CN112130330A - 双焦、多焦平面显示系统及应用其的vr或ar设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双焦、多焦平面显示系统及应用其的VR或AR设备，涉及VR/AR设备显示技术领域，用于解决现有的VR或AR设备容易造成人眼视觉疲劳的技术问题。本发明所述的双焦平面显示系统，包括：显示图像源，以及与显示图像源间隔设置的偏振分光棱镜，偏振分光棱镜具有偏振分光面；偏振分光棱镜远离显示图像源的一侧设置有第一1/4波片，第一1/4波片远离偏振分光棱镜的一侧设置有第一反射镜；偏振分光棱镜与第一1/4波片相邻的一侧设置有第二1/4波片，第二1/4波片远离偏振分光棱镜的一侧设置有第二反射镜；第一反射镜与第二反射镜具有不同的焦距。本发明主要应用于VR/AR设备中。
Description
技术领域
本发明涉及VR/AR设备显示技术领域，尤其涉及一种双焦、多焦平面显示系统及应用其的VR或AR设备。
背景技术
虚拟现实技术(英文名称：Virtual Reality，缩写为VR)，又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。
增强现实技术(英文名称：Augmented Reality，缩写为AR)，是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。
然而，本申请发明人发现，现有的VR\AR显示技术大多只能显示一个焦平面，从而会造成人眼聚焦辐辏冲突，进而造成视觉疲劳。
因此，如何提供一种双焦平面、多焦平面显示系统及应用其的VR或AR设备，能够多焦平面显示，以缓解人眼聚焦辐辏冲突，减轻视疲劳，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双焦平面、多焦平面显示系统及应用其的VR或AR设备，用于解决现有的VR或AR设备容易造成人眼视觉疲劳的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双焦平面显示系统，包括：显示图像源，以及与所述显示图像源间隔设置的偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜具有偏振分光面；
所述偏振分光棱镜远离所述显示图像源的一侧设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第一反射镜；
所述偏振分光棱镜与所述第一1/4波片相邻的一侧设置有第二1/4波片，所述第二1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第二反射镜；
所述第一反射镜与所述第二反射镜具有不同的焦距；所述偏振分光面能够用于透射一个偏振态的光线、反射另一个偏振态的光线，例如反射S光透射P光、或反射P光透射S光；所述第一1/4波片和所述第二1/4波片用于实现光线偏振态的转换，例如P光通过两次所述第一1/4波片或所述第二1/4波片转变为S光、S光通过两次所述第一1/4波片或所述第二1/4波片转变为P光。
其中，所述显示图像源采用非偏振光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振开关；
所述偏振开关开启时P光透过、S光吸收，所述偏振开关关闭时S光透过、P光吸收。
具体地，所述偏振开关由液晶开关形成。
其中，所述显示图像源采用偏振态光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振转换器；
所述偏振转换器开启时用于转换光线偏振态，所述偏振转换器关闭时所有偏振态光线透过。
相对于现有技术，本发明所述的双焦平面显示系统具有以下优势：
本发明提供的双焦平面显示系统中，由显示图像源发出的光线a，经过偏振分光棱镜的偏振分光面分光后，透射P偏振光a1反射S偏振光a2，P偏振光a1第一次通过第一1/4波片后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第一反射镜后，第二次通过第一1/4波片后，变为S偏振光a3；S偏振光a2第一次通过第二1/4波片后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第二反射镜后，第二次通过第二1/4波片后，变为P偏振光a4；由于上述偏振分光面透射P光反射S光，因此S偏振光a3反射，P偏振光a4透射；并且，由于第一反射镜和第二反射镜具有不同的焦距，因此光线a3和a4进入人眼成像后，所形成的显示焦平面位置不同，系统就实现了两个焦平面的显示。也即本发明提供的双焦平面显示系统通过偏振分光复用，能够实现两个焦平面的显示，从而有效缓解人眼聚焦辐辏冲突，进而减轻视疲劳。
