CN110058464A - 液晶光子筛结构、近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了液晶光子筛结构、近眼显示装置。该液晶光子筛结构包括层叠设置的第一保护膜、第一电极层、液晶层、第二电极层和第二保护膜，其中，第一电极层由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成。本发明所提出的晶光子筛结构，采用层叠设置的三明治结构，且第一电极层由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成，呈光子筛的形状，如此，在第一电极层和第二电极层的电场作用下，局部液晶层中的液晶分子会发生偏转，从而等效成透镜，进而形成单个的光子筛结构。

Description

液晶光子筛结构、近眼显示装置
技术领域
本发明涉及光学显示设备技术领域，具体的，本发明涉及液晶光子筛结构、近眼显示装置。
背景技术
目前，常规的近眼显示技术主要是通过自由曲面棱镜、普通全息波导、波导棱镜阵列或微透镜阵列来实现。这些常规的近眼显示器件，受限于传统显示面板及其相应配套准直光学元器件的体积和尺寸，很难将近眼显示器件进行很好的集成，而无法真正地做到轻薄化。并且，将光线进行来回折反射的自由曲面棱镜或利用波导棱镜阵列实现三维显示，其折衍波导器件的厚度较大，也就不满足消费类电子产品的发展需求。
此外，常规波导结构类型的近眼显示系统中，往往需要多个衍射光学元件将光线从显示面板耦入到人眼中，而光线在波导中进行传输时由于多次非控制地接触到衍射光学元件，在实际光路中会发生不期望的其他多次衍射及不需要的高阶级次杂散光，这些都会降低光能的利用率。目前，这类结构的近眼显示器件的光能利用率只在2％左右，这对显示面板的发光亮度提出了很高的要求。
发明内容
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
本发明人在研究过程中发现，将液晶光子筛结构设计成上下保护膜、上下电极和液晶层的三明治结构，且其中一个电极设计成光子筛的形状(具体是由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成)，如此，在电场作用下液晶层部分区域中的液晶分子会发生偏转，从而可等效成透镜，进而形成单个的光子筛。进一步，近眼显示装置由微显示器、光子筛成像器件、导光板和耦出元件组成，其中的光子筛成像器件由阵列排布的多个液晶光子筛结构组成，替代了传统的准直光学系统，从而可使近眼显示装置的体积更小、视场更大且成像质量更高，还可为人眼提供更好的使用增强现实体验。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种液晶光子筛结构。
根据本发明的实施例，所述液晶光子筛结构包括层叠设置的第一保护膜、第一电极层、液晶层、第二电极层和第二保护膜，其中，所述第一电极层由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成。
发明人经过研究发现，本发明实施例的液晶光子筛结构，采用层叠设置的三明治结构，且第一电极层由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成，呈光子筛的形状，如此，在第一电极层和第二电极层的电场作用下，局部液晶层中的液晶分子会发生偏转，从而等效成透镜，进而形成单个的光子筛结构。
另外，根据本发明上述实施例的液晶光子筛结构，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述第二电极层在所述第二保护膜上的正投影与所述第一电极层在所述第二保护膜上的正投影完全重合。
根据本发明的实施例，所述第二电极层为面电极。
根据本发明的实施例，所述液晶层由聚合物分散液晶形成，且所述聚合物分散液晶包括苯乙烯-马来酸酐共聚物。
根据本发明的实施例，所述液晶光子筛结构为相位型光子筛。
根据本发明的实施例，所述第一保护膜靠近所述液晶层的表面和所述第二保护膜靠近所述液晶层的表面中的至少之一具有凹槽或凸台，所述凹槽的深度或所述凸台的高度使光形成π相位差。
