1.本发明属于光学领域，具体地涉及一种应用在虚拟现实显示中的光学调整系统。


背景技术：

2.扩展焦深在光盘存储、显微镜成像、光学校准及层析成像等应用领域的研究相继展开，其中基于波前编码技术(wavefront coding，wfc)是90年代才发展起来的扩展光学系统焦深的新技术。近几年通过偏振效应来获得扩展焦深的研究也受到关注，最近相继报道利用径向与切向矢量光束、准双焦双折射透镜与胶接双透镜等来实现扩展焦深的研究。以上这些方法对光学轴向扩展焦深方面进行了广泛深入的研究。
3.目前，facebook推出的焦面显示技术具有连续的深度信息，应用在虚拟现实显示中可以很好地解决辐辏调节冲突问题。然而，该焦面显示技术局限于所用lcos空间光调制器的尺寸（一般小于1英寸），很难满足vr行业对视场角的需求，并且lcos空间光调制器造价昂贵，不利于焦面显示技术在vr行业的产业化。
4.因此，如何提供一种光学调整系统以动态适应vr技术需求，尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供了一种应用在虚拟现实显示中的光学调整系统。
6.该发明提供以下技术方案，一种应用在虚拟现实显示中的光学调整系统，包括显示单元和图像处理单元；所述显示单元沿着光线传播路径包括显示器、偏振模块、液晶相位调制器和目镜；所述显示单元还包括位于光线传播路径上且介于所述偏振模块及所述目镜之间的焦深扩展模块；其中，所述显示器发出的光经所述偏振模块处理，部分光进入所述液晶相位调制器，经调制重新进入所述偏振模块，部分的所述部分光被所述偏振模块隔离防再次反射，另一部分的所述部分光经折射预设角度进入所述焦深扩展模块处理，并通过所述图像处理单元改变光的偏振态，进入所述目镜形成虚像，以实现同时显示不同深度的场景。
7.较佳地，所述液晶相位调制器包括液晶器件和外部驱动件，所述外部驱动件包括用于连接所述液晶器件的内部及外部驱动的排线、主控制板和信号转板。
8.较佳地，所述液晶器件包括自下而上设置的第一玻璃基板、驱动电路、反射型像素电极、第一液晶层、第一透明电极、第一玻璃盖板和第一抗反射膜；所述驱动电路用于调控所述反射型像素电极的每一颗像素所对应的电压，使得所述第一透明电极和所述反射型像素电极之间形成电场，以使所述第一液晶层的液晶分子在电场作用下发生偏转，实现液晶分子的不同偏转角度对应不同的光相位延迟量。
9.较佳地，所述驱动电路采用tft驱动电路，其通过光刻工艺形成在所述第一玻璃基板表面上。
10.较佳地，所述液晶相位调制器的信号输入接口为vga、dvi、hdmi或dp中一种或者多种组合的通用视频输入接口。
11.较佳地，所述焦深扩展模块包括沿着光线传播路径依次设置的1/4波片、电控半波片、偏振平面透镜。
12.较佳地，所述电控半波片包括自下而上设置的第二玻璃基板、第二下透明电极、第二液晶层、第二上透明电极、第二玻璃盖板和第二抗反射膜；通过预设驱动电路调整所述第二下透明电极及所述第二上透明电极所对应的电压，使得两者之间形成电场，以使所述第二液晶层的液晶分子在电场作用下发生偏转，再通过施加电压以控制所述电控半波片处于打开状态或者关闭状态。
13.较佳地，所述预设驱动电路采用极性相反的交变电压信号，以防止所述第二液晶层在同一极性电场下发生极化现象。
14.较佳地，所述偏振模块包括沿着光线传播路径依次设置的圆偏振片、分束镜和线偏振片。
