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CN117055218A - 头戴式显示设备及其变焦式光学装置 - Google Patents

头戴式显示设备及其变焦式光学装置 Download PDF

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CN117055218A
CN117055218A CN202310938893.3A CN202310938893A CN117055218A CN 117055218 A CN117055218 A CN 117055218A CN 202310938893 A CN202310938893 A CN 202310938893A CN 117055218 A CN117055218 A CN 117055218A
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CN
China
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transparent substrate
conductive transparent
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module
liquid crystal
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Application number
CN202310938893.3A
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洪琨志
陈庭辉
陈伯纶
陈芸霈
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Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
General Interface Solution Ltd
Original Assignee
Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
Yecheng Optoelectronics Wuxi Co Ltd
General Interface Solution Ltd
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Publication date
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Abstract

本申请公开一种头戴式显示设备及其变焦式光学装置，变焦式光学装置包括偏振反射膜、波片、半穿半反射膜与变焦模块。半穿半反射膜设于波片上，变焦模块包括第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板。第三导电透光基板位于第一导电透光基板与第二导电透光基板之间，第一导电透光基板透过光学级透明胶体设于波片上，偏振反射膜直接设于第二导电透光基板上。第一导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置，第二导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置。

Description

头戴式显示设备及其变焦式光学装置
技术领域
本申请涉及一种显示技术，且特别涉及一种头戴式显示设备及其变焦式光学装置。
背景技术
随着科技日新月异，人们对于多媒体视讯的需求日渐增加，一般常见的多媒体播放装置是搭配液晶显示器(LCD)或是发光二极管(LED)显示器来显示影像，然其所能显示的影像画素及大小会受限于显示器的尺寸及效能，且视觉上可带来的效果有限，长时间使用也容易造成眼睛的疲劳。
因此，市面上出现了头戴显示器(Head-Mounted Display,HMD)。头戴显示器是一种立体视觉显示的光学产品，其系将具有两眼视差的三维效果的讯号，依序透过设置于双眼前方的显示组件以及光学透镜而传送至双眼，进而产生立体且大尺寸的影像。头戴式显示器通常是应用在扩增实境(augmented reality,AR)系统或是虚拟现实(virtualreality,VR)系统，除了可跟着使用者移动，还能当作一种输入设备来接收使用者的反应，此外，图像和文字还可以加到用户所观看的影像上，进而达到虚拟现实或是扩增实境的效果。然而，因AR系统或VR系统的成像距离较远，造成透镜需与人眼保持一定的距离。为了改善此问题，故导入饼干(Pancake)透镜。此外，为了将头戴式显示器加入多种功能，例如调节屈亮度，故造成镜片模块的厚度过厚。因此头戴显示器给人笨重的感觉，造成使用者不便。
发明内容
基于此，本申请针对上述的困扰，提出一种头戴式显示设备及其变焦式光学装置，以解决相关技术中所产生的问题。
本申请提供一种头戴式显示设备及其变焦式光学装置，以具备轻薄特性。
在本申请的一实施例中，一种变焦式光学装置包括偏振反射膜、波片、半穿半反射膜(half mirror film)与变焦模块。波片具有彼此相对的第一表面与第二表面，半穿半反射膜设于波片的第一表面上。变焦模块包括第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板。第三导电透光基板位于第一导电透光基板与第二导电透光基板之间，第一导电透光基板透过光学级透明胶体设于波片的第二表面上，偏振反射膜直接设于第二导电透光基板上。第一导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置，第二导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置。