根据本发明的实施例，所述凹槽或所述凸台在所述第二保护膜上的正投影与所述第一电极层在所述第二保护膜上的正投影完全重合。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种近眼显示装置。
根据本发明的实施例，所述近眼显示装置包括：微显示器；光子筛成像器件，所述光子筛成像器件设置在所述微显示器的出光方向上，且由阵列排布的多个上述的液晶光子筛结构组成；导光板，所述导光板的一个表面上设置有所述光子筛成像器件；以及耦出元件，所述耦出元件设置在所述导光板的一个表面上。
发明人经过研究发现，本发明实施例的近眼显示装置，其微显示器投影出的光线经光子筛成像器件准直并耦入导光板中，经过多次全反射传输后被耦出元件投入至人眼中，如此，通过对光子筛成像器件的电控制，可实现该近眼显示装置在正常显示模式与三维场景模式之间的切换。本领域技术人员能够理解的是，前面针对液晶光子筛结构所描述的特征和优点，仍适用于该近眼显示装置，在此不再赘述。
另外，根据本发明上述实施例的近眼显示装置，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述导光板的纵截面呈直角梯形，且所述光子筛成像器件设置在所述导光板的斜面上，所述耦出元件设置在所述导光板的平面上。
根据本发明的实施例，所述导光板的纵截面呈矩形，且所述光子筛成像器件和所述耦出元件都设置在所述导光板的一个表面上。
根据本发明的实施例，所述耦出元件包括光栅和曲面反射镜。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：
图1是本发明一个实施例的液晶光子筛结构的纵截面结构示意图；
图2是本发明一个实施例的第一电极层的俯视结构示意图；
图3是本发明一个实施例的光子筛的成像原理图；
图4是本发明一个实施例的近眼显示装置的组成示意图；
图5是本发明一个实施例的光子筛成像器件形成的光子筛阵列的示意图；
图6是本发明另一个实施例的近眼显示装置的组成示意图；
图7是本发明另一个实施例的近眼显示装置的组成示意图；
图8是本发明一个实施例的近眼显示装置的显示方法的流程示意图。
附图标记
100 液晶光子筛结构
110 第二保护层
120 第二电极层
130 液晶层
140 第一电极层
141 子电极
150 第一保护层
200 微显示器
300 光子筛成像器件
400 导光板
500 耦出元件
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种液晶光子筛结构。
根据本发明的实施例，参考图1，液晶光子筛结构包括层叠设置的第一保护膜150、第一电极层140、液晶层130、第二电极层120和第二保护膜110，其中，参考图2，第一电极层140由多组周期性环状排列的多个圆形子电极141组成，具体的，每组的多个圆形子电极141间隔分布在同一个圆环上，且同一组的多个圆形子电极141的直径可以都相同，而多组圆形子电极141所在的圆环形成一系列半径不同的同心圆，并且，越靠近圆心的圆形子电极141的直径越大。需要说明的是，“光子筛”具体是指一种用准随机分布的透光孔取代传统的菲涅尔波带片的透光环带而形成的衍射光学元件，它的衍射结构是孔而不是环带，这给光子筛成像器件的优化设计提供了更多的自由度。此外，本文中的“层叠”具体是指从入光面到出光面方向上依次层叠设置，即第一保护膜150的一侧上设置有第一电极层140，第一电极层140远离第一保护膜150的一侧设置有液晶层130，液晶层130远离第一电极层140的一侧设置有第二电极层120，而第二电极层120远离液晶层130的一侧设置有第二保护膜110。
在本发明的一些实施例中，第二电极层120可以为面电极，如此，在给第一电极层140和第二电极层120加电的状态下，只有第一电极层140与第二电极层120重合的区域的液晶分子会偏转，从而使该区域内的折射率变成n1，这与该区域周围液晶分子未偏转而折射率为n2的区域产生一定折射率差，从而等效于透镜的光线偏折效果。
在本发明的另一些实施例中，第二电极层120也可由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成，如此，采用与第一电极层图案相同的第二电极层，可充分保证只有两者重叠区域内的液晶分子发生偏转，从而使加电下的光子筛结构的精度更高。但是，将图案化的第一电极层140与同样图案化的第二电极层120进行对盒时的位置精准度更高。
