CN208384240U - 近眼显示光学模组及近眼显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种近眼显示光学模组及近眼显示系统。该近眼显示系统包括近眼显示光学模组和图像显示装置。该近眼显示光学模组包括电控液晶偏振元件、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、相位延迟片和反射元件。图像显示装置依次输出一待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线，被第一反射放大元件和第二反射放大元件反射会聚形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为待显示图像。该近眼显示光学模组及近眼显示系统具有大视场、高分辨率的特点，且相对于具有传统显示光学模组的近眼显示光学模组及近眼显示系统体积较小。

Description

近眼显示光学模组及近眼显示系统

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种近眼显示光学模组及近眼显示系统。

背景技术

增强现实(AR，Augmented Reality)是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术，广泛应用于科研、军事、工业、游戏、视频、教育等各领域。目前主流的应用于增强现实的近眼显示系统，普遍采用微型图像显示器作为图像源，并配合传统显示光学模组(半反半透平面镜与传统目视光学系统)实现增强显示。受限于现有的技术和工艺水平，微型图像显示器的分辨率很难提高。并且，传统显示光学模组的显示视场与显示光学模组的体积密切相关。增大显示视场，传统显示光学模组的体积会随之剧增。因此，目前主流的应用于增强现实的近眼显示系统具有分辨率低，以及视场小或体积大的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种大视场高分辨率的紧凑型的近眼显示光学模组及近眼显示系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型较佳实施例提供一种近眼显示光学模组，包括电控液晶偏振元件、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、相位延迟片和反射元件；

图像显示装置依次输出待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线，其中，第一束子图像光线和第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束，每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像，所述第一束子图像光线与第一待显示子图像对应，所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应；

所述电控液晶偏振元件设置于所述图像显示装置的出射光路上，用于在施加控制电压后，将入射的第一束子图像光线或第二束子图像光线的偏振方向改为第二线性偏振方向，所述第二线性偏振方向和第一线性偏振方向正交；

所述电控光学器件设置在所述电控液晶偏振元件和第一反射放大元件之间，用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚或发散；

所述第一反射放大元件和第二反射放大元件依次设置于所述电控光学器件的出射光路上，为具有反射会聚功能的偏振敏感型反射元件，分别用于使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像和使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像；

所述相位延迟片设置于第二反射放大元件和反射元件之间，用于将第二束子图像光线的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从所述反射元件反射会聚或反射发散回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向转换为非第一线性偏振方向或非第二线性偏振方向；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射会聚或反射发散；

在所述图像显示装置输出完待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线后，在人眼形成的所述第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像；

真实世界环境光线穿过所述近眼显示光学模组进入人眼形成环境图像。

可选地，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚，施加电压后的电控光学器件的焦面位于所述电控光学器件和第一反射放大元件之间；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射会聚，反射元件的反射焦面设置于反射元件近第二反射放大元件的一侧。

可选地，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行发散，施加电压后的电控光学器件的焦面位于电控光学器件靠近电控液晶偏振元件的一侧；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射发散，所述反射元件的反射焦面设置于所述反射元件远离相位延迟片的一侧。

可选地，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射。

可选地，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射。

可选地，所述近眼显示光学模组还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件之间的偏振转换元件，且所述第二反射放大元件和第一反射放大元件的偏振敏感型不同。

可选地，所述近眼显示光学模组还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件的反射会聚方向的吸收型偏振元件。

可选地，所述近眼显示光学模组还包括光束扩束系统。

可选地，所述近眼显示光学模组还包括光束缩束系统。

本实用新型另一较佳实施例还提供一种近眼显示系统，包括图像显示装置及上述的近眼显示光学模组。

本实用新型实施例提供的近眼显示光学模组及近眼显示系统通过对电控液晶偏振元件、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、相位延迟片和反射元件的巧妙集成与设计，依次通过第一反射放大元件在人眼形成第一待显示子图像和第二反射放大元件在人眼形成第二待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该近眼显示光学模组及近眼显示系统的视场角等于第一反射放大元件和第二反射放大元件的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示光学模组及近眼显示系统具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的应用于增强现实的近眼显示光学模组及近眼显示系统体积较小。同时，该近眼显示光学模组及近眼显示系统基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种近眼显示系统的结构示意图。

