CN106338830A - 图像显示装置及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像显示装置，其包括显示屏和位于显示屏的图像光传递光路上的目侧双凸透镜、反射元件及第一消色差透镜，第一消色差透镜与目侧双凸透镜同轴放置并且位于目侧双凸透镜的光出射侧，显示屏的光轴与目侧双凸透镜的光轴成一预设夹角，反射元件位于显示屏与目侧双凸透镜之间，图像光在反射元件上反射并顺次经目侧双凸透镜和第一消色差透镜透射后到达观看侧，以形成一虚像。本发明还公开了一种头戴式显示设备。本发明所形成的光学系统不仅能将系统空间体积缩小压缩和放大，而且能改善彗差、像散、色差等一系列像差，以控制畸变大小，在保证观看者在看到像质优异的放大虚像的前提下，满足头戴式显示设备的小型、轻量化设计要求。

Description

图像显示装置及头戴式显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种图像显示装置及头戴式显示设备。

背景技术

VR(Virtual Reality)——即虚拟现实显示技术，它是由美国VPL公司创建人Jaron Lanier在20世纪80年代提出的，综合了计算机图形技术，计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。

虚拟现实显示设备的显示原理是将显示器产生的近处影像通过光学系统拉到远处放大，近乎充满人的视野范围，从而产生沉浸感。由于人眼的视野范围非常宽，因此为了保证足够大的视角，整套光学系统的组合焦距需要足够小。

为了保证虚拟现实设备使用的舒适度，其应当具有结构紧凑、轻便的特点，并且所显示的图像质量也应当足够高，不能有过大的像差产生。针对上述需求，目前市面上主要的解决方案是采用单片树脂非球面透镜或者菲涅尔透镜，虽然单片透镜能够减轻重量，但是在保证视角足够大的情况下，透镜的直径普遍在35-50mm左右，并且为了保证图像质量，焦距普遍大于35mm，这难免增大虚拟现实显示设备的横向和纵向尺寸。另外，由于采用单片透镜，画面变形严重，必须使用软件矫正畸变，因此增大了处理器的负荷，导致画面出现延迟，严重时容易给用户带来眩晕感。

发明内容

本发明所提供的一种图像显示装置，旨在达到轻型、结构紧凑及提高画面质量的目的。

为实现上述目的，本发明提供一种图像显示装置，包括显示屏和位于所述显示屏的图像光传递光路上的目侧双凸透镜、反射元件及第一消色差透镜，所述第一消色差透镜与所述目侧双凸透镜同轴放置并且位于所述目侧双凸透镜的光出射侧，所述显示屏的光轴与所述目侧双凸透镜的光轴成一预设夹角，所述反射元件位于所述显示屏与所述目侧双凸透镜之间，所述图像光在所述反射元件上反射并顺次经所述目侧双凸透镜和第一消色差透镜透射后到达观看侧，以形成一虚像。

