域，造成光能量利用率降低。

另外，由于扩瞳区域光栅衍射效率的原因，扩瞳光栅难以将入瞳区域耦入的光束均匀地扩展传输至出瞳区域，这将导致投影光机发出的图像光束依次经过入瞳区域、扩瞳区域后，在扩瞳区域的不同位置被衍射扩展传输至出瞳区域的光能量不均匀，进一步降低了出瞳区域的出光均匀性。

发明内容

本申请的目的在于提供一种显示模组及AR设备，能够提高大出瞳面积显示模组的显示亮度和出光均匀性，并降低光栅生产的难度和成本。

本申请的实施例一方面提供了一种显示模组，包括投影光机以及光波导，光波导上的入瞳区域和出瞳区域沿第一方向排列，入瞳区域和出瞳区域沿第二方向延伸，投影光机沿第二方向运动且设置于入瞳区域上方，投影光机在相对于光波导平移运动的过程中使得输出的投影光束均匀地扫描入瞳区域，且投影光机在运动过程中投影光束的输出角度方向保持不变。

作为一种可实施的方式，入瞳区域具有光栅矢量V1，出瞳区域具有光栅矢量V2，光栅矢量V1和光栅矢量V2的矢量和为零。

作为一种可实施的方式，显示模组还包括支架，支架上设置有驱动组件以及与驱动组件连接的传动组件，传动组件在驱动组件的带动下沿第二方向运动，投影光机与传动组件连接，光波导与支架连接。

作为一种可实施的方式，驱动组件为驱动电机和驱动轮，传动组件为同步带和固定件，投影光机与固定件连接，驱动电机带动驱动轮转动，进而带动投影光机沿第二方向运动。

作为一种可实施的方式，驱动组件设置于入瞳区域的上方，且驱动轮的转动平面与入瞳区域所在的平面平行。

作为一种可实施的方式，驱动组件包括两个驱动电机和两个驱动轮，两个驱动电机设置于入瞳区域沿第二方向的两侧，同步带两端分别与两个驱动轮连接。

作为一种可实施的方式，驱动电机为正反转电机，投影光机设置于同步带内侧。

作为一种可实施的方式，沿第一方向，出瞳区域的长度大于入瞳区域的长度。

作为一种可实施的方式，投影光机包括微显示屏以及设置在微显示屏出光侧的准直透镜组。

本申请的实施例另一方面提供了一种AR设备，包括上述的显示模组。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的显示模组，包括投影光机以及光波导，光波导上的入瞳区域和出瞳区域沿第一方向排列，入瞳区域和出瞳区域沿第二方向延伸，投影光机沿第二方向运动且设置于入瞳区域上方，投影光机在运动过程中使得投影光束扫描入瞳区域，从而增大了入瞳区域沿第二方向的尺寸，投影光束扫描入瞳区域，使得投影光束在第二方向上占据较大的长度，实现投影光束的第二方向上的扩展。由入瞳区域耦合输入的图像光束经过出瞳区域耦合输出形成输出图像光，在出瞳区域耦合输出的过程中，由于出瞳区域沿第一方向占据一定的长度，在耦合输出的过程中边传播边耦合输出，实现图像光束沿第一方向的扩展，本申请通过入瞳区域和出瞳区域即可实现图像光束的二维扩展，不需要使用扩瞳区域进行对光束进行衍射扩展，从而避免了由于扩瞳区域衍射光栅衍射效率有限造成的光能量的损失，提高了光能量的利用率，从而提高出光亮度。并且入瞳区域和出瞳区域均为光栅周期相同的一维光栅，降低了光栅的生产难度和成本，另外，也避免了由于扩瞳光栅难以实现均匀衍射扩展从而造成在扩瞳区域不同位置衍射扩展传输至出瞳区域的光能量不均匀等问题，因此，本申请提高大出瞳面积显示模组的显示亮度和出光均匀性，同时降低光栅的生产难度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种显示模组的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的一种显示模组的结构示意图之二；