根据本发明的实施例，形成第一电极层140和第二电极层120的材料，本领域技术人员可根据液晶光子筛结构的实际光学效果进行相应地选择。在本发明的一些实施例中，形成第一电极层140和第二电极层120的材料可包括氧化铟锡(ITO)，如此，采用上述导电性良好的透明材料，不会显著降低透射光的利用率，并且，可通过光刻工艺形成复杂且精细的形状。
在本发明的一些实施例中，液晶层130可由聚合物分散液晶(PDLC)形成，且聚合物分散液晶包括苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)。如此，采用上述具体种类的聚合物分散液晶形成液晶层130，在加电状态下，微球中的液晶分子会偏转，而使微球的折射率变成n1，与周围折射率为n2的聚合物产生一定折射率差，从而等效于透镜的光线偏折效果。并且，PDLC材料在衍射光学的应用中具有优良的电调谐特性，且加工简单、响应速度快，从而选择PDLC作为液晶层的材料。
需要说明的是，光子筛作为一种新型衍射元件，以大量随机分布的小孔代替传统波带片上的亮环，不但具有传统衍射元件体积小、重量轻、可完成聚焦等特性，而且与传统波带片相比，能够在相同最小加工尺寸的条件下获得更高的分辨率与图像对比度，可以很好地应用在增强现实(AR)或虚拟显示(VR)成像领域。具体的光子筛的成像原理，可参考图3。并且，当光子筛的特征尺寸(即最小孔径直径)大于入射光的波长时，可以采用标量衍射理论对光子筛的近轴远场聚焦进行分析。在光子筛中心建立坐标系xyz，像平面坐标为XY。入射光场复振幅为V(x,y)，根据菲涅尔衍射积分公式，光子筛的第n个小孔在像空间点P(X,Y)上的光场为由于小孔面积很小，可以将小孔内光场看作局部平面波，即Vn(x，y)＝Anexp(jkLn)exp{jk[gn(x-xn)+hn(y-yn)])(2)。其中，xn、yn为小孔中心坐标，An为小孔中心处光场振幅。Ln＝L(xn，yn)，在极坐标下将函数进行贝塞尔函数展开，此时X'＝X-xn；Y′＝Y-Yn；这样半径为an的单个小孔的衍射光场为： 实际像平面上光场是众多小孔衍射光场叠加而成，所以整个光子筛在像平面光场分布为在像平面原点处的光场分布为其中，焦距f满足物象关系：说明光子筛的物象关系也可以满足薄透镜的成像关系。所以，在加电状态下，液晶光子筛结构可等效成透镜。
在本发明的一些实施例中，液晶光子筛结构100可以选择相位型光子筛，如此，考虑到光子筛衍射元件的衍射效率，可选择相位型光子筛，在从而可使液晶光子筛结构的透明度更高且光效果更高。在一些具体示例中，第一保护膜150靠近液晶层130的表面和第二保护膜110靠近液晶层130的表面中的至少之一可以设置有凹槽或凸台，且凹槽的深度或凸台的高度可使光形成π相位差，如此，在基底上加工出具有π相位差的小槽或凸台，可进一步加强相位型光子筛的光效。并且，凹槽或凸台在第二保护膜110上的正投影与第一电极层140在第二保护膜110上的正投影可以完全重合，如此，通过凹槽的深度或凸台的高度与液晶层的光程差叠加，可更进一步加强相位型光子筛的光效。
根据本发明的实施例，形成第一电极层140的多个圆形子电极141的具体参数，其每个圆形的直径、同一环上排布的多个圆形的圆心间距、或者不同圆环的环宽，等等，本领域技术人员可根据加电状态下形成的光子筛的实际光学效果进行相应的设计。并且，光子筛光瞳面上孔密度的优化布局与各对应环带上的孔的随机分布能有效抑制衍射旁瓣，削弱轴向高阶衍射，改善成像质量，提高光能利用率。
此外，与波带片的分辨率受最小环带宽度的加工能力限制不同的是，光子筛的分辨率不再决定于最小的衍射结构特征尺寸，这就降低了对最小线宽加工技术的要求。而且，光子筛是一个膜层衍射元件，不需要额外制作各个微纳孔之间的支撑结构。光子筛具有体积小、重量轻、易复制和高分辨力等特性，结合光波导能为人眼提供更好地更舒适的增强现实体验。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种液晶光子筛结构，采用层叠设置的三明治结构，且第一电极层由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成，呈光子筛的形状，如此，在第一电极层和第二电极层的电场作用下，局部液晶层中的液晶分子会发生偏转，从而等效成透镜，进而形成单个的光子筛结构。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种近眼显示装置。
