CN113156693A - 一种光学成像系统及头戴式显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种光学成像系统及头戴式显示设备，涉及增强现实领域，解决了用户的观看体验较低的问题。该光学成像系统包括偏振片、偏振转换器、1/4波片、第一反射式液晶和第二反射式液晶。偏振片，用于透射第一偏振光；偏振转换器，用于透射第一偏振光，或者用于将第一偏振光转换为第二偏振光；1/4波片用于将偏振转换器输出的偏振光转换为圆偏振光，偏振转换器输出的偏振光为第一偏振光或第二偏振光，圆偏振光为第一圆偏振光或第二圆偏振光；第一反射式液晶用于反射圆偏振光，或者，用于透射圆偏振光且第二反射式液晶用于反射圆偏振光。本申请实施例用于增强现实的过程。

Description

一种光学成像系统及头戴式显示设备
技术领域
本申请实施例涉及增强现实领域，尤其涉及一种光学成像系统及头戴式显示设备。
背景技术
增强现实(augmented reality，AR)，是指透过摄影机视频的位置及角度精算并加上图像分析技术，让显示屏上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互的技术。传统的AR显示是基于双目视差，通过左右眼的视差融合获得深度信息，产生具有立体效果的场景。但是由于辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)问题，在渲染近处物体时会使用户产生很大的不适。为了解决上述问题，现有技术提出通过显示具有深度信息的数字图像实现AR光场显示。AR光场显示也可以称为体显示。图1为现有技术提供的一种光学成像系统的简化示例图。该AR光场显示系统包括微型显示器(microdisplay)、液体透镜、半透半反镜和球面反射镜。微型显示器发射出非偏振光，非偏振光经过液体透镜和半透半反镜到达球面反射镜，球面反射镜反射非偏振光，再通过半透半反镜反射出光线。其中，通过对液体透镜施加不同的电压改变焦距，产生具有不同距离信息的图像，从而，达到调节虚拟图像的远近，实现AR光场显示。但是，液体透镜响应速度小于人眼视觉频率极限(例如，60HZ/S)，导致不同焦平面之间的切换速度较慢，影响了用户的观看体验。
发明内容
本申请实施例提供一种光学成像系统及头戴式显示设备，解决了用户的观看体验较低的问题。
为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种光学成像系统，包括：该光学成像系统包括：偏振片、偏振转换器、1/4波片、第一反射式液晶和第二反射式液晶，各组成部分按照偏振片、偏振转换器、1/4波片、第一反射式液晶和第二反射式液晶的顺序依次排列。其中：偏振片，用于透射第一偏振光；偏振转换器，用于透射第一偏振光，或者用于将第一偏振光转换为第二偏振光；当偏振转换器用于透射第一偏振光时，1/4波片用于将第一偏振光转换为第一圆偏振光；第一反射式液晶用于反射第一圆偏振光，或者，第一反射式液晶用于透射第一圆偏振光并且第二反射式液晶用于反射第一圆偏振光；当偏振转换器用于将第一偏振光转换为第二偏振光时，1/4波片还用于将第二偏振光转换为第二圆偏振光；第一反射式液晶还用于透射第二圆偏振光并且第二反射式液晶用于反射第二圆偏振光，或者，第一反射式液晶用于反射第二圆偏振光。
本申请实施例提供的光学成像系统通过偏振转换器调制偏振光的偏振性，利用反射式液晶的偏振选择性，可以使不同偏振态的偏振光在距离显示器不同距离的反射式液晶上反射，从而实现AR光场显示。与现有的液体透镜相比，反射式液晶寿命长，更稳定，且响应速度更快，有效地提升了用户体验度。
结合第一方面，在一种可能的设计中，偏振转换器包括扭曲向列型液晶。对扭曲向列型液晶加电的频率可以大于人眼视觉频率极限(例如，60HZ/S)，从而使不同焦平面之间的切换速度提高，有效地提升了用户体验度。具体的，偏振转换器，具体用于在偏振转换器加电的情况下，透射第一偏振光；偏振转换器，具体用于在偏振转换器未加电的情况下，将第一偏振光转换为第二偏振光。
结合第一方面，在另一种可能的设计中，偏振转换器可以包括液晶可变相位延迟器和零级1/4波片，其中：液晶可变相位延迟器，用于将第一偏振光转换为椭圆偏振光；零级1/4波片，用于将椭圆偏振光转换为第一偏振光或第二偏振光。对液晶可变相位延迟器加电的频率可以大于人眼视觉频率极限(例如，60HZ/S)，从而使不同焦平面之间的切换速度提高，有效地提升了用户体验度。
结合第一方面或上述可能的设计，在另一种可能的设计中，第一反射式液晶和第二反射式液晶均为胆甾型液晶。第一反射式液晶可以设置于平行配向的液晶盒，第二反射式液晶可以设置于平行配向的液晶盒。从而无需时序切换反射式液晶，可以使不同偏振态的偏振光在距离显示器不同距离的反射式液晶上反射，实现AR光场显示。
结合第一方面或上述可能的设计，在另一种可能的设计中，光学成像系统还包括显示器，显示器位于依次排列的偏振片、偏振转换器、1/4波片、第一反射式液晶和第二反射式液晶中的偏振片之前，显示器，用于向偏振片发射视频光，视频光用于使偏振片透射第一偏振光。
结合第一方面或上述可能的设计，在另一种可能的设计中，所述光学成像系统还包括透镜组。透镜组可以包括不同的光学元件实现透射或反射不同偏振态的偏振光，在一种可能的设计中，透镜组包括半透半反棱镜和成像透镜，各组成部分按照显示器、偏振片、偏振转换器、1/4波片、半透半反棱镜、成像透镜、第一反射式液晶和第二反射式液晶的顺序依次排列，其中：半透半反棱镜，用于透射1/4波片透射的圆偏振光；成像透镜，用于透射半透半反棱镜透射的圆偏振光；半透半反棱镜，用于反射第一反射式液晶或第二反射式液晶反射的圆偏振光。在另一种可能的设计中，透镜组包括半透半反镜，半透半反镜的所有表面为曲面。各组成部分按照显示器、偏振片、偏振转换器、1/4波片、半透半反镜、第一反射式液晶和第二反射式液晶的顺序依次排列；其中：半透半反镜，用于透射1/4波片透射的圆偏振光，以及反射第一反射式液晶或第二反射式液晶反射的圆偏振光。
