CN111221143A - 基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置及显示方法，该装置包括依次设置的显示器件、N个变光程器件、透镜组；所述的显示器件用于提供虚拟三维图像；每个所述的变光程器件都包括液晶盒，通过液晶盒的通电和断电实现光路的折叠，从而形成两个光程；N个变光程器件共形成2N种光程；所述的透镜组用于调节已有光程的光路系统，使得系统的物像关系明确。本发明的显示装置中的变光程器件由折叠光路和液晶盒构成，结构简单，且成本较低，由于光程切换长度较为显著，实现了较大景深的近眼3D显示，突破了三维显示在聚焦方面的局限，有效的缓解了视觉辐辏冲突。

Description

基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置及显 示方法

技术领域

本发明涉及近眼三维显示领域，具体涉及一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置及显示方法。

背景技术

三维显示技术是显示技术的一个重要分支，近年来，随着光电技术的发展，VR、AR等显示技术得到了人们的认可，VR和AR将是未来人类和信息交互的有效手段。然而，由于人类生活在三维空间，人眼对信息的采集是基于三维的，且大脑对人眼得到信息的处理方式亦已成习惯，而是目前已有的VR及AR成像方案是基于双目视差的伪3D，丢失了深度信息，这会造成人眼调焦与习惯不符，造成人眼的疲劳即视觉辐辏冲突。

缓解视觉辐辏冲突是AR及VR产品发展道路上必须要解决的问题。Magic leapsone为了缓解视觉辐辏，采用6层波导实现了显示的双深度，但是波导器件本身成本极高，造成Magic leaps混合现实眼镜难以推广，此外，6层波导仅只能实现双深度，对于视觉辐辏的缓解作用较小。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置及显示方法，该显示装置利用折叠光路和液晶盒形成双光程调节器件，多个双光程调节器件共同作用，调节物光方程，结合物镜形成具有2N个物距的透镜；结合显示内容，可实现较大景深的连续可调焦近眼显示系统。具体技术方案如下：

一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，该装置包括依次设置的显示器件、N个变光程器件、透镜组；

所述的显示器件用于提供虚拟三维图像；

每个所述的变光程器件都包括液晶盒，通过液晶盒的通电和断电实现光路的折叠，从而形成两个光程；N个变光程器件共形成2^N种光程；

所述的透镜组用于调节已有光程的光路系统，使得系统的物像关系明确。

进一步地，所述的变光程器件包括依次设置的第一吸收型偏光膜、第一波片、分光膜、第二波片、液晶盒、反射型偏光膜、第二吸收型偏光膜；

所述的第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向与系统光轴垂直，用于对非透射偏振光予以吸收，削弱系统杂散光；

所述的第一波片为λ/4波片，波片快轴与第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向呈+45°；

所述的第二波片为λ/4波片，波片快轴与第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向呈-45°；

所述的液晶盒在断电情况下使得线偏光方向旋转90°，加电情况下液晶盒失去旋光作用；

所述的反射型偏光膜的透射光偏振方向与第一吸收型偏光膜透射光偏振方向相垂直、反射光偏振方向与透射光偏振方向相垂直；

所述的第二吸收型偏光膜的透射光偏振方向与所述的反射型偏光膜的透射光偏振方向相同，用于吸收系统漏出的杂散光。

进一步地，所述的变光程器件包括依次设置的第一吸收型偏光膜、第一反射型偏光膜、无手性的旋光材料层、液晶盒、第二反射型偏光膜、第二吸收型偏光膜；

所述的第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向与系统光轴垂直，用于对非透射偏振光予以吸收，削弱系统杂散光；

所述的第一反射型偏光膜的透射光偏振方向与第一吸收型偏光膜相同，反射光偏振方向与透射光偏振方向相互垂直；

所述的无手性的旋光材料层对线偏振光旋转方向顺着光轴方向顺时针为+，逆时针为-，旋光材料将线偏振光偏振方向沿着光传播方向旋转(-45°+nπ)；

所述的液晶盒在断电情况下使得线偏光方向旋转90°，加电情况下液晶盒失去旋光作用；

所述的第二反射型偏光膜的透射光偏振方向与第一反射型偏光膜透射光偏振方向呈+45°；

所述第二吸收型偏光膜的透射光偏振方向与第二反射型偏光膜透射光偏振方向相同，用于吸收系统漏出的杂散光。

进一步地，优选N等于2或3。

进一步地，所述的显示器件为LCD、Micro OLED、Micro LED、LCOS或DMD。

进一步地，所述的分光膜具体为半透半反膜。

进一步地，所述的无手性的旋光材料层将线偏振光偏振方向沿着光传播方向旋转-45°。

一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置的显示方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：使用人眼识别系统对人眼进行追踪，实时采集追踪人眼得到的眼球聚焦信息；