优选地，所述预设夹角为60°至120°。

优选地，所述预设夹角为90°，所述反射元件分别与所述显示屏和目侧双凸透镜的光轴成45°倾斜角。

优选地，所述反射元件为全反射镜；或者，所述反射元件为透射反射镜，外界光依次经所述反射元件、目侧双凸透镜和第一消色差透镜透射后到达观看侧。

优选地，所述图像显示装置还包括位于所述显示屏与所述反射元件之间的投影透镜，所述投影透镜与所述显示屏同轴放置。

优选地，所述第一消色差透镜包括第一双凸透镜和第一双凹透镜，所述第一双凸透镜的其中一个凸面与所述第一双凹透镜的其中一个凹面适配并嵌合。

优选地，所述第一消色差透镜还包括位于所述第一双凸透镜与第一双凹透镜之间的第一增透膜。

优选地，所述第一增透膜包括1/4波长氧化镁层、1/4波长氟化铈层以及位于所述1/4波长氧化镁层与1/4波长氟化铈层之间的1/2波长氧化锆。

优选地，所述图像显示装置还包括位于所述显示屏与所述反射元件之间并与所述显示屏同轴放置的第二消色差透镜。

优选地，所述图像显示装置还包括位于所述显示屏与所述反射元件之间的投影透镜和第二消色差透镜，所述显示屏、投影透镜和第二消色差透镜沿光轴顺次排列且同轴放置。

优选地，所述第二消色差透镜包括第二双凸透镜和第二双凹透镜，所述第二双凸透镜的其中一个凸面与所述第二双凹透镜的其中一个凹面适配并嵌合。

优选地，所述第二消色差透镜还包括位于所述第二双凸透镜与第二双凹透镜之间的第二增透膜。

优选地，所述第二增透膜包括1/4波长氧化镁层、1/4波长氟化铈层以及位于所述1/4波长氧化镁层与1/4波长氟化铈层之间的1/2波长氧化锆。

优选地，所述图像显示装置还包括位于所述反射元件与所述目侧双凸透镜之间的液晶透镜和偏振片，所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；或者，所述目侧双凸透镜由液晶透镜和偏振片替代，所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；其中，所述液晶透镜包括多个在同一平面上均匀排布的子透镜单元，所述子透镜单元在驱动电压的控制下形成焦距可变的凸透镜或凹透镜。

优选地，所述子透镜单元包括相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板与所述第二基板之间设有液晶层，所述液晶层的配向方向与所述偏振片的偏振方向垂直，所述第一基板上设有至少一个环形电极，所述第二基板上设有面状电极，所述驱动电压施加在所述环形电极与所述面状电极上，以使所述液晶层内的液晶分子发生偏转。

优选地，所述子透镜单元还包括位于所述环形电极与所述液晶层之间的高阻膜。

优选地，所述高阻膜由PEDOT材料制成；或者，所述高阻膜由氧化锌材料制成，所述子透镜单元还包括位于所述高阻膜与所述液晶层之间的绝缘膜。

优选地，所述子透镜单元包括第一基板、第二基板和第三基板，所述第一基板和所述第二基板分别位于所述第三基板的两相对侧，所述第一基板面对所述第三基板的一面上设有第一面状电极，所述第三基板面对所述第一基板的一面上设有至少一个环形电极，所述第一面状电极与所述环形电极之间绝缘，所述第二基板面对所述第三基板的一面上设有第二面状电极，所述第二基板与所述第二面状电极之间设有液晶层，所述液晶层的配向方向与所述偏光片的偏振方向垂直，所述驱动电压施加在所述第一面状电极、环形电极和第二面状电极上，以使所述液晶层内的液晶分子发生偏振。

优选地，所述图像显示装置还包括位于所述反射元件与所述目侧双凸透镜之间的液晶透镜和偏振片，其中所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；或者，所述目侧双凸透镜由液晶透镜和偏振片替代，所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；其中所述液晶透镜在驱动电压的控制下形成焦距可变的凸透镜或凹透镜。

优选地，所述液晶透镜包括相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板与所述第二基板之间设有液晶层，所述液晶层的配向方向与所述偏振片的偏振方向垂直，所述第一基板上设有多个呈同心布置的环形电极，所述第二基板上设有面状电极，所述驱动电压施加在所述环形电极与所述面状电极上，且在多个所述环形电极中，由内向外，多个所述环形电极的电势渐增或渐减，以使所述液晶层内的液晶分子发生偏转。

优选地，所述液晶透镜还包括位于所述环形电极与所述液晶层之间的高阻膜。

优选地，所述高阻膜由PEDOT材料制成；或者，所述高阻膜由氧化锌材料制成，所述液晶透镜还包括位于所述高阻膜与所述液晶层之间的绝缘膜。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种头戴式显示设备，包括上述任意实施例中的图像显示装置。

本发明所提供的一种图像显示装置，其所排列组合的光学器件，不仅能将来自显示屏的图像光的发散角压缩，而且能修正光学系统的场曲，改善彗差、像散、色差等一系列像差，以控制到达观看者眼睛的图像光所形成的虚像的畸变大小，使其在人眼接受的范围内，而无须对图像源进行处理，同时降低了画面延迟。因此能保证观看者在看到像质优异的放大虚像的前提下，满足头戴式显示设备的小型、轻量化设计要求。

附图说明

图1为本发明的图像显示装置第一实施例的结构示意图；

图2为本发明的图像显示装置第二实施例的结构示意图；

图3为本发明的图像显示装置第三实施例的结构示意图；

图4为本发明的图像显示装置第四实施例的结构示意图；

图5为本发明的图像显示装置第五实施例的结构示意图；

图6为本发明的图像显示装置第六实施例的结构示意图；

图7为本发明的图像显示装置第七实施例的结构示意图；

图8为本发明的图像显示装置的液晶透镜第一实施例的结构示意图；

图9为本发明的图像显示装置的液晶透镜第二实施例的结构示意图；

图10为本发明的图像显示装置的液晶透镜第三实施例的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参见附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种图像显示装置，适用于诸如眼镜的外观的头戴式显示设备，对于佩戴该图像显示装置的观看者能够看到对应于虚像的图像光。如图1所示，图像显示装置为形成右眼用的虚像的部分，在头戴式显示设备中，可以配置两套图像显示装置，从而分别给左右眼提供形成虚像的图像光，若观看者看到的两幅虚像是具有视差的，则可以向观看者提供具有3D效果及沉浸感的图像，该两套图像显示装置具有同样的结构并仅使其左右反转，因此仅以图1-5所示结构为例对本发明的构思进行详细说明。

