CN104285176B - 立体焦场式眼镜显示器 - Google Patents

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Abstract

一种立体焦场式眼镜显示器，可以同时显示不同距离的虚拟图像，并由人眼晶状体(4)的屈光度来决定能看清的图像内容。显示器外形为框架式眼镜或角膜接触镜。显示器包含投影组件(1)及显示控制器件，投影组件(1)由若干个投影单元(2)组成，单个投影单元(2)投射出若干元光束(3)。同一投影单元(2)发出的元光束(3)呈发散关系且互不相交。不同投影单元(2)发出的元光束(3)经过晶状体(4)后，在视网膜(5)附近相交，形成集束焦点(6)，所有集束焦点(6)组成笼罩着视网膜的立体焦场(7)。当晶状体(4)屈光度改变时，立体焦场(7)也随之发生位移和形变，从而使不同的集束焦点(6)落在视网膜(5)上而被人看清，而之前能被看清的集束焦点(6)则趋于发散。

Description

立体焦场式眼镜显示器
技术领域
本发明涉及一种眼镜显示器，也称作头戴式显示器(head mounted display，HMD)或近眼显示器，尤其是涉及到一种可同时显示不同距离的虚拟图像的眼镜显示器。
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，眼镜显示器领域有很多解决方案。
现有的眼镜显示器产品主要分为透射式和非透射式两种，透射式眼镜显示器允许外界环境光线透过眼镜进入人眼，从而使得显示的虚拟图像与外界景物融为一体。
现有市面上的眼镜显示器产品显示的图像都处在同一个虚拟像平面上，无法实现同时显示不同距离虚拟图像的功能。
有专利文献显示，采用变焦距透镜扫描法制成的眼镜显示器可以在不同时间显示不同距离的虚拟图像，当扫描速度非常快时，在人眼无法区分的时间间隔之内，可认为实现了同时显示不同距离的虚拟图像，但此方案需采用电压控制曲率的透镜，结构复杂，且仍没有真正实现同时显示不同距离的虚拟图像。
人眼的最大视角约为120°，而现有眼镜显示器其显示视角范围受到光学结构的限制，通常只有50°左右，因此其融入性的视觉体验较差。
基于上述眼镜显示器产品及其不足之处，为了开发可同时显示不同距离的虚拟图像的眼镜显示器，本发明研发了“立体焦场式眼镜显示器”。
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：提供一种可同时显示不同距离的虚拟图像的眼镜显示器方案，这种方案可以用来制作框架式眼镜或角膜接触镜显示器。
本发明主要通过以下技术方案实施：
一种立体焦场式眼镜显示器，包括投影组件及显示控制器件，外形为框架式眼镜或角膜接触镜。所述的投影组件由若干个投影单元组成，单个投影单元投射出若干元光束，同一投影单元发出的元光束在晶状体之前呈发散关系而互不相交，在晶状体之后其延长线交汇于视网膜之后的实际焦点，不同投影单元发出的元光束经过晶状体后在视网膜附近相交，形成集束焦点，所有集束焦点组成了笼罩着视网膜的立体焦场。当晶状体屈光度改变时，立体焦场也随之发生位移和变形，从而使得不同的集束焦点落在视网膜上而被看清，而之前能被看清的集束焦点则趋向于发散。
所述的投影单元由投影光源和显示层组成，显示层可以是任何透光性能可控的点阵显示器件，如液晶显示器，投影光源发出类似点光源的光线，经过显示层之后，被分割为相互独立且颜色亮度可控的若干元光束。
所述的投影单元内的投影光源可增加光束导向滤镜，使得面光源更加接近点光源。
所述的投影单元内的投影光源可增加内调节透镜用来调节投影光线的发散度，内调节透镜可以是聚光透镜或散光透镜。
所述的投影单元内的投影光源背面可增加球面反射镜，可更多地利用投影光源发出的光线。
所述的投影单元的显示层外可增加外调节透镜用来调节投影光线的发散度，外调节透镜可以是聚光透镜或散光透镜。
所述的投影单元中可采用只包含一层偏光片的液晶显示器(称为单偏振显示层)，对外部光线不具有控制能力，从而允许外部光线透过，投影光源附有局部偏光片，因此投影光源发出的光线在经过局部偏光片后变为可被单偏振显示层控制的光线，从而制成透射式眼镜显示器。
所述的投影单元可采用反射式光源，由侧面光源提供光线，经过侧光反射镜之后，形成了反射式光源，侧面光源提供的光线可以是偏振光，由侧面偏振膜实现偏振化，经过侧光反射镜反射后偏振性不变，此时可采用单偏振显示层制成透射式眼镜显示器。
