CN114911063A - 应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，属于光学领域；该系统包括显示单元和图像处理单元，显示单元沿着光线传播路径包括显示器、偏振模块和目镜模块，显示单元还包括位于光线传播路径上且介于偏振模块及目镜模块之间的焦深扩展模块；所述焦深扩展模块包括第一1/4波片、电控半波片、透反元件、第二1/4波片和偏振反射元件。本申请通过调控所述电控半波片的相位延迟值，在所述显示器发出的光线经所述偏振模块处理后，光线再经过所述焦深扩展模块传播后所对应的光程呈现不同状态，以使经过目镜后所形成的虚像位于不同的焦面处，以实现不同焦面的场景显示。

Description

应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统
技术领域
本发明属于光学领域，具体地涉及一种应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统。
背景技术
在现实世界中，人眼可以自然地对焦一个对象，而世界的其他元素则脱离焦点。对于虚拟现实(VirtualReality，VR)/增强现实(Augmented Reality，AR)设备的问题是，无论穿戴者在VR世界中看向何方，都只是盯着固定的屏幕，亦即看着相同的距离，如图1所示。换句话说，视觉调节(弯曲眼睛晶状体以聚焦不同距离的对象)永远不会改变，但视觉辐辏(眼睛向内旋转以将每只眼睛的视图重叠成一个对齐图像)却会出现，从而导致VAC现象，该VAC现象在学术上称之为视觉辐辏调节冲突，容易造成穿戴者眼睛疲劳、恶心、头晕等视觉不适现象。可以看出，困扰现代VR/AR头显的重大挑战之一在于视觉辐辏调节冲突。
为了解决视觉辐辏调节冲突问题，现有技术包含采用多层屏实现多焦面显示的近眼显示技术，然而其缺点在于体积比较庞大；有些现有技术采用微透镜阵列(Micro-lensarray)光场显示技术，然而其缺点在于会严重降低图像的显示分辨率；也有些现有技术采用电子或机械变焦透镜技术，然而其缺点在于又受限于成像质量及相对响应速度等影响因素。
因此，目前亟需研发一种应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，以有效解决视觉辐辏调节冲突问题，从而降低穿戴者观看时的视觉不适。
发明内容
基于此，本发明提供了一种应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，将折叠光路和电控半波片相结合，及通过时分复用的方式实现不同焦面的场景显示，有效缓解视觉辐辏调节冲突引起的视觉不适。
该发明提供以下技术方案，一种应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，包括显示单元和图像处理单元；所述显示单元沿着光线传播路径包括显示器、偏振模块和目镜模块；
所述显示单元还包括位于光线传播路径上且介于所述偏振模块及所述目镜模块之间的焦深扩展模块；所述焦深扩展模块包括第一1/4波片、电控半波片、透反元件、第二1/4波片和偏振反射元件；
其中，所述第一1/4波片、所述透反元件、所述第二1/4波片和所述偏振反射元件沿着光线传播路径依次设置，且所述电控半波片位于所述第一1/4波片与所述透反元件之间，或者位于所述第二1/4波片与所述偏振反射元件之间；通过调控所述电控半波片的相位延迟值，在所述显示器发出的光线经所述偏振模块处理后，光线再经过所述焦深扩展模块传播后所对应的光程呈现不同状态，以使经过目镜后所形成的虚像位于不同的焦面处，以实现不同焦面的场景显示。
相比现有技术，本发明的有益效果为：所述显示器发出的光经所述偏振模块处理后，光线经过依次设置的第一1/4波片、电控半波片、透反元件、第二1/4波片和偏振反射元件，或者依次设置的第一1/4波片、透反元件、第二1/4波片、电控半波片和偏振反射元件的光线传播后，通过调控所述电控半波片的相位延迟值以使光线所对应的光程呈现不同状态，以使经过目镜后所形成的虚像位于不同的焦面处，以实现不同焦面的场景显示。