根据本发明的实施例，参考图4，近眼显示装置可包括微显示器200、光子筛成像器件300、导光板400以及耦出元件500；其中，光子筛成像器件300设置在微显示器200的出光方向上；导光板400的一个表面上设置有光子筛成像器件300；耦出元件500设置在导光板400的一个表面上。具体的，光子筛成像器件300由阵列排布的多个上述的液晶光子筛结构100组成，其在加电状态下形成的光子筛阵列可参考图5，其中，白色区域代表光子筛上的透光微孔的排列，也是光子筛成像器件300的第一电极层的具体形状。如此，在加电的状态下，微显示器200不同像素区域上加载对应预先处理好的不同视角下3D场景的二维图像，同时，光子筛成像器件300等效于超透镜阵列的透明光子筛阵列，所以，光子筛成像器件300直接将微显示器200上发出的光线进入导光板400中，从而实现人眼处的二维图像与背景环境的叠加，进而实现3D观看模式。
需要说明的是，由于光子筛阵列具有体积小、重量轻、易复制和高分辨力等特性，所以，光子筛成像器件相较于波带片、全息透镜等衍射光学元件，具有更好的成像能力和更小的加工制作难度。因此，本发明将光子筛用于近眼显示装置中，代替了传统的准直光学系统，可减轻体积近眼显示装置。并且，相较于全系透镜等其他具有光焦度的衍射光学元件，光子筛成像器件具有更大的视场和更高的成像质量，可为人眼提供更好的使用增强现实体验。而且，光子筛成像器件还可通过调制窗函数来控制光子筛上的透光微孔的排列，从而达到能有效抑制旁瓣，削弱轴向高阶衍射的功能。因此，该近眼显示装置通过导光板及光子筛成像器件的共同作用，耦合进入导光板中进行有效全反射的光线比普通衍射光学元件(例如全息透镜，存在零级及其他高阶衍射级次不能被利用)更多，从而使该近眼显示装置的光能利用率越高。
在本发明的一些实施例中，参考图6，导光板400的纵截面可以呈直角梯形，且光子筛成像器件300可设置在直角梯形状的导光板300的斜面上，而耦出元件500可设置在直角梯形状的导光板500的底面上，具体例如耦出元件500设置在直角梯形状的导光板500的上底面上。如此，采用特殊的楔形导光板400，可使光子筛成像器件300对微显示器200实现光线准直效果。
具体的，在加电状态下，光子筛成像器件300形成透明光子筛阵列而等效成超透镜阵列，如此，微显示器200上发出的光线经光子筛成像器件300准直并垂直入射到楔形导光板400的斜面方向，并耦入至导光板400中再经多次全反射传输，最后被耦出元件500耦入至出瞳位置处为人眼所观察，形成一幅放大的虚像，在不影响正常外界环境光透过的同时人眼处能观看到所放大的2D场景图像，从而可开启近眼显示装置的增强现实显示观看模式，即三维场景模式。在非加电状态下，光子筛成像器件300呈普通透明模式(不产生任何衍射效应)，如此，人眼只正常观察外界环境，从而可开启近眼显示装置的正常模式。
此外，还可通过对驱动电路的控制，具体例如改变控制光子筛成像器件300的驱动电压，使得在光子筛成像器件300的局部位置加电，形成单个光子筛，如此，光子筛成像器件400等效于具有高分辨率(NA值高)的单透镜，代替传统近眼显示装置中的多个光学透镜组，从而，在不影响正常外界环境光透过的同时人眼处还能观看到所放大的2D场景图像。或者，可通过动态调节驱动电压，实现光子筛成像器件300的焦距的可调制，如此，能实现图像在远处成像位置的调节以及图像的放大或缩小，从而为近视及远视人群提供更加方便的佩戴体验。
根据本发明的实施例，微显示器200可以位于无限接近光子筛成像器件300的焦平面位置处，如此，光子筛成像器件300可直接将微显示器200上发出的光线准直进入导光板400中，代替了传统近眼显示装置中准直投影光学系统，从而减轻装置的重量和体积，进而使该近眼显示装置更加轻薄。
