本發(fā)明涉及顯示技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光學(xué)系統(tǒng)以及裝配該光學(xué)系統(tǒng)的頭戴式顯示裝置。

背景技術(shù)：

隨著時代的進(jìn)步，頭戴顯示器(Head-Mounted Display,HMD)正逐漸走進(jìn)人們的生活，其顛覆了傳統(tǒng)顯示裝置給使用者帶來的視覺感受，具有較強(qiáng)的沉浸感與真實(shí)感。頭戴顯示器有著十分重要的應(yīng)用和商業(yè)價值，在文化傳播、娛樂游戲、軍事訓(xùn)練、醫(yī)療診斷、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

頭戴顯示器要佩戴在使用者的頭部，其重量和體積都要盡可能小。頭戴顯示器作為一種顯示設(shè)備，光學(xué)裝置是其核心部件之一，現(xiàn)有的應(yīng)用于頭戴式顯示器的光學(xué)裝置可分為共軸和離軸兩種。共軸光學(xué)裝置體積大、重量大、成像質(zhì)量差，很難解決大視場角和大出瞳距與設(shè)備小型化之間的矛盾。離軸光學(xué)裝置中透鏡數(shù)目相對共軸光學(xué)裝置較少，但一般也多于兩片，另外其裝配較困難、成本高，體積和重量也很難減小。

隨著光學(xué)器件加工精度的提高，自由曲面透鏡逐漸地應(yīng)用于頭戴顯示光學(xué)裝置中。自由曲面透鏡能夠減小裝置的體積和重量，提升成像質(zhì)量。但現(xiàn)存的文獻(xiàn)中涉及自由曲面透鏡在頭戴顯示中的應(yīng)用依然存在體積過大的問題，同時由于自由曲面加工難度大，相應(yīng)光學(xué)裝置的制造成本較高。

在先技術(shù)“基于球面棱鏡的頭戴式顯示器的光學(xué)裝置”(中國發(fā)明專利CN102692709A)中，公開了一種使用兩片光學(xué)元器件的離軸式頭戴顯示器。該發(fā)明中至少包含一個球面棱鏡和一個球面透鏡，雖然其矯正了色差，但其重量和體積都較大，不能給佩戴者提供較好的舒適度。

在先技術(shù)“雙片式自由曲面頭戴顯示器光學(xué)裝置”(中國發(fā)明專利CN101900872A)公開了一種雙片式自由曲面裝置。該發(fā)明主要包括自由曲面透鏡和自由曲面棱鏡，因?yàn)樵撗b置為離軸裝置，所以裝置長度有所減小，但依然較長，在縮減裝置結(jié)構(gòu)尺寸方面沒有實(shí)質(zhì)性的突破。另外，該發(fā)明中的像源與自由曲面透鏡貼合，像源更換困難，維修代價高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服在先技術(shù)的不足，提出了一種工作距離短、結(jié)構(gòu)緊湊、具有大視場角和大出瞳直徑的輕型光學(xué)系統(tǒng)以及裝配該光學(xué)系統(tǒng)的頭戴式顯示裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)位于圖像生成單元和圖像接收器之間。該光學(xué)系統(tǒng)包括：

透鏡，用于對圖像生成單元生成的圖像光信息形成預(yù)定的焦距；

分光組件，用于使圖像生成單元生成的圖像光信息中的目標(biāo)光線往返多次經(jīng)過透鏡后進(jìn)入圖像接收器，包括第一分光器和第二分光器，第一分光器位于透鏡和圖像生成單元之間，第二分光器位于透鏡和圖像接收器之間；