较佳地，所述电控半波片包括自下而上设置的第一玻璃基板、下透明电极、液晶层、上透明电极、第二玻璃盖板和抗反射膜；通过预设驱动电路调整所述下透明电极及所述上透明电极所对应的电压，使得两者之间形成电场，以使所述液晶层的液晶分子在电场作用下发生偏转，再通过施加电压以控制所述电控半波片处于打开状态或者关闭状态。
较佳地，所述预设驱动电路采用极性相反的交变电压信号，以防止所述液晶层在同一极性电场下发生极化现象。
较佳地，所述第一1/4波片及所述第二1/4波片均采用双折射单晶波片制成，且所述第一1/4波片及所述第二1/4波片的光轴方向一致。
较佳地，所述透反元件采用多个不同厚度的介质层堆叠设置，且相邻两所述介质层的折射率不同，以使通过改变所述介质层的折射率及厚度实现不同的透反比。
较佳地，所述偏振反射元件具有偏振分光功能，所述偏振反射元件为金属线偏振片或反射式偏光片中的一种。
较佳地，所述偏振模块包括沿着光线传播路径依次设置的线偏振片和分束器。
较佳地，所述焦面成像系统还包括空间光调制器，所述空间光调制器位于所述分束器与所述第一1/4波片之间；
其中，在所述显示器发出的光经所述偏振模块处理后，系统光路所对应的光程呈现不同状态，以使经过目镜后所形成的虚像位于不同的焦面处，结合所述空间光调制器的编程调制作用，以使每一所述焦面具有预设焦深范围，实现不同所述焦面的三维深度曲面场景显示。
较佳地，所述空间光调制器包括液晶器件和外部驱动件，所述外部驱动件包括用于连接所述液晶器件的内部及外部驱动的排线、主控制板和信号转板。
较佳地，所述图像处理单元包括相位图输出模块、彩图输出模块和同步调制信号输出模块；所述相位图输出模块与所述空间光调制器电连接，所述彩图输出模块与所述显示器电连接，所述同步调制信号输出模块与所述电控半波片电连接用于同步配合所述电控半波片，实现图像偏振光线的偏振转换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的视觉辐辏调节示意图；
图2为本发明实施例1提供的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统结构框图；
图3为本发明实施例1提供的焦深扩展模块的结构框图；
图4为本发明实施例1提供的t1时刻的光路原理示意图；
图5为本发明实施例1提供的t2时刻的光路原理示意图；
图6为本发明实施例2提供的焦深扩展模块的结构框图；
图7为本发明实施例2提供的t1时刻的光路原理示意图；
图8为本发明实施例2提供的t2时刻的光路原理示意图；
图9为本发明实施例3提供的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统结构框图；
图10为本发明实施例3提供的t1时刻的光路原理示意图；
图11为本发明实施例3提供的t2时刻的光路原理示意图；
图12为本发明实施例4提供的t1时刻的光路原理示意图；
图13为本发明实施例4提供的t2时刻的光路原理示意图。
附图标记说明：
10-显示单元；
11-显示器；
12-偏振模块、121-线偏振片、122-分束器；
13-空间光调制器；
14-焦深扩展模块、141-第一1/4波片、142-电控半波片、143-透反元件、144-第二1/4波片、145-偏振反射元件；
15-目镜模块；
20-图像处理单元、21-相位图输出模块、22-彩图输出模块、23-同步调制信号输出模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
本申请实施例提供的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，包括显示单元和图像处理单元。其中，所述显示单元沿着光线传播路径包括显示器、偏振模块、焦深扩展模块和目镜模块；所述焦深扩展模块包括第一1/4波片、电控半波片、透反元件、第二1/4波片和偏振反射元件。其中，所述第一1/4波片、所述透反元件、所述第二1/4波片和所述偏振反射元件沿着光线传播路径依次设置，且所述电控半波片位于所述第一1/4波片与所述透反元件之间，或者位于所述第二1/4波片与所述偏振反射元件之间；通过调控所述电控半波片的相位延迟值，在所述显示器发出的光线经所述偏振模块处理后，光线经过所述焦深扩展模块传播后所对应的光程呈现不同状态，以使经过所述目镜模块后所形成的虚像位于不同的焦面处，以实现不同焦面的场景显示。
