CN116909026A - 头戴式显示装置 - Google Patents

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CN116909026A
CN116909026A CN202310968467.4A CN202310968467A CN116909026A CN 116909026 A CN116909026 A CN 116909026A CN 202310968467 A CN202310968467 A CN 202310968467A CN 116909026 A CN116909026 A CN 116909026A
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CN
China
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liquid crystal
lens
crystal lens
light source
display device
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吴朵朵
叶肇懿
柯泰年
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Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
General Interface Solution Ltd
Original Assignee
Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
Yecheng Optoelectronics Wuxi Co Ltd
General Interface Solution Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

本申请涉及一种头戴式显示装置，包括光源、第一透镜、第二透镜以及液晶透镜组。第一透镜位于光源的一侧。第二透镜位于第一透镜背对光源的一侧。液晶透镜组位于第二透镜背对第一透镜的一侧，液晶透镜组包括第一液晶透镜与第二液晶透镜。第一液晶透镜位于第二透镜背对第一透镜的一侧，配置以反射紫外光或蓝光。第二液晶透镜位于第一液晶透镜背对第二透镜的一侧且贴合第一液晶透镜，第二液晶透镜配置以调节光源所发出的光线经过第二液晶透镜的折射率。由于将液晶透镜组整合进头戴式显示装置中，且第一液晶透镜可以反射对人眼有害的紫外光或蓝光，第二液晶透镜可以通过调节内部的液晶分子的排列来调整折射率，因此可调整屈光度。

Description

头戴式显示装置
技术领域
本申请涉及显示装置技术领域，特别是涉及一种头戴式显示装置。
背景技术
现今的头戴式显示装置种类多元，包括虚拟实境(Virtual Reality，VR)以及扩增实境(Augmented Reality，AR)眼镜。然而，现有的头戴式显示装置多半没有将近视眼镜整合进头戴式显示装置的功能，因此患有近视的使用者必须戴着近视眼镜，再戴上头戴式显示装置，增加了配戴的不适感。
此外，无论是上述哪一种头戴式显示装置，其显示萤幕与眼睛之间的距离都非常近。在这样的情况之下，显示萤幕所发出的紫外光与蓝光皆会对人眼造成损害。
发明内容
基于此，有必要提供一种头戴式显示装置。
根据本申请的一个方面，提供一种头戴式显示装置，包括：
光源；
第一透镜，位于所述光源的一侧；
第二透镜，位于所述第一透镜背对所述光源的一侧；
液晶透镜组，位于所述第二透镜背对所述第一透镜的一侧，且包括第一液晶透镜和第二液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述第二透镜背对所述第一透镜的一侧，配置以反射紫外光或蓝光，所述第二液晶透镜位于所述第一液晶透镜背对所述第二透镜的一侧且贴合所述第一液晶透镜，其中，所述第二液晶透镜配置以调节所述光源所发出的光线经过所述第二液晶透镜的折射率。
在其中一个实施例中，还包括：
半穿反涂层，位于所述第一透镜的第一面上，其中，所述第一面朝向所述光源。
在其中一个实施例中，还包括：
四分之一波片，位于所述第一透镜的背对所述第一面的第二面上，其中，所述第二面朝向所述第二透镜。
在其中一个实施例中，还包括：
反射型偏振膜，位于所述第二透镜的第三面上，其中，所述第三面朝向所述第一透镜的所述第二面。
根据本申请的另一个方面，提供一种头戴式显示装置，包括：
光源；
投影透镜，位于所述光源的一侧；
分光镜，位于所述投影透镜背对所述光源的一侧，其中，所述投影透镜与所述分光镜在第一方向上至少部分重叠；