光調(diào)制組件，用于調(diào)制入射的偏振光的偏振態(tài)；以及

偏振過濾器，用于阻擋圖像生成單元生成的圖像光信息中的雜散光線進(jìn)入圖像接收器。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第一分光器用于透射具有第一偏振態(tài)的光并且反射具有與第一偏振態(tài)正交的第二偏振態(tài)的光。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第一分光器是透鏡靠近圖像生成單元一側(cè)鍍有偏振分光膜的表面或者是位于透鏡和圖像生成單元之間的偏振分光片。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第二分光器用于對入射的光線透射其中一部分而且反射其余部分。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第二分光器是半透半反鏡。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，圖像生成單元生成的圖像光信息是偏振光，或者該光學(xué)系統(tǒng)還包括位于圖像生成單元和第一分光器之間的偏振形成器，用于保留與其透光軸平行的線偏振光。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，偏振形成器是偏振片。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，作為偏振形成器的偏振片的透光軸與圖像生成單元發(fā)出的偏振光或圖像生成單元發(fā)出的光線經(jīng)第一次偏振形成的偏振光的偏振方向垂直。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，光調(diào)制組件包括位于透鏡和第二分光器之間的第一光調(diào)制器和位于第二分光器和偏振過濾器之間的第二光調(diào)制器。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第一光調(diào)制器是相位可變延時器或四分之一波片。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第一光調(diào)制器的快軸與圖像生成單元發(fā)出的偏振光或圖像生成單元發(fā)出的光線經(jīng)第一次偏振形成的偏振光的偏振方向夾角為45°。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第二光調(diào)制器是相位可變延時器或四分之一波片。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，第二光調(diào)制器的快軸與第一光調(diào)制器的快軸垂直。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，相位可變延時器用于對入射的特定波長的光產(chǎn)生相位延時。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，相位可變延時器對入射的特定波長的光產(chǎn)生四分之一波長或等效四分之一波長的相位延時。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，相位可變延時器產(chǎn)生相位延時的光的波長由相位可變延時器的電壓或電流確定。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，偏振過濾器是偏振片。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，透鏡、分光組件、光調(diào)制組件以及偏振過濾器貼附形成透鏡組。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，透鏡為多個透鏡組合的透鏡組。

對于上述光學(xué)系統(tǒng)，透鏡兩側(cè)面型分別為平面、球面、非球面或自由曲面中的任一種。

本發(fā)明還提供一種頭戴式顯示裝置，該頭戴式顯示裝置包括上述光學(xué)系統(tǒng)和位于同一光軸上的圖像生成單元。

對于上述頭戴式顯示裝置，圖像生成單元生成的圖像為單色或彩色圖像。

對于上述頭戴式顯示裝置，圖像生成單元為硅基液晶三色投影裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案主要的優(yōu)點(diǎn)如下：

本發(fā)明的頭戴式顯示裝置中，通過折反射多次利用透鏡材料和邊緣折射，形成一片透鏡被多次利用的物理本質(zhì)，使得使用一片透鏡得到兩片或者更多片透鏡才能達(dá)到的像質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了利用更小的厚度和體積實(shí)現(xiàn)相同成像質(zhì)量的要求。

同時，本發(fā)明的光學(xué)裝置更為簡潔有效，可以用一片透鏡，有利于縮短光路，減小顯示裝置的整體重量。裝置總長小，體積小，重量輕，便于用戶攜帶和使用。

此外，本發(fā)明的頭戴式顯示裝置利用液晶相位可變延時器對不同波長的光進(jìn)行調(diào)制，利用偏振原理對光線進(jìn)行篩選，同時使用折反的方式，多次利用透鏡，提供適當(dāng)?shù)墓饨苟?，使得光線能夠以接近平行的狀態(tài)進(jìn)入人眼，實(shí)現(xiàn)了用于虛擬現(xiàn)實(shí)的頭戴顯示器目鏡的設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的頭戴式顯示裝置的光學(xué)裝置的視場角可以做到很大，用戶佩戴舒適且沉浸感強(qiáng)，另外，該光學(xué)裝置的出瞳直徑可以做到很大，便于與佩戴者眼睛的瞳孔匹配。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的頭戴式顯示裝置的光學(xué)裝置中使用的液晶相位可變延時器可以適用于多波長情況，能夠?qū)崿F(xiàn)彩色顯示。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的頭戴式顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所述的頭戴式顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中的液晶相位可變延時器處于一種狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中的液晶相位可變延時器處于另一種狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中的硅基液晶三色投影裝置的顯示時序圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中的液晶相位可變延時器的控制時序示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例2所述的頭戴式顯示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

