CN112051675B - 一种近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近眼显示装置，包括：显示屏，用于分时地显示不同的图像；偏振转换器，位于显示屏的出光侧，用于分时地将显示屏显示的不同的图像的出射光转换为第一圆偏振光和第二圆偏振光，第一圆偏振光和第二圆偏振光的旋转方向相反；偏振透镜，位于偏振转换器背离显示屏的一侧；调焦透镜，位于偏振转换器背离显示屏的一侧；偏振透镜和调焦透镜，用于将第一圆偏振光和第二圆偏振光聚焦于不同的焦距，以使不同的图像聚焦于不同的焦距。由偏振透镜作为成像元件可以降低近眼显示装置的整体厚度，为集成化、小型化提供便利。将不同的图像聚焦于不同的焦距，可以实现多焦面光场显示，从而避免人眼长期聚焦在同一焦距而造成的视觉疲劳。

Description

一种近眼显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置。
背景技术
近年来随着虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)和增强现实(AugmentedReality，简称AR)技术的不断发展，近眼显示产品由最初应用于军事领域，逐渐地被广泛应用于影视、教育、医疗等民事领域。由于近眼显示产品的图像源非常小，因此需要距离人眼较近的位置进行设置，才能够使图像可以清晰地成像在人眼可观察的范围之内。这就给近眼显示设备的设计带来较大的难度。
目前的近眼显示设备为实现上述设计要求，限制元件的数量较多，设备的体积大、重量较大，观看者佩戴存在较大的压力，常常发生佩戴不舒适的问题。除此之外，目前的近眼显示装置的焦距固定，人眼在观察显示画面时，无论近景图像还是远景图像都位于相同的像面处，与人眼观看实际景物的情况不符，容易造成视觉疲劳。
发明内容
本发明提供了一种近眼显示装置，可以有效缩短焦距实现轻薄化。
本发明提供一种近眼显示装置，包括：
显示屏，用于分时地显示不同的图像；
偏振转换器，位于所述显示屏的出光侧，用于分时地将所述显示屏显示的不同的图像的出射光转换为第一圆偏振光和第二圆偏振光，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的旋转方向相反；
偏振透镜，位于所述偏振转换器背离所述显示屏的一侧；
调焦透镜，位于所述偏振转换器背离所述显示屏的一侧；
所述偏振透镜和所述调焦透镜，用于将所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光聚焦于不同的焦距，以使不同的图像聚焦于不同的焦距。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述调焦透镜位于所述偏振透镜背离所述偏振转换器的一侧；或者，所述调焦透镜位于所述偏振透镜与所述偏振转换器之间。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述调焦透镜为具有固定焦距的几何光学透镜；
所述显示屏，用于分时地显示第一图像和第二图像；
所述偏振转换器，用于分时地将所述第一图像的出射光转化为第一圆偏振光，将所述第二图像的出射光转化为第二圆偏振光；
所述偏振透镜和所述调焦透镜，用于将所述第一圆偏振光聚焦于第一焦距，将所述第二圆偏振光聚焦于第二焦距。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述调焦透镜为液晶透镜；所述液晶透镜被分时地施加控制信号，以实现分时地具有n个不同的焦距；
所述显示屏，用于分时地显示2n种不同的图像；
所述偏振转换器，用于分时地将所述显示屏显示的n种图像的出射光转化为第一圆偏振光，将所述显示屏显示的其余n种图像的出射光转化为第二圆偏振光；
所述偏振透镜和所述调焦透镜，用于将n种图像的第一圆偏振光聚焦于n个不同的第一焦距，将其余n种图像的第二圆偏振光聚焦于n个不同的第二焦距，各所述第一焦距与各所述第二焦距均不相等；
