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CN114660807B - 一种近眼显示装置 - Google Patents

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CN114660807B CN202011536437.9A CN202011536437A CN114660807B CN 114660807 B CN114660807 B CN 114660807B CN 202011536437 A CN202011536437 A CN 202011536437A CN 114660807 B CN114660807 B CN 114660807B
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Abstract

本发明公开了一种近眼显示装置，包括：显示屏，用于分时显示第一图像和第二图像；偏振转换器，用于将显示屏的出射光转化为第一圆偏振光；成像透镜组，用于对显示屏所显示的图像进行成像；半透半反层，位于偏振转换器与第一透镜之间；反射偏光层，位于半透半反层背离偏振转换器的一侧，用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互垂直；液晶透镜，位于半透半反层与反射偏光层之间。当液晶透镜在第一相位延迟量和第二相位延迟量之间切换时，光线在近眼显示装置中的光路产生变化，从而使得近眼显示装置可以在两个焦距成像，由此使人眼观看到具有一定景深的图像，达到三维显示效果，避免辐辏冲突。

Description

一种近眼显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置。
背景技术
近眼显示是目前的研究热点内容，如头盔形态的虚拟现实显示及智能眼镜形态的增强现实显示等。近眼显示能够给人们提供前所未有的交互感，在远程医疗、工业设计、教育、军事虚拟训练、娱乐等众多领域具有重要的应用价值。
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术呈现的是全封闭的虚拟环境，借助显示模组营造出三维环境中沉浸式观看体验。其显示原理是左右眼屏幕分别显示左右眼的图像，人眼获取这种带有差异的信息后在脑海中产生立体感。
目前使用的VR显示装置，显示画面的焦距固定，人眼在观察显示画面时，长期聚焦在同一像面，与大脑对视神经的调节冲突，当人眼持续观看这样的显示画面时间过长，就会出现疲劳和眩晕现象，产生辐辏冲突。
发明内容
本发明提供一种近眼显示装置，用于解决辐辏冲突。
本发明提供一种近眼显示装置，包括：
显示屏，用于分时显示第一图像和第二图像；
偏振转换器，位于所述显示屏的出光侧，用于将所述显示屏的出射光转化为第一圆偏振光；
成像透镜组，位于所述显示屏的出光侧，用于对所述显示屏所显示的图像进行成像；所述成像透镜组至少包括第一透镜；
半透半反层，位于所述偏振转换器与所述第一透镜之间；
反射偏光层，位于所述半透半反层背离所述偏振转换器的一侧，用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向相互垂直；
液晶透镜，位于所述半透半反层与所述反射偏光层之间；
所述液晶透镜在所述显示屏显示所述第一图像时产生第一相位延迟量，透射经过所述半透半反层的所述第一圆偏振光，以使所述反射偏光层部分透射所述第一圆偏振光；
所述液晶透镜在所述显示屏显示所述第二图像时产生第二相位延迟量，将经过所述半透半反层的所述第一圆偏振光转化为，以使所述第一线偏振光被所述反射偏光层反射；再将反射的所述第一线偏振光转化为第一圆偏振光，以使所述第一圆偏振光被所述半透半反层反射后转化为与所述第一圆偏振光旋转方向相反的第二圆偏振光；再将所述第二圆偏振光转化为第二线偏振光，以使所述第二线偏振光被所述反射偏光层透射。
本发明一些实施例中，所述液晶透镜产生的所述第一相位延迟量为0，所述液晶透镜产生的所述第二相位延迟量为π/2或π/2的奇数倍。
本发明一些实施例中，所述成像透镜组还包括第二透镜；所述第二透镜位于所述偏振转换器与所述半透半反层之间；或者，所述第二透镜位于所述偏振转换器与所述显示屏之间。
本发明一些实施例中，所述显示屏为液晶显示器；