S2：将所述的眼球聚焦信息反馈给控制器，将所述的变光程三维虚拟现实显示装置的图像焦平面切换至人眼聚焦的深度，从而缓解人眼辐辏冲突。

本发明的有益效果如下：

本发明的显示装置中的变光程器件由折叠光路和液晶盒构成，结构简单，且成本较低，由于光程切换长度较为显著，实现了较大景深的近眼3D显示，突破了三维显示在聚焦方面的局限，有效的缓解了视觉辐辏冲突。此外由于本发明基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置的方法使用人眼识别系统，可以精确的识别人眼聚焦信息，可以将显示系统快速的切换到人眼的焦平面，该方法避免了时序刷新图像造成的分辨率损失，也有效的降低了变光程器件中液晶盒的响应时间要求，可较大幅度的降低系统的成本。

附图说明

图1为本发明的显示装置的实施例一的示意图。

图2为实施例一中的变光程器件的液晶盒断电情况下的光路图。

图3为实施例一中的变光程器件的液晶盒通电情况下的光路图。

图4为本发明的显示装置的实施例二的示意图。

图5为实施例二将变光程器件中液晶盒通电情况下的光路图。

图6为实施例二将变光程器件中液晶盒断电情况下的光路图。

图7为本发明的显示装置的实施例一的示意图，其中的变光程器件为三组。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的核心为系统内部的变光程器件，该变光程器件由折叠光路和液晶盒构成，结构简单，且成本较低。目前用于在三维虚拟现实显示领域缓解视觉辐辏冲突的方法多通过机械变焦透镜组、液晶变焦透镜、或如Facebook用于Oculus的多液晶盒变光程器件；机械变焦透镜组的调节是连续的，且机械变焦透镜组反应速度较慢，难以实现快速切换场景深度，会造成画面与人眼分辨速度不匹配，造成眩晕；液晶变焦透镜多基于菲涅尔透镜，但是由于液晶变焦透镜微结构边缘电场分布不平滑，造成液晶局部取向不均匀，散射较为严重；Facebook提出的多液晶盒变光程器件是基于液晶的双折射，但是众所周知，液晶双折射率Δn较小，且液晶厚度为微米级别，所以实现的光程切换效果太差，难以实现三维显示大深度切换。本发明提出的一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置光程切换显著，实现了较大景深的近眼3D显示，突破了三维显示在聚焦方面的局限，有效的缓解了视觉辐辏冲突。此外由于本发明基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置的方法使用人眼识别系统，可以精确的识别人眼聚焦信息，可以将显示系统快速的切换到人眼的焦平面，该方法避免了时序刷新图像造成的分辨率损失，也有效的降低了变光程器件中液晶盒的响应时间要求，可较大幅度的降低系统的成本。

实施例一

如图1所示，基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，包括：

显示器件1,用于提供虚拟三维图像,优选LCD、Micro OLED、Micro LED、LCOS或DMD等；

第一吸收型偏光膜2，其透射光偏振方向平行于纸面且与系统光轴垂直，用于对非透射偏振光予以吸收，削弱系统杂散光；

第一波片3，其为λ/4波片，波片快轴与第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向呈+45°；

半透半反膜4，其透反比率为50：50；

第二波片5，其也为λ/4波片，波片快轴与第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向呈-45°

液晶盒6，其在断电情况下使得线偏光方向旋转90°，加电情况下液晶盒失去旋光作用；

反射型偏光膜7，其透射光偏振方向与第一吸收型偏光膜2透射光偏振方向相垂直，其反射光偏振方向与其自身的透射光偏振方向相垂直；

第二吸收型偏光膜8，其透射光偏振方向与所述的反射型偏光膜7的透射光偏振方向相同，用于吸收系统漏出的杂散光。

透镜组9，用于调节已有光程的光路系统，使得系统的物像关系明确。

图2为实施例一中的变光程器件的液晶盒断电情况下的光路图。显示器件1出射自然光，经过第一吸收型偏光膜2转变为振动方向与光轴垂直且与纸面平行的线偏光；线偏光经过第一波片3后转变为右旋圆偏光，经过半透半反膜4后，透射光部分通过第二波片5，右旋圆偏光经过第二波片5后还原为线偏光且偏振方向于第一吸收型偏光膜2透射光偏振方向平行，线偏振光随后通过液晶盒6，由于液晶盒6具备旋光作用，所以线偏光偏振方向旋转90°，而反射型偏光膜7的透射偏振方向与第一吸收型偏光膜2的透射偏振方向相互垂直，所以偏振光穿过变光程器件到达透镜组9，在透镜组9的调节作用下，人眼可以得到具有第一种光程的三维图像。