一种多焦平面显示系统，包括：显示图像源，以及与所述显示图像源间隔设置的偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜具有偏振分光面；
所述偏振分光棱镜远离所述显示图像源的一侧设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第一反射镜；
所述偏振分光棱镜与所述第一1/4波片相邻的一侧设置有第二1/4波片，所述第二1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第二反射镜；
所述第一反射镜与所述第二反射镜均采用动态变焦透镜，且同时具有不同的焦距；所述偏振分光面能够用于透射一个偏振态的光线、反射另一个偏振态的光线，例如反射S光透射P光、或反射P光透射S光；所述第一1/4波片和所述第二1/4波片用于实现光线偏振态的转换，例如P光通过两次所述第一1/4波片或所述第二1/4波片转变为S光、S光通过两次所述第一1/4波片或所述第二1/4波片转变为P光。
具体地，所述动态变焦透镜为液晶透镜或液体透镜，能够通过动态调节电压和/或电流以动态调节焦距。
其中，所述显示图像源采用非偏振光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振开关；
所述偏振开关开启时P光透过、S光吸收，所述偏振开关关闭时S光透过、P光吸收。
具体地，所述偏振开关由液晶开关形成。
其中，所述显示图像源采用偏振态光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振转换器；
所述偏振转换器开启时用于转换光线偏振态，所述偏振转换器关闭时所有偏振态光线透过。
相对于现有技术，本发明所述的多焦平面显示系统具有以下优势：
本发明提供的多焦平面显示系统中，由显示图像源发出的光线a，经过偏振分光棱镜的偏振分光面分光后，透射P偏振光a1反射S偏振光a2，P偏振光a1第一次通过第一1/4波片后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第一反射镜后，第二次通过第一1/4波片后，变为S偏振光a3；S偏振光a2第一次通过第二1/4波片后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第二反射镜后，第二次通过第二1/4波片后，变为P偏振光a4；由于上述偏振分光面透射P光反射S光，因此S偏振光a3反射，P偏振光a4透射；并且，由于第一反射镜和第二反射镜均采用动态变焦透镜，且同时具有不同的焦距(设第一反射镜和第二反射镜分别具有n个动态调节的焦平面)，因此光线a3和a4进入人眼成像后，所形成的显示焦平面位置不同，系统就实现了多个(2n个)焦平面的显示。也即本发明提供的多焦平面显示系统通过偏振分光复用，能够实现多个(2n个)焦平面的显示，从而有效缓解人眼聚焦辐辏冲突，进而减轻视疲劳。
一种VR设备，包括：如上述任一项所述的双焦平面显示系统；
或，如上述任一项所述的多焦平面显示系统。
一种AR设备，包括：如上述任一项所述的双焦平面显示系统；
或，如上述任一项所述的多焦平面显示系统。
所述VR或AR设备与上述双焦平面或多焦平面显示系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双焦平面显示系统的第一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双焦平面显示系统的第二种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双焦平面显示系统的第三种结构示意图；
图4为本发明实施例提供的多焦平面显示系统的结构示意图。
附图标记，图中：
1-显示图像源；21-第一反射镜；22-第二反射镜；20-动态变焦透镜；3-偏振分光棱镜；31-偏振分光面；41-第一1/4波片；42-第二1/4波片；5-偏振开关；6-偏振转换器；
a、a1、a2、a3、a4为光线的传播路径；A为人眼。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的双焦平面、多焦平面显示系统及应用其的VR或AR设备进行详细描述。
