一种近眼显示装置及近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置及近眼显示设备。


背景技术：

2.随着新一代移动通信技术，即5g通信技术的成熟和普及，仅在刚问世时引起了广泛关注，而后表现却一直不温不火的ar(augmented reality，增强现实)市场迎来了新的春天。这是因为5g网络所具备的速度快、低时延等特点能够扫清当前ar显示设备(比如ar眼镜)在数据传输方面的应用障碍，从而显著提升ar显示设备的用户体验。ar显示设备是一个可以实现虚拟与现实巧妙结合的电子产品，即在显示虚拟图像信息的同时，还能够融合真实的背景环境，从而给人们呈现全新的三维空间。据调查，人们热衷于通过ar显示设备与现实世界进行更多、更深入的信息交互，因此，ar显示设备很可能取代智能手机，成为下一代信息交互平台。
3.目前，在ar显示设备的各种光学显示方案中，光波导方案，尤其是阵列光波导方案因轻薄和对外界光信号的高穿透特性成为了其中最具市场竞争力的光学显示方案，应用领域非常广泛。现有的阵列光波导方案的技术原理如图1所示，主要由光机(包括微显示元件和透镜)和阵列光波导(包括波导基底和设置在波导基底内部的分光膜阵列)这两部分组成。应用时，透镜能够将微显示元件发出或反射出的光调制成平行光信号进入到波导基底，该平行光信号会在波导基底中进行全反射传播，由在到达分光膜阵列后由分光膜阵列进行分光，即将光耦出至人眼成像，实现一维扩瞳，以扩大眼动范围。然而，该技术存在的缺陷在于，需要用到较大尺寸的透镜，这直接导致光机的整体体积偏大，同时，有部分由微显示元件所发射或反射的光被透镜浪费掉了，使得光机的光效利用率较低。
4.因此，需要对现有的阵列光波导方案进行改进，或者是研究出一种全新的阵列光波导方案，进而增加其实用性，以克服上述缺陷。
5.以上信息作为背景信息给出只是为了辅助理解本公开，并没有确定或者承认任意上述内容是否可用作相对于本公开的现有技术。


技术实现要素：

6.本实用新型实施例提供一种近眼显示装置及近眼显示设备，解决了现有技术中因需要用到较大尺寸的透镜导致的光机整体体积大的缺陷，能够保留将微显示元件发出的光信号更多地耦入到波导基底中，提高了光信号的利用率，从而提高了显示图像的亮度。
7.本实用新型实施例第一方面公开一种近眼显示装置；
8.作为一种可选的实施方式，在本实用新型实施例第一方面中，所述近眼显示装置包括：
9.微显示元件、波导基底、成像元件以及分光膜阵列；其中，
10.所述分光膜阵列设置在所述波导基底的内部；
11.所述波导基底的一端设置有耦入元件，所述微显示元件设置在所述耦入元件上，用于发射光信号；所述光信号从所述耦入元件耦入到所述波导基底中；
12.所述成像元件设置在所述波导基底上远离所述耦入元件的另一端，用于将在所述波导基底的内部传播的光信号调制成平行光信号，并反射回所述波导基底的内部继续传播；反射回的所述平行光信号经由所述分光膜阵列分光耦出至人眼。
13.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述成像元件为反射镜。
14.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述耦入元件包括斜面，所述斜面设置在所述波导基底一端的端面；
15.所述斜面上设置有入光区域；
16.所述微显示元件设置在所述入光区域上。
17.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述耦入元件包括竖直面，所述竖直面设置在所述波导基底一端的端面；
18.所述竖直面上设置有入光区域；
19.所述微显示元件设置在所述入光区域上。
20.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述耦入元件包括反射斜面，所述反射斜面设置在所述波导基底一端的内端面；
21.所述波导基底上设置有所述耦入元件的一端还设置有入光区域；
22.所述微显示元件设置在所述入光区域上。
23.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括棱镜；
24.所述棱镜设置在所述微显示元件与所述耦入元件之间。
25.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述棱镜为三角棱镜或梯形棱镜。
26.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述斜面的倾斜角度为锐角或钝角。