图3为本申请实施例提供的一种投影光机的运动示意图；

图4为本申请实施例提供的一种光波导的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种光波导上光栅分布的波矢图；

图6为现有的一种带扩瞳区域的光波导结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种显示模组的工作状态图之一；

图8为本申请实施例提供的一种显示模组的工作状态图之二；

图9为本申请实施例提供的一种显示模组的工作状态图之三；

图10为本申请实施例提供的一种显示模组的工作状态图之四；

图11为本申请实施例提供的一种显示模组的工作状态图之五；

图12为本申请实施例提供的一种AR设备的结构示意图。

图标：10-显示模组；11-投影光机；111-微显示屏；112-准直透镜组；12-光波导；121-入瞳区域；122-出瞳区域；151-驱动轮；152-同步带；153-固定件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请提供了一种显示模组10，如图1所示，包括投影光机11以及光波导12，光波导12上的入瞳区域121和出瞳区域122沿第一方向(图1中的A方向)排列，入瞳区域121和出瞳区域122沿第二方向(图1中的B方向)延伸，投影光机11沿第二方向运动且设置于入瞳区域121上方，投影光机11在运动过程中使得投影光束扫描入瞳区域121。

本申请实施例提供的显示模组10在工作时，投影光机11出射图像光束，当投影光机11沿第二方向相对于光波导平移运动时，如图7所示，当投影光机11运动至入瞳区域121沿第二方向的一端时，投影光机11产生的图像光束投射至入瞳区域121的端部，并通过入瞳区域121的端部耦入光波导12，后由出瞳区域122耦合输出形成输出图像光；如图8所示，当投影光机11运动至入瞳区域121沿第二方向的中间时，投影光机11产生的图像光束投射至入瞳区域121的中心，并通过入瞳区域121的中心耦入光波导12，后由出瞳区域122耦合输出形成输出图像光；如图9所示，投影光机11运动至入瞳区域121沿第二方向的另一端时，投影光机11产生的图像光束投射至入瞳区域121的另一端部，并通过入瞳区域121的另一端部耦入光波导12，后由出瞳区域122耦合输出形成输出图像光。由图7、图8、图9和图10可以看出，投影光机11出射的图像光束经过光波导12后形成的输出图像光在第二方向上占据了较大的长度。如图10和图11所示，投影光机11在相对于光波导平移运动过程中，图像光束沿第二方向在入瞳区域121内均匀地扫描，通过出瞳区域122耦合输出形成的输出图像光在第二方向上具有较大的长度，从而使得图像光束在第二方向上得到扩展。可以理解的是，入瞳区域121沿第二方向的长度较大，使得投影光机11在相对于光波导平移运动的过程中实现投影光束在入瞳区域121内均匀地扫描，图像光束经过入瞳区域121耦入后，能够沿着第一方向传播至出瞳区域122。

通过设置较大面积的入瞳区域121以及出瞳区域122，即可实现图像光束的二维扩展，不需要额外设置扩瞳区域，避免了扩瞳区域内衍射光栅衍射效率有限而造成光能量的损失，从而提高光能量利用率。本申请实施例的图像光束经过入瞳区域121和出瞳区域122即可形成输出光图像，避免使用扩瞳区域进行衍射扩展，从而能够提高输出图像光的均匀性。本申请实施例提供的显示模组10能够提高显示模组10的显示亮度和出光均匀性。

另外，现有技术中通常在扩瞳区域设置衍射光栅实现光束扩展，衍射光栅由一组等间距的周期元件组成，制造衍射光栅需要非常精密的仪器且良品率较低，使得光波导的成本较高，本申请实施例光波导12上只需入瞳区域和出瞳区域即可实现图像光束二维扩展，能够降低光波导12的制造难度和成本。