图2为图1所示的近眼显示系统显示待显示图像的一种光路示意图。

图3为图1所示的近眼显示系统显示待显示图像的另一种光路示意图。

图4为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图5为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图6为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图7为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图8为不具有光束扩束系统的近眼显示系统的视场角的对比图。

图9为另一实施方式中近眼显示系统的结构示意图。

图标:10-近眼显示光学模组；1-近眼显示系统；50-图像显示装置；11-电控液晶偏振元件；13-电控光学器件；15-第一反射放大元件；17-第二反射放大元件；19-相位延迟片；21-反射元件；23-偏振转换元件；25-吸收型偏振元件；27-光束扩束系统；29-光束缩束系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参考图1，图1为本实用新型实施例提供的一种近眼显示系统1的结构示意图。该近眼显示系统1可以应用于HMD(Head Mount Display，头戴式可视设备)、智能眼镜等增强现实设备，在此不做限制。该近眼显示系统1包括近眼显示光学模组10和图像显示装置50。该近眼显示光学模组10包括电控液晶偏振元件11、电控光学器件13、第一反射放大元件15、第二反射放大元件17、相位延迟片19和反射元件21。

在进行增强显示时，近眼显示光学模组10需要与图像显示装置50配合，构成近眼显示系统1。图像显示装置50用于依次输出待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线，且第一束子图像光线和第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。其中，待显示图像为近眼显示系统1显示的虚拟图像，即对真实世界环境的人为附加信息的虚拟显示。每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像。为了提高显示效果，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同。而第一待显示子图像和第二待显示子图像的大小可以相同也可以不同。所述第一束子图像光线与第一待显示子图像对应，即所述图像显示装置50根据所述第一待显示子图像输出所述第一束子图像光线。所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应，即所述图像显示装置50根据所述第二待显示子图像输出所述第二束子图像光线。在实际实施时，该图像显示装置50可以是由透射式或反射式LOCS显示源和能够输出准直平行光照明的照明光源组件共同组成，还可以是由光纤扫描成像系统和准直系统共同组成。本实施例中，该图像显示装置50是由透射式LOCS显示源和能够输出准直平行光照明的照明光源组件共同组成。

电控液晶偏振元件11设置于图像显示装置50的出射光路上。电控液晶偏振元件11用于在施加控制电压后，对入射的偏振光束(第一束子图像光线或第二束子图像光线)的相位进行改变，将第一束子图像光线或第二束子图像光线的偏振方向改为第二线性偏振方向。当电控液晶偏振元件11在施加控制电压后，对入射的偏振光束的相位改变π相位时，所述电控液晶偏振元件11等效于1/2玻片，则第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交。也就是说，第一束子图像光线和第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束，第一束子图像光线或第二束子图像光线经过电控液晶偏振元件11进行相位改变后的子图像光线为具有第二线性偏振方向的准直平行光束。其中，第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交。

电控光学器件13设置在电控液晶偏振元件11和第一反射放大元件15之间。电控光学器件13在未施加控制电压时，对入射的平行光束(第一束子图像光线)不具有会聚功能。电控光学器件13在施加控制电压时，对入射的平行光束(第一束子图像光线)具有会聚功能。当电控光学器件13在施加控制电压时，对入射的平行光束进行会聚时，施加电压后的电控光学器件13的焦面可以位于电控光学器件13和第一反射放大元件15之间。

第一反射放大元件15和第二反射放大元件17依次设置于电控光学器件13的出射光路上。第一反射放大元件15和第二反射放大元件17为对入射的光束具有反射会聚功能的偏振敏感型反射元件。第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向(或第二线性偏振方向)的子图像光线进行反射会聚，且对第二线性偏振方向(或第一线性偏振方向)的子图像光线进行透射。即，第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射。或，第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射。

相位延迟片19设置于第二反射放大元件17和反射元件21之间。相位延迟片19用于将第一线性偏振方向(或第二线性偏振方向)的子图像光线的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从反射元件21反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的子图像光线转换为非第一线性偏振方向(或非第二线性偏振方向)。其中，非第一线性偏振方向包括第二线性偏振方向，非第二线性偏振方向包括第一线性偏振方向。当相位延迟片19为1/4玻片时，相位延迟片19用于将第一线性偏振方向(或第二线性偏振方向)的子图像光线的偏振方向转换为圆偏振方向，及将从反射元件21反射回来的圆偏振方向的子图像光线完全转换为第二线性偏振方向(或第一线性偏振方向)。

