CN108873505A - 液晶透镜、模组、增强现实设备、眼镜、显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开液晶透镜、模组、增强现实设备、眼镜、显示方法，使得第一液晶层和第二液晶层均等效为菲涅尔透镜结构，达到聚焦效果，同时通过不同的通电控制，使其形成可切换的多种焦距的液晶透镜，可作用于自然光，并且光通过该透镜时没有光损失，能够实现高光效聚焦和变焦。同时，结合显示装置和/或导光装置，能够在不损失光的情况下，使得增强现实设备具有多个空间深度，并且仅仅需要一个液晶透镜即可实现空间深度的调节，增强现实设备占用体积小，此外，本发明的装置或模组中没有偏光片等滤光组件，由显示装置发出的光以及外界的自然光的损失较小，有利于高光效显示。

Description

液晶透镜、模组、增强现实设备、眼镜、显示方法
技术领域
本发明涉及显示技术领域。更具体地，涉及液晶透镜、模组、增强现实设备、眼镜、显示方法。
背景技术
透镜广泛应用于眼镜、增强现实设备等产品中，但目前的透镜无论用于眼镜还是增强现实设备，焦距一般都不可调节，导致眼镜的焦距单一，增强现实设备的功能简单，成像空间深度不可调节，同时在AR显示过程中往往需要配合偏光片使用，光损失较大，无法满足高光效显示的要求。
发明内容
为了解决目前的透镜焦距不可调节，同时在AR显示过程中往往需要配合偏光片使用，光损失较大，无法满足高光效显示的要求的问题，本发明的一个方面提供了一种液晶透镜，包括：
逐层设置的第一透明基板、第二透明基板以及第三透明基板，所述第一透明基板与第二透明基板对盒，所述第二透明基板与第三透明基板对盒；
位于第一透明基板和第二透明基板之间的第一液晶层和位于第二透明基板和第三透明基板之间的第二液晶层，所述第一液晶层与第二液晶层的初始配向方向正交；以及
设于每个透明基板对盒侧的透明电极层；
其中，在任意两个相互对盒的透明基板之间的透明电极层中，至少一个包括逐层设置的第一子电极层和第二子电极层；
第一子电极层包括有N个同心设置的环形光栅单元，相邻两个所述环形光栅单元之间形成第一非电极区域，N为正整数；
第二子电极层包括有与每个第一非电极区域对应设置的补充光栅单元，相邻两个所述补充光栅单元之间形成第二非电极区域。
在一个优选的实施例中，在任意两个相互对盒的透明基板之间，其中一个透明电极层包括逐层设置的第一子电极层和第二子电极层，另一个透明电极层为单层结构并且其正投影覆盖任意一个透明基板。
在另一个优选的实施例中，在同一第一子电极层中，第j个环形光栅单元中的内径为：
第j个环形光栅单元中的外径为：
其中，f1'表示其所在液晶透镜的最小焦距，λ为入射光波长，no为振动方向与液晶长轴方向垂直的光通过液晶时的液晶折射率，j代表环形光栅单元由第一子电极层的中心向外依次排列的排列号，j为小于N的正整数。
在又一个优选的实施例中，所述第一液晶层和第二液晶层的层厚均为：
其中，d为第一液晶层或第二液晶层的层厚，ne为振动方向与液晶长轴方向平行的光通过液晶时的液晶折射率，no为振动方向与液晶长轴方向垂直的光通过液晶时的液晶折射率。
在又一个优选的实施例中，每个环形光栅单元和补充光栅单元通过对应的走线独立供电。
本发明第二方面提供一种液晶透镜模组，包括导光装置和如上所述的液晶透镜。
在一个优选的实施例中，所述导光装置包括：
导光板，所述液晶透镜对应设置于所述导光板的光线入射区域；
光导入光栅，与所述导光板的光线入射区域对应，并位于所述导光板背离所述液晶透镜的一侧；以及
光取出光栅，与所述光导入光栅同侧设置并与所述导光板的光线出射区域对应。
