CN112394512A - 一种头戴显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种头戴显示装置，包括：显示屏，为具有良好透光性的单色或多色的有机发光显示屏，其在不点亮或点亮状态下可透过显示屏看见现实景物；图像转换光器件，将显示屏生成的图像转换至人眼可视距离，其包括一层或多层微透镜阵列，微透镜阵列的其中一个微透镜对应显示屏中的一个或多个像素。本发明的图像生产***即是虚实融合器件，可实现头戴显示方案的轻量化；本装置的3D显示方案中，左右两个光场镜片的纳米结构分布式对称性的，两者之间产生的虚拟景物具有视差，形成双目视差效应，符合人眼观察习惯；本发明的器件单元少，结构简单，制作成本低。
Description
技术领域
本发明属于虚拟显示和增强显示显示领域，更具体涉及一种图像产生和可视镜片一体化的头盔式3D显示装置。
背景技术
增强现实(AR)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。其中AR***的特点之一：在三维尺度空间增添定位虚拟物体，是显示技术的难点。
现有的绝大多数显示方式是利用图像产生***与虚实融合镜片结合的方法实现头戴式AR显示。
美国专利申请US20150016777A1公开了一种利用光线阵列实现图像产生，利用光衍射器件和平面波导实现虚拟、现实景物融合的显示装置。所述虚实融合镜片包含多层波导结构和衍射器件阵列。将其与光纤快速扫描结合，由衍射波导器件将照明光转换成出射光场，在人眼视网膜上形成单个成像点。通过改变照明光束进入波导的输入角度和照明光束扫描点位置，使得波导输出不同出射角和不同扩散角光场，这些变化的光场在视网膜上形成高速扫描的光点，并构成3D图像。
美国专利US7457040B2公开了一种用于三维显示的光波导器件。所描述光波导器件包含一个部分反射微棱镜阵列，耦合在波导内通过全反射传播的图像经过微棱镜阵列，部分反射进入人眼，实现虚实图像融合的功能。将该光波导器件与微投影图像生成光学***结合，可实现头戴显示的功能呢。
综上，上述专利均采用图像产生***生成虚拟图像，再通过虚实融合器的方法实现AR显示。这样的两部分设计使AR显示装置体积较大，重量较大，不利于AR显示装置的普及和推广。
发明内容
本发明旨在提供一种一体化的AR显示装置，图像生成***即是虚实融合器件，可实现头戴显示方案的轻量化。
根据本发明的一个方面，提供了一种头戴显示装置，包括：
显示屏：为具有良好透光性的单色或多色的有机发光显示屏，其在不点亮或点亮状态下可透过所述显示屏看见现实景物；
图像转换光器件：将所述显示屏生成的图像转换至人眼可视距离，其包括一层或多层微透镜阵列，所述微透镜阵列的其中一个微透镜对应所述显示屏中的一个或多个像素。
在一些实施方式中，所述显示屏显示虚拟信息，所述虚拟信息的光线经所述微透镜构筑会聚波面，在人眼的前方形成至少一个汇聚点为视点，现实信息从所述显示屏的另一侧投射进入人眼，使虚拟信息和现实世界信息融合。
在一些实施方式中，所述显示屏的像素为单色阵列或彩色阵列。
在一些实施方式中，所述图像转换光器件还包括遮光阵列，所述遮光阵列位于在所述微透镜阵列与所述显示屏之间，所述遮光阵列设有多个开口，所述开口与所述微透镜相对应，所述遮光阵列从每个开口发出的出射光线照射面积不大于与之对应的所述微透镜尺寸。
在一些实施方式中，所述图像转换光器件还包括功能性薄膜，所述功能性薄膜覆盖在所述微透镜上，所述功能性薄膜覆盖的区域至少对应视轴周围6°～8°。
在一些实施方式中，所述功能性薄膜为增透膜，所述增透膜的厚度均匀或连续变化使出射光均一。
在一些实施方式中，所述功能性薄膜为纳米光栅阵列薄膜，虚拟信息的光线经所述微透镜进入所述纳米光栅阵列薄膜的纳米光栅阵列，所述纳米光栅薄膜是基于衍射效应的纳米结构构筑新光场，光路改变后形成放大虚拟图像。
在一些实施方式中，所述纳米光栅阵列薄膜的纳米光栅阵列周期和取向角的计算公式如下：
tanφ1＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))