所述的投影单元的输入光线可以是平行光或光线互不交叉的准平行光，输入光线可以先经过显示层然后经过出口透镜，也可以先经过入口透镜然后经过显示层，最终射出发散的元光束族。若输入光线本身即为经过外部显示器件调制成的相互独立的元光束族，则无需显示层，只需出口透镜来调节光束发散度。出口透镜和入口透镜可选用聚光透镜或散光透镜。外部显示器件可以采用直射型投影组件输入光线生成结构，也可以采用反射型投影组件输入光线生成结构。
所述的投影组件可被安置在人眼的侧面，采用反射式结构，利用侧面反射镜将投影光线反射进入人眼，侧面反射镜可以是平面镜或非平面镜，也可为全反射式或半反射式，当采用半反射式反射镜时，可制成透射式眼镜显示器。
本发明的有益效果是：
1)较好地模拟了人眼对不同距离物体光线的聚焦和散焦机制，使得显示器同时显示出不同距离的虚拟图像，由人眼自主控制晶状体的屈光度来决定能看清的部分，而不需要其他光学或机械组件单独对显示距离进行控制。
2)采用多投影单元组合式投影组件，有效降低了显示器件的视线轴向尺寸，易于制造出重量更轻镜片更薄的框架式眼镜显示器，当尺寸足够小时可用于制造角膜接触式眼镜显示器。
3)采用多投影单元组合式投影组件，可制作出视角很大的眼镜显示器，甚至达到人眼的极限视角120°左右，带来良好的融入性视觉体验。
4)无论采用直射型、光源反射型或反射镜反射型，都易于根据相应方案制成透射式眼镜显示器，使得虚拟图像融合在实景画面中，同时其显示距离也与实景环境相匹配，真正发挥立体焦场式眼镜显示器的显示优势。
附图说明
图1是立体焦场式眼镜显示器的原理示意图。
图2A、图2B、图2C是晶状体处于不同状态时的立体焦场状态示意图。
图3是投影单元的结构示意图。
图4是附有光束导向滤镜的投影单元的结构示意图。
图5是附有内调节透镜的投影单元的结构示意图。
图6是附有球面反射镜的投影单元的结构示意图。
图7是附有外调节透镜的投影单元的结构示意图。
图8是透射式投影单元的结构示意图。
图9A是光源反射型立体焦场式眼镜显示器的结构示意图。
图9B是透射式光源反射型立体焦场式眼镜显示器的结构示意图。
图10A、图10B、图10C、图10D是投影光线由外部输入的投影单元的四种适用结构示意图。
图11是反射镜反射型立体焦场式眼镜显示器的结构示意图。
图12是集束焦点三种情况的示意图。
图13A、图13B、图13C是集束焦点三种情况的细节立体示意图。
图14A、图14B是人眼晶状体处于不同状态时投影单元在视网膜上产生的投影圆示意图。
图15A、图15B、图15C是相邻投影圆以不同密度呈六边形排列的重叠效果示意图。
图16A是相邻7个投影圆的六边形排列方式及其在晶状体近视状态下的示意图。
图16B是图16A中7个投影圆在晶状体远视状态下的示意图。
图17是用本发明原理制成的角膜接触镜显示器的结构示意图。
图18A、图18B是直射型投影组件输入光线生成结构示意图。
图19是反射型投影组件输入光线生成结构示意图。
图中示意元素及编号：投影组件1、投影单元2、元光束3、晶状体4、视网膜5、集束焦点6、立体焦场7、实际焦点8、实际焦平面9、投影光源10、显示层11、光束导向滤镜12、内调节透镜13、球面反射镜14、外调节透镜15、单偏振显示层16、外部光线17、局部偏光片18、侧面光源19、侧光反射镜20、侧面偏振膜21、出口透镜22、入口透镜23、侧面反射镜24、汇聚在视网膜上的集束焦点25、汇聚在视网膜后的集束焦点26、汇聚在视网膜前的集束焦点27、单个元光束在视网膜上的光斑28、单个投影单元在视网膜上的投影圆29、角膜接触镜30、总成光源31、平行光生成透镜32、透射型总成显示层33、半透镜34、反射型总成显示层35。
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所示的显示原理：立体焦场式眼镜显示器包括投影组件(1)及显示控制器件。投影组件(1)位于框架式眼镜或角膜接触镜的镜片内，置于人眼前方。投影组件(1)中包含若干(图1中为11个，沿纸面垂直方向还可以延伸，在图中暂不画出)投影单元(2)，单个投影单元(2)投射出若干束(图1中为三束)元光束(3)，这三束元光束(3)在经过晶状体(4)后，重新聚焦于实际焦点(8)处，不同投影单元的实际焦点(8)处于同一个平面上，称为实际焦平面(9)，实际焦平面(9)位于视网膜(5)的后方，由于视网膜(5)的阻挡，实际焦平面(9)并不存在，只是理论上的一个平面。考虑不同投影单元(2)发出的元光束(3)，在实际焦平面(9)之前会发生一些交叉，图1中集束焦点(6)为三束元光束(3)的交叉点，这些交叉点分布在视网膜前后的若干(图中标出了三个)相互平行的焦平面上，这些焦平面组成了一个空间，称为立体焦场(7)。图1中标出了由15个集束焦点(6)组成的立体焦场(7)。