本发明第三方面提供一种多焦距显示模组，包括显示装置和与所述显示装置的光发出区域对应的如上所述的液晶透镜。
在一个优选的实施例中，所述显示装置与所述液晶透镜之间的间距不大于所述液晶透镜的最小可调焦距。
本发明第四方面提供一种增强现实设备，
导光装置，包括光线入射区域和光线出射区域；
显示装置，对应设置于所述导光装置的光线入射区域，所述导光装置用于使从所述显示装置入射至所述导光装置中的光线在所述导光装置中以反射的方式向所述光线出射区域所在方向传播；以及
位于所述显示装置和所述导光装置之间，对应设置于所述导光装置的光线入射区域的如上所述的液晶透镜。
在一个优选的实施例中，所述导光装置包括：
导光板，所述液晶透镜对应设置于所述导光板的光线入射区域；
光导入光栅，与所述导光板的光线入射区域对应，并位于所述导光板背离所述液晶透镜的一侧；以及
光取出光栅，与所述光导入光栅同侧设置并与所述导光板的光线出射区域对应。
本发明第五方面提供一种多焦距眼镜，包括：
眼镜本体，以及设于眼镜本体上的如上所述的液晶透镜。
本发明第六方面提供利用如上所述增强现实设备的显示方法，包括：
将每个包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层上的光栅单元划分为连续多个区间长度为m1的单元区间，对第奇数个或者第偶数个单元区间中的光栅单元通电，以使得该多焦距液晶液晶透镜的焦距值为fa；
将每个包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层上的光栅单元划分为连续多个区间长度为m2的单元区间，对第奇数个或者第偶数个单元区间中的光栅单元通电，以使得该多焦距液晶液晶透镜的焦距值为fb；
m1和m2分别为互不相同的正整数，并且，N/m1和N/m2为正整数，fb＝ m2fa/m1。
本发明的有益效果如下：
本发明公开液晶透镜、模组、增强现实设备、眼镜、显示方法，使得第一液晶层和第二液晶层均等效为菲涅尔透镜结构，达到聚焦效果，同时通过不同的通电控制，使其形成可切换的多种焦距的液晶透镜，可作用于自然光，能够实现聚焦和变焦。同时，结合显示装置和/或导光装置，能够在不损失光的情况下，使得增强现实设备具有多个空间深度，并且仅仅需要一个液晶透镜即可实现空间深度的调节，增强现实设备占用体积小，此外，本发明的装置或模组中没有偏光片等滤光组件，由显示装置发出的光以及外界的自然光的损失较小，有利于高光效显示。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1a示出本发明实施例中液晶透镜的结构示意图之一。
图1b示出本发明实施例中液晶透镜的结构示意图之二。
图1c示出本发明实施例中液晶透镜的结构示意图之三。
图1d示出本发明实施例中液晶透镜的结构示意图之四。
图2示出本发明实施例中包括第一子电极层和第二子电极层的部分结构示意图。
图3示出本发明图2的俯视示意图。
图4示出本发明实施例中的液晶透镜液晶偏转时的结构示意图之一。
图5示出本发明实施例中的液晶透镜液晶偏转时的结构示意图之二。
图6示出本发明实施例中的液晶透镜第一液晶层液晶偏转时的结构示意图。
图7示出本发明实施例中的液晶透镜液晶偏转时的结构示意图之一。
图8示出本发明实施例中的液晶透镜液晶偏转时的结构示意图之二。
图9示出本发明实施例中提供的多焦距显示模组结构示意图。
图10示出本发明实施例中提供的增强现实设备结构示意图。
图11示出本发明实施例中计算AR显示视场角的示意图。
图12示出本发明实施例中半视场角与光栅常数的函数曲线示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
