CN108919531A - 基于液晶变焦透镜的ar显示*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶变焦透镜的AR显示***，包括：微显示器，产生图像光；偏振片，对图像光进行起偏形成图像偏振光；液晶屏，通过计算机控制形成焦距可变且相位等效于透镜的液晶透镜；半透半反镜，镀有偏振膜；将图像偏振光部分反射进入液晶透镜；环境光通过偏振膜形成环境偏振光，进入液晶透镜；计算机，向微显示器载入图像，同时控制液晶屏电极电压分布，调整所述液晶透镜的焦距，将图像偏振光在人眼对应深度聚焦成像；图像偏振光在液晶透镜内为e光，环境偏振光在液晶透镜内为o光。本发明的AR显示***可实现虚拟图像的多深度立体显示，解决了辐辏冲突的问题，并且该AR显示***结构简单，实用性强，具有重要的应用价值。

Description

基于液晶变焦透镜的AR显示***

技术领域

本发明涉及增强现实显示领域，尤其涉及一种基于液晶变焦透镜的AR显示***。

背景技术

增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)是一种通过光学***，将微显示器件如DMD，LCD等显示的图像进行成像提供给人眼观看，同时现实环境中的景象不受干扰的进入人眼的一种显示技术。其核心是将虚拟场景与真实场景进行融合，并提供交互的一种新型显示技术。该技术有望在教学，军事训练，医学，生物等多个方面取得应用，是目前研究的一个热点技术问题。

在增强现实技术中，虚拟景象与真实景象的完美融合是一个核心内容。在一般情况下采用头盔显示方案，即微型显示器件产生的图像，经过半透半反镜片后进入目镜，之后进入人眼，微型显示器件产生的图像经过目镜形成一个放大像。而现实环境中的景象，先通过一个补偿目镜后经过半透半反镜，再经过目镜，补偿目镜与目镜组成的成像***，将环境中的景象等比例成像给人眼。从而，使人感知到真实的环境的同时，也可以感知到微型显示器件产生的放大的图像，实现AR显示方案。

该方式AR显示方案通过双目***，可实现双目立体AR显示。该显示方式的缺点是：***复杂；为了消除畸变，目镜与补偿目镜一般为多镜片组合方式，体积庞大；另外该方案所显示的虚拟图像的深度固定不可控，双目立体显示时存在辐辏冲突，长时间佩戴会让人产生眩晕。

公开号为CN107894666A的中国专利文献公开了一种头戴式多深度立体图像显示***，该显示***通过光场算法将三维图像分解成不同深度的像素点，分别投射到多个对应深度的平面光学单元上进行显示，从而实现多深度光场显示，解决了辐辏调节冲突的问题。

公开号为CN107748442A的中国专利文献公开了一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置，该显示装置通过若干层叠分布的深度调节器的调节，可在空间中产生从人眼明视距离至无穷远深度的图像，可实现真三维光场显示，有效地解决视觉辐辏调节冲突，提高用户的体验。