进一步地，所述显示器采用显示器面板，用于同步显示不同时刻对应的焦面图像。在一些实施例中，所述显示器为LCD显示面板、OLED显示面板、Micro-LED显示面板中的一种。
进一步地，所述偏振模块包括沿着光线传播路径依次设置的线偏振片和分束器。其中，所述线偏振片用于将所述显示器出射的光线转换成单一方向偏振的线偏振光，如S偏振光或者P偏振光，所述分束器起到分光的作用。在一些实施例中，所述分束器采用分束棱镜、平板分束器中的一种；具体实施时，所述线偏振片可以直接贴附在所述显示器的表面，所述分束器与所述线偏振片间隔一定距离设置，可以反射所述显示器出射的光线，并允许外界环境光线透过并进入到人眼，实现AR的显示效果。
进一步地，所述第一1/4波片及所述第二1/4波片均起到实现线偏振光和圆偏振光之间的互相转换作用。在一些实施例例中，所述第一1/4波片及所述第二1/4波片均采用双折射单晶波片制成，且所述第一1/4波片及所述第二1/4波片的光轴方向一致，即均与透过所述线偏振片的线偏振光方向成45°夹角。具体实施时，当光线从法向入射透过波片时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍，当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和波片的光轴面(垂直自然裂开面)成θ角，出射后成椭圆偏振光；特别当θ＝45°时，出射光为圆偏振光。
进一步地，所述电控半波片起到相位延迟的作用，其包括自下而上设置的第一玻璃基板、下透明电极、液晶层、上透明电极、第二玻璃盖板和抗反射膜。在具体实施时，所述电控半波片通过外部电压调控，可以实现0相位延迟和Pi相位延迟之间的切换；在0相位延迟状态，可以看作透明玻璃，光线直接透过且属性不发生变化；在Pi相位延迟状态，可以将经过半波片的线偏振光转换成与之垂直的线偏振光(如S偏振态转换成P偏振态)，也可以实现左旋圆偏光和右旋圆偏光之间的相互转换。
具体地，所述电控半波片的工作机理为：通过预设驱动电路可以调整所述下透明电极及所述上透明电极所对应的电压，使得所述下透明电极及所述上透明电极之间形成电场，以使所述液晶层的液晶分子在电场作用下发生偏转，再通过施加电压以控制所述电控半波片处于打开状态或者关闭状态；即当光线从所述抗反射膜一侧入射，从另一侧出射可实现半波片的技术效果。优选地，在所述抗反射膜与所述第二玻璃盖板之间增加一层正性补偿膜，取向方向与所述液晶器件中的液晶分子初始取向相互垂直，补偿量需保证在饱和电压驱动下，蓝光通过所述液晶层后P光和S光相位差为零；其中，所述液晶层中的液晶分子初始取向是指在不通电的情况下液晶分子的取向。在其它一些实施例中，也可在所述抗反射膜与所述第二玻璃盖板之间增加一层负性补偿膜，同理补偿量需保证在饱和电压驱动下，实现蓝光通过所述液晶层后P光和S光相位差为零。
具体地，所述预设驱动电路采用极性相反的交变电压信号，以防止所述液晶层在同一极性电场下发生极化现象，从而延长所述电控半波片152的使用寿命。
具体地，所述抗反射膜的目的在于提高进入到所述电控半波片的光穿透率，使得入射所述电控半波片的光尽可能多的进入所述电控半波片，减少入射光被反射的强度。
进一步地，所述透反元件起到同时光线透射和反射的作用。在一些实施例中，所述透反元件采用多个不同厚度的介质层堆叠设置，且相邻两所述介质层的折射率不同，以使通过改变所述介质层的折射率及厚度实现不同的透反比。优选地，所述透反元件的透过率与反射率之比优选1：4，以使尽量减小不同焦面显示的图像亮度差异。
进一步地，所述偏振反射元件采用具有偏振分光功能的光学元件，其作用在于可以将偏振方向平行于入射面的线偏振光透射，而偏振方向垂直于入射面的线偏振光反射回来，从而达到偏振分光的目的。在一些实施例中，所述偏振反射元件可以为金属线偏振片、反射式偏光片中的一种。
