CN114706226B - 虚拟现实显示系统及头戴式显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种虚拟现实显示系统，包括：显示器，用于发射图像光；以及调焦结构，包括第一电极层、第二电极层及位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的第一液晶层，所述调焦结构位于所述图像光的光路上，所述第一液晶层用于根据所述第一电极层和所述第二电极层上的电压调节所述图像光所汇聚的位置，汇聚后的图像光用于显示虚拟现实图像。本申请还提供一种头戴式显示设备。

Description

虚拟现实显示系统及头戴式显示设备
技术领域
本申请涉及虚拟现实显示，尤其涉及一种虚拟现实显示系统及其所应用的头戴式显示设备。
背景技术
虚拟现实(virtual reality)技术已经在多领域快速发展。应用VR技术的智能装置包括头戴式显示装置(Head Mounted Display,HMD)。
HMD包括显示器和光学模组。显示器用于发射图像光束，光学模组位于图像光束的光路上，并用于调制图像光束后将调制后的图像光束引导至人眼。为了适应人眼的不同情况(近视、远视等)，光学模组还需要调焦以使得人眼可以观察到清晰影像。传统的调焦方式包括为微透镜阵列调焦、曲面反射镜组调焦等。上述调焦方式需要较多的光学元件，且光路较长，不利于HMD的轻薄化。
发明内容
本申请第一方面提供一种虚拟现实显示系统，包括：
显示器，用于发射图像光；以及
调焦结构，包括第一电极层、第二电极层及位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的第一液晶层，所述调焦结构位于所述图像光的光路上，所述第一液晶层用于根据所述第一电极层和所述第二电极层上的电压调节所述图像光所汇聚的位置，汇聚后的图像光用于显示虚拟现实图像。
本申请第二方面提供一种头戴式显示设备，包括两个如上所述的虚拟现实显示系统；
两个所述虚拟现实显示系统出射的所述图像光的光路相互独立。
上述虚拟现实显示系统，包括显示器和调焦结构，其中调焦结构包括第一电极层、第二电极层及位于第一电极层和第二电极层之间的第一液晶层。通过调节第一电极层和第二电极层上的电压，可以调节第一液晶层中液晶分子的偏振角度，从而调节调焦结构的焦距。也即本实施例中调焦结构的焦距是可调的，相较于传统的透镜，有利于适应人眼的不同需求，相较于传统的调焦的装置，第一液晶层呈薄膜状，更轻薄。且本实施例中的调焦结构尤其适用于虚拟现实显示系统包括透镜组的情况。
附图说明
图1为本申请实施例一中头戴式显示设备的结构示意图。
图2为本申请实施例一的头戴式显示设备中VR显示系统的光路结构示意图。
图3为图2中调焦结构对图像光的作用方式示意图。
图4为图2中VR显示系统的组装结构示意图。
图5为本申请实施例二的VR显示系统的光路结构示意图。
图6为图5中第二液晶层在未被施加电压时的结构示意图。
图7为图5中第二液晶层在被施加电压时的结构示意图。
图8为本申请实施例二的VR显示系统的组装结构示意图。
主要元件符号说明
头戴式显示设备 1
VR显示系统 10、20
显示器 11
显示面 111
调焦结构 12
第一电极层 121
第二电极层 122
通孔 TH
第一液晶层 123
液晶分子 M1、M2
放大组件 13
透镜 131、132、133
波片 134
半反半透膜 135
偏振反射膜 136
偏振元件 14、24
第三电极层 241
第四电极层 242
第二液晶层 243
人眼 2
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
实施例一
本申请实施例的头戴式显示设备1如图1所示。用户通过将头戴式显示设备1佩戴至头部，即可观测到VR图像。
本实施例中，头戴式显示设备1包括两个如图2所示的VR显示系统10。每一VR显示系统10用于发射图像光，该图像光用于向人眼2展示VR图像。本实施例中，头戴式显示设备1内的两个VR显示系统10所发射的图像光光路相互独立，以分别为用户的左眼和右眼展示VR图像。本实施例中，头戴式显示设备1还包括控制装置(图未示)，该控制装置电连接每一VR显示系统10。