其中，n为大于等于1的整数。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述显示屏采用液晶显示器、有机发光二极管显示器、微型有机发光二极管显示器、发光二极管显示器或微型发光二极管显示器中的一种。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述显示屏的出射光为线偏振光；
所述偏振转换器为液晶盒，所述液晶盒被分时地施加第一信号和第一信号，在所述第一信号的控制下将所述显示屏的出射光转化为第一圆偏振光，在所述第二信号的控制下将所述显示屏的出射光转化为第二圆偏振光。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述显示屏的出射光线自然光；
所述偏振转换器包括：
偏光片，位于所述显示屏出光侧的，用于将所述显示屏的出射光转化为线偏振光；
液晶盒，位于所述偏光片背离所述显示屏的一侧；所述液晶盒被分时地施加第一信号和第一信号，在所述第一信号的控制下将所述线偏振光转化为第一圆偏振光，在所述第二信号的控制下将所述线偏振光转化为第二圆偏振光。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述液晶盒包括：相对而置的两个基板，位于两个所述基板之间的液晶层，以及分别位于所述基板面向所述液晶层一侧的控制电极；所述控制电极被分时地施加所述第一信号和所述第二信号，在所述第一信号的控制下使所述液晶层产生第一相位延迟量，在所述第二信号的控制下使所述液晶层产生第二相位延迟量。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述显示屏切换显示图像的频率与所述偏振转换器切换相位延迟量的频率相等。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述显示屏的切换频率大于或等于100Hz。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述偏振转换器的切换频率大于或等于100Hz。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述偏振透镜包括：衬底以及位于所述衬底之上的多个微纳结构单元；
所述微纳结构单元的参数设置满足将第一圆偏振光和第二圆偏振光聚焦于不同焦距的条件。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述近眼显示装置中，所述近眼显示装置为虚拟现实设备。
本发明有益效果如下：
本发明提供的近眼显示装置，包括：显示屏，用于分时地显示不同的图像；偏振转换器，位于显示屏的出光侧，用于分时地将显示屏显示的不同的图像的出射光转换为第一圆偏振光和第二圆偏振光，第一圆偏振光和第二圆偏振光的旋转方向相反；偏振透镜，位于偏振转换器背离显示屏的一侧；调焦透镜，位于偏振转换器背离显示屏的一侧；偏振透镜和调焦透镜，用于将第一圆偏振光和第二圆偏振光聚焦于不同的焦距，以使不同的图像聚焦于不同的焦距。由偏振透镜作为成像元件可以降低近眼显示装置的整体厚度，为集成化、小型化提供便利。将不同的图像聚焦于不同的焦距，可以实现多焦面光场显示，从而避免人眼长期聚焦在同一焦距而造成的视觉疲劳。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之二；
图3为本发明实施例提供的PB元件的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的偏振透镜的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的偏振透镜的折射率曲线图；
图6为本发明实施例提供的偏振透镜的工作原理示意图；
图7为本发明实施例提供的液晶盒的工作状态示意图之一；
图8为本发明实施例提供的液晶盒的工作原理示意图；
图9为本发明实施例提供的液晶盒的工作状态示意图之二；
图10为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之三；
图11为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之四。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。本发明的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。