圖1示出了本發(fā)明一個實(shí)施例所述的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)位于圖像生成單元1和圖像接收器2例如人眼之間。該光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡3，透鏡3用于對圖像生成單元生成的圖像光信息形成預(yù)定的焦距。透鏡3可為材料均勻的透鏡，其材質(zhì)不限，例如可以為玻璃或透明有機(jī)玻璃，此外，透鏡3也可以為兩種或多種材料組成的膠合透鏡或透鏡組。此外，透鏡3中透鏡的面型可以為平面，也可以帶有一定的曲率，如球面、非球面或自由曲面。

本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)包括分光組件4，用于使圖像生成單元生成的圖像光信息中的目標(biāo)光線往返多次經(jīng)過透鏡3后進(jìn)入圖像接收器2。該分光組件包括第一分光器41和第二分光器42，第一分光器41位于透鏡3和圖像生成單元1之間，第二分光器42位于透鏡3和圖像接收器2之間。第一分光器41用于透射具有第一偏振態(tài)的線偏振光并且反射具有正交的第二偏振態(tài)的線偏振光，可以是貼附在透鏡3朝向圖像生成單元1的一面上的偏振分光膜，作為替代也可以是設(shè)置在透鏡3和圖像生成單元1之間的偏振分光片。第二分光器42用于對入射的光線透射其中一部分而且反射其余部分，可以是半透半反鏡，使入射到其上的光一部分透過并且另外一部分反射，透過光與反射光的比值可以根據(jù)具體要求決定，在此不做具體限定。

本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)包括光調(diào)制組件5，用于調(diào)制入射的偏振光的偏振態(tài)。光調(diào)制組件包括第一光調(diào)制器51和第二光調(diào)制器52，第一光調(diào)制器51是四分之一波片或相位可變延時器，第二光調(diào)制器52是四分之一波片或相位可變延時器。相位可變延時器用于對入射的特定波長的光產(chǎn)生相位延時。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，利用液晶相位可變延時器對不同波長的光進(jìn)行調(diào)制。相位可變延時器能夠適應(yīng)多種波長的光，因此該顯示裝置能夠顯示彩色圖像，因此圖像生成單元1生成的圖像可以是單色的，也可以是彩色的。

本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)包括偏振過濾器6，用于阻擋圖像生成單元生成的圖像光信息中的雜散光線進(jìn)入圖像接收器2。偏振過濾器6可以是一個偏振片。

本發(fā)明的頭戴式顯示裝置包括上述光學(xué)系統(tǒng)和位于同一光軸上的圖像生成單元1。

在一個實(shí)施例中，圖像生成單元1出射的光不具有偏振特性，該光線入射到偏振形成器7后，偏振形成器7使入射的光線發(fā)生偏振形成線偏振光。偏振形成器7例如可以是一個偏振片。作為偏振形成器7的偏振片和作為偏振過濾器6的偏振片均為線偏振片，可以使偏振方向與線偏振片透光方向平行的光通過，將偏振方向與線偏振片透光方向垂直的光遮擋，從而可以將特定的光透過。

在另一個實(shí)施例中，圖像生成單元1和偏振形成器7可以采用手機(jī)顯示屏實(shí)現(xiàn)，手機(jī)顯示屏發(fā)出的光線通常為線偏振光，因此可以直接用手機(jī)替代圖像生成單元1和偏振形成器7。圖像生成單元1也可以是微顯示器或微型投影儀，凡是能夠發(fā)出光線的顯示器都可以作為像源。比如可以使用硅基液晶(LCOS)三色(RGB)投影技術(shù)的微投影儀作為本實(shí)施例的頭戴式顯示裝置的圖像生成單元1。

本發(fā)明的實(shí)施例1提供一種頭戴式顯示裝置，如圖2所示，其包括手機(jī)11、偏振分光片411、透鏡3、第一相位可變延時器511、半透半反鏡421、第二相位可變延時器521以及偏振片61。