反射元件21用于将从相位延迟片19传来的具有椭圆偏振方向或圆偏振方向的子图像光线向着第二反射放大元件17的方向返回传输。反射元件21的反射工作面具有对平行光束会聚的功能。反射元件21可以为凹面反射曲面或设置为具有凹面反射等效功能的反射衍射平面。当反射元件21的反射工作面对平行光束进行会聚时，反射元件21的反射焦面可以设置于反射元件21近第二反射放大元件17的一侧。

当第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射时，本实施方式提供的近眼显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程如下：将一幅待显示图像在水平方向分为两幅待显示子图像，分别记为第一待显示子图像和第二待显示子图像。如图2所示，图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11不施加控制电压，对电控光学器件13施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线透过电控液晶偏振元件11后被电控光学器件13会聚，会聚后的具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线被第一反射放大元件15反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线。对电控光学器件13不施加控制电压，由于第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射，则具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线依次透过电控光学器件13、第一反射放大元件15和第二反射放大元件17向相位延迟片19传输。传至相位延迟片19的具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向被相位延迟片19转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向后继续向反射元件21传输，被反射元件21反射会聚于反射元件21和第二反射放大元件17之间，再次经过相位延迟片19后其偏振方向由椭圆偏振方向或圆偏振方向转换为非第二线性偏振方向。非第二线性偏振方向的第二束子图像光线中的第一线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件17反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

图2中，电控光学器件13的折射透射焦面SF9到第一反射放大元件15的距离记为L92，反射元件21的反射焦面SF5到第二反射放大元件17的距离记为L53。电控光学器件13对从电控偏振转换元件23传来的平行光束(第一束子图像光线)的折射会聚角记为afa9，反射元件21对从电控偏振转换元件23传来的平行光束(第二束子图像光线)的反射会聚角记为afa5。图像显示装置50传输的子图像光线在图中所示方向的尺寸记为H1，第一反射放大元件15和第二反射放大元件17在图中所示方向的有效口径半高分别记为H2和H3。具体实施时，可以设置afa9与afa5及L92与L53一致，也可以设为不一致。通过设置afa9与afa5一致，且L92与L53一致，可以使得第一反射放大元件15的反射衍射结构与第二反射放大元件17的反射衍射结构完全相同，能够降低各元件的设计、加工成本及装配难度，更利于近眼显示光学模组10的批量化生产。

同理，当第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射时，本实施方式提供的近眼显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程如下：将一幅待显示图像在水平方向分为两幅待显示子图像，分别记为第一待显示子图像和第二待显示子图像。如图3所示，图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，对电控光学器件13施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线，该具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被电控光学器件13会聚，会聚后的具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被第一反射放大元件15反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11和电控光学器件13不施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线透过电控液晶偏振元件11、电控光学器件13、第一反射放大元件15和第二反射放大元件17向相位延迟片19传输。传至相位延迟片19的具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向被相位延迟片19转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向后继续向反射元件21传输，被反射元件21反射会聚于反射元件21和第二反射放大元件17之间，再次经过相位延迟片19后其偏振方向由椭圆偏振方向或圆偏振方向转换为非第一线性偏振方向。非第一线性偏振方向的第二束子图像光线中的第二线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件17反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

在上述过程中，在人眼形成第一待显示子图像和第二待显示子图像的过程为视网膜成像，故在整个显示视场范围内可以清晰成像。可以通过调整所述图像显示装置50输出每束子图像光线的频率以及输出每幅待显示图像的时间间隔，并配合调整电控液晶偏振元件11和电控光学器件13的工作状态等，利用视觉残留原理，就可以使在人眼分别形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。

真实世界环境光线穿过所述近眼显示光学模组10进入人眼形成环境图像。

本实用新型实施例提供的近眼显示光学模组10通过对电控液晶偏振元件11、电控光学器件13、第一反射放大元件15、第二反射放大元件17、相位延迟片19和反射元件21的巧妙集成与设计，依次通过第一反射放大元件15在人眼形成第一待显示子图像和第二反射放大元件17在人眼形成第二待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该近眼显示光学模组10的视场角等于第一反射放大元件15和第二反射放大元件17的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示光学模组10具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的应用于增强现实的近眼显示光学模组10体积较小。同时，该近眼显示光学模组10基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。