近眼显示装置是指佩戴在用户的眼部的显示设备，例如近眼显示装置通常以眼镜或头盔的形式呈现。近眼显示装置可以为用户提供虚拟现实(VR)体验。VR近眼显示技术是在左右眼对应的近眼显示器上分别显示左右眼的图像，左右眼分别获取带有差异的图像信息后在大脑中可以合成立体视觉。
目前的近眼显示装置还存在体积大，重量大以及成像质量不佳的问题，本发明实施例提供了一种近眼显示装置，用以减轻整机重量，提升成像质量。本发明实施例提供的近眼显示装置可以为虚拟现实设备。具体可以设置为VR眼镜或VR头盔，在此不做限定。
图1和图2为本发明列提供的近眼显示装置的结构示意图，参照图1和图2，本发明实施例提供的近眼显示装置，包括：显示屏100、偏振转换器200、偏振透镜300和调焦透镜400。
本发明实施例中的偏振透镜300为一种几何相位(Pancharatnam-Berry，简称PB)元件，属于超透镜的一种。超透镜在负磁导率、负介电常数、负折射率等方面具有普通透镜材料无法具备的超常物理特性。
图3为本发明实施例提供的PB元件的原理示意图。
参照图3，放置在x-y平面上的任意各向异性人工微结构s(如金属条)，在光线L入射到微结构时，左旋圆偏振光或右旋圆偏振光激发该微结构s会产生x和y方向不同幅度和不同相位的响应电流。沿着两个正交方向的这种差异响应，使得微结构散射的电磁波原则上同时具有左旋圆偏振(LCP)分量和右旋圆偏振(RCP)分量。这个仅依赖旋转角产生的相位为光子态在高纬度空间中发生绝热演化所获取的几何相位。几何相位的一个特征是它仅由入射光的偏振状态和微结构的旋转角度决定。
本发明实施例中的偏振透镜就是利用上述原理而设计的PB元件，图4为本发明实施例提供的偏振透镜的结构示意图。
参照图4，本发明实施例提供的偏振透镜包括：衬底31以及位于衬底之上的多个微纳结构单元32。其中，设置于衬底31之上的微纳结构单元32的尺寸为亚波长量级，因此通过将微纳结构单元32设置为合适的尺寸以及旋转角，按照特定的排列方式组成二维平面结构时，可以对入射光的振幅、相位、偏振等进行灵活调控。偏振透镜不仅了突破了传统材料的电磁属性，它的二维平面结构还克服了三维结构加工难度大等问题，能够降低显示设备的整体厚度，为近眼显示装置集成化、小型化提供便利。
在本发明实施例中，微纳结构单元32在长度、宽度、高度、占空比以及旋转角等方面的参数设置满足将第一圆偏振光和第二圆偏振光聚焦于不同焦距的条件。
图5为本发明实施例提供的偏振透镜的曲线图。
参照图5，本发明实施例中的偏振透镜对于左旋圆偏振光(LCP)和左旋圆偏振光(RCP)入射到偏振透镜不同位置时具有不同的折射率。对于右旋圆偏振光(RCP)，偏振透镜位于中心位置0处的折射率最小，而随着远离中心位置0的距离的增大，折射率增大。那么当右旋圆偏振光(RCP)经过偏振透镜之后，出射光线呈发散状态，即偏振透镜对于右旋圆偏振光(RCP)具的凹透镜的作用。对于左旋圆偏振光(LCP)，偏振透镜位于中心位置0处的折射率最大，而随着远离中心位置0的距离的增大，折射率减小。那么当左旋圆偏振光(LCP)经过偏振透镜之后，出射光线呈会聚状态，即偏振透镜对于左旋圆偏振光(LCP)具的凸透镜的作用。
图6为本发明实施例提供的偏振透镜的工作原理示意图。
参照图6，当平行光线a入射到偏振透镜300时，偏振透镜300会将入射光中的左旋圆偏振光b1会聚于焦点s1处，将入射光线中的右旋圆偏振光b2发散，其反射延长线会聚于焦点s2处。由此可见，偏振透镜300对于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的作用，可以将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光会聚于不同的焦距，两个焦距数值相等，符号相反。
本发明实施例仅以偏振透镜可以对左旋圆偏振光进行会聚，对右旋圆偏振光进行发散为例进行原理说明，在具体实施时，通过调整偏振透镜中的微纳结构单元也可以实现对右旋圆偏振光进行会聚，对左旋圆偏振光进行发散的效果，本发明实施例不对上述两种情况进行限定。
