CN105629469B - 基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，涉及立体显示技术领域。头戴式显示设备包括：显示屏和设置在显示屏前方相对人眼侧的液晶透镜阵列，所述液晶透镜阵列包括若干个液晶透镜，所述若干个液晶透镜呈M行×N列排布，所述液晶透镜包括相对设置的第一玻璃基板和第二玻璃基板，所述第一玻璃基板上涂镀有平面电极，所述第二玻璃基板上涂镀有n个呈同心环状设置的环形电极，在第一玻璃基板与第二玻璃基板之间填有液晶。本发明采用液晶透镜阵列中的每个液晶透镜均是可调的，这样能够实现显示屏的区域及整体均可调，并可以分区域地进行2D或3D的显示，且清晰度可调，可根据不同显示内容进行场景的动态缩放、且能实现人眼主动选择对焦。

Description

基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备

技术领域

本发明涉及立体显示技术领域，特别是涉及一种基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备。

背景技术

头戴式3D显示设备具有良好的便携性，无论是在生活娱乐，还是在医学工业领域都具有不可取代的作用。头戴式3D显示设备可以随时随地享受3D视频和游戏娱乐，可以在工作中让工程师看见建筑图纸，维修人员则能看到安装指南。医生在动手术时能看到病人的主要器官、核磁共振、X射线扫描图。因此开发头戴式集成成像3D显示设备具有很实用的价值。

目前主流的头戴式虚拟现实(VR)显示设备，通过在左眼和右眼显示两幅具有视差的图像，人的左眼看到左视点图像，右眼看到右视点图像，然后在人脑合成，使人能够感受到立体的三维图像，达到3D显示的效果。这种视差法设计的显示设备所呈现的3D图像并不是真实的3D图像，而是通过对大脑的“欺骗”来实现3D显示。长时间的观看会使人因两眼集合和焦点调节不一致而产生视觉疲劳，甚至会使人出现眩晕恶心的症状。

在现有的头戴式虚拟现实(VR)显示设备，所采用的液晶透镜，多维整块透镜，其只能够实现整体调节，而无法实现对显示屏的区域部分可调。另外，目前的液晶透镜结构能够提供给用户的视野比较狭窄，用户只能在较小的角度内进行观看，这样的话，时间一长，用户就容易产生眼胀或眼部疲劳等不适症状。

同时，不同视力的用户，佩戴VR显示设备时，看到的画面会有所差异。同一个画面，视力正常的用户观看时非常清晰，而近视或远视的用户观看时会比较模糊，而且不同程度近视或远视的用户看到的画面效果也会有一定的差异，这会使得用户在观看过程中，无法找到合适的观看点或者有眩晕的感觉，从而影响到整体体验，这是VR显示设备实现大众化的另一个难点。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其能够实现2D画面与3D画面间的切换，可实现整体或者区域显示，并能够适用于不同视力的使用者，使得用户获得清晰地视觉体验。

特别地，本发明提供了一种基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，包括：显示屏和设置在显示屏前方相对人眼侧的液晶透镜阵列，所述液晶透镜阵列包括若干个液晶透镜，所述若干个液晶透镜呈M行×N列排布，所述液晶透镜包括相对设置的第一玻璃基板和第二玻璃基板，所述第一玻璃基板上涂镀有平面电极，所述第二玻璃基板上涂镀有n个呈同心环状设置的环形电极，在所述第一玻璃基板与所述第二玻璃基板之间填有液晶。

进一步地，在所述第二玻璃基板上所涂镀的呈同心环状设置的所述n个环形电极的中心处还涂镀有直条形电极，所述液晶透镜在所述平面电极、所述n个环形电极和所述直条形电极均通电后形成圆形水滴状的透镜镜面。

进一步地，所述直条形电极向所述可控液晶透镜外延伸且不与所述至少两个环形电极相交。

进一步地，所述n个环形电极与所述直条形电极分别与一独立的驱动电压相连。

进一步地，所述n个环形电极与所述直条形电极的驱动电压由中心的所述直条形电极向所述液晶透镜的边界逐渐递减。

进一步地，所述各驱动电压彼此独立，且电压可调。

进一步地，在电极未供电时，所述液晶透镜中液晶的排列保持原始状态，不改变光线的传播方向；当给各电极分别提供电压时，所述平面电极接驱动电压负极，所述n个环形电极与所述直条形电极接所述各驱动电压的正极，所述液晶透镜中液晶分子的排列方式改变，不同的电压使所述液晶分子旋转角度不同，呈现出不同的折射率，改变光线经过所述液晶分子后的传播方向。