图3为实施例一中的变光程器件的液晶盒通电情况下的光路图。屏幕出射自然光经过第一吸收型偏光膜2转变为振动方向与光轴垂直且与纸面平行的线偏光；线偏光经过第一波片3后转变为右旋圆偏光，经过半透半反膜4后透射部分经过第二波片5，右旋圆偏光经过第二波片5后还原为线偏光且偏振方向与第一吸收型偏光膜2透射光偏振方向平行，线偏振光随后经过液晶盒6，由于液晶盒6加电不具备旋光作用，所以线偏光偏振方向维持原方向，而第二反射型偏光膜7的透射光偏振方向与第一吸收型光膜2的透射光偏振方向相互垂直，反射偏振方向与第一吸收型偏光膜2方向平行，偏振光被全部反射再次透过液晶盒6到达第二波片5，偏振光穿过第二波片5转变为右旋圆偏光，右旋圆偏光到达半透半反膜4被反射，由于反射，右旋圆偏光转变为左旋圆偏光，左旋圆偏光再经过第二波片5后转变为线偏光，且偏振方向与反射型偏光膜7的透射光偏振方向平行，偏振光透过液晶盒6、反射型偏光膜7和第二吸收型偏光膜8后到达透镜组9，在透镜组9的调节作用下，人眼可以得到具有第二种光程的三维图像。

变光程器件具备一定厚度，厚度主要包含波片厚度、液晶盒厚度。若波片厚度为d1，液晶盒厚度d2，则液晶盒在开启状态下，变光程系统所增加的光程为2(d1+d2)。在满足变光程及工艺允许的条件下，应使得d2越小越好。

所述由折叠光路和液晶盒构成的变光程器件具有两个可切换的光程，进一步地，每组变光程器件中的光程差可以通过改变液晶盒的厚度进行调整。

实施例二

将实施例一种的变光程器件中的波片和半透半反膜替换为无手性旋光材料后形成的另一种变光程器件。

实施例二中的显示装置包括：

显示器件10,用于提供虚拟三维图像,优选LCD、Micro OLED、Micro LED、LCOS或DMD等；

第一吸收型偏光膜11，其透射光偏振方向平行于纸面且与系统光轴垂直，用于对非透射偏振光予以吸收，削弱系统杂散光；

第一反射型偏光膜12，其透射光偏振方向与第一吸收型偏光膜11相同，其反射光偏振方向与其自身的透射光偏振方向相互垂直；

无手性的旋光材料层13，其对线偏振光旋转方向顺着光轴方向顺时针为+，逆时针为-，旋光材料将线偏振光偏振方向沿着光传播方向旋转(-45°+nπ)；旋转的角度优选为-45°，从而使得旋光材料层的厚度最小；

液晶盒14，在断电情况下使得线偏光方向旋转90°，加电情况下液晶盒失去旋光作用；

,第二反射型偏光膜15，其透射光偏振方向与第一反射型偏光膜12透射光偏振方向呈+45°；

第二吸收型偏光膜16，其透射光偏振方向与第二反射型偏光膜15透射光偏振方向相同，用于吸收系统漏出的杂散光。

透镜组17，用于调节已有光程的光路系统，使得系统的物像关系明确。

图5为本发明实施例二变光程器件液晶盒断电情况下的光路图。显示器件10出射自然光，经过第一吸收型偏光膜11转变为振动方向垂直于光轴且与纸面平行的线偏光，由于第一吸收型偏光膜11与第一反射型偏光膜12透射光偏振方向相同，所以线偏光100％穿过第一反射型偏光膜11；线偏光经过旋光材料层13，偏振方向旋转-45°，斜45°线偏振光随后经过液晶盒14，由于液晶盒14具备旋光作用，所以线偏光偏振方向旋转90°，而第二反射型偏光膜15、第二吸收型偏光膜16的透射光偏振方向均与第一反射偏光膜12的透射光偏振方向成+45°，所以线偏光全部通过第二反射型偏光膜15和第二吸收型偏光膜16到达透镜组17，在透镜组17的调节作用下，人眼可以得到具有第一种光程的三维图像。