具體地，圖像光信息從手機(jī)11的顯示屏出射，本發(fā)明的實(shí)施例中，從手機(jī)11的顯示屏出射的光具有偏振特性，稱為第一線偏振光，第一線偏振光經(jīng)過偏振分光片411和透鏡3的透射后入射到第一相位可變延時器511，經(jīng)過第一相位可變延時器511的相位延遲后形成第一旋轉(zhuǎn)方向圓偏振光后，第一旋轉(zhuǎn)方向圓偏振光經(jīng)過半透半反鏡421后，形成第一反射光和第一透射光，第一反射光再次入射到第一相位可變延時器511后，經(jīng)過第一相位可變延時器511的相位延遲后形成偏振方向與第一線偏振光的偏振方向垂直的第二線偏振光，第二線偏振光經(jīng)過透鏡3偏折后被偏振分光片411反射，再次透過透鏡3后入射到第一相位可變延時器511，并被第一相位可變延時器511相位延遲后形成旋轉(zhuǎn)方向與第一旋轉(zhuǎn)方向圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向相反的第二旋轉(zhuǎn)方向圓偏振光，第二旋轉(zhuǎn)方向圓偏振光經(jīng)過半透半反鏡421后，形成第二反射光和第二透射光，第二透射光經(jīng)過第二相位可變延時器511后，形成偏振方向與第二偏振片7的透光方向平行的第二線偏振光，第二線偏振光經(jīng)過偏振片61后進(jìn)入人眼。

在上述實(shí)施例中，偏振片61的透光軸方向與第一線偏振光的偏振方向垂直，第一透射光經(jīng)過第二相位可變延時器521相位延遲后形成偏振方向與第一線偏振光的偏振方向平行的第二線偏振光，由于其偏振方向與偏振片61的透光方向垂直，因此被偏振片61遮擋，無法進(jìn)入到人眼。此外，第二透射光入射到人眼，第二反射光再次通過第一相位可變延時器511和透鏡3，然后透過偏振分光片411，之后不再在光路中折返。

第一相位可變延時器511的快軸與第一線偏振光的偏振方向的夾角為45°。第二相位可變延時器521的快軸與第一相位可變延時器511的快軸垂直，即第二相位可變延時器521的快軸與第一線偏振光的偏振方向夾角為-45°。此外，半透半反鏡片421主要起到對光線進(jìn)行反射和透射作用，并不改變光線偏振態(tài)。從而通過設(shè)置第一相位可變延時器511、第二相位可變延時器521和偏振片61來實(shí)現(xiàn)對特定光的透過。

在本實(shí)施例中，如圖2所示，偏振分光片411、第一相位可變延時器511、半透半反鏡421、第二相位可變延時器521和偏振片61可以為平面結(jié)構(gòu)，也可為曲面結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的顯示要求進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。

本實(shí)施例的頭戴式顯示裝置中，通過折反射多次利用透鏡材料和邊緣折射，形成一片透鏡被多次利用的物理本質(zhì)，使得使用一片透鏡得到兩片或者更多片透鏡才能達(dá)到的像質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了利用更小的厚度和體積實(shí)現(xiàn)相同成像質(zhì)量的要求。同時，本發(fā)明的光學(xué)裝置更為簡潔有效，可以用一片透鏡，有利于縮短光路，減小顯示裝置的整體重量。

進(jìn)一步地，上述實(shí)施例所述的頭戴式顯示裝置的光學(xué)裝置的視場角可以做到很大，用戶佩戴舒適且沉浸感強(qiáng)，另外，該光學(xué)裝置的出瞳直徑可以做到很大，便于與佩戴者眼睛的瞳孔匹配。

在一個實(shí)施例中，將偏振分光片411、透鏡3、第一相位可變延時器511、半透半反鏡421、第二相位可變延時器521以及偏振片61依次貼附形成一體。另外，也可以選擇將靠近透鏡3的單元貼附到透鏡3上，例如可以將偏振分光片411貼附到透鏡3的一個表面上并且將第一相位可變延時器511貼附在透鏡3的另一個表面上。