但是上述两种显示***分别需要若干层叠分布的平面光学单元或深度调节器，所占体积较大，成本较高。

发明内容

为了有效的解决辐辏冲突，并充分的简化***结构，本发明提供了一种基于液晶变焦透镜的AR显示***。

本发明提供了如下技术方案：

一种基于液晶变焦透镜的AR显示***，包括：

微显示器，为振幅型显示器件，产生图像光；

偏振片，对所述图像光进行起偏，形成图像偏振光；

液晶屏，通过计算机控制其电极电压分布，形成焦距可变且相位等效于透镜的液晶透镜；

半透半反镜，镀有偏振膜，半透半反镜将所述图像偏振光部分反射进入所述液晶透镜；环境光通过偏振膜起偏形成环境偏振光，环境偏振光部分透过半透半反镜后进入所述液晶透镜；

计算机，向微显示器载入图像，同时控制液晶屏电极电压分布，调整所述液晶透镜的焦距，将图像偏振光在人眼对应深度聚焦成像；

所述图像偏振光与环境偏振光的偏振方向正交；图像偏振光在所述液晶透镜内为e光，受液晶透镜调制成像；环境偏振光在所述液晶透镜内为o光，其相位调制量为常数。

本发明的AR显示***的工作原理如下：

微显示器发生的图像光被偏振片起偏，形成图像偏振光，图像偏振光经半透半反镜前表面部分反射进入液晶屏，图像偏振光的偏振方向在液晶屏的主平面内(主平面：光的传播方向和液晶光轴方向所决定的平面，其中液晶光轴为液晶分子长轴的方向)，为e光；通过计算机控制液晶屏的电极电场分布，使得液晶屏内的液晶分子在液晶屏主平面内发生偏转，形成透镜等效相位分布的液晶透镜，对入射e光的折射率进行调制，此时e光被液晶透镜调制后，汇聚进入人眼，人眼看到一个被液晶透镜放大于远处的虚像。可以通过改变电极的电场分布，调制液晶透镜的焦距，从而使放大的虚像成像于不同的深度。

环境光通过半透半反镜后面的偏振膜起偏，形成环境偏振光，环境偏振光部分透过半透半反镜后进入液晶屏，环境偏振光的偏振方向垂直于液晶屏的主平面，为o光，其折射率与传播方向无关。对于o光而言，液晶透屏仅仅相当于一个透明的玻璃平板，环境光可以不受干扰地进入人眼，不发生畸变，从而使人看清环境中的场景。

可通过快速切换液晶透镜的焦距，实现快速改变图像偏振光的成像深度，实现虚拟图像的多深度立体显示，解决了辐辏冲突的问题，并且本发明的AR显示***结构简单，实际应用价值较高。

所述的微显示器可以是不发光的显示器件，如透射式LCD、反射式DMD或反射式LCOS，需要光源提供照明光；也可以是自发光的显示器件，如微型OLED显示屏，此时无需额外的光源提供照明，***将会更加紧凑。

一种技术方案为：所述的微显示器包括：

光源，用于产生三色光，通过计算机时序控制三色光分时点亮，照明显示器件；

显示器件，由光源进行照明，通过计算机载入图像，对光源光进行调制形成图像光。

所述的显示器件为透射式LCD、反射式DMD或反射式LCOS。

所述的光源包括红色、绿色、蓝色LED光源各一个，每个LED光源发出的发散光分别经准直透镜后由合束镜合束，照明显示器件。

具体的，红色、绿色、蓝色LED光源发出的发散光分别被准直透镜准直后，其中一束光被全反射镜反射，另外两束光被半透半反镜反射，三种颜色光被合束为一个光束后作为照明光照明微显示器。其中，一束光被全反射镜反射，另外两束光被半透半反镜反射，有三种组合形式，任意一种形式均可实现分时彩色AR显示。

另一种方案为：将红色、绿色、蓝色LED光源分别替换为红色、绿色、蓝色激光光源。

另一种技术方案为：所述的微显示器为自发光的OLED显示屏。此时无需额外的照明光源进行照明，***的光路更加紧凑。

为了进一步使AR显示***的结构紧凑，可以在光路中使用多个折返镜。

优选的，所述的液晶屏包括依次层叠设置的第一玻璃基板、ITO电极层、定位层、像素结构电极层、第二玻璃基板，所述定位层与像素结构电极层之间填充有液晶分子。

进一步优选的，所述的定位层用于固定液晶分子的朝向。

在液晶屏制作时，由毛皮或丝绸按照一定方向摩擦定位层，使定位层表面形成一定方向的沟槽结构，用于固定液晶分子的朝向。

进一步优选的，可通过计算机改变液晶屏电极的电压分布移动液晶透镜的位置。

可根据显示的需要，通过计算机改变液晶屏电极的电压分布，从而移动液晶透镜的位置，可以扩大AR显示***的出瞳。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的AR显示***可通过快速切换液晶透镜的焦距，实现快速改变图像偏振光的成像深度，实现虚拟图像的多深度立体显示，解决了辐辏冲突的问题，并且本发明的AR显示***结构简单，实际应用价值较高。