进一步地，在第一玻璃基板中相对所述液晶一侧与所述液晶之间设有配向膜，在第二玻璃基板中相对所述液晶一侧与所述液晶之间设有配向膜。

进一步地，所述头戴式显示装置中设有左右两块显示屏，在所述两块显示屏上分别设置有所述液晶透镜阵列。

进一步地，所述头戴式显示设备中设有一块显示屏，所述显示屏中部设有挡板，所述挡板将所述显示屏分隔为两块独立的显示区域，在所述两块显示区域上分别设置有所述液晶透镜阵列。

本发明的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，采用液晶透镜阵列取代传统光学透镜，并且阵列中的每个液晶透镜均是可调的，这样能够实现显示屏的区域及整体均可调，实现了显示设备的显示效果在2D和3D之间的自由切换，并可以分区域地进行2D或3D的显示，并且清晰度可调，可根据不同显示内容进行场景的动态缩放、且能实现人眼主动选择对焦。

进一步地，本发明中的液晶透镜由于采用同心环状的电极作为控制电极，且各个电极是分别供电的，因此可随时调整焦距，且可调范围更大，能够提供更为清晰的显示图像。

进一步地，本发明中的液晶透镜能够形成圆形水滴状的透镜镜面效果，更为清晰，进行的是点阵式的布置，区别于现有的整体式透镜，克服透镜调节区域不可控的缺陷。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的头戴式显示设备的结构示意图；

图2是图1所示液晶透镜阵列中的液晶透镜的示意性截面图；

图3是图2所示液晶透镜中第二玻璃基板上的电极分布示意图；

图4是本发明一个实施例中的液晶透镜在电极不供电时的液晶的分子排布示意图；

图5是本发明一个实施例中的液晶透镜在电极供电时的液晶的分子排布示意图；

图6是本发明一个实施例中头戴式显示设备的工作原理框图；

图7是本发明一个实施例中液晶透镜的工作原理示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的头戴式显示设备的结构示意图；图2是图1所示液晶透镜阵列中的液晶透镜的示意性截面图；图3是图2所示液晶透镜中第二玻璃基板上的电极分布示意图，以下将参考图1、图2和图3对头戴式显示设备的结构进行阐述。

如图1、图2所示，本实施例所描述的一种基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其包括：显示屏2和设置在显示屏2前部相对人眼侧上的液晶透镜阵列1，也就是说液晶透镜阵列1是设置在显示屏2与用户人眼之间的，所述液晶透镜阵列1包括若干个液晶透镜，所述若干个液晶透镜呈M行×N列排布构成所述液晶透镜阵列1，所述液晶透镜包括相对设置的第一玻璃基板10和第二玻璃基板11，所述第一玻璃基板10上涂镀有平面电极30，所述第二玻璃基板11上涂镀有n个呈环状设置的环形电极，在所述第一玻璃基板10与所述第二玻璃基板11之间填有液晶50。

可见，本实施例中，透镜阵列是由很多个液晶透镜排列而成。显示屏2固定在眼睛的远端，液晶透镜阵列1置于显示屏2和人眼之前。在进行2D显示时，不对液晶透镜施加电压，使整个透镜阵列具有相同的折射率，液晶透镜阵列1可以看作一块平面玻璃，显示屏2显示正常的2D图像，人眼看到不损失分辨率的清晰2D图像。在需要进行3D显示时，给微透镜阵列加电压，液晶透镜阵列1就“出现”很多微小透镜，此时在显示屏2上播放与此透镜阵列参数匹配的3D内容，就可以实现3D显示。如此，就实现了2D到3D的切换。

本实施例采用液晶透镜阵列1取代传统光学透镜，并且阵列中的每个液晶透镜均是可调的，这样能够实现显示屏2的区域及整体均可调，实现了显示设备的显示效果在2D和3D之间的自由切换。

尤为重要的是，由于本实施例中采用的阵列式排布的若干个液晶透镜，那么我们如果调节所述若干个液晶透镜中的一部分进行3D显示，而其余部分仍保持2D显示的话，那么就可以分区域地进行2D和3D的显示，并且清晰度可调，可根据不同显示内容进行场景的动态缩放、且能实现人眼主动选择对焦，进而满足客户的不同需求。