本实施例中，两个VR显示系统10的结构和工作原理基本相同，以下将以其中一个VR显示系统10为例进行举例说明。
请参阅图2，本实施例中，VR显示系统10包括显示器11和调焦结构12。显示器11具有显示面111，显示面111用于发射图像光。本实施例中，显示器11可以为发光二极管显示器。该控制装置通过电连接调焦结构12以控制调焦过程。
请参阅图3，调焦结构12位于图像光的光路上。本实施例中，调焦结构12包括第一电极层121、第二电极层122以及位于第一电极层121和第二电极层122之间的第一液晶层123。第一液晶层123中包括多个液晶分子M1。第一电极层121和第二电极层122连接该控制装置，以接收该控制装置输出的电压信号。第一电极层121和第二电极层122上的电压不同时，第一电极层121和第二电极层122具有电压差，则第一电极层121与第二电极层122之间形成电场，第一液晶层123位于该电场中。第一液晶层123中的液晶分子M1受控于该电场而发生偏转。
具体的，通过调节第一电极层121和/或第二电极层122上的电压，可以调节第一电极层121与第二电极层122之间的电压差，从而调节该电场的强度、方向。通过调节该电场的强度、方向，可以调节液晶分子M1的偏转角度。图像光通过调焦结构12时，其从调焦结构21出射的方向会因液晶分子M1的偏转角度的变化而发生变化。因此，通过调节第一电极层121和第二电极层122之间的电压差，可以调节图像光从调焦结构12出射的方向，从而调节图像光从调焦结构12出射后聚焦的位置。
本实施例中，第一电极层121为连续的片状导电结构，第二电极层122为中心区域开设有通孔TH的片状导电结构。第一电极层121位于调焦结构12的光出射的一侧，第二电极层122位于调焦结构12的光入射的一侧。
第一液晶层123对应通孔TH的区域定义为第一区域，对应第二电极层122的区域定义为第二区域。第一电极层121和第二电极层122被施加电压时，在第一电极层121和第二电极层122正对的区域(对应第二区域)会产生电场。第一液晶层123的第二区域内的液晶分子M1受到电场的作用发生偏转。而第一液晶层123的第一区域内的液晶分子M1也会一定程度上受到上述电场的作用，且距离第二区域越近的液晶分子M1受到电场的作用越大，偏转角度越大，位于第一区域最中心的液晶分子M1不受上述电场的影响，不发生偏转，不影响图像光的传播方向。
如此，使得第一液晶层123内的液晶分子M1的偏转角度从中心向四周渐变，可控制从第一液晶层123中心区域之外的区域出射的光朝向中心区域偏转，从而汇聚于调焦结构的焦点F。本实施例中，通孔TH为圆形通孔，第二电极层122的中心区域指的是以第二电极层122的几何中心点为圆心的圆形区域。第一液晶层123的中心区域定义方式同理。
根据调焦结构12的上述结构可知，从第一液晶层123中心区域出射的图像光的传播方向不变，从第一液晶层123其他区域出射的图像光朝向中心区域方向偏转，从而使得从调焦结构12出射的图像光最终汇聚于调焦结构12的焦点F处。则本实施例中的调焦结构12对图像光的作用可视为一透镜对光的作用。且本实施例中的调焦结构12相较于传统的透镜，其焦距并非固定不变，而是可通过改变第一电极层121和第二电极层122上的电压而改变的。
因此，本实施例的调焦结构12焦距可调，从而使得图像光在通过调焦结构之后被汇聚至不同的位置，以适应人眼的不同需求(近视、远视、老花)。
于本申请一些实施例中，用户可以通过按键、触控等方式手动调节调焦结构12的焦距，直至观察到清晰图像。于另一些实施例中，头戴式显示设备1还可包括眼球追踪系统(图未示)，该眼球追踪系统可通过追踪用户的眼球反馈感应信号至该控制装置，以使得控制装置输出相应的电压至调焦结构12中的电极，使得调焦结构12的焦距适应人眼的需求，该方式即为自动调焦。
本实施例中，显示器11尺寸较小，从显示面111出射的图像尺寸较小，在将图像光引导至人眼2之前，需要对图像光可显示的图像进行放大。请再参阅图2，本实施例中，VR显示系统10还包括用于放大图像的放大组件13。
本实施例中，放大组件13包括透镜组(包括多个透镜：透镜131、透镜132及透镜133)和波片134。透镜131、透镜132及透镜133用于共同聚焦图像光。波片134位于透镜组中的透镜之间，用于转换接收到的图像光的偏振态。本实施例中，透镜131、波片134、透镜132、透镜133在图像光的光路上依次排列。当用户佩戴头戴式显示设备1时，透镜131最远离人眼2，透镜133最靠近人眼2。