图像显示装置包括显示屏100、目侧双凸透镜300、反射元件200及第一消色差透镜400，显示屏100提供图像光，用于在人眼观看侧形成一虚像，目侧双凸透镜300、反射元件200及第一消色差透镜400均位于该图像光的传递光路上。其中显示屏100为微型液晶显示器(LCD)或有机发光显示器(OLED)，还可以是其他任意适用的显示器件，其应当具有尺寸小、分辨率高的特点，可以用于小型轻量化头戴式显示设备；目侧双凸透镜300在可见光范围具有高的光透射性，可以采用玻璃或树脂材料形成，例如通过在模具内注入热塑性树脂，使之固化成型；反射元件200在可见光范围具有特定的光反射性，比如全反射性，可以采用玻璃或树脂材料作为反射元件200的基底，在基底的一面上镀反射膜，比如铝箔金属全反射膜；第一消色差透镜400为组合透镜，其在可见光范围具有高的光透射性，可以采用玻璃或树脂材料形成，为了适应小型轻量化设计要求，优选为轻质且色散系数相差较大的树脂材料。本发明的图像显示装置使用整体尺寸小的显示屏(比如0.3、0.59英寸或0.61英寸等)提供对应于显示对象的图像光，该图像光经过由目侧双凸透镜300、反射元件200及第一消色差透镜400组合成的光学系统的图像光程压缩、放大和修正作用，能够使观看者看到放大的虚像，从而满足头戴式显示设备的小型、轻量化设计要求。

具体地，第一消色差透镜400为双胶合透镜，其包括第一双凸透镜410和第一双凹透镜420，第一双凸透镜410的其中一个凸面与第一双凹透镜420的其中一个凹面适配并嵌合，两者的嵌合面通过胶粘固定，所形成的胶粘层对可见光范围具有高透射性，从而减少光损失。对于第一双凸透镜410和第一双凹透镜420的光学特征参数选择，可以参照以下表达式计算结果：

$Fa=\frac{(Va-Vb)F}{Va},Fb=\frac{(Va-Vb)F}{Va}$

式中，F为第一双凸透镜410和第一双凹透镜420的组合焦距，Fa为第一双凸透镜410的焦距，Fb为第一双凹透镜420的焦距，Va为第一双凸透镜410的色散系数，Vb为第一双凹透镜420的色散系数。

由上面公式计算Fa和Fb，利用薄透镜高斯求和(G-sum)公式，对于消色差双透镜系统，有下面计算公式：

$Ca=\frac{1}{Fa(Na-1)},Cb=\frac{1}{Fb(Nb-1)}$

H＝(G8b)Cb²-(G8a)Ca²-Cb(G7b)Cb/F

XI＝(G5a)Ca²/4，XK＝(G5b)Cb²/4

$A=\left(G1a\right){\mathrm{Ca}}^3+\left(G1b\right){\mathrm{Cb}}^3-\frac{\left(G3b\right){\mathrm{Cb}}^2}{F}+\frac{\left(G6b\right)Cb}{F^2}$

B＝-(G2a)Ca²，E＝(G4a)Ca，XJ＝Cb(G4b)

$D=\left(G2b\right){\mathrm{Cb}}^2-\frac{\left(G5b\right)Cb}{F},P=A+H(XJ*\frac{H}{HK}-D)/HK$

$R=XJ{(XI/HK)}^2+E,Q=B+XI(2XJ*\frac{H}{HK}-D)/XK$

ROOT＝Q²-4P*R

$C1=\frac{-Q+\sqrt{ROOT}}{2R},C2=C1-Ca,C4=-\frac{H+XI*C1}{XK},C3=Cb+C4$

式中，Na为第一双凸透镜410的材料折射率，Nb为第一双凹透镜420的材料折射率，G1a为第一双凸透镜410的高斯求和值(G1)，G8b为第一双凸透镜410的高斯求和值(G8)，C1和C2为第一双凸透镜410两个面的表面曲率，C2和C3为第一双凹透镜420两个面的表面曲率，H、XI、XK、A、B、E、XJ、D、P、R、Q、ROOT可以认为是最终计算结果的中间结果表示代号。