如图3所示，在所述第二玻璃基板11上所涂镀的呈环状设置的电极的中心处还涂镀有直条形电极34，所述液晶透镜在所述平面电极30、所述n个环形电极(31、32、33)和所述直条形电极34均通电后形成圆形水滴状的透镜镜面。本发明中的液晶透镜能够形成圆形水滴状的透镜镜面效果，更为清晰，进行的是点阵式的布置，区别于现有的整体式透镜，克服透镜调节区域不可控的缺陷，能够更好地被人眼捕捉，图像也更为清晰。

在本实施例中，第二玻璃基板11上涂镀有3个环形电极(31、32、33)和1个直条形电极34，其中3个环形电极(31、32、33)呈同心环状设置，所述直条形电极34则设置在所述3个环形电极(31、32、33)的圆心处。

第二玻璃基板11上的所述n个环形电极与所述直条形电极34分别与一独立的驱动电压相连。在电极未供电时，如图4所示，图4是本实施例中的液晶透镜在电极不供电时的液晶的分子排布示意图，液晶透镜中液晶的排列保持原始状态，不改变光线的传播方向；当给各电极分别提供电压时，如图5所示，图5是本实施例中的液晶透镜在电极供电时的液晶的分子排布示意图，所述平面电极30接驱动电压负极，所述n个环形电极与所述直条形电极34接所述各驱动电压的正极，液晶透镜中液晶分子的排列方式改变，不同的电压使液晶分子旋转角度不同，呈现出不同的折射率，改变光线经过液晶分子后的传播方向。

并且，第二玻璃基板11上电极驱动电压的大小规则为：所述n个环形电极与所述直条形电极34的驱动电压由中心的所述直条形电极34向所述液晶透镜的边界逐渐递减。

可以理解的是，上述所谓“所述n个环形电极与所述直条形电极34的驱动电压由中心的所述直条形电极34向所述液晶透镜的边界逐渐递减”的规则是针对其绝对值而言的。通常我们都是平面电极30接负极，如上述，但也可以接正极，此时，第二玻璃基板11上电极是与驱动电压的负极相连的，此时，所述直条形电极34的驱动电压为负值，按照数值表象应该是为第二玻璃基板11上电极驱动电压最小的，但是是其绝对电压值最大。

如图2、图3所示的电极分布图，结合图7所示的液晶透镜电极通电后的工作原理图，展示了液晶透镜电极在不同位置时的电压V的大小关系，其中，中间直条形电极34的电压V4最大，由直条形电极34向所述液晶透镜的边界方向的环形电极的驱动电压逐渐递减，也就是说V4＞V3＞V2＞V1。

进一步地，所述各驱动电压彼此独立，且电压可调。本发明中的液晶透镜由于采用同心环状的电极作为控制电极，且各个电极是分别供电的，因此可随时调整焦距，且可调范围更大，能够提供更为清晰的显示图像。

进一步地，在第一玻璃基板10中相对所述液晶50一侧与所述液晶50之间设有配向膜40，在所述第二玻璃基板11中相对所述液晶50一侧与所述液晶50之间设有配向膜40。

进一步地，所述头戴式显示装置中设有左右两块显示屏2，在所述两块显示屏2上分别设置有所述液晶透镜阵列1。具体说来，所述头戴式显示设备中设有左右两块显示屏2，在所述两块显示屏2上分别设置有液晶透镜阵列1，在2D图像显示时分别对用户的左眼、右眼进行调焦，将左眼、右眼调焦的参数分别存储，在开启3D显示画面时，根据左眼的对焦参数调整左边的可控液晶透镜上输入电极对应的电压，使左视点图像折射的位置刚好适合于左眼观看，根据右眼的对焦参数调整右边的可控液晶透镜上输入电极对应的电压，使右视点图像折射的位置刚好适合于右眼观看，让用户看到效果最佳的3D显示画面。其实，针对这一方案，本实施例中也可以采用一块显示屏2，但是在这一显示屏2的中部设置挡板，然后左右两块分隔开的显示区域上再分别设置所述可控液晶透镜，同样能够达到上述发明目的。