具体的，光波导12上的入瞳区域121和出瞳区域122内设置衍射光栅实现图像光束的耦合输入和图像光束的耦合输出，衍射光栅的光栅周期d和光栅方向θ由衍射光栅的光栅矢量V确定，具体的，光栅矢量V定义为具有垂直于衍射光栅的衍射线的方向θ和由2π/d给出的幅度的矢量，其中，d为光栅的周期，即图中的条纹间隔。

具体的，耦入光栅和耦出光栅的具体结构本申请实施例不做限制，只要能够满足图像光束的耦入和耦出即可。示例的，如图4所示，入瞳区域121和出瞳区域122均为矩形区域。根据衍射光栅的理论，耦入光栅中存在朝kX轴(沿图4中的水平方向)正方向的光栅矢量V1，耦入光栅的方向为θ

输入光IN1从区域BOX0进入波导，其传导光B1朝V1方向传导，其波矢在区域BOX1中；输出光OUT1朝V2方向传导，其波矢在区域BOX2中。可以选择光学单元耦入光栅和耦出光栅的光栅周期d

本申请提供的显示模组10，包括投影光机11以及光波导12，光波导12上的入瞳区域121和出瞳区域122沿第一方向排列，入瞳区域121和出瞳区域122沿第二方向延伸，投影光机11沿第二方向运动且设置于入瞳区域121上方，投影光机11在相对于光波导平移运动的过程中使得投影光束均匀地扫描入瞳区域121，从而增大了入瞳区域121沿第二方向的尺寸，投影光束扫描入瞳区域121，使得投影光束在第二方向上占据较大的长度，实现投影光束的第二方向上的扩展。经过入瞳区域121耦入的图像光束经过出瞳区域122耦合输出形成输出图像光，在出瞳区域122耦合输出的过程中，由于出瞳区域122沿第一方向占据一定的长度，在耦合输出的过程中边传播边耦合输出，实现图像光束沿第一方向的扩展。本申请通过入瞳区域121和出瞳区域122即可实现图像光束的二维扩展，不需要使用扩瞳区域对光束进行衍射扩展，避免了由于扩瞳区域光栅衍射效率有限造成光能量的损失，从而提高光能量利用率。另外，也避免了由于扩瞳光栅难以实现均匀扩展而造成在扩瞳区域不同位置衍射扩展传输至出瞳区域的光能量不均匀等问题，因此，本申请提高显示模组10的显示亮度和出光均匀性。

可选的，显示模组10还包括支架，支架上设置有驱动组件以及与驱动组件连接的传动组件，传动组件在驱动组件的带动下沿第二方向运动，投影光机11与传动组件连接，光波导12与支架连接。

将光波导12、驱动组件、传动组件均设置于支架上，使得光波导12、驱动组件、传动组件和支架为一体结构，从而使得与传动组件连接的投影光机11也与支架和光波导12一体连接，这样，使得投影光机11与光波导12的位置相对固定，除了投影光机11沿第二方向的运动，不存在两者之间其他的相对运动形成，这样，提高了投影光机11运动时的稳定性，避免光机在运动过程中，与光波导12发生其他方向的移动，致使投影光机11出射的图像不能投射至入瞳区域121。

具体的，支架上可以形成用于放置光波导12的凹槽，且向上伸出有固定驱动组件和传动组件的支撑部。凹槽限制光波导12的位置，实现光波导12的限位，支撑部连接驱动组件和传动组件，避免了驱动组件相对于支架的运动，从而使得驱动组件与光波导12的位置相对固定，以提高投影光机11运动时的稳定性。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1、图2和图3所示，驱动组件为驱动电机和驱动轮151，传动组件为同步带152和固定件153，投影光机11与固定件153固定连接，驱动电机带动驱动轮151转动，进而带动投影光机11沿第二方向运动。

