CN108333779A - 近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近眼显示系统。该近眼显示系统包括光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件。第一图像显示器和第二图像显示器分别输出一待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线，并分别被第一反射放大元件和第二反射放大元件反射会聚在人眼分别形成第一待显示子图像和第二待显示子图像，在人眼分别形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为待显示图像。该近眼显示系统具有大视场、高分辨率的特点，及相对于具有传统显示光学模组的近眼显示系统体积较小。

Description

近眼显示系统

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种近眼显示系统。

背景技术

增强现实(AR，Augmented Reality)是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育等各领域。目前主流的应用于增强现实的近眼显示系统，普遍采用微型图像显示器作为图像源，并配合传统显示光学模组(半反半透平面镜与传统目视光学系统)实现增强显示。受限于现有的技术和工艺水平，微型图像显示器的分辨率很难提高。并且，传统显示光学模组的显示视场与显示光学模组的体积密切相关。增大显示视场，传统显示光学模组的体积会随之剧增。因此，目前主流的应用于增强现实的近眼显示系统具有分辨率低，以及视场小或体积大的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大视场高分辨率的紧凑型的近眼显示系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明较佳实施例提供一种近眼显示系统，包括光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件；

所述光源模组用于输出照明光束；

所述偏振分光元件设置于所述光源模组的出射光路上，用于对所述光源模组输出的照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透射及对第二线性偏振方向的光束进行反射，所述第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交；

所述第一相位延迟片设置于所述偏振分光元件的第一出射光路上，用于将透射所述偏振分光元件的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器传输；

所述第一图像显示器设置于所述第一相位延迟片的出射光路上，用于根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片传输，其中，每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像，所述第一束子图像光线与第一待显示子图像对应；

所述第一相位延迟片，还用于将所述第一图像显示器输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件传输；

所述第二图像显示器设置于所述偏振分光元件的第二出射光路上，用于根据所述第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件传输，其中，所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应；

所述偏振分光元件，还用于将所述第一相位延迟片输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述第一反射放大元件，及对所述第二图像显示器输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线进行透射至所述第一反射放大元件；

所述电控光学器件设置在所述偏振分光元件的第三出射光路和第一反射放大元件之间，用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚或发散；

所述第一反射放大元件和第二反射放大元件依次设置于所述电控光学器件的出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件，分别用于使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像和使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像，或者分别用于使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像和使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像；

所述第二相位延迟片设置于第二反射放大元件和反射元件之间，用于将第二束子图像光线或第一束子图像光线的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从反射元件反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线的偏振方向转换为非第一线性偏振方向或非第二线性偏振方向；

所述第一图像显示器和第二图像显示器分别输出完所述待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线后，在人眼形成的所述第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像；

真实世界环境光线穿过所述近眼显示系统进入人眼形成环境图像。

可选地，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚，施加电压后的电控光学器件的焦面位于所述电控光学器件和第一反射放大元件之间；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射会聚，反射元件的反射焦面设置于反射元件近第二反射放大元件的一侧。

可选地，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行发散，施加电压后的电控光学器件的焦面位于电控光学器件靠近电控液晶偏振元件的一侧；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射发散，所述反射元件的反射焦面设置于所述反射元件远离相位延迟片的一侧。

可选地，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射。

可选地，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射。

可选地，所述近眼显示系统还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件之间的偏振转换元件，且所述第二反射放大元件和第一反射放大元件的偏振敏感型不同。

可选地，所述近眼显示系统还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件的反射会聚方向的吸收型偏振元件。

可选地，所述近眼显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束扩束系统。

可选地，所述近眼显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束缩束系统。

可选地，所述光源模组包括照明光源和光束整形合束器。

本发明实施例提供的近眼显示系统通过对光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件的巧妙集成与设计，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该近眼显示系统的视场角等于第一反射放大元件和第二反射放大元件的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示系统具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的近眼显示系统体积更小。并且，该近眼显示系统采用第一图像显示器和第二图像显示器两个图像显示器进行显示，相较于采用一个图像显示器，降低了对图像显示器的要求，降低刷新率。同时，该近眼显示系统基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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为本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构示意图。

图2为图1所示的近眼显示系统显示待显示图像的一种光路示意图。

图3为图1所示的近眼显示系统显示待显示图像的另一种光路示意图。

图4为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图5为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图6为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图7为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图8为不具有光束扩束系统的近眼显示系统的视场角的对比图。

