CN116482859A - 一种液晶显示光学元件及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种液晶显示光学元件及近眼显示装置，属于近眼显示技术，包括光源，光源包括至少一种颜色的光束；数字微镜单元，设置在光源的一侧，且光源包括的至少一种颜色的光束射入数字微镜单元；液晶光阑，设置在数字微镜单元的一侧，数字微镜单元将光源发出的光束调制后，朝向液晶光阑射出；液晶光阑包括多个液晶散射膜片，且多个液晶散射膜片分别位于发光侧的不同位置；滤波系统，设置在数字微镜单元与液晶光阑之间，滤波系统用于将数字微镜单元调制后的光束进行滤波，以使光束形成的图像投影到液晶光阑的多个液晶散射膜片上。通过本申请实施例提供一种液晶显示光学元件及近眼显示装置，可以实现彩色多平面AR显示。

Description

一种液晶显示光学元件及近眼显示装置

技术领域

本申请实施例涉及近眼显示技术领域，具体而言，涉及一种液晶显示光学元件及近眼显示装置。

背景技术

显示技术经历多次升级换代，从黑白显示到彩色显示，从阴极射线管到液晶显示、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)显示、Micro-LED(Micro LightEmitting Diode Display，微发光二极管)、Mini-LED等各类平板显示蓬勃发展世代。

彩色显示成为手机、电视、AR(Augmented Reality，增强现实)/VR(VirtualReality，虚拟现实)设备所必须的要素。在平板显示中，彩色显示可以通过空间混色法或时间混色法来实现。时间混色法则是时序的控制R、G、B三原色的背景光，利用人眼的视觉暂留特性实现彩色显示。

目前，由于液晶显示刷新率有限(60Hz或120Hz)，因此利用时分复用的方法很难实现更多层数的多平面AR显示，无法充分利用液晶显示的快响应特性。

发明内容

本申请实施例在于提供一种液晶显示光学元件，旨在实现彩色多平面AR显示。

本申请实施例第一方面提供一种液晶显示光学元件，包括：

光源，所述光源包括至少一种颜色的光束；

数字微镜单元，设置在所述光源的一侧，且所述光源包括的至少一种颜色的光束射入所述数字微镜单元；

液晶光阑，设置在所述数字微镜单元的一侧，所述数字微镜单元将所述光源发出的光束调制后，朝向所述液晶光阑射出；

所述液晶光阑包括多个液晶散射膜片，且多个所述液晶散射膜片分别位于发光侧的不同位置；

滤波系统，设置在所述数字微镜单元与所述液晶光阑之间，所述滤波系统用于将所述数字微镜单元调制后的光束进行滤波，以使所述光束形成的图像投影到所述液晶光阑的多个所述液晶散射膜片上。

可选地，所述滤波系统包括聚焦透镜、滤波孔和准直透镜；

其中，所述聚焦透镜与所述准直透镜平行设置，所述聚焦透镜靠近所述数字微镜单元，所述准直透镜靠近所述液晶光阑；

所述滤波孔位于所述聚焦透镜与所述准直透镜之间，且所述滤波孔位于所述聚焦透镜与所述准直透镜的焦面位置。

可选地，所述光学元件还包括：

融合棱镜，设置在所述光源与所述数字微镜单元之间，所述融合棱镜用于融合所述光源包括的至少一种颜色的光束，并将融合后的光束朝向所述数据微镜单元射出。

可选地，所述光学元件还包括：

扩束透镜，设置在所述融合棱镜与所述数字微镜单元之间，所述扩束透镜用于收集所述融合后的光束。

可选地，所述液晶显示光学元件还包括：

目镜，设置在所述液晶光阑背离所述滤波系统的一侧，所述目镜用于放大所述液晶光阑显示的图像。

可选地，所述液晶显示光学元件还包括：

光学融合器，设置在所述液晶光阑背离所述滤波系统的一侧，所述光学融合器用于融合所述液晶光阑显示的图像。

可选地，所述至少一种颜色的光束包括红色子光束、绿色子光束和蓝色子光束。

可选地，所述光源包括激光光源、LED光源和OLED光源。

本申请实施例第二方面提供一种近眼显示装置，包括本申请实施例第一方面提供的液晶显示光学元件。

可选地，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

有益效果：

本申请提供一种液晶显示光学元件及近眼显示装置，通过设置光源、数字微镜单元、液晶光阑和滤波系统，利用数字微镜单元对光源包括的至少一种颜色的光束进行调制，使其形成加载有图像的光束，然后再利用滤波系统的滤波作用，将加载有图像的光束中衍射级次最高的光束保留下来，并使其投影到液晶光阑中不同位置的液晶散射膜片上，再通过对不同液晶散射膜片的状态的快速切换，便可以实现彩色多平面的AR显示，并充分利用液晶显示的快速响应特性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的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申请的一些实施例，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是本申请一实施例提出的一种液晶显示光学元件的结构示意图；