在本申请的一实施例中，波片为四分之一波片。
在本申请的一实施例中，第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板为平面基板、平凸面基板、凸凹面基板、柱状面基板或曲面基板。
在本申请的一实施例中，变焦模块还包括至少一个固态透镜、第一液晶层、偏振相依透镜与第二液晶层。第一液晶层设于第一导电透光基板与第三导电透光基板之间，偏振相依透镜设于第三导电透光基板与固态透镜之间，第二液晶层设于固态透镜与第二导电透光基板之间。
在本申请的一实施例中，固态透镜为非球面透镜。
在本申请的一实施例中，固态透镜为非偏振相依透镜。
在本申请的一实施例中，偏振相依透镜以液晶层实现。
在本申请的一实施例中，波片的第一表面透过半穿半反射膜朝向一显示模块的显示面，显示模块用以发射圆偏振影像至半穿半反射膜。
在本申请的一实施例中，显示模块为液晶显示器、微有机发光二极管(μ-OLED)模块、硅基液晶(liquid-crystal-on-silicon)显示模块、数字光处理模块或微发光二极管显示模块。
在本申请的一实施例中，固态透镜为菲涅尔透镜(Fresnel lens)、平凸透镜或平凹透镜。
在本申请的一实施例中，变焦模块用以根据入射偏振影像的偏振状态决定入射光的屈亮度，并维持或改变入射偏振影像的偏振状态。
在本申请的一实施例中，一种头戴式显示设备包括偏振反射膜、波片、半穿半反射膜(half mirror film)、变焦模块与显示模块。波片具有彼此相对的第一表面与第二表面，半穿半反射膜设于波片的第一表面上。变焦模块包括第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板。第三导电透光基板位于第一导电透光基板与第二导电透光基板之间，第一导电透光基板透过光学级透明胶体设于波片的第二表面上。偏振反射膜直接设于第二导电透光基板上，第一导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置，第二导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置。显示模块的显示面透过半穿半反射膜朝向波片的第一表面，其中显示模块用以发射圆偏振影像至半穿半反射膜。
在本申请的一实施例中，波片为四分之一波片。
在本申请的一实施例中，第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板为平面基板、平凸面基板、凸凹面基板、柱状面基板或曲面基板。
在本申请的一实施例中，变焦模块还包括至少一个固态透镜、第一液晶层、偏振相依透镜与第二液晶层。第一液晶层设于第一导电透光基板与第三导电透光基板之间，偏振相依透镜设于第三导电透光基板与固态透镜之间，第二液晶层设于固态透镜与第二导电透光基板之间。
在本申请的一实施例中，固态透镜为非球面透镜。
在本申请的一实施例中，固态透镜为非偏振相依透镜。
在本申请的一实施例中，偏振相依透镜以液晶层实现。
在本申请的一实施例中，显示模块为液晶显示器、微有机发光二极管(μ-OLED)模块、硅基液晶(liquid-crystal-on-silicon)显示模块、数字光处理模块或微发光二极管显示模块。
在本申请的一实施例中，固态透镜为菲涅尔透镜(Fresnel lens)、平凸透镜或平凹透镜。
在本申请的一实施例中，变焦模块用以根据入射偏振影像的偏振状态决定入射光的屈亮度，并维持或改变入射偏振影像的偏振状态。
基于上述，头戴式显示设备及其变焦式光学装置采用变焦模块。变焦模块包括第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板。第三导电透光基板位于第一导电透光基板与第二导电透光基板之间，第一导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置，第二导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置。因此，头戴式显示设备及其变焦式光学装置，以具备轻薄特性。
附图说明
图1为饼干(Pancake)透镜的示意图。
图2为本申请的第一实施例的头戴式显示设备及其变焦式光学装置的示意图。
图3为本申请的第二实施例的头戴式显示设备及其变焦式光学装置的示意图。
附图标记说明：
10：半穿半反射镜
12：四分之一波片
14：反射式偏振片
2：头戴式显示设备
20：偏振反射膜
21：波片
22：半穿半反射膜
23：光学级透明胶体
24：变焦模块
240：第一导电透光基板
241：第二导电透光基板
242：第三导电透光基板
243：固态透镜
244：第一液晶层
245：偏振相依透镜
246：第二液晶层
25：显示模块
3：人眼
V：变焦式光学装置
具体实施方式
本申请的实施例将通过下文配合相关附图进一步加以解说。尽可能的，在附图与说明书中，相同标号代表相同或相似构件。在附图中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示在附图中或描述在说明书中的组件，为本领域的普通技术人员所知的形态。本领域的普通技术人员可依据本申请的内容而进行多种的改变与修改。