本发明实施例提供一种双焦平面显示系统，如图1所示，包括：显示图像源1，以及与显示图像源1间隔设置的偏振分光棱镜3，偏振分光棱镜3具有偏振分光面31；
偏振分光棱镜3远离显示图像源1的一侧设置有第一1/4波片41，第一1/4波片41远离偏振分光棱镜3的一侧设置有第一反射镜21；偏振分光棱镜3与第一1/4波片41相邻的一侧设置有第二1/4波片42，第二1/4波片42远离偏振分光棱镜3的一侧设置有第二反射镜22；
第一反射镜21与第二反射镜22具有不同的焦距；偏振分光面31能够用于透射一个偏振态的光线、反射另一个偏振态的光线，例如反射S光透射P光、或反射P光透射S光；第一1/4波片41和第二1/4波片42用于实现光线偏振态的转换，例如P光通过两次第一1/4波片41或第二1/4波片42转变为S光、S光通过两次第一1/4波片41或第二1/4波片42转变为P光。
相对于现有技术，本发明实施例所述的双焦平面显示系统具有以下优势：
本发明实施例提供的双焦平面显示系统中，由显示图像源1发出的光线a，经过偏振分光棱镜3的偏振分光面31分光后，透射P偏振光a1反射S偏振光a2，P偏振光a1第一次通过第一1/4波片41后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第一反射镜21后，第二次通过第一1/4波片41后，变为S偏振光a3；S偏振光a2第一次通过第二1/4波片42后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第二反射22镜后，第二次通过第二1/4波片42后，变为P偏振光a4；由于上述偏振分光面31透射P光反射S光，因此S偏振光a3反射，P偏振光a4透射；并且，由于第一反射镜21和第二反射镜22具有不同的焦距，因此光线a3和a4进入人眼成像后，所形成的显示焦平面位置不同，系统就实现了两个焦平面的显示。也即本发明实施例提供的双焦平面显示系统通过偏振分光作用，能够实现两个焦平面的显示，从而有效缓解人眼聚焦辐辏冲突，进而减轻视觉疲劳，提高使用的舒适性。
此处需要补充说明的是，当光线以非垂直角度穿透光学元件(如分光镜)的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的；如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p-偏振(也即P偏振光)，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s-偏振(也即S偏振光)。任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。
另一个实施方案中，如图2所示，上述显示图像源1可以采用非偏振光源(例如：OLED光源)，且显示图像源1与偏振分光棱镜3之间设置有偏振开关5；该偏振开关5开启时P光透过、S光吸收，偏振开关5关闭时S光透过、P光吸收，从而显示图像源1的图像需要显示在第一焦面时、则可以开启偏振开关5，需要显示在第二焦面时、则可以关闭偏振开关5。
具体地，上述偏振开关5可以由液晶开关形成。例如：可以是一种偏振旋转开关，其包括第一透明电极、第二透明电极和第三透明电极，第一透明电极和第二透明电极之间设置有第一扭曲向列型液晶，第二透明电极与第三透明电极之间设置有第二扭曲向列型液晶；在第一扭曲向列型液晶和第二扭曲向列型液晶的光线的入射端处的液晶取向相同或相互垂直，且第一透明电极、第二透明电极和第三透明电极均连接到可控供电装置。
在另一个实施方案中，如图3所示，上述显示图像源1可以采用偏振态光源(例如：LCD光源)，且显示图像源1与偏振分光棱镜3之间设置有偏振转换器6；该偏振转换器6开启时用于转换光线偏振态，偏振转换器关闭时所有偏振态光线透过。具体地，假设显示图像源1发光偏振态为P光，显示图像源1的图像需要显示在第一焦面时、则可以关闭偏振转换器6，需要显示在第二焦面时、则可以开启偏振转换器6；若显示图像源1发光偏振态为S光，显示图像源1的图像需要显示在第一焦面时、则可以开启偏振转换器6，需要显示在第二焦面时、则可以关闭偏振转换器6。
本发明实施例提供一种多焦平面显示系统，如图4所示，包括：显示图像源1，以及与显示图像源1间隔设置的偏振分光棱镜3，偏振分光棱镜3具有偏振分光面31；
偏振分光棱镜3远离显示图像源1的一侧设置有第一1/4波片41，第一1/4波片41远离偏振分光棱镜3的一侧设置有第一反射镜21；偏振分光棱镜3与第一1/4波片41相邻的一侧设置有第二1/4波片42，第二1/4波片42远离偏振分光棱镜3的一侧设置有第二反射镜22；