15.较佳地，所述图像处理单元包括相位图输出模块、彩图输出模块和同步调制信号输出模块；所述相位图输出模块与所述液晶相位调制器电连接，所述彩图输出模块与所述显示器电连接，所述同步调制信号输出模块与所述焦深扩展模块电连接，且所述同步调制信号输出模块用于改变所述部分光的偏振态，以实现不同焦深范围的切换。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明一个较佳实施例提供的应用在虚拟现实显示中的光学调整系统结构框图；图2为本发明一个较佳实施例提供的液晶相位调制器的结构框图；图3为本发明一个较佳实施例提供的液晶相位调制器的示意图；图4为本发明一个较佳实施例提供的rgb三色伽马实时切换原理图；图5为本发明一个较佳实施例提供的液晶器件的断面示意图；图6为本发明一个较佳实施例提供的相位灰度图与rgb彩图变换关系图；图7为本发明一个较佳实施例提供的焦深扩展模块的结构框图；图8为本发明一个较佳实施例提供的电控半波片的断面示意图；图9为本发明一个较佳实施例提供的电控半波片在时间序列上实时切换以匹配不同色通道的原理图；图10为本发明一个较佳实施例提供的偏振模块的结构框图；图11为本发明一个较佳实施例提供的显示系统原理图。
18.附图标记说明：10-显示单元、11-显示器、12-偏振模块、121-圆偏振片、122-分束镜、123-线偏振片、13-液晶相位调制器、131-液晶器件、1311-第一玻璃基板、1312-驱动电路、1313-反射型
像素电极、1314-第一液晶层、1315-第一透明电极、1316-第一玻璃盖板、1317-第一抗反射膜、132-外部驱动件、1321-排线、1322-主控制板、1323-信号转板、14-目镜、15-焦深扩展模块、151-1/4波片、152-电控半波片、1521-第二玻璃基板、1522-第二下透明电极、1523-第二液晶层、1524-第二上透明电极、1525-第二玻璃盖板、1526-第二抗反射膜、153-偏振平面透镜；20-图像处理单元、21-相位图输出模块、22-彩图输出模块、23-同步调制信号输出模块。
具体实施方式
19.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。
20.在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
23.在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种应用在虚拟现实显示中的光学调整系统，包括显示单元10和图像处理单元20。其中，所述显示单元10沿着光线传播路径包括显示器11、偏振模块12、液晶相位调制器13和目镜14。
24.在本发明的一个实施例中，所述显示单元10还包括位于光线传播路径上且介于所述偏振模块12及所述目镜14之间的焦深扩展模块15。具体实践中，虚拟现实显示技术中，若同样的焦深范围：当不加入所述焦深扩展模块15时，需要的相位调制器的最小焦距为f0，依据奈奎斯特采样定理，则相位调制器的像素尺寸p应该小于f0×
λ(2
×
δ)，其中λ为光线长，δ为相位调制器的对角线尺寸；当加入焦深扩展模块时，需要的相位调制器的最小焦距为f1，依据奈奎斯特采样定理，则相位调制器的像素尺寸p应该小于f1×
λ(2
×
δ)，因为经过焦深扩展处理后，f1大于f0，所以所需的相位调制器的像素尺寸p可以适当放大，由此可知，本发明通过增设所述焦深扩展模块15，在保证总体焦深范围不变的前提下，提升焦面与三维场景的匹配度，降低相位调制器的空间精度需求。
25.如图1所示，本发明光学调整系统用于将所述显示器11中的已知深度的二维平面场景转换为在所述目镜14中展示的平滑的三维曲面场景，其具体布设为：所述偏振模块12以及所述液晶相位调制器13的轴线方向与所述显示器11所发出的光线传播方向平行，所述焦深扩展模块15以及所述目镜14的轴线方向与所述显示器11所发出的光线传播方向垂直，即所述显示器11、所述偏振模块12及所述液晶相位调制器13呈线性设置，所述焦深扩展模块15以及所述目镜14位于旁侧。具体地，该显示系统的光线传播路径为：所述显示器11发出的光线进入所述偏振模块12，并经所述偏振模块12处理，部分光进入所述液晶相位调制器13，经所述液晶相位调制器13的调制重新进入所述偏振模块12，部分的所述部分光线被所述偏振模块12隔离防再次反射，另一部分的所述部分光经折射预设角度进入所述焦深扩展模块15处理，并通过所述图像处理单元20改变光的偏振态以使切换不同焦深范围，最后进入所述目镜14形成三维虚像，实现光线调制前从所述目镜14看到的是平面的二维图像，调制后从所述目镜14看到的是具有景深关系的三维图像，即实现同时显示不同深度的场景。