本实施例中，透镜131、透镜132及透镜133为非球面透镜，其中透镜131为凹凸透镜，透镜131靠近显示器11的表面镀有半反半透膜135；透镜132为平凸透镜；透镜133为平凹透镜，透镜133远离显示器11的表面镀有偏振反射膜136。本申请并不对透镜的数量和各个透镜的具体结构作限定，透镜组整体实现放大图像的效果即可。
一个光学系统要实现放大图像的效果，往往需要较多的光学元件或使得光经过较长的光路，而本申请中为了缩小头戴式显示设备1的体积，通过波片134转换图像光的偏振态，搭配透镜组中的功能镀层(半反半透膜135和偏振反射膜136)，使得图像光在透镜组中多次往返传播，从而在有限的空间内延长图像光的光路，一方面实现了放大图像的效果，另一方面实现了头戴式显示设备1的小型化。
具体的，本实施例中，波片134为四分之一波片，从显示器11出射的图像光为左旋圆偏振光。图像光经过波片134后被转换为水平线偏振光。偏振反射膜136用于反射接收到的水平线偏振光，则图像光被再次引导至波片134而被转换为右旋圆偏振光。图像光从波片134透射后再次经过透镜131。由于透镜131靠近显示器11的表面有半反半透膜135，部分图像光会被再次反射至波片134被转换为垂直线偏振光。偏振反射膜136用于透射接收到的垂直线偏振光至透镜133。如此，图像光三次经过放大组件13后从放大组件13透射至人眼2。
本实施例中，调焦结构12位于波片134与透镜132之间。于其他实施例中，调焦结构12可在其他位置，例如调焦结构12可位于透镜133远离显示器11的一侧。由于调焦结构12中的液晶分子M1仅对线偏振光起作用，调焦结构12需要放在接收线偏振状态的图像光的位置。
本实施例的调焦结构12包括第一液晶层123，第一液晶层123为厚度很小的薄膜，使得调焦结构12整体厚度都较小，可以放置于透镜组中两个相邻透镜之间。因此本实施例的调焦结构12尤其适用于VR显示系统10包括透镜组的情况。
请继续参阅图2，本实施例中，VR显示系统10还包括偏振元件14。偏振元14件位于图像光的光路上，用于透射部分图像光并滤除另一部分图像光。本实施例中，偏振元件14为偏振片，用于透射与其偏振方向相同的图像光并吸收其他偏振方向的图像光。
本实施例中，两个VR显示系统10的偏振元件14的偏振方向不同，也即入射至用户左眼和右眼的图像光的偏振方向是不同的，这使得头戴式显示设备1可以向用户展示三维的VR图像。
本实施例的VR显示系统10的组装结构如图4所示。在制作过程中，先分别将镀有半反半透膜135的透镜131与波片134贴合，将镀有偏振反射膜136的透镜132与调焦结构12贴合，然后将波片134与调焦结构12贴合，最后贴合偏振元件14和透镜133。
本实施例的头戴式显示设备1和VR显示系统10，包括显示器11和调焦结构12，其中调焦结构12包括第一电极层121、第二电极层122及位于第一电极层121和第二电极层122之间的第一液晶层123。通过调节第一电极层121和第二电极层122上的电压，可以调节第一液晶层123中液晶分子M1的偏振角度，从而调节调焦结构12的焦距。也即本实施例中调焦结构12的焦距是可调的，相较于传统的透镜，有利于适应人眼的不同需求，相较于传统的调焦结构，第一液晶层123呈薄膜状，更轻薄。且本实施例中的调焦结构12尤其适用于VR显示系统10包括透镜组的情况。
实施例二
本实施例的头戴式显示设备1与实施例一中头戴式显示设备1的主要区别在于，每个VR显示系统中偏振元件的结构不同。
请参阅图5和图6，本实施例中，VR显示系统20中的偏振元件24包括第三电极层241、第四电极层242及第二液晶层243。第三电极层241和第四电极层242外接驱动电路(图未示)，可用于接收驱动电路输出的电压信号。第二液晶层243中包括多个液晶分子M2。第二液晶层243中液晶分子M2的偏转角度如图6所示，此时第二液晶层243可被当做一线偏振片。当第三电极层241和第四电极层242上被施加电压时，第二液晶层243中液晶分子M2的偏转角度如图7所示，此时第二液晶层243可被当做一线偏振片。