目前增强现实设备存在空间体积较大，无法使整体器件平整化，增加了机械结构设计难度，并且功能简单，成像空间深度不可调节，同时对于与本申请同日申请的专利申请中的增强现实设备中的液晶透镜在不搭配偏光片情况下无法应用于自然光，即使配合偏光片使用，应对自然光时，将自然光无法聚焦的光过滤，使得发射光具有一定的损失，从而降低了发射光的光效，此外，目前的增强现实设备中往往需要配合偏光片、偏振分光棱镜等使用，部分光具有一定损失，使得光损失相对较大。
有鉴于此，为了减小液晶透镜的透光损失，本发明第一方面提供一种液晶透镜，请结合图1a所示，包括：逐层设置的第一透明基板211、第二透明基板212以及第三透明基板213，其中，第一透明基板211和第二透明基板212 对盒；第二透明基板212和第三透明基板213对盒；位于第一透明基板211和第二透明基板212之间的第一液晶层241和位于第二透明基板212和第三透明基板213之间的第二液晶层242，所述第一液晶层241与第二液晶层242的初始配向方向正交；以及设于每个透明基板对盒侧的透明电极层220；其中，在任意两个相互对盒的透明基板之间的透明电极层220中，至少一个包括逐层设置的第一子电极层221和第二子电极层222；第一子电极层221包括有N 个同心设置的环形光栅单元A，相邻两个所述环形光栅单元A之间形成第一非电极区域(图中未标记)，N为正整数；第二子电极层222包括有与每个第一非电极区域对应设置的补充光栅单元B，相邻两个所述补充光栅单元B 之间形成第二非电极区域(图中未标记)。
本领域技术人员应当理解，本实施例中的对应为正投影重叠，即本实施例中，与第一非电极区域对应设置的补充光栅单元，应当理解为第一非电极区域在第一透明基板211、第二透明基板212或第三透明基板213上的正投影与补充光栅单元在第一透明基板211、第二透明基板212或第二透明基板213上的正投影重叠，本发明不予赘述。
当然，液晶透镜中包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层可以设置在对盒的任意一个透明基板上，即如图1b所示出的包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层设置在第二透明基板的两侧，如图1c所示出的包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层设置在第一基板和第三基板对盒侧，以及图1d所示出的包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层设置在第二透明基板靠近第一透明基板的一侧和第三透明基板的对盒侧。
本领域技术人员明了的是，在制作工艺中，可以通过对盒工艺将第一液晶车部分封装在第一透明基板和第二透明基板之间，将第二液晶层封装在第二透明基板和第三透明基板之间，即上述对盒侧应理解为靠近液晶层的一侧，例如以第二透明基板为例，第二透明基板的对盒侧为靠近第一液晶层的一侧和靠近第二液晶层的一侧。
本方面提供的液晶透镜，使得第一液晶层和第二液晶层均等效为菲涅尔透镜结构，达到聚焦效果，同时通过不同的通电控制，使其形成可切换的多种焦距的液晶透镜，可作用于自然光，并且光通过该透镜时没有光损失，能够实现高光效聚焦和变焦。
图1a至图1d仅仅示出了第一液晶层的初始配向为平行于纸面的方向(即图示中的水平方向)，第二液晶层的初始配向为垂直于纸面的方向(即图示中的里外方向)的实施例，在其他可实现的实施例中，第一液晶层的初始配向也可以为垂直于纸面的方向(即图示中的里外方向)，本发明对单个液晶层的初始配向不做限制，但必须的是，第一液晶层的初始配向需要与第二液晶层的初始配向正交。