当一个组件被称为“在…上”时，它可泛指改组件直接在其他组件上，也可以是有其他组件存在于两者之中。相反地，当一个组件被称为“直接在”另一组件，它是不能有其他组件存在于两者的中间。如本文所用，词汇“及/或”包括了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。
在下文中关于“一个实施例”或“一实施例”的描述是指关于至少一实施例内所相关连的特定组件、结构或特征。因此，在下文中多处所出现的“一个实施例”或“一实施例”的多个描述并非针对同一实施例。再者，在一或多个实施例中的特定构件、结构与特征可依照适当方式而结合。
公开特别以下述例子加以描述，这些例子仅是用以举例说明而已，因为对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本申请公开的内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本申请公开内容的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。在通篇说明书与权利要求中，除非内容清楚指定，否则“一”以及“所述”的意义包括这一类叙述包括“一或至少一”所述组件或成分。此外，如本所用，除非从特定上下文明显可见将复数个排除在外，否则单数冠词也包括复数个组件或成分的叙述。而且，应用在此描述中与下述的全部权利要求中时，除非内容清楚指定，否则“在其中”的意思可包括“在其中”与“在其上”。在通篇说明书与权利要求所使用的用词(terms)，除有特别注明，通常具有每个用词使用在此领域中、在此公开的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供从业人员(practitioner)在有关本申请的描述上额外的引导。在通篇说明书的任何地方的例子，包括在此所讨论的任何用词的例子的使用，仅是用以举例说明，当然不限制本申请或任何例示用词的范围与意义。同样地，本申请并不限于此说明书中所提出的各种实施例。
可了解如在此所使用的用词“包括(comprising)”、“包括(including)”、“具有(having)”、“含有(containing)”、“包括(involving)”等等，为开放性的(open-ended)，即意指包括但不限于。另外，本申请的任一实施例或权利要求不须达成本申请所公开的全部目的优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻的用，并非用来限制本申请的保护范围。
除非特别说明，一些条件句或字词，例如“可以(can)”、“可能(could)”、“也许(might)”，或“可(may)”，通常是试图表达本案实施例具有，但是也可以解释成可能不需要的特征、组件，或步骤。在其他实施例中，这些特征、组件，或步骤可能是不需要的。
以下将介绍一种头戴式显示设备及其变焦式光学装置，其采用变焦模块。变焦模块包括第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板。第三导电透光基板位于第一导电透光基板与第二导电透光基板之间，第一导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置，第二导电透光基板与第三导电透光基板之间呈无基板设置。因此，头戴式显示设备及其变焦式光学装置，以具备轻薄特性。
图1为饼干(Pancake)透镜的示意图。在头戴式显示器特别是虚拟现实(VR)显示器的发展上，饼干透镜因为可以对于光路进行折叠，能够达到减轻重量、缩减空间的功用，而成为主流。饼干透镜的原理是转换偏振光的偏振状态与反射偏振光，达到将光路折叠在半穿半反射镜(half mirror)与反射式偏振片(Reflective Polarizer)之间的效果，并因为光路折叠时，光线得以通过位于半穿半反射镜与反射式偏振片之间的透镜三次，因此可以让饼干透镜中的位于半穿半反射镜与反射式偏振片之间的透镜贡献3次的屈亮度，使饼干透镜轻薄短小。如图1所示，饼干透镜1包括半穿半反射镜10、四分之一波片12与反射式偏振片14。半穿半反射镜10反射一半的光，使一半的光穿透半穿半反射镜10，并改变圆偏振光的偏振状态，例如反射左圆偏振光，以形成右圆偏振光，或反射右圆偏振光，以形成左圆偏振光。四分之一波片12转换圆偏振光为线偏振光，或转换线偏振光为圆偏振光。反射式偏振片14反射第一方向的线性偏振光，第二方向的线性偏振光通过反射式偏振片14，其中第一方向垂直第二方向。在图1中，实线箭头与虚线箭头均代表光的行进方向。右圆偏振光会依序通过半穿半反射镜10与四分之一波片12，四分之一波片12转换右圆偏振光为x偏振光。反射式偏振片14反射x偏振光。四分之一波片12转换x偏振光为右圆偏振光。半穿半反射镜10反射右圆偏振光，以形成左圆偏振光。左圆偏振光通过四分之一波片12，以形成y偏振光，y偏振光直接通过反射式偏振片14。饼干透镜应用于本申请的头戴式显示设备及其变焦式光学装置中。