27.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述分光膜阵列为反向分光膜阵列；
28.所述反向分光膜阵列中每一层分光膜的反射率沿调制反射后的光线传播方向依次提高。
29.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示装置中，所述微显示元件为lcos显示屏、micro oled显示屏、micro led显示屏、dlp显示屏中的任意一种。
30.本实用新型实施例第二方面公开一种近眼显示设备；
31.作为一种可选的实施方式，在本实用新型实施例第二方面中，所述近眼显示设备包括如上述第一方面所述的近眼显示装置。
32.作为一种可选的实施方式，所述近眼显示设备为穿戴式显示设备。
33.与现有技术相比，本实用新型实施例具有以下有益效果：
34.通过舍去透镜而直接将微显示元件设置在波导基底一端的耦入元件上，并配合设置在另一端的成像元件，能够在减小光机整体体积的同时，保留更多微显示元件发射或反射的光信号进入到波导基底中，极大地提升了波导基底的光效利用率，从而提高了图像显示亮度，具有较高的市场推广价值。
附图说明
35.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
36.图1是现有技术中阵列光波导方案的结构俯视示意图；
37.图2是本实用新型实施例一中波导基底的结构俯视示意图；
38.图3是本实用新型实施例一提供的一种近眼显示装置的结构前视立体示意图；
39.图4是本实用新型实施例一提供的一种近眼显示装置的结构俯视示意图；
40.图5是本实用新型实施例一提供的一种近眼显示装置的结构俯视示意图；
41.图6是本实用新型实施例一提供的一种近眼显示装置的结构俯视示意图；
42.图7是本实用新型实施例一提供的一种近眼显示装置的结构俯视示意图。
43.附图标记：
44.微显示元件10，波导基底20，成像元件30，分光膜阵列40，棱镜50，耦入区域60。
具体实施方式
45.为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
46.在本实用新型的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。
47.此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本实用新型的限制。
48.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
49.实施例一
50.有鉴于上述现有的阵列光波导方案存在的缺陷，本技术人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以希望创设能够解决现有技术中缺陷的技术，使得阵列光波导方案更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本实用新型。
51.请参考图2～7，本实用新型实施例提供一种近眼显示装置，包括微显示元件10、波导基底20、成像元件30以及分光膜阵列40；其中，
52.所述分光膜阵列40设置在所述波导基底20的内部；
53.所述波导基底20的一端设置有耦入元件，所述微显示元件10设置在所述耦入元件上，用于发射带有图像信息的光信号；所述光信号从所述耦入元件耦入到所述波导基底20
中；
54.所述成像元件30设置在所述波导基底20上远离所述耦入元件的另一端，用于将在所述波导基底20的内部传播的光信号调制成平行光信号，并反射回所述波导基底20的内部继续传播；反射回的所述平行光信号经由所述分光膜阵列40分光耦出，在人眼成像。
55.需要说明的是，本实施例创造性地将光机中的透镜舍去，而使其仅由微显示元件10组成，并配合设置在波导基底20另一端的成像元件30，这样设计的好处在于光机不再受制于透镜的尺寸，而可以使得光机的整体体积可控，同时还由于微显示元件10发射或反射的光信号不再需要经透镜调制后才进入波导基底20中，因此可以有更多的微显示元件10发射或反射的光信号进入到波导基底20中，不至于被透镜浪费掉。
