显示装置及用于控制该显示装置的方法与流程

本发明的实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种显示装置以及用于控制该显示装置的方法。

背景技术

现代计算技术和显示技术已经促进了用于所谓“虚拟现实”或者“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现的图像或者其部分以看起来是真实的或者可感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“vr”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而不显示实际的真实世界；增强现实或“ar”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的实际世界的可视化的增强。目前，vr和ar已经被开发成可以通过廉价装置(例如移动电话组件)以低成本实现的技术。特别是，高分辨率微型显示器和现代gpu(图形处理单元)的发展促进了非常逼真的体验。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种显示装置和用于控制该显示装置的方法，其能够实现多深度空间成像。

在本发明的一方面，提供一种显示装置。该显示装置包括显示面板和位于所述显示面板的出光侧的多焦透镜，所述多焦透镜包括层叠设置的至少两个聚光状态可切换透镜。每个聚光状态可切换透镜能够从聚光状态和非聚光状态中的一者切换到另一者。

在本发明的一些实施例中，该显示装置还包括导光结构，所述导光结构被配置为将从所述多焦透镜出射的光引导朝向用户的眼睛。

在本发明的一些实施例中，所述导光结构包括入耦合光栅、导光板和出耦合光栅。所述入耦合光栅被配置为将从所述多焦透镜出射的光耦合到所述导光板，所述出耦合光栅被配置为将所述光耦合出所述导光板。

在本发明的一些实施例中，所述入耦合光栅和所述多焦透镜位于所述导光板的一端并且所述导光板设置于所述入耦合光栅和所述多焦透镜之间，所述出耦合光栅位于所述导光板的另一端，所述出耦合光栅与所述入耦合光栅位于导光板的相同侧。

在本发明的一些实施例中，所述出耦合光栅的光栅常数d满足：

其中，n’为所述导光板的折射率，λ为入射光波长。

在本发明的一些实施例中，所述导光结构包括第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜，其中，所述第一偏振分光棱镜被配置为将来自所述多焦透镜的光反射到所述第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜被配置为将来自所述第一偏振分光棱镜的光反射到用户眼睛并将来自环境的光折射到用户眼睛。

在本发明的一些实施例中，每个聚光状态可切换透镜包括：第一透明电极；第二透明电极；位于所述第一透明电极和所述第二透明电极之间的液晶层；以及聚光元件。所述聚光元件位于所述第一透明电极朝向所述第二透明电极的一侧或者位于所述第二透明电极的朝向所述第一透明电极的一侧。所述多焦透镜还包括位于所述多焦透镜的靠近所述显示面板的一侧的偏振器。

在导光结构包括第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的实施例中，所述偏振器的透光轴的方向平行于所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜的反射光的偏振方向。

在本发明的一些实施例中，所述显示面板的出射光为沿平行于所述偏振器的透光轴的方向偏振的偏振光。

在本发明的一些实施例中，所述液晶层中的液晶分子具有与所述偏振器的透光轴平行的初始配向。

在本发明的一些实施例中，所述液晶层被配置为基于施加到所述第一透明电极和所述第二透明电极的电压从第一折射率和第二折射率中的一者切换到另一者。所述第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的所述聚光元件的折射率，所述第二折射率等于相应聚光状态可切换透镜的所述聚光元件的折射率。

在本发明的一些实施例中，所述至少两个聚光状态可切换透镜包括第一聚光状态可切换透镜和第二聚光状态可切换透镜。所述多焦透镜还包括第一基板、第二基板和第三基板，其中所述第二基板位于所述第一基板和所述第三基板之间。所述第一聚光状态可切换透镜位于所述第一基板和所述第二基板之间。所述第二聚光状态可切换透镜位于所述第二基板和所述第三基板之间。所述偏振器位于所述第一基板的背离所述第一聚光状态可切换透镜的一侧。

在本发明的一些实施例中，该显示装置还包括控制单元，所述控制单元被配置为：在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间不产生电压差，以使所述多焦透镜具有所述第一聚光状态可切换透镜的焦距；在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间不产生电压差并在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差，以使所述多焦透镜具有所述第二聚光状态可切换透镜的焦距；或在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差，以使所述多焦透镜具有所述第一聚光状态可切换透镜和所述第二聚光状态可切换透镜的组合焦距。

在本发明的一些实施例中，每个聚光状态可切换透镜还包括第三透明电极，所述第三透明电极和所述第二透明电极位于所述液晶层的背离所述聚光元件的一侧，并且所述第三透明电极与所述第二透明电极绝缘。

在本发明的一些实施例中，所述液晶层被配置为基于施加到所述第一透明电极、所述第二透明电极和所述第三透明电极的电压从第一折射率和第二折射率中的一者切换到另一者。所述第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的所述聚光元件的折射率，所述第二折射率等于相应聚光状态可切换透镜的所述聚光元件的折射率。