下面对本方面的聚焦原理进行详细说明，对于第一液晶层或者第二液晶层中的一个，环形光栅单元与补充光栅单元交替排列在两个子电极层上，共同覆盖对应侧的透明基板。对于图1中的第一液晶层，通电时，如图4和5，通电的光栅单元(包括环形光栅单元和补充光栅单元)与对侧的电极层形成电场，使得液晶偏转，邻近的光栅单元断电。由于液晶分子长轴与通过液晶分子的光的偏振方向平行的部分，其相对入射偏振光具有高折射率ne，液晶分子长轴与通过液晶分子的光的偏振方向垂直的部分，其相对于入射偏振光具有低折射率no。第一液晶层中的液晶的长轴方向平行于纸面，自然光等包括有平行于纸面方向的分量光(如图6中的横线表示的光)，以下简称第一振动光，还包括垂直于纸面方向的分量光(如图6中黑点表示的光)，以下简称第二振动光。当不通电时，第一振动光的振动方向与液晶的初始配向同向，具有高折射率ne，第二振动光的振动方向与液晶的初始配向垂直，具有低折射率no。当液晶通电时，第一液晶层中的液晶分子的长轴方向为图示中的竖直方向和水平方向，此时第一振动光的振动方向与通电的液晶长轴垂直，与不通电的液晶长轴平行，因此第一振动光的振动方向与该层液晶的液晶长轴既有垂直部分又有平行的部分，其中垂直部分的折射率为no、平行部分的折射率为ne，而第二振动光的振动方向与液晶分子长轴始终垂直，因此全部具有低折射率 no。也即通电时，第一振动光的折射率有高折射率ne部分，也有低折射率no部分，这样在液晶层盒厚相同的情况下，第一振动光通过通电的光栅单元对应的液晶和通过断电的光栅单元对应的液晶光程不同，从而两者具有固定的光程差，通过对第一子电极层和第二子电极层上的光栅单元的通断电控制，即可使得第一液晶层等效于菲涅尔透镜结构，达到聚焦效果，并且通过不同的通断电控制方式，可以实现对第一振动光的多种焦距的切换。本方面中，第二振动光通电和断电时通过第一液晶层的折射率均为低折射率no，即无论是否通电，第二振动光通过液晶的光程不变，因此第一液晶层对第二振动光无相位调制作用，第一液晶层相对第二振动光相当于普通平板玻璃的作用，可以使得第二振动光直接透过。
同理，在第二液晶层中，第一振动光由于无论是否通电，其通过第二液晶层的折射率都不会改变，因此，第二液晶层相对于第一偏振光相当于普通平板玻璃的作用，但第二振动光通过通电的第二液晶层时，结合图7和图8，由于第二液晶层的初始配向为垂直于纸面的方向，第二振动光的振动方向垂直于纸面，当不通电时，液晶分子的长轴与第二振动光的振动方向同向，因此第二振动光通过第二液晶层时具有高折射率ne，当第二液晶层通电时，液晶分子在电场的作用下偏转为图示中的竖直状态，此时第二振动光的振动方向与液晶分子长轴垂直，其折射率由高折射率ne转变为低折射率no，这样在液晶层厚相同的情况下，第二振动光通过通电的光栅单元对应的液晶和通过断电的光栅单元对应的液晶光程不同，从而两者具有固定的光程差，通过对第一子电极层和第二子电极层上的光栅单元的通断电控制，即可使得第二液晶层等效于菲涅尔透镜结构，达到聚焦效果，并且通过不同的通断电控制方式，可以实现对二振动光的多种焦距的切换。
本方面中，为了能够等效于菲涅尔透镜结构，以实现聚焦效果，需要使得上述固定的光程差为λ/2、3λ/2等，从而使得相位差为π。结合图3所示，在一个优选实施例中，在同一第一子电极层中，第j个环形光栅单元中的内径为：
第j个环形光栅单元中的外径为：
