CN103605209A

CN103605209A - 一种透射式立体显示眼镜装置

Info

Publication number: CN103605209A
Application number: CN201310544753.4A
Authority: CN
Inventors: 张雨蒙; 王安廷; 王书路; 明海
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明涉及一种透射式立体显示眼镜装置，其解决现有的头戴显示器因为需要先拍摄后显示外界环境事物而使系统设计复杂，成本高，有延迟，视场小，难适应不同远近视程度的人等问题；该眼镜装置包括：左右眼显示芯片；显示芯片控制模块；左右眼电控可调焦透镜/透镜组；可调镜架。不需要外加摄像头，直接透过观看外界环境事物，结构简单，没有延迟，设备轻小；可以显示立体图像，也可以切换为平面显示；此外，调焦透镜的焦距可以在成像和非成像时的焦距的基础上进行微调，以适应不同远近视程度人的需求。

Description

一种透射式立体显示眼镜装置

技术领域

本发明涉及头戴立体显示的技术领域，特别涉及一种透射式的立体显示眼镜装置。

背景技术

随着可穿戴设备的流行，头戴式立体显示设备在近几年发展较快。通常的显示设备使用LCD或类似不透明显示芯片，利用目镜系统将显示芯片的图像成在人眼前方明视距离外。这种目镜系统一般由普通玻璃或树脂镜片组成，利用复杂的机械结构来调节目镜的焦距。这种系统设计复杂，设备往往较大较重，且机械调焦速度慢，成本较高。同时，为了实现外界环境事物的显示，这种设备往往需要配备3D摄像头，将拍摄画面在显示芯片上同时显示出来，这导致观看外界环境事物的视角较小，立体感一般，有一定延迟，且设计复杂，成本较高。随着透明自发光显示芯片和电控可变焦透镜的发展，可以实现透射式显示，并且简化目镜系统的设计，将设备进一步小型化轻便化。

本发明包括：左右眼显示芯片；显示芯片控制模块；左右眼电控可调焦透镜/透镜组；可调镜架。不需要外加摄像头，直接透过观看外界环境事物，结构简单，没有延迟，设备轻小；可以显示立体图像，也可以切换为平面显示；此外，调焦透镜的焦距可以在成像和非成像时的焦距的基础上进行微调，以适应不同远近视程度人的需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计一种透射式立体显示眼镜装置，其为利用透明显示芯片和电控可调焦透镜/透镜组的结构简单、临场感佳的头戴立体显示眼镜。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种透射式立体显示眼镜装置，包括：

左右眼显示芯片，用于显示供观看的图像；

显示芯片控制模块，用于控制显示芯片生成视差图像；

左右眼电控可调焦透镜/透镜组，用于将显示芯片上图像成像与人眼合适观看距离处；

可调镜架，用于固定器件和调节瞳距；

其中，所述显示芯片是透明OLED显示芯片，具有自发光和不显示时有高透射率等特性；

其中，所述显示芯片控制模块用于产生左右眼视差图像并通过左右眼显示芯片进行立体显示，或者用于产生独立的图像分别在左右眼显示芯片上进行平面显示。

其中，所述电控可调焦透镜/透镜组可以通过透镜控制模块调节焦距，调节范围从能使正常或有不同远、近视程度的人看清环境事物到能看清显示芯片图像在眼镜前方人眼明视距离外所成的像；

其中，所述透镜可以是液晶透镜、液体透镜、聚合物透镜或者其他类似原理的可调焦透镜；

其中，所述液晶透镜，通过透镜控制模调节，液晶透镜的折射率分布等效为单一透镜、菲涅尔透镜或微透镜阵列的一种；

其中，所述可调镜架可以横向调节瞳距，适应不同人需求。镜架将显示模块中的显示芯片置于液晶透镜/透镜组后方合适距离处，并固定两者位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、系统结构简单，设备轻小，便于佩戴。

