近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型涉及衍射光学设备技术领域，具体而言，涉及一种近眼显示设备。


背景技术：

2.近年来，随着微型显示芯片技术的出现，使得小型化和高分辨率的投影显示成为可能。尤其是随着投影显示技术的不断发展和市场需求，可穿戴的微投影系统越来越受到重视，例如在现如今发展火热的增强现实(英文augmented reality，简称ar)和虚拟现实(英文virtual reality，简称vr)等近眼显示(英文near eye display，简称ned)领域。
3.目前，在近眼显示领域的ar光学方案中，微投影光机搭配波导的近眼显示技术以其最接近眼镜形态，且能够为用户提供良好的体验感而备受大家的关注，尤其是波导片因其在成本及工艺可实现性上的优势而具备大规模量产化的潜力，因此在各类ar显示技术中脱颖而出，受到大家的推崇及争相研究。
4.然而，由于波导片上的耦入区和耦出区均设有存在角色散特性的光栅，并且现在的彩色近眼显示设备的设计方案通常共用一个耦入光栅，因此现有的彩色近眼显示设备会存在rgb三色光的角色散现象，故其输出进入人眼的图像会存在颜色不均匀的现象。导致其全彩显示质量较差，无法满足人们对高质量彩色近眼显示的追求。现有技术中的彩色近眼显示设备采用单个光机平移循环运动，实现微投影光机分时序地对不同的耦入光栅进行照射，但是这种方案对光机帧率以及驱动配合要求极高，实现难度较大，当前不能实际应用。
5.也就是说，现有技术中的近眼显示设备存在彩色显示质量差的问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的主要目的在于提供一种近眼显示设备，以解决现有技术中的近眼显示设备存在彩色显示质量差的问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种近眼显示设备，包括：波导片；微投影光机，微投影光机包括多个，多个微投影光机均用于投射单色图像光，多个微投影光机中至少两个微投影光机投射的颜色不同；耦入区，耦入区设置在波导片的一侧表面上，耦入区包括多个单色耦入光栅，多个单色耦入光栅中至少两个单色耦入光栅的栅线方向存在差别，多个单色耦入光栅与多个微投影光机一一对应设置，单色耦入光栅用于将微投影光机投射的单色图像光耦入波导片中；耦出光栅，耦出光栅设置在波导片上且与耦入区位于同一侧或不同侧，耦入区和耦出光栅在波导片上的投影间隔设置，耦出光栅用于接收单色耦入光栅的光，并将光扩瞳并耦出波导片。
8.进一步地，多个单色耦入光栅包括三个或四个，当单色耦入光栅为三个时，三个单色耦入光栅耦入光的颜色均不相同；当单色耦入光栅为四个时，四个单色耦入光栅中至少三个单色耦入光栅耦入光的颜色不相同。
9.进一步地，当单色耦入光栅为三个时，三个单色耦入光栅沿一直线间隔设置；或者三个单色耦入光栅呈三角形间隔设置，三个单色耦入光栅分别位于三角形的三个角部。
10.进一步地，当单色耦入光栅为四个时，四个单色耦入光栅沿一直线间隔设置；或者四个单色耦入光栅呈四边形间隔设置，四个单色耦入光栅分别位于四边形的四个角部。
11.进一步地，单色耦入光栅仅能耦入对应的微投影光机投射的单色图像光。
12.进一步地，多个微投影光机包括三个或四个，当微投影光机为三个时，三个微投影光机投射的单色图像光的颜色均不相同；当微投影光机为四个时，四个微投影光机中至少三个微投影光机投射的单色图像光的颜色不相同。
13.进一步地，当微投影光机为三个时，三个微投影光机投射的单色图像光包括红色图像光、绿色图像光和蓝色图像光。
14.进一步地，近眼显示设备还包括驱动结构，驱动结构与微投影光机电连接，驱动结构用于将rgb三通道的图像光拆分为多个单色图像光，并调整多个微投影光机一一对应输出多个单色图像光。
15.进一步地，各微投影光机之间的旋转矩阵为0。
16.进一步地，微投影光机的体积小于0.3cc。
17.应用本实用新型的技术方案，近眼显示设备包括波导片、微投影光机、耦入区和耦出光栅；微投影光机包括多个，多个微投影光机均用于投射单色图像光，多个微投影光机中至少两个微投影光机投射的颜色不同；耦入区设置在波导片的一侧表面上，耦入区包括多个单色耦入光栅，多个单色耦入光栅中至少两个单色耦入光栅的栅线方向存在差别，多个单色耦入光栅与多个微投影光机一一对应设置，单色耦入光栅用于将微投影光机投射的单色图像光耦入波导片中；耦出光栅设置在波导片上且与耦入区位于同一侧或不同侧，耦入区和耦出光栅在波导片上的投影间隔设置，耦出光栅用于接收单色耦入光栅的光，并将光扩瞳并耦出波导片。