进一步地，所述目镜模块主要用于对经过各个光学元件进入到人眼的图像光进行成像，并确保所述显示器与目镜之间的距离小于所述目镜模块的焦距，使人眼在正前方观看到一个正立放大的虚像。在一些实施例中，所述目镜模块至少包含一个透镜；其中，该透镜可以是玻璃或者塑料制成的球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜中的一种。
进一地，所述焦面成像系统还包括空间光调制器，其功能在于使得每一颗像素的相位延迟量都可以在0至2π的范围内调控，主要用于同步配合所述电控半波片，实现图像偏振光线的偏振转换，确保具体实施过程中不同时刻焦面显示画面的成像效果；具体实施时，在所述显示器发出的光经所述偏振模块处理后，系统光路所对应的光程呈现不同状态，以使经过目镜后所形成的虚像位于不同的焦面处，结合所述空间光调制器的编程调制作用，以使每一所述焦面具有预设焦深范围，实现不同所述焦面的三维深度曲面场景显示。其中，所述空间光调制器位于所述分束器与所述第一1/4波片之间。在一些实施例中，所述空间光调制器的信号输入接口为VGA、DVI、HDMI、DP等通用视频输入接口的一种或者两种及以上的组合。
具体地，所述空间光调制器包括液晶器件和外部驱动件，所述外部驱动件包括用于连接所述液晶器件的内部及外部驱动的排线、主控制板和信号转板。具体实施时，沿着所述外部驱动件的驱动信号传播方向，终端发出的驱动信号依次经所述信号转板、所述主控制板及所述排线输入至所述空间光调制器，用于控制所述空间光调制器。
进一步地，所述图像处理单元包括相位图输出模块、彩图输出模块和同步调制信号输出模块。其中，所述相位图输出模块与所述液晶相位调制器电连接，所述彩图输出模块与所述显示器电连接，所述同步调制信号输出模块与所述电控半波片电连接用于同步配合所述电控半波片，实现图像偏振光线的偏振转换。在一些实施例中，所述图像处理单元可集成在终端的主控芯片中，通过终端的控制，从而实现所述相位图输出模块、所述彩图输出模块和所述同步调制信号输出模块的电控制。优选地，该终端可以采用计算机设备，还可以采用其它的PC端设备或移动端设备。
实施例1
如图2和图3所示，本实施例提供的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其包括显示单元10和图像处理单元20；所述显示单元10沿着光线传播路径包括显示器11、偏振模块12、焦深扩展模块14和目镜模块15；所述图像处理单元20包括彩图输出模块22和同步调制信号输出模块23。
进一步，所述焦深扩展模块14沿着光线传播路径依次包括第一1/4波片141、电控半波片142、透反元件143、第二1/4波片144和偏振反射元件145。其中，所述彩图输出模块22与所述显示器11电连接，所述同步调制信号输出模块23与所述焦深扩展模块14中的电控半波片142电连接。
本实施例的焦面成像系统在t1、t2时刻显示系统光路对应的光程不同，经过目镜模块后所成的像在不同的焦面处，从而实现了不同焦面的场景显示，有效的解决了辐辏冲突问题，提升了观看舒适度。其具体工作机理在于：
如图4所示，在t1时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为0；具体实施方式为：显示器11出射的光线(图中实线)经过线偏振片121(此实施例为S方向偏振，但也可以选择P方向偏振)到达分束器122，在分束器122的分光作用下，一部分S偏振光直接透射向下进入环境中，而另一部分S偏振光向右反射，并沿光的传播途径依次经过第一1/4波片141、电控半波片142、透反元件143、第二1/4波片144、偏振反射元件145(此实施例为透射P偏振态的光线，反射S偏振态的光线，简称透P反S)、第二1/4波片144、透反元件143、第二1/4波片144、偏振反射元件145、目镜模块15。其中S偏振光经过第一1/4波片141(光轴方向与S偏振方向成45°夹角)后转换成左旋圆偏光(LC)；再经过电控半波片142(t1时刻调控为0相位延迟，相当于透明玻璃)偏振属性不发生改变，即还是左旋圆偏光；再经过透反元件143透射一部分左旋圆偏光，继续传播到第二1/4波片144，并将左旋圆偏光转换成S方向偏振光；而S偏振光与偏振反射元件145(透P反S)的透光轴方向垂直，所以又被反射回来；再次经过第二1/4波片144，并重新转换成左旋圆偏光(LC)；而左旋圆偏光在透反元件143的反射作用下，一部分被反射回来变成右旋圆偏光(RC)；并继续往右传播经过第二1/4波片144后，此时光线变成P方向偏振光，刚好与偏振反射元件145的透射光轴一致，可以以P偏振光出射；再经过目镜模块15成像并进入到人眼，从而实现焦面一的图像显示。