所述偏振转换器为四分之一波片，所述四分之一波片的快轴与所述液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴的夹角为45°；
或者，所述偏振转换器为圆偏光片；所述圆偏光片包括靠近所述液晶显示器一侧的偏光片和位于所述偏光片背离所述液晶显示器一侧的四分之一波片；所述偏光片的透过轴与所述液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴平行，所述四分之一波片的快轴与所述液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴的夹角为45°。
本发明一些实施例中，所述显示屏为有机发光二极管显示器、微型有机发光二极管显示器或微型发光二极管显示器中的一种；
所述偏振转换器为圆偏光片。
本发明一些实施例中，所述偏振转换器贴附于所述显示屏面向所述成像透镜组一侧的表面。
本发明一些实施例中，所述半透半反层、所述液晶透镜及所述反射偏光层的总厚度不超过4mm。
本发明一些实施例中，所述半透半反层位于所述液晶透镜背离所述反射偏光层一侧的表面；所述反射偏光层位于所述液晶透镜背离所述半透半反层一侧的表面。
本发明一些实施例中，所述成像透镜组中的透镜的面型采用球面、非球面、菲涅尔面或自由曲面。
本发明一些实施例中，所述半透半反层的透过率与反射率之比为1:1。
本发明一些实施例中，所述近眼显示装置的有效焦距为15mm-55mm。
本发明一些实施例中，还包括：
驱动芯片，连接所述液晶透镜和所述显示屏；
图像处理器，连接所述显示屏；
中央处理器，连接所述驱动芯片和所述图像处理器；
所述图像处理器被配置为在所述中央处理器的控制下向所述显示屏传输待显示的图像数据；
所述驱动芯片被配置为在所述中央处理器的控制下向所述显示屏输出第一驱动信号，以使所述显示屏分时显示第一图像和第二图像；向所述液晶透镜输出第二驱动信号以使所述液晶透镜在所述显示屏显示所述第一图像时产生第一相位延迟量，在所述显示屏显示所述第二图像时产生第二相位延迟量。
本发明一些实施例中，所述近眼显示装置为虚拟现实设备。
本发明提供的近眼显示装置，包括：显示屏，用于分时显示第一图像和第二图像；偏振转换器，用于将显示屏的出射光转化为第一圆偏振光；成像透镜组，用于对显示屏所显示的图像进行成像；半透半反层，位于偏振转换器与第一透镜之间；反射偏光层，位于半透半反层背离偏振转换器的一侧，用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互垂直；液晶透镜，位于半透半反层与反射偏光层之间。当液晶透镜在第一相位延迟量和第二相位延迟量之间切换时，光线在近眼显示装置中的光路产生变化，从而使得近眼显示装置可以在两个焦距成像，由此使人眼观看到具有一定景深的图像，达到三维显示效果，避免辐辏冲突。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的近眼显示装置的光路示意图之一；
图3为本发明实施例提供的近眼显示装置的光路示意图之二；
图4为本发明实施例提供的液晶透镜的相位变化曲线图；
图5为本发明实施例提供的显示屏的显示图像与时间关系的示意图；
图6为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之二；
图7为本发明实施例提供的近眼显示装置在近场显示时的光路模拟图；
图8为本发明实施例提供的近眼显示装置在近场显示时的点列图；
图9为本发明实施例提供的近眼显示装置在近场显示时的光学传递函数曲线图；
图10为本发明实施例提供的近眼显示装置在远场显示时的光路模拟图；
图11为本发明实施例提供的近眼显示装置在远场显示时的点列图；
图12为本发明实施例提供的近眼显示装置在远场显示时的光学传递函数曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。本发明的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。
近眼显示装置是指佩戴在用户的眼部的显示设备，例如近眼显示装置通常以眼镜或头盔的形式呈现。近眼显示装置可以为用户提供AR和VR体验。其中，AR近眼显示技术是将近眼显示装置产生的虚拟图像与真实世界的实景图像叠加显示，从而使用户能够从屏幕上看到最终的增强实景图像。VR近眼显示技术是在左右眼对应的近眼显示器上分别显示左右眼的图像，左右眼分别获取带有差异的图像信息后在大脑中可以合成立体视觉。