进一步地，在图像光透射第一消色差透镜400时，为了实现在可见光范围的极低反射率，第一消色差透镜400还包括位于第一双凸透镜410与第一双凹透镜420之间的第一增透膜(图未示)。在一较佳实施方式中，第一增透膜包括1/4波长氧化镁层、1/4波长氟化铈层以及位于1/4波长氧化镁层与1/4波长氟化铈层之间的1/2波长氧化锆，这三种材料形成的增透膜能够实现低于0.5％的反射率，防止图像的分辨率下降。在其他实施方式中，第一增透膜的构成还可以采用其他方案，本发明对此不作限制。

下面对图像显示装置的光学系统结构和工作原理作详细说明。

在第一实施例中，参见图1，第一消色差透镜400与目侧双凸透镜300同轴放置并且位于目侧双凸透镜300的光出射侧，显示屏100的光轴与目侧双凸透镜300的光轴成一预设夹角，在实际产品中，该预设夹角可以在60°至120°之间取值，但较佳地，如图1所示，当预设夹角为90°时，光学系统的布置方式更加紧凑，此时反射元件200分别与显示屏100和目侧双凸透镜300的光轴成45°倾斜角。反射元件200位于显示屏100与目侧双凸透镜300之间，图像光在反射元件200上反射并顺次经目侧双凸透镜300和第一消色差透镜400透射后到达观看侧，以形成一虚像。这样能改变图像光的传播方向，减小头戴式显示设备在观看者的眼前的厚度，充分利用头戴式显示设备在观看者的两眼之间的横向空间。目侧双凸透镜300的主要作用在于将成像光束压缩，增加放大率；反射元件200的主要作用在于改变图像光的传播方向，并且本实施例的反射元件200具有全反射特性，为全反射镜，来自显示屏100的图像光基本无损失地被反射；第一消色差透镜400的主要作用在于修正场曲，降低像差，以控制到达观看者眼睛的图像光所形成的虚像的畸变大小，使其在人眼接受的范围内，而无须对图像源进行处理，因而同时降低了画面延迟。基于本实施例提供的图像显示装置，观看者可以在一个封闭的视觉空间中看到虚像，体验具有沉浸感的虚拟现实(Virtual Reality)图像。

本实施例中，第一消色差透镜400的其中一部分结构为双凹透镜，并且凹面位于观看侧，这样可以增加观看者的眼睛到透镜的距离，从而给观看者提供舒适的视觉体验，避免视觉疲劳。

以下内容将举出光学系统第一实施例的数据资料，根据这些数据资料，可以向用户提供高质量的近眼显示效果，但是下表中的数据资料并不用以限定本发明，本领域的技术人员在参照本发明之后，可以对其参数进行适当修改，但仍属于本发明的范畴之内。

表一：

表面	面型	曲率半径(mm)	中心厚度(mm)	直径(mm)
					S401	球面	-150.576	2	11
S402	球面	26.538	2	11
					S403	球面	-10.943	1	11
S301	球面	28.707	3	13
					S302	球面	-183.055	7	13

由上表数据可知，光学器件的尺寸可以做得很小，从而节省空间，使得头戴式显示设备的结构紧凑，整套设备轻便易用。其中，光学系统的组合焦距f可以在11mm至20mm之间取值，比如增加焦距调节机构，通过改变光学器件之间的相对位置来调节组合焦距f的大小。而对于单个光学器件的焦距，同样具有较大选择裕量，比如第一消色差透镜400的焦距为f₁，目侧双凸透镜300的焦距为f₂，则两者的比值在下面范围内时均能使光学系统满足使用要求，其中0.286＜f₁/f₂＜0.5，由此可实现60°以上的视场角。

在第二实施例中，参见图2，通过改变反射元件200的光学特性，还可以给观看者提供增强现实(Augmented Reality)的体验。具体地，反射元件200为透射反射镜，其透射反射比例可以根据需要灵活选择，比如反射元件200的反射率为50％，透射率为50％，则虚像和实像的光线利用率均为50％，较容易获得叠加的视觉效果。外界场景光线(比如远处树木700)依次透射反射元件200、目侧双凸透镜300和第一消色差透镜400后到达观看侧，因此观看者通过佩戴具有本实施例的图像显示装置的头戴式显示设备，不仅能够单独体验具有沉浸感的虚拟现实，而且能够体验将虚像与外界场景像叠加后形成的增强现实，在不对图像显示装置的构造进行较大改进的前提下，极大地丰富了产品的使用功能。