26.进一步地，所述图像处理单元20包括相位图输出模块21、彩图输出模块22和同步调制信号输出模块23。本实施例中，所述相位图输出模块21与所述液晶相位调制器13电连接，所述彩图输出模块22与所述显示器11电连接，所述同步调制信号输出模块13与所述焦深扩展模块15电连接，且所述同步调制信号输出模块13用于改变所述部分光的偏振态，以实现不同焦深范围的切换。具体实践中，所述图像处理单元20可集成在终端的主控芯片中，通过终端的控制，从而实现所述相位图输出模块21、所述彩图输出模块22和所述同步调制信号输出模块23的电控制；优选地，该终端可以采用计算机设备，还可以采用其它的pc端设备或移动端设备。
27.如图2和图3所示，在本发明的一个较佳实施例中，所述液晶相位调制器13包括液晶器件131和外部驱动件132。传统的相位调制器一般在硅基上采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor)工艺制成驱动背板，再加上液晶层和电极，组成液晶盒结构来实现相位调制，称为硅基液晶空间光调制器（lcos
ꢀ‑
slm, liquid crystal on silicon-spatial light modulator）。本发明采用玻璃基高迁移率薄膜晶体管（thin film transistor）工艺制成高ppi（pixels per inch）驱动背板，再加上液晶层和电极，以组成液晶盒结构的液晶相位调制器或玻璃基液晶相位调制器13。
28.本实施例中，所述驱动背板为igzo
ꢀ‑
tft型号的驱动背板；当然，其它实施例中，所述驱动背板也可以为ltps
ꢀ‑
tft驱动背板。优选地，所述液晶相位调制器13是一种主动矩阵式器件，其功能在于使得每一颗像素的相位延迟量都可以在0至2π的范围内调控；如图4所示，具体地，所述液晶相位调制器13可以通过外部驱动电路实现对所述显示器11上红、绿、蓝三色光线的独立伽马校正，使得红、绿、蓝三色光线都可以实现0-2π的相位调制范围，并与最高灰阶到零灰阶的灰阶范围相对应，将校正数据存储在flash中，并且能够在时间序列上实时切换以匹配不同色通道的画面内容，从而降低色像差。需要说明的是，相位调制范围并不局限于0-2π，也可根据具体需求选择在0-3π、0-4π或者0-6π等。
29.进一步地，所述外部驱动件132包括用于连接所述液晶器件131的内部及外部驱动的排线1321、主控制板1322和信号转板1323。具体地，沿着所述外部驱动件132的驱动信号传播方向，终端发出的驱动信号依次经所述信号转板1323、所述主控制板1322及所述排线1321输入至所述液晶相位调制器13，用于控制所述液晶相位调制器13。
30.如图5所示，在本发明的一个较佳实施例中，所述液晶器件131包括自下而上设置的第一玻璃基板1311、驱动电路1312、反射型像素电极1313、第一液晶层1314、第一透明电极1315、第一玻璃盖板1316和第一抗反射膜1317。具体地，所述液晶器件131的工作机理为：通过所述驱动电路1312调控所述反射型像素电极1313中每一颗像素所对应的电压，使得所述第一透明电极1315和所述反射型像素电极1313之间形成电场，因所述第一液晶层1314处于所述第一透明电极1315和所述反射型像素电极1313之间，在电场的作用下，所述第一液晶层1314的液晶分子发生偏转，液晶分子的不同偏转角度对应不同的光相位延迟量，以实现可编程的光相位调制；即当光线从所述第一玻璃盖板1316的一侧入射，经过所述第一液晶层1314后被所述反射型像素电极1313反射，再次进入所述第一液晶层1314，然后从所述第一玻璃盖板1316一侧出射，从而达到光相位的调制目的。在本发明的上述较佳实施例中，相对于现有技术局限于用lcos空间光调制器的尺寸，lcos空间光调制器一般小于1英寸，很难满足vr用户对视场角的需求，本发明采用玻璃基板制作对角线尺寸大于2英寸的所述液晶相位调制器13，从而大幅度提升焦面式虚拟现实显示的可视角度，同时降低制作成本。