第二方面，本申请实施例提供了一种光学成像系统，包括：偏振片、1/4波片和至少两个反射单元，各组成部分按照偏振片、1/4波片和至少两个反射单元的顺序依次排列，反射单元包括一个1/2波片和一个反射式液晶。其中：偏振片，用于透射第一偏振光；1/4波片，用于将第一偏振光转换为第一圆偏振光；至少两个反射单元中的目标反射单元用于反射圆偏振光，当目标反射单元与1/4波片之间不存在其他反射单元时，目标反射单元内的1/2波片用于透射第一圆偏振光或将第一圆偏振光转换为第二圆偏振光，目标反射单元内的反射式液晶用于反射从目标反射单元内的1/2波片透射的第一圆偏振光或用于反射目标反射单元内的1/2波片转换的第二圆偏振光，圆偏振光为第一圆偏振光或第二圆偏振光；当目标反射单元与1/4波片之间存在其他反射单元时，目标反射单元内的1/2波片用于透射圆偏振光或转换圆偏振光的偏振态；位于1/4波片和目标反射单元之间的任意一个反射单元用于透射圆偏振光，任意一个反射单元均满足：若反射单元内的反射式液晶能够透射反射单元接收到的圆偏振光，则反射单元内的1/2波片用于透射圆偏振光；若反射单元内的反射式液晶不能透射反射单元接收到的圆偏振光，则反射单元内的1/2波片用于转换圆偏振光的偏振态，以使反射式液晶透射转换后的圆偏振光。
本申请实施例提供的光学成像系统通过1/2波片调制偏振光的偏振性，利用反射式液晶的偏振选择性，可以使不同偏振态的偏振光在距离显示器不同距离的反射式液晶上反射，从而实现AR光场显示。与现有的液体透镜相比，反射式液晶寿命长，更稳定，且响应速度更快，有效地提升了用户体验度。
结合第二方面，在一种可能的设计中，1/2波片包括扭曲向列型液晶。从而使不同焦平面之间的切换速度提高，有效地提升了用户体验度。具体的，在1/2波片加电的情况下，1/2波片，具体用于透射第一圆偏振光或第二圆偏振光；在1/2波片未加电的情况下，1/2波片，具体用于将第一圆偏振光转换为第二圆偏振光或将第二圆偏振光转换为第一圆偏振光。
结合第二方面或上述可能的设计，在另一种可能的设计中，至少两个反射式液晶中的每个反射式液晶均为胆甾型液晶。至少两个反射式液晶中的每个反射式液晶均设置于平行配向的液晶盒。从而，可以根据大于人眼视觉频率极限的频率分别对至少两个1/2波片加电，通过1/2波片调制偏振光的偏振性，利用至少两个反射式液晶的偏振选择性，可以使不同偏振态的偏振光在距离显示器不同距离的反射式液晶上反射，从而实现多个深度层的AR光场显示。
可选的，至少两个反射式液晶可以反射相同偏振态的偏振光，或者，至少两个反射式液晶可以反射不同偏振态的偏振光，例如，奇数序号的反射式液晶可以反射第一偏振态的偏振光，偶数序号的反射式液晶可以反射第二偏振态的偏振光。
结合第二方面或上述可能的设计，在另一种可能的设计中，光学成像系统还包括显示器，显示器位于依次排列的偏振片、1/4波片和至少两个反射单元中的偏振片之前，显示器，用于向偏振片发射视频光，视频光用于使偏振片透射第一偏振光。
结合第二方面或上述可能的设计，在另一种可能的设计中，所述光学成像系统还包括透镜组。透镜组可以包括不同的光学元件实现透射或反射不同偏振态的偏振光。在一种可能的设计中，透镜组包括半透半反棱镜和成像透镜，各组成部分按照显示器、偏振片、1/4波片、半透半反棱镜、成像透镜和至少两个反射单元的顺序依次排列，其中：半透半反棱镜，用于透射1/4波片透射的圆偏振光；成像透镜，用于透射半透半反棱镜透射的圆偏振光；半透半反棱镜，用于反射目标反射单元反射的圆偏振光。在另一种可能的设计中，透镜组包括半透半反镜，半透半反镜的所有表面为曲面，各组成部分按照显示器、偏振片、1/4波片、半透半反镜和至少两个反射单元的顺序依次排列。其中：半透半反镜，用于透射1/4波片透射的圆偏振光，以及反射目标反射单元反射的圆偏振光。
第三方面，本申请实施例提供了一种头戴式显示设备，包括：上述任一项所述的光学成像系统，以及处理器和显示器，处理器用于控制显示器显示图像。
另外，上述任意方面的设计方式所带来的技术效果可参见第一方面和第二方面中不同设计方式所带来的技术效果，此处不再赘述。
本申请实施例中，光学成像系统、头戴式显示设备的名字对设备本身不构成限定，在实际实现中，这些设备可以以其他名称出现。只要各个设备的功能和本申请实施例类似，属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内。
附图说明
图1为现有技术提供的一种光学成像系统的简化示例图；
图2为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图一；
图3为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图二；
图4为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图三；
图5为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图四；
图6为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图五；
