CN107179608A - 一种立体式增强现实显示装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立体式增强现实显示装置及方法，包括背光源背板、显示面板和半透半反镜；背光源背板和显示面板构成一个虚拟图像显示源，虚拟图像显示源发出的图像为人为的虚拟场景，虚拟场景的光线通过半透半反镜形成一个虚像，真实场景的光线透过半透半反镜，观察者将在空间的对应位置看到虚拟场景和真实场景的融合。本发明应用在AR显示领域，能够同时显示集成成像的实模式和虚模式，增强AR显示的深度感；消除虚拟场景和真实场景的调节冲突，解决现有AR显示装置具有视疲劳的缺陷；当显示面板在不同时刻显示不同大小的图像元图像，可以通过动态调整背光源背板像素点亮，实现对不同时刻的显示面板显示不同大小的图像元图像照明。

Description

一种立体式增强现实显示装置及方法
技术领域
本发明属于增强现实显示领域，尤其涉及一种立体式增强现实显示装置及方法。
背景技术
随着电子显示器件和计算机科学的发展，增强现实(Augmented Reality，AR)显示越来越受到研究者和产业的关注。AR显示是为了增强观看者的观看现实三维场景感知，是将2D图像和3D图像无缝融入观看者观看的三维真实场景的一种显示技术。
现如今，AR显示主要分为单目AR显示和双目立体AR显示。单目AR显示是将2D图像叠加在真实3D场景中，如Google眼镜，但2D图像不能在位于真实场景物体深度平面上显示。双目立体AR显示是将3D图像叠加在真实3D场景中，但是双目立体AR显示装置存在虚拟场景和真实场景的单目焦点调节和双目会聚不一致的特性，违背天然的视觉特性，从而使得双目立体AR显示装置具有视疲劳特性，不利应用于消费市场。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种立体式增强现实显示装置及方法，在3D显示模式下，该立体式AR显示装置具有双目立体AR显示功能，并且可消除双目立体AR显示的视疲劳特性。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种立体式增强现实显示装置，包括虚拟图像显示源和半透半反镜，所述虚拟图像显示源和所述半透半反镜设置沿光轴顺次排布，所述半透半反镜与光轴呈一定的角度，人眼观察位置位于所述半透半反镜的前方；所述虚拟图像显示源显示虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束经所述半透半反镜反射后进入人眼，真实场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼，以使人眼在空间对应的位置感知真实三维场景的光线与所述虚拟图像发出的光线融合成增强现实图像。
进一步地，虚拟图像显示源包括背光源背板和显示面板，显示面板为液晶面板。
进一步地，背光源背板为面光源，显示面板显示2D图像。
进一步地，背光源背板为点光源，显示面板显示图像元图像。
一种立体式增强现实显示方法，虚拟图像显示源显示虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束经所述半透半反镜反射后进入人眼，真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼，以使人眼在空间对应的位置感知真实三维场景的光线与所述虚拟图像发出的光线融合成增强现实图像。
进一步地，当所述背光源背板的点光源点亮时，所述显示面板显示图像元图像，所述图像元图像构成所述虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束会聚形成3D实像；所述3D实像经所述半透半反镜反射后进入人眼后形成可以被人眼观察到的第一3D虚像；真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实三维场景的光线与所述第一3D虚像融合成所述增强现实图像。
进一步地，当所述背光源背板的点光源点亮时，所述显示面板显示图像元图像；所述图像元图像构成所述虚拟场景图像；所述虚拟场景图像发出的光束发散形成3D虚像；所述3D虚像经所述半透半反镜反射后进入人眼后形成可以被人眼观察到的第二3D虚像；真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实场景的光线与所述第二3D虚像融合成所述增强现实图像。