18.通过设置波导片，使得波导片为单色耦入光栅和耦出光栅提供了设置位置，提高了单色耦入光栅和耦出光栅的使用可靠性，同时能够保证图像光能够稳定的在波导片中进行传输，以保证光线传输稳定性。多个微投影光机均用于投射单色图像光，多个单色耦入光栅与多个微投影光机一一对应设置，单色耦入光栅用于将微投影光机投射的单色图像光耦入波导片中；这样设置使得本技术的近眼显示设备利用多个独立的单色耦入光栅实现对不同颜色的图像光的耦入，有利于减弱光栅本身衍射特性引起的角色散特性，改善了彩色图像显示的效果，增加了彩色图像的成像质量。同时多个单色耦入光栅配备一一对应的多个微投影光机，以使得不同的微投影光机投射不同颜色的单色图像光，进而将不同颜色的单色图像光传播至对应的单色耦入光栅而被耦入波导片，多个单色耦入光栅与多个微投影光机一一对应避免了不同颜色的单色图像光之间的影响，使得一个单色耦入光栅只耦入对应的一个微投影光机投射的单色图像光，进一步减弱了显示颜色不均匀的现象，大大保证了显示质量，不需要采用昂贵的材料或复杂的结构，增加了近眼显示设备的通用性和可靠性。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
20.图1示出了本实用新型的一个可选实施例的近眼显示设备的结构示意图；
21.图2示出了图1中的波导片上的耦入区和耦出光栅的分布图；
22.图3示出了实施例一的三个微投影光机的排布图；
23.图4示出了实施例一的耦入区的一种示意图；
24.图5示出了实施例一的耦入区的另一种示意图；
25.图6示出了实施例二的近眼显示设备的耦入区的一种示意图；
26.图7示出了实施例二的近眼显示设备的耦入区的另一种示意图。
27.其中，上述附图包括以下附图标记：
28.10、微投影光机组；11、第一微投影光机；12、第二微投影光机；13、第三微投影光机；20、波导片；30、耦入区；31、第一单色耦入光栅；32、第二单色耦入光栅；33、第三单色耦入光栅；34、第四单色耦入光栅；40、耦出光栅；50、驱动结构。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
30.需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
31.在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。
32.为了解决现有技术中的近眼显示设备存在彩色显示质量差的问题，本实用新型提供了一种近眼显示设备。
33.如图1至图7所示，近眼显示设备包括波导片20、微投影光机、耦入区30和耦出光栅40；微投影光机包括多个，多个微投影光机以组成微投影光机组10，多个微投影光机均用于投射单色图像光，多个微投影光机中至少两个微投影光机投射的颜色不同；耦入区30设置在波导片20的一侧表面上，耦入区30包括多个单色耦入光栅，多个单色耦入光栅中至少两个单色耦入光栅的栅线方向存在差别，多个单色耦入光栅与多个微投影光机一一对应设置，单色耦入光栅用于将微投影光机投射的单色图像光耦入波导片20中；耦出光栅40设置在波导片20上且与耦入区30位于同一侧或不同侧，耦入区30和耦出光栅40在波导片20上的投影间隔设置，耦出光栅40用于接收单色耦入光栅的光，并将光扩瞳并耦出波导片20。
34.通过设置波导片20，使得波导片20为单色耦入光栅和耦出光栅40提供了设置位置，提高了单色耦入光栅和耦出光栅40的使用可靠性，同时能够保证图像光能够稳定的在波导片20中进行传输，以保证光线传输稳定性。多个微投影光机均用于投射单色图像光，多个单色耦入光栅与多个微投影光机一一对应设置，单色耦入光栅用于将微投影光机投射的单色图像光耦入波导片20中；这样设置使得本技术的近眼显示设备利用多个独立的单色耦入光栅实现对不同颜色的图像光的耦入，有利于减弱光栅本身衍射特性引起的角色散特性，改善了彩色图像显示的效果，增加了彩色图像的成像质量。同时多个单色耦入光栅配备一一对应的多个微投影光机，以使得不同的微投影光机投射不同颜色的单色图像光，进而将不同颜色的单色图像光传播至对应的单色耦入光栅而被耦入波导片20，多个单色耦入光
栅与多个微投影光机一一对应避免了不同颜色的单色图像光之间的影响，使得一个单色耦入光栅只耦入对应的一个微投影光机投射的单色图像光，进一步减弱了显示颜色不均匀的现象，大大保证了显示质量，不需要采用昂贵的材料或复杂的结构，增加了近眼显示设备的通用性和可靠性。
35.需要说明的是，上述单色耦入光栅和耦出光栅40均为衍射光栅。上述耦入区30和耦出光栅40可间隔设置在波导片20的同一侧表面上，耦入区30和耦出光栅40也可分别设置在波导片20的两侧表面上，可根据实际情况进行设置。
36.具体的，近眼显示设备还包括驱动结构50，驱动结构50与多个微投影光机均电连接，驱动结构50用于将rgb的彩色图像光拆分为多个单色图像光，多个单色图像光可包括红色图像光、绿色图像光和蓝色图像光，并调整多个微投影光机一一对应输出多个单色图像光。波导片20位于多个微投影光机的投射侧，波导片20上的多个单色耦入光栅与多个微投影光机一一对应。驱动结构50可以调整每个微投影光机的输出内容，多个微投影光机可以根据不同单色耦入光栅的效率对应调整微投影光机的亮度值，以使微投影光机的亮度与单色耦入光栅的效率相匹配，以保证显示图像的颜色均匀性。