图7为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图六；
图8为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图七；
图9为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图八；
图10为本申请实施例提供的一种头戴式显示设备的结构示例图一；
图11为本申请实施例提供的一种头戴式显示设备的结构示例图二。
具体实施方式
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在对本申请的实施例进行描述之前，先对本申请文件中涉及的部分词语进行定义，以帮助理解本申请文件。
光场(light field)是指光在每一个方向通过每一个点的光量。深度信息感知是人类产生立体视觉的前提。
为了解决用户的观看体验较低的问题，本申请实施例提供一种光学成像系统，如图2所示，该光学成像系统包括偏振片(polarizer)201、偏振转换器202、1/4波片203、第一反射式液晶204和第二反射式液晶205。各组成部分按照偏振片、偏振转换器、1/4波片、第一反射式液晶和第二反射式液晶的顺序依次排列。在该光学成像系统中通过偏振转换器调制偏振光的偏振性，利用反射式液晶的偏振选择性，无需时序切换反射式液晶，可以使不同偏振态的偏振光在距离显示器不同距离的反射式液晶上反射，从而实现AR光场显示，。与现有的液体透镜相比，反射式液晶寿命长，更稳定，且响应速度更快，有效地提升了用户体验度。所谓AR光场显示为具有深度信息的数字图像。
其中，偏振片是指可以使天然光变成偏振光的光学元件。偏振片可分为天然偏振片和人造偏振片。天然偏振片由晶体制成。人造偏振片是由偏振膜、内保护膜、压敏胶层及外保护膜层压而成的复合材料。根据偏振片的底色偏振片可以分为黑白偏振片和彩色偏振片两种类型。根据偏振片的应用，偏振片可以划分成透射、透反射及反透射三种类型。例如，吸收型偏振片(absorptive polarizer)。对入射光具有遮蔽和透过的功能。如，可使纵向光透过，横向光遮蔽；或者，使横向光透过，纵向光遮蔽。在本申请实施例中，该偏振片可以是一个线偏振片。例如，金属线栅型、多层双折射聚合物膜型或MacNeille型等等。线偏振片透射出的偏振光是指线偏振光。线偏振光可以是P光或S光。可理解的，非偏振光同时包含p光和s光。P光是指偏振方向平行于某一参考面的光线，该参考面与偏振片的结构有关，S光是指偏振方向垂直于该参考面的光线。通常，线偏振片透射P光且遮蔽S光。
偏振转换器为转换偏振光的偏振态的器件。在本申请实施例中，该偏振转换器可以是一个扭曲向列型(twisted nematic，TN)液晶。扭曲向列型液晶由两片导电衬底中间夹一个液晶层组成。在扭曲向列型液晶未加电时，穿过扭曲向列型液晶的入射偏振光的偏振方向旋转90度；在扭曲向列型液晶加电时，扭曲向列型液晶竖立起来，则穿过扭曲向列型液晶的入射偏振光的偏振方向保持不变，仍然发射出与该入射偏振光相同偏振态的偏振光。需要说明的是，对扭曲向列型液晶加电的频率可以大于人眼视觉频率极限(例如，60HZ/S)，从而使不同焦平面之间的切换速度提高，有效地提升了用户体验度。
可选的，该偏振转换器也可以包括液晶可变相位延迟器和零级1/4波片。其中，入射偏振光的偏振方向需要与液晶可变相位延迟器的快轴和慢轴呈45°。液晶可变相位延迟器的快轴与慢轴之间的延迟量之差将线性的入射偏振光转变为椭圆偏振光，而椭圆偏振光的长轴与短轴相对于液晶可变相位延迟器的快轴与慢轴呈45°。可理解的，椭圆偏振光的长轴相对于液晶可变相位延迟器的快轴呈45°，椭圆偏振光的短轴相对于液晶可变相位延迟器的慢轴呈45°。其中，延迟量为液晶可变相位延迟器的折射率产生的相位差值。椭圆率的大小会随着快轴与慢轴之间的相位差而变化。零级1/4波片的快轴与慢轴也相对于液晶可变相位延迟器的快轴与慢轴呈45°；这样，从液晶可变相位延迟器射出的椭圆偏振光经过零级1/4波片又变回线性偏振光，而出射线性偏振光的偏振角度将取决于液晶可变相位延迟器产生的椭圆率。例如，液晶可变相位延迟器，用于将第一偏振光转换为椭圆偏振光；零级1/4波片，用于将椭圆偏振光转换为第一偏振光或第二偏振光。
1/4波片也可以称为45度相位延迟片。1/4波片由双折射的材料制成。在线偏振光的光矢量与1/4波片的快轴或慢轴成±45°时，通过1/4波片的光为圆偏振光；反之，当圆偏振光经过1/4波片后变为线偏振光。
第一反射式液晶和第二反射式液晶均为胆甾型液晶(cholesteric liquidcrystal，CLC)。胆甾型液晶由衬底和液晶组成。胆甾型液晶的液晶分子呈扁平状，排列成层，层内分子相互平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。在本申请实施例中，第一反射式液晶和第二反射式液晶不要求具有可开闭性，即第一反射式液晶和第二反射式液晶不要求加电。在第一反射式液晶和第二反射式液晶不加电的情况下，可以通过第一反射式液晶和第二反射式液晶的结构来实现偏振选择性。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振(polarization of light)。它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光(非偏振光)。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。偏振光可以分为线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。