其中，f1'表示其所在液晶透镜的最小焦距，λ为入射光波长(当入射光为白光复色光时，可取λ＝587nm)，no为振动方向与液晶长轴方向垂直的光通过液晶时的液晶折射率，j代表环形光栅单元由第一子电极层的中心向外依次排列的排列号(即图2中的A1、A2、A3至AN)，j为小于N的正整数。这样可以计算出每个环形光栅单元和补充光栅单元的宽度，其宽度的计算公式为：
dj,1＝rj,1-rj-1,2；
dj,2＝rj,2-rj,1；
因此，第一子电极层上的环形光栅单元A1的宽度等于d1,2，A2的宽度等于d2,2，AN的宽度等于dN,2；第二子电极层上的环形光栅单元B1的宽度等于2*d1,1， B2的宽度等于d2,1，BN的宽度等于dN,1,本发明不予赘述。
进一步的，所述第一液晶层和第二液晶层层厚均为：
其中，d为液晶层的层厚，ne为振动方向与液晶长轴方向平行的光通过液晶时的液晶折射率，no为振动方向与液晶长轴方向垂直的光通过液晶时的液晶折射率。
这样每个光栅单元间隔通电时，使得光通过通电液晶和不通电液晶的光程差为λ/2，两束光的相位差为π，假设此时的焦距为f1'，从而可以通过控制连续的2个、3个至m1个光栅单元间隔通断电，使得光通过通电液晶和不通电液晶的光程差为m1λ/2，从而对应的焦距为2f1'、3f1'至m1f1'。
结合图2，将图2中的第一子电极层中的环形光栅单元由中心到两边依次编号为A1、A2、A3…AN，第二子电极层中的补充光栅单元由中心到两边依次编号为B1、B2、B3…BN。其中，每个环形光栅单元之间由于没有电极存在，形成为第一非电极区域，同理每个补充光栅单元之间由于没有电极存在，形成第二非电极区域，显然，第一非电极区域的正投影与补充光栅单元的正投影完全重叠，第二非电极区域的正投影与环形光栅单元的正投影完全重叠，本发明不予赘述。
本领域技术人员明了，在该透镜中，每个第一子电极层的结构应当对应一致，每个第二子电极层的结构应当对应一致，例如，对于图7中，第二子电极层上的补充光栅单元c的正投影与其他第二子电极层上的补充光栅单元c’的正投影完全重叠，这样对于通过对应一致的通电(即当对c通电时，必然的，需要对c’通电)，可以使得第一振动光和第二振动光具有相同的焦距。
当对第一子电极层和第二子电极层上的光栅单元(包括环形光栅单元和补充光栅单元)进行通电控制时，对每个光栅单元间隔供电，即对A1供电， B1断电，A2供电，B2断电，以此类推。这样根据上述描述可以得到焦距为f1'，其聚焦效果如图7所示。
当然，如图8，当对A1、B1通电，A2、B2断电，A3、B3通电，以此类推。这样根据上述描述可以得到焦距为2f1'。
当对A1、B1、A2通电，B2、A3、B3断电，A4、B4、A5通电，B5、A6、B6断电，即可获得焦距为3f1'，本发明不再赘述。
优选的，为了更好地对环形光栅单元和补充光栅单元进行通电控制，每个光栅单元通过对于的走线独立供电。
优选的，在任意两个相互对盒的透明基板之间，其中一个透明电极层包括逐层设置的第一子电极层和第二子电极层，另一个透明电极层为单层结构并且其正投影覆盖任意一个透明基板。这样设置控制简单，该另一个透明电极层仅需要持续通电即可，不需要对两个透明电极层分别控制。
进一步的，结合图1、4和5，为了避免第一子电极层221和第二子电极层222之间的电干扰，在每个第一子电极层221和第二子电极层222之间设置绝缘层250，该绝缘层250起到电隔离的作用。
此外，本发明第二方面提供一种液晶透镜模组，将上述液晶透镜与导光装置结合，结合图10所示的实施例中，所述导光装置包括：导光板31，所述液晶透镜10与所述导光板31光入射区域对应；光导入光栅32与导光板的光线入射区域对应，并位于所述导光板31背离所述液晶透镜10的一侧；以及光取出光栅33，与所述光导入光栅32同侧设置并与所述导光板31的光线出射区域对应。