在第三实施例中，参见图3，图像显示装置还包括位于显示屏100与反射元件200之间的投影透镜500，并且投影透镜500与显示屏100同轴放置，通过调整投影透镜500与显示屏100之间的距离，可以使来自显示屏100的图像光在反射元件200上再成像，形成中继光学系统。在具体应用中，投影透镜500可以是多片透镜组合成的透镜组，也可以还是单片透镜，比如双凸透镜，也可以是单片非球面镜、菲涅尔透镜、双胶合透镜及三胶合透镜等，从而达到校正畸变和像差的目的，带来优异的图像显示。需要说明的是，投影透镜的具体选型和光学器件的光学面设计可以根据中继光学系统确定。

在第四实施例中，参见图4，图像显示装置还包括位于显示屏100与反射元件200之间并与显示屏100同轴放置的第二消色差透镜600，第二消色差透镜600在光学系统中同样起到校正像差的作用。还可以将本实施例与上述第三实施例结合，显示屏100、投影透镜500和第二消色差透镜600沿光轴顺次排列且同轴放置，来自显示屏100的图像光先后经过第二消色差透镜600和第一消色差透镜400的校正，在更大程度上控制了畸变，给光学系统预留了更大的调节裕量。在第二消色差透镜600的具体选型和光学面设计上，可以参照第一消色差透镜400，比如第二消色差透镜600同为双胶合透镜，其包括第二双凸透镜610和第二双凹透镜620，第二双凸透镜610的其中一个凸面与第二双凹透镜620的其中一个凹面适配并嵌合，嵌合面通过高透光性的胶粘层固定。

同样，为了使图像光在透射第二消色差透镜600时具有极低反射率，第二消色差透镜600还包括位于第二双凸透镜610与第二双凹透镜620之间的第二增透膜(图未示)。第二增透膜包括1/4波长氧化镁层、1/4波长氟化铈层以及位于1/4波长氧化镁层与1/4波长氟化铈层之间的1/2波长氧化锆，即第二增透膜采用了与第一增透膜相同的结构。当然，第二增透膜的构成还可以采用其他方案，本发明对此不作限制。

以下内容将举出光学系统第四实施例的数据资料，根据这些数据资料，可以向用户提供高质量的近眼显示效果，但是下表中的数据资料并不用以限定本发明，本领域的技术人员在参照本发明之后，可以对其参数进行适当修改，但仍属于本发明的范畴之内。

表二：

本实施例中，第一消色差透镜400与第二消色差透镜600的特征参数并不相同，当然也可以选取同样的特征参数，本领域的技术人员在实际应用中可灵活选择，本发明对此不作限制。

另外，参见图5，可以将第二实施例分别与第三实施例和第四实施例结合，以提供增强现实体验。而当反射元件200为半反射半透射镜时，来自显示屏100的图像光在反射元件200上仅能部分反射，假设反射元件200对图像光的反射率为50％，为了保证在人眼处形成的虚像具有足够的亮度，可以相应提高显示屏100的亮度，以弥补在反射时造成的光损失。

在以上实施例中，考虑到用户的眼睛屈光度有所差别，若将光学系统中的各光学器件的位置固定不变，则在用户的眼睛屈光度与光学系统的焦距不相符时会出现图像不清晰的情况，从而影响用户体验。有鉴于此，可以通过增加焦距调节机构来改变光学系统的焦距，以使其与用户的眼睛屈光度相适应。以图1至图5所示光学系统为例，该焦距调节机构与目侧双凸透镜300之间形成连接，当需要调节光学系统的焦距时，可以控制焦距调节机构运作，驱动目侧双凸透镜300沿自身光轴前后移动，从而达到调节焦距的目的。

