CN107748442B - 一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置，包括：图像源，用于产生相应深度的图像；成像单元，包括若干层叠分布的深度调节器，所述深度调节器用于控制经所述深度调节器反射光线的衍射角度，使图像源产生的图像在距离人眼相应深度的位置成像；控制单元，根据图像源产生的图像的颜色成分和深度信息选择相应的深度调节器对该图像进行反射式衍射成像。本发明的增强现实显示装置通过成像单元的调节，可在空间中产生从人眼明视距离至无穷远深度的图像，可实现真三维光场显示，有效地解决视觉辐辏调节冲突，提高用户的体验。

Description

一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置
技术领域
本发明涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置。
背景技术
增强现实显示是一种将计算机生成的虚拟信息叠加到真实世界的新型显示方法，根据应用环境的不同，其可以将多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪、场景融合等多项新技术集合到一起给用户体验，带来巨大的商业价值。
目前，市面上已经有相关的增强现实产品，在现有的技术条件下，这些产品大都是采用将虚拟画面投影至距离人眼无穷远处以供观察，这能满足一些场景的使用需求，但是长久佩戴后会引起人眼疲劳、恶心呕吐等生理现象，也即是业内专家所述的辐辏调节冲突(vergence-accommodationconflict)，这就降低了用户体验，直接导致了相关产品的推广受到限制。
另外，现在的增强现实眼镜通常具有较小的视场角，公开号为US201704574的美国专利公开了一种全息波导增强现实头盔，其对角线视场角只有不到30度，远远低于人眼视场角。
发明内容
本发明提供一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置，通过成像单元的多个深度调节组来分别显示具有不同深度的图像，实现图像深度的快速调节。
本发明提供了如下技术方案：
一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置，其特征在于，包括：
图像源，用于产生相应深度的图像；
成像单元，包括若干层叠分布的深度调节器，所述深度调节器用于控制经所述深度调节器反射光线的衍射角度，使图像源产生的图像在距离人眼相应深度的位置成像；
控制单元，根据图像源产生的图像的颜色成分和深度信息选择相应的深度调节器对该图像进行反射式衍射成像。
优选的，所述的图像源为显示器或空间光调制器；所述的显示器为单层显示器或多层阵列显示器。
图像源产生用于增强现实的图像，通过成像单元的调节后在距离人眼特定的距离处产生放大的虚像，人眼就可感觉到具有一定深度的图像；由于不同深度调节器对光线的衍射角度不同，经不同深度调节器调节后产生的放大虚像到人眼的距离不同，从而经不同深度调节器调节后人眼感觉到的深度不同；控制单元根据所要显示图像的深度选择相应的深度调节器对图像的光线进行调节，在人眼呈现特定深度的图像，控制单元通过快速切换深度调节器可实现本发明增强现实显示装置对图像深度的快速切换，当切换频率大于60Hz时，人眼就能感觉到多个深度不同的图像形成三维立体图像。
成像单元的多个深度调节器在空间中产生图像的深度分布在从人眼的明视距离至无穷远。
优选的，所述的成像单元包括至少6个深度调节位置。
6个深度调节位置可在空间中产生图像的深度分布在从人眼的明视距离至无穷远，产生的三维立体图像效果较好。
所述的深度调节器包括反射式电控光栅，反射式电控光栅通过电控的方式启动或者消除光栅对特定波长范围的光线产生衍射效果。
优选的，一种反射式电控光栅：包括光栅基底和封装在光栅基底内的液晶，对液晶施加电压可改变液晶的折射率。不通电时，反射式电控光栅透明，并且光栅基底与液晶的折射率相同，光线在反射式电控光栅内产生简单的偏折作用；通电时，液晶颗粒从无序排列转变为呈有序排列，液晶的折射率发生变化，光栅基底与液晶材料之间形成一个折射率差，对入射的特定频谱的光线产生一级衍射作用。通过调节反射式电控光栅的周期可以调节其对光线的衍射角度，产生不同的衍射作用，不同的单层反射式电控光栅对入射光线的衍射作用不同，图像经过不同反射式电控光栅的调节后在距离人眼的不同位置产生虚像，也即在空间中产生了不同深度的图像。
成像单元的多个反射式液晶电控光栅在空间中产生图像的深度分布在从人眼的明视距离至无穷远。
优选的，单层所述反射式电控光栅的厚度在10μm以内。
由于反射式电控光栅的厚度较小，非衍射效应时，其对入射光线的偏折作用微乎其微，可忽略不计。
每若干层深度调节器组成一个深度调节组，每一个深度调节组在对同一幅图像进行反射式衍射成像时，该深度调节组内的深度调节器对图像中的颜色成分分别进行反射式衍射，并使之成像于相同位置；
深度调节组内的深度调节器与图像中的颜色成分一一对应。
优选的，当图像源产生的是RGB图像时，每一个深度调节组至少包括三层深度调节器，在对同一幅RGB图像进行反射式衍射成像时，该三层深度调节器对图像中的红光、绿光和蓝光成分分别进行反射式衍射，并使之成像于相同位置。
光栅对光线的衍射角度与光栅的周期有关。每个深度调节组包含的三层反射式电控光栅的周期相同，分别对RGB图像的红、绿、蓝三种颜色成分进行衍射，可对彩色图像进行调节。
优选的，本发明的增强现实显示装置，还包括投影单元，将图像源产生的图像投影至成像单元。