37.另外，上述驱动结构50至少具有不少于两个输出接口，且含有至少一个图像处理单元，以利用图像处理单元rgb三通道的图像拆分为对应单色通道图像，输出接口控制对应颜色的微投影光机显示对应内容。
38.需要说明的是，多个微投影光机均用于投射单色图像光，也就是说每个微投影光机均为单色微投影光机，每个微投影光机只投射一种颜色的图像光，多个微投影光机中至少包括两种不同颜色的微投影光机。通过将颜色合理拆分至不同的微投影光机中，以便于后续在波导片20中合成多色或者全彩图像，进而由耦出光栅40耦出至人眼进行显示。多个微投影光机的输出端位于同一水平面且多个微投影光机的投射的单色图像光均垂直入射对应的单色耦入光栅。
39.具体的，每个微投影光机投射的单色图像光之间沿至少两个相互垂直的方向均平行，也就是说每个微投影光机投射的单色图像光之间沿水平方向平行，沿垂直方向平行，也可以理解为多个微投影光机的放置角度相同，多个微投影光机的输出端位于同一水平面，确保人眼经波导片20的耦出光栅40耦出观察到所有微投影光机的图像光都可以重合，以便于合成完整的全彩或者多色图像进行显示。
40.需要说明的是，上述每个微投影光机均独立设置，也就是均为独立的结构，这样避免了只采用一个微投影光机分时段输出不同图像光而带来的损失图像帧率的情况，本技术的多个微投影光机可以在不损失帧率的前提下改善显示图像的颜色均匀性，保证彩色图像的显示效果。
41.具体的，单个微投影光机的体积小于0.3cc，这样设置有利于保证单个微投影光机的体积较小，进而有利于可穿戴设备对体积的限制，便于应用到具体的便携式设备中。
42.具体的，微投影光机以mirco-led显示芯片、mirco-oled显示芯片、lcos显示芯片、lcd显示芯片以及dmd显示芯片中的任一种作为图像源。微投影光机的输出口的形状和尺寸与单色耦入光栅的形状和尺寸相匹配，以使得近眼显示设备的性能达到最好。
43.需要说明的是，上述近眼显示设备可以是ar头戴式设备。
44.下面结合具体实施例和附图描述本技术的近眼显示设备。
45.实施例一
46.如图1至图5所示，描述了实施例一的近眼显示设备。
47.如图1和图2所示，近眼显示设备包括波导片20和间隔设置在波导片20的同一侧表面的耦入区30和耦出光栅40，近眼显示设备还包括多个微投影光机和与之连接的驱动结构50，驱动结构50将待显示rgb三通道的图像拆分为对应单色图像，并控制对应颜色的微投影光机显示对应内容。多个微投影光机设置在耦入区30的上方且与耦入区30的多个单色耦入光栅一一对应。
48.在本实施例中，微投影光机的数量为三个，分别为第一微投影光机11、第二微投影光机12和第三微投影光机13，第一微投影光机11、第二微投影光机12和第三微投影光机13分别投射不同颜色的单色图像光。第一微投影光机11用于发射红光(即r光)，也就是投射红色图像光；第二微投影光机12用于发射绿光(即g光)，也就是投射绿色图像光；第三微投影光机13用于发射蓝光(即b光)，也就是投射蓝色图像光。可以理解的是，本实施例所提及的rgb三色光仅为举例，而在本技术的其他示例中，第一微投影光机11、第二微投影光机12和第三微投影光机13还可以分别用于发射其他颜色的单色图像光，只要能够实现近眼显示设备的彩色图像显示即可，本实施例对此不再赘述。
49.在本实施例中，多个单色耦入光栅包括三个，分别为第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32和第三单色耦入光栅33，第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32和第三单色耦入光栅33耦入光的颜色均不相同。第一微投影光机11与第一单色耦入光栅31对应，以使得第一单色耦入光栅31对应仅耦入红色图像光；第二微投影光机12与第二单色耦入光栅32对应，以使第二单色耦入光栅32对应仅耦入绿色图像光；第三微投影光机13与第三单色耦入光栅33对应，以使第三单色耦入光栅33对应仅耦入蓝色图像光。也就是说，单色耦入光栅仅能耦入对应的微投影光机投射的单色图像光，具体的，第一单色耦入光栅31被设计成仅耦入红色图像光，第二单色耦入光栅32被设计成仅耦入绿色图像光，第三单色耦入光栅33被设计成仅耦入蓝色图像光。
50.综上，通过设置第一微投影光机11、第二微投影光机12和第三微投影光机13与第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32和第三单色耦入光栅33一一对应，使得第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32和第三单色耦入光栅33仅对应耦入对应的微投影光机发射的单色图像光，然后经过波导片20的传输，送达至耦出光栅40被耦出至人眼进行彩色近眼显示。这样使得单色耦入光栅可根据对应的颜色的图像光进行设计，以减弱或消除图像光在被耦入光栅耦入时存在的角色散现象，有助于改善近眼显示设备所显示彩色图像的颜色均匀性。