第一反射镜21与第二反射镜22均采用动态变焦透镜20，且同时具有不同的焦距；偏振分光面31能够用于透射一个偏振态的光线、反射另一个偏振态的光线，例如反射S光透射P光、或反射P光透射S光；第一1/4波片41和第二1/4波片42用于实现光线偏振态的转换，例如P光通过两次第一1/4波片41或第二1/4波片42转变为S光、S光通过两次第一1/4波片41或第二1/4波片42转变为P光。
相对于现有技术，本发明实施例所述的多焦平面显示系统具有以下优势：
本发明实施例提供的多焦平面显示系统中，由显示图像源1发出的光线a，经过偏振分光棱镜3的偏振分光面31分光后，透射P偏振光a1反射S偏振光a2，P偏振光a1第一次通过第一1/4波片41后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第一反射镜21后，第二次通过第一1/4波片41后，变为S偏振光a3；S偏振光a2第一次通过第二1/4波片42后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第二反射镜22后，第二次通过第二1/4波片42后，变为P偏振光a4；由于上述偏振分光面31透射P光反射S光，因此S偏振光a3反射，P偏振光a4透射；并且，由于第一反射镜21和第二反射镜22均采用动态变焦透镜20，且同时具有不同的焦距(设第一反射镜21和第二反射镜22分别具有n个动态调节的焦平面)，因此光线a3和a4进入人眼成像后，所形成的显示焦平面位置不同，系统就实现了多个(2n个)焦平面的显示。也即本发明实施例提供的多焦平面显示系统通过偏振分光复用，能够实现多个(2n个)焦平面的显示，从而有效缓解人眼聚焦辐辏冲突，进而减轻视疲劳。
具体地，上述动态变焦透镜20可以为液晶透镜或液体透镜，从而能够通过动态调节电压和/或电流的方式以动态调节焦距。
进一步地，液晶透镜可以包括：相对设置的第一基板与第二基板，设置于第一基板与第二基板间的液晶层；设置于第一基板朝向液晶层一面上的面电极和分压电路，且面电极与分压电路之间电学绝缘；设置于第二基板朝向液晶层一面上的多个条形电极，多个条形电极呈轴对称分布，且在中轴线两侧，与该中轴线距离相同的两个条形电极相对位置上的电位相同；其中，多个条形电极与分压电路电连接，在中轴线一侧，与中轴线距离不同的条形电极分别与分压电路的不同位置电连接。
进一步地，液体透镜是将液体作为透镜通过改变液体的曲率来改变焦距。液体透镜是利用介质上电润湿(EWOD)原理的可变焦光透镜，它可以通过外加电压改变液滴的形状，进而改变其焦距。
其中，上述显示图像源1可以采用非偏振光源(例如：OLED光源)，且显示图像源1与偏振分光棱镜3之间设置有偏振开关5，该偏振开关5可以由液晶开关形成；偏振开关5开启时P光透过、S光吸收，偏振开关5关闭时S光透过、P光吸收，从而显示图像源1的图像需要显示在第一焦面时、则可以开启偏振开关5，需要显示在第二焦面时、则可以关闭偏振开关5。
其中，上述显示图像源1可以采用偏振态光源(例如：LCD光源)，且显示图像源1与偏振分光棱镜3之间设置有偏振转换器6；该偏振转换器6开启时用于转换光线偏振态，偏振转换器6关闭时所有偏振态光线透过。具体地，假设显示图像源1发光偏振态为P光，显示图像源1的图像需要显示在第一焦面时、则可以关闭偏振转换器6，需要显示在第二焦面时、则可以开启偏振转换器6；若显示图像源1发光偏振态为S光，显示图像源1的图像需要显示在第一焦面时、则可以开启偏振转换器6，需要显示在第二焦面时、则可以关闭偏振转换器6。
另外，需要说明的是，本申请的双焦平面显示系统，在应用时，还可以有以下不同的设置方式：
实施例一：
偏振分光棱镜3的偏振分光面31透射P光反射S光，第一反射镜21和第二反射镜22分别为长焦距和短焦距，对应人眼显示平面为第二焦面和第一焦面，通过控制显示图像源1每个像素发光的偏振特性，可以将需要显示在第一焦面的图像源像素的发光特性设置为P光，第二焦面的图像源像素发光特性设置为S光。
实施例二：
偏振分光棱镜3的偏振分光面31透射S光反射P光，第一反射镜21和第二反射镜22分别为长焦距和短焦距，对应人眼显示平面为第二焦面和第一焦面，通过控制显示图像源1每个像素发光的偏振特性，可以将需要显示在第一焦面的图像源像素的发光特性设置为S光，第二焦面的图像源像素发光特性设置为P光。
本发明实施例还提供了一种VR设备，包括：如上述任一项所述的双焦平面显示系统；或，如上述任一项所述的多焦平面显示系统。
本发明实施例还提供了一种AR设备，包括：如上述任一项所述的双焦平面显示系统；或，如上述任一项所述的多焦平面显示系统。