目前使用的AR/VR显示装置，显示画面的焦距固定，人眼在观察显示画面时，长期聚焦在同一像面，与大脑对视神经的调节冲突，当人眼持续观看这样的显示画面时间过长，就会出现疲劳和眩晕现象，产生辐辏冲突。
图1为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之一。
如图1所示，本发明实施例提供的近眼显示装置，包括：
显示屏10，用于分时显示第一图像和第二图像。
偏振转换器20，位于显示屏10的出光侧，用于将显示屏10的出射光转化为第一圆偏振光。
成像透镜组30，位于显示屏10的出光侧，用于对显示屏10所显示的图像进行成像；成像透镜组30组至少包括第一透镜301。
半透半反层40，位于偏振转换器20与第一透镜301之间。
反射偏光层50，位于半透半反层40背离偏振转换器20的一侧，用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光；其中，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互垂直；
液晶透镜60，位于半透半反层40与反射偏光层50之间，用于在显示屏10显示不同的图像时产生不同的相位延迟量。
如图1所示，近眼显示装置还包括：
驱动芯片70，连接液晶透镜60和显示屏10。
图像处理器80，连接显示屏10。
中央处理器90，连接驱动芯片70和图像处理器80。
其中，图像处理器80被配置为在中央处理器90的控制下向显示屏10传输待显示的图像数据；驱动芯片70被配置为在中央处理器90的控制下向显示屏10输出第一驱动信号，以使显示屏10分时显示第一图像和第二图像；与此同时，向液晶透镜60输出第二驱动信号以使液晶透镜60在显示屏10显示第一图像时产生第一相位延迟量，在显示屏10显示第二图像时产生第二相位延迟量。
图2为本发明实施例提供的近眼显示装置的光路示意图之一。
如图2所示，液晶透镜60在显示屏10显示第一图像时产生第一相位延迟量，此时液晶透镜60产生的第一相位延迟量为0，即对于o光和e光的相位差为0，那么光线通过液晶透镜60后不会产生相位延迟，偏振态不会发生改变。
显示屏10出射的第一图像的光线经过偏振转换器20之后转化为第一圆偏振光；第一圆偏振光入射到半透半反层40之后，部分光线被透射，其它部分光线被反射，被半透半反层40透射的光线仍为第一圆偏振光；被半透半反层40透射的第一圆偏振光经过液晶透镜60之后仍为第一圆偏振光；被液晶透镜60透射的第一圆偏振光可以分解为与反射偏光层50的透过轴平行和垂直的分量，且与反射偏光层50的透过轴平行的分量可以透过反射偏光层50，向人眼所在的位置入射，人眼可以观看到距离人眼为s1的第一虚像。
图3为本发明实施例提供的近眼显示装置的光路示意图之二。
如图3所示，液晶透镜60在显示屏10显示第二图像时产生第二相位延迟量，此时液晶透镜60产生的第二相位延迟量为π/2或π/2的奇数倍，即对于o光和e光的相位差为π/2或π/2的奇数倍，此时，液晶透镜60等效为一个四分之一波片，那么第一圆偏振光通过液晶透镜60后转化为第一线偏振光。
显示屏10出射的第一图像的光线经过偏振转换器20之后转化为第一圆偏振光；第一圆偏振光经过半透半反层40之后，部分光线被透射，其它部分光线被反射，被半透半反层40透射的光线仍为第一圆偏振光；被半透半反层40透射的第一圆偏振光经过液晶透镜60之后转化为第一线偏振光；反射偏光层50用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光，那么被液晶透镜60转化的第一线偏振光在入射到反射偏光层50时被反射；被反射偏光层50反射的第一线偏振光重新向液晶透镜60入射，液晶透镜60会将第一线偏振光再次转化为第一圆偏振光；被液晶透镜60转化的第一圆偏振光向半透半反层40入射，第一圆偏振光入射到半透半反层40之后，部分光线被透射，其它部分光线被反射，被半透半反层40反射的圆偏振光的旋转方向变化为反，转化为第二圆偏振光；被半透半反层40反射后的第二圆偏振光向液晶透镜60入射，此时，液晶透镜60将第二圆偏振光转化为第二线偏振光；反射偏光层50用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光，那么被液晶透镜60转化的第二线偏振光在入射到反射偏光层50时被透射，向人眼所在的位置入射，人眼可以观看到距离人眼s2的第二虚像。
