基于液晶调制的双焦面近眼显示系统及方法与流程

本发明涉及一种近眼显示光学设备，尤其涉及基于液晶调制的双焦面近眼显示系统及方法。

背景技术：

1、本世纪以来，增强现实(augmented reality，ar)作为近眼显示的一种重要形式，构成了链接“元宇宙”的媒介。在ar透视系统中，既能通过透射使观察者看到真实环境，又可以将数字信息叠加到观察者的视野内，故而非常受欢迎。

2、然而，在实际使用过程中，真实世界是立体的，并非处在固定的焦平面上，人眼通过改变晶状体的形状使真实世界的像总是落在视网膜上，从而看清不同深度的物体。在ar系统的投影成像系统中，像总是成在一个固定的焦平面上，观察者无法将数字信息叠加到不同深度的真实环境里，这便是辐辏聚焦矛盾(vergence-accommodation conflict,vac)，这使观察者感到用眼疲劳和深度知觉损失。

3、目前在体积小巧的ar近眼系统中做到无级调整投影的焦平面仍非常困难，但增加一个焦平面，使投影能在近和远两个焦平面上成像，可以一定程度上缓解观察者的不适。

4、然而，现有的双焦平面的相关技术采用两套微型显示器、两套光学元件的策略，在使用时，两套光路相互独立，的确能解决上述问题，但这不可避免地增加了制造成本和维修难度，同时使佩戴者头部承受巨大压力，极大地影响了使用体验。综上，使用一套微型显示器和光学元件的双焦平面近眼显示设备亟待设计开发。

5、液晶变光是一项成熟的技术，液晶调制偏振光可以充当一个开关的功能，广泛应用于例如液晶屏幕或液晶幕墙等方面，其原理是用电信号控制液晶的排布以调节其对光线偏振状态的改变。通过液晶变光有望将复杂的双焦面光路进行简化，以降低成本，减少体积。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、低成本，同时能够实现双焦平面变换的近眼显示设备。

2、技术路径：本发明所述的一种基于液晶调制的双焦面近眼显示设备，包括微型显示器(micro display)、光线中继镜头组(relay system)、液晶相位可变延迟器(liquidcrystal variable retarder)、选择系统(select system)、半反射镜(half mirror)和球面半反射镜(spherical mirror)。

3、近焦成像光路包括微型显示器、光线中继镜头组、液晶相位可变延迟器、选择系统、半反射镜和球面反射镜，微型显示器表面覆盖圆偏振片(circular polarizer)，发出左旋圆偏光光线，经光线中继镜头组后射向液晶相位可变延迟器，液晶相位可变延迟器两极施加高电平，光线经液晶相位可变延迟器保持不变进入选择系统，选择系统使左旋圆偏光直接透过上下表面而不产生光线折叠，通过半反射镜与球面反射镜两次反射后进入人眼，成像焦平面在距离人眼近处。

4、远焦成像光路所需元件与近焦成像光路一致，微型显示器发出左旋圆偏光光线，经中继镜头组后射向液晶相位可变延迟器，液晶相位可变延迟器两极施加低电平，光线经液晶相位可变延迟器转变为右旋圆偏光进入选择系统，选择系统使右旋圆偏光透过上表面，在下表面转变为左旋圆偏光反射，在上表面反射后透过下表面，从而产生光线折叠，通过半反射镜与球面反射镜两次反射后进入人眼，成像焦平面在距离人眼远处。

5、优选地，微型显示器、光线中继镜头组、液晶相位可变延迟器与选择系统处在同一光轴上，人眼与球面反射镜处在同一光轴上，两个光轴夹角90°±30°，由半反射镜连接。

6、优选地，微型显示器尺寸为5至10mm。表面微型显示器贴有圆偏振膜。

7、优选地，光线中继镜头组由3至4片球面透镜或由自由曲面透镜构成，优化像差后曲率半径和厚度不可调，彼此距离可调，实现图像位置改变与倍率改变。

8、优选地，液晶相位可变延迟器由两个极板，及两个极板之间的具备扭曲效应的向列液晶层构成。液晶相位可变延迟器的厚度为8至10mm，两端可施加的电压范围为0至5v。

9、优选地，选择系统的主体是一片薄透镜，其上表面附有半反射膜，下表面附有四分之一玻片(quarter-wave plate)，在四分之一玻片下面附有偏振光分束薄膜(polarizingbeam splitter)。选择系统使左旋光一次透过，变成p偏振光，使右旋光在透镜内折叠一次后透过，变成p偏振光。