图9为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图10为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图标:1-近眼显示系统；11-光源模组；13-偏振分光元件；15-第一相位延迟片；17-第一图像显示器；19-第二图像显示器；20-电控光学器件；21-第一反射放大元件；23-第二反射放大元件；25-第二相位延迟片；27-反射元件；29-偏振转换元件；31-吸收型偏振元件；33-光束扩束系统；35-光束缩束系统。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

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。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种近眼显示系统1的结构示意图。该近眼显示系统1可以应用于HMD(Head Mount Display，头戴式可视设备)、智能眼镜等增强现实设备，在此不做限制。该近眼显示系统1包括光源模组11、偏振分光元件13、第一相位延迟片15、第一图像显示器17、第二图像显示器19、电控光学器件20、第一反射放大元件21、第二反射放大元件23、第二相位延迟片25和反射元件27。

光源模组11用于提供照明光束。光源模组11可以包括照明光源和光束整形合束器。其中，照明光源可以采用激光光源、LED光源等。照明光源可以是单色光源也可以是多色光源。可选地，在本实施例中，照明光源采用多色LED光源。如，照明光源包括红色LED光源、绿色LED光源和蓝色LED光源。其中，LED光源中各个LED的颜色还可以根据实际需要进行设置，以满足实际情况的需要。光束整形合束器设置于照明光源的光路上，用于对照明光源发出的光束进行准直整形、合束处理。

偏振分光元件13设置于所述光源模组11的出射光路上，用于对第一线性偏振方向的光束进行透射及对第二线性偏振方向的光束进行反射，所述第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交。

第一相位延迟片15设置于所述偏振分光元件13的第一出射光路上，用于对入射的偏振光束的相位进行改变。第一相位延迟片15可以对入射的偏振光束的相位改变π相位，等效于1/2玻片。第一相位延迟片15可以将入射的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向。

第一图像显示器17设置于所述第一相位延迟片15的出射光路上，用于根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。其中，待显示图像为近眼显示系统1显示的虚拟图像，即对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示。每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像。为了提高显示效果，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同。而第一待显示子图像和第二待显示子图像的大小可以相同也可以不同。所述第一束子图像光线为与第一待显示子图像对应的准直平行光束。在实际实施时，第一图像显示器17可以是反射式LOCS显示源。

第二图像显示器19设置于所述偏振分光元件13的第二出射光路上，用于根据所述第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件13传输。其中，所述第二束子图像光线为与第二待显示子图像对应的准直平行光束。在实际实施时，第一图像显示器17可以是反射式LOCS显示源。

所述电控光学器件20设置在所述偏振分光元件13的第三出射光路和第一反射放大元件21之间。电控光学器件20在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚。电控光学器件20在未施加控制电压时，对入射的平行光束不具有会聚功能。当电控光学器件20在施加控制电压时，对入射的平行光束进行会聚时，施加电压后的电控光学器件20的焦面可以位于电控光学器件20和第一反射放大元件21之间。

所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23依次设置于所述电控光学器件20的出射光路上，为对入射的会聚光束偏振敏感型反射会聚元件。所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23分别用于使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像和使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像。或者，所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23分别用于使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像和使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像。

所述第二相位延迟片25设置于第二反射放大元件23和反射元件27之间，用于将第二束子图像光线(第一线性偏振方向)或第一束子图像光线(第二线性偏振方向)的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从反射元件27反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线的偏振方向转换为非第一线性偏振方向或非第二线性偏振方向。其中，非第一线性偏振方向包括第二线性偏振方向，非第二线性偏振方向包括第一线性偏振方向。当第二相位延迟片25为1/4玻片时，第二相位延迟片25用于将第一线性偏振方向(或第二线性偏振方向)的第二束子图像光线的偏振方向转换为圆偏振方向，及将从反射元件27反射回来的圆偏振方向的第二束子图像光线完全转换为第二线性偏振方向(或第一线性偏振方向)。

反射元件27用于将从第二相位延迟片25传来的具有椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线向着第二反射放大元件23的方向返回传输。反射元件27的反射工作面具有对平行光束会聚的功能。反射元件27可以为凹面反射曲面或设置为具有凹面反射等效功能的反射衍射平面。当反射元件27的反射工作面对平行光束进行会聚时，反射元件27的反射焦面可以设置于反射元件27近第二反射放大元件23的一侧。