基于上述实用新型构思，近眼显示系统1的具体结构还可以是，但不限于如图4至图8所示。可以看出，图1所示的近眼显示系统1具有图2和图3所示的两种工作原理，图2和图3所示的两种工作原理类似，不同的是：图2中第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射，而图3中第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射。因此，为了便于描述，在图4的描述中，仅以图2所示的工作原理为例进行说明。

请参阅图4，图4为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：电控光学器件13在施加控制电压时，对入射的平行光束(第一束子图像光线)具有发散功能，且施加电压后的电控光学器件13的焦面位于电控光学器件13靠近电控液晶偏振元件11的一侧。即，电控光学器件13在施加控制电压时具有与对平行光束发散作用的负焦距透镜等效的功能。反射元件21的反射工作面具有对平行光束发散的功能，反射元件21的反射焦面设置于反射元件21远离相位延迟片19的一侧。第一反射放大元件15和第二反射放大元分别设置为对入射的发散光束具有反射会聚的功能。

可以看出，相比于图1所示的近眼显示系统1，在具有同等的待显示图像显示能力的情况下，图4所示的近眼显示系统1具有更小的尺寸。

请参阅图5，图5为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示光学模组10还包括设置在第一反射放大元件15和第二反射放大元件17之间的偏振转换元件23，且第二反射放大元件17和第一反射放大元件15的偏振敏感型不同。若，第一反射放大元件15被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射，则第二反射放大元件17被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射。若，第一反射放大元件15被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射，则第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射。具有线性偏振方向的子图像光线每经过偏振转换元件23能够增加π相位延迟，从而能够使得子图像光线的偏振方向转换为与之正交的偏振方向。

当第一反射放大元件15被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射，则第二反射放大元件17被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射，电控光学器件13在施加控制电压时，对入射的第一束子图像光线具有会聚功能，且施加电压后的电控光学器件13的焦面位于电控光学器件13和第一反射放大元件15之间，反射元件21的反射焦面设置于反射元件21近第二反射放大元件17的一侧，进行一次虚拟图像显示的过程如下：图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11不施加控制电压，对电控光学器件13施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线透过电控液晶偏振元件11后被电控光学器件13会聚，会聚后的具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线被第一反射放大元件15反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线。对电控光学器件13不施加控制电压，该具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线依次透过电控光学器件13、第一反射放大元件15，经偏振转换元件23其偏振方向转换为第一线性偏振方向后透过第二反射放大元件17向相位延迟片19传输。传至相位延迟片19的具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向被相位延迟片19转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向后继续向反射元件21传输，被反射元件21反射会聚于反射元件21和第二反射放大元件17之间，再次经过相位延迟片19后其偏振方向由椭圆偏振方向或圆偏振方向转换为非第一线性偏振方向。非第一线性偏振方向的第二束子图像光线中的第二线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件17反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

当第一反射放大元件15被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射，则第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射，电控光学器件13在施加控制电压时，对入射的第一束子图像光线具有会聚功能，且施加电压后的电控光学器件13的焦面位于电控光学器件13和第一反射放大元件15之间，反射元件21的反射焦面设置于反射元件21近第二反射放大元件17的一侧，进行一次虚拟图像显示的过程如下：图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，对电控光学器件13施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线，该具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被电控光学器件13会聚，会聚后的具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被第一反射放大元件15反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11和电控光学器件13不施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线透过电控液晶偏振元件11、电控光学器件13和第一反射放大元件15，经偏振转换元件23后其偏振方向转换为第二线性偏振方向后透过第二反射放大元件17向相位延迟片19传输。传至相位延迟片19的具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向被相位延迟片19转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向后继续向反射元件21传输，被反射元件21反射会聚于反射元件21和第二反射放大元件17之间，再次经过相位延迟片19后其偏振方向由椭圆偏振方向或圆偏振方向转换为非第二线性偏振方向。非第二线性偏振方向的第二束子图像光线中的第一线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件17反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