由于透反元件143既可以透射又可以反射光线，可能的杂散光线如图4中点划线和虚线表示；其中虚线代表反射光线，当入射的左旋圆偏光经过透反元件143反射变成右旋圆偏光，再经过电控半波片142及第一1/4波片141转换成P偏振光，而P偏振光经过分束器122反射后到达S方向线偏振片121，由于偏振方向相互垂直，P偏振光线无法透射过去，即不会被再次反射进入人眼，因此，该反射部分光线不会对最终的焦面成像产生影响；而点划线表示折返光路中透射的光线，即左旋圆偏光经过透反元件143透射一部分左旋圆偏光，再经过电控半波片142及第一1/4波片141转换成S偏振光，而S偏振光经过分束器122反射之后可以透过S方向线偏振片121，并被显示器11反射，从而再次重复焦面一的光路传播途径，进入到人眼形成伪像，但是由于点划线代表的光线是经过多次折返之后返回到显示器11表面，途中经过多次分光损耗，能量本身就很低，同时一般显示器11的反射率也较低，从而导致这部分光再次经过各种光学元件进入到人眼的能量微弱，可以忽略不计。
如图5所示，在t2时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为Pi。具体实施方式为：首先，显示器11出射的光线(图中实线)经过线偏振片121(此实施例为S方向偏振，但也可以选择P方向偏振)到达分束器122，在分束器122的分光作用下，一部分S偏振光直接透射向下进入环境中，而另一部分S偏振光向右反射，并沿光的传播途径依次经过第一1/4波片141、电控半波片142、透反元件143、第二1/4波片144、偏振反射元件145(此实施例为透射P偏振态的光线，反射S偏振态的光线，简称透P反S)、目镜模块15。其中S偏振光经过第一1/4波片141(光轴方向与S偏振方向成45°夹角)后转换成左旋圆偏光(LC)；再经过电控半波片142(t1时刻调控为Pi相位延迟),将左旋圆偏光转换成右旋圆偏光(RC)；再经过透反元件143透射一部分右旋圆偏光，继续传播到第二1/4波片144，并将右旋圆偏光转换成P方向偏振光；而P偏振光刚好与偏振反射元件145(透P反S)的透光轴方向平行，所以可以直接将P偏振光透射过去，并经过目镜模块15成像到人眼，从而在另一位置实现了焦面二的图像显示。同理，由于透反元件143具有透射和反射功能，即出现图5中的虚线所示的光路途径；当入射的右旋圆偏光(RC)经过透反元件143表面的反射变成左旋圆偏光(LC)，并在电控半波片143(此时具有Pi相位延迟)的作用下，重新将左旋圆偏光(LC)转换成右旋圆偏光(RC)；而右旋圆偏光又在第一1/4波片141的作用下，转换成P方向的线偏振光，再经过分束器121反射到S方向线偏振片121上，P方向线偏光与S方向线偏振片121透光轴方向相互垂直无法透过，因此也不会进入人眼影响成像效果。
实施例2
参照图2，以及如图6所示，本实施例提供的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其包括显示单元10和图像处理单元20；所述显示单元10沿着光线传播路径包括显示器11、偏振模块12、焦深扩展模块14和目镜模块15；所述图像处理单元20包括彩图输出模块22和同步调制信号输出模块23。
进一步地，所述焦深扩展模块14沿着光线传播路径依次包括第一1/4波片141、透反元件143、第二1/4波片144、电控半波片142和偏振反射元件145。其中，所述彩图输出模块22与所述显示器11电连接，所述同步调制信号输出模块23与所述电控半波片142电连接。
本实施例的焦面成像系统在t1、t2时刻显示系统光路对应的光程不同，经过目镜模块后所成的像在不同的焦面处，从而实现了不同焦面的场景显示，有效的解决了辐辏冲突问题，提升了观看舒适度。其具体工作机理在于：
