一种极轻薄的虚拟现实液晶全息光学系统

本发明涉及虚拟现实显示，具体为一种极轻薄的虚拟现实液晶全息光学系统。

背景技术：

1、虚拟现实头戴显示设备的光学系统承担着放大显示图像并将其引导至人眼的重要功能。传统的光学系统通常采用实体玻璃或注塑树脂透镜，这类曲面折射透镜不可避免地具有较大的物理厚度和重量，导致头戴设备的整体体积庞大，用户佩戴容易产生疲劳感，难以满足硬件设备轻薄化的发展需求。

2、为了缩短光学系统的物理总长，目前行业内通常采用折叠光路架构，并开始尝试引入液晶光学元件替代传统的实体透镜。然而，在现有的基于液晶元件构建的折叠光学系统中，依然存在多项技术限制。首先，折叠光路依赖光线在半反半透膜与反射镜之间进行多次反复的反射和透射，这要求系统必须对光线的偏振态演化进行极为严密的控制。现有系统的偏振态转换过程不够精确，在光线多次穿透透镜时容易发生偏振错乱，产生鬼影和串扰，导致系统整体的光能利用率和对比度下降。

3、其次，基于衍射原理的液晶光学系统在大幅降低系统厚度的同时，波前像差的校正难度上升。光线在折叠腔内多次传输会累积并放大色差与单色像差，而现有的液晶相位调制结构往往缺乏足够的设计自由度，难以对光学系统中的高阶波前像差进行有效补偿，导致最终成像的边缘视场清晰度不足。此外，对于全彩显示而言，现有的液晶全息反射结构通常难以与显示面板发出的红、绿、蓝各基色光的主波长峰值实现精确对应的宽频带反射匹配，这直接导致了部分波段光线的能量损失，影响了显示画面的色彩还原度。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种极轻薄的虚拟现实液晶全息光学系统，解决了现有虚拟现实光学系统因采用传统实体透镜导致设备厚重，以及在实现光学系统轻薄化和折叠光路的过程中，面临的波前像差难以有效校正、偏振态控制不精准以及多波段光能利用率低的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：包括显示面板、半反半透膜、反射式胆甾相液晶全息透镜以及至少一个几何相液晶透镜，所述半反半透膜与所述反射式胆甾相液晶全息透镜之间形成光学反射折叠腔；

3、所述至少一个几何相液晶透镜设置于反射折叠腔内，额外的几何相液晶透镜可选布置区分别位于显示面板与半反半透膜之间、半反半透膜与反射式胆甾相液晶全息透镜之间，以及反射式胆甾相液晶全息透镜与眼盒之间。

4、本发明一种实施例为：

5、系统包括沿光轴传播方向依次设置的显示面板、第五几何相液晶透镜、半反半透膜、第四几何相液晶透镜、第三几何相液晶透镜、第二几何相液晶透镜、反射式胆甾相液晶全息透镜以及第一几何相液晶透镜，半反半透膜与反射式胆甾相液晶全息透镜之间构成光学反射折叠腔。

6、显示面板发出右旋圆偏振光，右旋圆偏振光入射至第五几何相液晶透镜并转换为左旋圆偏振光。左旋圆偏振光透射穿过半反半透膜进入光学反射折叠腔内部，穿透第四几何相液晶透镜、第三几何相液晶透镜和第二几何相液晶透镜后，抵达反射式胆甾相液晶全息透镜并发生反射。发生反射的光线反向穿过第二几何相液晶透镜、第三几何相液晶透镜和第四几何相液晶透镜，在半反半透膜发生反射并向第一几何相液晶透镜方向传播，向第一几何相液晶透镜方向传播的光线再次透过第四几何相液晶透镜、第三几何相液晶透镜和第二几何相液晶透镜，透射穿过反射式胆甾相液晶全息透镜，经第一几何相液晶透镜射出。

7、第一几何相液晶透镜至第五几何相液晶透镜均为透射式衍射光学元件。显示面板的出光面贴合有圆偏振结构件，圆偏振结构件由线偏振膜与四分之一波片层叠构成，四分之一波片的快轴方向与线偏振膜的透光轴方向呈四十五度角。