如图3所示，光学成像系统还可以包括：透镜组301和显示器302。透镜组301位于1/4波片203和第一反射式液晶204之间。各组成部分按照显示器、偏振片、偏振转换器、1/4波片、透镜组、第一反射式液晶和第二反射式液晶的顺序依次排列。
具体的，显示器302，用于向偏振片201发射视频光，视频光用于使偏振片透射第一偏振光。偏振片201，用于从显示器发射出的视频光中透射第一偏振光。显示器是一个图像源(image source)，用于显示图像。在本申请实施例中，显示器可以是微型显示器。例如，可以是液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、液晶附硅(liquid crystal onsilicon，LCoS)、有机电激光显示(organic light-emitting diode，OLED)或微发光二极管(micro-light emitting diode，Micro-LED)等等。显示器发射出的视频光可以是偏振光也可以是非偏振光。例如，LCD发射出的是偏振光。OLED发射出的是非偏振光。
在偏振转换器加电的情况下，偏振转换器202，用于透射第一偏振光。通常，偏振转换器用于透射P光，在本申请实施例中，第一偏振光可以为P光。当然，偏振转换器也可以用于透射S光。
1/4波片203，用于将第一偏振光转换为第一圆偏振光。
透镜组301，用于透射从1/4波片透射的第一圆偏振光。
第一反射式液晶204，用于反射第一圆偏振光，透射其他偏振态的偏振光。例如，第二圆偏振光。
透镜组301，还用于反射从第一反射式液晶反射的第一圆偏振光。
在偏振转换器未加电的情况下，偏振转换器202，用于将第一偏振光转换为第二偏振光。若第一偏振光为P光，第二偏振光可以为S光。
1/4波片203，还用于将第二偏振光转换为第二圆偏振光。
透镜组301，还用于透射从1/4波片透射的第二圆偏振光。
第一反射式液晶204，用于透射第二圆偏振光。
第二反射式液晶205，用于反射第二圆偏振光，透射其他偏振态的偏振光。
透镜组301，还用于反射从第二反射式液晶反射的第二圆偏振光。
从而，结合透镜组反射的第一圆偏振光和第二圆偏振光在现实场景中形成显示器显示的图像的虚像，即将显示器显示的图像的虚像与现实场景结合。
可选的，上述第一反射式液晶，用于反射第一圆偏振光，第二反射式液晶，用于反射第二圆偏振光只是一种示意性说明，本申请实施例对此不作限定。在实际应用中，也可以是第一反射式液晶，用于反射第二圆偏振光，透射其他偏振态的偏振光。第二反射式液晶，用于反射第一圆偏振光，透射其他偏振态的偏振光。
需要说明的是，第一反射式液晶可以设置于平行配向的液晶盒内，第二反射式液晶也可以设置于平行配向的液晶盒内。其中，第一反射式液晶可以作为左旋胆甾型液晶，第二反射式液晶可以作为右旋胆甾型液晶。左旋胆甾型液晶和右旋胆甾型液晶均包括向列相液晶和手性掺杂剂，在左旋胆甾型液晶和右旋胆甾型液晶中手性掺杂剂的比例的范围可以是1-10％。当入射光的偏振态与反射式液晶中的手性掺杂剂手性匹配时，向列相液晶对入射光呈反射特性；当入射光的偏振态与反射式液晶中的手性掺杂剂手性不匹配时，向列相液晶对入射光呈透过特性。当然，第一反射式液晶也可以作为右旋胆甾型液晶，第二反射式液晶也可以作为左旋胆甾型液晶。本申请实施例对此不作限定。左旋胆甾型液晶反射的偏振光可以称为左旋圆偏振光。右旋胆甾型液晶反射的偏振光可以称为右旋圆偏振光。上述第一圆偏振光可以是左旋圆偏振光，第二圆偏振光可以是右旋圆偏振光；或者，第一圆偏振光可以是右旋圆偏振光，第二圆偏振光可以是左旋圆偏振光。
此外，对于透镜组可以包括不同的光学元件实现透射或反射不同偏振态的偏振光。例如，在一种可实现方式中，如图4所示，透镜组301可以包括半透半反棱镜3011和成像透镜3012。各组成部分按照显示器、偏振片、偏振转换器、1/4波片、半透半反棱镜、成像透镜、第一反射式液晶和第二反射式液晶的顺序依次排列。
半透半反棱镜3011为一种使入射光能够部分透过部分反射的成像透镜。例如，透射率和反射率均为50％的膜。其中，透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃或滤色片等。若透明体是无色的，除少数光被反射外，大多数光均透过物体。为了表示物体透过光的程度，通常将入射光透过膜以后，透射后的光强与入射光的光强之比表征透射率(transmissivity)。被反射回来的光强与入射光的光强之比表征反射率(reflectivity)。在本申请实施例中，半透半反镜可以是半透半反棱镜。
成像透镜3012是用透明物质制成的光学元件。成像透镜的材料可以是玻璃或光学树脂。光学树脂为易于注塑成型或模压成型，不易破碎，透光性好的有机化合物，密度小于1.6g/cm3。玻璃成像透镜也可以称为相位无关的成像透镜。光学树脂成像透镜也可以称为相位相关的成像透镜。相位无关的成像透镜是指光在通过该器件时，不同偏振方向的光不会引入相位差，或者理解为该器件不存在双折射效应。相位相关的成像透镜是指在通过该器件时，偏振特性会改变，导致杂光或者鬼影，该器件存在双折射效应，降低成像清晰度。例如，本该透射线性偏振光(p光或s光)变为透射椭圆偏振光，本该透射圆偏振的光变为透射椭圆偏振光。通常，光学成像系统使用的成像透镜为玻璃成像透镜。在本申请实施例中，成像透镜可以是玻璃透镜。