图2为本申请的第一实施例的头戴式显示设备及其变焦式光学装置的示意图。请参阅图2，以下介绍头戴式显示设备2的第一实施例。头戴式显示设备2包括变焦式光学装置V，其中变焦式光学装置V包括偏振反射膜20、波片21、半穿半反射膜(half mirror film)22、光学级透明胶体23与变焦模块24。除了变焦式光学装置V，头戴式显示设备2还包括显示模块25。波片21可为，但不限于四分之一波片。显示模块25可为，但不限于液晶显示器、微有机发光二极管(μ-OLED)模块、硅基液晶(liquid-crystal-on-silicon)显示模块、数字光处理模块或微发光二极管显示模块。光学级透明胶体23可为，但不限于光学胶或感压型黏着剂(pressure sensitive adhesives，PSA)。波片21具有彼此相对的第一表面与第二表面，半穿半反射膜22设于波片21的第一表面上。变焦模块24包括第一导电透光基板240、第二导电透光基板241与第三导电透光基板242。第一导电透光基板240、第二导电透光基板241与第三导电透光基板242的每一者包括透光基板及其上的电极层。在第一实施例中，第一导电透光基板240、第二导电透光基板241与第三导电透光基板242以平面基板为例。第三导电透光基板242位于第一导电透光基板240与第二导电透光基板241之间，第一导电透光基板240透过光学级透明胶体23设于波片21的第二表面上，偏振反射膜20直接设于第二导电透光基板241上，即偏振反射膜20与第二导电透光基板241之间呈无结构设置。为了有效降低头戴式显示设备2的整体厚度，以具备轻薄特性，第一导电透光基板240与第三导电透光基板242之间呈无基板设置，第二导电透光基板241与第三导电透光基板242之间呈无基板设置。显示模块25的显示面透过半穿半反射膜22朝向波片21的第一表面。显示模块25用以发射圆偏振影像至半穿半反射膜22。
在本申请的某些实施例中，变焦模块24更可包括至少一个固态透镜243、第一液晶层244、偏振相依透镜245与第二液晶层246。为了方便与清晰，固态透镜243的数量以一为例。在一较佳实施例中，固态透镜243可为非球面透镜。固态透镜243的材质可为塑料或玻璃，并提供必要的屈亮度以满足头戴式显示设备2的需求。固态透镜243可为曲面透镜。举例来说，固态透镜243可为菲涅尔透镜(Fresnel lens)、平凸透镜或平凹透镜。偏振相依透镜245根据入射光的偏振状态改变折射率与焦距，其中焦距是屈亮度的倒数。偏振相依透镜245可由双折射性材料构成，可以是液晶聚合物(LCP)透镜、双折射水胶或是曲面相位延迟片。在第一实施例中，偏振相依透镜245可以液晶层实现。第一液晶层244设于第一导电透光基板240与第三导电透光基板242之间。偏振相依透镜245设于第三导电透光基板242与固态透镜243之间，第二液晶层246设于固态透镜243与第二导电透光基板241之间。第一导电透光基板240、第一液晶层244与第三导电透光基板242形成第一偏振控制器，第三导电透光基板242、第二导电透光基板241与第二液晶层246形成第二偏振控制器。当对第一导电透光基板240与第三导电透光基板242施加偏压时，会改变第一液晶层244的液晶分子的排列方向，进而改变入射光的偏振状态。当对第三导电透光基板242与第二导电透光基板241施加偏压时，会改变第二液晶层246的液晶分子的排列方向，进而改变入射光的偏振状态。当对第三导电透光基板242与第二导电透光基板241施加偏压时，也可以改变偏振相依透镜245的液晶分子的排列方向，进而改变入射光的偏振状态。也就是说，第二偏振控制器与偏振相依透镜245共享第三导电透光基板242与第二导电透光基板241。因为基板共享，所以变焦模块24的组件的数量从六个减少到四个，且厚度减少2.3毫米(mm)。
变焦模块24根据入射偏振影像的偏振状态决定入射光的屈亮度，并维持或改变入射偏振影像的偏振状态。具体而言，当显示模块25发射左圆偏振光，且左圆偏振光依序通过半穿半反射膜22与波片21，以形成水平偏振光。当水平偏振光依序通过光学级透明胶体23、第一导电透光基板240、第一液晶层244、第三导电透光基板242、偏振相依透镜245与固态透镜243时，会根据水平偏振光的偏振状态决定变焦模块24的焦距与屈亮度。当水平偏振光通过第二液晶层246时，第二液晶层246的液晶分子可以维持水平偏振光的偏振状态或转换水平偏振光为垂直偏振光。若第二液晶层246转换水平偏振光为垂直偏振光时，垂直偏振光依序通过第二导电透光基板241与偏振反射膜20，并射入人眼3中。若第二液晶层246维持水平偏振光的偏振状态，偏振反射膜20反射水平偏振光，使水平偏振光依序通过变焦模块24、光学级透明胶体23、波片21与半穿半反射膜22。波片21会转换水平偏振光为左圆偏振光，半穿半反射膜22会反射左圆偏振光，以形成右圆偏振光。当右圆偏振光通过波片21时，波片21转换右圆偏振光为垂直偏振光。垂直偏振光依序通过光学级透明胶体23、变焦模块24与偏振反射膜20，并射入人眼3中。
图3为本申请的第二实施例的头戴式显示设备及其变焦式光学装置的示意图。请参阅图3，以下介绍头戴式显示设备2的第二实施例。除了平面基板，第一导电透光基板240、第二导电透光基板241与第三导电透光基板242也可为平凸面基板、凸凹面基板、柱状面基板或曲面基板。在第二实施例中，第一导电透光基板240、第二导电透光基板241与第三导电透光基板242为曲面基板，其余技术特征与第一实施例相同，在此不再赘述。
根据上述实施例，头戴式显示设备及其变焦式光学装置具备轻薄特性。
以上所述，仅为本申请一优选实施例而已，并非用来限定本申请实施的范围，故举凡依本申请权利要求所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括在本申请的权利要求内。

Claims (21)

1.一种变焦式光学装置，其特征在于，包括：
偏振反射膜；
波片，具有彼此相对的第一表面与第二表面；
半穿半反射膜，设于所述波片的所述第一表面上；以及
变焦模块，包括第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板，其中所述第三导电透光基板位于所述第一导电透光基板与所述第二导电透光基板之间，所述第一导电透光基板透过光学级透明胶体设于所述波片的所述第二表面上，所述偏振反射膜直接设于所述第二导电透光基板上，所述第一导电透光基板与所述第三导电透光基板之间呈无基板设置，所述第二导电透光基板与所述第三导电透光基板之间呈无基板设置。