在本发明的一些实施例中，所述至少两个聚光状态可切换透镜包括第一聚光状态可切换透镜和第二聚光状态可切换透镜。所述多焦透镜还包括第一基板、第二基板和第三基板。所述第二基板位于所述第一基板和所述第三基板之间。所述第一聚光状态可切换透镜位于所述第一基板和所述第二基板之间。所述第二聚光状态可切换透镜位于所述第二基板和所述第三基板之间。所述偏振器位于所述第一基板的背离所述第一聚光状态可切换透镜的一侧。

在本发明的一些实施例中，该显示装置还包括控制单元，所述控制单元被配置为：在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第二透明电极和第三透明电极之间产生电压差且对所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜具有所述第一聚光状态可切换透镜的焦距；在所述第一聚光状态可切换透镜的第二透明电极和第三透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并对所述第二聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜具有所述第二聚光状态可切换透镜的焦距；或者在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并对所述第二聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜具有所述第一聚光状态可切换透镜和所述第二聚光状态可切换透镜的组合焦距。

在本发明的一些实施例中，所述第一透明电极和所述第二透明电极为面状电极，所述第三透明电极包括多个平行的条状电极。

在本发明的一些实施例中，所述聚光元件包括环形相位衍射光栅。

在本发明的一些实施例中，所述环形相位衍射光栅包括同心设置的多个光栅单元，每个光栅单元包括n＝2^m个台阶，其中m为自然数。

根据本发明的实施例提供的显示装置，由于显示装置的多焦透镜(作为成像透镜)可以在多个焦距之间切换，因此可以实现多个深度空间成像，并且可以有效地缓解由于遭受调节-会聚冲突而导致的视觉疲劳、眩晕以及其他视觉不适。

在本发明的另一方面，提供一种用于控制显示装置的方法。该方法包括：

在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间不产生电压差，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜的焦距；

在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间不产生电压差并在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差，以使所述多焦透镜切换为所述第二聚光状态可切换透镜的焦距；或者

在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜和所述第二聚光状态可切换透镜的组合焦距。

在本发明的又一方面，提供另一种控制显示装置的方法。该方法包括：

在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第二透明电极和第三透明电极之间产生电压差且对所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜的焦距；

在所述第一聚光状态可切换透镜的第二透明电极和第三透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并对所述第二聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜切换为所述第二聚光状态可切换透镜的焦距；或者

在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并对所述第二聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜和所述第二聚光状态可切换透镜的组合焦距。

适应性的进一步的方面和范围从本文中提供的描述变得明显。应当理解，本申请的各个方面可以单独或者与一个或多个其他方面组合实施。还应当理解，本文中的描述和特定实施例旨在仅说明的目的并不旨在限制本申请的范围。

附图说明

本文中描述的附图用于仅对所选择的实施例的说明的目的，并不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本申请的范围，其中：

图1示出在本发明的一些实施例中的显示装置的示意图；

图2示出在本发明的一些实施例中的示例的导光结构的示意图；

图3示出在本发明的一些实施例中的显示装置的半视场角ω、导光板内的折射角ω′以及光栅的衍射角θ1和θ2；

图4示出在本发明的一些实施例中的显示装置的半视场角ω与光栅常数d之间的关系曲线；

图5示出在本发明的一些实施例中的另一种示例的导光结构的示意图；

图6示出在本发明的一些实施例中的示例的多焦透镜的示意图；

图7示出图6所示实施例中的多焦透镜具有第一聚光状态可切换透镜的第一焦距的情况；

图8示出图6所示的实施例中的多焦透镜具有第二聚光状态可切换透镜的第二焦距的情况；

图9示出图6所示的实施例中的多焦透镜具有由第一聚光状态可切换透镜和第二聚光状态可切换透镜组合而形成的第三焦距的情况；

图10示出在本发明的一些实施例中的另一示例的多焦透镜的示意图；

图11示出图10所示的实施例中的多焦透镜具有第一聚光状态可切换透镜的第一焦距的情况；

图12示出图10所示的实施例中的多焦透镜具有第二聚光状态可切换透镜的第二焦距的情况；

图13示出图10所示的实施例中的多焦透镜具有由第一聚光状态可切换透镜和第二聚光状态可切换透镜组合而形成的第三焦距的情况；

图14示意性示出在本发明的一些实施例中的二台阶相位衍射光栅的俯视图；

图15示意性示出在本发明的一些实施例中的二台阶、四台阶以及八台阶的相位衍射光栅的截面图；

图16示出在本发明的一些实施例中偏振分光棱镜对入射光的偏振状态的影响。

贯穿这些附图的各个视图，相应的参考编号指示相应的部件或特征。

具体实施方式

现将参考附图详细描述各种实施例，其作为本发明的示例性示例而提供，以使得本领域技术人员能够实现本发明。值得注意的是，以下附图和示例并不意味着限制本发明的范围。在使用已知的组件(或方法或过程)可以部分或全部实现本发明的特定元件的情况下，将仅描述对理解本发明所需要的这种已知组件(或方法或过程)的那些部分，并且这种已知组件的其它部分的详细描述将被省略以便不会混淆本发明。进一步地，各种实施例通过说明的方式包含与在此涉及的组件等同的现在和未来已知的等同物。