参见图6，本实施例提供一种更加便于调节焦距的图像显示装置，相较于前述机械式的焦距调节机构，本实施例的技术方案能够简化整套光学系统的结构。具体地，图像显示装置还包括位于反射元件200与目侧双凸透镜300之间的液晶透镜800和偏振片900，偏振片900位于反射元件200与液晶透镜800之间，来自显示屏100的图像光在透射偏振片900后形成特定偏振方向的偏振光，该偏振光的偏振方向与处于透镜状态的液晶透镜800相适配，从而产生折射。液晶透镜800包括多个在同一平面上均匀排布的子透镜单元，这些子透镜单元在驱动电压的控制下形成焦距可变的凸透镜或凹透镜，并且等效透镜的形状为圆形，其光轴与目侧双凸透镜300的光轴平行。各子透镜单元排列在图像光传输光路的横截面上，并且互不重叠，因此将图像光的光束分成若干光束单元，其中子透镜单元的数量大于等于光束单元的数量。各光束单元透射与其对应的子透镜单元，以子透镜单元为凸透镜为例，子透镜单元的光焦度为ψ₁，目侧双凸透镜300的光焦度为ψ₂，则子透镜单元和目侧双凸透镜300的组合光焦度ψ＝ψ₁+ψ₂，因此可以增大光学系统的光焦度，而在显示屏100尺寸一定的情况下，光学系统的光焦度越大，则视场角越大。另外，将液晶透镜800与目侧双凸透镜300组合，还可以获得更大裕度的屈光度调节，从而适应不同用户。

另外，在光学系统还配置第一消色差透镜400的情况下，液晶透镜800和偏振片900也可设置在目侧双凸透镜300与第一消色差透镜400之间。

参见图7，在另一实施例中，也可以使用液晶透镜800和偏振片900替代上述目侧双凸透镜400，仅通过液晶透镜800调节焦距，这种光学系统在结构上更加精简，有利于减轻用户佩戴头戴式显示设备的负担。

图8所示结构为液晶透镜800中的子透镜单元之一。具体地，子透镜单元包括相对设置的第一基板801和第二基板806，两基板为透明材质，比如玻璃薄板，第一基板801与第二基板806之间设有液晶层804，液晶层804的配向方向与偏振片900的偏振方向垂直，本实施例通过使用配向层(根据图8所示结构，即两配向层803)来给液晶层804中的液晶分子提供初始配向。本实施例中，通过在液晶层804中形成电场来驱使液晶分子发生特定方向的偏转，从而形成透镜，并且可根据电场的变化来改变透镜的焦距。第一基板801上设有至少一个环形电极802，该环形电极802指的是具有一圆形孔的电极，在圆形孔对应的区域形成透镜，第二基板806上设有面状电极805，环形电极802和面状电极805可以为ITO电极，通过在第一基板802和第二基板806的内侧分别涂镀电极材料而形成，驱动电压施加在环形电极802与面状电极805上，以使液晶层804内的液晶分子发生偏转。本实施例将单个子透镜单元独立出来详细说明了液晶透镜800的结构，在实际应用中，所有的子透镜单元的第一基板801合为一体，即在一面大的基板中划分出与各子透镜单元一一对应的第一基板801，以此类推，第二基板806、配向层803、环形电极802、液晶层804以及面状电极805均如此，针对环形电极802而言，可以在一整面电极中设置若干圆形孔，从而形成若干个环形电极802。

为了在环形电极802与面状电极805之间形成的电场平滑分布，参见图9，上述子透镜单元还包括位于环形电极802与液晶层804之间的高阻膜807。本实施例的高阻膜807可以由PEDOT材料制成，因为PEDOT材料可与液晶分子直接接触，并且具有取向作用，所以可取代靠近环形电极802的配向层803，一方面精简了透镜结构，可以减小透镜的厚度，另一方面不会较大幅度提高液晶分子的驱动电压，更加容易实现透镜的连续变焦。除此之外，高阻膜807还可以由其他任意适用的材料制成，比如由氧化锌材料制成，但因氧化锌制成的高阻膜中含有金属离子，不能与液晶分子接触，该子透镜单元还包括位于高阻膜807与液晶层804之间的绝缘膜(图未示)，绝缘膜需为透明材质，比如选用二氧化硅。

参见图10，在另一实施例中，子透镜单元包括第一基板801、第二基板806和第三基板808，第一基板801和第二基板806分别位于第三基板808的两相对侧，第一基板801面对第三基板808的一面上设有第一面状电极809，第三基板808面对第一基板801的一面上设有至少一个环形电极802，第一面状电极809与环形电极802之间绝缘，比如在第一面状电极809与环形电极802之间设置绝缘膜，可以选用二氧化硅材料制成超薄绝缘膜，第二基板806面对第三基板808的一面上设有第二面状电极810，第三基板808与第二面状电极810之间设有液晶层804，该液晶层804的配向方向与偏光片900的偏振方向垂直，本实施例通过使用配向层(根据图10所示结构，即两配向层803)来给液晶层804中的液晶分子提供初始配向。驱动电压施加在第一面状电极809、环形电极802和第二面状电极810上，以使液晶层804内的液晶分子发生偏振。本实施例在增加了另一面状电极的情况下，可以实现电场的平滑分布，避免透镜边缘区域出现突变的情形。在使用时，第二面状电极810为基准电极，第一面状电极809和环形电极802为驱动电极，比如在第二面状电极810上施加零电压，而在第一面状电极809和环形电极802上施加大于零的相对电压，并且通过控制第一面状电极809和环形电极802的电压大小来实现液晶层804所处电场的分布规律。

