CN208384241U - 虚拟现实显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种虚拟现实显示系统。该虚拟现实显示系统包括光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件。第一图像显示器和第二图像显示器分别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，并分别被第一反射放大元件和第二反射放大元件反射会聚在人眼分别形成第一待显示子图像和第二待显示子图像，并且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能在用户视觉上被拼接为待显示图像。该虚拟现实显示系统具有大视场、高分辨率的特点，及相对于具有传统目视光学系统的虚拟现实显示系统体积较小。

Description

虚拟现实显示系统

技术领域

本实用新型涉及虚拟现实技术领域，具体而言，涉及一种虚拟现实显示系统。

背景技术

目前虚拟现实显示系统普遍采用微型图像显示器作为图像源，并配合传统目视光学系统实现虚拟显示。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，传统目视光学系统的显示视场与目视光学系统的体积密切相关。增大显示视场，目视光学系统的体积会随之剧增。因此，目前主流的虚拟现实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虚拟现实显示系统，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虚拟现实显示系统，包括光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件；

所述光源模组用于输出照明光束；

所述偏振分光元件设置于所述光源模组的出射光路上，用于对所述光源模组输出的照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透射及对第二线性偏振方向的光束进行反射，所述第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交；

所述第一相位延迟片设置于所述偏振分光元件的第一出射光路上，用于将透射所述偏振分光元件的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器传输；

所述第一图像显示器设置于所述第一相位延迟片的出射光路上，用于根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片传输，其中，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；

所述第一相位延迟片，还用于将所述第一图像显示器输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件传输；

所述第二图像显示器设置于所述偏振分光元件的第二出射光路上，用于根据所述第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件传输，其中，所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应；

所述偏振分光元件，还用于将所述第一相位延迟片输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述第一反射放大元件，及对所述第二图像显示器输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线进行透射至所述第一反射放大元件；

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偏振分光元件的第三出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件，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，或者分别用于使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像和使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像；

所述第二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或第一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，以及将从反射元件反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线或第一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；

所述第一图像显示器和第二图像显示器分别输出完所述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。

可选地，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述第二相位延迟片和反射元件之间的第一光学器件，所述第一光学器件的折射透射焦面与所述反射元件的反射平面共面。

可选地，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的在施加控制电压时对平行光束进行会聚的电控光学器件，并且设置所述反射元件的反射工作面具有对平行光束会聚的功能。

可选地，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的具有会聚功能的第二光学器件，且所述第一反射放大元件具有对入射的会聚光束进行反射会聚的功能及设置所述反射元件的反射工作面具有对平行光束会聚的功能。

可选地，所述反射元件的反射工作面是具有对平行光束会聚的功能，且所述第二反射放大元件具有椭球曲面的成像性质。

可选地，所述虚拟现实显示系统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，所述虚拟现实显示系统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，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束扩束系统。

可选地，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束缩束系统。

可选地，所述虚拟现实显示系统的元件间充填有具有折射率的介质。

本实用新型实施例提供的虚拟现实显示系统通过对光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件的巧妙集成与设计，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，该虚拟现实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，该虚拟现实显示系统具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统目视光学系统的虚拟现实显示系统体积更小。并且，该虚拟现实显示系统采用第一图像显示器和第二图像显示器两个图像显示器进行显示，相较于采用一个图像显示器，降低了对图像显示器的要求，降低刷新率。同时，该虚拟现实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虚拟现实显示系统的结构示意图。

图2为图1所示的虚拟现实显示系统显示待显示图像的一种光路示意图。

图3为图1所示的虚拟现实显示系统显示待显示图像的另一种光路示意图。

图4为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图5为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图6为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图7为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图8为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图9为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图10为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图11为不具有光束扩束系统的虚拟现实显示系统的视场角的对比图。

图12为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图13为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图14为另一实施方式中虚拟现实显示系统的结构示意图。

图标:1-虚拟现实显示系统；11-光源模组；13-偏振分光元件；15-第一相位延迟片；17-第一图像显示器；19-第二图像显示器；21-第一反射放大元件；23-第二反射放大元件；25-第二相位延迟片；27-反射元件；29-第一光学器件；31-电控光学器件；33-第二光学器件；35-偏振转换元件；37-吸收型偏振元件；39-光束扩束系统；41-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虚拟现实显示系统1的结构示意图。该虚拟现实显示系统1可以应用于HMD(Head Mount Display，头戴式可视设备)等虚拟现实设备，在此不做限制。该虚拟现实显示系统1包括光源模组11、偏振分光元件13、第一相位延迟片15、第一图像显示器17、第二图像显示器19、第一反射放大元件21、第二反射放大元件23、第二相位延迟片25和反射元件27。