图2A、图2B、图2C画出了晶状体(4)处于不同状态时，立体焦场(7)与视网膜(5)的关系。当晶状体(4)屈光度发生变化时，立体焦场(7)整体发生位移和变形。当晶状体(4)处于远视状态时，如图2A所示，立体焦场(7)的前端面与视网膜(5)重合；当晶状体(4)处于中等距离视觉状态时，如图2B所示，立体焦场(7)的中部平面与视网膜(5)重合；当晶状体(4)处于近视状态时，如图2C所示，立体焦场(7)的后端面与视网膜(5)重合。综上，在投影组件(1)发出相同光线的情况下，由晶状体(4)决定视网膜(5)与立体焦场(7)的哪个焦平面相交。由图2A、图2B、图2C中的晶状体(4)的状态可以看出，晶状体(4)在变形时口径会发生变化，这是由人眼的生理结构决定的，因此，为了保证所有投影光线都能射入眼球中，在图2A、图2B、图2C中，投影单元(2)发出的光线都始终包含在晶状体(4)最小口径内，晶状体(4)的最小口径为人眼对最近处物体聚焦时达到。
图3画出了投影单元(2)的内部结构。投影单元(2)由投影光源(10)和显示层(11)组成，显示层(11)可以是任何透光性能可控的点阵显示器件，投影光源(10)发出类似点光源的光线，经过显示层(11)之后，被分割为相互独立且颜色亮度可控的元光束(3)。
图4画出了投影单元(2)的一种改型。投影单元(2)内的投影光源(10)增加了光束导向滤镜(12)，使得面光源更加接近点光源。
图5画出了投影单元(2)的一种改型。投影单元(2)内的投影光源(10)增加了内调节透镜(13)，内调节透镜(13)可以是聚光透镜或散光透镜，图中画出的是聚光透镜。
图6画出了投影单元(2)的一种改型。投影单元(2)内的投影光源(10)背面增加了球面反射镜(14)，可更多地利用投影光源(10)发出的光线。
图7画出了投影单元(2)的一种改型。投影单元(2)的显示层(11)外增加了外调节透镜(15)，外调节透镜(15)可以是聚光透镜或散光透镜，图中画出的是聚光透镜。
图8画出了投影单元(2)的一种改型。投影单元(2)中所采用的单偏振显示层(16)为只包含一层偏光片的液晶显示器，对外部光线(17)不具有控制能力，从而允许外部光线透过，投影光源(10)附有局部偏光片(18)，因此投影光源(10)发出的光线在经过局部偏光片(18)后变为可被单偏振显示层(16)控制的光线，从而制成透射式眼镜显示器。
图9A画出了投影单元(2)的一种改型，投影单元(2)采用反射式光源，由侧面光源(19)提供光线，经过侧光反射镜(20)之后，形成了反射式光源。图9B画出了图9A的一种改型，其中侧面光源(19)提供的光线由侧面偏振膜(21)进行偏振化，经过侧光反射镜(20)反射后偏振性不变，此时可采用单偏振显示层(16)制成透射式眼镜显示器。
图10A画出了投影单元(2)的一种改型，其中输入光线为平行光或光线互不交叉的准平行光，输入光线在投影单元内被显示层(11)分割为相互独立且颜色亮度可控的元光束(3)族，之后经过出口透镜(22)，出口透镜(22)可以是聚光透镜也可以是散光透镜。图10B画出了图10A的一种改型，其中输入光线为经过外部显示器件调制成的相互独立的元光束(3)族，因而不需要显示层(11)。图10C、图10D画出了图10A的另两种改型，分别采用聚光透镜和散光透镜作为入口透镜(23)来对输入光线进行发散度的调节，之后经过显示层(11)形成元光束(3)族。
图11画出了反射镜反射型立体焦场式眼镜显示器的结构。其中投影组件(1)被安置在人眼的侧面，利用侧面反射镜(24)将投影光线反射进入人眼，侧面反射镜(24)可以是平面镜或非平面镜，也可为全反射式或半反射式，当采用半反射式反射镜时，可制成透射式眼镜显示器。
图12画出了集束焦点的三种情况。相邻的三个投影单元(2)分别发出3束元光束(3)，以上9束元光束(3)在经过晶状体(4)后，焦点位于实际焦平面(9)上，而在实际焦平面(9)之前，9束元光束(3)在视网膜(5)附近形成了三个汇聚点，分别是汇聚在视网膜上的集束焦点(25)、汇聚在视网膜后的集束焦点(26)、汇聚在视网膜前的集束焦点(27)，图12下方画出了以上三种集束焦点在视网膜(5)上的投影图案，可以看出，只有汇聚在视网膜上的集束焦点(25)形成的投影图案为单一光斑，其他两种情况下，投影图案均为三个相互错开的光斑。