2、摒弃了对环境事物先拍摄后成像的设计，减小了处理器运算量，并且成像没有延迟，降低成本。

3、调焦透镜的焦距可以在成像时焦距的基础上进行微调，以适应不同近视程度人的需求。

4、可以在立体显示和平面显示间切换。

附图说明

图1示意性地从系统正上方角度给出了根据本发明总体构思的透射式立体显示眼镜装置；

图2示意性地从系统侧面角度给出了根据本发明总体构思的透射式立体显示眼镜装置；

图3示意性地给出了根据本发明总体构思的系统显示成像的光路；

图4示意性地给出了实施例1的等效菲涅尔式的透镜；

图5示意性地给出了实施例1的等效菲涅尔式的透镜的光路图；

图6示意性地给出了实施例1的透镜阵列式的透镜，图（a）为俯视图，图（b）为主视图；

图7示意性地给出了实施例1的透镜阵列式的透镜的光路图；其中，20为透镜阵列，21为显示芯片显示的像，22为经过透镜阵列呈的像，23为显示芯片，24为显示区域，25为非显示区域。

图中，11L和11R分别为左眼显示芯片和右眼显示芯片；12L和12R分别为左眼电控可调焦透镜/透镜组和右眼电控可调焦透镜/透镜组；13为显示芯片控制模块；14为透镜控制模块；15为可调镜架；16为在眼镜前方人眼明视距离外的左右眼图像；17为等效菲涅尔式的透镜；18为透镜阵列式的透镜；19为透镜阵列式的透镜中的子透镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，附图中相同的标号表示相同的部件。

实施例1：

参照图1，图2，图3，该射式立体显示眼镜装置包括：左眼显示芯片11L；右眼显示芯片11R；左眼电控可调焦透镜/透镜组12L；右眼电控可调焦透镜/透镜组12R；显示芯片控制模块13；透镜控制模块14；可调镜架15；眼镜前方人眼明视距离外呈的左右眼图像16；

左右眼显示芯片11L和11R，是透明自发光的OLED显示芯片；显示芯片控制模块13控制左右眼显示芯片11L和11R分别显示左右眼图像；透镜控制模块14控制左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R，配合显示芯片控制模块13控制左右眼显示芯片11L和11R具有两种状态，状态1为成像状态，即显示芯片控制模块13控制左右眼显示芯片11L和11R分别显示左右眼图像，同时透镜控制模块14控制左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R曲率变大，可以将左右眼显示芯片11L和11R显示的左右眼图像放大显示在眼镜前方人眼明视距离外，为左右眼图像16；状态2为非成像状态，即显示芯片控制模块13控制左右眼显示芯片11L和11R不显示图像，为高透过率状态，透镜控制模块14控制左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R曲率为零，使人眼可以看清眼镜前方的环境事物；为适应眼睛具有一定远视或近视度数的人，应当对状态1和状态2进行改进；状态1改为状态1’，即在成像状态时，修正（增大或减小）左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R曲率，使眼镜具有一定度数的人仍能看清所成的像；状态2改为状态2’，即在非成像状态时，调节左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R的曲率为一定的正值或负值，使眼镜具有一定度数的人可以看清眼镜前方的环境事物；状态1和状态2（或状态1’和状态2’）之间以一定频率快速切换，由于人眼的视觉残留效应，可以同时看到左右眼图像16和周围环境事物；或者，手动控制在状态1和状态2（或状态1’和状态2’）之间切换，在需要观看显示左右眼图像16时调至状态1（或状态1’），在需要观看环境事物时调至状态2（或状态2’）；调节可调镜架15的瞳距，透射式立体显示眼镜装置佩戴者可以舒适的观看左右眼图像16；如果是立体显示，左右眼图像16为视差图像，使观看者获得立体感；如果是平面显示，可以使左右眼图像16为两个不同的图像，在成像区域上错开，使观看者观看到两个不重叠的图像，也可以只在左眼显示，右眼不显示，观看者可以同时看到显示图像和外界环境事物，右眼显示左眼不显示亦然。

图4示意性地给出了一种等效菲涅尔式的透镜17，即左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R的一种实现方式。通过透镜控制模块14的控制，左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R的折射率分布等效为一块菲涅尔式透镜17。该方式可以有效增大左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R的面积，减小其厚度。

由于所用的液晶或液体电控可调焦透镜具有厚度小、面积大的特性，所以菲涅尔透镜具有细小齿距（螺纹小，深度浅）。此时，螺纹的弧面可以近似为平面，等效图为图5。

根据图中的角度关系，可以得到：

θ_n＝u_n;α_n＝θ′_n+β_n;β′＝u′_n

根据光的折射公式，有：

\frac{\sin (θ_{n})}{\sin (θ_{n}^{'})} = \frac{\sin (β_{n})}{\sin (β_{n}^{'})} = N

