焦深可调的透视型近眼显示光学系统的制作方法

本实用新型涉及近眼显示领域，尤其涉及一种焦深可调的透视型近眼显示光学系统。

背景技术：

透视型显示光学系统是一种能让使用者同时观看外在景物以及投射影像的装置，达到实像与虚像叠加而不遮蔽视野的效果。已知的透视型显示光学系统有的采用带反射面(平面或自由曲面)的棱镜配合一个或多个光学透镜组成的光学系统，有的采用光波导镜片加投影镜头组成的光学系统。

目前这些透视型显示光学系统存在一个严重影响用户体验的问题-视觉辐辏冲突(accommodation-vergence conflict)，即人们感知3D效果是通过在人的左右眼形成不同的视差图像而产生，当人眼观看3D图像时，由晶状体调节产生的聚焦(accomodation)深度一直固定在显示屏上，而由眼部运动产生的会聚(vergence)深度会随着3D物体的空间位置而变化，这就导致聚焦深度与会聚深度不一致，从而引起视觉疲劳。

为了解决视觉辐辏调节冲突问题。有人采用多焦面近眼显示技术(如Magic leap公司)，然而其缺点是系统的体积比较庞大。也有人采用微透镜阵列(Micro-lens array)光场显示技术(如英伟达公司)，但此技术会严重降低图像的显示分辨率。因此，如何提供一种体积小、光学系统复杂性低且能保证图像显示质量同时，解决视觉辐辏调节冲突的近眼显示光学系统是需要解决的问题。

技术实现要素：

基于现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种焦深可调的透视型近眼显示光学系统，能保证图像显示质量的同时，解决视觉辐辏调节冲突，从而降低甚至避免使用者的视觉疲劳。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型实施方式提供一种焦深可调的透视型近眼显示光学系统，包括：

线偏光镜片、出射偏光透视型近眼显示光学装置和两个液晶透镜；其中，

所述线偏光镜片、出射偏光透视型近眼显示光学装置和两个液晶透镜依次间隔排列组成成像光路，处于外侧的液晶透镜的外表面为人眼的观看面；

所述线偏光镜片的偏振方向与所述出射偏光透视型近眼显示光学装置的出射虚像光线偏振方向垂直；

所述两个液晶透镜的偏振方向互相垂直。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统，其有益效果为：

通过采用出射偏光透视型近眼显示光学装置，并在该出射偏光透视型近眼显示光学装置的两端分别设置线偏光镜片及偏振方向互相垂直的两个液晶透镜，这样形成的透视型近眼显示光学系统，能通过线偏光镜片对外界实景光线进行调制，使得通过出射偏光透视型近眼显示光学装置到达两个液晶透镜的外界实景光线为线偏振光，且偏振方向与该出射偏光透视型近眼显示光学装置的出射虚像光线偏振方向垂直，而一个液晶透镜调节虚景的光线，即调节虚景的焦深，另一个液晶透镜调节实景的光线，即调节实景的焦深，两者互不干扰，这样调节后实现聚焦深度与会聚深度一致，解决视觉辐辏调节冲突问题，降低甚至避免使用者的视觉疲劳，且保证图像显示质量。该光学系统结构简单，调节和使用均方便。

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实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本实用新型实施例提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统构成示意图；

图2为本实用新型实施例提供的焦深可调的出射偏光透视型近眼显示光学装置的构成示意图；

图3为本实用新型实施例提供的焦深可调的出射偏光透视型近眼显示光学装置的另一构成示意图；

图4为本实用新型实施例提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统示意图；

图5a为本实用新型实施例提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统近距离虚像成像示意图；

图5b为本实用新型实施例提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统远距离虚像成像示意图；

图6为现有透视型近眼显示光学系统应用于双目的示意图；

图7a为现有透视型近眼显示光学系统的近距离虚像示意图；

图7b为现有透视型近眼显示光学系统远距离虚像示意图；

图8a为本实用新型实施例提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统应用于双目的近距离虚像示意图；

图8b为本实用新型实施例提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统应用于双目的远距离虚像示意图；

图中：1-线偏光镜片；2-出射偏光透视型近眼显示光学装置；21-透视型近眼显示折光镜片；211-镜面阵列波导镜片；22-投影镜片组；23-微显示器；24-偏光元件；3-第二液晶透镜；4-第一液晶透镜；5-人眼；51-左眼；52-右眼；10-左眼对应的焦深可调的透视型近眼显示光学系统；20-右眼对应的焦深可调的透视型近眼显示光学系统；A-虚像一；B-外界实景一；C-外界实景二；A1-左眼虚像；A2-右眼虚像；A3-双目虚像；B1-虚像二。