对比图2和图3可知，当控制液晶透镜60在第一相位延迟量和第二相位延迟量之间切换时，光线在近眼显示装置中的光路产生变化，即光线入射到第一透镜301时的物距产生变化，从而使得近眼显示装置可以在两个焦距成像，由此使人眼观看到具有一定景深的图像，达到三维显示效果，避免辐辏冲突。
需要说明的是，上述的第一圆偏振光可以为右旋圆偏振光，第二圆偏振光可以为左旋圆偏振光；或者第一圆偏振光可以为左旋圆偏振光，第二圆偏振光可以为右旋圆偏振光，在此不做限定。
以显示屏10的出射光经过偏振转换器20之后转化为右旋圆偏振光为例对近眼显示装置中的光线的偏振态的转化进行具体说明。
当液晶透镜60产生的相位延迟量为0时，偏振转换器20转化的右旋圆偏振光在经过半透半反层40、液晶透镜60后仍为右旋圆偏振光，再经过反射偏光层50之后转化为线偏振光，入射到人眼。
当液晶透镜60产生的相位延迟量为π/2或π/2的奇数倍时，液晶透镜60等效为四分之一波片，其快轴方向与反射偏光层50的透过轴/反射轴方向的夹角为45°。偏振转换器20转化的右旋圆偏振光在经过半透半反层40之后仍为右旋圆偏振光，再经过液晶透镜60(+45°)之后转化为线偏振光(0°)，其偏振方向平行于反射偏光层50的反射轴，会被反射偏光层50反射。反射的线偏振光(0°)再次经过液晶透镜60(-45°)之后转化的仍为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光在经过半透半反层40的反射后转化为左旋圆偏振光，右旋圆偏振光在经过液晶透镜60(+45°)后转化为线偏振光(90°)，其偏振方向平行于反射偏光层50的透过轴，被反射偏光层50透射，入射到人眼。
在具体实施时，如图1-图3所示，成像透镜组30还可以包括第二透镜302；第二透镜302可以设置于偏振转换器20与半透半反层40之间(如图1-图3所示)；或者，第二透镜302也可以设置于偏振转换器20与显示屏10之间(图中未示出)，在此不做限定。
当成像透镜组30包括上述第一透镜301和第二透镜302时，在切换液晶透镜60产生第一相位延迟量和第二相位延迟量时，相当于改变了第一透镜301和第二透镜302之间的距离，因此成像透镜组30的焦距会随着液晶透镜60的相位延迟量的切换而改变，从而可以使近眼显示装置产生两个焦距，由此使人眼观看到具有一定景深的图像，达到三维显示效果，避免辐辏冲突。
图4为本发明实施例提供的液晶透镜的相位变化曲线图，图5为本发明实施例提供的显示屏的显示图像与时间关系的示意图。
如图4所示，横坐标表示系统运行时间，纵坐标表示液晶透镜60相位延迟量。如图4所示，假设系统从T0时刻开始运行，起始相位延迟量为0，在经过上升沿时间Ton后相位延迟量变为Pi/2，此时液晶透镜60中产生的光程差为Δn·d＝λ/4，对偏振光的调制作用相当于四分之一波片。在持续一段时间TFF后，经过下降沿时间Toff后当相位延迟量变为0，此时液晶透镜60中产生光程差为0，其相当于平板玻璃。在持续一段时间TNF之后，相位延迟量再次切换为Pi/2，并以上述规律进行切换。
根据上述的光路分析可知，当液晶透镜60的相位延迟量为0时，液晶透镜60等效为平板玻璃，近眼显示装置的光路如图2所示，显示屏10出射的光线入射到偏振转换器20，经过偏振转换器20入射到第二透镜302，经过第二透镜302入射到半透半反层40，经过半透半反层40入射到液晶透镜60，经液晶透镜60入射到反射偏光层50，经过反射偏光层50入射到第一透镜301，经过第一透镜301最终入射到人眼。
当液晶透镜60的相位延迟量为π/2或π/2的奇数倍时，液晶透镜60等效为四分之一波片时，近眼显示装置的光路如图3所示，显示屏10出射的光线入射到偏振转换器20，经过偏振转换器20入射到第二透镜302，经过第二透镜302入射到半透半反层40，经过半透半反层40入射到液晶透镜60，经液晶透镜60入射到反射偏光层50，经过反射偏光层50的反射后再入射到液晶透镜60，经过液晶透镜60再次入射到半透半反层40，经过半透半反层40的反射后再入射到液晶透镜60，经过液晶透镜60再次入射到第一透镜301，经过第一透镜301最终入射到人眼。