51.如图4所示，第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32和第三单色耦入光栅33沿一直线间隔设置。如图5所示，第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32和第三单色耦入光栅33也可呈三角形间隔设置，三第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32和第三单色耦入光栅33分别位于三角形的三个角部。可根据实际情况进行排布。多个微投影光机排布通常是根据多个单色耦入光栅的位置分布进行设计的，对于不同的位置分布，多个微投影光机排布可以不同。
52.此外，为了保证近眼显示设备显示的多个单色图像能够精准叠加，使得人眼能够观看到高质量的彩色图像画面，本技术的近眼显示设备中的每个微投影光机相对于波导片
20必须保持相同的姿态和朝向，即每个微投影光机之间旋转矩阵为0，以防不同颜色的单色图像光因朝向不同而无法叠加出所需的彩色图像。
53.实施例二
54.如图6至图7所示，描述了实施例二的近眼显示设备中的耦入区30。
55.如图6至图7所示，与实施例一的区别是单色耦入光栅的数量不同，微投影光机的数量不同。
56.在本实施例中，微投影光机的数量为四个，分别为第一微投影光机、第二微投影光机、第三微投影光机和第四微投影光机。四个微投影光机中至少三个微投影光机投射的单色图像光的颜色不相同，至少两个微投影光机投射的单色图像光的颜色相同。
57.在本实施例中，波导片20设置在微投影光机的投射侧，波导片20上的耦入去区中包括四个单色耦入光栅，分别为第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32、第三单色耦入光栅33以及第四单色耦入光栅34，第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32、第三单色耦入光栅33耦入的图像光的颜色不同，第一单色耦入光栅31和第四单色耦入光栅34耦入的图像光的颜色相同。栅线方向相同的单色耦入光栅耦入的单色图像光的颜色相同，栅线方向不相同的单色耦入光栅耦入的单色图像光的颜色不相同。也就是说，第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32、第三单色耦入光栅33的栅线方向存在差别。
58.在本实施例中，第一微投影光机用于发射红光(即r光)，也就是投射红色图像光；第二微投影光机用于发射绿光(即g光)，也就是投射绿色图像光；第三微投影光机用于发射蓝光(即b光)，也即是投射蓝色图像光；第四微投影光机用于发射红或绿或蓝光(即r或g或b光)，也就是投射红、绿或蓝色图像光，在本实施例中第四微投影光机投射红色图像光。可以理解的是，本实施例所提及的rgb三色光仅为举例，而在本技术的其他示例中，第一微投影光机、第二微投影光机、第三微投影光机和第四微投影光机还可以分别用于发射其他颜色的单色图像光，只要能够实现近眼显示设备的彩色图像显示即可，本实施例对此不再赘述。
59.如图6所示，第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32、第三单色耦入光栅33和第四单色耦入光栅34可呈四边形间隔设置，四个单色耦入光栅分别位于四边形的四个角部。如图7所示，第一单色耦入光栅31、第二单色耦入光栅32、第三单色耦入光栅33和第四单色耦入光栅34可沿一直线间隔设置。多个单色耦入光栅可根据实际情况进行排布。多个微投影光机排布通常是根据多个单色耦入光栅的位置分布进行设计的，对于不同的位置分布，多个微投影光机排布可以不同。
60.此外，为了保证近眼显示设备显示的多个单色图像能够精准叠加，使得人眼能够观看到高质量的彩色图像画面，本技术的近眼显示设备中的每个微投影光机相对于波导片20必须保持相同的姿态和朝向，即每个微投影光机之间旋转矩阵为0，以防不同颜色的单色图像光因朝向不同而无法叠加出所需的彩色图像。
61.显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
62.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
63.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
64.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。