光源模组11用于提供照明光束。光源模组11可以包括照明光源和光束整形合束器。其中，照明光源可以采用激光光源、LED光源等。照明光源可以是单色光源也可以是多色光源。可选地，在本实施例中，照明光源采用多色LED光源。如，照明光源包括红色LED光源、绿色LED光源和蓝色LED光源。其中，LED光源中各个LED的颜色还可以根据实际需要进行设置，以满足实际情况的需要。光束整形合束器设置于照明光源的光路上，用于对照明光源发出的光束进行准直整形、合束处理。

偏振分光元件13设置于所述光源模组11的出射光路上，用于对第一线性偏振方向的光束进行透射及对第二线性偏振方向的光束进行反射，所述第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交。

第一相位延迟片15设置于所述偏振分光元件13的第一出射光路上，用于对入射的偏振光束的相位进行改变。第一相位延迟片15可以对入射的偏振光束的相位改变π相位，等效于1/2玻片。第一相位延迟片15可以将入射的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向。

第一图像显示器17设置于所述第一相位延迟片15的出射光路上，用于根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。其中，待显示图像为虚拟现实显示系统1显示的虚拟图像。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为与第一待显示子图像对应的准直平行光束。在实际实施时，第一图像显示器17可以是反射式LOCS显示源。

第二图像显示器19设置于所述偏振分光元件13的第二出射光路上，用于根据所述第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件13传输。其中，所述第二束子图像光线为与第二待显示子图像对应的准直平行光束。在实际实施时，第一图像显示器17可以是反射式LOCS显示源。

所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23依次设置于所述偏振分光元件13的第三出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件。所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23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。或者，所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23分别用于使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像和使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像。

所述第二相位延迟片25设置于第二反射放大元件23和反射元件27之间，用于将第二束子图像光线(第一线性偏振方向)或第一束子图像光线(第二线性偏振方向)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27反射回来的椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线或第一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。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。当第二相位延迟片25为1/4玻片时，第二相位延迟片25用于将第一线性偏振方向(或第二线性偏振方向)的第二束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27反射回来的圆偏振方向的第二束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27用于将从第二相位延迟片25传来的具有椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线向着第二反射放大元件23的方向返回传输。可选地，本实施例中反射元件27的反射工作面为全反射平面。反射元件27的反射工作面可以是镀有金属膜或介质膜的全反射平面，只具有光路转折的功能，对从第二相位延迟片25传来的第二束子图像光线或第一束子图像光线的尺寸无放大或缩小的原路返回传输。

当第一反射放大元件21和第二反射放大元件23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，本实施方式提供的虚拟现实显示系统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，照明单元输出照明光束至偏振分光元件13。偏振分光元件13对照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透过。第一相位延迟片15将透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器17传输。第一图像显示器17根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。第一相位延迟片15将所述第一图像显示器17输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件13传输。偏振分光元件13将所述第一相位延迟片15输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述第一反射放大元件21。第一反射放大元件21对偏振分光元件13输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线进行反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。同时，偏振分光元件13对照明光束中第二线性偏振方向的光束进行反射至第二图像显示器19。第二图像显示器19根据第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件13传输。所述第二图像显示器19输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线依次透过所述偏振分光元件13、第一反射放大元件21和第二反射放大元件23后，其偏振方向被第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被反射元件27反向后再次传输至第二相位延迟片25，被第二相位延迟片25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23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21和第二反射放大元件23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，本实施方式提供的虚拟现实显示系统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，照明单元输出照明光束至偏振分光元件13。偏振分光元件13对照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透过。第一相位延迟片15将透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器17传输。第一图像显示器17根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。第一相位延迟片15将所述第一图像显示器17输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件13传输。偏振分光元件13将所述第一相位延迟片15输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述第一反射放大元件21。所述第二线性偏振方向的第一束子图像光线依次透过所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23后，其偏振方向被第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第一束子图像光线被反射元件27反向后再次传输至第二相位延迟片25，被第二相位延迟片25转换为非第二线性偏振方向的第一束子图像光线。非第二线性偏振方向的第一束子图像光线中的第一线性偏振方向的第一束子图像光线被第二反射放大元件23反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。同时，偏振分光元件13对照明光束中第二线性偏振方向的光束进行反射至第二图像显示器19。第二图像显示器19根据第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并透过所述偏振分光元件13向所述第一反射放大元件21传输。第一反射放大元件21对偏振分光元件13输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线进行反射会聚，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。可以通过调整所述第一图像显示器17和第二图像显示器19可以同步或略不同步地输出相应子图像光线，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能在用户视觉上被拼接为所述待显示图像。