经上述分析可知，偏振透镜300对不同旋转方向的圆偏振光具有不同的焦距，基于这一特点本发明实施例将偏振透镜300应用于近眼显示装置中，来实现对不同的图像聚焦于不同的焦距，以实现多焦面的光场显示，由此来优化近眼显示装置的观看效果。
参照图1和图2，本发明实施例提供的近眼显示装置还包括：显示屏100，位于显示屏出光侧的偏振转换器200，以及位于偏振转换器200背离显示屏100一侧的偏振透镜300和调焦透镜400。
显示屏100，用于分时地显示不同的图像。
在本发明实施例中，显示屏100可以采用液晶显示器、发光二极管显示器、微型发光二极管显示器、有机发光二极管显示器及微型有机发光二极管显示器中的一种，在此不做限定。
液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)主要由背光模组和液晶显示面板构成。液晶显示面板本身不发光，需要依靠背光模组提供的光源实现亮度显示。LCD的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲的电场效应，以控制背光源透射或遮蔽功能，从而将影像显示出来。若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。液晶显示技术成熟，液晶显示屏具有较低的成本且性能优异。
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)显示器是采用LED阵列构成的显示屏，采用LED作为显示子像素，通过控制各LED的显示亮度可以实现图像显示。LED显示器具有高亮度、耗功小、电压需求低、设备小巧便捷等特点。采用LED显示器作为近眼显示装置中的显示屏1，有利于实现近眼显示装置的小型化。
微型发光二极管(Micro-Light Emitting Diode，简称Micro-LED)显示器采用LED芯片作为发光单元，相比于传统的LED，Micro-LED具有更小的尺寸，因此可以在有限的显示区域内设置更多的像素，提高图像分辨率。
有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，简称OLED)显示又称为有机电激光显示、有机发光半导体显示。OLED显示器属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。OLED显示器为自发光型显示屏，因此不需要配备背光模组，器件整体厚度小，有利于将近眼显示装置小型化，更加利于整机安装。
微型有机发光二极管显示器是将有机发光二极管的发光单元微缩化，由此可以在有限尺寸内设置更多的像素，提高显示屏的分辨率。
在本发明实施例中，显示屏100用于分时地显示不同的图像，显示屏100可以按照一定的频率对显示图像进行切换，例如，可以一定的频率切换显示前景图像和背景图像。该切换频率需要大于人眼的可分辨频率，由此避免人眼在观看图像时出现闪烁的问题。
显示屏100所显示的不同的图像最终会被聚焦在不同的焦距，这样可以形成一定的景深范围，实现多焦面的光场显示。人眼在观看这样的图像时更符合观看实际景物的情形，即观察近处景物时远处景物虚化，观看远处景物时近处景物虚化，由此避免长期聚焦在同一焦距引起的视觉疲劳。
偏振转换器200，位于显示屏100的出光侧。
在本发明实施例中，偏振转换器200用于对显示屏100出射光的偏振态进行转化。偏振转换器200用于分时地将显示屏100显示的不同的图像的出射光转换为第一圆偏振光和第二圆偏振光，第一圆偏振光和第二圆偏振光的旋转方向相反。第一圆偏振光可为左旋圆偏振光，第二圆偏振光可为右旋圆偏振光；或者，第一圆偏振光可为右旋圆偏振光，第二圆偏振光可为左旋圆偏振光。
由于偏振透镜300可以将不同旋转方向的圆偏振光聚焦于不同的焦距，因此本发明实施例需要将显示屏100所显示的不同的图像的出射光转换为不同旋转方向的圆偏振光，这样光线在入射到偏振透镜300之后，不同的图像的出射光才可以被聚焦到不同的焦距位置，形成多像面的显示图像。