如图7所示，在t1时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为0；具体实施方式与实施例1的t1时刻相类似，在此就不一一赘述。
如图8所示，在t2时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为Pi。具体实施方式与实施例1的t2时刻相类似，在此就不一一赘述。
实施例3
如图9所示，本实施例提供的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其包括显示单元10和图像处理单元20；所述显示单元10沿着光线传播路径包括显示器11、偏振模块12、空间光调制器13、焦深扩展模块14和目镜模块15；所述图像处理单元20包括相位图输出模块21、彩图输出模块22和同步调制信号输出模块23。其中，所述焦深扩展模块14沿着光线传播路径依次包括第一1/4波片141、电控半波片142、透反元件143、第二1/4波片144和偏振反射元件145。所述相位图输出模块21与所述空间光调制器13电连接，所述彩图输出模块22与所述显示器11电连接，所述同步调制信号输出模块23与所述电控半波片142电连接。
本实施例的焦面成像系统在t1、t2时刻显示系统光路对应的光程不同，经过目镜模块后所成的像在不同的焦面处；同时又在空间光调制器的编程调制作用下，每个焦面都具有一定的焦深范围，从而实现了不同焦面的三维深度曲面场景显示，有效的解决了辐辏冲突问题，并进一步提升了观看舒适度。其具体工作机理在于：
如图10所示，首先在t1时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为0；具体实施方式如下：显示器11出射的光线(图中实线)经过线偏振片121(此实施例为S方向偏振，但也可以选择P方向偏振)到达分束器122，在分束器122的分光作用下，一部分S偏振光直接透射向下进入环境中，而另一部分S偏振光向右反射，并沿光的传播途径依次经过空间光调制器13、第一1/4波片141、电控半波片142、透反元件143、第二1/4波片144、偏振反射元件145(此实施例为透射P偏振态的光线，反射S偏振态的光线，简称透P反S)、第二1/4波片144、透反元件143、第二1/4波片144、偏振反射元件145、目镜模块15。当分束器122反射的S偏振光经过透射式空间光调制器13(SLM)时，由于空间光调制器13本身的可编程特性，能够对显示器11显示的平面图像进行相位编码，将其转换成具有一定深度范围的三维曲面图像(图中用曲线表示)，并不改变传播光线的偏振属性，以S偏振光继续传播；当S偏振光经过第一1/4波片141(光轴方向与S偏振方向成45°夹角)后转换成左旋圆偏光(LC)；再经过电控半波片142(t1时刻调控为0相位延迟，相当于透明玻璃)偏振属性不发生改变，即还是左旋圆偏光；再经过透反元件143透射一部分左旋圆偏光，继续传播到第二1/4波片144，并将左旋圆偏光转换成S方向偏振光；而S偏振光与偏振反射元件145(透P反S)的透光轴方向垂直，所以又被反射回来；再次经过第二1/4波片144，并重新转换成左旋圆偏光(LC)；而左旋圆偏光在透反元件143的反射作用下，一部分被反射回来变成右旋圆偏光(RC)；并继续往右传播经过第二1/4波片144，此时光线变成P方向偏振光，刚好与偏振反射元件145的透射光轴一致，可以以P偏振光出射；再经过目镜模块15成像并进入到人眼，从而实现焦面一的图像显示；此时焦面一显示的图像是具有一定的焦深范围的三维曲面深度场景，而不是单一的平面显示画面。
由于透反元件143具有反射和透射的作用，那么可能的杂散光线用图6中点划线和虚线表示；其中虚线代表反射光线，当入射的左旋圆偏光经过透反元件143反射变成右旋圆偏光，再经过电控半波片142(0相位延迟)及第一1/4波片141转换成P偏振光，而P偏振光经过透射式空间光调制器13及分束器122反射后到达S方向线偏振片121，由于偏振方向相互垂直，P偏振光线无法透射过去，即不会被再次反射进入人眼，因此，该反射部分光线不会对最终的焦面成像产生影响；而点划线表示折返光路中透射的光线，即左旋圆偏光经过透反元件143透射一部分左旋圆偏光，再经过电控半波片142(0相位延迟)及第一1/4波片141转换成S偏振光，而S偏振光经过透射式空间光调制器13及分束器122反射之后，可以透过S方向线偏振片121到达显示器11的表面，并被显示器11反射，从而再次重复焦面一的光路传播途径，进入到人眼形成伪像，但是由于点划线代表的光线是经过多次折返之后返回到显示器11表面，途中经过多次分光损耗，能量本身就很低，同时一般显示器11的反射率也较低，从而导致这部分光再次经过各种光学元件进入到人眼的能量微弱，可以忽略不计。