在本发明的另一些实施例中，参考图7，导光板400的纵截面还可呈矩形，且光子筛成像器件300和耦出元件500都可设置在导光板400的一个表面上。如此，非楔形的导光板400，与离轴型设计的光子筛成像器件300组合，在加电状态下，微显示器200上某点发出的光线平行进入导光板400并具有一定角度(大于全反射角)地向前传输。
在本发明的一些实施例中，耦出元件500可包括光栅和曲面反射镜，如此，可调整耦入至人眼的虚像的视角。在本发明的一些具体示例中，参考图6，耦出元件500可以为光栅，具体例如平面光栅或布拉格体光栅等，如此，可将在导光板400中全反射后的光线耦出至人眼。在本发明的另一些具体示例中，参考图8，耦出元件500也可为曲面反射镜，如此，由于光栅衍射光学元件具有很强的色散性，且在光线传输至光栅上时会产生多次衍射及多级次衍射，而容易导致系统光效降低，并产生的杂散光不易消，从而降低了近眼显示装置的显示分辨率，所以，选择曲面反射镜作为耦出元件500，可将平行光线按一定角度反射，以满足不同视场角的光线以特定角度耦出投射至人眼，进一步增强3D效果，而且自由曲面反射镜还可起到矫正像差的作用，从而使人眼观察到的图像具有更亮更清晰的画质。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种近眼显示装置，该基于光子筛阵列的近眼显示装置舍弃了传统的光学准直系统，使光线经过两个膜层衍射光学元件衍射后投影至人眼处，可显著地减小近眼显示装置的体积，并增大系统的视场角，且提高系统的成像质量，从而为未来近眼显示及AR/VR技术的发展提供了一个新的发展方向。
在本发明的另一个方面，本发明提出了一种近眼显示装置的显示方法。
根据本发明的实施例，参考图4，近眼显示装置包括微显示器200、光子筛成像器件300、导光板400和耦出元件500，其中，光子筛成像器件300设置在微显示器200的出光方向上，导光板400的一个表面上设置有光子筛成像器件300，耦出元件500设置在导光板400的一个表面上；且参考图8，该显示方法包括：
S100：确定显示模式。
在该步骤中，根据该近眼显示装置的使用者的环境，确定显示模式，显示模式可包括正常模式和三维场景模式。在本发明的一些实施例中，显示模式还可进一步包括二维放大模式，如此，方便近视或远视人群使用者的裸眼体验。
S200：基于步骤S100所确定的显示模式，调整光子筛成像器件的光学模式。
在该步骤中，基于步骤S100所确定的显示模式，调整光子筛成像器件的光学模式；其中，针对正常模式，光子筛成像器件可采用透明模式(不产生任何衍射效应)；针对三维场景模式，光子筛成像器件可采用超透镜模式(例如图5所示的光子筛阵列)。在本发明的一些实施例中，针对二维放大模式，光子筛成像器件还可采用单个光子筛模式。
在本发明的一些实施例中，不对光子筛成像器件施加电压，如此，在非加电状态下，光子筛成像器件可以呈透明模式，从而人眼只正常观察外界环境，进而可实现近眼显示装置的正常模式。
在本发明的一些实施例中，对光子筛成像器件施加第一电压，如此，在加电状态下，可使光子筛成像器件呈超透镜模式，从而将微显示器投影出的2D维图像耦出至人眼处形成虚像，在不影响外界正常环境光透过的同时人眼处能观看到2D场景图像，从而可实现近眼显示装置的三维场景模式。
根据本发明的实施例，第一电压的具体大小，本领域技术人员可根据光子筛成像器件形成的光子筛阵列的实际光学效果进行相应地设计，在此不再赘述。
在本发明的一些实施例中，对光子筛成像器件施也可加第二电压，如此，可通过对驱动电路的控制，使得在光子筛成像器件的局部位置加电，光子筛成像器件形成单个光子筛，而使光子筛成像器件等效于具有高分辨率(NA值高)的单透镜，从而在不影响正常外界环境光透过的同时人眼处还能观看到所放大的2D场景图像。
根据本发明的实施例，第二电压的具体大小，本领域技术人员可根据光子筛成像器件形成的光子筛阵列的实际光学效果进行相应地设计，在此不再赘述。并且，也可通过动态调节第二电压，实现光子筛成像器件的焦距的可调制，如此，还能实现图像在远处成像位置的调节以及图像的放大或缩小，从而为近视及远视人群提供更加方便的佩戴体验。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种显示方法，基于近眼显示装置的结构，根据显示模式调整光子筛成像器件的光学模式，其中，针对正常模式使光子筛成像器件采用透明模式，针对三维场景模式使光子筛成像器件采用超透镜模式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种液晶光子筛结构，其特征在于，包括层叠设置的第一保护膜、第一电极层、液晶层、第二电极层和第二保护膜，其中，所述第一电极层由多组周期性环状排列的多个圆形子电极组成。