针对本实施例所描述的头戴式显示设备进行调整的原理框图如图6所示，具体如下：

画面控制输入后首先参考现有场景比例或者经外部控制输入经处理器整体控制图像场景缩放调整，再经显示驱动电路使得显示屏2工作；而需要3D显示时通过控制透镜驱动电路的驱动电压(即送往液晶透镜阵列1中各电极的输入电压)进而控制所述液晶透镜阵列1的折射，最终获得想要的图像显示。

也就是说经初步处理后的画面经过显示驱动电路，转换成与显示屏2匹配的信号，输入到显示屏2上进行显示；进行3D显示时，处理器可以根据外部的控制信号来控制透镜驱动电路的驱动电压部分，使其输出合适的电压，使得液晶透镜阵列1相应区域处于相应的状态。具体可实现的功能包括：2D/3D切换、动态调焦、场景缩放。

所述头戴式显示设备可选择地显示2D图像或3D图像，2D图像显示时用户缩放2D图像以适应用户焦距，然后在3D图像显示时自动调用之前2D图像显示时调焦得到的光学参数，控制液晶透镜处每个电极的供电电压做出相应的变化，改变液晶的旋转角度使得出射光线方向偏转，分别将左视图、右视图的图像画面折射到用户处，让用户看到效果最佳的3D显示画面。

而采用两片相同的可控液晶透镜，可针对左右眼施力不相同的用户进行针对性的调整。具体说来，所述头戴式显示设备中设有左右两块显示屏2，在所述两块显示屏2上分别设置有可控液晶透镜，在2D图像显示时分别对用户的左眼、右眼进行调焦，将左眼、右眼调焦的参数分别存储，在开启3D显示画面时，根据左眼的对焦参数调整左边的可控液晶透镜上输入电极对应的电压，使左视点图像折射的位置刚好适合于左眼观看，根据右眼的对焦参数调整右边的可控液晶透镜上输入电极对应的电压，使右视点图像折射的位置刚好适合于右眼观看，让用户看到效果最佳的3D显示画面。其实，针对这一方案，本实施例中也可以采用一块显示屏2，但是在这一显示屏2的中部设置挡板，然后左右两块分隔开的显示区域上再分别设置可控液晶透镜，同样能够达到上述发明目的。

针对本发明所述的头戴式显示设备的调节方法，能够使得本发明适用于不同视力的人群，满足各种视力的用户的需求。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，包括：显示屏和设置在显示屏前方相对人眼侧的液晶透镜阵列，所述液晶透镜阵列包括若干个液晶透镜，所述若干个液晶透镜呈M行×N列排布，所述液晶透镜包括相对设置的第一玻璃基板和第二玻璃基板，所述第一玻璃基板上涂镀有平面电极，所述第二玻璃基板上涂镀有n个呈具有开口的同心环状设置的环形电极，在所述第一玻璃基板与所述第二玻璃基板之间填有液晶；

其中，所述n个环形电极的中心处涂镀有直条形电极；

所述液晶透镜在所述平面电极、所述n个环形电极和所述直条形电极均通电后形成圆形水滴状的透镜镜面。

2.根据权利要求1所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，所述直条形电极向所述液晶透镜外延伸且不与至少两个所述环形电极相交。

3.根据权利要求1所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，所述n个环形电极与所述直条形电极分别与一独立的驱动电压相连。

4.根据权利要求1所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，所述n个环形电极与所述直条形电极的驱动电压由中心的所述直条形电极向所述液晶透镜的边界逐渐递减。

5.根据权利要求3所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，所述各驱动电压的电压可调。

6.根据权利要求5所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，在电极未供电时，所述液晶透镜中液晶的排列保持原始状态，不改变光线的传播方向；当给各电极分别提供电压时，所述平面电极接驱动电压负极，所述n个环形电极与所述直条形电极接所述各驱动电压的正极，所述液晶透镜中液晶分子的排列方式改变，不同的电压使所述液晶分子旋转角度不同，呈现出不同的折射率，改变光线经过所述液晶分子后的传播方向。

7.根据权利要求6所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，在所述第一玻璃基板中相对所述液晶一侧与所述液晶之间设有配向膜，在所述第二玻璃基板中相对所述液晶一侧与所述液晶之间设有配向膜。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备中设有左右两块显示屏，在所述两块显示屏上分别设置有所述液晶透镜阵列。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的基于液晶透镜阵列的头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备中设有一块显示屏，所述显示屏中部设有挡板，所述挡板将所述显示屏分隔为两块独立的显示区域，在所述两块显示区域上分别设置有所述液晶透镜阵列。