此外，还需要说明的是，当介绍本申请的元素及其实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或者多个要素；除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；用语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”旨在包括性的并且表示可以存在除所列要素之外的另外的要素；术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性及形成顺序。

出于下文表面描述的目的，如其在附图中被标定方向那样，术语“上”、“下”、“左”、“右”“垂直”、“水平”、“顶”、“底”及其派生词应涉及发明。术语“上覆”、“在……顶上”、“定位在……上”或者“定位在……顶上”意味着诸如第一结构的第一要素存在于诸如第二结构的第二要素上，其中，在第一要素和第二要素之间可存在诸如界面结构的中间要素。术语“直接接触”意味着连接诸如第一结构的第一要素和诸如第二结构的第二要素，而在两个要素的界面处没有任何中间导电、绝缘或者半导体层。

在虚拟现实或增强现实显示技术中，通过在作为图像源的显示面板的前方设置放大镜来形成被用户观看的放大的虚像。作为ar显示装置的一种示例，ar显示装置可以包括显示面板、成像透镜(作为放大镜)、以及导光结构。显示面板位于成像透镜的焦距以内，使得成像透镜形成显示面板所显示的物体的放大的虚像。导光结构可以将来自显示面板的成像光线和环境光都导入人眼，从而形成ar显示。vr显示装置与ar显示装置类似，都是通过将显示面板放置在成像透镜的焦距以内，以形成物体的虚像，不同之处在于vr显示装置对环境光不透明。

然而，在ar或vr显示装置中使用的成像透镜一般具有固定的焦距，因此只允许在一个深度空间成像，不能实现多个深度空间成像。因此，存在能够实现多个深度空间成像的显示装置的需要。

图1示出在本发明的一些实施例中的显示装置的示意图。如图1所示，该显示装置可以包括显示面板11和位于显示面板11的出光侧的多焦透镜12。该多焦透镜12可以包括层叠设置的第一聚光状态可切换透镜121和第二聚光状态可切换透镜122，每个聚光状态可切换透镜能够从聚光状态和非聚光状态中的一者切换到另一者。

作为示例，在第一聚光状态可切换透镜121处于聚光状态，而第二聚光状态可切换透镜122处于非聚光状态的情况下，多焦透镜可以具有第一聚光状态可切换透镜121的第一焦距；在第一聚光状态可切换透镜121处于非聚光状态，而第二聚光状态可切换透镜122处于聚光状态的情况下，多焦透镜可以具有第二聚光状态可切换透镜122的第二焦距；在第一聚光状态可切换透镜121和第二聚光状态可切换透镜122都处于聚光状态的情况下，多焦透镜可以具有由第一聚光状态可切换透镜121和第二聚光状态可切换透镜122组合而形成的第三焦距。当多焦透镜12选择第一焦距时，可以将显示面板上的图像成像在第一像平面13a；当多焦透镜12选择第二焦距的情况下，可以将显示面板上的图像成像在第二像平面13b；当多焦透镜12选择第三焦距的情况下，可以将显示面板上的图像成像在第三像平面13c。因此，该显示装置的多焦透镜可以在至少3个焦距之间切换，因此可以实现至少3个深度空间成像。

需要说明的是，在上面或下面详细描述的实施例中，仅以多焦透镜12具有两个聚光状态可切换透镜的情况为例进行详细说明。然而，具有两个以上聚光状态可切换透镜的情况同样适于本发明。在多焦透镜包括n(n≥2)个聚光状态可切换透镜的情况下，可以至少具有个焦距。

本发明的实施例提供的显示装置可以是例如ar显示装置、vr显示装置、或者其他3d显示装置。

在相关技术中，3d显示装置提供双眼视差，其支持在深度空间上多个点上的会聚，但是具有固定焦距的成像透镜仅允许图像成像在像平面上，用户的眼睛只能在像平面上调节，因此遭受调节-会聚冲突(accommodation–convergenceconflict)。这些约定显示通常将调节提示(accommodationcue)与会聚提示(convergencecue)解耦并将调节提示与固定距离相联系。因此，这种调节-会聚冲突会造成在观看立体图像的过程中的视觉疲劳、眩晕或其他不适。