举例来说，显示屏100可以分时地显示第一图像和第二图像，其中第一图像和第二图像中一个为前景图像一个为背景图像。显示屏100在第一图像和第二图像之间切换。与此同时，偏振转换器200可以在显示屏100显示第一图像时，将第一图像的出射光转化为第一圆偏振光，在显示屏100显示第二图像时，将第二图像的出射光转化为第二圆偏振光。之后，偏振透镜300可以将第一圆偏振光和第二圆偏振光聚焦于不同的焦距位置，以使得第一图像和第二图像成像在不同的像面，实现多焦面显示。
在实际应用中，显示屏100可以采用液晶显示屏或有机发光二极管显示屏，液晶显示屏或有机发光二极管显示屏最外侧均包括偏光层，因此显示屏100出射光为线偏振光，在此情况下，偏振转换器200可以采用液晶盒，用于提供一定的相位延迟量，以使显示屏100出射的线偏振光在经过液晶盒之后转化为圆偏振光。
图7为本发明实施例提供的液晶盒的结构示意图之一。
参照图7，液晶盒包括：相对而置的第一基板201和第二基板202，位于两个第一基板201和第二基板202之间的液晶层203，位于第一基板201面向液晶层203一侧的第一控制电极204，以及位于第二基板202面向液晶层203一侧的第二控制电极205。
在具体实施时，通过对第一控制电极204和第二控制电极205施加不同的控制信号，可以控制液晶层203中的液晶分子产生不同程度的翻转，而液晶分子转换可以产生不同的相位，由此达到提供相位延迟量的作用。
图8为本发明实施例提供的液晶盒的工作原理示意图。
参照图8，当液晶层203中的液晶分子处理某一状态下时，在图8中同一条虚线的位置可以产生相同的相位，在同一条虚线上的各点液晶分子偏转程度，即产生的相位相同，图8上的虚线为等相位线。那么，通过控制第一控制电极204和第二控制电极205可以使液晶分子产生不同程度的偏转，从而产需要的相位，以达到将线偏振光转化为圆偏振光的作用。
在实际应用中，在对第一控制电极204和第二控制电极205施加第一信号时，液晶盒可以产生第一相位延迟量，此时，显示屏100出射的线偏振光在第一相位延迟量的作用下可以转化为第一圆偏振光；对在对第一控制电极204和第二控制电极205施加第二信号时，液晶盒可以产生第二相位延迟量，此时，显示屏100出射的线偏振光在第二相位延迟量的作用下可以转化为第二圆偏振光。由此通过对液晶盒施加信号控制，以使显示屏100分时显示的不同图像可以被转化为旋转方向不同的圆偏振光。
图9为本发明实施例提供的液晶盒的结构示意图之二，以图7和图9所示的液晶盒为例，如图7所示，当对第一控制电极204和第二控制电极205不施加电信号时，即上述的第一信号为0时，液晶层203处于初始状态，此时可以产生第一相位延迟量，使得线偏振光在经过液晶盒之后转化为第一圆偏振光；如图9所示，当对第一控制电极204和第二控制电极205施加第二信号时，液晶层203中的液晶分子相比于初始状态翻转90°，此时可以产生第二相邻延迟量，使得线偏振光经过液晶盒之后转化为第二圆偏振光。
上述的第一相位延迟量和第二相邻延迟量可以使偏振方向相同的线偏振光转换为旋转方向相反的圆偏振光，本发明实施例不对第一相位延迟量和第二相位延迟量的具体取值进行限定。
在本发明另一些实施例中，显示屏100也可以采用发光二极管显示屏或微型发光二极管显示屏，发光二极管显示屏或微型发光二极管显示屏的出射光为自然光，将自然光转化为圆偏振光需要配合偏光片的使用。
图10为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之三。
参照图10，当显示屏100的出射光为自然光时，偏振转换器200包括：偏光片21和液晶盒22。其中，偏光片21位于显示屏100出光侧的，液晶盒22位于偏光片21背离显示屏100的一侧。
偏光片21用于将显示屏100的出射光转化为线偏振光，使线偏振光向液晶盒22出射。液晶盒22用于提供一定的相位延迟量，以使显示屏100偏光片21转化的线偏振光在经过液晶盒之后转化为圆偏振光。
液晶盒22的具体结构和作用与上述实施例相同，可以在第一信号的控制下，使得液晶盒提供第一相位延迟量，以使偏光片21转化的线偏振光在第一相位延迟量的作用下转化为第一圆偏振光；在第二信号的控制下，使得液晶盒提供第二相邻延迟量，以使偏光片21转化的线偏振光在第二相位延迟量的作用下转化为第二圆偏振光。上述第一圆偏振光可以为左旋圆偏振光，第二圆偏振光为右旋圆偏振光，或者，第一圆偏振光为右旋圆偏振光，第二圆偏振光为左旋圆偏振光。在此不做限定。液晶盒的具体工作原理可以参见上述实施例，此处不再赘述。