当第一反射放大元件21和第二反射放大元件23被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射时，本实施方式提供的近眼显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程如下：将一幅待显示图像在水平方向分为两幅待显示子图像，分别记为第一待显示子图像和第二待显示子图像。如图2所示，照明单元输出照明光束至偏振分光元件13。偏振分光元件13对照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透过。第一相位延迟片15将透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器17传输。第一图像显示器17根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。第一相位延迟片15将所述第一图像显示器17输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件13传输。偏振分光元件13将所述第一相位延迟片15输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述电控光学器件20。对电控光学器件20施加控制电压，具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被电控光学器件20会聚，会聚后的具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被第一反射放大元件21反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。同时，偏振分光元件13对照明光束中第二线性偏振方向的光束进行反射至第二图像显示器19。第二图像显示器19根据第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件13传输。对电控光学器件20不施加控制电压，所述第二图像显示器19输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线依次透过所述偏振分光元件13、电控光学器件20、第一反射放大元件21和第二反射放大元件23后，其偏振方向被第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被反射元件27反射会聚于反射元件27和第二反射放大元件23之间，再次传输至第二相位延迟片25，被第二相位延迟片25转换为非第一线性偏振方向的第二束子图像光线。非第一线性偏振方向的第二束子图像光线中的第二线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件23反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

图2中，电控光学器件20的折射透射焦面SF9到第一反射放大元件21的距离记为L92，反射元件27的反射焦面SF5到第二反射放大元件23的距离记为L53。电控光学器件20对从偏振分光元件13传来的平行光束(第一束子图像光线)的折射会聚角记为afa9，反射元件27对从偏振分光元件13传来的平行光束(第二束子图像光线)的反射会聚角记为afa5。具体实施时，可以设置afa9与afa5及L92与L53一致，也可以设为不一致。通过设置afa9与afa5一致，且L92与L53一致，可以使得第一反射放大元件21的反射衍射结构与第二反射放大元件23的反射衍射结构完全相同，能够降低各元件的设计、加工成本及装配难度，更利于近眼显示系统1的批量化生产。

同理，当第一反射放大元件21和第二反射放大元件23被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射时，本实施方式提供的近眼显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程如下：将一幅待显示图像在水平方向分为两幅待显示子图像，分别记为第一待显示子图像和第二待显示子图像。如图3所示，照明单元输出照明光束至偏振分光元件13。偏振分光元件13对照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透过。第一相位延迟片15将透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器17传输。第一图像显示器17根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。第一相位延迟片15将所述第一图像显示器17输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件13传输。偏振分光元件13将所述第一相位延迟片15输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述电控光学器件20。对电控光学器件20不施加控制电压，具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线依次透过所述电控光学器件20、第一反射放大元件21和第二反射放大元件23后，其偏振方向被第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第一束子图像光线被反射元件27反射会聚于反射元件27和第二反射放大元件23之间，再次传输至第二相位延迟片25，被第二相位延迟片25转换为非第二线性偏振方向的第一束子图像光线。非第二线性偏振方向的第一束子图像光线中的第一线性偏振方向的第一束子图像光线被第二反射放大元件23反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。同时，偏振分光元件13对照明光束中第二线性偏振方向的光束进行反射至第二图像显示器19。第二图像显示器19根据第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并透过所述偏振分光元件13向电控光学器件20传输。对电控光学器件20施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线被电控光学器件20会聚，会聚后的具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线被第一反射放大元件21反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

在上述过程中，在人眼形成第一待显示子图像和第二待显示子图像的过程为视网膜成像，故在整个显示视场范围内可以清晰成像。可以通过调整所述第一图像显示器17和第二图像显示器19略不同步地输出相应子图像光线，并配合电控光学器件20的工作状态等，利用视觉残留原理，使在人眼分别形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。

真实世界环境光线穿过所述近眼显示系统1进入人眼形成环境图像。

本发明实施例提供的近眼显示系统1通过对光源模组11、偏振分光元件13、第一图像显示器17、第一相位延迟片15、第二图像显示器19、电控光学器件20、第一反射放大元件21、第二反射放大元件23、第二相位延迟片25和反射元件27的巧妙集成与设计，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该近眼显示系统1的视场角等于第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的近眼显示系统体积更小。并且，该近眼显示系统1采用第一图像显示器17和第二图像显示器19两个图像显示器进行显示，相较于采用一个图像显示器，降低了对图像显示器的要求，降低刷新率。同时，该近眼显示系统1基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。

基于上述发明构思，近眼显示系统1的具体结构还可以是，但不限于如图4至10所示。由于图1所示的近眼显示系统1包括图2和图3所示的两种工作原理，而图2和图3所示的工作原理类似，为了节约篇幅，在图4至图6的描述中，仅以图2所示的工作原理为例进行说明。应理解，为了便于描述，图1至图10所示的近眼显示系统1均以单目的形式呈现。本领域技术人员可以根据图1至图10所示的结构推出近眼显示系统1为双目时的结构。