本实施例中，导光板的光线入射区域位于图中导光板的右侧，液晶透镜 10与导光板的光线入射区域对应应当理解为透过液晶透镜10的光线能够照射至导光板的光线入射区域。此外，光导入光栅的作用为使得入射光通过光导入光栅反射进入导光板，因此导光板中的光导入光栅所在位置与光线入射区域对应，即在图示中光导入光栅位于导光板光线入射区域的“正上方”，同理，光取出光栅所在位置与光线出射区域对应，即在图中光取出光栅位于导光板光线出射区域的“正上方”。
该实施例中，如图12所示，当其用于AR装置时，其光栅常数以及导光板的折射率会决定AR显示的视场角大小，设ω为AR显示的半视场角，ω′为导光板中的折射角，根据折射定律，有：
sinω＝nsinω'
设θ1和θ2为光栅的衍射角，n为导光板的折射率，d为光栅常数 (光栅的周期)，根据光栅方程和导光板全反射条件，上述参数具有一下关系式：
nd sinθ1+nd sinω'＝λ
nd sinθ2-nd sinω'＝λ
整理上述公式可得：
即，半视角ω关于光栅常数d的关系式为：
上式可整理成分段函数，它的函数曲线如下所示，函数曲线图如图 12所示：
因此当时，可得到半视场角的最大值：
半视场角的大小决定了增强现实设备的视野范围，半视场角越大，视场角则越大，相对应的，视野范围越大。
此外，本发明第三方面提供一种多焦距显示模组，请结合图9，包括显示装置10和与显示装置10的光发出区域对应设置的如上所述的液晶透镜20。
同理，上述与对应设置应当理解为由显示装置光发出区域发出的光可以透过液晶透镜20。
当然，显示装置10与液晶透镜20的距离不大于液晶透镜20最小焦距。这样设置能够满足当液晶透镜的焦距为最小焦距时显示装置与液晶透镜的成像要求。
将上述液晶透镜10按如图7所示的方式与显示装置20结合，并使物距-l 小于或等于液晶透镜的任意焦距f′，由光学物象关系，不同焦距的透镜对相同物距的显示装置，可成不同空间深度的虚像。
具体的光学物象关系式如下：
较佳的，可设计物距-l等于液晶透镜的最小焦距f1′，由上式可知，当液晶透镜f′＝f1′时，则像距l′＝∞；当f′＝f2′＝2f1′时，则像距l′＝-2f1′；当液晶透镜f′＝f3′＝3f1′，则像距l′＝-1.5f1′、依次类推，可得到多种空间的成像深度。
本方面中的显示装置可以是LCD、OLED或其他任意显示装置，例如显示装置可以是AR内置的显示器，也可以是插入AR装置中的手机、平板电脑等便携式显示设备。
进一步的，本发明第四方面提供一种增强现实设备，请再次结合图10所示，包括导光装置，包括光线入射区域和光线出射区域；显示装置10，对应设置于所述导光装置的光线入射区域，所述导光装置用于使从所述显示装置 10入射至所述导光装置中的光线在所述导光装置10中以反射的方式向所述光线出射区域所在方向传播；以及位于所述显示装置10和所述导光装置之间，对应设置于所述导光装置的光线入射区域的如上所述的液晶透镜20。
本方面中的显示装置可以是LCD、OLED或其他任意显示装置，例如显示装置可以是AR内置的显示器，也可以是插入AR装置中的手机、平板电脑等便携式显示设备。
本方面中的导光装置与本发明第三方面中的导光装置相同(即对应包括导光板31、光导入光栅32以及光取出光栅33)，本发明不予赘述。
本方面提供的增强现实设备，通过设置液晶透镜、显示装置和导光装置结合，液晶透镜能够在不损失光的情况下，对入射的显示光线进行聚焦，并且液晶透镜还能够调节不同的焦距，从而使得增强现实设备具有多个空间深度，并且仅仅需要一个液晶透镜即可实现焦距的调节，使得增强现实设备占用体积小，此外，整个增强现实设备中没有偏光片等滤光组件，由显示装置发出的光以及外界的自然光的损失小，有利于高光效显示。
