CN103376551B - 小孔投射式近眼显示器 - Google Patents

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Abstract

小孔投射式近眼显示器。一种通过小孔投射使得离人眼很近的发光点发出的光线在视网膜上清晰成像的近眼显示器。解决了现有近眼显示器或眼镜显示器必须依赖透镜进行折射导致成像系统复杂笨重，且焦平面固定的技术问题。根据本发明所制成的近眼显示器只有一片镜片的厚度，可制作成透明式眼镜显示器从而用于增强型虚拟现实领域。镜片由发光层和投射层组成，发光层上的单个发光点发出的光线遇到投射层上遮光板，部分光线透过小孔，而其余光线被遮挡，于是在视网膜上形成一个小光斑，可作为单个像素点进行图像显示。若一个发光点对应多个小孔且小孔位置可变，则投射光束的方向可模拟任意距离的物体发出的光线，从而显示多个焦平面的物体。

Description

小孔投射式近眼显示器
技术领域
本发明涉及一种近眼显示器，也称作视频眼镜或眼镜显示器，尤其是涉及到一种用于增强型虚拟现实的透明眼镜显示器。
背景技术
人眼的聚焦距离通常为10cm到无穷远，因此，人眼无法看清距离10cm以内的物体。为了让人眼看清距离很近的显示设备显示的内容，HMD(head mounted display，头戴式显示器)领域有很多解决方案。
普通的HMD产品大多为不透明结构，采用透镜将距离人眼很近的物体发出的光线收拢，使得光线像是从较远距离发出的，从而形成远距离虚像而使人眼看清。
现有的透明HMD采用了透镜、反射镜和半反射镜，光线从侧面发出，经过透镜折射后又经过球面或非球面镜的反射，之后又经过半反射镜射入人眼，半反射镜同时也能透射外界的光线，从而使HMD具有虚拟显示与实景结合的功能。这类显示器结构复杂，受尺寸限制，显示视角较小。
上述两类HMD由于包含了透镜等光学组件，因而尺寸和重量难以进一步控制，无法更广泛地应用。
此外，目前除了全息显示技术外，现有的显示设备都无法同时显示出不同距离物体发出的光线，因为无论是实体显示器，或者是虚拟显示器(即HMD虚拟出的显示平面)，其位置都是固定的，显示区域是一个平面(称为焦平面)，只能显示该平面的物体。
基于上述显示产品的不足，同时为了开发新式可显示多个焦平面物体的显示器，本发明研发了“一种小孔投射式近眼显示器”。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足之处，所要解决的技术问题是：提供一种不需要透镜即可使近眼显示器在人眼中清晰成像的方案，这种方案可以用来制造透明或不透明的近眼显示器，更重要地是可以用来制造可显示多个焦平面物体的显示器。
本发明主要通过以下技术方案实施：
一种近眼显示器，包括镜片和显示控制器件，镜片中包括发光层和遮光层。发光层上有发光点阵列，遮光层包括遮光板和小孔。当本发明的成像原理被制作成框架式眼镜，则显示控制器件被集成到镜框上；当本发明的成像原理被制作成角膜接触镜，则显示控制器件被集成到镜片上。
发光点阵列由OLED或其他点状发光器件组成，其发光颜色和亮度可控。
遮光层由遮光板和小孔组成，透过小孔的光线称为单元光束，其直径决定了单元像素点的大小，小孔相对发光点的位置决定了单元光束的方向。
遮光层可以是单层或多层的带小孔的不透光板；也可以是与发光点颜色不同的其他RGB色彩通道的带有小孔的滤色片；也可以由两层偏振膜组成，其中一层偏振膜带有小孔，当发光层发出的光线经过第一片偏振膜，再经过第二片偏振方向相消的偏振膜时，光线被阻挡；遮光层也可以是一个高分辨率LCD显示器或其他遮光性能可控的点阵元件，根据控制信号不同，显示像素具有遮光和透光两种特性，从而构成遮光板和小孔。