此外，上述的各個單元也可以相距一定的距離，即偏振分光片411、透鏡3、第一相位可變延時器511、半透半反鏡421、第二相位可變延時器521以及偏振片61，相鄰的兩個單元之間均相距一定的距離，此距離根據(jù)具體的光學(xué)裝置成像質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

此外，也可以將部分單元貼附在透鏡3上，例如將第一相位可變延時器511貼附到透鏡3上，半透半反鏡421、第二相位可變延時器521以及偏振片61各自獨(dú)立設(shè)置，并且半透半反鏡521、第二相位可變延時器521以及偏振片61可以是平面結(jié)構(gòu)，可以使用曲面結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

通過上述設(shè)置，可以進(jìn)一步地減小頭戴式顯示裝置的體積，從而實(shí)現(xiàn)了裝置總長小，體積小，重量輕，以便于用戶攜帶和使用。

在優(yōu)選實(shí)施例中，手機(jī)11被替換為硅基液晶(LCOS)三色(RGB)投影技術(shù)的微投影儀和第一偏振片71。該投影儀采用三片式紅綠藍(lán)三元素先分離再組合的成像方式，利用人眼視覺暫留效應(yīng)，分時段將紅綠藍(lán)三色光按比例交替投射，形成彩色圖像。其投射時序示意圖如圖3所示。在使能端為有效的情況下，由時鐘信號觸發(fā)，并交替投射三種色光，并且在一次使能時間內(nèi)，進(jìn)行兩輪投射，以達(dá)到構(gòu)成彩色圖像的目的。

本實(shí)施例中所使用的第一相位可變延時器511和第二相位可變延時器521為液晶相位可變延時器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。所使用的液晶為向列型液晶，通過外加電場可以指向形成雙折射層。如圖3所示，熔融石英501、透明氧化錫銦(ITO)502、提供間隔的物質(zhì)503和取向膜聚酰亞胺(PI)505共同構(gòu)成液晶相位可變延時器的電子控制部分，在其上加不同的電壓即可實(shí)現(xiàn)對液晶分子504偏轉(zhuǎn)的控制。另外，圖3示出液晶波片最大延遲的情況；圖4示出液晶分子504的偏轉(zhuǎn)情況，此時液晶波片有最小延遲，且其上附加電壓為最大。液晶分子在電壓下發(fā)生偏轉(zhuǎn)角度θ與V的關(guān)系如下公式所示：

其中，V_th為閾值電壓，其中，K_II為液晶分子的展曲彈性常量，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_II、ε_⊥分別為平行和垂直液晶分子軸方向的介電常數(shù)，V₀為液晶分子偏轉(zhuǎn)到某一特定角度的電壓。隨著θ的變化，光在液晶波片內(nèi)部的折射率n_eff(θ)也會發(fā)生變化，滿足以下關(guān)系：

此時液晶波片對光線附加的相位延遲量δ為：

其中，n₀和n_e分別為o光和e光的折射率，d為液晶波片的厚度，λ為入射光入射波長。

由上可知，根據(jù)所需調(diào)整的光的波長和需要附加的角度可以計(jì)算出此時需要在液晶波片上的電壓大小。當(dāng)圖像生成單元1發(fā)射彩色光時，對于其某一幀圖像，在某一時間段內(nèi)，通過調(diào)節(jié)第一液晶相位可變延時器和第二液晶相位可變延時器的電壓，使得第一液晶相位可變延時器和第二液晶相位可變延時器對某一波長的光產(chǎn)生四分之一和負(fù)四分之一或者等效四分之一和等效負(fù)四分之一的相位延時。在另一時間段內(nèi)，通過調(diào)節(jié)第一液晶相位可變延時器和第二液晶相位可變延時器的電壓，使得所述第一液晶相位可變延時器和所述第二液晶相位可變延時器對另一波長的光產(chǎn)生四分之一和負(fù)四分之一或者等效四分之一和等效負(fù)四分之一的相位延時。由于人眼的視覺延遲效應(yīng)，人眼將看到從圖像生成單元1發(fā)射的某一幀彩色圖像，實(shí)現(xiàn)彩色顯示的目的。