图6-图10所示液晶透镜800通过形成多个依序排布的子透镜单元来实现对图像光的控制，在子透镜单元足够小的情况下，经光学系统形成的放大虚像能够接近理想状态。

基于电控液晶原理实现对焦距的调节方式，除了上述具有多个子透镜单元的液晶透镜800，还可以将液晶透镜800中的子透镜单元整合为一个整体，即相当于只有一个尺寸被放大的子透镜单元。本实施例中，图像显示装置还包括位于反射元件与目侧双凸透镜之间的液晶透镜和偏振片，其中偏振片位于液晶透镜与反射元件之间；或者，目侧双凸透镜由液晶透镜和偏振片替代，偏振片位于反射元件与所述液晶透镜之间；其中液晶透镜在驱动电压的控制下形成焦距可变的凸透镜或凹透镜。与上述实施例的区别在于，液晶透镜在电压的控制下仅形成一个透镜，可以减少图像光在透射其的过程中所造成的光损失，并且也有利于实现对图像光的控制。本实施例中，液晶透镜和偏振片的设置位置可以参照图6和图7的方案，在驱动电压的控制下能改变液晶透镜的焦距，适应不同用户的使用需求。

作为单透镜出现的液晶透镜，其包括相对设置的第一基板和第二基板，第一基板与第二基板之间设有液晶层，液晶层的配向方向与偏振片的偏振方向垂直，第一基板上设有多个呈同心布置的环形电极，第二基板上设有面状电极，驱动电压施加在环形电极与面状电极上，且在多个所述环形电极中，由内向外，多个所述环形电极的电势渐增或渐减，以使液晶层内的液晶分子发生偏转，从而形成凸透镜或凹透镜。本实施例中，多个环形电极为驱动电极，各环形电极的电压受独立控制，并且合理控制相邻环形电极之间的间隙，以在液晶层内形成平滑渐变过渡的电场，从而形成尺寸足够大的透镜，满足使用要求。

另外，还可以参照上述液晶透镜800的实施例，在环形电极与液晶层之间设置高阻膜，以获得平滑分布的电场。高阻膜可由高分子材料PEDOT材料制成；或者，高阻膜由氧化锌材料制成，液晶透镜还包括位于高阻膜与液晶层之间的绝缘膜，绝缘膜可选用二氧化硅材料。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (23)

1.一种图像显示装置，其特征在于，包括显示屏和位于所述显示屏的图像光传递光路上的目侧双凸透镜、反射元件及第一消色差透镜，所述第一消色差透镜与所述目侧双凸透镜同轴放置并且位于所述目侧双凸透镜的光出射侧，所述显示屏的光轴与所述目侧双凸透镜的光轴成一预设夹角，所述反射元件位于所述显示屏与所述目侧双凸透镜之间，所述图像光在所述反射元件上反射并顺次经所述目侧双凸透镜和第一消色差透镜透射后到达观看侧，以形成一虚像。

2.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述预设夹角为60°至120°。

3.如权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于，所述预设夹角为90°，所述反射元件分别与所述显示屏和目侧双凸透镜的光轴成45°倾斜角。

4.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述反射元件为全反射镜；或者，所述反射元件为透射反射镜，外界光依次经所述反射元件、目侧双凸透镜和第一消色差透镜透射后到达观看侧。

5.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述图像显示装置还包括位于所述显示屏与所述反射元件之间的投影透镜，所述投影透镜与所述显示屏同轴放置。

6.如权利要求1至5中任一项所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一消色差透镜包括第一双凸透镜和第一双凹透镜，所述第一双凸透镜的其中一个凸面与所述第一双凹透镜的其中一个凹面适配并嵌合。

7.如权利要求6所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一消色差透镜还包括位于所述第一双凸透镜与第一双凹透镜之间的第一增透膜。

8.如权利要求7所述的图像显示装置，其特征在于，所述第一增透膜包括1/4波长氧化镁层、1/4波长氟化铈层以及位于所述1/4波长氧化镁层与1/4波长氟化铈层之间的1/2波长氧化锆。