2.根据权利要求1所述的液晶光子筛结构，其特征在于，所述第二电极层在所述第二保护膜上的正投影与所述第一电极层在所述第二保护膜上的正投影完全重合。
3.根据权利要求1所述的液晶光子筛结构，其特征在于，所述第二电极层为面电极。
4.根据权利要求1所述的液晶光子筛结构，其特征在于，所述液晶层由聚合物分散液晶形成，且所述聚合物分散液晶包括苯乙烯-马来酸酐共聚物。
5.根据权利要求1所述的液晶光子筛结构，其特征在于，所述液晶光子筛结构为相位型光子筛。
6.根据权利要求5所述的液晶光子筛结构，其特征在于，所述第一保护膜靠近所述液晶层的表面和所述第二保护膜靠近所述液晶层的表面中的至少之一具有凹槽或凸台，所述凹槽的深度或所述凸台的高度使光形成π相位差。
7.根据权利要求6所述的液晶光子筛结构，其特征在于，所述凹槽或所述凸台在所述第二保护膜上的正投影与所述第一电极层在所述第二保护膜上的正投影完全重合。
8.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：
微显示器；
光子筛成像器件，所述光子筛成像器件设置在所述微显示器的出光方向上，且由阵列排布的多个权利要求1～7中任一项所述的液晶光子筛结构组成；
导光板，所述导光板的一个表面上设置有所述光子筛成像器件；以及
耦出元件，所述耦出元件设置在所述导光板的一个表面上。
9.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述导光板的纵截面呈直角梯形，且所述光子筛成像器件设置在所述导光板的斜面上，所述耦出元件设置在所述导光板的平面上。
10.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述导光板的纵截面呈矩形，且所述光子筛成像器件和所述耦出元件都设置在所述导光板的一个表面上。
11.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述耦出元件包括光栅和曲面反射镜。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110764241A (zh) * 2019-11-29 2020-02-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种多焦距离轴三反成像光学系统
CN111273441A (zh) * 2020-02-25 2020-06-12 业成科技（成都）有限公司 光学模组及电子设备
CN111458880A (zh) * 2020-05-09 2020-07-28 三生万物(北京)人工智能技术有限公司 一种波导光场显示装置和头戴式增强现实眼镜

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1867859A (zh) * 2003-10-14 2006-11-22 碧理科技有限公司 液晶像差校正元件
CN101099102A (zh) * 2004-11-08 2008-01-02 立体播放有限公司 包括微镜的可变焦距透镜
CN101261407A (zh) * 2004-09-27 2008-09-10 碧理科技有限公司 具有光学变焦功能的液晶元件及其制造方法
CN102736352A (zh) * 2012-07-04 2012-10-17 信利半导体有限公司 电子产品及其液晶变焦透镜
CN102763020A (zh) * 2010-02-26 2012-10-31 独立行政法人科学技术振兴机构 显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置
CN102809867A (zh) * 2012-08-14 2012-12-05 深圳超多维光电子有限公司 一种立体显示装置