进一步地，当所述背光源背板的面光源点亮时，所述显示面板显示所述虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束形成2D图像；所述2D图像经过所述半透半反镜反射进入人眼后形成可以被人眼观察到的2D虚像；真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实场景的光线与所述2D虚像融合成所述增强现实图像。
一种可穿戴设备，包括所述的立体式增强现实显示装置。
有益效果：本发明应用在AR显示领域，能够实现单目显示与立体显示的相互切换；该装置能够同时显示集成成像的的实模式和虚模式，增强AR显示的深度感；消除了虚拟场景和真实场景的调节冲突，解决了现有AR显示装置具有视疲劳的缺陷；相比传统集成成像显示，当显示面板在不同时刻显示不同大小的图像元图像，可以通过动态调整背光源背板像素点亮，实现对不同时刻的显示面板显示不同大小的图像元图像照明。
附图说明
图1是本发明的立体式增强现实显示装置结构示意图；
图2是立体式增强现实显示装置在3D模式的点光源阵列与图像元关系示意图；
图3是立体式增强现实显示装置在3D模式的背光源背板的平面结构示意图；
图4是立体式增强现实显示装置在3D模式的显示面板的平面结构示意图；
图5是立体式增强现实显示装置在3D模式实模式的工作原理示意图；
图6是立体式增强现实显示装置在3D模式虚模式的工作原理示意图；
图7是立体式增强现实显示装置在2D模式的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明所述的立体式增强现实显示装置的结构示意图，包括虚拟图像显示源12和半透半反镜3，其中所述虚拟图像显示源12包括背光源背板1、显示面板2。显示面板2具体采用液晶面板，具有显示图像功能，显示2D图像或者图像元图像。背光源背板1用于对显示面板提供照明，采用主动发光面板，如OLED(有机发光二极管)、PDP(等离子显示面板)、FED(场致发射显示器)、CNT(碳纳米管显示器)、SED(表面传导电子发射显示器)等。半透半反镜3具体包括透明基板和薄的金属层，在透镜基板上沉积形成薄的金属层，金属层为铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、钛(Ti)等一种或者以上的合金构成。背光源背板1和显示面板2构成一个虚拟图像显示源12，虚拟图像显示源12和半透半反镜3设置沿光轴顺次排布，半透半反镜3与光轴呈一定的角度，人眼观察位置位于半透半反镜3的前方；虚拟图像显示源12显示虚拟场景图像，虚拟场景图像发出的光束经半透半反镜3反射后进入人眼，真实场景的光线通过半透半反镜3透射进入人眼，以使人眼在空间对应的位置感知真实三维场景的光线与虚拟图像发出的光线融合成增强现实图像。
如图2所示是立体式增强现实显示装置在3D模式下点光源阵列与图像元之间的关系示意图，背光源背板表现点光源阵列特性，与此同时，显示面板显示图像元图像，光线将沿原有的光学路径形成集成3D图像，此时该显示装置工作于3D模式下。为了使得点光源对对应图像元照明，且保证点光源不会对对应图像元的相邻图像元照明，根据式(1)可以得出图像元区域大小与点光源大小之间的精准匹配关系，根据式(2)可以得出背光源背板发出的点光源阵列的排布情况。
其中，Sls表示点光源的大小；Sele表示图像元区域大小；表示点光源的发散角度；g表示背光源背板与显示面板之间的间距；l表示点光源之间的间距。
如图3所示是立体式增强现实显示装置在3D模式下背光源背板的平面结构示意图，如图4所示是立体式增强现实显示装置在3D模式下显示面板的平面结构示意图。如图3和4所示，背光源背板1采用可编程的主动发光面板，背光源背板1的像素点亮区域的光学特性表现为点光源特性，其中，背光源背板1的像素点亮区域与显示面板上的图像元要一一对应。背光源背板1的像素点亮区域的大小与点亮背光源背板1的像素个数有关，背光源背板1的像素点亮区域形状与图像元的形状不仅限于此，具体形状根据实际设计所决定的。
当背光源背板1的光学特性表现为点光源阵列特性时，显示面板2显示图像元图像，此时立体式增强现实显示装置工作于3D模式。由于背光源背板1和显示面板2所组成的虚拟图像显示源12能够同时具有集成成像显示的实模式和虚模式特性，以下分别单独介绍立体式增强现实显示装置分别在实模式下和虚模式下的工作原理，如图5和图6所示。
如图5为立体式增强现实显示装置在3D模式的实模式下的工作原理示意图，当背光源背板1的点光源点亮时，显示面板2显示图像元图像，图像元图像构成虚拟场景图像，虚拟场景图像发出的光束会聚形成3D实像；3D实像经半透半反镜3反射后进入人眼后形成可以被人眼观察到的第一3D虚像；真实三维场景的光线通过半透半反镜3透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实三维场景的光线与第一3D虚像融合成增强现实图像。