如图4所示，图4为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：电控光学器件20在施加控制电压时，对入射的平行光束(第一束子图像光线)具有发散功能，且施加电压后的电控光学器件20的焦面位于电控光学器件20靠近偏振分光元件13的一侧。即，电控光学器件20在施加控制电压时具有与对平行光束发散作用的负焦距透镜等效的功能。反射元件27的反射工作面具有对平行光束发散的功能，反射元件27的反射焦面设置于反射元件27远离第二相位延迟片25的一侧。第一反射放大元件21和第二反射放大元分别设置为对入射的发散光束具有反射会聚的功能。

可以看出，相比于图1所示的近眼显示系统1，在具有同等的待显示图像显示能力的情况下，图4所示的近眼显示系统1具有更小的尺寸。

如图5所示，图5为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示系统1还包括设置在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23之间的偏振转换元件29，且第二反射放大元件23和第一反射放大元件21的偏振敏感型不同。可选地，在本实施例中，具有线性偏振方向的子图像光线每经过偏振转换元件29能够增加π相位延迟，从而能够使得子图像光线的偏振方向转换为与之正交的偏振方向。即第二反射放大元件23为对具有对第二线性偏振方向的光束进行透过，对第一线性偏振方向的光束进行反射会聚的功能。在进行第二待显示图像显示时，所述第二图像显示器19输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线依次透过所述偏振分光元件13、电控光学器件20和第一反射放大元件21，经偏振转换元件29其偏振方向转换为第二线性偏振方向后透过第二反射放大元件23向相位延迟片传输。传至相位延迟片的具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向被第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被反射元件27反向后再次传输至第二相位延迟片25，被第二相位延迟片25转换为非第二线性偏振方向的第二束子图像光线。非第二线性偏振方向的第二束子图像光线中的第一线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件23反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

需要说明的是，该偏振转换元件29还可以应用于图4、图6、图7、图9和图10中以构成新的近眼显示系统1。

如图6所示，图6为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示系统1还包括吸收型偏振元件31，第一反射放大元件21和第二反射放大元件23为具有连续曲面的凹面反射会聚元件。该吸收型偏振元件31设置在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向，用于对第一线性偏振方向的子图像光线进行吸收，对第二线性偏振方向的子图像光线进行透过，从而消除背景干扰，提高第一待显示子图像和第二待显示子图像的对比度。

由于第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射工作面为连续凹面曲面，其凹面所镀有的偏振反射膜层理论上和实际镀制工艺中并不能完全做到具有百分之百的第二线性偏振方向反射衍射及第一线性偏振方向的透过，因此该吸收型偏振元件31设置在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向，可以对第一线性偏振方向的子图像光线进行吸收，从而消除背景干扰，提高第一待显示子图像和第二待显示子图像的对比度。

同理，对于图1、图4、图5、图7、图9和图10所示的近眼显示系统1，也可以在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向设置吸收型偏振元件31，以消除背景干扰，提高第一待显示子图像和第二待显示子图像的对比度，在此不作赘述。对于图5所示的近眼显示系统1，可以分别在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向设置一种吸收型偏振元件31，分别用于吸收第一线性偏振方向和第二线性偏振方向的子图像光线进行吸收。

请参阅图7，图7为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示系统1还包括光束扩束系统33，所述光束扩束系统33设置于偏振分光元件13和电控光学器件20之间。所述光束扩束系统33用于将具有小尺寸光斑的光束转换为具有大尺寸光斑的光束。该光束扩束系统33不仅可以应用于图1所示的近眼显示系统1以形成图7所示的结构，其还可以应用于图4至图6所示的近眼显示系统1中以形成新的结构，此处所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的电控光学器件20所需要的有效光学口径小，所述的大尺寸光斑是指光束的光斑尺寸与预设置的电控光学器件20所需的有效光学口径一致。

光束扩束系统33通常可以是倒置的望远系统，望远系统一般由物镜和目镜构成，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，具有开普勒和伽利略两种结构形式。望远系统倒置使用时，具有小尺寸光斑的光束首先经过目镜被会聚或发散，再被物镜准直为具有大尺寸光斑的光束。本实施例中通过使用光束扩束系统33，使得具有小尺寸光斑光束的第一图像显示器17和第二图像显示器19能够获得大的光束会聚角度，从而能够实现大的显示视场角。如图7和图8所示，具有小尺寸光斑光束的第一图像显示器17被第一反射放大元件21反射放大后的视场角afa2小于经过光束扩束系统33扩束后的具有大尺寸光斑光束的第一图像显示器17被第一反射放大元件21反射放大后的视场角afa1。