本实用新型实施例提供的虚拟现实显示系统1通过对光源模组11、偏振分光元件13、第一图像显示器17、第一相位延迟片15、第二图像显示器19、第一反射放大元件21、第二反射放大元件23、第二相位延迟片25和反射元件27的巧妙集成与设计，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，该虚拟现实显示系统1的视场角等于第一反射放大元件21和第二反射放大元件23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，该虚拟现实显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统目视光学系统的虚拟现实显示系统体积更小。并且，该虚拟现实显示系统1采用第一图像显示器17和第二图像显示器19两个图像显示器进行显示，相较于采用一个图像显示器，降低了对图像显示器的要求，降低刷新率。同时，该虚拟现实显示系统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。

基于上述实用新型构思，虚拟现实显示系统1的具体结构还可以是，但不限于如图4至图10、图12、图13和图14所示。由于图1所示的虚拟现实显示系统1包括图2和图3所示的两种工作原理，而图2和图3所示的工作原理类似，为了节约篇幅，在图4至图10、图12、图13和图14的描述中，仅以图2所示的工作原理为例进行说明。应理解，为了便于描述，图1至图14所示的虚拟现实显示系统1均以单目的形式呈现。本领域技术人员可以根据图1至图14所示的结构推出虚拟现实显示系统1为双目时的结构。

如图4所示，图4为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该虚拟现实显示系统1还包括设置在第二相位延迟片25和反射元件27之间的第一光学器件29。该第一光学器件29的折射透射焦面与反射元件27的反射平面共面。该第一光学器件29可以是单个光学透镜或多光学透镜组。从第二相位延迟片25传来的具有椭圆或圆偏振方向的第二束子图像光线被第一光学器件29会聚后经反射元件27反射，反射后会聚形式的第二束子图像光线再次被第一光学器件29准直为平行形式的第二束子图像光线，该准直的第二束子图像光线与从第二图像显示器19输出的第二束子图像光线在尺寸上是一致的。通过设置第一光学器件29可以使第二反射放大元件23的反射会聚能力较低时也能达到所需的会聚能力。

请参阅图5，图5为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该虚拟现实显示系统1还包括设置在偏振分光元件13和第一反射放大元件21之间的电控光学器件31，并且设置反射元件27的反射工作面具有对平行光束会聚的功能。具体实施时，反射元件27的反射工作面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。可选地，在本实施方式中，反射元件27的反射工作面为凹面反射曲面。当对电控光学器件31施加控制电压时，电控光学器件31具有对平行光束的会聚功能。设置电控光学器件31的折射透射焦面与反射元件27的反射工作面的反射焦面实质上重合，使得从偏振分光元件13传来的具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线经过电控光学器件31会聚后能够被反射元件27反射并准直为具有与之同尺寸的子图像光线。电控光学器件31可以选用公知技术中的液晶透镜或液体透镜，在此不做限制。

图1所示的虚拟现实显示系统1，所述第一图像显示器17和第二图像显示器19可以同步或略不同步地输出相应子图像光线，而对于图5所示的虚拟现实显示系统1，第一图像显示器17和第二图像显示器19需要略不同步地输出相应子图像光线。具体地，图5所示的虚拟现实显示系统1进行一次虚拟图像显示的过程如下：照明单元输出照明光束至偏振分光元件13。偏振分光元件13对照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透过。第一相位延迟片15将透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器17传输。第一图像显示器17根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。第一图像显示器17输出第一线性偏振方向的第一束子图像光线时，对电控光学器件31不施加控制电压。第一相位延迟片15将所述第一图像显示器17输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件13传输。偏振分光元件13将所述第一相位延迟片15输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述电控光学器件31。偏振分光元件13输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线透过所述电控光学器件31，被第一反射放大元件21反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。同时，偏振分光元件13对照明光束中第二线性偏振方向的光束进行反射至第二图像显示器19。第二图像显示器19根据第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件13传输。第二图像显示器19输出第一线性偏振方向的第二束子图像光线时，对电控光学器件31施加控制电压。所述第二图像显示器19输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线透过所述偏振分光元件13，被电控光学器件31会聚，会聚后的第二束子图像光线依次透过所述第一反射放大元件21和第二反射放大元件23，其偏振方向被第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被反射元件27反射并准直为与第二图像显示器19输出的第二束子图像光线在尺寸一致的子图像光线后再次传输至第二相位延迟片25。准直后的具有椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被第二相位延迟片25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23反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