附图说明

图1为实施例1透射式AR显示***的结构示意图；

图2为后面镀有偏振膜的半透半反镜的结构示意图；

图3为液晶透镜及入射光调制示意图；

图4为实施例2反射式AR显示***的结构示意图；

图5为实施例3使用自发光微型显示器的AR显示***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

如图1所示，本实施例的基于液晶变焦透镜AR显示***，其为采用非发光透射式LCD作为微型显示器件的***。

该AR显示***包括红色LED1、绿色LED2、蓝色LED3、准直透镜4、准直透镜5、准直透镜6、全反镜7、半透半反镜8、半透半反镜9、LED控制器10、全反镜11、计算机12、透射式LCD13、偏振片14、背面镀有偏振膜的半透半反镜15以及液晶LC16组成。

其中E为使用者眼睛所在位置，17为由微型显示器件LCD发出的经过偏振片14和半透半反镜15后的图像偏振光，以实线来表示。而18为环境光线透过镀有偏振片的半透半反镜15后的环境偏振光，以虚线来表示。

LED控制器10、微型显示器件透射式LCD 13和液晶LC16受控于计算机12。

红色LED1、绿色LED2、蓝色LED3发出的发散光，分别被准直透镜4、准直透镜5、准直透镜6转化为平面波，分别被全反镜7、半透半反镜8、半透半反镜9合束后被全反射镜11反射，照明透射式LCD13，计算机12向透射式LCD13载入显示的图像，经过透射式LCD13的光再透过偏振片14，其偏振态位于xoz平面内，经半透半反镜15反射后进入液晶LC16，液晶LC16通过计算机12控制其电极分布，形成液晶透镜。

图像偏振光17的偏振方向位于xoz平面内，xoz平面为光线传播方向z和液晶分子长轴所决定的平面，为主平面，图像偏振光17进入液晶后为e光，受到液晶透镜的相位调制，汇聚于E点，人眼可观察到成像于远处的放大的虚像。环境光透过背面镀有偏振膜的半透半反镜15后，其偏振方向垂直于xoz平面，进入液晶LC16后，其偏振方向垂直于液晶主平面，为o光，其折射率不变，直接透过液晶LC16，等效于经过一个平板玻璃。人眼在E位置，可观看到被液晶LC16放大投影的虚像和环境中的场景，实现AR显示。

在实际显示时，红、绿、蓝LED分时点亮，而微型显示器件透射式LCD13中同步载入彩色图像的不同颜色通道图像，通过时序的方式，实现彩色显示。

图2为背面镀有偏振膜的半透半反镜15的结构示意图，镀有偏振膜的半透半反镜15由半透半反镜151和偏振膜152组成，偏振膜152镀在半透半反镜151的外侧面，其仅允许振动方向垂直于xoz平面的偏振光通过，即环境光通过镀有偏振片的半透半反镜15后形成偏振方向垂直于xoz平面的偏振光。

液晶LC16的结构如图3所示，由玻璃基底161、ITO电极162、定位层163、像素结构电极164和液晶分子165组成。在液晶盒制作时，通过丝绸按照一个方向摩擦使定位层产生一定去向分布的沟槽结构，可使液晶分子存在一个固定的朝向，作为液晶分子的初始朝向。在ITO电极162和像素结构电极164的作用下，通过外部控制，产生一定的电压分布，使得液晶分子仅在xoz平面内产生旋转，形成相位结构(液晶透镜)。

其中17表示的是偏振方向与液晶主平面平行的，来自显示器件的图像光，在液晶内为e光，其传播方向上的折射率n与光轴的转角α有关，可以表示为：

其中α为光轴的转角，即液晶分子的旋转角(液晶分子长轴与传播方向z之间的夹角)，在垂直于z轴的面上，寻常光o和异常光e的折射率为主折射率，分别是n_o和n_e，当液晶材料确定后，主折射率n_o和n_e为已知量。

由于液晶分子的旋转，对于e光而言，引起的相位延迟可以表示为：

L_e＝(n--n_air)d (2)

其中，n为e光在其传播方向上的折射率，其计算公式如公式(1)所示；n_air为空气的折射率；d为液晶的厚度。液晶LC16通过像素电极，产生一定的电压分布，可实现等效透镜相位调制。将微型显示器件上显示的图像光，成像为一个远处放大的虚像。