根据本发明的实施例提供的显示装置，由于显示装置的多焦透镜(作为成像透镜)可以在多个焦距之间切换，因此可以根据不同的虚拟显示内容而选择成像透镜的不同焦距，从而可以有效地缓解由于遭受调节-会聚冲突而导致的视觉疲劳、眩晕以及其他视觉不适。

在本发明的可选实施例中，显示装置还可以包括导光结构，其被配置为将从多焦透镜出射的光引导朝向用户的眼睛。在显示装置为vr显示装置的情况下，导光结构可以被配置为对环境光不透明，以便用户不能看到周围环境中的真实物体而仅看到显示面板上显示的图像。在显示装置为ar显示装置的情况下，导光结构还被配置为将环境光引导朝向用户的眼睛，以便用户可以看到显示面板上的物体的图像以及周围环境中的真实物体。

在以下的描述中，以显示装置为ar显示装置为例进行详细说明。vr显示装置可以具有与ar显示装置基本类似的结构，不同之处在于在vr显示装置对环境光不透明。

图2示出在本发明的一些实施例中的一种示例的导光结构的示意图。如图2所示，导光结构可以包括入耦合光栅15、导光板17和出耦合光栅16。入耦合光栅15和多焦透镜12可以位于导光板17的一端，并且导光板17夹设在入耦合光栅15和多焦透镜12之间。出耦合光栅16可以位于导光板17的另一端的与入耦合光栅15相同的一侧。入耦合光栅15可以将从多焦透镜12出射的光耦合到导光板17。被入耦合光栅15耦合的光在导光板17内传播到位于导光板17的另一端，然后被出耦合光栅16耦合出导光板17，以便被用户的眼睛14接收。在本发明的显示装置为ar显示装置的情况下，出耦合光栅16和导光板17还可以透过环境光，以便用户可以看到显示面板11上的物体的图像以及周围环境中的真实物体。

显示装置的视场角取决于出耦合光栅16的光栅常数以及导光板17的折射率。图3示出在本发明的一些实施例中的显示装置的半视场角ω、导光板内的折射角ω′以及光栅的衍射角θ1和θ2。

根据折射定律，有：

sinω＝n'sinω'(1)

根据光栅方程和导光板17的全反射条件，可导出如下方程式：

n'dsinθ1+n'dsinω'＝λ(2)

n'dsinθ2-n'dsinω'＝λ(3)

其中，n′为导光板17的折射率，d为出耦合光栅16的光栅常数(光栅周期)。

根据式(1)-(5)可导出：

由此，半视场角ω和光栅常数d具有如下关系：

由式(7)可以进一步得出半视场角与光栅常数之间具有如下关系：

图4示出在本发明的一些实施例中的显示装置的半视场角ω与光栅常数d之间的关系曲线。如图4所示，当时，半视场角具有最大值。

因此，在本发明的实施例中，可以将出耦合光栅的光栅常数d设置为以便获得显示装置的最大视场角。

图5示出在本发明的一些实施例中的另一种示例的导光结构的示意图。如图5所示，导光结构可以包括第一偏振分光棱镜18和第二偏振分光棱镜19。第一偏振分光棱镜18可以将来自多焦透镜12的光反射到第二偏振分光棱镜19，第二偏振分光棱镜19可以将来自第一偏振分光棱镜18的光反射到用户的眼睛14。在显示装置为ar显示装置的情况下，第二偏振分光棱镜19还可以透射环境光，以便将环境光导向用户的眼睛。

在本发明的一些实施例中，第一偏振分光棱镜18和第二偏振分光棱镜19可以是通过如下方式形成的立方体结构：在直角棱镜的斜面上交替地蒸镀多层具有高折射率和低折射率的光学膜，然后将其与另一块相同棱镜的斜面胶合在一起。

图6示出在本发明的一些实施例中的示例的多焦透镜的示意图。如图6所示，多焦透镜12可以包括第一聚光状态可切换透镜121、第二聚光状态可切换透镜122、以及偏振器64。第一聚光状态可切换透镜121和第二聚光状态可切换透镜122层叠设置。第一聚光状态可切换透镜121可以包括第一透明电极1211、第二透明电极1212、位于第一透明电极1211和第二透明电极1212之间的液晶层1213以及聚光元件1214。类似地，第二聚光状态可切换透镜122可以包括第一透明电极1221、第二透明电极1222、位于第一透明电极1221和第二透明电极1222之间的液晶层1223以及聚光元件1224。在图6所示的实施例中，第一聚光状态可切换透镜121的聚光元件1214位于第一聚光状态可切换透镜121的第一透明电极1211和液晶层1213之间，并且第二聚光状态可切换透镜122的聚光元件1224位于第二聚光状态可切换透镜122的第一透明电极1221和液晶层1223之间。然而，每个聚光状态可切换透镜的聚光元件的位置不限于此。例如，第一和第二聚光状态可切换透镜的聚光元件可以位于相应聚光状态可切换透镜的第一和第二透明电极中的任一个的靠近液晶层的一侧。