投影单元对图像源发出的光线进行处理，使各视场的光线分别以不同的角度入射到多层反射式电控光栅上，减少杂散光，提高成像质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的增强现实显示装置通过成像单元的调节，可在空间中产生从人眼明视距离至无穷远深度的图像，可实现真三维光场显示，有效地解决视觉辐辏调节冲突，提高用户的体验；相对于自然光的红、绿、蓝成分的频谱而言，RGB制式图像的三种颜色成分的频谱非常地窄，因此，针对RGB制式设计的光栅的衍射效果对自然光几乎不产生影响，从而保证了增强现实装置对外界环境的通透性要求；该增强现实显示装置还具有紧凑的空间布局，留有极大的工业设计余地，整机产品将符合大众审美；单层液晶电控光栅驱动电压低于人体安全电压，功耗极低，这使得产品使用安全且节能环保。
附图说明
图1为增强现实显示装置的光路示意图；
图2为单层反射式电控光栅通电和不通电时的状态图，其中(a)为通电时的状态，(b)位不通电时的状态；
图3为增强现实显示装置产生不同深度图像的原理示意图，其中(a)为T1时刻产生深度为D1的图像，(b)为Tn时刻产生深度为Dn的图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，增强现实显示装置包括图像源1、投影系统2以及多层反射式电控光栅3，还包括控制单元。图像源1产生需要显示的图像，图像的光线经过投影系统2投射到多层反射式电控光栅3上，通过反射式电控光栅3对图像光线进行调节，产生不同深度的放大虚像被人眼4感知。
图像源1可以是平面或曲面微显示器，也可以是相位型的空间光调制器。
投影系统2可采用现有技术，最好具有小数值孔径、大景深等光学性能。
如图2所示，电控光栅包括光栅基底201和液晶材料202。如图2的(a)所示，当液晶材料加电时，液晶颗粒在电场的驱动下会有序排列；反之，当没有电压施加在液晶材料上时，液晶颗粒的排布是无序的，如图2的(b)所示，这两种状态下液晶颗粒的折射率不同。光栅基底201的折射率和液晶材料202不加电压时的折射率相同。
具体地，提供两种技术方案来制作电控光栅：(1)采用蚀刻工艺先制作好具有光栅效应的光栅基底，在此基础上再制作电控可调液晶盒；(2)制作专门的聚合物液晶材料，将聚合物高分子材料和液晶按照一定比例混合后制成液晶盒，聚合物液晶材料能在激光诱导作用下发生相分离，因而能够记录全息干涉条纹，聚合物高分子材料固化后就会形成光栅，用电场控制液晶就可改变液晶盒的衍射属性。
如图3所示，成像单元由n层(G1、G2、G3…Gn)电控光栅组成，n层液晶电控光栅分时工作。
如图3的(a)所示，当T1时刻需要产生深度为D1的画面时，G1层液晶电控光栅被施加电压，其余层不加电压；图像源产生的用于增强现实的图像光线到达G1层时发生一级衍射，衍射光线反射进入人眼，从而在距离人眼前D1处产生一个放大的虚像；
如图3的(b)所示，当Tn时刻需要产生深度为Dn的画面时，Gn层液晶电控光栅被施加电压，其余层不加电压；图像源产生的用于增强现实的图像光线经过其余层光栅(G1、G2、G3…Gn-1)时如同经过普通平板玻璃，只产生微弱的光线偏折；当图像源产生的用于增强现实的图像光线到达Gn层光栅时才发生一级衍射作用，衍射光线反射进入人眼，从而在距离人眼前Dn处产生一个放大的虚像。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置，其特征在于，包括：
图像源，用于产生相应深度的图像；
成像单元，包括若干层叠分布的深度调节器，所述深度调节器用于控制经所述深度调节器反射光线的衍射角度，使图像源产生的图像在距离人眼相应深度的位置成像；所述的深度调节器包括反射式电控光栅，反射式电控光栅通过电控的方式启动或者消除光栅对特定波长范围的光线产生衍射效果；通过调节反射式电控光栅的周期可以调节其对光线的衍射角度，产生不同的衍射作用，不同的单层反射式电控光栅对入射光线的衍射作用不同，图像经过不同反射式电控光栅的调节后在距离人眼的不同位置产生虚像；成像单元由n层（G1、G2、G3…Gn）电控光栅组成，n层液晶电控光栅分时工作在空间中产生了不同深度的图像；
控制单元，根据图像源产生的图像的颜色成分和深度信息选择相应的深度调节器对该图像进行反射式衍射成像。
2.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述的图像源为显示器或空间光调制器；所述的显示器为单层显示器或多层阵列显示器。
3.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，所述的成像单元包括至少6个深度调节位置，能使图像在距离人眼的至少6个深度位置成像。
4.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，每若干层深度调节器组成一个深度调节组，每一个深度调节组在对同一幅图像进行反射式衍射成像时，该深度调节组内的深度调节器对图像中的颜色成分分别进行反射式衍射，并使之成像于相同位置；
深度调节组内的深度调节器与图像中的颜色成分一一对应。
5.根据权利要求4所述的增强现实显示装置，其特征在于，当图像源产生的是RGB图像时，每一个深度调节组至少包括三层深度调节器，在对同一幅RGB图像进行反射式衍射成像时，该三层深度调节器对图像中的红光、绿光和蓝光成分分别进行反射式衍射，并使之成像于相同位置。
6.根据权利要求1所述的增强现实显示装置，其特征在于，还包括投影单元，将图像源产生的图像投影至成像单元。
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