56.不过，本实施例为了保证在舍去透镜后，所述近眼显示装置依然能够正常使用，则本实施例不仅增加了成像元件30，且还对所述微显示元件10的设置方式提出了一定要求。具体的，如上也提及到了，成像元件30起的作用是将在所述波导基底20的内部传播的光信号调整成平行光信号，这与原本位于光机处的透镜所起的作用是一样的，也就是说本实施例实质上是用成像元件30替代了透镜。区别在于，将光信号调制平行的时机从耦入前变更到了在所述波导基底20中传播的途中。而对所述微显示元件10的设置方式提出的要求则是所述微显示元件10直接贴合设置在耦入元件上。微显示元件10作为一个面光源，面上的每一个点都是一个点光源，并以180
°
的发光角发光。每一个点发出的光信号进入波导基底20后，满足全反射条件(sinα＞(1/n)，α为光信号与竖直面的夹角，n为波导基底材料的折射率)的光信号将沿着波导基底20的长度方向后传播。
57.在本实施例中，波导基底20一端上设置的耦入元件可以有很多种，本实施例接下来以其中的三种进行示例说明；
58.第一种设置方式是：所述耦入元件包括斜面，所述斜面设置在所述波导基底20一端的端面且所述斜面上设置有入光区域60；所述微显示元件10设置在所述入光区域60上。其中，斜面的倾斜角度不作限定，可以是锐角或钝角，本实施例以锐角为例。所述微显示元件10发出的光信号通过所述斜面上的入光区域60耦合进入波导基底20后，原本散乱不规则的光信号会被所述成像元件30调制而能形成平行光信号反射回所述波导基底20的内部继续传播，直至达到所述分光膜阵列40后由所述分光膜阵列40耦出至人眼成像，如图4所示。
59.第二种设置方式是：所述耦入元件包括竖直面，所述竖直面设置在所述波导基底20一端的端面，即呈直角，且所述竖直面上设置有入光区域60；所述微显示元件10设置在所述入光区域60上。所述微显示元件10发出的光信号通过所述斜面上的入光区域60耦合进入波导基底20后，原本散乱不规则的光信号会被所述成像元件30调制而能形成平行光信号反射回所述波导基底20的内部继续传播，直至达到所述分光膜阵列40后由所述分光膜阵列40实现分光，耦出至人眼成像，如图5所示。
60.第三种设置方式是：所述耦入元件包括反射斜面，即表面镀有反光膜的斜面，所述反射斜面设置在所述波导基底20一端的内端面，且所述波导基底20上设置有所述耦入元件的一端还设置有入光区域60；所述微显示元件10设置在所述入光区域60上。所述微显示元件10发出的光线从所述波导基底20一端上的入光区域60耦合进入波导基底20后经过所述反射斜面反射再在波导基底20中传播，然后原本散乱不规则的光信号会被所述成像元件30调制而能形成平行光信号反射回所述波导基底20的内部继续传播，直至达到所述分光膜阵
列40后由所述分光膜阵列40实现分光，耦出至人眼成像，如图6所示。
61.以上三种设置方式均可达到本实用新型所需要的效果，因此本实用新型对此不进行限制，但示例性的，以第一种设置方式为优选方式。
62.在本实施例中，所述近眼显示装置还包括棱镜50；
63.所述棱镜50设置在所述微显示元件10与所述耦入元件之间，所起的作用是增大光信号的耦入面积。因为耦入元件与所述微显示元件10接触那一面的面积决定着微显示元件10的体积能做多大，而体积越大的微显示元件10能发射或发射出的光信号就越多，耦入到波导基底20中的光信号也就越多，但由于耦入元件与所述微显示元件10接触那一面的面积是有尺寸限制的，没办法做的很大，因此通过在所述微显示元件10与所述耦入元件之间设置所述棱镜50，然后将所述棱镜50做大，或者是仅仅将微显示元件10贴合设置在所述棱镜50上面积大于所述耦入元件与所述微显示元件10接触面面积的一面，可参考图7，就能让微显示元件10的体积做得大一些。
64.优选的，所述棱镜50选型为三角棱镜或梯形棱镜。
65.在本实施例中，所述成像元件30为反射镜，反射镜的类型选择可以有很多种，比如可以是自由曲面反射镜、或者是超表面反射镜，亦或是全息反射镜，当然也还可以是其它能起调制和反射作用的元件，本实施例不作限定。另外，关于成像元件30的设置角度也可以是任意，只要能将光线反射回所述波导基底20的内部继续传播即可。
66.在本实施例中，所述分光膜阵列40为反向阵列分光膜。本实施例需要将分光膜阵列40设置为反向分光膜阵列的原因在于，光信号耦出前需要调制成平行光信号。在现有技术中，由于光信号在耦入进波导基底20之前就已经由透镜调制成了平行光信号，因此在平行光信号正向传播时，就可以通过设置正向分光膜阵列进行分光耦出，但在本实施例中，光信号是在传播到波导基底20末端的成像元件30处后才被成像元件30调制成平行光信号并反射回的，因此本实施例希望分光膜阵列40对正向传播时的光信号不进行或尽量少进行分光耦出，而对反向传播时的光信号进行分光耦出，因此需要将分光膜阵列40设置为反向分光膜阵列。另外，出于对所述反向分光膜阵列中每一层分光膜透光均匀的考虑，所述反向分光膜阵列中每一层分光膜的反射率沿调制反射后的光线传播方向(即沿成像元件30到耦入元件的方向)依次提高。示例性的，比如沿调制反射后的光线传播方向开始算的第一层分光膜的反射率为25％，第二层分光膜的反射率为50％，第三层分光膜的反射率为75％，第四层分光膜的反射率为100％，依次类推。