其中，N为液晶或液体透镜的等效折射率。

利用上述公式，可以化简得到：

\tan (α_{n}) = \frac{\sin (u_{n}^{'}) + \sin (u_{n})}{\sqrt{N^{2} - \sin^{2} (u_{n}^{'})} - \cos (u_{n})}

在成像时，物距即左右眼电控可调焦透镜到各自对应左右眼显示芯片的距离为几个厘米，而成像距离为明视距离（约为25厘米）至任意远，因此可以近似为成像在无穷远。此时满足u′_n＝0，化简得到：

\tan (α_{n}) = \frac{\sin (u_{n})}{N - \cos (u_{n})}

令h为透镜的厚度，f为透镜的焦距，r_n为入射点A到透镜中心的距离。代入得：

\tan (α_{n}) = \frac{\frac{r_{n}}{\sqrt{{(f - h)}^{2} + r_{n}^{2}}}}{N - \frac{f - h}{\sqrt{{(f - h)}^{2} + r_{n}^{2}}}}

因此，得到了在不同距离处螺纹的角度。

图6示意性地从正面和侧面给出了一种透镜阵列式的透镜18，即左右眼电控可调焦透镜 /透镜组12L和12R的一种实现方式。通过透镜控制模块14的控制，左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R的折射率分布等效为一块透镜阵列式透镜18。其中，透镜阵列式透镜18中的子透镜19可以为圆形，方形，六边形等任意形状。通过设计透镜的大小，曲率，位置等参数，可以将所有子透镜19呈的子图像拼接为完整图像。该方式可以有效增大左右眼电控可调焦透镜/透镜组12L和12R的面积，减小其厚度。

图7示意性地显示了透镜阵列式的光路图。其中，20为透镜阵列，21为显示芯片显示的像，22为经过透镜阵列呈的像，23为显示芯片，24为显示区域，25为非显示区域。

令f为透镜阵列中每一个透镜的焦距，D为显示芯片到透镜的距离（即物距），L为成像的距离。根据成像公式：

\frac{1}{D} + \frac{1}{L} = \frac{1}{f}

得到：

L = \frac{Df}{D - f}

放大率为：

M = \frac{h^{'}}{h} = - \frac{L}{D} = \frac{f}{f - D} .

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精深和范围的情况下，可以进行各种其他变化、替换及改造。本领域的技术人员应当理解，对于本发明的技术方案进行其他修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应该涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种透射式立体显示眼镜装置，其特征在于：包括：

左右眼显示芯片，用于显示供观看的图像；

显示芯片控制模块，用于控制显示芯片显示视差图像；

左右眼电控可调焦透镜/透镜组，用于将显示芯片上图像成像在人眼合适观看距离处；

可调镜架，用于固定器件和调节瞳距。

2.根据权利要求1所述的透射式立体显示眼镜装置，其特征在于：所述左右眼显示芯片是透明OLED芯片，具有自发光和不显示时有高透射率特性。

3.根据权利要求1所述的透射式立体显示眼镜装置，其特征在于：所述显示芯片控制模块用于产生左右眼视差图像并通过左右眼显示芯片进行立体显示，或者用于产生独立的图像分别在左右眼显示芯片上进行平面显示。

4.根据权利要求1所述的透射式立体显示眼镜装置，其特征在于：所述左右眼电控可调焦透镜/透镜组可以通过透镜控制模块调节焦距，调节范围从能使正常或有不同远、近视程度的人看清环境事物到能看清显示芯片图像在眼镜前方人眼明视距离外所成的像。

5.根据权利要求4所述的透射式立体显示眼镜装置，其特征在于：所述左右眼电控可调焦透镜/透镜组中透镜可以是液晶透镜、液体透镜、聚合物透镜或者其他类似原理的可调焦透镜。

6.根据权利要求5所述的透射式立体显示眼镜装置，其特征在于：所述透镜为所述液晶透镜时，通过透镜控制模调节，液晶透镜的折射率分布等效为单一透镜、菲涅尔透镜或微透镜阵列的一种。

7.根据权利要求1所述的透射式立体显示眼镜装置，其特征在于：所述可调镜架可以横向调节瞳距，适应不同人需求，镜架将显示模块中的显示芯片置于液晶透镜/透镜组前方合适距离处，并固定两者位置。