sin2(θ1)＝(λ/Λ)2+(n sinθ)2-2n sinθcosφ(λ/Λ)
其中，入射光线以一定的角度入射到纳米光栅阵列的XY平面，θ1和φ1依次表示衍射光线的衍射角和方位角，衍射角为衍射光线与z轴正方向夹角，方位角为衍射光线与x轴正方向夹角，θ和λ依次表示入射光线的入射角和波长，入射角为入射光线与z轴正方向夹角，∧和φ依次表示纳米光栅阵列的周期和取向角，取向角为纳米光栅阵列的槽型方向与y轴正方向夹角，n表示入射光线在纳米光栅阵列中的折射率。
在一些实施方式中，所述纳米光栅阵列薄膜的纳米光栅结构为闪耀光栅或倾斜光栅。
在一些实施方式中，所述微透镜阵列包括平行设置的一级微透镜阵列和二级微透镜阵列，所述一级微透镜阵列中的微透镜与所述二级微透镜阵列中的微透镜一一对应，所述一级微透镜阵列中微透镜的曲率半径大于所述二级微透镜阵列中微透镜的曲率半径。
在一些实施方式中，在所述一级透镜阵列和所述二级透镜阵列间设有折光阵列，
或在所述一级微透阵列与所述显示屏之间设有遮光阵列。
其有益效果为：本发明的图像生产***即是虚实融合器件，可实现头戴显示方案的轻量化；本装置的3D显示方案中，左右两个光场镜片的纳米结构分布式对称性的，两者之间产生的虚拟景物具有视差，形成双目视差效应，符合人眼观察习惯；本发明的器件单元少，结构简单，制作成本低。
附图说明
图1是人眼结构图；
图2是视锥细胞分布图；
图3是本发明的实施方式一的一种头戴显示装置的结构示意图；
图4a是本发明实施方式二的一种头戴显示装置的结构示意图；
图4b是本发明实施方式二的一种头戴显示装置的应用图；
图5是本发明实施方式三的一种头戴显示装置的结构示意图；
图6a是本发明实施方式四的一种头戴显示装置的结构示意图；
图6b是本发明实施方式四的一种头戴显示装置的应用图；
图7是本发明实施方式四中的一种头戴显示装置的纳米光栅在XY平面下的结构图；
图8是本发明实施方式四中的一种头戴显示装置的纳米光栅在XZ平面下的结构图；
图9a是本发明一实施方式的一种头戴显示装置的闪耀光栅的结构示意图；
图9b是本发明一实施方式的一种头戴显示装置的倾斜光栅的结构示意图；
图10a是本发明实施方式五的一种头戴显示装置的结构示意图。
图10b是本发明实施方式五的一种头戴显示装置的应用图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方案。这些实施方案仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
如图1所示，人的眼睛1近似球体，具有光学成像功能的组织是角膜102和晶状体103。视网膜104位于眼睛后端，是视觉形成的神经信息传递的第一站。视网膜上的视锥细胞是的主要感光神经元，在视轴正对终点。如图2所示，视锥细胞分布极不均匀，在黄斑中心凹处105最密集，在视网膜其他位置少量分布。因此，中心凹处是视觉最敏锐的区域，其直径约为1～3mm。人眼的视场可达150°，但能同时清晰地观察物体的范围只在视轴周围6°～8°。本发明将充分考虑视锥细胞分布特点，设计各视角像素分布，达到视觉体验最优化。
图3是本发明的实施方式一的一种头戴显示装置的结构示意图，如图3所示，一种头戴显示装置包括显示屏13和图像转换光器件。其中，显示屏13为具有良好透光性的单色或多色的有机发光显示屏，即为自发光有机发光二极管(OLED)显示屏。图像转换光器件包括微透镜阵列12。
显示屏13显示虚拟信息，虚拟信息的光线经过微透镜阵列12构筑会聚波面，在眼睛1前方形成至少一个汇聚点，即视点。眼睛应位于视点后的观察区域，从而使人眼在观看虚拟物体时处于放松和舒服的状态。自然景物向四周发射漫反射光，现实世界信息直接从OLED显示屏另一侧投射进入人眼，通过角膜和晶状体成像，从而使虚拟信息与现实世界信息融合。其中OLED显示屏中的像素131根据需求，可以是单色阵列也可以是彩色阵列。微透镜阵列12与像素131可以是一一对应也可以是一对多，最终目的是使光投射到人眼可视距离。