对比图2和图3可知，当液晶透镜60等效为四分之一波片时，光线在半透半反层40和反射偏光层50之间反射，相当于增加了第一透镜301和第二透镜302之间的距离，从而使得成像透镜组30的焦距增大，此时所成虚像距离人眼的位置更远。因此显示屏10在液晶透镜60等效为四分之一波片时显示的第二图像为远场图像，显示屏10在液晶透镜60等效为平板玻璃时显示的第一图像为近场图像。如图5所示，显示屏10所显示的近场图像和远场图像会随着液晶透镜60进行相位延迟量的切换时同步切换。
目前液晶透镜的工艺日趋成熟，可以做到极高的相位精度，及极短的响应时间。一般来说，液晶状态切换的上升沿时间Ton可以做到0.1ms-0.3ms；下降沿时间Toff可以做到0.4ms-0.7ms,即，总的响应时间在0.5～1.0ms以内，且随着技术、工艺的不断进步，响应时间可以进一步缩短。
如图3所示，液晶透镜60的工作周期为T＝Ton+TFF+Toff+TNF。如果人眼看到的画面的帧率为100Hz，则T＝1000ms/100hz＝10ms，按照Ton+Toff＝1ms，则TFF+TNF＝9ms，通常可以设置TFF＝TNF，则TFF＝TNF＝4.5ms。此时，要求显示屏10的刷新频率大于或等于2*100＝200Hz。相应的，显示屏10也需要根据时序分时显示图像信息，具体如图5所示，以每T/2的时间为间隔，显示屏10分别交替显示远场图像(第二图像)和近场图像(第一图像)，每幅图像的显示时间为5ms。
在本发明实施例中，显示屏10可以采用液晶显示器、微型发光二极管显示器、有机发光二极管显示器及微型有机发光二极管显示器中的一种，在此不做限定。
液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)主要由背光模组和液晶显示面板构成。液晶显示面板本身不发光，需要依靠背光模组提供的光源实现亮度显示。LCD的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲的电场效应，以控制背光源透射或遮蔽功能，从而将影像显示出来。若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。液晶显示技术成熟，液晶显示屏具有较低的成本且性能优异。
微型发光二极管(Micro-Light Emitting Diode，简称Micro-LED)显示器是采用Micro-LED阵列构成的显示屏，采用Micro-LED作为显示子像素，通过控制各Micro-LED的显示亮度可以实现图像显示。Micro-LED显示器具有高亮度、耗功小、电压需求低、设备小巧便捷等特点。采用Micro-LED显示器作为近眼显示装置中的显示屏10，有利于实现近眼显示装置的小型化。
有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，简称OLED)显示器属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。OLED显示器为自发光型显示屏，因此不需要配备背光模组，器件整体厚度小，有利于将近眼显示装置小型化，更加利于整机安装。
微型有机发光二极管显示器是将有机发光二极管的发光单元微缩化，由此可以在有限尺寸内设置更多的像素，提高显示屏的分辨率。
当显示屏10采用液晶显示器时，由于液晶显示器的出光侧具有偏光层，因此位于显示屏10出光侧的偏振转换器20可以采用四分之一波片，且保持四分之一波片的快轴与液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴的夹角为45°。
或者，偏振转换器20也可以采用圆偏光片。通常情况下，圆偏光片包括靠近液晶显示器(10)一侧的偏光片和位于偏光片背离液晶显示器(10)一侧的四分之一波片。在具体设置时，圆偏光片中的偏光片的透过轴与液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴平行，圆偏光片中的四分之一波片的快轴与液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴的夹角为45°。
由此均可以达到将显示屏10的出射光转化为圆偏振光的目的。
当显示屏10采用有机发光二极管显示器、微型有机发光二极管显示器或微型发光二极管显示器中的一种时，显示屏10出射的光线为自然光，因此位于显示屏10出光侧的偏振转换器20采用圆偏光片。同样地，圆偏光片包括靠近显示屏10一侧的偏光片和位于偏光片背离显示屏10一侧的四分之一波片。在具体设置时，圆偏光片中的偏光片的透过轴与四分之一波片的快轴的夹角为45°。由此可以达到将显示屏10的出射光转化为圆偏振光的目的。