如图11所示，在t2时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为Pi。具体实施方式如下：首先，显示器11出射的光线(图中实线)经过线偏振片121(此实施例为S方向偏振，但也可以选择P方向偏振)到达分束器122，在分束器122的分光作用下，一部分S偏振光直接透射向下进入环境中，而另一部分S偏振光向右反射，并沿光的传播途径依次经过空间光调制器13、第一1/4波片141、电控半波片142、透反元件143、第二1/4波片144、偏振反射元件145(此实施例为透射P偏振态的光线，反射S偏振态的光线，简称透P反S)、目镜模块15。当分束器122反射的S偏振光经过透射式空间光调制器13(SLM)时，由于空间光调制器13本身的可编程特性，能够对显示器显示的平面图像进行相位编码，将其转换成具有一定深度范围的三维曲面图像(图中用绿色的曲线表示)，并不改变传播光线的偏振属性，以S偏振光继续传播；当S偏振光经过第一1/4波片141(光轴方向与S偏振方向成45°夹角)后转换成左旋圆偏光(LC)；再经过电控半波片142(t1时刻调控为Pi相位延迟),将左旋圆偏光转换成右旋圆偏光(RC)；再经过透反元件143透射一部分右旋圆偏光，继续传播到第二1/4波片144，并将右旋圆偏光转换成P方向偏振光；而P偏振光刚好与偏振反射元件145(透P反S)的透光轴方向平行，所以可以直接将P偏振光透射过去，并经过目镜模块15成像到人眼，从而在另一位置实现了焦面二的图像显示；此时焦面二显示的图像同样是具有一定的焦深范围的三维曲面深度场景。
同理，由于透反元件143具有透射和反射功能，即出现图5中的虚线所示的光路途径；当入射的右旋圆偏光(RC)经过透反元件143表面的反射变成左旋圆偏光(LC)，并在电控半波片142(此时具有Pi相位延迟)的作用下，重新将左旋圆偏光(LC)转换成右旋圆偏光(RC)；而右旋圆偏光又在第一1/4波片141的作用下，转换成P方向的线偏振光，再经过透射式空间光调制器13及分束器122反射到S方向线偏振片121上；但是P方向线偏光与S方向线偏振片透光轴方向相互垂直无法透过，因此也不会进入人眼影响成像效果。
实施例4
参照图9以及参照图6，本实施例提供的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其包括显示单元10和图像处理单元20；所述显示单元10沿着光线传播路径包括显示器11、偏振模块12、空间光调制器13、焦深扩展模块14和目镜模块15；所述图像处理单元20包括相位图输出模块21、彩图输出模块22和同步调制信号输出模块23。
进一步地，所述焦深扩展模块14沿着光线传播路径依次包括第一1/4波片141、透反元件143、第二1/4波片144、电控半波片142和偏振反射元件145。所述相位图输出模块21与所述空间光调制器13电连接，所述彩图输出模块22与所述显示器11电连接，所述同步调制信号输出模块23与所述电控半波片142电连接。
本实施例的焦面成像系统在t1、t2时刻显示系统光路对应的光程不同，经过目镜模块后所成的像在不同的焦面处；同时又在空间光调制器的编程调制作用下，每个焦面都具有一定的焦深范围，从而实现了不同焦面的三维深度曲面场景显示，有效的解决了辐辏冲突问题，并进一步提升了观看舒适度。其具体工作机理在于：
如图12所示，在t1时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为0；具体实施方式与实施例3的t1时刻相类似，在此就不一一赘述。