31.进一步地，所述驱动电路1312采用tft驱动电路。本实施例中，所述第一玻璃基板1311是所述驱动电路1312的载体，其通过光刻工艺形成在所述第一玻璃基板1311表面上。其中，tft是“thin film transistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管(矩阵)，可以“主动的”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵tft(active matrix tft)。
32.进一步地，所述第一抗反射膜1317的目的在于提高进入到所述液晶器件131的光穿透率，使得入射所述液晶器件131的光尽可能多的进入所述液晶器件131，减少入射光被反射的强度。
33.进一步地，所述液晶相位调制器13的信号输入接口为hdmi通用视频输入接口。当然，其它实施例也可以为vga、dvi、hdmi或dp等通用视频输入接口，或者说可以采用hdmi、vga、dvi、hdmi、dp中两种或者两种以上的组合。具体实践中，如图6所示，以m行n列的所述液晶相位调制器13为例，输入所述液晶相位调制器13的图像为rgb格式的彩图或彩色视频；其中，实际输入图像应当采用m行
⅓
n列的rgb彩图或彩色视频，目的在于在水平方向按列将像素灰度值分配到rgb通道。其中，rgb图像之灰度级和rgb通道之间的理解为：灰度级指黑白显示器中显示像素点的亮暗差别，灰度值表征单色的亮暗程度，在彩色显示器中表现为颜色的不同，灰度级越多，图像层次越清楚逼真。具体地，在彩色图像/rgb图像中，图像是一个三维矩阵，如4003003，其中400表示列数，300表述行数，3代表三个分量，也就是r、g、b；每一层矩阵（4003001/2/3）分别对应r/g/b的灰度值，此处的矩阵仅仅表示对应单色光灰度值，不是彩色的图像。在本发明的上述实施例中，所述光学调整系统将已知深度的二维平面场景转换为平滑的三维曲面场景，将三维曲面映射到局部焦距，借由可编程的玻璃基液晶相位调制器13作为动态自由曲面透镜来实现局部变焦，从而在光学调整系统的虚像面实现三维曲面场景的显示。
34.如图7所示，所述焦深扩展模块15包括沿着光线传播路径依次设置的1/4波片151、电控半波片152、偏振平面透镜153。其中，所述1/4波片151是一定厚度的双折射单晶波片，当光从法向入射透过波片时，寻常光（o光）和非常光（e光）之间的位相差等于π/2或其奇数倍。具体地，当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和波片的光轴面（垂直自然裂开
面）成θ角，出射后成椭圆偏振光；特别当θ=45
°
时，出射光为圆偏振光。
35.如图8所示，在本发明的一个较佳实施例中，所述焦深扩展模块15包括电控半波片152，所述电控半波片152包括自下而上设置的第二玻璃基板1521、第二下透明电极1522、第二液晶层1523、第二上透明电极1524、第二玻璃盖板1525和第二抗反射膜1526。具体地，所述电控半波片152的工作机理为：通过预设驱动电路可以调整所述第二下透明电极1522及所述第二上透明电极1524所对应的电压，使得所述第二下透明电极1522及所述第二上透明电极1524之间形成电场，以使所述第二液晶层1523的液晶分子在电场作用下发生偏转，再通过施加电压以控制所述电控半波片152处于打开状态或者关闭状态；即当光线从所述第二抗反射膜一侧入射，从另一侧出射可实现半波片的技术效果。优选地，在所述第二抗反射膜1526与所述第二玻璃盖板1525之间增加一层正性补偿膜，取向方向与所述液晶器件131中的液晶分子初始取向相互垂直，补偿量需保证在饱和电压驱动下，蓝光通过所述液晶器件131后p光和s光相位差为零；其中，所述液晶器件中的液晶分子初始取向是指在不通电的情况下液晶分子的取向。在其它一些实施例中，也可在所述第二抗反射膜1526与所述第二玻璃盖板1525之间增加一层负性补偿膜，同理补偿量需保证在饱和电压驱动下，实现蓝光通过液晶盒后p光和s光相位差为零。