图2是本申请一实施例提出的一种液晶显示光学元件中液晶光阑的结构示意图；

图3是本申请一实施例提出的一种包括红色子光源、绿色子光源和蓝色子光源的液晶显示光学元件的结构示意图。

附图标记说明：10、光源；101、红色子光源；102、绿色子光源；103、蓝色子光源；20、数字微镜单元；30、液晶光阑；301、液晶散射膜片；40、滤波系统；401、聚焦透镜；402、滤波孔；403、准直透镜；50、目镜；60、光学融合器；70、人眼。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相关技术中，彩色显示可以通过空间混色法或时间混色法来实现。空间混色法主要是通过排列R、G、B子像素实现彩色显示，R、G、B像素可以通过多种方式进行排列，如一字排列、圆点倒品字排列、圆点正品字排列等多种形式，通过控制每个像素的亮度，经过混色后则可以实现任意颜色显示。当像素尺寸足够小并且靠的足够近时，由于人眼分辨率有限，达到将三个像素混合的目的。目前液晶显示器、OLED显示器件基本都是通过该方法实现的。时间混色法则是时序的控制R、G、B三原色的背景光，利用人眼的视觉暂留特性实现彩色显示。

目前，可实现快速投影的微显示器件主要有DMD(Digtial Micromirror Devices，数字微镜器件)和FLCoS(高反射率硅基铁电液晶)，两种快速投影设备都可以应用到我们的显示系统中，但两种显示设备都非自发光设备，需要外部照明设备。FLCoS是基于铁电液晶的调制器，相比于普通LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶)刷新率得到大幅度提高，但是在光能利用率、刷新率速度上仍逊色于DMD，且造价也相对较高。

目前利用DMD实现彩色投影有两种方法。第一种是利用R、G、B三色LED产生时序三色光，通过二向色镜将不同颜色光融合成一束光束，然后照射在DMD上，光束通过镜头的放大实现彩色投影；第二种，采用色轮快速转动，在时序上将白光转化为R、G、B时序三色光，然后照射在DMD上，实现彩色的投影显示，在某些设计中也会用三片DMD，实现高亮度的快速投影。

液晶彩色显示受限于刷新频率(60Hz或120Hz),利用时分复用的方法很难实现更多层数的多平面AR显示，无法充分利用液晶显示的快速响应特性。

有鉴于此，本申请实施例提出一种液晶显示光学元件及近眼显示装置，通过设置光源、数字微镜单元、液晶光阑和滤波系统，利用数字微镜单元对光源包括的至少一种颜色的光束进行调制，使其形成加载有图像的光束，然后再利用滤波系统的滤波作用，将加载有图像的光束中衍射级次最高的光束保留下来，并使其投影到液晶光阑中不同位置的液晶散射膜片上，再通过对不同液晶散射膜片的状态的快速切换，便可以实现彩色多平面的AR显示，并充分利用液晶显示的快速响应特性。

参照图1所示，为本申请实施例提供的一种液晶显示光学元件，该光学元件包括光源10、数字微镜单元20、液晶光阑30和滤波系统40。

具体地，光源10包括至少一种颜色的光束，也就是说，光源10可以包括单一的红色光束、绿色光束或蓝色光束，也可以包括红色光束与绿色光束的组合、红色光束与蓝色光束的组合或者绿色光束与蓝色光束的组合，也可以包括红色光束、绿色光束和蓝色光束的组合。

同时，光源10可以包括激光光源、LED光源和OLED光源。在本申请实施例中，光源10为LED光源，也即是利用LED发光器件发出的带有至少一种颜色的光束。而激光光源和OLED光源则分别为利用激光器发出的光束和利用OLED发光器件发出的光束，本领域技术人员可以实际需求进行选择。