设置电控光学器件31的折射透射焦面与反射元件27的反射工作面的反射焦面实质上重合，使得从偏振分光元件13传来的具有第一线性偏振方向的第二束子图像光线经过电控光学器件31会聚成像的面位于反射元件27的反射焦面。当反射元件27的反射工作面的反射焦距F5与电控光学器件31的折射透射焦距F7一致时，经反射元件27反射转换后的第二束子图像光线与第二图像显示器19输出的第二束子图像光线具有同等的图像分辨率。在实际实施中，还可以设置反射元件27的反射工作面的反射焦距F5与电控光学器件31的折射透射焦距F7不一致，此种情况下经反射元件27反射转换后的第二束子图像光线的分辨率相比于第二图像显示器19输出的第二束子图像光线的分辨率会有一定的增大或缩小。

如图6所示，图6为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图5类似，不同的是：用具有固定会聚能力的第二光学器件33来代替电控光学器件31，且第一反射放大元件21具有对入射的会聚光束进行反射会聚的功能。例如，第一反射放大元件21的反射衍射图案的反射衍射特性为离轴凸面反射镜的成像性质。在光学设计软件zemax设计参数中，离轴凸面反射镜的各项参数可以是，顶点曲率半径为60mm，非球面的二次项常数、第四阶系数、第六阶系数分别为-0.0710，-4.2e^-6、1.15e^-9，垂直方向的离轴量为24.9。

可以看出，与图5所示的虚拟现实显示系统1不同，对于图6所示虚拟现实显示系统1，所述第一图像显示器17和第二图像显示器19也可以同步或略不同步地输出相应子图像光线。

如图7所示，图7为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：反射元件27的反射工作面是具有对平行光束会聚的功能，且第二反射放大元件23被设置为对入射的发散光束进行反射会聚的功能。例如，可以设置第二反射放大元件23具有椭球曲面的成像性质，椭球曲面具有两个焦点，从其中一个焦点发出的任何一条光线经过椭球曲面的反射后会经过另一个焦点。故从焦点F1处发出的任何一条光束经过第二反射放大元件23后将被反射衍射至焦点F2处。具体实施过程中，照明单元输出照明光束至偏振分光元件13。偏振分光元件13对照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透过。第一相位延迟片15将透过所述偏振分光元件13的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器17传输。第一图像显示器17根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片15转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片15传输。第一相位延迟片15将所述第一图像显示器17输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件13传输。偏振分光元件13将所述第一相位延迟片15输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述第一反射放大元件21。第一反射放大元件21对偏振分光元件13输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线进行反射会聚，在人眼形成第一待显示子图像。同时，偏振分光元件13对照明光束中第二线性偏振方向的光束进行反射至第二图像显示器19。第二图像显示器19根据第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件13反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件13传输。所述第二图像显示器19输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线依次透过所述偏振分光元件13、第一反射放大元件21和第二反射放大元件23后，其偏振方向被第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被反射元件27反射再次透过第二相位延迟片25后会聚于焦点F1处，会聚于焦点F1处的第二束子图像光线被第二反射放大元件23反射衍射到焦点F2处，形成第二待显示子图像。

如图8所示，图8为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该虚拟现实显示系统1还包括设置在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23之间的偏振转换元件35，且第二反射放大元件23和第一反射放大元件21的偏振敏感型不同。可选地，在本实施例中，具有线性偏振方向的子图像光线每经过偏振转换元件35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。即第二反射放大元件23为对具有对第二线性偏振方向的光束进行透过，对第一线性偏振方向的光束进行反射会聚的功能。在进行第二待显示图像显示时，所述第二图像显示器19输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线依次透过所述偏振分光元件13和第一反射放大元件21，经偏振转换元件35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23向相位延迟片传输。传至相位延迟片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第二相位延迟片25转换为椭圆偏振方向或圆偏振方向，并向反射元件27传输。该椭圆偏振方向或圆偏振方向的第二束子图像光线被反射元件27反向后再次传输至第二相位延迟片25，被第二相位延迟片25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23反射会聚，在人眼形成第二待显示子图像。