具体实施方式

下面结合本实用新型的具体内容，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种焦深可调的透视型近眼显示光学系统，包括：

线偏光镜片、出射偏光透视型近眼显示光学装置和两个液晶透镜；其中，

线偏光镜片、出射偏光透视型近眼显示光学装置和两个液晶透镜依次间隔排列组成成像光路，处于外侧的液晶透镜的外表面为人眼的观看面；

线偏光镜片的偏振方向与出射偏光透视型近眼显示光学装置的出射虚像光线偏振方向垂直；

两个液晶透镜的偏振方向互相垂直。

上述光学系统中，出射偏光透视型近眼显示光学装置的出射虚像光线为线偏振光。

上述光学系统中，与出射偏光透视型近眼显示光学装置相邻的液晶透镜的偏振方向与透视型近眼显示装置的透视型近眼显示折光镜片的出射虚像光线的偏振方向平行。

如图2、3所示，上述光学系统中，出射偏光透视型近眼显示光学装置包括：

透视型近眼显示折光镜片和投影组件；其中，

所述透视型近眼显示折光镜片的入射面的下部设置投影组件；

所述透视型近眼显示折光镜片采用出射偏光透视型近眼显示折光镜片，所述投影组件采用普通的投影组件，如大部分采用OLED和DMD作为微显示器的投影组件；或者，所述透视型近眼显示折光镜片采用普通的透视型近眼显示折光镜片，所述投影组件采用出射偏光投影组件或者与偏光元件组合使用的普通偏光投影组件，该与偏光元件组合使用的普通投影组件中，普通偏光投影组件由间隔设置的投影镜片组和微显示器组成，所述投影镜片组处于所述出射偏光透视型近眼显示折光镜片的入射面；该普通投影组件与透视型近眼显示折光镜片之间设置所述偏光元件，使出射光为线偏振光。

上述系统中，出射偏光透视型近眼显示折光镜片采用镜面阵列波导镜片(参见图3)、光栅波导镜片和带反射面的棱镜中的任一种；也可以采用其他形式的透视型近眼显示折光镜片，只要能保证出射光为偏振光即可。

所述普通的投影组件包括：

间隔设置的投影镜片组和微显示器，所述投影镜片组处于所述出射偏光透视型近眼显示折光镜片的入射面。

上述系统中，出射偏光投影组件包括(参见图4)：

间隔设置的偏光元件、投影镜片组和微显示器；其中，所述偏光元件处于所述透视型近眼显示折光镜片的入射面。

上述光学系统还包括：控制电源，分别与两个液晶透镜电气连接，能向两个液晶透镜分别输入相同或不同的电压信号；或者，向两个液晶透镜同时输入相同或不同的电压信号。

上述光学系统还包括：机壳，线偏光镜片、出射偏光透视型近眼显示光学装置和两个液晶透镜均安装在机壳上。

下面对本实用新型实施例具体作进一步地详细描述。

本实用新型提供的焦深可调的透视型近眼显示光学系统，由线偏光镜片、出射偏光透视型近眼显示光学装置和两个液晶透镜组成，两个液晶透镜的偏振方向互相垂直；线偏光镜片、透视型近眼显示折光镜片、两个液晶透镜的布置方式如图1所示。从人眼到外界依次为第一液晶透镜4、第二液晶透镜3、透视型近眼显示折光镜片21和线偏光镜片1。

其中，线偏光镜片是一种能使特定方向振动的光线通过，而不能使其它振动方向的光线通过的一种镜片，自然光通过线偏光镜片后，会产生偏振方向固定的线偏振光。

液晶透镜是一种能够通过输入电压信号来改变屈光度的镜片。在没有电压信号时，液晶透镜没有屈光力，不会对光线产生汇聚作用，相当于一片平板玻璃。当输入一定的电压信号时，液晶透镜会产生屈光力，能够对通过液晶透镜的光线产生汇聚或发散作用，相当于一片凸透镜或凹透镜，输入不同的电压信号，液晶透镜会产生不同的屈光力。