图13A、图13B、图13C详细描述了集束焦点的三种情况。图13A中5束元光束(3)交汇于汇聚在视网膜上的集束焦点(25)，形成了如图13A下方的单一高亮度光斑；图13B中5束元光束(3)交汇于汇聚在视网膜后的集束焦点(26)，形成了如图13B下方的5个分散的昏暗光斑；图13C中5束元光束(3)交汇于汇聚在视网膜前的集束焦点(27)，形成了如图13C下方的5个分散的昏暗光斑。
图14A、图14B画出了晶状体(4)处于不同状态时，投影单元(2)在视网膜(5)上产生的单元投影区域及其相互间的关系。单元投影区域可以是任意形状，在图中表现为单个投影单元在视网膜上的投影圆(29)，因而下文均以投影圆代指单元投影区域。图中三束元光束(3)在视网膜上产生了三个光斑，即单个元光束在视网膜上的光斑(28)，光斑的直径即眼镜显示器显示像素的大小。如图14A所示，当晶状体(4)处于远视状态时，投影单元(2)在视网膜(5)上产生较大的投影圆，且与其他投影圆之间重叠部分较多；如图14B所示，当晶状体(4)处于近视状态时，投影单元(2)在视网膜(5)上产生较小的投影圆，且与其他投影圆之间重叠部分较少。进一步分析投影圆在晶状体(4)不同状态时的区别，可以看出两个投影圆圆心之间的距离d在图14A和图14B中相同，只是投影圆大小不同，根据图14A和图14B中投影圆内三个光斑的位置可以看出，投影圆的大小变化过程是圆心位置不变的等比例缩放过程。
图15A画出了相邻投影圆以1/2半径重叠度呈六边形排列的重叠效果，图中六边形中的区域为一个标准显示区域，其中每个点至少有3次重叠；图15B画出了相邻投影圆以2/3半径重叠度呈六边形排列的重叠效果，图中六边形中的区域为一个标准显示区域，其中每个点至少有7次重叠；图15C画出了相邻投影圆以3/4半径重叠度呈六边形排列的重叠效果，图中六边形中的区域为一个标准显示区域，其中每个点至少有12次重叠。为了实现较好的显示效果，显示区域的每个点至少需要达到7次重叠。
图16A、图16B描述了如何利用六边形排列下的7次重叠投影圆实现不同距离虚拟图像的显示。图16A画出了相邻的7个投影圆各自显示的图像及在晶状体(4)处于近视状态时，7个投影圆重叠后的图像，可以看到重叠区域形成了清晰的“+”图形及周围模糊的“×”图形，即人眼会感觉此时虚拟的“+”图像位于近处，而虚拟的“×”图像位于远处无法看清；图16B画出了图16A中的7个投影圆在晶状体(4)处于远视状态时的重叠图像，与图16A相比较，图16B中的7个投影圆等比例放大了一定倍数(图中为1.2倍)，而圆心位置不变，可以看到，此时重叠区域形成了清晰的“×”图形及周围模糊的“+”图形，即人眼会感觉此时虚拟的“×”图像位于远处，而虚拟的“+”图像位于近处无法看清。
图17画出了利用立体焦场显示原理制成的角膜接触镜显示器。投影单元(2)被集成在角膜接触镜(30)的镜片内，投影单元(2)之间的间隙较大，允许外部光线(17)通过，因而可使佩戴者看清外界环境。使用图8的方案可使得投影单元(2)本身也具有一定的透光性，进一步提高了角膜接触镜显示器的透光度。
图18A、图18B画出了直射型投影组件输入光线生成结构。图18A描述了在图10A、图10C、图10D三种情况下，投影组件(1)的输入光线生成方案：总成光源(31)产生的光线经过平行光生成透镜(32)之后变为平行光或准平行光，作为投影组件(1)的输入光线；图18B描述了在图10B情况下，投影组件(1)的输入光线生成方案：总成光源(31)产生的光线经过平行光生成透镜(32)之后变为平行光或准平行光，然后又经过透射型总成显示层(33)形成元光束(3)族，作为投影组件(1)的输入光线。透射型总成显示层(33)可以是液晶显示器或其他透射性能可控的点阵显示器件。
图19画出了反射型投影组件输入光线生成结构，描述了在图10B情况下，投影组件(1)的输入光线的另一种生成方案：总成光源(31)产生的光线经过平行光生成透镜(32)之后变为平行光或准平行光，然后经过半透镜(34)反射后射入反射型总成显示层(35)，反射出的元光束(3)族透过半透镜(34)，作为投影组件(1)的输入光线。反射型总成显示层(35)可以是LCOS类显示器或其他反射性能可控的点阵显示器件。