液晶透镜组，位于所述分光镜的一侧，其中，所述液晶透镜组在第二方向上与所述分光镜至少部分重叠，所述第二方向与所述第一方向不同，且包括第一液晶透镜和第二液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述分光镜的一侧，配置以反射紫外光或蓝光，所述第二液晶透镜位于所述第一液晶透镜背对所述分光镜的一侧且贴合所述第一液晶透镜，其中，所述第二液晶透镜配置以调节所述光源所发出的光线经过所述第二液晶透镜的折射率。
在其中一个实施例中，所述光源与所述投影透镜在所述第一方向上至少部分重叠。
在其中一个实施例中，所述第一液晶透镜与所述第二液晶透镜内填充多个胆固醇液晶分子。
根据本申请的又一个方面，提供一种头戴式显示装置，包括：
波导元件；
光源，位于所述波导元件的第一侧，其中，所述光源与所述波导元件之间在第一方向上有距离；
投影透镜，位于所述波导元件与所述光源之间；
液晶透镜组，位于所述波导元件的所述第一侧，其中，所述液晶透镜组在第二方向上与所述光源之间有距离，所述第二方向与所述第一方向不同，所述液晶透镜组包括第一液晶透镜和第二液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述波导元件的所述第一侧，配置以反射紫外光或蓝光，所述第二液晶透镜位于所述第一液晶透镜背对所述波导元件的一侧且贴合所述第一液晶透镜，其中，所述第二液晶透镜配置以调节所述光源所发出的光线经过所述第二液晶透镜的折射率。
在其中一个实施例中，还包括：
耦出元件，位于所述波导元件内。
在其中一个实施例中，所述第一液晶透镜与所述第二液晶透镜内填充多个胆固醇液晶分子。
上述头戴式显示装置，由于将液晶透镜组整合进头戴式显示装置中，且液晶透镜组的第一液晶透镜可以反射对人眼有害的紫外光或蓝光，液晶透镜组的第二液晶透镜可以通过调节内部的液晶分子的排列来调整折射率，因此可调整屈光度，让近视的使用者不需配戴眼镜也可以使用头戴式显示装置。
附图说明
当与随附附图一起阅读时，可由后文实施方式最佳地理解本申请的态样。注意到根据此行业中的标准实务，各种特征并未按比例绘制。实际上，为论述的清楚性，可任意增加或减少各种特征的尺寸。
图1示出了本申请一实施例中头戴式显示装置的示意图。
图2示出了图1所示实施例中液晶透镜组的局部放大图。
图3示出了图2所示实施例中第一液晶透镜的局部放大图。
图4示出了图2所示实施例中第二液晶透镜的液晶分子改变状态的示意图。
图5示出了本申请另一实施例中头戴式显示装置的示意图。
图6示出了本申请又一实施例中头戴式显示装置的示意图。
元件符号简单说明：
100、200、300：头戴式显示装置
110：光源 120：第一透镜
121：第一面 122：半穿反涂层
123：第二面 124：四分之一波片
130：第二透镜 131：第三面
132：反射型偏振膜 140、液晶透镜组
142：第一液晶透镜 144、146、148：第二液晶透镜
149：液晶分子 210：光源
220：投影透镜 230：分光镜
310：光源 320：投影透镜
330：波导元件 332：耦出元件
D：螺距、屈光度 D1：第一方向
D2：第二方向 E、眼睛
I：影像 O：物体
L：光线
具体实施方式
以下揭示的实施方式内容提供了用于实施所提供的标的的不同特征的许多不同实施方式，或实例。下文描述了元件和布置的特定实例以简化本案。当然，该等实例仅为实例且并不意欲作为限制。此外，本案可在各个实例中重复元件符号及/或字母。此重复用于简便和清晰的目的，且其本身不指定所论述的各个实施方式及/或配置之间的关系。
诸如“在……下方”、“在……之下”、“下部”、“在……之上”、“上部”等等空间相对术语可在本文中为了便于描述的目的而使用，以描述如附图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。空间相对术语意欲涵盖除了附图中所示的定向之外的在使用或操作中的装置的不同定向。装置可经其他方式定向(旋转90度或以其他定向)并且本文所使用的空间相对描述词可同样相应地解释。
图1示出了本申请一实施例中头戴式显示装置100的示意图。图2示出了图1所示实施例中液晶透镜组140的局部放大图。参照图1及图2，头戴式显示装置100包括光源110、第一透镜120、第二透镜130以及液晶透镜组140。第一透镜120位于光源110的一侧。第二透镜130位于第一透镜120背对光源110的一侧。光源110可为主动式发光元件，例如发光二极体(LED)显示器，但本申请并不局限于此。第一透镜120与第二透镜130可为固态透镜，但并不局限于此。液晶透镜组140位于第二透镜130背对第一透镜120的一侧，液晶透镜组140包括第一液晶透镜142与至少一个第二液晶透镜144、146、148。在图2中，第二液晶透镜144、146、148绘示为三个，但实际应用上可根据需求任意增减第二液晶透镜的数量。第一液晶透镜142位于第二透镜130背对第一透镜120的一侧，配置以反射紫外光或蓝光。第二液晶透镜144、146、148位于第一液晶透镜142背对第二透镜130的一侧且贴合第一液晶透镜142，其中，第二液晶透镜144、146、148配置以调节光源110所发出的光线L经过第二液晶透镜144、146、148的折射率。头戴式显示装置100还包括半穿反涂层122、四分之一波片124以及反射型偏振膜132，半穿反涂层122位于第一透镜120的第一面121上，其中，第一面121朝向光源110。四分之一波片124位于第一透镜120的背对第一面121的第二面123上，其中，第二面123朝向第二透镜130。反射型偏振膜132位于第二透镜130的第三面131上，其中，第三面131朝向第一透镜120的第二面123。在本实施例中，头戴式显示装置100为一个虚拟实境折叠光路式(VRpancake)头戴式显示装置。