参照图1所示，数字微镜单元20也即是DMD，数字微镜单元20设置在光源10的一侧，且光源10包括的至少一种颜色的光束需要完全射入到数字微镜单元20内。

数字微镜单元20中包括有多个微镜，其中，每个微镜被称为一个像素。且每个微镜可以沿着其各自的对角线方向旋转±12°，即数字微镜单元20的微镜有三种状态：+12°，0°，-12°。同时，每一个微镜都是一个独立的个体，并且可以翻转不同的角度(正或者负)，因此通过微镜所反射的光线可以呈现不同的角度，具体表现为其对应的数字图像像素的亮暗程度。

因此，通过控制每个微镜的旋转角度便可以实现画面的调制。具体地，在将预设的图像输入到数字微镜单元20后，数字微镜单元20便可以控制每个微镜的旋转角度，以使每个微镜反射不同的光线，以使得数字微镜单元20最终输出的光束包括有预设的图像。

参照图1所示，液晶光阑30设置在数字微镜单元20的一侧，并且数字微镜单元20将光源10发出的光束调制后，会朝向液晶光阑30射出。

具体地，液晶光阑30主要用于显示经过数字微镜单元20调制后的图像。液晶光阑30包括多个液晶散射膜片301，且液晶散射膜片301包括散射状态和透明状态，通过对液晶散射膜片301施加电压可以改变液晶散射膜片的状态。

例如，在未对液晶散射膜片301施加电压时，液晶散射膜片3013处于散射状态，此时照射到液晶散射膜301片的光线无法从液晶散射膜片301射出，也就是说，此时液晶散射膜片301不能显示出图像；而在对液晶散射膜片301施加电压后，液晶散射膜片301会处于透明状态，此时照射到液晶散射膜片301的光线便可以正常从液晶散射膜片301射出，因此液晶散射膜片301能够显示出图像。

参照图2所示，同时，多个液晶散射膜片301分别位于发光侧的不同位置。

具体地，发光侧是指显示装置的发光侧，也就是显示装置发出光线显示图像的方向。而液晶散射膜片301位于发光侧的不同位置是指，液晶散射膜片301分布在显示装置的屏幕上的不同位置，且所有的液晶散射膜片301需要完全占据显示装置的整个屏幕。可以理解的是，多个液晶散射膜片301在显示装置中是呈阵列分布的，且所有的液晶散射膜片301处于一个平面上。

进一步地，由于数字微镜单元20为非自发光设备，需要借助外部照明光源，同时，由于数字微镜单元20的像素尺寸较小(一般为5.4μm-10.8μm)，使得数字微镜单元20表现出二维光栅的光学性质，因此对于入射光来说，数字微镜单元202会表现出衍射和反射两种特性。因此，数字微镜单元20并不是简单地反射得到清晰图像，而是由于衍射在观察面上呈现出明显的色散现象。

在彩色多平面显示中需要综合考虑因数字微镜单元20衍射特性带来的营销，以实现准直的彩色投影。

因此，参照图1所示，在本申请实施例中，在数字微镜单元20与液晶光阑30之间还设置有滤波系统40，滤波系统40用于将数字微镜单元20调制后的光束进行滤波，以使所述光束形成的图像投影到液晶光阑30的多个液晶散射膜片301上。

具体地，在数字微镜单元20对光束进行调制后，加载有图像的光束会朝向滤波系统40继续传播，在这个过程中，由于数字微镜单元20同时具有反射和衍射的特性，因此加载有图像的光束会包括多个衍射级次(衍射级次的高低根据光束的衍射能量的高低来进行判定，衍射能量越高的光束，衍射级次也就越高)，其中衍射级次越高的光束所形成的图像也就越清晰，而衍射级次越低的光束所形成的的图像就越模糊。利用滤波系统40可以将光束中衍射级次最高的一级衍射保留下来，而将其余衍射级次较低的次级衍射进行滤波，从而扩大投影图像的景深范围，使处于不同位置的液晶散射膜片301都能够接收到清晰的图像。

进一步地，参照图1所示，滤波系统40可以包括聚焦透镜401、滤波孔402和准直透镜403。

其中，聚焦透镜401与准直透镜403平行设置，且聚焦透镜401与准直透镜403处于同一直线上，聚焦透镜401设置在靠近数字微镜单元20的位置，准直透镜403设置在靠近液晶光阑30的位置。滤波孔402设置在聚焦透镜401与准直透镜403之间，且滤波孔402同时处于聚焦透镜401和准直透镜403的焦面位置上。

可以理解的是，在本申请实施例中，聚焦透镜401和准直透镜403均为凸透镜，因此聚焦透镜401和准直透镜403都具有焦点，而焦面位置指的便是聚焦透镜401和准直透镜403的焦点所在的平面位置。