图6为本发明实施例提供的近眼显示装置的结构示意图之二。
如图6所示，可以将偏振转换器20设置于第二透镜302与显示屏10之间，偏振转换器20可以采用圆偏光片，可以直接将偏振转换器20贴附于显示屏10面向成像透镜组30一侧的表面。
另外，半透半反层40、液晶透镜60及反射偏光层50的结构紧凑设置，三者从半透半反层40到反射偏光层50的总厚度不超过4mm。可选地，如图6所示，可以将半透半反层40设置于液晶透镜60背离反射偏光层50一侧的表面；将反射偏光层50设置于液晶透镜60背离半透半反层一侧的表面。
将偏振转换器20贴附于显示屏10出光侧的表面，以及将半透半反层40和反射偏光层50贴附于液晶透镜60两侧的表面上，可以省略用于支撑上述膜层的基板，更加方便近眼显示装置中各元件的安装。
可选地，半透半反层40的透过率与反射率之比为1:1。这样，当显示屏10显示第一图像，液晶透镜60产生的相位延迟量为0时，显示屏10出射的第一图像的光线在经过偏振转换器20之后光强度减弱为初始能量的1/2，且转化为第一圆偏振光；第一圆偏振光在经过半透半反层40之后，有一半能量被反射，形成无效光，被透射的第一圆偏振光的光能量减弱为初始能量的1/4；第一圆偏振光在经过液晶透镜60之后向反射偏光层50入射，第一圆偏振光与反射偏光层50的反射轴方向相同的分量被反射，形成无效光，其余与反射偏光层50的透过轴相同的分量透射，透射光的光强度减弱为初始能量的1/8，即到达人眼的光强度为显示屏10原始光强度的1/8。
当显示屏10显示第二图像，液晶透镜60产生的相位延迟量为π/2或π/2的奇数倍时，显示屏10出射的第二图像的光线在经过偏振转换器20之后光强度减弱为初始能量的1/2，且转化为第一圆偏振光；第一圆偏振光在经过半透半反层40之后，有一半能量被反射，形成无效光，被透射的第一圆偏振光的光能量减弱为初始能量的1/4；第一圆偏振光在经过液晶透镜60之后转化为偏振方向平行于反射偏光层50的反射轴的线偏振光，被反射偏光层50全部反射；线偏振光再次经过液晶透镜60之后转化为第一圆偏振光，第一圆偏振光再次入射到半透半反层40时，有一半能量被透射，形成无效光，反射光的光能量减弱为初始能量的1/8，且反射光被转化为第二圆偏振光；第二圆偏振光再次经过液晶透镜60时转化为偏振方向平行于反射偏光层50的透过轴的线偏振光，被反射偏光层50全部透射，透射光的光强度仍为初始能量的1/8，即到达人眼的光强度为显示屏10原始光强度的1/8。
由此可见，第一图像和第二图像到达人眼的光强度相同，两幅图像之间不会产生明暗差异。
在本发明实施例中，成像透镜组30至少包括第一透镜301，且成像透镜组30中的透镜的面型可以采用球面、非球面、菲涅尔面或自由曲面。球面透镜具有设计简单以及组装精度要求低等优势，而非球面透镜菲涅尔透镜以及自由曲面透镜的厚度相对较小，可以优化像质，在进行光学设计时可以根据实际需要进行选择。
近眼显示装置为了适应于实际使用情景，其有效焦距设计为15mm-55mm，在此不做具体数值的限定。具体可以设计为眼镜或头盔等形式，应用于VR设备。
如下以一设计实例对本发明实施例提供的上述近眼显示装置的模拟效果进行介绍。
图7为本发明实施例提供的近眼显示装置在近场显示时的光路模拟图。
如图7所示，成像透镜组30包括第一透镜301和第二透镜302。其中，对于近眼显示装置中的各表面的参数模拟，参见下表：
其中，第一透镜301的两个表面的面型均采用偶次非球面，第二透镜302的两个表面的面型均采用标准球面；除成像透镜组30以外的反射偏光层50、液晶透镜60、半透半反层40以及偏振转换器20的介质表面均采用平面。近场显示系统的虚像面距离人眼的距离为399.905347mm，人眼距离第一透镜301的距离为15mm；系统的入瞳直径为4mm，OPD参考位置为出瞳位置；近场显示系统的有效焦距为43.97119mm，后焦距为4.677659mm；近眼显示装置的总长度为57.56404mm。像方空间F/#为10.9928，近轴处理F/#为9.800372，工作F/#为9.760632。近轴成像高度为36.55598mm，近轴放大率为0.09802692，最大径向视场为43度，角放大率为1.106567。主波长为0.5875618μm。
按照上述参数进行近场显示模拟得到的光路参见图7，本发明实施例对上述显示系统的点列图和光学传递函数等方面进行测试。
图8为本发明实施例提供的近眼显示装置在近场显示时的点列图。