半透半反棱镜3011，用于透射1/4波片透射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光。
成像透镜3012，用于透射半透半反棱镜透射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光。
半透半反棱镜3011，还用于反射第一反射式液晶或第二反射式液晶反射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光。
需要说明的是，半透半反棱镜用于对入射光线的一半进行透射，另一半进行反射。图中只是对本申请的有效光路进行了说明，在实际应用中，半透半反棱镜，用于透射部分1/4波片透射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光，可理解的还有部分1/4波片透射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光被半透半反棱镜反射出去。半透半反棱镜，还用于反射部分第一反射式液晶或第二反射式液晶反射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光，可理解的还有部分第一反射式液晶或第二反射式液晶反射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光被半透半反棱镜透射出去。
在另一种可实现方式中，如图5所示，透镜组可以包括半透半反镜3013，半透半反镜的所有表面为曲面。曲面的半透半反镜既可以透射部分偏振光又有聚焦的作用。各组成部分按照显示器、偏振片、偏振转换器、1/4波片、半透半反镜、第一反射式液晶和第二反射式液晶的顺序依次排列。半透半反镜3013，用于透射1/4波片透射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光。半透半反镜3013，还用于反射第一反射式液晶或第二反射式液晶反射的第一圆偏振光，以及第二圆偏振光。
需要说明的是，为了满足Gooch-Tarry条件达到无色散偏振旋转，液晶双折射率Δn和液晶盒厚d应该满足
Figure BDA0002993624830000071
其中，λ表示光波长。λ的取值可以是光波长的中心波长；液晶盒厚d的取值范围可以是0.5微米(μm)-20μm；液晶双折射率Δn的取值范围可以是0.05-0.3；液晶介电各向异性Δε的取值范围可以是0.1-40。示例性的，若λ的取值为532纳米(nm)，液晶盒厚d的取值可以为3μm，液晶双折射率Δn的取值可以为0.156，液晶介电各向异性Δε的取值可以为2.4。在对偏振转换器施加频率为1KHz，且电压为12Vrms的情况下，测得上升时间为3.52毫秒(ms)，下降时间为520微秒(μs)，从而，与现有的液体透镜相比，焦平面的切换响应速度更快，有效地提升了用户体验度。
图6为本申请实施例提供的一种光学成像系统的结构示例图五。该光学成像系统，包括：偏振片601、1/4波片602和至少两个反射单元603。各组成部分按照偏振片、1/4波片和至少两个反射单元的顺序依次排列，反射单元包括一个1/2波片6031和一个反射式液晶6032。
偏振片601，用于从显示器发射出的视频光中透射第一偏振光。
1/4波片602，用于将该第一偏振光转换为第一圆偏振光。
至少两个反射单元中的目标反射单元用于反射圆偏振光，
当目标反射单元与1/4波片之间不存在其他反射单元时，目标反射单元内的1/2波片用于透射第一圆偏振光或将第一圆偏振光转换为第二圆偏振光，目标反射单元内的反射式液晶用于反射从目标反射单元内的1/2波片透射的第一圆偏振光或用于反射目标反射单元内的1/2波片转换的第二圆偏振光，圆偏振光为第一圆偏振光或第二圆偏振光。
当目标反射单元与1/4波片之间存在其他反射单元时，目标反射单元内的1/2波片用于透射圆偏振光或转换圆偏振光的偏振态。
位于1/4波片和目标反射单元之间的任意一个反射单元用于透射圆偏振光，任意一个反射单元均满足：若反射单元内的反射式液晶能够透射反射单元接收到的圆偏振光，则反射单元内的1/2波片用于透射圆偏振光；若反射单元内的反射式液晶不能透射反射单元接收到的圆偏振光，则反射单元内的1/2波片用于转换圆偏振光的偏振态，以使反射式液晶透射转换后的圆偏振光。
其中，一个1/2波片和一个反射式液晶用于实现一个深度层的焦平面。例如，第一个1/2波片和第一个反射式液晶用于实现第一个深度层的焦平面，第二个1/2波片和第二个反射式液晶用于实现第二个深度层的焦平面，以此类推，第N个1/2波片和第N个反射式液晶用于实现第N个深度层的焦平面。需要说明的是，1/2波片与上述各实施例中的偏振转换器的作用相同，1/2波片可以是扭曲向列型液晶，或者是铌酸理LiNbO3。
需要说明的是，至少两个反射式液晶可以用于反射相同偏振态的偏振光，也可以用于反射不同偏振态的偏振光，例如，奇数序号的反射式液晶可以反射第一偏振态的偏振光，偶数序号的反射式液晶可以反射第二偏振态的偏振光。在本申请实施例中，可以通过对1/2波片是否加电，来确定通过1/2波片的偏振光的偏振态，从而，通过改变偏振光的偏振态使得偏振光在不同距离的反射式液晶上反射。
示例性的，在第i个1/2波片加电的情况下，第i个1/2波片，用于透射第一圆偏振光。第i个反射式液晶可以反射第一圆偏振光，即在第i个反射式液晶所在的深度层形成焦平面。在第i个反射式液晶透射第一圆偏振光的情况下，在第j个1/2波片加电的情况下，第j个1/2波片，用于透射第一圆偏振光；第j个反射式液晶，可以用于反射第一圆偏振光，以及透射其他偏振态的偏振光。第j个1/2波片为至少两个1/2波片中的任意一个1/2波片，第j个反射式液晶为至少两个反射式液晶中的任意一个反射式液晶，其中，i不等于j。第i个反射式液晶与第j个反射式液晶中的m个反射式液晶均用于透射第一圆偏振光，m个1/2波片均加电。