考虑到OLED是对称发光的，为防止串扰，在实施方式二中，可在微透镜阵列12和显示屏13之间增加遮光阵列2，如图4a所示，遮光阵列2具有多个开口，部分光线从开口处透过，其余部分光线被遮光阵列吸收或反射。遮光阵列的目的是使出射光线照射面积不大于与之对应的单个微透镜尺寸，从而防止出射光线照射到相邻的微透镜上。
如图4b所示，使用微透镜阵列12会导致出射光光强不均匀，中间明亮周边发暗。而且，光线经过微透镜后或多或少的带有一些畸变，用微透镜阵列聚焦后，焦点不再是均匀分布，而是与理想的焦点发生了位移，影响人眼观察到的虚像14的效果。为了使出射光均一、消除畸变、增强三维显示效果，在实施方式三中，可在微透镜上增加一层功能性薄膜。该功能性薄膜可以覆盖整个镜片，也可覆盖部分镜片。由图2可知，人眼的视场虽然可达150°，但能同时清晰地观察物体的范围只在视轴周围6°～8°，所以功能性薄膜只要能够覆盖住这一区域即可。
图5是本发明实施方式三的一种头戴显示装置的结构示意图，如图5所示，微透镜阵列12上增加一层功能性薄膜3，该功能性薄膜3可以是增透膜，其作用是减少反射光的强度，从而增加透射光的强度，使光学***成像的虚像14更清晰。增透膜可以覆盖整个微透镜曲面，也可只覆盖每个微透镜曲面的周边或中间部分。增透膜的厚度可以是不变的，也可以根据需求连续变化，甚至在某些区域可以没有增透膜。
在实施方式四中，可采用纳米光栅阵列薄膜4替代功能性薄膜3来实现上述功能，采用纳米光栅阵列薄膜4还可以实现放大虚像、扩大视场的功能，如图6a和图6b所示。显示屏13显示虚拟信息，虚拟信息的光线经过微透镜阵列12进入纳米光栅阵列薄膜4，光路改变后在眼睛1前方形成虚拟图像即虚像14。自然景物向四周发射漫反射光，现实世界信息直接从OLED显示屏另一侧投射进入人眼通过角膜和晶状体成像，从而使显示屏上的信息与实际信息融合。由于视角得以放大，使得人眼观察虚拟物体和现实景物融合的场景时难以察觉这是融合景象，使得体验更加真实。
其中，纳米光栅阵列薄膜4是基于衍射效应的纳米结构构筑新光场。单个纳米结构与光相互作用，改变其相位。参见附图7和附图8，附图7和附图8是结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。根据光栅方程，纳米光栅101的周期、取向角满足以下关系：
tanφ1＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))
sin2(θ1)＝(λ/Λ)2+(n sinθ)2-2n sinθcosφ(λ/Λ)
其中，光线以一定的角度入射到XY平面，θ1和φ1依次表示衍射光202的衍射角(衍射光线与z轴正方向夹角)和衍射光202的方位角(衍射光线与x轴正方向夹角)，θ和λ依次表示光源201的入射角(入射光线与z轴正方向夹角)和波长，Λ和φ依次表示纳米光栅101的周期和取向角(槽型方向与y轴正方向夹角)，n表示光波在介质中的折射率。换言之，在规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米光栅的周期和取向角了。例如，650nm波长红光以60°角入射，光的衍射角为10°、衍射方位角为45°，通过计算，对应的纳米衍射光栅周期为550nm，取向角为-5.96°。
纳米光栅结构可以是闪耀光栅，如图9a，或倾斜光栅，如图9b。纳米光栅结构的周期和取向随着微透镜和视轴相对位置连续变化，即可实现光场的调控和变换。设计适当的闪耀角或倾斜角，闪耀光栅或倾斜光栅可将零级次衍射光的绝大部分能量转移到所需次级上，也就是将光强过大区域的光能量转移到光强不足的区域。因此，在图像转换光器件中加入一个按需设定取向角和周期连续变化的纳米闪耀光栅或纳米倾斜光栅后，理论上就可以获得光强均匀的、放大的视场。