67.优选的，所述微显示元件10为lcos显示屏、micro oled显示屏、micro led显示屏、dlp显示屏中的任意一种。
68.尽管本文中较多的使用了微显示元件，波导基底，成像元件，分光膜阵列等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
69.本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置，通过舍去透镜而直接将微显示元件设置在波导基底一端的耦入区域上，并配合设置在另一端的成像元件，能够在减小光机整体体积的同时，保留更多微显示元件发射或反射的光信号进入到波导基底中，极大地提升了波导基底的光效利用率，从而提高了图像显示亮度，具有较高的市场推广价值。
70.实施例二
71.本实用新型实施例提供一种近眼显示设备，包括如上述实施例一所述的近眼显示装置。
72.优选的，所述近眼显示设备为穿戴式显示设备，比如ar眼镜、ar头盔等。
73.本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备，通过舍去透镜而直接将微显示元件设置在波导基底一端的耦入区域上，并配合设置在另一端的成像元件，能够在减小光机整体体积的同时，保留更多微显示元件发射或反射的光信号进入到波导基底中，极大地提升了波导基底的光效利用率，从而提高了图像显示亮度，具有较高的市场推广价值。
74.至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。
75.提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。
76.在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。
77.当元件或者层称为是“在
……
上”、“与
……
接合”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或层，其可以是直接在另一个元件或者层上、与另一个元件或层接合、连接到或者联接到另一个元件或层，也可以存在介于其间的元件或者层。与此相反，当元件或层称为是“直接在
……
上”、“与
……
直接接合”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或层，则可能不存在介于其间的元件或者层。其他用于描述元件关系的词应当以类似的方式解释(例如，“在
……
之间”和“直接在
……
之间”、“相邻”和“直接相邻”等)。在此使用的术语“和/或”包括该相关联的所罗列的项目的一个或以上的任一和所有的组合。虽然此处可能使用了术语第一、第二、第三等以描述各种的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受到这些术语的限制。这些术语可以只用于将一个元件、组件、区域或部分与另一个元件、组件、区域或部分区分。除非由上下文清楚地表示，在此使用诸如术语“第一”、“第二”及其他数值的术语不意味序列或者次序。因此，在下方论述的第一元件、组件、区域、层或者部分可以采用第二元件、组件、区域、层或者部分的术语而不脱离该示例实施例的教导。
78.空间的相对术语，诸如“内”、“外”、“在下面”、“在
……
的下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可出于便于描述的目的使用，以描述如图中所示的一个元件或者特征和另
外一个或多个元件或者特征之间的关系。空间的相对术语可以意指包含除该图描绘的取向之外该装置的不同的取向。例如如果翻转该图中的装置，则描述为“在其他元件或者特征的下方”或者“在元件或者特征的下面”的元件将取向为“在其他元件或者特征的上方”。因此，示例术语“在
……
的下方”可以包含朝上和朝下的两种取向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或者其他取向)并且以此处的空间的相对描述解释。