经过数字微镜单元20调制后的光束会首先射入聚焦透镜401，聚焦透镜401会将不同衍射级次的光束聚集在不同位置，随后滤波孔402会对光束进行滤波，使得衍射级次最高的光束保留下来并射向准直透镜403，准直透镜403可以将滤波后的光束进行准直，从而得到清晰的图像并投影到不同位置的液晶散射膜片301上。

由于液晶散射膜片301处于不同的物理位置，因此液晶散射膜片301可以将图像成像在显示装置屏幕的不同位置，当对多个液晶散射膜片301施加电压，并快速切换每个液晶散射膜片301的状态，便可以在显示装置的屏幕形成稳定的三维图像。

例如，在对第一液晶散射膜片施加电压后，第一液晶散射膜片切换为透明状态，此时光束透过第一液晶散射膜片在屏幕的第一区域形成图像，再停止对第一液晶散射膜片施加电压，同时快速对第二液晶散射膜片施加电压，使得第二液晶散射膜片切换到透明状态，此时光束透过第二液晶散射膜片在屏幕的第二区域形成图像；由于对第一液晶散射膜片和第二液晶散射膜片状态的切换速度极快，超出了人眼识别范围，因此人眼在看到第一区域的图像未消散的同时，便又再看到了第二区域形成的图像，最终人眼看到的便是合成后的三维图像，该三维图像包括分别形成在第一区域和第二区域的图像。

需要说明的是，在实际应用中，会对多个液晶散射膜片301进行状态的快速切换，以实现三维图像的形成，在本申请实施例中只是对其原理进行简单说明，不能解释为对本申请保护范围的限制。

本申请实施例通过使用数字微镜单元20形成彩色显示，并投影在液晶光阑30包括的多个液晶散射膜片301上，再利用滤波系统40，实现对不同位置的液晶散射膜片301的图像投影，并在本申请实施例提供的液晶显示光学元件的基础上，再搭建原型机系统，便可以实现彩色多平面的AR显示，并且充分利用了液晶显示的快速响应特性。

在一种可选的实施方式中，参照图3所示，本申请实施例还提供一种液晶显示光学元件，在该光学元件中，光源10包括红色子光源101、绿色子光源102和蓝色子光源103。

具体地，在本申请实施例中，通过时间混色法来实现彩色显示，因此需要对数字微镜单元20采用三色光源时序照明，因此光源10可以包括红色子光源101、绿色子光源102和蓝色子光源103，且三种颜色的子光源分别从不同的位置射向数字微镜单元20。

进一步地，参照图3所示，在该实施方式中，光学元件还包括融合棱镜104，融合棱镜104设置在光源10与数字微镜单元20之间，融合棱镜104用于融合光源包括的至少一种颜色的光束，并将融合后的光束朝向数字微镜单元20射出。

具体地，融合棱镜104可以包括X立方棱镜，在使用时，不用颜色的子光源分别从不同的入射面射入融合棱镜104，融合棱镜104可以将不同颜色的子光源发出的光束进行融合，然后再将融合后的光束朝向数字微镜单元20射出。

例如，在本申请实施例中，红色子光源101、绿色子光源102和蓝色子光源103分别位于融合棱镜104的三个侧面相对的位置，并分别朝向融合棱镜104发出红色子光束、绿色子光束和蓝色子光束，然后融合棱镜104将红色子光束、绿色子光束和蓝色子光束进行融合，使其形成为一道光束，然后将这道光束朝向数字微镜单元20射出，这样可以保证红色子光束、绿色子光束和蓝色子光束基本沿着同一方向进行传播，更有利于数字微镜单元20的调制以及后续图像的投影。

进一步地，参照图3所示，在本申请实施例中，该光学元件还包括扩束透镜105，扩束透镜105设置在融合棱镜104与数字微镜单元20之间，扩束透镜105用于收集融合后的光束。

具体地，在融合棱镜104对所有的光束进行融合后，融合后的光束会先经过扩束透镜105，扩束透镜105可以对融合后的光束进行收集，使融合后的光束中发散角较大的光束得到收敛，然后再射入到数字微镜单元20中。

这样可以保证融合后的光束完整地射入到数字微镜单元20，并经过数字微镜单元20进行调制后形成加载有图像的光束。如果不对融合后的光束进行收集，可能会影响到最终形成的图像，因此扩束透镜105的设置进一步保证了最终图像的清晰性。扩束透镜也105可以为凸透镜。