如图8所示，物面表示虚像面所在的位置，像面表示人眼所在的位置。由图8可以看出，在物面上不同视场角下的点在像面上的得到的像点尺寸均在较小的范围，符合近眼显示装置的应用要求。
图9为本发明实施例提供的近眼显示装置在近场显示时的光学传递函数曲线图。
如图9所示，横坐标表示空间频率，纵坐标表示调制传递函数(ModulationTransfer Function，简称MTF)值，MTF值是反应光学系统的重要参数。图9中最上方的曲线表示视场角为0时对应的衍射极限，不同视场角下的MTF值越接近最上方的曲线表示成像系统的成像效果越好。由图9可以看出，本发明实施例提供的近眼显示装置在经过参数优化之后，全视场的光学传递函数可以符合成像要求，具有较佳的成像表现。
图10为本发明实施例提供的近眼显示装置在远场显示时的光路模拟图。
如图10所示，成像透镜组30包括第一透镜301和第二透镜302。其中，对于近眼显示装置中的各表面的参照模拟，参见下表：
其中，第一透镜301的两个表面的面型均采用偶次非球面，第二透镜302的两个表面的面型均采用标准球面；除成像透镜组30以外的反射偏光层50、液晶透镜60、半透半反层40以及偏振转换器20的介质表面均采用平面。近场显示系统的虚像面距离人眼的距离为1437.8373mm，人眼距离第一透镜301的距离为15mm；系统的入瞳直径为4mm，入瞳位置为0，出瞳直径为3.555769mm，出瞳位置为-35.40031mm，OPD参考位置为出瞳位置；近场显示系统的有效焦距为41.95171mm，后焦距为1.892339mm；近眼显示装置的总长度为57.56404mm。像方空间F/#为10.48793，近轴处理F/#为10.15463，工作F/#为10.11048。像方空间NA为0.04917903，物方空间NA为0.001390977；光阑半径为2mm，近轴成像高度为37.87739mm，近轴放大率为0.02824974；最大径向视场为43度，角放大率为1.124932。主波长为0.5875618μm。
按照上述参数进行近场显示模拟得到的光路参见图10，本发明实施例对上述显示系统的点列图和光学传递函数等方面进行测试。
图11为本发明实施例提供的近眼显示装置在远场显示时的点列图。
如图11所示，物面表示虚像面所在的位置，像面表示人眼所在的位置。由图11可以看出，在物面上不同视场角下的点在像面上的得到的像点尺寸均在较小的范围，符合近眼显示装置的应用要求。
图12为本发明实施例提供的近眼显示装置在远场显示时的光学传递函数曲线图。
如图12所示，横坐标表示空间频率，纵坐标表示调制传递函数(ModulationTransfer Function，简称MTF)值，MTF值是反应光学系统的重要参数。图12中最上方的曲线表示视场角为0时对应的衍射极限，不同视场角下的MTF值越接近最上方的曲线表示成像系统的成像效果越好。由图12可以看出，本发明实施例提供的近眼显示装置在经过参数优化之后，全视场的光学传递函数可以符合成像要求，具有较佳的成像表现。
本发明实施例提供的近眼显示装置，包括：显示屏，用于分时显示第一图像和第二图像；偏振转换器，用于将显示屏的出射光转化为第一圆偏振光；成像透镜组，用于对显示屏所显示的图像进行成像；半透半反层，位于偏振转换器与第一透镜之间；反射偏光层，位于半透半反层背离偏振转换器的一侧，用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向相互垂直；液晶透镜，位于半透半反层与反射偏光层之间。当液晶透镜在第一相位延迟量和第二相位延迟量之间切换时，光线在近眼显示装置中的光路产生变化，从而使得近眼显示装置可以在两个焦距成像，由此使人眼观看到具有一定景深的图像，达到三维显示效果，避免辐辏冲突。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：
显示屏，用于分时显示第一图像和第二图像；
偏振转换器，位于所述显示屏的出光侧，用于将所述显示屏的出射光转化为第一圆偏振光；
成像透镜组，位于所述显示屏的出光侧，用于对所述显示屏所显示的图像进行成像；所述成像透镜组至少包括第一透镜；
半透半反层，位于所述偏振转换器与所述第一透镜之间；
反射偏光层，位于所述半透半反层背离所述偏振转换器的一侧，用于反射第一线偏振光，透射第二线偏振光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向相互垂直；