2.根据权利要求1所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述波片为四分之一波片。
3.根据权利要求1所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述第一导电透光基板、所述第二导电透光基板与所述第三导电透光基板为平面基板、平凸面基板、凸凹面基板、柱状面基板或曲面基板。
4.根据权利要求1所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述变焦模块还包括：
至少一个固态透镜；
第一液晶层，设于所述第一导电透光基板与所述第三导电透光基板之间；
偏振相依透镜，设于所述第三导电透光基板与所述至少一个固态透镜之间；以及
第二液晶层，设于所述至少一个固态透镜与所述第二导电透光基板之间。
5.根据权利要求4所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述至少一个固态透镜为非球面透镜。
6.根据权利要求4所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述至少一个固态透镜为非偏振相依透镜。
7.根据权利要求4所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述偏振相依透镜以液晶层实现。
8.根据权利要求1所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述波片的所述第一表面透过所述半穿半反射膜朝向显示模块的显示面，所述显示模块用以发射圆偏振影像至所述半穿半反射膜。
9.根据权利要求8所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述显示模块为液晶显示器、微有机发光二极管模块、硅基液晶显示模块、数字光处理模块或微发光二极管显示模块。
10.根据权利要求4所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述至少一个固态透镜为菲涅尔透镜、平凸透镜或平凹透镜。
11.根据权利要求1所述的变焦式光学装置，其特征在于，所述变焦模块用以根据入射偏振影像的偏振状态决定所述入射光的屈亮度，并维持或改变所述入射偏振影像的所述偏振状态。
12.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：
偏振反射膜；
波片，具有彼此相对的第一表面与第二表面；
半穿半反射膜，设于所述波片的所述第一表面上；
变焦模块，包括第一导电透光基板、第二导电透光基板与第三导电透光基板，其中所述第三导电透光基板位于所述第一导电透光基板与所述第二导电透光基板之间，所述第一导电透光基板透过光学级透明胶体设于所述波片的所述第二表面上，所述偏振反射膜直接设于所述第二导电透光基板上，所述第一导电透光基板与所述第三导电透光基板之间呈无基板设置，所述第二导电透光基板与所述第三导电透光基板之间呈无基板设置；以及
显示模块，其显示面透过所述半穿半反射膜朝向所述波片的所述第一表面，其中所述显示模块用以发射圆偏振影像至所述半穿半反射膜。
13.根据权利要求12所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述波片为四分之一波片。
14.根据权利要求12所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一导电透光基板、所述第二导电透光基板与所述第三导电透光基板为平面基板、平凸面基板、凸凹面基板、柱状面基板或曲面基板。
15.根据权利要求12所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述变焦模块还包括：
至少一个固态透镜；
第一液晶层，设于所述第一导电透光基板与所述第三导电透光基板之间；
偏振相依透镜，设于所述第三导电透光基板与所述至少一个固态透镜之间；以及
第二液晶层，设于所述至少一个固态透镜与所述第二导电透光基板之间。
16.根据权利要求15所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述至少一个固态透镜为非球面透镜。
17.根据权利要求15所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述至少一个固态透镜为非偏振相依透镜。
18.根据权利要求17所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述偏振相依透镜以液晶层实现。
19.根据权利要求12所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述显示模块为液晶显示器、微有机发光二极管模块、硅基液晶显示模块、数字光处理模块或微发光二极管显示模块。
20.根据权利要求15所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述至少一个固态透镜为菲涅尔透镜、平凸透镜或平凹透镜。
21.根据权利要求12所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述变焦模块用以根据入射偏振影像的偏振状态决定所述入射光的屈亮度，并维持或改变所述入射偏振影像的所述偏振状态。
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