在本发明的一些实施例中，每个聚光状态可切换透镜的第一透明电极1211、1221和第二透明电极1212、1222都为面状电极。

再次如图6所示，多焦透镜12还可以包括第一基板61、第二基板62和第三基板63。第二基板62位于第一基板61和第三基板63之间。第一聚光状态可切换透镜121位于第一基板61和第二基板62之间，并且第二聚光状态可切换透镜122位于第二基板62和第三基板63之间。偏振器64位于第一基板61的背离第一聚光状态可切换透镜121的一侧。

在本发明的一些实施例中，每个聚光状态可切换透镜的液晶层1213、1223中液晶分子可以具有与偏振器64的透光轴平行的初始配向，以使得入射到液晶层中的光的偏振方向平行于液晶分子的长轴。示例地，液晶分子的长轴平行于第一基板61。在本发明的实施例中，可以通过任何已知技术对液晶层中的液晶分子进行初始配向，例如，摩擦配向技术或光配向技术。

在本发明的一些实施例中，每个聚光状态可切换透镜的液晶层可以基于施加在相应的第一透明电极和第二透明电极的电压在第一折射率和第二折射率之间切换。第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，第二折射率等于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率。在示例的实施例中，可以通过控制单元65来控制施加在每个聚光状态可切换透镜的两个透明电极的电压。

作为示例，当第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213具有第一折射率，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223具有第二折射率时，第一聚光状态可切换透镜121处于聚光状态，而第二聚光状态可切换透镜122处于非聚光状态。在这种情况下，第一聚光状态可切换透镜121可作为具有第一焦距f1′的聚焦透镜，而第二聚光状态可切换透镜122可以作为透明平板，因此，多焦透镜12可以具有第一聚光状态可切换透镜121的第一焦距f1′。作为另一示例，当第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213具有第二折射率，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223具有第一折射率时，第一聚光状态可切换透镜121处于非聚光状态，而第二聚光状态可切换透镜122处于聚光状态。在这种情况下，第一聚光状态可切换透镜121可以作为透明平板，而第二聚光状态可切换透镜122可以作为具有第二焦距f2′的聚焦透镜，因此，多焦透镜12可以具有第二聚光状态可切换透镜122的第二焦距f2′。作为又一示例，当第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213和第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223都具有第一折射率时，第一聚光状态可切换透镜121和第二聚光状态可切换透镜122都处于聚光状态。在这种情况下，第一聚光状态可切换透镜121可以作为具有第一焦距f1′的聚焦透镜，而第二聚光状态可切换透镜122可以作为具有第二焦距f2′的聚焦透镜，因此，多焦透镜12可以具有由第一聚光状态可切换透镜121的第一焦距f1′和第二聚光状态可切换透镜122的第二焦距f2′组合的第三焦距f3′。

以下结合图7-9对图6所示的实施例中的多焦透镜的多个焦距的切换方式进行详细说明。

图7示出图6所示实施例中的多焦透镜具有第一聚光状态可切换透镜的第一焦距的情况。如图7所示，控制单元65在第一聚光状态可切换透镜121的第一透明电极1211和第二透明电极1212之间产生电压差而在第二聚光状态可切换透镜122的第一透明电极1221和第二透明电极1222之间不产生电压差，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213中的液晶分子在竖直电场的驱动下沿着电场方向偏转。在这种情况下，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213中液晶分子的长轴垂直于偏振器64的透光轴。对于入射偏振光而言，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213具有第一折射率。由于第二聚光状态可切换透镜122的两个电极之间没有电压差，因此第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223中的液晶分子不偏转。对于入射偏振光而言，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层具有第二折射率。由于第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，第二折射率等于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，因此第一聚光状态可切换透镜121可以作为具有第一焦距f1′的聚焦透镜，而第二聚光状态可切换透镜122可以作为透明平板(不具有聚光作用)。此时，多焦透镜12可以具有第一聚光状态可切换透镜121的第一焦距f1′。该第一焦距f1′为由第一聚光状态可切换透镜的121聚光元件1214和液晶层1213形成的等效焦距。