显而易见，该偏振转换元件23还可以应用于本实用新型其它实施方式提供的近眼显示系统1中，为节约篇幅，在此不作赘述。

如图6所示，图6为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示光学模组10还包括吸收型偏振元件25，第一反射放大元件15和第二反射放大元件17为具有连续曲面的凹面反射会聚元件。该吸收型偏振元件25设置在第一反射放大元件15和第二反射放大元件17的反射会聚方向，用于对第二线性偏振方向(或第一线性偏振方向)的子图像光线进行吸收，对第一线性偏振方向(或第二线性偏振方向)的子图像光线进行透过，从而消除背景干扰，提高第一待显示子图像和第二待显示子图像的对比度。当第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射时，吸收型偏振元件25用于对第二线性偏振方向的子图像光线进行吸收，对第一线性偏振方向的子图像光线进行透过。当第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射时，吸收型偏振元件25用于对第一线性偏振方向的子图像光线进行吸收，对第二线性偏振方向的子图像光线进行透过。

当第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射时，吸收型偏振元件25用于对第二线性偏振方向的子图像光线进行吸收。电控光学器件13在施加控制电压时，对入射的第一束子图像光线具有会聚功能，且施加电压后的电控光学器件13的焦面位于电控光学器件13和第一反射放大元件15之间，反射元件21的反射焦面设置于反射元件21近第二反射放大元件17的一侧。在进行一次虚拟图像显示时，图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11不施加控制电压，对电控光学器件13施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线透过电控液晶偏振元件11后被电控光学器件13会聚，会聚后的具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线，大部分被第一反射放大元件15反射会聚，并透过吸收型偏振元件25，在人眼形成第一待显示子图像；小部分透过第一反射放大元件15、第二反射放大元件17和相位延迟片19后被反射元件21反射再次经过相位延迟片19，偏振方向由第一线性偏振方向转换为第二线性偏振方向，该具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线中的小部分被第二反射放大元件17反射后被吸收型偏振元件25吸收(而其中的大部分透过第二反射放大元件17)。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线。对电控光学器件13不施加控制电压，该具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线大部分透过第一反射放大元件15、第二反射放大元件17和相位延迟片19后被反射元件21反射再次经过相位延迟片19，被相位延迟片19转换为非第二线性偏振方向的第二束子图像光线，非第二线性偏振方向的第二束子图像光线中的第一线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件17反射会聚，透过吸收型偏振元件25，在人眼形成第二待显示子图像。该具有第二线性偏振方向的第二束子图像光线中小部分被第一反射放大元件15反射后被吸收型偏振元件25吸收。

当第一反射放大元件15和第二反射放大元件17被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射时，吸收型偏振元件25用于对第一线性偏振方向的子图像光线进行吸收。电控光学器件13在施加控制电压时，对入射的第一束子图像光线具有会聚功能，且施加电压后的电控光学器件13的焦面位于电控光学器件13和第一反射放大元件15之间，反射元件21的反射焦面设置于反射元件21近第二反射放大元件17的一侧。在进行一次虚拟图像显示时，图像显示装置50根据第一待显示子图像输出第一束子图像光线，第一束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11施加控制电压，对电控光学器件13施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线被电控液晶偏振元件11转换为具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线，该具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线被电控光学器件13会聚，会聚后的具有第二线性偏振方向的第一束子图像光线大部分被第一反射放大元件15反射会聚，透过吸收型偏振元件25，在人眼形成第一待显示子图像；小部分透过第一反射放大元件15、第二反射放大元件17和相位延迟片19后被反射元件21反射再次经过相位延迟片19，偏振方向由第二线性偏振方向转换为第一线性偏振方向，该具有第一线性偏振方向的第一束子图像光线中的小部分被第二反射放大元件17反射后被吸收型偏振元件25吸收(而其中的大部分透过第二反射放大元件17)。图像显示装置50根据第二待显示子图像输出第二束子图像光线，第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束。对电控液晶偏振元件11和电控光学器件13不施加控制电压，具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线大部分透过第一反射放大元件15和第二反射放大元件17向相位延迟片19传输。该具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线大部分透过第一反射放大元件15、第二反射放大元件17和相位延迟片19后被反射元件21反射再次经过相位延迟片19，被相位延迟片19转换为非第一线性偏振方向的第二束子图像光线，非第一线性偏振方向的第二束子图像光线中的第二线性偏振方向的第二束子图像光线被第二反射放大元件17反射会聚，透过吸收型偏振元件25，在人眼形成第二待显示子图像。该具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线中小部分被第一反射放大元件15反射后被吸收型偏振元件25吸收。