另外，在第j个1/2波片未加电的情况下，第j个1/2波片，还用于将第一圆偏振光转换为第二圆偏振光。第j个反射式液晶，可以用于反射第二圆偏振光，以及透射其他偏振态的偏振光。或者，第j个反射式液晶，可以用于透射第二圆偏振光。在第j个反射式液晶透射第二圆偏振光之后，在第j个反射式液晶之后的反射式液晶可以根据上述方法反射第二圆偏振光。
在第i个1/2波片未加电的情况下，第i个1/2波片，用于将第一圆偏振光转换为第二圆偏振光。第i个反射式液晶可以反射第二圆偏振光，即在第i个反射式液晶所在的深度层形成焦平面。在第i个反射式液晶透射第二圆偏振光的情况下，在第j个1/2波片加电的情况下，第j个1/2波片，用于透射第二圆偏振光；第j个反射式液晶，用于反射第二圆偏振光，以及透射其他偏振态的偏振光。其中，i不等于j。第i个反射式液晶与第j个反射式液晶中的m个反射式液晶均用于透射第二圆偏振光，m个1/2波片均加电。
同理，在第j个1/2波片未加电的情况下，第j个1/2波片，还用于将第二圆偏振光转换为第一圆偏振光。第j个反射式液晶，可以用于反射第一圆偏振光，以及透射其他偏振态的偏振光。或者，第j个反射式液晶，可以用于透射第一圆偏振光。在第j个反射式液晶透射第一圆偏振光之后，在第j个反射式液晶之后的反射式液晶可以根据上述方法反射第一圆偏振光。
具体的，可以根据实际需要设置，本申请实施例对在第几个反射式液晶反射圆偏振光不作限定。
从而，可以根据大于人眼视觉频率极限的频率分别对至少两个1/2波片加电，通过1/2波片调制偏振光的偏振性，利用至少两个反射式液晶的偏振选择性，无需时序切换反射式液晶，可以使不同偏振态的偏振光在距离显示器不同距离的反射式液晶上反射，从而实现多个深度层的AR光场显示。
如图7所示，光学成像系统还可以包括：透镜组701和显示器702。透镜组701位于1/4波片602和反射单元603之间。各组成部分按照显示器、偏振片、1/4波片、透镜组和至少两个反射单元的顺序依次排列。其中，位于每一反射单元内的1/2波片相对于反射式液晶更靠近所述透镜组。可理解的，位于每一反射单元内的1/2波片相对于反射式液晶更靠近所述透镜组。可理解的，至少两个反射单元可以是组成一个反射模组，所述1/4波片和所述反射模组分别位于透镜组的两侧。并且位于该反射模组包含的至少两个反射单元内的至少两个1/2波片和至少两个反射式液晶依次交替排列。
显示器用于向偏振片发射视频光，视频光用于使偏振片透射第一偏振光。
此外，对于透镜组可以包括不同的光学元件实现透射或反射不同偏振态的偏振光。例如，在一种可实现方式中，如图8所示，透镜组701可以包括半透半反棱镜7011和成像透镜7012。各组成部分按照显示器、偏振片、1/4波片、半透半反棱镜、成像透镜和至少两个反射单元的顺序依次排列。其中：半透半反棱镜7011，用于透射1/4波片透射的圆偏振光；成像透镜7012，用于透射半透半反棱镜透射的圆偏振光；半透半反棱镜7011，还用于反射目标反射单元反射的圆偏振光。
需要说明的是，半透半反棱镜用于对入射光线的一半进行透射，另一半进行反射。图中只是对本申请的有效光路进行了说明，在实际应用中，半透半反棱镜，用于透射部分1/4波片透射的圆偏振光，可理解的还有部分1/4波片透射的圆偏振光被半透半反棱镜反射出去。半透半反棱镜，还用于反射部分目标反射式液晶反射的圆偏振光，可理解的还有部分目标反射式液晶反射的圆偏振光被半透半反棱镜透射出去。
在另一种可实现方式中，如图9所示，透镜组701可以包括半透半反镜7013，半透半反镜的所有表面为曲面。各组成部分按照显示器、偏振片、1/4波片、半透半反镜、至少两个反射单元的顺序依次排列。其中：半透半反镜7013，用于透射1/4波片透射的圆偏振光；半透半反镜7013，还用于反射目标反射单元反射的圆偏振光，圆偏振光为第一圆偏振光或第二圆偏振光。
其中，显示器、偏振片、1/4波片、半透半反镜、半透半反棱镜、成像透镜和反射式液晶的具体解释可以参考上述对图2～图5所示的光学成像系统的阐述，本申请实施例在此不再赘述。
上述各实施例所述的光学成像系统可应用于头戴式显示设备中，例如，AR设备。AR设备可以是AR头盔、AR眼镜或观影眼镜。观影眼镜可以是虚拟显示屏为矩形的AR设备。当然，观影眼镜也可以是虚拟显示屏为圆形或者带有切边的圆弧形的AR设备。从而，通过AR设备将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成，即将原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等)通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，达到超越现实的感官体验。
图10为本申请实施例提供的一种头戴式显示设备的结构示例图一，如图10所示，头戴式显示设备可以包括至少一个处理器1001、存储器1002、通信接口1003、通信总线1004和光学成像系统1005。
下面结合图10对头戴式显示设备的各个构成部件进行具体的介绍：