一个显示单元由一个发光点和一个遮光板组成，遮光板上可有多个小孔。为了获得足够高的显示分辨率，需要在增加显示单元数量的同时，尽量减小单元光束的直径。其措施主要是缩小透光孔孔径，或采取多层遮光层来限制单元光束的发散。
当小孔相对发光点的位置可控时，单元光束方向亦可控，一个显示单元可发出方向不同的多束单元光束，可用来模拟实际情况下不同距离物体发出的光线，人眼以不同的屈光度对一定距离的物体成像时，相应的单元光束在视网膜上汇聚成清晰的实像，而其他方向的单元光束则呈发散状态，从而被虚化，以此来模拟显示多个焦平面的物体。
当本原理用于制造透明近眼显示器时，遮光层除了小孔以外，应全部阻挡由发光点发出的光线，但应允许外部光线通过。此时，发光点表面应布有局部偏振膜，使得发光点发出线偏振光线，从而能够被遮光板上的单层偏振膜阻挡，同时遮光板允许部分外部光线部分通过。合理的设计可使外部透光率达到40％以上。
本发明的有益效果是：
1)显示器件只有一片镜片，无需其他光学镜片，因此质量较轻。
2)显示范围可任意扩大，直至人眼的最佳视角70°左右。
3)显示虚拟物体的距离可在人眼的可视范围10cm到无穷远之间任意选择，可同时显示多个不同焦平面的物体，可跟随人眼的焦点变化而虚化或清晰。
4)当采用透明近眼显示器方案时，由于只有局部覆盖有两层偏振膜，因此透光率可达到40％以上，具有很好的透光性。
附图说明
附图1是本发明的单个显示单元结构和光路示意图。
附图2是本发明模拟不同距离物体发出的光线的示意图。
附图3是本发明的单个显示单元次级结构的不同方案示意图。
附图4是本发明镜片中显示单元排列形式示意图。
图中示意元素及编号：发光点1、发光层2、遮光层3、透光孔4、人眼虹膜5、人眼晶状体6、人眼视网膜7、无遮挡光斑8、小孔投射光斑9、发光点10、发光点11、晶状体远视状态12、晶状体近视状态13、多层遮光层14、带小孔的垂直方向线性偏振膜15、水平方向线性偏振膜16、垂直方向局部线性偏振膜17、带小孔的水平方向线性偏振膜18、常黑型LCD显示器19、被激活的LCD显示像素块20、水平方向局部线性偏振膜21、显示单元22、人眼向左转极限位置23、人眼正视位置24、人眼向右转极限位置25。
具体实施方式
下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案进行进一步具体的说明：
实施例：
如图1，发光层2和遮光层3组成了本发明的镜片部分。发光层2上有发光点1若干，按点阵排列；遮光层3上有透光孔4。
由发光点1发出的光线，在没有遮挡的情况下，经过由人眼虹膜5调节的瞳孔，再经过人眼晶状体6的折射后，在人眼视网膜7上会形成一个无遮挡光斑8；由发光点1发出的光线，受到遮光层3的遮挡，只有透光孔处4的局部光线透过，透过的光束经过人眼晶状体6的折射后，在人眼视网膜7上会形成一个小孔透射光斑9。若小孔透射光斑9足够小，则可作为图像显示的像素点。
如图4，一个发光点1与其光线所覆盖的遮光层2上的区域共同组成了一个显示单元22。镜片上所有位置的显示单元22始终指向人眼球的中心，保证人眼在正常转动范围内可观察到镜片相应区域显示的图像。
如图3，对六种可用的显示单元22的次级结构方案描述如下：
(a)遮光层3为不透光材料或颜色与发光点1色彩通道(RGB三通道)不同的滤色片，可阻挡发光点发出的光线，上面有透光孔4；
(b)采用多层遮光层14，可逐级缩小透射单元光束直径，从而形成更小的小孔投射光斑9；
(c)光线经过带小孔的垂直方向线性偏振膜15，变成垂直方向线性偏振光，会被水平方向线性偏振膜16阻挡，而经过小孔的光线则没有被偏振化，因此可通过水平方向线性偏振膜16；
(d)是在(c)的基础上的改型，采用垂直方向局部线性偏振膜17将发光点1发出的显示光线进行偏振化，之后只有经过带小孔的水平方向线性偏振膜18上的小孔的显示光线可以通过，同时，外界光线可透过显示器，使显示器具有透明性。