本实施例中，在同一时刻，头戴式显示设备中两个VR显示系统20的第二液晶层243中液晶分子M2的偏转角度不同。也即，在同一时刻，其中一VR显示系统20的第二液晶层243中液晶分子M2如图6所示，另一VR显示系统20的第二液晶层243中液晶分子M2如图7所示。如此，使得两个VR显示系统20最终出射的图像光的偏振方向不同，也即入射至用户左眼和右眼的图像光的偏振方向不同，头戴式显示设备可向用户展示三维的VR图像。
本实施例的VR显示系统20的组装结构如图8所示。在制作过程中，先分别将镀有半反半透膜135的透镜131与波片134贴合，将镀有偏振反射膜136的透镜132与调焦结构12贴合，然后将波片134与调焦结构12贴合，在透镜132和133之间的空间灌入液晶形成偏振元件24，最后使用UV胶封闭灌入液晶的通道并使用光照进行固化。
本实施例的头戴式显示设备和VR显示系统20，可以实现如实施例一中头戴式显示设备1和VR显示系统10的所有有益效果。在此基础上，通过将偏振元件24设置为包括第二液晶层243，还使得偏振元件24对图像光的透射规则(具体透射哪种偏振方向的图像光)可调，有利于增加偏振元件24的适用情况。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种虚拟现实显示系统，其特征在于，包括：
显示器，用于发射图像光；
调焦结构，包括第一电极层、第二电极层及位于所述第一电极层和所述第二电极层之间的第一液晶层，所述调焦结构位于所述图像光的光路上，所述第一液晶层用于根据所述第一电极层和所述第二电极层上的电压调节所述图像光所汇聚的位置，汇聚后的图像光用于显示虚拟现实图像；以及
放大组件，位于所述图像光的光路上，包括：
透镜组，包括多个透镜，所述多个透镜用于共同聚焦所述图像光；以及
波片，位于所述多个透镜之间，用于转换所述图像光的偏振态；
偏振元件，位于所述图像光的光路上，所述偏振元件用于透射部分所述图像光并滤除另一部分所述图像光；
其中，所述多个透镜包括凹凸透镜、平凸透镜以及平凹透镜，所述凹凸透镜位于所述显示器和所述平凹透镜之间，所述平凸透镜位于所述凹凸透镜和所述平凹透镜之间；所述调焦结构位于所述凹凸透镜和所述平凸透镜之间；所述波片位于所述凹凸透镜和所述平凸透镜之间，并且位于所述凹凸透镜和所述调焦结构之间；所述透镜组还包括半反半透膜和偏振反射膜， 所述半反半透膜位于所述凹凸透镜靠近所述显示器的表面上，所述偏振反射膜位于所述平凸透镜靠近所述平凹透镜的表面上；所述偏振元件位于所述平凸透镜和所述平凹透镜之间，所述偏振元件包括直接形成于所述平凸透镜和所述平凹透镜之间的第二液晶层。
2.如权利要求1所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述放大组件用于通过转换所述图像光的偏振态使得所述图像光在所述放大组件中往复传播，从而延长所述图像光的光路，放大所述虚拟现实图像。
3.如权利要求1所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述显示器发射的图像光为圆偏振光，所述波片用于将所述图像光转换为线偏振光，所述调焦结构用于接收从所述波片出射的图像光。
4.如权利要求1所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述偏振元件还包括第三电极层及第四电极层，所述第二液晶层位于所述第三电极层与所述第四电极层之间；
所述第二液晶层用于根据所述第三电极层和所述第四电极层上的电压，控制具有预设偏振方向的部分图像光从所述偏振元件透射。
5.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括两个虚拟现实显示系统，每一所述虚拟现实显示系统如权利要求1-4中任一项所述；
两个所述虚拟现实显示系统出射的所述图像光的光路相互独立。
6.如权利要求5所述的头戴式显示设备，其特征在于，
两个所述虚拟现实显示系统中，所述偏振元件的偏振方向不同。
7.如权利要求6所述的头戴式显示设备，其特征在于，
在同一时刻，两个所述虚拟现实显示系统中，所述第二液晶层所透射的图像光的偏振方向不同。
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