驱动组件和传动组件能够实现光机相对于光波导的平移运动。如图3所示，可以采用固定件153将投影光机11与同步带152固定连接。

可选的，如图1和图2所示，驱动组件和传动组件设置于入瞳区域121的上方，且投影光机11的运动平面与入瞳区域121所在的平面平行。

将同步带152设置于入瞳区域121的上方，且同步带152的运动平面与入瞳区域121所在的平面平行，这样在固定投影光机11时，只需要将光机的出光侧垂直于同步带152的运动平面即可，能够方便对投影光机11的安装固定。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1、图2和图3所示，驱动组件包括两个驱动电机和两个驱动轮151，两个驱动电机设置于入瞳区域121沿第二方向的两侧，同步带152两端分别与两个驱动轮151连接。

两个驱动电机分别与同步带152两端的驱动轮151连接，在驱动同步带152的过程中，两个驱动电机同时驱动，能够提高同步带152运动的稳定性，这样能够提高投影光机11运动的稳定性。

两个驱动电机分别设置于入瞳区域121的两端，使得同步带152的延伸方向与入瞳区域121的延伸方向相同。

可选的，如图1、图2和图3所示，驱动电机为正反转电机，投影光机11设置于同步带152内侧。

当驱动电机为正反转电机时，投影光机11在正反转电机的作用下在两个驱动电机之间往复运动，相对于沿同一方向转动，能够避免投影光机11绕过驱动电机的运动时间，从而提高投影光束的扫描时间。

可以理解的是，正反转电机的每正方向或者反方向转动一次，同步带152运动的距离为图3中的L，即投影光机11的运动距离为L，与入瞳区域121沿第二方向的长度相同。正反转电机正反方向旋转一个周期，带动投影光机11在入瞳区域121上方往返一次。

另外，将投影光机11设置于同步带152内侧，两侧的同步带152一方面能够保护投影光机11不受外界的损伤，另一方面，也能够充分利用两侧带体之间的空间，减小显示模组10占用的体积。

可选的，如图1和图2所示，沿第一方向，出瞳区域122的长度大于入瞳区域121的长度。

入瞳区域121用于接收投影光机11出射的投影光束，出瞳区域122用于将投影光束耦合输出形成输出图像光，入瞳区域121沿第一方向的长度与投影光机11能够覆盖的范围对应，因为投影光机11的投射范围沿第一方向的长度有限，使得入瞳区域121沿第一方向的长度不能太大。对于出瞳区域122，如图1和图2所示，沿第一方向，投影光束在传播的过程中，逐步耦合输出，将出瞳区域122沿第一方向的长度设置的较长，使得出瞳区域122耦合输出的图像在第一方向占用较大的长度，从而使得出瞳显示的长度较大，配合第二方向出瞳显示的长度，增大了出瞳显示的面积。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图2所示，投影光机11包括微显示屏111以及设置在微显示屏111出光侧的准直透镜组112。

其中，微显示屏111包括多个点光源，即包括多个发光点。点光源出射的光束为球面波，准直透镜组112对球面波进行处理后形成平面波，平面波入射至入瞳区域121进行衍射耦入光波导。

本申请实施例还公开了一种AR设备，包括上述的显示模组10。该AR设备包含与前述实施例中的显示模组10相同的结构和有益效果。显示模组10的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

其中，AR设备的具体结构本申请实施例不做限制，可以任何需要大面积出瞳显示的AR设备，示例的，如图12所示，可以是平视显示器。投影光机11出射的图像光束在光波导12的入瞳区域121内快速扫描，并通过入瞳区域121耦入光波导12，在光波导12内全反射传播至出瞳区域122，并由出瞳区域122耦合输出形成输出图像光，输出图像光投射至挡风玻璃，被挡风玻璃反射进入到驾驶者的眼睛中，在汽车前方形成放大的虚像，驾驶者在看到输出图像光的同时可以看到挡风玻璃前方的路况，实现平时显示器的功能。需要说明的是，本申请实施例以平视显示器为例对AR设备进行说明，本申请的AR设备还可以是其他大面积出瞳显示的设备。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。