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 (10)

1.一种立体焦场式眼镜显示器，包括投影组件(1)及显示控制器件，外形为框架式眼镜或角膜接触镜，其特征是：投影组件(1)由若干个投影单元(2)组成，单个投影单元(2)投射出若干元光束(3)，同一投影单元(2)发出的元光束(3)在晶状体(4)之前呈发散关系而互不相交，在晶状体(4)之后其延长线交汇于视网膜(5)之后的实际焦点(8)，不同投影单元(2)发出的元光束(3)经过晶状体(4)后在视网膜(5)附近相交，形成集束焦点(6),所有集束焦点(6)组成了笼罩着视网膜的立体焦场(7)，当晶状体(4)屈光度改变时，立体焦场(7)也随之发生位移和变形，从而使得不同的集束焦点(6)落在视网膜(5)上而被看淸，而之前能被看清的集束焦点(6)则趋向于发散；投影组件(1)位于框架式眼镜或角膜接触镜的镜片内，置于人眼前方；其中投影单元(2)由投影光源(10)和显示层(11)组成，使得所述若干元光束(3)为相互独立且颜色亮度可控。
2.根据权利要求1所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：显示层(11)可以是任何透光性能可控的点阵显示器件，投影光源(10)发出类似点光源的光线，经过显示层(11)之后，被分割为相互独立且颜色亮度可控的若干元光束(3)。
3.根据权利要求1或2所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影单元(2)内的投影光源(10)增加了光束导向滤镜(12)，使得面光源更加接近点光源。
4.根据权利要求1或2所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影单元(2)内的投影光源(10)增加了内调节透镜(13)用来调节投影光线的发散度。
5.根据权利要求1或2所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影单元(2)内的投影光源(10)背面增加了球面反射镜(14)，可更多地利用投影光源(10)发出的光线。
6.根据权利要求1或2所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影单元(2)的显示层(11)外增加了外调节透镜(15)用来调节投影光线的发散度。
7.根据权利要求1或2所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影单元(2)中所采用的单偏振显示层(16)为只包含一层偏光片的液晶显示器，对外部光线(17)不具有控制能力，从而允许外部光线透过，投影光源(10)附有局部偏光片(18)，因此投影光源(10)发出的光线在经过局部偏光片(18)后变为可被单偏振显示层(16)控制的光线，从而制成透射式眼镜显示器。
8.根据权利要求1或2所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影单元(2)采用反射式光源，由侧面光源(19)提供光线，经过侧光反射镜(20)之后，形成了反射式光源，侧面光源(19)提供的光线可以是偏振光，由侧面偏振膜(21)实现偏振化，经过侧光反射镜(20)反射后偏振性不变，此时可采用单偏振显示层(16)制成透射式眼镜显示器。
9.根据权利要求1所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影单元(2)的输入光线为平行光或光线互不交叉的准平行光，输入光线可以先经过显示层(11)然后经过出口透镜(22)，也可以先经过入口透镜(23)然后经过显示层(11)，最终射出发散的元光束(3)族，若输入光线本身即为经过外部显示器件调制成的相互独立的元光束(3)族，则无需显示层(11)，只需出口透镜(22)来调节光束发散度。
10.根据权利要求1所述的立体焦场式眼镜显示器，其特征是：投影组件(1)被安置在人眼的侧面，采用反射式结构，利用侧面反射镜(24)将投影光线反射进入人眼，侧面反射镜(24)可以是平面镜或非平面镜，也可为全反射式或半反射式，当采用半反射式反射镜时，可制成透射式眼镜显示器。
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