施加在第一相位可變延時器511和第二相位可變延時器521上的電壓與圖5中圖像生成單元1所發(fā)出三色光(RGB)的時序相匹配，故而其時序控制如圖6中Vth以及Vth'所示。

第一相位可變延時器511和第二相位可變延時器521均使用液晶相位可變延時器，通過控制液晶相位可變延時器的電壓或電流，可以對入射的特定波長的光產(chǎn)生相位延時，例如可以對入射的光產(chǎn)生四分之一波長或等效四分之一波長的相位延時。需要說明的是，延時的相位可以根據(jù)具體的要求進(jìn)行設(shè)置，在此處不做具體限定。

進(jìn)一步地，上述實(shí)施例所述的頭戴式顯示裝置的光學(xué)裝置中使用的相位可變延時器可以適用于多波長情況，能夠?qū)崿F(xiàn)彩色顯示。在使用中，當(dāng)圖像生成單元1發(fā)射彩色光時，對于發(fā)射的某一幀圖像，在某一時間段內(nèi)，通過調(diào)節(jié)第一液晶相位可變延時器和第二液晶相位可變延時器的電壓或者電流，使得第一液晶相位可變延時器和第二液晶相位可變延時器對某一波長的光產(chǎn)生四分之一或者等效四分之一的相位延時。在另一時間段內(nèi)，通過調(diào)節(jié)第一液晶相位可變延時器和第二液晶相位可變延時器的電壓或者電流，使得第一液晶相位可變延時器和第二液晶相位可變延時器對另一波長的光產(chǎn)生四分之一或者等效四分之一的相位延時。由于人眼的視覺延遲效應(yīng)，因此人眼將看到從圖像生成單元1發(fā)射的某一幀彩色圖像。

此外，上述實(shí)施例所述的頭戴式顯示裝置利用液晶相位可變延時器對不同波長的光進(jìn)行調(diào)制，利用偏振原理對光線進(jìn)行篩選，同時使用折反的方式，多次利用透鏡，提供適當(dāng)?shù)墓饨苟龋沟霉饩€能夠以接近平行的狀態(tài)進(jìn)入人眼，實(shí)現(xiàn)了用于虛擬現(xiàn)實(shí)的頭戴顯示器目鏡的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的實(shí)施例2的戴式圖像顯示裝置如圖7所示，21為裝置出瞳位置，22為人眼視網(wǎng)膜所在位置。

如圖7所示，圖像生成單元1產(chǎn)生的光線可以認(rèn)為不具有偏振特性，經(jīng)過第一偏振片71后，假設(shè)光線為振動方向沿x軸的第一線偏振光，第一線偏振光在透鏡3處發(fā)生偏折，然后在通過第一四分之一波片512時，被附加上1/4波長的相位，從而調(diào)制為右旋偏振光，此光線在半透半反鏡421的作用下分為了兩束，分別為雜散光線和目標(biāo)光線。

經(jīng)過第一四分之一波片512的光線在半透半反鏡421上發(fā)生透射的光線即為雜散光線。雜散光線穿過半透半反鏡421繼續(xù)向前傳播，然后被第二四分之一波片522附加上1/4波長的相位，調(diào)制為線偏振光，偏振方向沿x軸。由于第二偏振片61的透光軸方向與第一偏振片71垂直，即是沿y軸方向，所以雜散光線不能透過第二偏振片61，人眼不能觀察到此光線。因此，此光學(xué)裝置可以使雜散光線不能透過，目標(biāo)光線正常透過，實(shí)現(xiàn)對光線進(jìn)行篩選的目的。