图3示出了图2所示实施例中第一液晶透镜142的局部放大图。参照图1及图3。第一液晶透镜142内填充多个胆固醇液晶分子149。这些填充在内的胆固醇液晶分子149会以旋转的方式排列，此时，可以定义一个物理量“螺距”(helical pitch)，螺距为胆固醇液晶分子149在平面态(即平行表面)的螺旋结构中，旋转了360度回到原本的角度的两层之间的距离D。当螺距D符合特定波长的布拉格定律时，这个波段内的波长会发生干涉相长，即可以产生滤波的效果。其计算式表示如下：
其中，λc为波长，θ为光线的入射角，ne为第一液晶透镜142中的液晶分子149在平面态(即平行表面)的折射率，no为第一液晶透镜142中的液晶分子149在垂直态(即垂直表面)的折射率。由式1可知，通过调整螺距D，即可以选择要滤掉的波段的波长。在本实施例中，第一液晶透镜142即是通过这种方式，过滤掉对人眼有害的紫外光与蓝光，使其不会到达使用者的眼睛E内。在一些实施例中，头戴式显示装置100(参第1图)可以配置不只一个第一液晶透镜142，以通过不同的螺距D的设计来分别滤掉蓝光与紫外光。
图4示出了图2所示实施例中第二液晶透镜144的液晶分子149改变状态的示意图。参照图4，第二液晶透镜144内填充多个胆固醇液晶分子149。实际应用上，所有的第二液晶透镜144、146、148内皆会填充胆固醇液晶分子149，此处以第二液晶透镜144为示例说明。第二液晶透镜144中的液晶分子149会以通电的方式在平面态(第4图上方的图，具有折射率ne)与垂直态(第4图下方的图，具有折射率no)之间切换。这两种状态的对入射光的折射率不同，因此，可以通过切换液晶分子149的角度，使第二液晶透镜144的折射率在ne与no之间做变化，藉此达到调整整个液晶透镜组140(参第1图)的屈光度，其计算式表示如下：
其中，c1、c2为第二液晶透镜144的前后两个面的曲率半径，f为第二液晶透镜144的焦距，D为屈光度，n为第二液晶透镜144的折射率。由式2可知，通过调节第二液晶透镜144的折射率n，便可以调节屈光度D，以使得头戴式显示装置100可以符合具有不同近视度数的使用者的需求。在一些实施例中，对于没有近视的使用者，可以将第二液晶透镜144的前后两个面的曲率半径设计为相同，藉此让屈光度为零。
图5示出了本申请另一实施例中头戴式显示装置200的示意图。参照图5，头戴式显示装置200包括光源210、投影透镜220、分光镜230以及液晶透镜组140。投影透镜220位于光源210的一侧。分光镜230位于投影透镜220背对光源210的一侧，其中，投影透镜220与分光镜230在第一方向D1上至少部分重叠。液晶透镜组140位于分光镜230的一侧，其中，液晶透镜组140在第二方向D2上与分光镜230至少部分重叠，第二方向D2与第一方向D1不同，例如第二方向D2垂直第一方向D1。光源210与投影透镜220在第一方向D1上至少部分重叠。在本实施例中，液晶透镜组140的配置与图1的实施例相同，因此不重复赘述。在本实施例中，头戴式显示装置200为共轴空导式混合实境眼镜(ARbirdbath)。头戴式显示装置200可以显示影像I，现实中的物体O也可以通过半穿半反式的分光镜230被人眼观察。
图6示出了本申请又一实施例中头戴式显示装置300的示意图。参照图6，头戴式显示装置300包括波导元件330、光源310、投影透镜320以及液晶透镜组140。光源310位于波导元件330的第一侧，其中，光源310与波导元件330之间在第一方向D1上有距离而彼此分开。投影透镜320位于波导元件330与光源310之间。液晶透镜组140在第二方向D2上与光源310之间有距离而彼此分开，第二方向D2与第一方向D1不同，例如第二方向D2垂直第一方向D1。在本实施例中，液晶透镜组140的配置与图1的实施例相同，因此不重复赘述。头戴式显示装置300还包括耦出(decoupling)元件332，耦出元件332位于波导元件330内。在一些实施例中，耦出元件332例如为光栅。在本实施例中，头戴式显示装置300为波导式混合实境眼镜(AR waveguide)，可以显示影像I，现实中的物体O也可以被人眼观察。