此处需要补充说明的是，本发明实施例所述的VR或AR设备可以是：头戴式虚拟现实设备、虚拟现实手柄图形空间定位装置、头戴式显示器、信号增强器、虚拟现实眼镜盒、虚拟现实头盔、无线操控式数据处理设备、声频交互式信息处理设备、5G眼镜、混合虚拟现实显示装置、远程全景图像实时传输和显示系统、声频交互式信息处理系统、远程全景图像全方位实时传输和显示系统、虚拟现实特征定位系统、用于增强和虚拟现实的系统、三维虚拟和增强现实显示系统、用于从波导中输出不同波长光的架构系统、由可穿戴设备进行面部模型捕获的系统、具有主动中央凹能力的宽视场(FOV)成像设备、整虚拟现实场景参数装置等等。
综上所述，本发明实施例提供的双焦平面、多焦平面显示系统及应用其的VR或AR设备，能够实现两个及两个以上焦平面的显示，从而有效缓解人眼聚焦辐辏冲突，进而减轻视疲劳。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种双焦平面显示系统，其特征在于，包括：显示图像源，以及与所述显示图像源间隔设置的偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜具有偏振分光面；
所述偏振分光棱镜远离所述显示图像源的一侧设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第一反射镜；
所述偏振分光棱镜与所述第一1/4波片相邻的一侧设置有第二1/4波片，所述第二1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第二反射镜；
所述第一反射镜与所述第二反射镜具有不同的焦距；所述偏振分光面能够用于透射一个偏振态的光线、反射另一个偏振态的光线；所述第一1/4波片和所述第二1/4波片用于实现光线偏振态的转换。
2.根据权利要求1所述的双焦平面显示系统，其特征在于，所述显示图像源采用非偏振光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振开关；
所述偏振开关开启时P光透过、S光吸收，所述偏振开关关闭时S光透过、P光吸收。
3.根据权利要求2所述的双焦平面显示系统，其特征在于，所述偏振开关由液晶开关形成。
4.根据权利要求1所述的双焦平面显示系统，其特征在于，所述显示图像源采用偏振态光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振转换器；
所述偏振转换器开启时用于转换光线偏振态，所述偏振转换器关闭时所有偏振态光线透过。
5.一种多焦平面显示系统，其特征在于，包括：显示图像源，以及与所述显示图像源间隔设置的偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜具有偏振分光面；
所述偏振分光棱镜远离所述显示图像源的一侧设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第一反射镜；
所述偏振分光棱镜与所述第一1/4波片相邻的一侧设置有第二1/4波片，所述第二1/4波片远离所述偏振分光棱镜的一侧设置有第二反射镜；
所述第一反射镜与所述第二反射镜均采用动态变焦透镜，且同时具有不同的焦距；所述偏振分光面能够用于透射一个偏振态的光线、反射另一个偏振态的光线；所述第一1/4波片和所述第二1/4波片用于实现光线偏振态的转换。
6.根据权利要求5所述的多焦平面显示系统，其特征在于，所述动态变焦透镜为液晶透镜或液体透镜，能够通过动态调节电压和/或电流以动态调节焦距。
7.根据权利要求5或6所述的多焦平面显示系统，其特征在于，所述显示图像源采用非偏振光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振开关；
所述偏振开关开启时P光透过、S光吸收，所述偏振开关关闭时S光透过、P光吸收。
8.根据权利要求5或6所述的多焦平面显示系统，其特征在于，所述显示图像源采用偏振态光源，且所述显示图像源与所述偏振分光棱镜之间设置有偏振转换器；
所述偏振转换器开启时用于转换光线偏振态，所述偏振转换器关闭时所有偏振态光线透过。
9.一种VR设备，其特征在于，包括：如上述权利要求1-4中任一项所述的双焦平面显示系统；
或，如上述权利要求5-8中任一项所述的多焦平面显示系统。
10.一种AR设备，其特征在于，包括：如上述权利要求1-4中任一项所述的双焦平面显示系统；
或，如上述权利要求5-8中任一项所述的多焦平面显示系统。
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