在一种可选的实施方式中，参照图3所示，该光学元件还可以包括目镜50，目镜50设置在液晶光阑30背离滤波系统40的一侧，目镜50用于放大液晶光阑30显示的图像。

具体地，在产品具有放大需求时，便可以在光学元件中添加目镜50，利用目镜50放大液晶光阑30显示的图像，从而使得用户可以更清晰地观察到三维图像。目镜50可以选用凸透镜，利用凸透镜的放大作用便可以实现对液晶光阑30显示图像的放大(本质上可以理解为透过液晶光阑30的光束经过目镜50的扩散，从而产生放大的虚像)。

在一种可选的实施方式中，参照图3所示，该光学元件还可以包括光学融合器60，设置在液晶光阑30背离滤波系统40的一侧。

具体地，在增强现实(AR)显示装置中，显示装置需要同时显示现实图像和虚拟图像，因此在光学元件中还需要使用光学融合器60，光学融合器60可以融合来自现实图像的光束(可以是通过其他图像采集装置，例如相机拍摄的图像形成的光束)和虚拟图像的光束(也即是经数字微镜单元20调制后加载有图像的光束)，并最终使其投射到人眼70中，使得用户眼中形成同时带有现实图像和虚拟图像的图像。

同时，在光学融合器60之前，也可以先利用目镜50对液晶光阑30的图像进行放大，从而使得最终呈现的图像更加清晰。

基于同一发明构思，本申请实施例公开一种近眼显示装置，包括如本申请实施例前文所述的任一种液晶显示光学元件。

具体地，该近眼显示装置还可以包括图像生成单元，图像生产单元用于生成需要给用户呈现的图像，并且将该图像输入到数字微镜单元中，通过数字微镜单元的调制，形成加载有该图像的光束投影到液晶光阑上，然后再投射到用户的眼中(例如视网膜)，从而在用户眼中成像。

进一步地，该近眼显示装置可以为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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申请和简化描述，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申请的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种液晶显示光学元件，其特征在于，包括：

光源，所述光源包括至少一种颜色的光束；

数字微镜单元，设置在所述光源的一侧，且所述光源包括的至少一种颜色的光束射入所述数字微镜单元；

液晶光阑，设置在所述数字微镜单元的一侧，所述数字微镜单元将所述光源发出的光束调制后，朝向所述液晶光阑射出；

所述液晶光阑包括多个液晶散射膜片，且多个所述液晶散射膜片分别位于发光侧的不同位置；

滤波系统，设置在所述数字微镜单元与所述液晶光阑之间，所述滤波系统用于将所述数字微镜单元调制后的光束进行滤波，以使所述光束形成的图像投影到所述液晶光阑的多个所述液晶散射膜片上。

2.根据权利要求1所述的液晶显示光学元件，其特征在于：

所述滤波系统包括聚焦透镜、滤波孔和准直透镜；

其中，所述聚焦透镜与所述准直透镜平行设置，所述聚焦透镜靠近所述数字微镜单元，所述准直透镜靠近所述液晶光阑；

所述滤波孔位于所述聚焦透镜与所述准直透镜之间，且所述滤波孔位于所述聚焦透镜与所述准直透镜的焦面位置。

3.根据权利要求1所述的液晶显示光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括：

融合棱镜，设置在所述光源与所述数字微镜单元之间，所述融合棱镜用于融合所述光源包括的至少一种颜色的光束，并将融合后的光束朝向所述数字微镜单元射出。

4.根据权利要求3所述的液晶显示光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括：

扩束透镜，设置在所述融合棱镜与所述数字微镜单元之间，所述扩束透镜用于收集所述融合后的光束。

5.根据权利要求1所述的液晶显示光学元件，其特征在于，所述液晶显示光学元件还包括：

目镜，设置在所述液晶光阑背离所述滤波系统的一侧，所述目镜用于放大所述液晶光阑显示的图像。

6.根据权利要求1所述的液晶显示光学元件，其特征在于，所述液晶显示光学元件还包括：

光学融合器，设置在所述液晶光阑背离所述滤波系统的一侧。

7.根据权利要求1-6任一项所述的液晶显示光学元件，其特征在于：

所述至少一种颜色的光束包括红色子光束、绿色子光束和蓝色子光束。

8.根据权利要求1-6任一项所述的液晶显示光学元件，其特征在于：

所述光源包括激光光源、LED光源和OLED光源。

9.一种近眼显示装置，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的液晶显示光学元件。

10.根据权利要求9所述的近眼显示装置，其特征在于：

所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。