如图13所示，在t2时刻，电控半波片142在外部电压的调控下相位延迟为Pi。具体实施方式与实施例3的t2时刻相类似，在此就不一一赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，包括显示单元和图像处理单元；其特征在于，所述显示单元沿着光线传播路径包括显示器、偏振模块和目镜模块；
所述显示单元还包括位于光线传播路径上且介于所述偏振模块及所述目镜模块之间的焦深扩展模块；所述焦深扩展模块包括第一1/4波片、电控半波片、透反元件、第二1/4波片和偏振反射元件；
其中，所述第一1/4波片、所述透反元件、所述第二1/4波片和所述偏振反射元件沿着光线传播路径依次设置，且所述电控半波片位于所述第一1/4波片与所述透反元件之间，或者位于所述第二1/4波片与所述偏振反射元件之间；通过调控所述电控半波片的相位延迟值，在所述显示器发出的光线经所述偏振模块处理后，光线再经过所述焦深扩展模块传播后所对应的光程呈现不同状态，以使经过目镜后所形成的虚像位于不同的焦面处，以实现不同焦面的场景显示。
2.根据权利要求1所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述电控半波片包括自下而上设置的第一玻璃基板、下透明电极、液晶层、上透明电极、第二玻璃盖板和抗反射膜；通过预设驱动电路调整所述下透明电极及所述上透明电极所对应的电压，使得两者之间形成电场，以使所述液晶层的液晶分子在电场作用下发生偏转，再通过施加电压以控制所述电控半波片处于打开状态或者关闭状态。
3.根据权利要求2所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述预设驱动电路采用极性相反的交变电压信号，以防止所述液晶层在同一极性电场下发生极化现象。
4.根据权利要求1所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述第一1/4波片及所述第二1/4波片均采用双折射单晶波片制成，且所述第一1/4波片及所述第二1/4波片的光轴方向一致。
5.根据权利要求1所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述透反元件采用多个不同厚度的介质层堆叠设置，且相邻两所述介质层的折射率不同，以使通过改变所述介质层的折射率及厚度实现不同的透反比。
6.根据权利要求1所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述偏振反射元件具有偏振分光功能，所述偏振反射元件为金属线偏振片或反射式偏光片中的一种。
7.根据权利要求1所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述偏振模块包括沿着光线传播路径依次设置的线偏振片和分束器。
8.根据权利要求1所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述焦面成像系统还包括空间光调制器，所述空间光调制器位于所述分束器与所述第一1/4波片之间；
其中，在所述显示器发出的光经所述偏振模块处理后，系统光路所对应的光程呈现不同状态，以使经过目镜后所形成的虚像位于不同的焦面处，结合所述空间光调制器的编程调制作用，以使每一所述焦面具有预设焦深范围，实现不同所述焦面的三维深度曲面场景显示。
9.根据权利要求8所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述空间光调制器包括液晶器件和外部驱动件，所述外部驱动件包括用于连接所述液晶器件的内部及外部驱动的排线、主控制板和信号转板。
10.根据权利要求8所述的应用在虚拟现实显示中的焦面成像系统，其特征在于，所述图像处理单元包括相位图输出模块、彩图输出模块和同步调制信号输出模块；所述相位图输出模块与所述空间光调制器电连接，所述彩图输出模块与所述显示器电连接，所述同步调制信号输出模块与所述电控半波片电连接用于同步配合所述电控半波片，实现图像偏振光线的偏振转换。
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