36.如图9所示，本实施例的所述液晶器件131厚度按照红光实现π相位延迟量设计；当施加电压为0时，使得红色光线对应的光相位延迟量正好达到0，此时红色光线的波片处于打开状态，即红色光线的打开电压是0v，当施加电压为v
1/2wp-r
时，使得红色光线对应的光相位延迟量正好达到π相位，此时红色光线的波片处于关闭状态，即红色光线的关闭电压是v
1/2wp-r
；同理可得出，当施加电压为v
0-g
时，使得绿色光线对应的光相位延迟量正好达到0，此时红色光线的波片处于打开状态，即绿色光线的打开电压为v
0-g
，当施加电压为v
1/2wp-g
时，使得绿色光线对应的光相位延迟量正好达到π相位，此时绿色光线的波片处于关闭状态，即绿色光线的关闭电压为v
1/2wp-g
；当施加电压为v0-b时，使得蓝色光线对应的光相位延迟量正好达到0，此时蓝色光线的波片处于打开状态，即蓝色光线的打开电压为v
0-b
，当施加电压为v
1/2wp-b
时，使得蓝色光线对应的光相位延迟量正好达到π相位，此时蓝色光线的波片处于关闭状态，即蓝色光线的关闭电压为v
1/2wp-b
。故此，电控半波片可以通过驱动电路实现对红绿蓝三色光线的π相位延迟量的校正，并且能够在时间序列上实时切换以匹配不同色通道的画面内容。
37.进一步地，所述预设驱动电路采用极性相反的交变电压信号，以防止所述第二液晶层1523在同一极性电场下发生极化现象，从而延长所述电控半波片152的使用寿命。
38.进一步地，所述第二抗反射膜1526的目的在于提高进入到所述电控半波片152的光穿透率，使得入射所述电控半波片152的光尽可能多的进入所述电控半波片152，减少入射光被反射的强度。
39.在本发明的一些较佳实施例中，本发明应用在虚拟现实显示中的光学调整系统，可以通过玻璃基液晶相位调制器13与焦深扩展模块15匹配，可以一方面大幅度提升焦面式虚拟现实显示的可视角度的同时，在保证总体焦深范围不变的前提下，提升焦面与三维场景的匹配度，从而降低液晶相位调制器的空间精度需求。当然，本发明中的与焦深扩展模块15也可以与玻璃基液晶相位调制器13之外的其他液晶相位调制器13相互匹配，实现在保证总体焦深范围不变的前提下，提升焦面与三维场景的匹配度，从而降低液晶相位调制器的
空间精度需求。
40.如图10所示，所述偏振模块12包括沿着光线传播路径依次设置的圆偏振片121、分束镜122和线偏振片123；其中，所述分束镜122采用分束棱镜；其它实施例所述分束镜122也可采用平板分束镜。需要说明的是，所述显示器11的光经过所述圆偏振片121与所述分束镜122处理后会形成调制前的焦面，经过所述分束镜122、所述线偏振片123、液晶相位调制器13处理后形成调制后的焦面，并在所述目镜14显示出来。具体实践中，结合图11所示，所述显示器11发出的光线进入所述偏振模块12，先经过所述圆偏振片121进入所述分束镜122，部分光线经所述分束镜122反射出去，而剩下的部分光线透射后经过所述线偏振片123进入所述液晶相位调制器13进行调制，调制后的光线再次返回所述分束镜122；部分的调制光线透过所述圆偏振片121透射在所述显示器11上，此时，所述圆偏振片121可以隔离该部分的调制光，防止再次反射回所述分束镜122，返回所述分束镜122的剩下的调制光经所述分束镜折转90
°
后进入所述焦深扩展模块15以达到改变光的偏振态的目的。
41.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。