需要说明的是，该偏振转换元件35还可以应用于图4至图7、图9、图10、图12中以构成新的虚拟现实显示系统1。

如图9所示，图9为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该虚拟现实显示系统1还包括吸收型偏振元件37，第一反射放大元件21和第二反射放大元件23为具有连续曲面的凹面反射会聚元件。该吸收型偏振元件37设置在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向，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，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。

由于第一反射放大元件21和第二反射放大元件23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37设置在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向，可以对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至图8、图10和图12所示的虚拟现实显示系统1，也可以在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向设置吸收型偏振元件37，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9所示的虚拟现实显示系统1，可以分别在第一反射放大元件21和第二反射放大元件23的反射会聚方向设置一种吸收型偏振元件37，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10，图10为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该虚拟现实显示系统1还包括光束扩束系统39，所述光束扩束系统39设置于偏振分光元件13和第一反射放大元件21之间。所述光束扩束系统39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39不仅可以应用于图1所示的虚拟现实显示系统1以形成图10所示的结构，其还可以应用于图4至图9所示的虚拟现实显示系统1中以形成新的结构。当光束扩束系统39应用于图1、图4、图7至图9所示的虚拟现实显示系统1时，此处所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的第一反射放大元件21或第二反射放大元件23所需要的有效光学口径小，所述的大尺寸光斑是指光束的光斑尺寸与预设置的第一反射放大元件21或第二反射放大元件23所需的有效光学口径一致。当光束扩束系统39应用于图5和图6所示的虚拟现实显示系统1时，此处所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的第二光学器件33或电控光学器件31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第二光学器件33或电控光学器件31所需的有效光学口径一致。

光束扩束系统39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39，使得具有小尺寸光斑光束的第一图像显示器17和第二图像显示器19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10和图11所示，具有小尺寸光斑光束的第一图像显示器17被第一反射放大元件21反射放大后的视场角afa2小于经过光束扩束系统39扩束后的具有大尺寸光斑光束的第一图像显示器17被第一反射放大元件21反射放大后的视场角afa1。

如图12所示，图12为另一实施方式中虚拟现实显示系统1的结构图。与图1类似，不同的是：该虚拟现实显示系统1还包括光束缩束系统41，所述光束缩束系统41设置于偏振分光元件13和第一反射放大元件21之间。所述光束扩束系统39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41不仅可以应用于图1所示的虚拟现实显示系统1以形成图9所示的结构，其还可以应用于图4至图9所示的虚拟现实显示系统1中以形成新的结构。当光束缩束系统41应用于图1、图4、图7至图9所示的虚拟现实显示系统1时，此处所述的大尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的第一反射放大元件21或第二反射放大元件23所需要的有效光学口径大，所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸与预设置的第一反射放大元件21或第二反射放大元件23所需的有效光学口径一致。当光束缩束系统41应用于图5及图6所述的虚拟现实显示系统1时，此处所述的小尺寸光斑是指光束的光斑尺寸比预设置的第二光学器件33或电控光学器件31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第二光学器件33或电控光学器件31所需的有效光学口径一致。

光束缩束系统41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41，使得具有大尺寸光斑光束的第一图像显示器17和第二图像显示器19能够完全被第一反射放大元件21或第二反射放大元件23反射放大，本实施例中通过使用光束缩束系统41使得大尺寸第一图像显示器17和第二图像显示器19能够用于所述虚拟现实显示系统1且能够获得最优的能量利用。

需要说明的是，偏振分光元件13可以不限于上述实施方式提供的棱镜式结构，其还可以为片状。例如，将图1所示的虚拟现实显示系统1的偏振分光元件13设置为片状，则该虚拟现实显示系统1的结构如图13所示。此外，上述实施方式提供的虚拟现实显示系统1的各元件间还可以充填有具有折射率的介质，从而形成一体式的光学模组，以降低安装装配难度、简化所述虚拟现实显示系统1的外部支撑结构、利于批量生产等。例如，对于图13所示的虚拟现实显示系统1，填充具有折射率的介质后的结构可以如图14所示。