在实施方式五中，还可采用多组微透镜阵列实现扩大视角的功能，如图10a和图10b。显示屏13显示虚拟信息；遮光阵列2吸收和阻挡非对应区域的入射光；一级微透镜阵列12对虚拟信息进行分割，实现入射光的汇聚；光线进入二级微透镜阵列5后在眼睛1前方形成至少一个汇聚点，即视点。自然景物向四周发射漫反射光，现实世界信息直接从OLED显示屏另一侧投射进入人眼通过角膜和晶状体成像，从而使显示屏上的信息与实际信息融合。在一级透镜阵列5和二级透镜阵列6之间也可增加折光阵列，其作用与遮光阵列2相同。一级透镜阵列5和二级透镜阵列6上还可增加增透膜。一级微透镜阵列5中微透镜的曲率半径大于二级微透镜阵列6中微透镜的曲率半径，以缩短焦距放大虚像14，增大视场角，增强虚实融合效果。
本发明中的光场镜片为单一整体或两个分别对应左右眼球设计的光场镜片；根据双目视差特性，在单一整体的光场镜片上或左右两个光场镜片上匹配左、右眼相应视点。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种头戴显示装置，其特征在于，包括：
显示屏：为具有良好透光性的单色或多色的有机发光显示屏，其在不点亮或点亮状态下可透过所述显示屏看见现实景物；
图像转换光器件：将所述显示屏生成的图像转换至人眼可视距离，其包括一层或多层微透镜阵列，所述微透镜阵列的其中一个微透镜对应所述显示屏中的一个或多个像素。
2.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏显示虚拟信息，所述虚拟信息的光线经所述微透镜构筑会聚波面，在人眼的前方形成至少一个汇聚点为视点，现实信息从所述显示屏的另一侧投射进入人眼，使虚拟信息和现实世界信息融合。
3.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述显示屏的像素为单色阵列或彩色阵列。
4.根据权利要求3所述的头戴显示装置，其特征在于，所述图像转换光器件还包括遮光阵列，所述遮光阵列位于在所述微透镜阵列与所述显示屏之间，所述遮光阵列设有多个开口，所述开口与所述微透镜相对应，所述遮光阵列从每个开口发出的出射光线照射面积不大于与之对应的所述微透镜尺寸。
5.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述图像转换光器件还包括功能性薄膜，所述功能性薄膜覆盖在所述微透镜上，所述功能性薄膜覆盖的区域至少对应视轴周围6°～8°。
6.根据权利要求5所述的头戴显示装置，其特征在于，所述功能性薄膜为增透膜，所述增透膜的厚度均匀或连续变化使出射光均一。
7.根据权利要求5所述的头戴显示装置，其特征在于，所述功能性薄膜为纳米光栅阵列薄膜，虚拟信息的光线经所述微透镜进入所述纳米光栅阵列薄膜的纳米光栅阵列，所述纳米光栅薄膜是基于衍射效应的纳米结构构筑新光场，光路改变后形成放大虚拟图像。
8.根据权利要求7所述的头戴显示装置，其特征在于，所述纳米光栅阵列薄膜的纳米光栅阵列周期和取向角的计算公式如下：
tanφ1＝sinφ/(cosφ-n sinθ(Λ/λ))
sin2(θ1)＝(λ/Λ)2+(n sinθ)2-2n sinθcosφ(λ/Λ)
其中，入射光线以一定的角度入射到纳米光栅阵列的XY平面，θ1和φ1依次表示衍射光线的衍射角和方位角，衍射角为衍射光线与z轴正方向夹角，方位角为衍射光线与x轴正方向夹角，θ和λ依次表示入射光线的入射角和波长，入射角为入射光线与z轴正方向夹角，∧和φ依次表示纳米光栅阵列的周期和取向角，取向角为纳米光栅阵列的槽型方向与y轴正方向夹角，n表示入射光线在纳米光栅阵列中的折射率。
9.根据权利要求7所述的头戴显示装置，其特征在于，所述纳米光栅阵列薄膜的纳米光栅结构为闪耀光栅或倾斜光栅。
10.根据权利要求1所述的头戴显示装置，其特征在于，所述微透镜阵列包括平行设置的一级微透镜阵列和二级微透镜阵列，所述一级微透镜阵列中的微透镜与所述二级微透镜阵列中的微透镜一一对应，所述一级微透镜阵列中微透镜的曲率半径大于所述二级微透镜阵列中微透镜的曲率半径。
11.根据权利要求10所述的头戴显示装置，其特征在于，在所述一级透镜阵列和所述二级透镜阵列间设有折光阵列，
或在所述一级微透阵列与所述显示屏之间设有遮光阵列。
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