CN104102063A (zh) * 2014-08-11 2014-10-15 信利半导体有限公司 液晶透镜制作方法及液晶透镜
US20150138498A1 (en) * 2013-11-15 2015-05-21 National Chiao Tung University Electro-optical liquid crystal device
CN105446028A (zh) * 2016-01-08 2016-03-30 京东方科技集团股份有限公司 一种液晶透镜板和显示装置
CN106444176A (zh) * 2016-10-31 2017-02-22 宁波视睿迪光电有限公司 液晶透镜阵列及立体显示装置
CN106526993A (zh) * 2017-01-13 2017-03-22 京东方科技集团股份有限公司 一种液晶显示器及其驱动方法
CN106647060A (zh) * 2017-01-04 2017-05-10 京东方科技集团股份有限公司 一种液晶透镜、显示装置及控制方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1867859A (zh) * 2003-10-14 2006-11-22 碧理科技有限公司 液晶像差校正元件
CN101261407A (zh) * 2004-09-27 2008-09-10 碧理科技有限公司 具有光学变焦功能的液晶元件及其制造方法
CN101099102A (zh) * 2004-11-08 2008-01-02 立体播放有限公司 包括微镜的可变焦距透镜
CN102763020A (zh) * 2010-02-26 2012-10-31 独立行政法人科学技术振兴机构 显微镜装置、光拾取装置以及光照射装置
CN102736352A (zh) * 2012-07-04 2012-10-17 信利半导体有限公司 电子产品及其液晶变焦透镜
CN102809867A (zh) * 2012-08-14 2012-12-05 深圳超多维光电子有限公司 一种立体显示装置
US20150138498A1 (en) * 2013-11-15 2015-05-21 National Chiao Tung University Electro-optical liquid crystal device
CN104102063A (zh) * 2014-08-11 2014-10-15 信利半导体有限公司 液晶透镜制作方法及液晶透镜
CN105446028A (zh) * 2016-01-08 2016-03-30 京东方科技集团股份有限公司 一种液晶透镜板和显示装置
CN106444176A (zh) * 2016-10-31 2017-02-22 宁波视睿迪光电有限公司 液晶透镜阵列及立体显示装置
CN106647060A (zh) * 2017-01-04 2017-05-10 京东方科技集团股份有限公司 一种液晶透镜、显示装置及控制方法
CN106526993A (zh) * 2017-01-13 2017-03-22 京东方科技集团股份有限公司 一种液晶显示器及其驱动方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110764241A (zh) * 2019-11-29 2020-02-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种多焦距离轴三反成像光学系统
CN110764241B (zh) * 2019-11-29 2022-09-06 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种多焦距离轴三反成像光学系统
CN111273441A (zh) * 2020-02-25 2020-06-12 业成科技（成都）有限公司 光学模组及电子设备
CN111458880A (zh) * 2020-05-09 2020-07-28 三生万物(北京)人工智能技术有限公司 一种波导光场显示装置和头戴式增强现实眼镜

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