假设微型显示器件到液晶透镜的距离为d₁，而形成的液晶透镜的焦距为f，则，满足d₁＜f的情况下，实现放大的虚像，虚像所在的位置可以表示为：

在实际显示时，微型器件与液晶LC16的相对位置固定，即d₁为固定值，通过调整电压，改变液晶透镜的焦距f，可将图像成像在不同深度。通过快速变换液晶透镜的焦距f(如使用蓝相液晶，实现180hz的刷新，将场景投影到三个深度，对应人眼的刷新率为60hz，如分时彩色三维显示，可实现等效20hz的彩色三维体显示，基本满足人眼观看的需求)，并同步载入对应深度的图像，可实现分层立体显示，解决辐辏冲突。

环境光透过镀有偏振膜的半透半反镜15后，形成环境偏振光18，其偏振方向垂直于xoz平面，其通过液晶透镜后的相位延迟表示为：

L_o＝(n_o-n_air)d (4)

n_o为常数，所产生的相位延迟为常数，因此不产生任何相位调制，等效于偏振光18通过一个透明的平板。

实施例2

如图4所示，本实施例的基于液晶变焦透镜AR显示***，其为采用非自发光反射式DMD或LCOS作为微型显示器件的***。与实例1的差别在于光源发出的光被半透半反镜11部分反射，反射光照明微型显示器件DMD或LCOS，DMD或LCOS载入图像对反射光进行调整，被调制的光反射后透过半透半反镜11后，被背面镀有偏振膜的半透半反镜反射后进入液晶LC16。其它部分与实例1一致，不再赘述。

实例3

如图5所示，本实例的基于液晶变焦透镜AR显示***，为使用自发光微型显示器OLED的AR显示***。OLED显示器13受控于计算机12，计算机12将图像载入OLED显示器件13上，其发出的光，经过偏振片14后，转化为偏振方向与xoz平面平行的偏振光，被背面镀有偏振膜的半透半反镜15前表面部分反射进入液晶LC16，被液晶透镜调制，光汇聚于人眼E位置。而环境光透过背面镀有偏振片的半透半反镜15后，其偏振方向与xoz平面垂直，不受影响地进入人眼，实现AR显示。

该实例与实施例1和实施例2相比，具有结构简单紧促的优势，具有重要的应用价值。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，包括：

微显示器，为振幅型显示器件，产生图像光；

偏振片，对所述图像光进行起偏，形成图像偏振光；

液晶屏，通过计算机控制其电极电压分布，形成焦距可变且相位等效于透镜的液晶透镜；

半透半反镜，镀有偏振膜，半透半反镜将所述图像偏振光部分反射进入所述液晶透镜；环境光通过偏振膜起偏形成环境偏振光，环境偏振光部分透过半透半反镜后进入所述液晶透镜；

计算机，向微显示器载入图像，同时控制液晶屏电极电压分布，调整所述液晶透镜的焦距，将图像偏振光在人眼对应深度聚焦成像；

所述图像偏振光与环境偏振光的偏振方向正交；图像偏振光在所述液晶透镜内为e光，受液晶透镜调制成像；环境偏振光在所述液晶透镜内为o光，其相位调制量为常数。

2.根据权利要求1所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，所述的微显示器包括：

光源，用于产生三色光，通过计算机时序控制三色光分时点亮，照明显示器件；

显示器件，由光源进行照明，通过计算机载入图像，对光源光进行调制形成图像光。

3.根据权利要求2所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，所述的显示器件为透射式LCD、反射式DMD或反射式LCOS。

4.根据权利要求2或3所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，所述的光源包括红色、绿色、蓝色LED光源各一个，每个LED光源发出的发散光分别经准直透镜后由合束镜合束，照明显示器件。

5.根据权利要求2或3所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，所述的光源包括红色、绿色、蓝色激光光源各一个，每个激光光源发出的发散光分别经准直透镜后由合束镜合束，照明显示器件。

6.根据权利要求1所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，所述的微显示器为自发光的OLED显示屏。

7.根据权利要求1所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，所述的液晶屏包括依次层叠设置的第一玻璃基板、ITO电极层、定位层、像素结构电极层、第二玻璃基板，所述定位层与像素结构电极层之间填充有液晶分子。

8.根据权利要求7所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，所述的定位层用于固定液晶分子的朝向。

9.根据权利要求1所述的基于液晶变焦透镜的AR显示***，其特征在于，可通过计算机改变液晶屏电极的电压分布移动液晶透镜的位置。