单一液晶透镜只对一个偏振分量的光产生屈光力，而对直角(直角光)的偏振分量不产生光学作用。

出射偏光透视型近眼显示光学装置通常由透视型近眼显示折光镜片和投影组件组成；与线偏光镜片及两个液晶透镜布置在一起的是出射偏光透视型近眼显示光学装置中的透视型近眼显示折光镜片。

本实用新型系统中的出射偏光透视型近眼显示光学装置的结构示意如图2所示，该出射偏光透视型近眼显示光学装置的出射虚像光线为线偏振光。

如图3所示，为实现上述出射偏光透视型近眼显示光学装置的出射虚像光线为线偏振光，该出射偏光透视型近眼显示光学装置中，波导透视型近眼显示折光镜片是一种出射偏光透视型近眼显示折光镜片，只要是不影响实景光线的出射偏光透视型近眼显示折光镜片均可以应用于该出射偏光透视型近眼显示光学装置中，透视型近眼显示折光镜片可以是镜面阵列波导镜片，也可以是光栅波导镜片，也可以是带反射面的棱镜或其他形式的透视型近眼显示折光镜片。可以知道，如图3所示的镜面阵列波导镜片的透视型近眼显示光学装置的结构仅为示意，采用阵列波导镜片的光学装置的具体结构并不限于此。

如图4所示，为实现该出射偏光透视型近眼显示光学装置的出射虚像光线为线偏振光，也可通过在投影组件部分设置偏光元件(偏光元件可采用线偏光镜片(即第二线偏光镜片)或其他类型偏光镜)，可以将出射虚像光调制为线偏振光。

本实用新型系统的具体结构参见图4，其中，线偏光镜片可以对外界实景光线进行调制，使得通过出射偏光透视型近眼显示光学装置的折光镜片到达第二液晶透镜的外界实景光线为线偏振光，且偏振方向与所述折光镜片的出射虚像光线偏振方向垂直。

第二液晶透镜的偏振方向与透视型近眼显示折光镜片出射虚像光线的偏振方向平行，与被调制后的外界实景光线偏振方向垂直。

第一液晶透镜4的偏振方向与第二液晶透镜3的偏振方向垂直。

第一液晶透镜4的偏振方向与透视型近眼显示折光镜片21出射虚像光线的偏振方向垂直，与被调制后的外界实景光线偏振方向平行。

当对第二液晶透镜3输入电压信号时，第二液晶透镜对与其偏振方向平行的光产生屈光力，对与其偏振方向垂直的光不产生光学作用。因此第二液晶透镜对透视型近眼显示折光镜片21出射虚像光线产生屈光力，对外界实景光线不产生光学作用。

对第二液晶透镜3输入不同的电压信号，可以控制第二液晶透镜对透视型近眼显示光学虚像发出的虚像光线产生不同程度的屈光力，从而控制虚像的聚焦深度，同时不改变外界实景(即外界实景一)光线，如图5a、5b所示。

如图6所示，人眼观察实景时，左、右眼的聚焦深度与双眼汇聚深度相一致。但通常现有的透视型近眼显示光学系统的左右眼聚焦深度不变，通过改变双眼汇聚深度显示不同距离的虚像(参见如图7a、7b)。这与人眼感知习惯不同，会产生辐辏调节冲突，从而产生视觉疲劳。而本实用新型的系统可以调节聚焦深度，使聚焦深度与双眼汇聚深度一致，从而解决视觉疲劳问题，参见图8a、8b所示。

当显示的虚像具有深度层次时，可以将左、右眼的聚焦深度调节至一适当位置，从而有效降低辐辏调节冲突引起的视觉疲劳。

对第一液晶透镜4输入电压信号，可以对外界实景光线产生屈光力，此时第一液晶透镜4相当于近视镜或远视镜，从而使系统可以适配近视或远视患者而不需要再佩戴视力矫正眼镜。

第一液晶透镜4和第二液晶透镜3可以分别或同时输入相同或不同的电压信号，从而各自产生相同或不同的屈光力，满足系统对虚像和外界实景光线的调节需要。

在使用过程中，可以将第一液晶透镜4的屈光力调节到一固定值，和佩戴者的视力相匹配。

优选的，本实用新型中第一、第二液晶透镜4、3的位置可以互换。

本实用新型的光学系统可以有效解决现有透视型近眼显示光学系统中普遍存在的辐辏调节冲突问题，缓解使用者的视觉疲劳。并且，该光学系统能够适配不同视力，包括近视和远视，佩戴者在使用该光学系统过程中不需要再佩戴视力矫正眼镜，也提升了使用的便利性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。