处理器1001是头戴式显示设备的控制中心，可以是一个处理器，也可以是多个处理元件的统称。在具体的实现中，作为一种实施例，处理器1001可以包括一个中央处理器(central processing unit，CPU)或多个CPU，例如图10中所示的CPU0和CPU1。处理器1001也可以是特定集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路，例如：一个或多个微处理器(digitalsignal processor，DSP)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(field programmable gatearray，FPGA)。
其中，以处理器1001是一个或多个CPU为例，处理器1001可以通过运行或执行存储在头戴式显示设备中的存储器1002内的图像数据，使光学成像系统1005包括的显示器显示图像，以便于光学成像系统1005呈现显示器显示的图像的虚像。
在具体实现中，作为一种实施例，头戴式显示设备可以包括多个处理器，例如图10中所示的处理器1001和处理器1006。这些处理器中的每一个可以是一个单核处理器(single-CPU)，也可以是一个多核处理器(multi-CPU)。这里的处理器可以指一个或多个设备、电路、和/或用于处理数据(例如计算机程序指令)的处理核。
存储器1002可以是只读存储器(read-only memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(random access memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器1002可以是独立存在，通过通信总线1004与处理器1001相连接。存储器1002也可以和处理器1001集成在一起。其中，所述存储器1002用于存储图像数据，并由处理器1001来控制执行。
光学成像系统1005可以通过总线与存储器1002和处理器1001相连，以便于显示存储器1002存储的图像内容。需要说明的是，在实际应用中，头戴式显示设备也可以不包括存储器，直接通过通信接口与其他设备连接来获取图像数据。
通信接口1003，用于与其他设备或通信网络通信，通信接口1003可以包括接收单元实现接收功能，以及发送单元实现发送功能。
通信总线1004，可以是工业标准体系结构(industry standard architecture，ISA)总线、外部设备互连(peripheral component，PCI)总线或扩展工业标准体系结构(extended industry standard architecture，EISA)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
图10中示出的设备结构并不构成对头戴式显示设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
图11为本申请实施例提供的一种头戴式显示设备的结构示例图二。如图11所示，头戴式显示设备可以包括至少一个处理器1101、存储器1102、通信接口1103、通信总线1104、光学成像系统1105和显示器1106。其中，处理器用于控制显示器显示图像，并向光学成像系统发射显示图像的光，具体解释可以参考上述对图10所示的头戴式显示设备的阐述，本申请实施例在此不再赘述。上述图10和图11所示的头戴式显示设备只是示意性说明，对此不作限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括：偏振片、偏振转换器、1/4波片、第一反射式液晶和第二反射式液晶，其中：
所述偏振片，用于透射第一偏振光；
所述偏振转换器，用于透射所述第一偏振光，或者用于将所述第一偏振光转换为第二偏振光；
所述1/4波片用于将所述偏振转换器输出的偏振光转换为圆偏振光，所述偏振转换器输出的偏振光为所述第一偏振光，所述1/4波片将所述第一偏振光转换为第一圆偏振光，或者，所述偏振转换器输出的偏振光为所述第二偏振光，所述1/4波片将所述第二偏振光转换为第二圆振光；
所述第一反射式液晶用于反射所述第一圆偏振光，透射第二圆偏振光，且所述第二反射式液晶用于反射所述第二圆偏振光，透射第一圆偏振光；
其中，所述偏振转换器包括液晶可变相位延迟器，所述液晶可变相位延迟器，用于将所述第一偏振光转换为椭圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述偏振转换器包括零级1/4波片，所述零级1/4波片，用于将所述椭圆偏振光转换为所述第一偏振光或第二偏振光。
3.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，
所述偏振转换器，具体用于在所述偏振转换器加电的情况下透射所述第一偏振光，在所述偏振转换器未加电的情况下将所述第一偏振光转换为第二偏振光。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一反射式液晶和所述第二反射式液晶均为胆甾型液晶。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一反射式液晶设置于平行配向的液晶盒，所述第二反射式液晶设置于平行配向的液晶盒。
6.根据权利要求4所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一反射式液晶设置于平行配向的液晶盒，所述第二反射式液晶设置于平行配向的液晶盒。
7.根据权利要求1-3、6中任一项所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括显示器，所述显示器用于向所述偏振片发射视频光，所述视频光用于使所述偏振片透射所述第一偏振光。