如图9所示，图9为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示系统1还包括光束缩束系统35，所述光束缩束系统35设置于偏振分光元件13和第一反射放大元件21之间。所述光束扩束系统33用于将具有大尺寸光斑的光束转换为具有小尺寸光斑的光束。该光束缩束系统35不仅可以应用于图1所示的近眼显示系统1以形成图7所示的结构，其还可以应用于图4至图6所示的近眼显示系统1中以形成新的结构，此处所述的大尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的电控光学器件20所需要的有效光学口径大，所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸与预设置的电控光学器件20所需的有效光学口径一致。

光束缩束系统35通常可以是一望远系统，望远系统使用时，具有大尺寸光斑的光束首先经过物镜被会聚或发散，再被目镜准直为具有小尺寸光斑的光束。本实施例中通过使用光束缩束系统35，使得具有大尺寸光斑光束的第一图像显示器17和第二图像显示器19能够完全被第一反射放大元件21或第二反射放大元件23反射放大，本实施例中通过使用光束缩束系统35使得大尺寸第一图像显示器17和第二图像显示器19能够用于所述近眼显示系统1且能够获得最优的能量利用。

需要说明的是，偏振分光元件13可以不限于上述实施方式提供的棱镜式结构，其还可以为片状。例如，将图1所示的近眼显示系统1的偏振分光元件13设置为片状，则该近眼显示系统1的结构如图10所示。

本发明实施例提供的近眼显示系统1通过对光源模组11、偏振分光元件13、第一图像显示器17、第一相位延迟片15、第二图像显示器19、电控光学器件20、第一反射放大元件21、第二反射放大元件23、第二相位延迟片25和反射元件27的巧妙集成与设计，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该近眼显示系统1的视场角等于第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的近眼显示系统体积更小。并且，该近眼显示系统1采用第一图像显示器17和第二图像显示器19两个图像显示器进行显示，相较于采用一个图像显示器，降低了对图像显示器的要求，降低刷新率。同时，该近眼显示系统1基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

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

Claims (10)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件；

所述光源模组用于输出照明光束；

所述偏振分光元件设置于所述光源模组的出射光路上，用于对所述光源模组输出的照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透射及对第二线性偏振方向的光束进行反射，所述第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交；

所述第一相位延迟片设置于所述偏振分光元件的第一出射光路上，用于将透射所述偏振分光元件的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器传输；

所述第一图像显示器设置于所述第一相位延迟片的出射光路上，用于根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片传输，其中，每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像，所述第一束子图像光线与第一待显示子图像对应；

所述第一相位延迟片，还用于将所述第一图像显示器输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件传输；

所述第二图像显示器设置于所述偏振分光元件的第二出射光路上，用于根据所述第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件传输，其中，所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应；

所述偏振分光元件，还用于将所述第一相位延迟片输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述第一反射放大元件，及对所述第二图像显示器输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线进行透射至所述第一反射放大元件；

所述电控光学器件设置在所述偏振分光元件的第三出射光路和第一反射放大元件之间，用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚或发散；

所述第一反射放大元件和第二反射放大元件依次设置于所述电控光学器件的出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件，分别用于使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像和使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像，或者分别用于使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像和使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像；

所述第二相位延迟片设置于第二反射放大元件和反射元件之间，用于将第二束子图像光线或第一束子图像光线的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从反射元件反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线的偏振方向转换为非第一线性偏振方向或非第二线性偏振方向；

所述第一图像显示器和第二图像显示器分别输出完所述待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线后，在人眼形成的所述第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像；

真实世界环境光线穿过所述近眼显示系统进入人眼形成环境图像。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚，施加电压后的电控光学器件的焦面位于所述电控光学器件和第一反射放大元件之间；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射会聚，反射元件的反射焦面设置于反射元件近第二反射放大元件的一侧。

3.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行发散，施加电压后的电控光学器件的焦面位于电控光学器件靠近电控液晶偏振元件的一侧；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射发散，所述反射元件的反射焦面设置于所述反射元件远离相位延迟片的一侧。

4.根据权利要求2或3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射。

5.根据权利要求2或3所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射。

6.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件之间的偏振转换元件，且所述第二反射放大元件和第一反射放大元件的偏振敏感型不同。

7.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件的反射会聚方向的吸收型偏振元件。

8.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束扩束系统。

9.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束缩束系统。

10.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示系统，其特征在于，所述光源模组包括照明光源和光束整形合束器。