經(jīng)過第一四分之一波片512的光線被半透半反鏡421反射的光線即為目標(biāo)光線。由于反射是發(fā)生在光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)的界面上，所以目標(biāo)光線會附加一個π的相位差，入射的右旋偏振光反射后變?yōu)榱俗笮窆?。該左旋偏振光?jīng)過第一四分之一波片512，被附加上1/4波長的相位，調(diào)制為偏振方向沿y軸的第二線偏振光，然后第二線偏振光在透鏡3中經(jīng)過一定的偏折，被透鏡3朝向圖像生成單元1的鍍有偏振分光膜的一面412反射，此時的反射發(fā)生在光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)的界面上，沒有附加相位。接著目標(biāo)光線第三次經(jīng)過第一四分之一波片512，被調(diào)制為第二左旋偏振光。之后第二左旋偏振光向前傳播穿過半透半反鏡421和第二四分之一波片522被調(diào)制為偏振方向沿y軸的線偏振光，此偏振態(tài)和第二偏振片61的透光方向相符合，可以正常出射，被人眼接收。

本實(shí)施例的第一偏振片71和第二偏振片61均為線偏振片而且第一偏振片71和第二偏振片61的透光軸方向垂直，從而可以實(shí)現(xiàn)對透過的光的選擇性。

第一四分之一波片512的快軸與第一偏振片71的透光軸方向的夾角為45°。第二四分之一波片522的快軸與第一四分之一波片512的快軸垂直，即第二四分之一波片512的快軸與第一偏振片71的透光軸方向夾角為-45°。此外，半透半反鏡片421主要起到對光線進(jìn)行反射和透射作用，并不改變光線偏振態(tài)。從而通過設(shè)置第一偏振片71、第一四分之一波片512、第二四分之一波片522和第二偏振片61來實(shí)現(xiàn)對特定光的透過。

在本實(shí)施例中，第一偏振片71、第一四分之一波片512、半透半反鏡421、第二四分之一波片522和第二偏振片61可以為平面結(jié)構(gòu)，也可以為曲面結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的顯示要求進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。

在一個實(shí)施例中，將第一偏振片71、透鏡3、第一四分之一波片512、半透半反鏡421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61依次貼附形成一體。另外，也可以選擇將靠近透鏡3的單元貼附到透鏡3上，如可以將第一偏振片71貼附到透鏡3的一個表面上，將第一四分之一波片512貼附在透鏡3的另一個表面上。

進(jìn)一步地，如圖1所示，第一偏振片71與透鏡3之間相距一定的距離，在透鏡3朝向圖像接收器2的表面上依次貼附第一四分之一波片512、半透半反鏡421、第二四分之一波片522和第二偏振片61。

此外，上述的各個單元也可以相距一定的距離，即第一偏振片71、透鏡3、第一四分之一波片512、半透半反鏡421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61，相鄰的兩個單元之間均相距一定的距離，此距離根據(jù)具體的光學(xué)裝置成像質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

此外，也可以將部分單元貼附在第一透鏡3上，如圖7所示，將第一四分之一波片512貼附到透鏡3上，半透半反鏡421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61各自獨(dú)立設(shè)置，其出射的光路如圖7中所示，并且半透半反鏡421、第二四分之一波片522以及第二偏振片61可以是平面結(jié)構(gòu)，可以使用曲面結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

本發(fā)明由于使用了單片透鏡，所以畸變、色差(尤其是垂軸色差)無法得到有效校正。但畸變和色差均可以由現(xiàn)有的配套軟件的預(yù)校正技術(shù)進(jìn)行校正，在本發(fā)明的實(shí)施例中不做具體描述。

本發(fā)明的頭戴式顯示裝置中，通過折反射多次利用透鏡材料和邊緣折射，形成一片透鏡被多次利用的物理本質(zhì)，使得使用一片透鏡得到兩片或者更多片透鏡才能達(dá)到的像質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了利用更小的厚度和體積實(shí)現(xiàn)相同成像質(zhì)量的要求。

同時，本發(fā)明的光學(xué)裝置更為簡潔有效，可以用一片透鏡，有利于縮短光路，減小顯示裝置的整體重量。裝置總長小，體積小，重量輕，便于用戶攜帶和使用。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的頭戴式顯示裝置的光學(xué)裝置的視場角可以做到很大，用戶佩戴舒適且沉浸感強(qiáng)，另外，該光學(xué)裝置的出瞳直徑可以做到很大，便于與佩戴者眼睛的瞳孔匹配。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。