9.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述图像显示装置还包括位于所述显示屏与所述反射元件之间并与所述显示屏同轴放置的第二消色差透镜。

10.如权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，所述图像显示装置还包括位于所述显示屏与所述反射元件之间的投影透镜和第二消色差透镜，所述显示屏、投影透镜和第二消色差透镜沿光轴顺次排列且同轴放置。

11.如权利要求9或10所述的图像显示装置，其特征在于，所述第二消色差透镜包括第二双凸透镜和第二双凹透镜，所述第二双凸透镜的其中一个凸面与所述第二双凹透镜的其中一个凹面适配并嵌合。

12.如权利要求11所述的图像显示装置，其特征在于，所述第二消色差透镜还包括位于所述第二双凸透镜与第二双凹透镜之间的第二增透膜。

13.如权利要求12所述的图像显示装置，其特征在于，所述第二增透膜包括1/4波长氧化镁层、1/4波长氟化铈层以及位于所述1/4波长氧化镁层与1/4波长氟化铈层之间的1/2波长氧化锆。

14.如权利要求1至13中任一项所述的图像显示装置，其特征在于，所述图像显示装置还包括位于所述反射元件与所述目侧双凸透镜之间的液晶透镜和偏振片，所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；或者，所述目侧双凸透镜由液晶透镜和偏振片替代，所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；其中，所述液晶透镜包括多个在同一平面上均匀排布的子透镜单元，所述子透镜单元在驱动电压的控制下形成焦距可变的凸透镜或凹透镜。

15.如权利要求14所述的图像显示装置，其特征在于，所述子透镜单元包括相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板与所述第二基板之间设有液晶层，所述液晶层的配向方向与所述偏振片的偏振方向垂直，所述第一基板上设有至少一个环形电极，所述第二基板上设有面状电极，所述驱动电压施加在所述环形电极与所述面状电极上，以使所述液晶层内的液晶分子发生偏转。

16.如权利要求15所述的图像显示装置，其特征在于，所述子透镜单元还包括位于所述环形电极与所述液晶层之间的高阻膜。

17.如权利要求16所述的图像显示装置，其特征在于，所述高阻膜由PEDOT材料制成；或者，所述高阻膜由氧化锌材料制成，所述子透镜单元还包括位于所述高阻膜与所述液晶层之间的绝缘膜。

18.如权利要求14所述的图像显示装置，其特征在于，所述子透镜单元包括第一基板、第二基板和第三基板，所述第一基板和所述第二基板分别位于所述第三基板的两相对侧，所述第一基板面对所述第三基板的一面上设有第一面状电极，所述第三基板面对所述第一基板的一面上设有至少一个环形电极，所述第一面状电极与所述环形电极之间绝缘，所述第二基板面对所述第三基板的一面上设有第二面状电极，所述第二基板与所述第二面状电极之间设有液晶层，所述液晶层的配向方向与所述偏光片的偏振方向垂直，所述驱动电压施加在所述第一面状电极、环形电极和第二面状电极上，以使所述液晶层内的液晶分子发生偏振。

19.如权利要求1至13中任一项所述的图像显示装置，其特征在于，所述图像显示装置还包括位于所述反射元件与所述目侧双凸透镜之间的液晶透镜和偏振片，其中所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；或者，所述目侧双凸透镜由液晶透镜和偏振片替代，所述偏振片位于所述反射元件与所述液晶透镜之间；其中所述液晶透镜在驱动电压的控制下形成焦距可变的凸透镜或凹透镜。

20.如权利要求19所述的图像显示装置，其特征在于，所述液晶透镜包括相对设置的第一基板和第二基板，所述第一基板与所述第二基板之间设有液晶层，所述液晶层的配向方向与所述偏振片的偏振方向垂直，所述第一基板上设有多个呈同心布置的环形电极，所述第二基板上设有面状电极，所述驱动电压施加在所述环形电极与所述面状电极上，且在多个所述环形电极中，由内向外，多个所述环形电极的电势渐增或渐减，以使所述液晶层内的液晶分子发生偏转。

21.如权利要求20所述的图像显示装置，其特征在于，所述液晶透镜还包括位于所述环形电极与所述液晶层之间的高阻膜。

22.如权利要求21所述的图像显示装置，其特征在于，所述高阻膜由PEDOT材料制成；或者，所述高阻膜由氧化锌材料制成，所述液晶透镜还包括位于所述高阻膜与所述液晶层之间的绝缘膜。

23.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括权利要求1至22中任一项所述的图像显示装置。