综上所述，由于将液晶透镜组整合进头戴式显示装置中，且液晶透镜组的第一液晶透镜可以反射对人眼有害的紫外光或蓝光，液晶透镜组的第二液晶透镜可以通过调节内部的液晶分子的排列来调整折射率，因此可达到调整屈光率的效果，让近视的使用者不需配戴眼镜也可以使用头戴式显示装置。
前述概述了几个实施方式的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本揭露的态样。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地将本申请用作设计或修改其他过程和结构的基础，以实现与本文介绍的实施方式相同的目的和/或实现相同的优点。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效构造不脱离本申请的精神和范围，并且在不脱离本申请的精神和范围的情况下，它们可以在这裡进行各种改变，替换和变更。

Claims (10)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：
光源；
第一透镜，位于所述光源的一侧；
第二透镜，位于所述第一透镜背对所述光源的一侧；
液晶透镜组，位于所述第二透镜背对所述第一透镜的一侧，且包括第一液晶透镜和第二液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述第二透镜背对所述第一透镜的一侧，配置以反射紫外光或蓝光，所述第二液晶透镜位于所述第一液晶透镜背对所述第二透镜的一侧且贴合所述第一液晶透镜，其中，所述第二液晶透镜配置以调节所述光源所发出的光线经过所述第二液晶透镜的折射率。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括：
半穿反涂层，位于所述第一透镜的第一面上，其中，所述第一面朝向所述光源。
3.根据权利要求2所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括：
四分之一波片，位于所述第一透镜的背对所述第一面的第二面上，其中，所述第二面朝向所述第二透镜。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括：
反射型偏振膜，位于所述第二透镜的第三面上，其中，所述第三面朝向所述第一透镜的所述第二面。
5.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：
光源；
投影透镜，位于所述光源的一侧；
分光镜，位于所述投影透镜背对所述光源的一侧，其中，所述投影透镜与所述分光镜在第一方向上至少部分重叠；
液晶透镜组，位于所述分光镜的一侧，其中，所述液晶透镜组在第二方向上与所述分光镜至少部分重叠，所述第二方向与所述第一方向不同，且包括第一液晶透镜和第二液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述分光镜的一侧，配置以反射紫外光或蓝光，所述第二液晶透镜位于所述第一液晶透镜背对所述分光镜的一侧且贴合所述第一液晶透镜，其中，所述第二液晶透镜配置以调节所述光源所发出的光线经过所述第二液晶透镜的折射率。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光源与所述投影透镜在所述第一方向上至少部分重叠。
7.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一液晶透镜与所述第二液晶透镜内填充多个胆固醇液晶分子。
8.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：
波导元件；
光源，位于所述波导元件的第一侧，其中，所述光源与所述波导元件之间在第一方向上有距离；
投影透镜，位于所述波导元件与所述光源之间；
液晶透镜组，位于所述波导元件的所述第一侧，其中，所述液晶透镜组在第二方向上与所述光源之间有距离，所述第二方向与所述第一方向不同，所述液晶透镜组包括第一液晶透镜和第二液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述波导元件的所述第一侧，配置以反射紫外光或蓝光，所述第二液晶透镜位于所述第一液晶透镜背对所述波导元件的一侧且贴合所述第一液晶透镜，其中，所述第二液晶透镜配置以调节所述光源所发出的光线经过所述第二液晶透镜的折射率。
9.根据权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括：
耦出元件，位于所述波导元件内。
10.根据权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一液晶透镜与所述第二液晶透镜内填充多个胆固醇液晶分子。
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