(e)采用了一个常黑型LCD显示器19，发光点1发出的光线只能通过被激活的LCD显示像素块20。
(f)是在(e)的基础上的改型，采用了贴近发光点1的水平方向局部线性偏振膜21，使得外界光线可透过显示器，使显示器具有透明性。
图3中(c)、(d)、(e)、(f)四个方案都包含线性偏振膜的应用，但无论是将所述方案中的偏振膜偏振方向对调、交换，或是将线性偏振原理类推到圆偏振原理进行改型，都属于本发明的保护范围。
如图2，描述了如何采用方案(e)、(f)中的LCD显示器实现多光束模拟不同焦平面物体。发光点10和发光点11各自发出两束不同方向的单元光束，单元光束在图2中简化为线条A、B、C、D，其中A、B为发光点10发出，C、D为发光点11发出。当人眼处于晶状体远视状态12时，屈光度最小，人眼对焦于无穷远处，此时，光束B和C交汇在人眼视网膜7上，形成一个清晰而强化的像素点，而B和C对应的外界光线为来自无穷远的平行光，与人眼此时的焦平面(无穷远)相交，因此人眼会看到到清晰的由B、C交汇而成的像素点，而A、D发散虚化；当人眼处于晶状体近视状态13时，屈光度最大，人眼对焦于眼前10cm处，此时，光束A和D交汇在人眼视网膜7上，形成一个清晰而强化的像素点，而A和D对应的外界光线来自距离人眼10cm处，与人眼此时的焦平面(10cm)相交，因此人眼会看到到清晰的由A、D交汇而成的像素点，而B、C发散虚化。
由此可知，图2中A、B(或C、D)之间的夹角范围，对应着人眼从10cm到正无穷处的多个焦平面，因此可称此方案显示器具有成像焦空间，而不再是单个焦平面。
图2仅以两束光线在视网膜上的交汇和发散来描述图像的清晰和虚化，实际上应在三维空间中有多束光线交汇和发散，且光线的颜色可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色组成，从而显示高色阶的彩色图像。单束光线的亮度较弱，当多束光线呈发散状态时，像素点虚化形式如同实际景物的虚化，当多束光线呈汇聚状态时，叠加成高亮而清晰的像素点。
以上对本发明实施例的多种选型方案进行了描述，但是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的设计思想和构思的基础上仍可以作出其他变型或者改型，应当说，这样一些变型或改型都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种通过小孔投射使得离人眼很近的发光点发出的光线在视网膜上清晰成像的近眼显示器，包括镜片和显示控制器件，其特征是：镜片中包括发光层(2)和遮光层(3)，发光层(2)上有发光点(1)，遮光层(3)设置为多层的颜色与发光点(1)色彩通道不同的上面有透光孔的可阻挡发光点发出的光线的滤色片或设置为两片偏振膜，其中一层偏振膜带有小孔，当发光层(2)发出的光线经过第一片偏振膜，再经过第二片偏振方向相消的偏振膜时，光线被阻挡，只有小孔处光线能透过；一个发光点(1)与其光线所覆盖的遮光层上的区域共同组成了一个显示单元(22)。
2.根据权利要求1所述的近眼显示器，发光层(2)由OLED或点状发光器件组成阵列，其发光颜色和亮度可控。
3.根据权利要求1所述的近眼显示器，遮光层(3)是多层与发光点(1)颜色不同的其他RGB色彩通道的带有小孔的滤色片。
4.根据权利要求1所述的近眼显示器，镜片上所有位置的显示单元(22)始终指向人眼球的中心，保证人眼在正常转动范围内可观察到镜片相应区域显示的图像。
5.根据权利要求1所述的近眼显示器，所述近眼显示器被制作成框架式眼镜，显示控制器件被集成到镜框上；或所述近眼显示器被制作成角膜接触镜，显示控制器件被集成到镜片上。
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