图8示出图6所示的实施例中的多焦透镜具有第二聚光状态可切换透镜的第二焦距的情况。如图8所示，控制单元64在第二聚光状态可切换透镜122的第一透明电极1221和第二透明电极1222之间产生电压差而在第一聚光状态可切换透镜121的第一透明电极1211和第二透明电极1212之间不产生电压差，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223中的液晶分子在竖直电场的驱动下沿着电场方向偏转。在这种情况下，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223中液晶分子的长轴垂直于与偏振器64的透光轴。对于入射偏振光而言，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223具有第一折射率。由于第一聚光状态可切换透镜121的两个电极之间没有电压差，因此第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213中的液晶分子不偏转。对于入射偏振光而言，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213具有第二折射率。由于第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，第二折射率等于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，因此第二聚光状态可切换透镜122可以作为具有第二焦距f2′的聚焦透镜，而第一聚光状态可切换透镜121可以作为透明平板(不具有聚光作用)。此时，多焦透镜12可以具有第二聚光状态可切换透镜122的第二焦距f2′。该第二焦距f2′为由第二聚光状态可切换透镜122的聚光元件1224和液晶层1223形成的等效焦距。

图9示出图6所示的实施例中的多焦透镜具有由第一聚光状态可切换透镜和第二聚光状态可切换透镜组合而形成的第三焦距的情况。如图9所示，控制单元65在第一聚光状态可切换透镜121的第一透明电极1211和第二透明电极1212之间产生电压差并在第二聚光状态可切换透镜122的第一透明电极1221和第二透明电极1222之间也产生电压差，第一和第二聚光状态可切换透镜的液晶层中的液晶分子在竖直电场的驱动下沿着电场方向偏转。在这种情况下，第一和第二聚光状态可切换透镜的液晶层中液晶分子的长轴垂直于与偏振器64的透光轴。对于入射偏振光而言，第一和第二聚光状态可切换透镜的液晶层都具有第一折射率。由于第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，因此第一聚光状态可切换透镜121可以作为具有第一焦距f1′的聚焦透镜，并且第二聚光状态可切换透镜122可以作为具有第二焦距f2′的聚焦透镜。此时，多焦透镜65可以具有由第一聚光状态可切换透镜121的第一焦距f1′和第二聚光状态可切换透镜122的第二焦距f2′组合而形成的第三焦距f3′。

因此，通过控制单元65控制第一聚光状态可切换透镜121的两个电极之间的电压差以及第二聚光状态可切换透镜122的两个电极之间的电压差，可以使多焦透镜65在至少3个焦距之间切换。三个焦距之间具有如下关系式：

其中，d为第一聚光状态可切换透镜和第二聚光状态可切换透镜之间的等效距离。

图10示出在本发明的一些实施例中的另一示例的多焦透镜的示意图。在图10所示的实施例中，多焦透镜12除了具有图6所示的实施例中的部件之外，第一聚光状态可切换透镜121和第二聚光状态可切换透镜122中的每一个还具有第三透明电极1215、1225。每个聚光状态可切换透镜的第三透明电极1215、1225位于对应液晶层的背离聚光元件的一侧，并且与第二透明电极绝缘。在该实施例中，第一聚光状态可切换透镜121和第二聚光状态可切换透镜122中的每一个的液晶层可以基于施加到相应的第一透明电极、第二透明电极和第三透明电极的电压而从第一折射率和第二折射率中的一者切换到另一者，使得多焦透镜可以在第一焦距、第二焦距和第三焦距之间切换。在示例的实施例中，每个聚光状态可切换透镜的第三透明电极可以包括多个平行的条状电极。

在图10所示的实施例中，由于每个聚光状态可切换透镜具有第三透明电极，当控制单元65在第三透明电极和第一透明电极之间产生适当的电压差时，可以使得液晶层中的液晶分子具有平行于偏振器的透光轴的取向，因此不需要对液晶层中的液晶分子进行初始配向。

以下结合图11-13对图10所示的实施例中的多焦透镜的多个焦距的切换方式进行详细说明。

图11示出图10所示的实施例中的多焦透镜具有第一聚光状态可切换透镜的第一焦距的情况。如图11所示，控制单元65可以在第一聚光状态可切换透镜121的第一透明电极1211和第二透明电极1212之间产生电压差，对第一聚光状态可切换透镜121的第三透明电极1215不施加电压，并且在第二聚光状态可切换透镜122的第二透明电极1222和第三透明电极1225之间产生电压差，对第二聚光状态可切换透镜122的第一透明电极1221不施加电压。在这种情况下，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213中的液晶分子在第一聚光状态可切换透镜121的第一和第二透明电极之间的垂直电场的作用下具有垂直取向，即长轴方向垂直于偏振器65的透光轴。对于入射偏振光而言，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213具有第一折射率。第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223中的液晶分子在由第二聚光状态可切换透镜122的第二透明电极1222和第三透明电极1225产生的电场的作用下具有水平取向，即，长轴方向平行于偏振器的透光轴。对于入射偏振光而言，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223具有第二折射率。由于第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，第二折射率等于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，因此第一聚光状态可切换透镜121可以作为具有第一焦距f1′的聚焦透镜，而第二聚光状态可切换透镜122可以作为透明平板(不具有聚光作用)。此时，多焦透镜12可以具有第一聚光状态可切换透镜121的第一焦距f1′。