由此可见，偏振转换器200需要配合显示屏100切换图像的频率进行相位延迟量的调整，例如，显示屏100在以设定频率切换显示第一图像和第二图像的同时，偏振转换器200可以同样的频率进行切换，以使在显示屏100显示第一图像时，偏振转换器200提供第一相位延迟量，从而将第一图像的出射光转化为第一圆偏振光；而在显示屏100显示第二图像时，偏振转换器切换为提供第二相位延迟量，从而将第二图像的出射光转化为第二圆偏振光。
在本发明实施例中，显示屏100切换显示图像的频率与偏振转换器200切换相位延迟量的频率相等。并且，显示屏100的切换频率以及偏振转换器200的切换频率需要大于人眼的可识别频率，由此避免人眼观看到的图像产生闪烁的问题。在具体实施时，显示屏100的切换频率大于或等于100Hz，以大于120Hz为宜；相应地，偏振转换器200的切换频率大于或等于100Hz，以大于120Hz为宜。
偏振转换器200将显示屏100显示的不同的图像的出射光转化为旋转方向不同的圆偏振光之后，圆偏振光向偏振透镜300入射。
参照图1和图2，本发明实施例提供的近眼显示装置还包括：偏振透镜300和调焦透镜400。偏振透镜300和调焦透镜400均位于偏振转换器200背离显示屏100的一侧。
在具体实施时，如图1所示，调焦透镜400可以设置于偏振透镜300背离偏振转换器200的一侧；或者，如图2所示，调焦透镜400也可以设置于偏振透镜300与偏振转换器200之间。将调焦透镜400设置于偏振透镜300背离偏振转换器200的一侧，可以避免光线在经过调焦透镜400时光线的偏振态发生改变，从而可以保证偏振透镜300对转化的第一圆偏振光和第二圆偏振光充分作用。
经上述对偏振透镜300的原理介绍可知，偏振透镜300可以形成两个共轭的焦点，对不同旋转方向的圆偏振光中的一种圆偏振光具有凸透镜的作用，而对于另一种圆偏振光具有凹透镜的作用。这样的偏振透镜300无法应用于近眼显示装置进行成像。
在近眼显示装置中成像镜头一般用于对显示屏的显示图像成正立放大的虚像，因此本发明实施例在近眼显示装置中增加了调焦透镜400，用于对偏振透镜300形成的两个焦距进行调整。调焦透镜400和偏振透镜300构成的光学系统作为近眼显示装置的成像镜头。
调焦透镜400可以将偏振透镜300相当于凹透镜的焦距进行调整，以使两者形成的光学系统等效为凸透镜；同时，调焦透镜400将偏振透镜300相当于凸透镜的焦距进行调整，以使两者形成的光学系统等效为焦距更短的凸透镜。
由此，偏振偏转器200分时地输出第一圆偏振光和第二圆偏振光时，两种圆偏振光可以聚焦于偏振透镜300和调焦透镜400构成的成像镜头的不同焦距处，以形成深度不同的像面，实现多焦面光场显示。人眼在观看不同焦面的图像时具有不同的深度，更加符合人眼观看真实景物时的场景，可以避免长期聚焦在同一焦距引起的视觉疲劳。
如图1和图2所示，在本发明一些实施例中，调焦透镜400可以为具有固定焦距的几何光学透镜，或者调焦透镜400也可以设置为具有固定焦距的透镜组，在此不做限定。上述几何光学透镜可以设置为球面镜、非球面镜或自由曲面镜等形式，根据实际需求进行设置，在此不做限定。
当调焦透镜400具有固定焦距时，调焦透镜400可以对偏振透镜300具有的两个焦距进行调整，因此由偏振透镜300和调焦透镜400构成的光学系统最终具有两个不同的焦距，可以将显示图像聚焦在两个焦面上。
此时，显示屏100，用于分时地显示第一图像和第二图像；偏振转换器200，用于分时地将第一图像的出射光转化为第一圆偏振光，将第二图像的出射光转化为第二圆偏振光；偏振透镜和调焦透镜，用于将第一圆偏振光聚焦于第一焦距，将第二圆偏振光聚焦于第二焦距。由此，可以将第一图像聚焦于第一焦距，将第二图像聚焦于第二焦距，使得第一图像和第二图像产生一定的景深，当人眼观看第一图像时，第二图像模糊；当人眼观看第二图像时，第一图像模糊，与人眼观看真实景物时的感受一致。
图11为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之四。