液晶透镜，位于所述半透半反层与所述反射偏光层之间；
所述液晶透镜在所述显示屏显示所述第一图像时产生第一相位延迟量，透射经过所述半透半反层的所述第一圆偏振光，以使所述反射偏光层部分透射所述第一圆偏振光；
所述液晶透镜在所述显示屏显示所述第二图像时产生第二相位延迟量，将经过所述半透半反层的所述第一圆偏振光转化为，以使所述第一线偏振光被所述反射偏光层反射；再将反射的所述第一线偏振光转化为第一圆偏振光，以使所述第一圆偏振光被所述半透半反层反射后转化为与所述第一圆偏振光旋转方向相反的第二圆偏振光；再将所述第二圆偏振光转化为第二线偏振光，以使所述第二线偏振光被所述反射偏光层透射。
2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述液晶透镜产生的所述第一相位延迟量为0，所述液晶透镜产生的所述第二相位延迟量为π/2或π/2的奇数倍。
3.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述成像透镜组还包括第二透镜；所述第二透镜位于所述偏振转换器与所述半透半反层之间；或者，所述第二透镜位于所述偏振转换器与所述显示屏之间。
4.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示屏为液晶显示器；
所述偏振转换器为四分之一波片，所述四分之一波片的快轴与所述液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴的夹角为45°；
或者，所述偏振转换器为圆偏光片；所述圆偏光片包括靠近所述液晶显示器一侧的偏光片和位于所述偏光片背离所述液晶显示器一侧的四分之一波片；所述偏光片的透过轴与所述液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴平行，所述四分之一波片的快轴与所述液晶显示器出光侧的偏光层的透过轴的夹角为45°。
5.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示屏为有机发光二极管显示器、微型有机发光二极管显示器或微型发光二极管显示器中的一种；
所述偏振转换器为圆偏光片。
6.如权利要求4或5所述的近眼显示装置，其特征在于，所述偏振转换器贴附于所述显示屏面向所述成像透镜组一侧的表面。
7.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述半透半反层、所述液晶透镜及所述反射偏光层的总厚度不超过4mm。
8.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述半透半反层位于所述液晶透镜背离所述反射偏光层一侧的表面；所述反射偏光层位于所述液晶透镜背离所述半透半反层一侧的表面。
9.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述成像透镜组中的透镜的面型采用球面、非球面、菲涅尔面或自由曲面。
10.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述半透半反层的透过率与反射率之比为1:1。
11.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置的有效焦距为15mm-55mm。
12.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括：
驱动芯片，连接所述液晶透镜和所述显示屏；
图像处理器，连接所述显示屏；
中央处理器，连接所述驱动芯片和所述图像处理器；
所述图像处理器被配置为在所述中央处理器的控制下向所述显示屏传输待显示的图像数据；
所述驱动芯片被配置为在所述中央处理器的控制下向所述显示屏输出第一驱动信号，以使所述显示屏分时显示第一图像和第二图像；向所述液晶透镜输出第二驱动信号以使所述液晶透镜在所述显示屏显示所述第一图像时产生第一相位延迟量，在所述显示屏显示所述第二图像时产生第二相位延迟量。
13.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置为虚拟现实设备。
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