此外，本发明第五方面提供一种多焦距眼镜，该眼镜应用本发明第一方面液晶透镜的变焦功能，实现近视、远视的切换，适应性更广。
具体的，在图中未示出的实施例中，该多焦距眼镜包括：眼镜本体，以及设于眼镜本体上的如本发明第一方面中的液晶透镜，现实物像通过所述液晶透镜进入用户的眼部。
当然，作为眼镜变焦使用的焦距范围应当远大于作为调节成像景深的焦距范围，对于具体的调节参数本领域技术人员可以直接计算出，本发明不予赘述。
本方面提供的多焦距眼镜通过对液晶透镜上的第一子电极层和第二子电极层采用不同的供电方式，从而能够实现变焦功能，可以用于近视眼镜、远视眼镜以及平视眼镜，能够适应不同人群，方便快捷，自然光可全部透过，没有光损，因此具有高光效的优点。
更进一步的，本发明第六方面提供一种利用上述增强现实设备显示的方法，包括：
S1将每个包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层上的光栅单元划分为连续多个区间长度为m1的单元区间，对第奇数个或者第偶数个单元区间中的光栅单元通电，以使得该多焦距液晶液晶透镜的焦距值为fa。
具体的，如上所述，例如，m1＝1时，每个环形光栅单元组成一个单元区间，每个补充光栅单元组成一个单元区间，相当于图2中的第一子电极层中的环形光栅单元由中心到两边依次编号为A1、A2、A3……AN加电，第二子电极层中的补充光栅单元由中心到两边依次编号为B1、B2、B3……BN断电，m1＝2 时，相邻的一个环形光栅单元和补充光栅单元共同组成一个单元区间，相当于对A1、B1加电，A2、B2断电，A3、B3加电，以此类推。可获得如图4，此时焦距fa＝f1′。
S2对每个包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层上的光栅单元形成的连续多个区间长度为m2的单元区间上的第奇数个或者第偶数个单元区间中的光栅单元通电，以使得该多焦距液晶液晶透镜的焦距值为fb；
m1和m2分别为互不相同的正整数，并且，N/m1和N/m2为正整数，fb＝ m2fa/m1。
例如，m2＝2，相当于对图2中的A2、B2加电、A3、B3不加电，依次类推，可得到如图5所示的液晶偏转状态，这时的液晶盒光程分布等效于焦距为fb的液晶透镜，且fb＝2f1′。
当然，虽然上述仅仅说明了对第一子电极层和第二子电极层的加电情况，但隐含的，欲使液晶透镜具有焦距，图中覆盖在对应侧单层结构的透明电极层123或者透明电极223应当通电，本发明不予赘述。
本发明提供的显示方法，可以通过通断电的控制方式对上述液晶透镜进行变焦，使得固定在同一位置的显示装置可形成不同空间深度的虚像，可得到多种空间的成像深度，从而实现多空间成像深度的AR显示。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (13)

1.一种液晶透镜，其特征在于，包括：
逐层设置的第一透明基板、第二透明基板以及第三透明基板，所述第一透明基板与第二透明基板对盒，所述第二透明基板与第三透明基板对盒；
位于第一透明基板和第二透明基板之间的第一液晶层和位于第二透明基板和第三透明基板之间的第二液晶层，所述第一液晶层与第二液晶层的初始配向方向正交；以及
设于每个透明基板对盒侧的透明电极层；
其中，在任意两个相互对盒的透明基板之间的透明电极层中，至少一个包括逐层设置的第一子电极层和第二子电极层；
第一子电极层包括有N个同心设置的环形光栅单元，相邻两个所述环形光栅单元之间形成第一非电极区域，N为正整数；