参照图11，在本发明另一些实施例中，调焦透镜400还可以为液晶透镜。液晶透镜的具体结构与图7和图8所示的液晶盒类似，包括相对置的两个基板，位于两个基板之间的液晶层，以及分别位于液晶层与基板之间的控制电极，通过对控制电极施加信号，可以使得液晶透镜等效为几何光学透镜，而通过施加不同的信号，可以使液晶透镜具有多个焦距。
在本发明实施例中，液晶透镜被分时地施加控制信号，以实现分时地具有n个不同的焦距。当液晶透镜的焦距固定时，在该液晶透镜的作用下，由偏振透镜300和液晶透镜构成的光学系统对不同旋转方向的圆偏振光具有两个不同的焦距，在该状态下，可以将显示屏显示的两种不同的图像聚焦于不同的焦距。那么每次对液晶透镜的焦距进行调整时，均可以实现将两种图像聚焦于不同焦距，那么通过分时地施加控制信号，以使液晶透镜分时地具有不同的焦距，可以使得近眼显示装置具有2个、4个、6个或者更多个焦面，实现多焦面的光场显示。
此时，显示屏100，用于分时地显示2n种不同的图像；偏振转换器200，用于分时地将显示屏100显示的n种图像的出射光转化为第一圆偏振光，将显示屏100显示的其余n种图像的出射光转化为第二圆偏振光；偏振透镜300和液晶透镜，用于将n种图像的第一圆偏振光聚焦于n个不同的第一焦距，将其余n种图像的第二圆偏振光聚焦于n个不同的第二焦距，各第一焦距与各第二焦距均不相等；其中，n为大于等于1的整数。
举例来说，显示屏100分时地显示第一图像、第二图像、第三图像和第四图像。当显示屏100显示第一图像时，偏振转换器200提供第一相位延迟量，以使第一图像的出射光经过偏振转换器200之后转化为第一圆偏振光；当显示屏100显示第二图像时，偏振转换器200提供第二相位延迟量，以使第二图像的出射光经过偏振转换器200之后转化为第二圆偏振光；当显示屏100显示第三图像时，偏振转换器200提供第一相位延迟量，以使第三图像的出射光经过偏振转换器200之后转化为第一圆偏振光；当显示屏100显示第四图像时，偏振转换器200提供第二相位延迟量，以使第四图像的出射光经过偏振转换器200之后转化为第二圆偏振光。
在显示屏100显示第一图像和第二图像时，液晶透镜具有一固定焦距，此时偏振透镜300和液晶透镜构成的光学系统具有第一焦距和第二焦距。第一图像的第一圆偏振光在经过偏振透镜300和液晶透镜之后聚焦于第一焦距，第二图像的第二圆偏振光在经过偏振透镜300和液晶透镜之后聚焦于第一焦距。
在显示屏100显示第三图像和第四图像时，液晶透镜具有另一固定焦距，此时偏振透镜300和液晶透镜构成的光学系统具有第三焦距和第四焦距。第三图像的第一圆偏振光在经过偏振透镜300和液晶透镜之后聚焦于第三焦距，四二图像的第二圆偏振光在经过偏振透镜300和液晶透镜之后聚焦于第四焦距。
由此，当液晶透镜分时地具有两种焦距时，可以实现显示屏显示的四种图像分别焦距于四个不同的焦距，从而实现四焦面的光场显示。当液晶透镜具有更多种焦距时，可以实现更多焦面的光场显示，其工作过程与上述举例类似，在此不做赘述。
本发明提供的近眼显示装置，包括：显示屏，用于分时地显示不同的图像；偏振转换器，位于显示屏的出光侧，用于分时地将显示屏显示的不同的图像的出射光转换为第一圆偏振光和第二圆偏振光，第一圆偏振光和第二圆偏振光的旋转方向相反；偏振透镜，位于偏振转换器背离显示屏的一侧；调焦透镜，位于偏振转换器背离显示屏的一侧；偏振透镜和调焦透镜，用于将第一圆偏振光和第二圆偏振光聚焦于不同的焦距，以使不同的图像聚焦于不同的焦距。由偏振透镜作为成像元件可以降低近眼显示装置的整体厚度，为集成化、小型化提供便利。将不同的图像聚焦于不同的焦距，可以实现多焦面光场显示，从而避免人眼长期聚焦在同一焦距而造成的视觉疲劳。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：
显示屏，用于分时地显示不同的图像；
偏振转换器，位于所述显示屏的出光侧，用于分时地将所述显示屏显示的不同的图像的出射光转换为第一圆偏振光和第二圆偏振光，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的旋转方向相反；
偏振透镜，位于所述偏振转换器背离所述显示屏的一侧；所述偏振透镜用于将所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光分别会聚于两个不同的焦距；所述两个不同的焦距的数值相等，符号相反；