10、优选地，选择系统上表面曲率为80mm以上，下表面曲率无穷，厚度2mm至3mm。

11、优选地，系统出瞳距离设置为20mm，视场角可达40°以上。

12、优选的，球面半反射镜表面贴半反射膜或全反射膜。

13、优选的，近焦平面和远焦平面的位置经由调整所述微型显示器、光线中继透镜的位置得以调整；两个焦面所对应视度的差值可大于4d。

14、本发明所提供的基于液晶调制的双焦面显示设备，具有结构简单、仅使用单微型显示器、视场角大的优点，用于近眼系统，可实现双焦面显示。

15、本发明还提供一种双焦面近眼显示方法，包括如下步骤：通过施加在液晶相位可变延迟器两极上的高或低电平改变光线的旋向，产生两条显示光路，两条显示光路完全共用相同的微型显示器与光学元件，每条光路具有独立的位置不同的焦面；通过液晶控制，实现在两个焦面间切换。

16、优选的，所述微型显示器发出左旋光，经光线中继透镜后射向两极施加高电平的液晶相位可变延迟器，然后一次透过选择系统，再经半反射镜和球面半反射镜反射入眼，成像于近焦平面；

17、所述微型显示器再次发出左旋光，经光线中继透镜后射向两极施加低电平的液晶相位可变延迟器，光线经液晶相位可变延迟器转变为右旋光进入选择系统，选择系统使右旋光透过上表面，在下表面转变为左旋光反射，在上表面反射后透过下表面，从而产生光线折叠，通过半反射镜与球面反射镜两次反射后进入人眼，成像于远焦平面。

18、有益效果：微型显示器发出的光线传播至液晶相位可变延迟器时，通过施加高电平或低电平，实现对光线的调制，光路折叠时与未折叠时的偏折程度不同，由此最终呈现的虚像的位置不同，实现了双焦面图像传播，这有助于缓解佩戴者因ar眼镜的辐辏聚焦矛盾而引起的不适。同时，本发明中两条显示光路完全共用相同的微型显示器与光学元件，降低了制造成本和维修难度，减轻了佩戴者头部承受压力，极大地提升了使用体验。此外，本发明也可用于近视眼的矫正锻炼。

技术特征：

1.一种基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于，包括：微型显示器(510)、光线中继透镜(520)、液晶相位可变延迟器(530)、选择系统(540)、半反射镜(550)和球面半反射镜(560)；其中，

2.如权利要求1所述的基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于：所述表面微型显示器(510)贴有圆偏振膜。

3.如权利要求1所述的基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于：所述光线中继透镜(520)由若干个传统球面透镜组或自由曲面透镜构成。

4.如权利要求1所述的基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于：所述液晶相位可变延迟器(530)由两个极板，及两个极板之间的具备扭曲效应的向列液晶层构成，两个极板上施加0至5v的电压。

5.如权利要求1所述的基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于：所述选择系统(540)的主体是一片薄透镜，其上表面贴有半反射膜，其下表面贴有四分之一玻片，四分之一玻片上贴有偏振分光膜。

6.如权利要求1所述的基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于：所述选择系统(540)使左旋光一次透过，变成p偏振光，使右旋光在透镜内折叠一次后透过，变成p偏振光。

7.如权利要求1所述的基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于：所述球面半反射镜(560)表面贴半反射膜或全反射膜。

8.如权利要求1所述的基于液晶调制的双焦面近眼显示系统，其特征在于：所述近焦平面和远焦平面的位置经由调整所述微型显示器(510)、光线中继透镜(520)的位置得以调整；两个焦面所对应视度的差值可大于4d。

9.基于权利要求1-8任一所述系统的双焦面近眼显示方法，其特征在于，包括如下步骤：通过施加在液晶相位可变延迟器(530)两极上的高或低电平改变光线的旋向，产生两条显示光路，两条显示光路完全共用相同的微型显示器与光学元件，每条光路具有独立的位置不同的焦面；通过液晶控制，实现在两个焦面间切换。

10.根据权利要求9所述的双焦面近眼显示方法，其特征在于，所述微型显示器(510)发出左旋光，经光线中继透镜(520)后射向两极施加高电平的液晶相位可变延迟器(530)，然后一次透过选择系统(540)，再经半反射镜(550)和球面半反射镜(560)反射入眼，成像于近焦平面；

技术总结本发明公开了一种基于液晶调制的双焦面近眼显示系统及方法，系统包括微型显示器、光线中继透镜、液晶相位可变延迟器、选择系统、半反射镜和球面半反射镜；其中，液晶相位可变延迟器由具备扭曲效应的向列液晶层与极板构成；光线由微型显示器发出，透过光线中继透镜进入液晶相位可变延迟器，通过极板上的高或低电平决定是否改变光线的旋向，未改变旋向的可一次直接透过选择系统，被改变旋向的光线在选择系统中发生光路折叠后透过选择系统；不同的光程引起屈光程度不同，最终分别成像在近焦平面和远焦平面。本发明可用于增强现实或虚拟现实成像设备，通过在不同焦面的显示，可一定程度上缓解近眼显示设备因辐辏聚焦矛盾而引起使用者的不适。技术研发人员：刘大伟,王闯,高峰,尹利,张宇宁,潘江涌,周玮琦,沈忠文受保护的技术使用者：新型显示与视觉感知石城实验室技术研发日：技术公布日：2024/9/29