图6为本发明实施例二将变光程器件中液晶盒通电情况下的光路图。显示器件10出射自然光，经过第一吸收型偏光膜11转变为振动方向与光轴垂直于纸片平行的线偏光，由于第一吸收型偏光膜11与第一反射型偏光膜12透射光偏振方向相同，所以线偏光100％穿过第一反射型偏光膜12；线偏光经过旋光材料层13，偏振方向旋转-45°，斜45°线偏振光随后经过液晶盒14，由于液晶盒14加电不具备旋光作用，所以线偏光偏振方向维持原方向，而第二反射型偏光膜15的透射光偏振方向与第一反射偏光膜12的透射光偏振方向成+45°，反射光偏振方向与第一吸收型偏光膜亦成+45°，偏振光被全部反射再次透过液晶盒14到达旋光材料层13，偏振光穿过旋光材料层13偏振方向再旋转-45°，则偏振光偏振方向与第一反射型偏光膜12的反射偏振方向平行，偏振光被反射再次经过旋光材料层13，偏振方向再次旋转-45°，此时，偏振光的偏振方向与第二反射型偏光膜15的透射光偏振方向平行，偏振光透过第二反射型偏光膜15、第二吸收型偏光膜16到达透镜组，在透镜组17的调节作用下，人眼可以得到具有第二种光程的三维图像。

所述变光程器件具备一定厚度，厚度主要包含无手性旋光材料层厚度、液晶盒厚度。若无手性旋光材料层厚度为d3，液晶盒厚度d4，则液晶盒在开启状态下，变光程系统所增加的光程为2(d3+d4)。在满足变光程及工艺允许的条件下，应使得d3和d4越小越好。

所述由折叠光路盒液晶盒构成的变光程器件具有两个可切换的光程，进一步的每组变光程器件中的光程差可以通过改变液晶盒的厚度进行调整。

实施例三

本发明的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，当变光程器件为三个时，具体的变光程器件的结构为实施例一或实施例二，如图7所示，该装置包括：

显示器件18，所述显示器件18用于提供虚拟三维图像，优选LCD、Micro OLED、Micro LED、LCOS或DMD等。

第一变光程器件19，所述第一变光程器件19中的液晶盒为第一液晶盒20。当第一液晶盒20断电时，显示器光线直接通过第一变光程器件，所产生光程为k1；当第一液晶盒20通电时，显示器光线被第一变光程器件19折叠，所产生光程为k2，所述变光程原理见实施例一和实施例二。

第二变光程器件21，所述第二变光程器件21中液晶盒为第二液晶盒22。当第二液晶盒22断电时，通过第一变光程器件19的光线直接通过第二变光程器件21，所产生光程为k3；当第二液晶盒22通电时，光线被第二变光程器件21折叠，所产生光程为k4。

第三变光程器件23，所述第三变光程器件23中液晶盒为第三液晶盒24。当第三液晶盒24断电时，通过第二变光程器件21的光线直接通过第三变光程器件23，所产生光程为k5；当第三液晶盒24通电时，光线被第三变光程器件23折叠，所产生光程为k6。

透镜组25，所述透镜组25用于调节已有光程的光路系统，使得系统的物像关系明确。

由三组变光程器件组成的多光程三维虚拟现实显示装置工作时，可以通过控制第一液晶盒、第二液晶盒和第三液晶盒通断电产生2³＝8种光程。

当第一液晶盒、第二液晶盒和第三液晶盒都断电时，产生光程为k1+k3+k5。

当第一液晶盒通电，第二液晶盒和第三液晶盒断电时，产生光程为k2+k3+k5。

当第一液晶盒和第三液晶盒断电，第二液晶盒通电时，产生光程为k1+k4+k5。

当第一液晶盒和第二液晶盒断电，第三液晶盒通电时，产生光程为k1+k3+k6。

当第一和第三液晶盒通电，第二液晶盒断电时，产生光程为k2+k3+k6。

当第一液晶盒和第二液晶盒通电，第三液晶盒断电时，产生光程为k2+k4+k5。

当第一液晶盒断电，第二液晶盒和第三液晶盒通电时，产生光程为k1+k4+k6。

当第一液晶盒、第二液晶盒和第三液晶盒都断电时，产生光程为k2+k4+k6。

当光路中加入变光程器件数目为N，则可以实现2^N个不同的光程，即对于近眼显示可实现2^N深度平面，可以有效的削弱视觉辐辏冲突，所述变光程器件的变光程值可以通过调整变光程器件的厚度的方法实现。