调焦透镜，位于所述偏振转换器背离所述显示屏的一侧，用于对所述偏振透镜的焦距进行调整，使所述调焦透镜与所述偏振透镜形成的光学系统等效为凸透镜；所述调焦透镜为液晶透镜；所述调焦透镜分时地具有多个不同的焦距；
所述偏振透镜和所述调焦透镜，用于将所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光聚焦于不同的焦距，以使不同的图像聚焦于不同的焦距。
2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述调焦透镜位于所述偏振透镜背离所述偏振转换器的一侧；或者，所述调焦透镜位于所述偏振透镜与所述偏振转换器之间。
3.如权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述液晶透镜被分时地施加控制信号，以实现分时地具有n个不同的焦距；
所述显示屏，用于分时地显示2n种不同的图像；
所述偏振转换器，用于分时地将所述显示屏显示的n种图像的出射光转化为第一圆偏振光，将所述显示屏显示的其余n种图像的出射光转化为第二圆偏振光；
所述偏振透镜和所述调焦透镜，用于将n种图像的第一圆偏振光聚焦于n个不同的第一焦距，将其余n种图像的第二圆偏振光聚焦于n个不同的第二焦距，各所述第一焦距与各所述第二焦距均不相等；
其中，n为大于1的整数。
4.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示屏采用液晶显示器、有机发光二极管显示器、微型有机发光二极管显示器、发光二极管显示器或微型发光二极管显示器中的一种。
5.如权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示屏的出射光为线偏振光；
所述偏振转换器为液晶盒，所述液晶盒被分时地施加第一信号和第二信号，在所述第一信号的控制下将所述显示屏的出射光转化为第一圆偏振光，在所述第二信号的控制下将所述显示屏的出射光转化为第二圆偏振光。
6.如权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示屏的出射光线为自然光；
所述偏振转换器包括：
偏光片，位于所述显示屏出光侧的，用于将所述显示屏的出射光转化为线偏振光；
液晶盒，位于所述偏光片背离所述显示屏的一侧；所述液晶盒被分时地施加第一信号和第二信号，在所述第一信号的控制下将所述线偏振光转化为第一圆偏振光，在所述第二信号的控制下将所述线偏振光转化为第二圆偏振光。
7.如权利要求5或6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述液晶盒包括：相对而置的两个基板，位于两个所述基板之间的液晶层，以及分别位于所述基板面向所述液晶层一侧的控制电极；所述控制电极被分时地施加所述第一信号和所述第二信号，在所述第一信号的控制下使所述液晶层产生第一相位延迟量，在所述第二信号的控制下使所述液晶层产生第二相位延迟量。
8.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示屏切换显示图像的频率与所述偏振转换器切换相位延迟量的频率相等。
9.如权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示屏的切换频率大于或等于100Hz。
10.如权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振转换器的切换频率大于或等于100Hz。
11.如权利要求1-6任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振透镜包括：衬底以及位于所述衬底之上的多个微纳结构单元；
所述微纳结构单元的参数设置满足将第一圆偏振光和第二圆偏振光聚焦于不同焦距的条件。
12.如权利要求1-6任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置为虚拟现实设备。
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