图12示出图10所示的实施例中的多焦透镜具有第二聚光状态可切换透镜的第二焦距的情况。如图12所示，控制单元65可以在第二聚光状态可切换透镜122的第一透明电极1221和第二透明电极1222之间产生电压差，对第二聚光状态可切换透镜122的第三透明电极1225不施加电压，并且在第一聚光状态可切换透镜121的第二透明电极1212和第三透明电极1215之间产生电压差，对第一聚光状态可切换透镜121的第一透明电极1211不施加电压。在这种情况下，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223中的液晶分子在第二聚光状态可切换透镜122的第一和第二透明电极之间的垂直电场的作用下具有垂直取向，即长轴方向垂直于偏振器64的透光轴。对于入射偏振光而言，第二聚光状态可切换透镜122的液晶层具有第一折射率。第一聚光状态可切换透镜121的液晶层中的液晶分子在由第一聚光状态可切换透镜121的第二透明电极1212和第三透明电极1215产生的水平电场的作用下具有水平取向，即，长轴方向平行于偏振器64的透光轴。对于入射偏振光而言，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213具有第二折射率。由于第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，第二折射率等于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，因此第二聚光状态可切换透镜122可以作为具有第二焦距f2′的聚焦透镜，而第一聚光状态可切换透镜121可以作为透明平板(不具有聚光作用)。此时，多焦透镜12可以具有第二聚光状态可切换透镜122的第二焦距f2′。

图13示出图10所示的实施例中的多焦透镜具有由第一聚光状态可切换透镜和第二聚光状态可切换透镜组合而形成的第三焦距的情况。如图13所示，控制单元65可以在第一聚光状态可切换透镜121的第一透明电极1211和第二透明电极1212之间产生电压差，对第一聚光状态可切换透镜121的第三透明电极1215不施加电压，并且在第二聚光状态可切换透镜122的第一透明电极1221和第二透明电极1222之间产生电压差，对第二聚光状态可切换透镜122的第三透明电极1225不施加电压。在这种情况下，第一聚光状态可切换透镜121的液晶层1213中的液晶分子在第一聚光状态可切换透镜121的第一和第二透明电极之间的垂直电场的作用下具有垂直取向；第二聚光状态可切换透镜122的液晶层1223中的液晶分子在第二聚光状态可切换透镜122的第一和第二透明电极之间的垂直电场的作用下具有垂直取向。也就是说，第一和第二聚光状态可切换透镜的液晶层中的液晶分子的长轴方向都垂直于偏振器的透光轴。对于入射偏振光而言，第一和第二聚光状态可切换透镜的液晶层都具有第一折射率。由于第一折射率小于相应聚光状态可切换透镜的聚光元件的折射率，因此第一聚光状态可切换透镜121可以作为具有第一焦距f1′的聚焦透镜，并且第二聚光状态可切换透镜122可以作为具有第二焦距f2′的聚焦透镜。此时，多焦透镜12可以具有由第一聚光状态可切换透镜121的第一焦距f1′和第二聚光状态可切换透镜122的第二焦距f2′组合而形成的第三焦距f3′。

由于图6所示的实施例或图10所示的实施例中的多焦透镜12可以具有三个聚光状态可切换的焦距，因此本发明的实施例提供的使用这种多焦透镜的显示装置可以形成三个聚光状态可切换的成像空间深度的虚像。

在本发明的示例的实施例中，每个聚光状态可切换透镜的聚光元件1214、1224可以包括环形相位衍射光栅。作为示例，环形相位衍射光栅可以包括同心设置的多个光栅单元，每个光栅单元可以包括n＝2^m个台阶，其中m为自然数。可以理解，每个光栅单元包含的台阶数量越多，衍射效率越高。

由于衍射光栅可以具有较小的厚度，例如，纳米量级，因此使用环形相位衍射光栅作为多焦透镜中的聚光元件可以大大降低多焦透镜的厚度，从而可以减小整个显示装置的厚度。

下面结合图14和15对第一聚光状态可切换透镜的环形相位衍射光栅的参数设计进行详细说明。图14示意性示出在本发明的一些实施例中的二台阶相位衍射光栅的俯视图；图15示意性示出在本发明的一些实施例中的二台阶、四台阶以及八台阶的相位衍射光栅的截面图。

如图14和15所示，环形相位衍射光栅包括第1至m个光栅单元，m为正整数。每个光栅单元包括n＝2^m个台阶，相邻台阶的相位差为2π/n，台阶高度为其中λ为入射光波长(当入射光为白光时，通常设定λ＝587nm)，n为聚光元件的折射率，no为第一折射率。