本发明的显示装置还可以包括固定设备，用于固定显示器件、变光程器件、透镜组及相关驱动设备，使其成为一个适合人眼佩戴的近眼显示系统。

本发明的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置在具体应用时，还可以配合人眼识别系统，从而形成一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置的显示方法，该方法包括如下步骤：

S1：使用人眼识别系统对人眼进行追踪，实时采集追踪人眼得到的眼球聚焦信息；

S2：将所述的眼球聚焦信息反馈给控制器，将所述的变光程三维虚拟现实显示装置的图像焦平面切换至人眼聚焦的深度，从而缓解人眼辐辏冲突。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，其特征在于，该装置包括依次设置的显示器件、N个变光程器件、透镜组；

所述的显示器件用于提供虚拟三维图像；

每个所述的变光程器件都包括液晶盒，通过液晶盒的通电和断电实现光路的折叠，从而形成两个光程；N个变光程器件共形成2^N种光程；

所述的透镜组用于调节已有光程的光路系统，使得系统的物像关系明确。

2.根据权利要求1所述的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，其特征在于，所述的变光程器件包括依次设置的第一吸收型偏光膜、第一波片、分光膜、第二波片、液晶盒、反射型偏光膜、第二吸收型偏光膜；

所述的第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向与系统光轴垂直，用于对非透射偏振光予以吸收，削弱系统杂散光；

所述的第一波片为λ/4波片，波片快轴与第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向呈+45°；

所述的第二波片为λ/4波片，波片快轴与第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向呈-45°；

所述的液晶盒在断电情况下使得线偏光方向旋转90°，加电情况下液晶盒失去旋光作用；

所述的反射型偏光膜的透射光偏振方向与第一吸收型偏光膜透射光偏振方向相垂直、反射光偏振方向与透射光偏振方向相垂直；

所述的第二吸收型偏光膜的透射光偏振方向与所述的反射型偏光膜的透射光偏振方向相同，用于吸收系统漏出的杂散光。

3.根据权利要求1所述的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，其特征在于，所述的变光程器件包括依次设置的第一吸收型偏光膜、第一反射型偏光膜、无手性的旋光材料层、液晶盒、第二反射型偏光膜、第二吸收型偏光膜；

所述的第一吸收型偏光膜的透射光偏振方向与系统光轴垂直，用于对非透射偏振光予以吸收，削弱系统杂散光；

所述的第一反射型偏光膜的透射光偏振方向与第一吸收型偏光膜相同，反射光偏振方向与透射光偏振方向相互垂直；

所述的无手性的旋光材料层对线偏振光旋转方向顺着光轴方向顺时针为+，逆时针为-，旋光材料将线偏振光偏振方向沿着光传播方向旋转(-45°+nπ)；

所述的液晶盒在断电情况下使得线偏光方向旋转90°，加电情况下液晶盒失去旋光作用；

所述的第二反射型偏光膜的透射光偏振方向与第一反射型偏光膜透射光偏振方向呈+45°；

所述第二吸收型偏光膜的透射光偏振方向与第二反射型偏光膜透射光偏振方向相同，用于吸收系统漏出的杂散光。

4.根据权利要求1所述的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，其特征在于，优选N等于2或3。

5.根据权利要求1所述的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，其特征在于，所述的显示器件为LCD、Micro OLED、Micro LED、LCOS或DMD。

6.根据权利要求2所述的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，其特征在于，所述的分光膜具体为半透半反膜。

7.根据权利要求3所述的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置，其特征在于，所述的无手性的旋光材料层将线偏振光偏振方向沿着光传播方向旋转-45°。

8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的基于折叠光路和液晶盒的变光程三维虚拟现实显示装置的显示方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：使用人眼识别系统对人眼进行追踪，实时采集追踪人眼得到的眼球聚焦信息；

S2：将所述的眼球聚焦信息反馈给控制器，将所述的变光程三维虚拟现实显示装置的图像焦平面切换至人眼聚焦的深度，从而缓解人眼辐辏冲突。

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