同理，当电控光学器件13在施加控制电压时，还可以对入射的平行光束(第一束子图像光线)具有发散功能，且施加电压后的电控光学器件13的焦面位于电控光学器件13靠近电控液晶偏振元件11的一侧，反射元件21的反射工作面具有对平行光束发散的功能，反射元件21的反射焦面设置于反射元件21远离相位延迟片19的一侧，第一反射放大元件15和第二反射放大元分别设置为对入射的发散光束具有反射会聚的功能时，该吸收型偏振元件25也可以应用，为节约篇幅，在此不作赘述。

由于第一反射放大元件15和第二反射放大元件17的反射工作面为连续凹面曲面，其凹面所镀有的偏振反射膜层理论上和实际镀制工艺中并不能完全做到具有百分之百的第一线性偏振方向反射衍射及第二线性偏振方向的透过或第二线性偏振方向反射衍射及第一线性偏振方向的透过，因此该吸收型偏振元件25设置在第一反射放大元件15和第二反射放大元件17的反射会聚方向，可以对第二线性偏振方向(或第一线性偏振方向)的子图像光线进行吸收，从而消除背景干扰，提高第一待显示子图像和第二待显示子图像的对比度。

同理，对于图1、图4、图5、图7和图9所示的近眼显示光学模组10，也可以在第一反射放大元件15和第二反射放大元件17的反射会聚方向设置吸收型偏振元件25，以消除背景干扰，提高第一待显示子图像和第二待显示子图像的对比度，在此不作赘述。对于图6所示的近眼显示系统1，可以分别在第一反射放大元件15和第二反射放大元件17的反射会聚方向设置一种吸收型偏振元件，分别用于吸收第一线性偏振方向和第二线性偏振方向的子图像光线进行吸收。

请参阅图7，图7为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示光学模组10还包括光束扩束系统27，所述光束扩束系统27设置于电控液晶偏振元件11远离所述第一反射放大元件15的一侧。所述光束扩束系统27用于将具有小尺寸光斑的光束转换为具有大尺寸光斑的光束。该光束扩束系统27不仅可以应用于图1所示的近眼显示光学模组10以形成图7所示的结构，其还可以应用于图4至图6所示的近眼显示光学模组10中以形成新的结构，此处所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的电控光学器件13所需的有效光学口径小，所述的大尺寸光斑是指光束的光斑尺寸与预设置的电控光学器件13所需的有效光学口径一致。

光束扩束系统27通常可以是倒置的望远系统，望远系统一般由物镜和目镜构成，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，具有开普勒和伽利略两种结构形式。望远系统倒置使用时，具有小尺寸光斑的光束首先经过目镜被会聚或发散，再被物镜准直为具有大尺寸光斑的光束。本实施例中通过使用光束扩束系统27，使得具有小尺寸光斑光束的图像显示装置50能够获得大的光束会聚角度，从而能够实现大的显示视场角。如图7和图8所示，具有小尺寸光斑光束的图像显示装置50被第一反射放大元件15反射放大后的视场角afa2小于经过光束扩束系统27扩束后的具有大尺寸光斑光束的图像显示装置50被第一反射放大元件15反射放大后的视场角afa1。

如图9所示，图9为另一实施方式中近眼显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该近眼显示光学模组10还包括光束缩束系统29，所述光束缩束系统29设置于电控液晶偏振元件11远离所述第一反射放大元件15的一侧。所述光束扩束系统27用于将具有大尺寸光斑的光束转换为具有小尺寸光斑的光束。该光束缩束系统29不仅可以应用于图1所示的近眼显示光学模组10以形成图7所示的结构，其还可以应用于图4至图6所示的近眼显示光学模组10中以形成新的结构，此处所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的电控光学器件13所需的有效光学口径小，所述的大尺寸光斑是指光束的光斑尺寸与预设置的电控光学器件13所需的有效光学口径一致。

光束缩束系统29通常可以是一望远系统，望远系统使用时，具有大尺寸光斑的光束首先经过物镜被会聚或发散，再被目镜准直为具有小尺寸光斑的光束。本实施例中通过使用光束缩束系统29，使得具有大尺寸光斑光束的图像显示装置50能够完全被第一反射放大元件15或第二反射放大元件17反射放大，本实施例中通过使用光束缩束系统29使得大尺寸图像显示装置50能够用于所述近眼显示光学模组10且能够获得最优的能量利用。