8.根据权利要求4所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括显示器，所述显示器用于向所述偏振片发射视频光，所述视频光用于使所述偏振片透射所述第一偏振光。
9.根据权利要求5所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括显示器，所述显示器用于向所述偏振片发射视频光，所述视频光用于使所述偏振片透射所述第一偏振光。
10.根据权利要求1-3、6、8-9中任一项所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反棱镜和成像透镜，其中：
所述半透半反棱镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述成像透镜，用于透射所述半透半反棱镜透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述半透半反棱镜，还用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
11.根据权利要求4所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反棱镜和成像透镜，其中：
所述半透半反棱镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述成像透镜，用于透射所述半透半反棱镜透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述半透半反棱镜，还用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
12.根据权利要求5所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反棱镜和成像透镜，其中：
所述半透半反棱镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述成像透镜，用于透射所述半透半反棱镜透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述半透半反棱镜，还用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
13.根据权利要求7所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反棱镜和成像透镜，其中：
所述半透半反棱镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述成像透镜，用于透射所述半透半反棱镜透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光；
所述半透半反棱镜，还用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
14.根据权利要求1-3、6、8-9中任一项所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反镜，所述半透半反镜的所有表面为曲面，其中，所述半透半反镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光，以及用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
15.根据权利要求4所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反镜，所述半透半反镜的所有表面为曲面，其中，所述半透半反镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光，以及用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
16.根据权利要求5所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反镜，所述半透半反镜的所有表面为曲面，其中，所述半透半反镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光，以及用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
17.根据权利要求7所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统还包括透镜组，所述透镜组包括半透半反镜，所述半透半反镜的所有表面为曲面，其中，所述半透半反镜，用于透射所述1/4波片透射的所述第一圆偏振光以及第二圆偏振光，以及用于反射所述第一反射式液晶反射的所述第一圆偏振光或反射所述第二反射式液晶反射的所述第二圆偏振光。
18.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：权利要求1-9中任一项所述的光学成像系统或者权利要求10-17中任一项所述的光学成像系统，以及处理器和显示器，所述处理器用于控制所述显示器显示图像。
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