本实用新型实施例提供的虚拟现实显示系统1通过对光源模组11、偏振分光元件13、第一图像显示器17、第一相位延迟片15、第二图像显示器19、第一反射放大元件21、第二反射放大元件23、第二相位延迟片25和反射元件27的巧妙集成与设计，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，该虚拟现实显示系统1的视场角等于第一反射放大元件21和第二反射放大元件23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，该虚拟现实显示系统1具有大视场图像显示的同时具有高分辨率，且相对于具有传统目视光学系统的虚拟现实显示系统体积更小。并且，该虚拟现实显示系统1采用第一图像显示器17和第二图像显示器19两个图像显示器进行显示，相较于采用一个图像显示器，降低了对图像显示器的要求，降低刷新率。同时，该虚拟现实显示系统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)

1.一种虚拟现实显示系统，其特征在于，包括光源模组、偏振分光元件、第一图像显示器、第一相位延迟片、第二图像显示器、第一反射放大元件、第二反射放大元件、第二相位延迟片和反射元件；

所述光源模组用于输出照明光束；

所述偏振分光元件设置于所述光源模组的出射光路上，用于对所述光源模组输出的照明光束中第一线性偏振方向的光束进行透射及对第二线性偏振方向的光束进行反射，所述第一线性偏振方向和第二线性偏振方向正交；

所述第一相位延迟片设置于所述偏振分光元件的第一出射光路上，用于将透射所述偏振分光元件的第一线性偏振方向的光束的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述第一图像显示器传输；

所述第一图像显示器设置于所述第一相位延迟片的出射光路上，用于根据第一待显示子图像的灰度对所述第一相位延迟片转换后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第一束子图像光线并向所述第一相位延迟片传输，其中，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；

所述第一相位延迟片，还用于将所述第一图像显示器输出的第一线性偏振方向的第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向并向所述偏振分光元件传输；

所述第二图像显示器设置于所述偏振分光元件的第二出射光路上，用于根据所述第二待显示子图像的灰度对经所述偏振分光元件反射后的第二线性偏振方向的光束进行能量调制，得到第一线性偏振方向的第二束子图像光线并向所述偏振分光元件传输，其中，所述第二束子图像光线与第二待显示子图像对应；

所述偏振分光元件，还用于将所述第一相位延迟片输出的第二线性偏振方向的第一束子图像光线反射至所述第一反射放大元件，及对所述第二图像显示器输出的第一线性偏振方向的第二束子图像光线进行透射至所述第一反射放大元件；

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偏振分光元件的第三出射光路上，为偏振敏感型反射会聚元件，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，或者分别用于使第二束子图像光线在人眼形成所述第二待显示子图像和使第一束子图像光线在人眼形成所述第一待显示子图像；

所述第二相位延迟片为1/4玻片，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或第一束子图像光线的偏振方向转换为圆偏振方向，以及将从反射元件反射回来的圆偏振方向的第二束子图像光线或第一束子图像光线的偏振方向转换为第二线性偏振方向或第一线性偏振方向；

所述第一图像显示器和第二图像显示器分别输出完所述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。

2.根据权利要求1所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述第二相位延迟片和反射元件之间的第一光学器件，所述第一光学器件的折射透射焦面与所述反射元件的反射平面共面。

3.根据权利要求1所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的在施加控制电压时对平行光束进行会聚的电控光学器件，并且设置所述反射元件的反射工作面具有对平行光束会聚的功能；

设置所述电控光学器件的折射透射焦面与反射元件的反射工作面的反射焦面实质上重合，且所述反射元件的反射工作面的反射焦距F5与所述电控光学器件的折射透射焦距F7一致。

4.根据权利要求1所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的具有会聚功能的第二光学器件，且所述第一反射放大元件具有对入射的会聚光束进行反射会聚的功能及设置所述反射元件的反射工作面具有对平行光束会聚的功能。

5.根据权利要求1所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述反射元件的反射工作面是具有对平行光束会聚的功能，且所述第二反射放大元件具有椭球曲面的成像性质。

6.根据权利要求1-5任一项所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统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1-5任一项所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统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1-5任一项所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束扩束系统。

9.根据权利要求1-5任一项所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统还包括设置在所述偏振分光元件和第一反射放大元件之间的光束缩束系统。

10.根据权利要求1-5任一项所述的虚拟现实显示系统，其特征在于，所述虚拟现实显示系统的元件间充填有具有折射率的介质。