本实用新型实施例提供的近眼显示光学模组10及近眼显示系统1通过对电控液晶偏振元件11、电控光学器件13、第一反射放大元件15、第二反射放大元件17、相位延迟片19和反射元件21的巧妙集成与设计，依次通过第一反射放大元件15在人眼形成第一待显示子图像和第二反射放大元件17在人眼形成第二待显示子图像，利用视觉残留效应，使在人眼形成的第一待显示子图像和第二待显示子图像在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。因此，该近眼显示光学模组10及近眼显示系统1的视场角等于第一反射放大元件15和第二反射放大元件17的视场角之和。并且，第一待显示子图像和第二待显示子图像的分辨率可以相同且等于待显示图像的分辨率。故，该近眼显示光学模组10及近眼显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统显示光学模组的应用于增强现实的近眼显示光学模组10及近眼显示系统1体积较小。同时，该近眼显示光学模组10及近眼显示系统1基于反射成像原理的成像方法使得反射会聚后的图像无色差，且基于细光束的放大成像使得放大后的图像的中心和边缘具有一致清晰度。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近眼显示光学模组，其特征在于，包括电控液晶偏振元件、电控光学器件、第一反射放大元件、第二反射放大元件、相位延迟片和反射元件；

图像显示装置依次输出待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线，其中，第一束子图像光线和第二束子图像光线为具有第一线性偏振方向的准直平行光束，每幅待显示图像包括第一待显示子图像和第二待显示子图像，所述第一束子图像光线与第一待显示子图像对应，所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应；

所述电控液晶偏振元件设置于所述图像显示装置的出射光路上，用于在施加控制电压后，将入射的第一束子图像光线或第二束子图像光线的偏振方向改为第二线性偏振方向，所述第二线性偏振方向和第一线性偏振方向正交；

所述电控光学器件设置在所述电控液晶偏振元件和第一反射放大元件之间，用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚或发散；

所述第一反射放大元件和第二反射放大元件依次设置于所述电控光学器件的出射光路上，为具有反射会聚功能的偏振敏感型反射元件，分别用于使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像和使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像；

所述相位延迟片设置于第二反射放大元件和反射元件之间，用于将第二束子图像光线的偏振方向转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，以及将从所述反射元件反射会聚或反射发散回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线的偏振方向转换为非第一线性偏振方向或非第二线性偏振方向；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射会聚或反射发散；

在所述图像显示装置输出完待显示图像的第一束子图像光线和第二束子图像光线后，在人眼形成的所述第一待显示子图像和第二待显示子图像能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像；

真实世界环境光线穿过所述近眼显示光学模组进入人眼形成环境图像。

2.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行会聚，施加电压后的电控光学器件的焦面位于所述电控光学器件和第一反射放大元件之间；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射会聚，反射元件的反射焦面设置于反射元件近第二反射放大元件的一侧。

3.根据权利要求1所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述电控光学器件用于在施加控制电压后，对入射的第一束子图像光线进行发散，施加电压后的电控光学器件的焦面位于电控光学器件靠近电控液晶偏振元件的一侧；

所述反射元件用于对椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线进行反射发散，所述反射元件的反射焦面设置于所述反射元件远离相位延迟片的一侧。

4.根据权利要求2或3所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第一线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第二线性偏振方向的子图像光线进行透射。

5.根据权利要求2或3所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述第一反射放大元件和第二反射放大元件被设置为对第二线性偏振方向的子图像光线进行反射会聚和对第一线性偏振方向的子图像光线进行透射。

6.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述近眼显示光学模组还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件之间的偏振转换元件，且所述第二反射放大元件和第一反射放大元件的偏振敏感型不同。

7.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述近眼显示光学模组还包括设置在所述第一反射放大元件和第二反射放大元件的反射会聚方向的吸收型偏振元件。

8.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述近眼显示光学模组还包括光束扩束系统。

9.根据权利要求1-3任一项所述的近眼显示光学模组，其特征在于，所述近眼显示光学模组还包括光束缩束系统。

10.一种近眼显示系统，其特征在于，包括图像显示装置及权利要求1-9任一项所述的近眼显示光学模组。