第二子电极层包括有与每个第一非电极区域对应设置的补充光栅单元，相邻两个所述补充光栅单元之间形成第二非电极区域。
2.根据权利要求1所述透镜，其特征在于，在任意两个相互对盒的透明基板之间，其中一个透明电极层包括逐层设置的第一子电极层和第二子电极层，另一个透明电极层为单层结构并且其正投影覆盖任意一个透明基板。
3.根据权利要求2所述透镜，其特征在于，在同一第一子电极层中，第j个环形光栅单元中的内径为：
第j个环形光栅单元中的外径为：
其中，f1'表示其所在液晶透镜的最小焦距，λ为入射光波长，no为振动方向与液晶长轴方向垂直的光通过液晶时的液晶折射率，j代表环形光栅单元由第一子电极层的中心向外依次排列的排列号，j为小于N的正整数。
4.根据权利要求3所述透镜，其特征在于，所述第一液晶层和第二液晶层的层厚均为：
其中，d为第一液晶层或第二液晶层的层厚，ne为振动方向与液晶长轴方向平行的光通过液晶时的液晶折射率，no为振动方向与液晶长轴方向垂直的光通过液晶时的液晶折射率。
5.根据权利要求1所述透镜，其特征在于，每个环形光栅单元和补充光栅单元通过对应的走线独立供电。
6.一种液晶透镜模组，其特征在于，包括导光装置和如权利要求1-5任一项所述的液晶透镜。
7.根据权利要求6所述透镜模组，其特征在于，所述导光装置包括：
导光板，所述液晶透镜对应设置于所述导光板的光线入射区域；
光导入光栅，与所述导光板的光线入射区域对应，并位于所述导光板背离所述液晶透镜的一侧；以及
光取出光栅，与所述光导入光栅同侧设置并与所述导光板的光线出射区域对应。
8.一种多焦距显示模组，其特征在于，包括显示装置和与所述显示装置光发出区域对应设置的如权利要求1-5任一项所述的液晶透镜。
9.根据权利要求8所述模组，其特征在于，所述显示装置与所述液晶透镜之间的间距不大于所述液晶透镜的最小可调焦距。
10.一种增强现实设备，其特征在于，
导光装置，包括光线入射区域和光线出射区域；
显示装置，对应设置于所述导光装置的光线入射区域，所述导光装置用于使从所述显示装置入射至所述导光装置中的光线在所述导光装置中以反射的方式向所述光线出射区域所在方向传播；以及
位于所述显示装置和所述导光装置之间，对应设置于所述导光装置的光线入射区域的如权利要求1-5任一项所述的液晶透镜。
11.根据权利要求10所述设备，其特征在于，所述导光装置包括：
导光板，所述液晶透镜对应设置于所述导光板的光线入射区域；
光导入光栅，与所述导光板的光线入射区域对应，并位于所述导光板背离所述液晶透镜的一侧；以及
光取出光栅，与所述光导入光栅同侧设置并与所述导光板的光线出射区域对应。
12.一种多焦距眼镜，其特征在于，包括：
眼镜本体，以及设于眼镜本体上的如权利要求1-5任一项所述的液晶透镜。
13.一种如权利要求10或11所述增强现实设备的显示方法，其特征在于，包括：
将每个包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层上的光栅单元划分为连续多个区间长度为m1的单元区间，对第奇数个或者第偶数个单元区间中的光栅单元通电，以使得该多焦距液晶液晶透镜的焦距值为fa；
将每个包括第一子电极层和第二子电极层的透明电极层上的光栅单元划分为连续多个区间长度为m2的单元区间，对第奇数个或者第偶数个单元区间中的光栅单元通电，以使得该多焦距液晶液晶透镜的焦距值为fb；
m1和m2分别为互不相同的正整数，并且，N/m1和N/m2为正整数，fb＝m2fa/m1。
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