如图6为立体式增强现实显示装置在3D模式的虚模式下的工作原理示意图，当背光源背板1的点光源点亮时，显示面板2显示图像元图像；图像元图像构成虚拟场景图像；虚拟场景图像发出的光束发散形成3D虚像；3D虚像经半透半反镜3反射后进入人眼后形成可以被人眼观察到的第二3D虚像；真实三维场景的光线通过半透半反镜3透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实场景的光线与第二3D虚像融合成增强现实图像。
如图7所示是立体式增强现实显示装置在2D模式下的工作原理示意图，背光源背板1的光学特性表现为面光源特性，即背光源背板1的像素全部点亮，与此同时，显示面板显示2D图像，此时，AR显示装置工作于2D模式。当2D图像透过半透半反镜3成像形成对应2D图像的虚像，由于半透半反镜3具有透射的功能，所以真实三维场景可以透过半透半反镜3。当观察者处在空间中对应的位置可以感受到虚拟场景和真实三维场景融合。
本发明可应用于可穿戴设备，该设备包括本发明的立体式增强现实显示装置。

Claims (10)

1.一种立体式增强现实显示装置，其特征在于：包括虚拟图像显示源和半透半反镜，所述虚拟图像显示源和所述半透半反镜设置沿光轴顺次排布，所述半透半反镜与光轴呈一定的角度，人眼观察位置位于所述半透半反镜的前方；所述虚拟图像显示源显示虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束经所述半透半反镜反射后进入人眼，真实场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼，以使人眼在空间对应的位置感知真实三维场景的光线与所述虚拟图像发出的光线融合成增强现实图像。
2.根据权利要求1所述的立体式增强现实显示装置，其特征在于：所述虚拟图像显示源包括背光源背板和显示面板。
3.根据权利要求2所述的立体式增强现实显示装置，其特征在于：所述显示面板为液晶面板。
4.根据权利要求2所述的立体式增强现实显示装置，其特征在于：所述背光源背板为面光源，所述显示面板显示2D图像。
5.根据权利要求2所述的立体式增强现实显示装置，其特征在于：所述背光源背板为点光源，所述显示面板显示图像元图像。
6.一种立体式增强现实显示方法，其特征在于：虚拟图像显示源显示虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束经所述半透半反镜反射后进入人眼，真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼，以使人眼在空间对应的位置感知真实三维场景的光线与所述虚拟图像发出的光线融合成增强现实图像。
7.根据权利要求6所述的立体式增强现实显示方法，其特征在于：当所述背光源背板的点光源点亮时，所述显示面板显示图像元图像，所述图像元图像构成所述虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束会聚形成3D实像；所述3D实像经所述半透半反镜反射后进入人眼后形成可以被人眼观察到的第一3D虚像；真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实三维场景的光线与所述第一3D虚像融合成所述增强现实图像。
8.根据权利要求6所述的立体式增强现实显示方法，其特征在于：当所述背光源背板的点光源点亮时，所述显示面板显示图像元图像；所述图像元图像构成所述虚拟场景图像；所述虚拟场景图像发出的光束发散形成3D虚像；所述3D虚像经所述半透半反镜反射后进入人眼后形成可以被人眼观察到的第二3D虚像；真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实场景的光线与所述第二3D虚像融合成所述增强现实图像。
9.根据权利要求6所述的立体式增强现实显示方法，其特征在于：当所述背光源背板的面光源点亮时，所述显示面板显示所述虚拟场景图像，所述虚拟场景图像发出的光束形成2D图像；所述2D图像经过所述半透半反镜反射进入人眼后形成可以被人眼观察到的2D虚像；真实三维场景的光线通过所述半透半反镜透射进入人眼；人眼在空间对应位置感知真实场景的光线与所述2D虚像融合成所述增强现实图像。
10.一种可穿戴设备，其特征在于：包括权利要求1-5任意一项所述的立体式增强现实显示装置。
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