对于图14中的二台阶相位衍射光栅，根据衍射光栅的性质，第j个光栅单元中的两个环带半径rj,1、rj,2满足如下关系式：

其中，j为小于或等于m的正整数，f1′为第一聚光状态可切换透镜的环形相位衍射光栅的焦距。

根据式(10)和(11)可得到二台阶相位衍射光栅的第j个光栅单元的两个台阶的宽度分别为：

dj,1＝rj,1-rj-1,2(12)

dj,2＝rj,2-rj,1(13)

对于n个台阶的相位衍射光栅，每个光栅单元具有n-1个相同宽度的台阶，剩余一个台阶的宽度与上述n-1个台阶的宽度不同。第j光栅单元中具有相同宽度的n-1个台阶的宽度为：

第j光栅单元中剩余一个台阶的宽度为：

作为示例，对于八台阶相位衍射光栅，根据式(14)和(15)可得出第一光栅单元中7个相同台阶的宽度为剩余一个台阶的宽度为第二光栅单元中7个相同台阶的宽度为剩余一个台阶的宽度为第三光栅单元中7个相同台阶的宽度为剩余一个台阶的宽度为

第二聚光状态可切换透镜的环形相位衍射光栅的参数设计过程可以与第一聚光状态可切换透镜的设计过程类似。

如上所述，导光结构可以采用两个偏振分光棱镜。偏振分光棱镜可以将入射光分解成两束偏振方向垂直的线偏振光。图16示出在本发明的一些实施例中偏振分光棱镜对入射光的偏振状态的影响。如图16所示，以布儒斯特角(例如45°)入射到偏振分光棱镜的多层光学膜上的自然光在两个棱镜的胶合处经过多次反射和折射，可以分解成两束偏振方向垂直s光和p光，其中偏振方向垂直于入射面的s光被反射，而偏振方向平行于入射面的p光完全透射。

在本发明的一些实施例中，为了提高光的利用率，可以将偏振器的透光轴的方向设计为与第一和第二偏振分光棱镜的反射光的偏振方向，即s光的偏振方向。通过这种配置，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜可以将来自于多焦透镜的偏振光全部导向用户的眼睛，因此可以提高光的利用率。

在本发明的一些实施例中，显示面板可以是可以显示图像的任何类型的显示面板，其包括但不限于lcd显示面板、led显示面板、oled显示面板。

在使用lcd显示面板的情况下，从显示面板出射的光为偏振光。在这种情况下，可以将多焦透镜的偏振器的透光轴的方向设置为与从显示面板出射的光的偏振方向平行，以便从显示面板出射的光都能够入射到多焦透镜中。可选地，可以通过对lcd显示面板、多焦透镜的偏振器以及第一和第二偏振分光棱镜进行设计，使得从lcd显示面板出射的光的偏振方向与偏振器的透光轴的方向和偏振分光棱镜的反射光的偏振方向相同，以最大程度地提高光的利用率。

在本发明的另一方面，还提供一种用于控制显示装置的方法。该方法可以用来控制具有例如图6所示的多焦透镜的显示装置，使得显示装置中的多焦透镜可以在至少三个焦距之间切换。该控制方法可以包括以下步骤中的至少一者：a1)在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间不产生电压差，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜的焦距；b1)在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间不产生电压差并在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差，以使所述多焦透镜切换为所述第二聚光状态可切换透镜的焦距；或者c1)在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜和所述第二聚光状态可切换透镜的组合焦距。

在本发明的又一方面，还提供一种用于控制显示装置的方法。该方法可以用来控制具有例如图10所示的多焦透镜的显示装置，使得显示装置中的多焦透镜可以在至少三个焦距之间切换。该控制方法可以包括以下步骤中的至少一者：a2)在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第二透明电极和第三透明电极之间产生电压差且对所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜的焦距；b2)在所述第一聚光状态可切换透镜的第二透明电极和第三透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并对所述第二聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜切换为所述第二聚光状态可切换透镜的焦距；或者c3)在所述第一聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差且对所述第一聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压以及在所述第二聚光状态可切换透镜的第一透明电极和第二透明电极之间产生电压差并对所述第二聚光状态可切换透镜的第三透明电极不施加电压，以使所述多焦透镜切换为所述第一聚光状态可切换透镜和所述第二聚光状态可切换透镜的组合焦距。

本文中描述的单元或模块可以实现为处理器和存储器的组合，其中处理器执行存储器中存储的程序以实现相应单元或模块的功能。本文中描述的单元或模块也可以完全的硬件实施方式实现，包括专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)等。

以上为了说明和描述的目的提供了实施例的前述描述。其并不旨在是穷举的或者限制本申请。特定实施例的各个元件或特征通常不限于特定的实施例，但是，在合适的情况下，这些元件和特征是可互换的并且可用在所选择的实施例中，即使没有具体示出或描述。同样也可以以许多方式来改变。这种改变不能被认为脱离了本申请，并且所有这些修改都包含在本申请的范围内。