8、第一几何相液晶透镜至第五几何相液晶透镜均设置于透明基底之上，透明基底上方涂布有光取向层，光取向层上方堆叠有多层液晶层。多层液晶层包括位于最下方并与光取向层直接接触的第一液晶层，以及位于最上方的第n液晶层。多层液晶层内部具有液晶分子，第一液晶层至第n液晶层之间的接触面处液晶分子维持同向排布，多层液晶层中的每一层在垂直于透明基底的方向上具备螺旋结构。

9、半反半透膜通过光学透明胶贴合固定在第五几何相液晶透镜与第四几何相液晶透镜的基底表面。半反半透膜由透明支撑基底以及附着于透明支撑基底表面的光学分光薄膜构成，光学分光薄膜的透射率和反射率的取值范围均控制在45%至55%之间。

10、反射式胆甾相液晶全息透镜采用多层叠加结构，包括透明基底，以及在透明基底之上沿光轴传播方向依次层叠的第一胆甾相液晶层、第二胆甾相液晶层和第三胆甾相液晶层，第一胆甾相液晶层、第二胆甾相液晶层和第三胆甾相液晶层内部均具备螺旋结构。显示面板发出的光线包含蓝光主波长峰值、绿光主波长峰值和红光主波长峰值，第一胆甾相液晶层、第二胆甾相液晶层和第三胆甾相液晶层的反射中心波长分别与蓝光主波长峰值、绿光主波长峰值和红光主波长峰值对齐。

11、第一几何相液晶透镜至第五几何相液晶透镜内部均具有液晶分子，液晶分子的分子方位角具有二维空间分布，二维空间分布满足包含高阶相位项分布函数的相位分布函数要求，高阶相位项分布函数用于波前像差校正，高阶相位项分布函数采用偶次非球面多项式或泽尼克多项式表征。

12、第一胆甾相液晶层、第二胆甾相液晶层和第三胆甾相液晶层内部均具有取向层和胆甾相液晶分子，取向层引导胆甾相液晶分子的方位角连续变化，第一胆甾相液晶层、第二胆甾相液晶层和第三胆甾相液晶层均具有独立的用于波前像差校正的高阶相位项分布函数。

13、左旋圆偏振光在连续穿透第四几何相液晶透镜、第三几何相液晶透镜和第二几何相液晶透镜时偏振态发生三次交替变换，穿过第四几何相液晶透镜后转换为右旋圆偏振光，透过第三几何相液晶透镜后转为左旋圆偏振光，透过第二几何相液晶透镜后重新转变为右旋圆偏振光；抵达反射式胆甾相液晶全息透镜表面的光线维持右旋圆偏振态不变进行反射。

14、本发明提供了一种极轻薄的虚拟现实液晶全息光学系统。具备以下有益效果：

15、1、本发明通过半反半透膜与反射式胆甾相液晶全息透镜构成光学反射折叠腔，使光线在系统内部通过多次反射和透射折叠光路，缩短了光学系统所需的物理总长。系统中采用的透镜均为基于透明基底和光取向层堆叠液晶层制成的几何相液晶透镜和胆甾相液晶透镜，此类透射式衍射光学元件代替了传统的实体曲面玻璃透镜，降低了系统的整体重量和体积，满足了虚拟现实硬件轻薄化的结构需求。

16、2、本发明通过对液晶分子空间排布的控制实现了系统像差的校正，第一至第五几何相液晶透镜内部液晶分子的二维空间分布满足高阶相位项分布函数要求，并采用偶次非球面多项式或泽尼克多项式表征；同时，反射式胆甾相液晶全息透镜内部的三层胆甾相液晶层均设有独立的用于不同波段波前像差校正的高阶相位项分布函数。这种针对不同透镜及不同波段光线独立调控分子方位角的设计，抑制了光路传输中的色差和单色像差，提高了系统成像的清晰度。

17、3、本发明通过偏振态演化控制与波长对齐机制提高了光能利用率和色彩表现，系统通过各几何相液晶透镜对左、右旋圆偏振光进行多次精准转换，确保光线在抵达反射式胆甾相液晶全息透镜时维持右旋圆偏振态，从而实现高效率的反射，减少了偏振错乱引发的光能损耗。同时，反射式胆甾相液晶全息透镜包含的三层胆甾相液晶层，其反射中心波长分别与显示面板的蓝、绿、红光主波长峰值对应对齐，保证了系统对各基色光的反射效率和画面的色彩还原度。