CN107884940A - 显示模组、头戴式显示设备及图像立体显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种显示模组、头戴式显示设备及图像立体显示方法，显示模组，包括显示屏、液晶透镜层及控制模块；显示屏包含多个像素组，液晶透镜层包括多个液晶透镜单元，各像素组均对应设置有液晶透镜单元，控制模块能够根据像素组所显示内容控制对应液晶透镜单元中多个液晶透镜分子所处电场，以改变液晶透镜单元的折射率，进而调整对应像素组所显示内容的虚像距。多个像素组所显示的内容分别通过液晶透镜单元成像在不同的虚像距位置处，观看者透过液晶透镜层即可看到显示屏所显示内容为立体效果，各像素组所显示内容变化时，虚像距可以实时根据所显示内容进行变化，观看者可以实时观看到相应的立体效果，避免了眩晕不适，提高用户体验。

Description

显示模组、头戴式显示设备及图像立体显示方法
技术领域
本发明涉及图像立体显示技术领域，尤其涉及一种显示模组、头戴式显示设备及图像立体显示方法。
背景技术
现有头戴式显示设备的成像通常利用的是放大镜原理，即将屏幕放置于透镜(lens)一倍焦距内，从而呈现放大虚像于一定距离，供使用者观看。用户在虚拟场景中的立体体验来自于左右画面对应点的相对位置变化，从而造成其视线夹角变化而发生远近感知。但是实际上人眼看到的距离只有屏幕实际的虚像距，并且此距离通常不会随着画面的变化而同时发生变化，这样就会导致用户的大脑感知到的距离和双眼晶状体反馈给大脑的距离不一致，久而久之用户会产生自我保护机智，即晕眩不适，从而使得产品使用时间受限。特别地，在AR(Augmented Reality，增强现实技术)或MR(Mixed Reality，混合现实)场景中，虚拟物体与真实物体的视距不同也会导致体验感不好。
发明内容
本发明实施例提供一种显示模组、头戴式显示设备及图像立体显示方法，可提高观看体验。
本发明实施例提供一种显示模组，包括显示屏、液晶透镜层及控制模块；所述显示屏包含多个像素组，各所述像素组内包含至少一颗像素；所述液晶透镜层包括多个液晶透镜单元，各所述像素组均对应设置有所述液晶透镜单元，所述液晶透镜单元包括多个液晶透镜分子，所述控制模块电连接于所述显示屏及所述液晶透镜层，所述控制模块能够根据所述像素组所显示内容控制对应所述液晶透镜单元中多个液晶透镜分子所处电场，以改变所述液晶透镜单元的折射率，进而调整对应所述像素组所显示内容的虚像距。
一种可能的实施方式中，所述显示模组还包括观看透镜，所述液晶透镜层位于所述显示屏与所述观看透镜之间，所述观看透镜用于生成供观看者观看的虚像。
另一种可能的实施方式中，所述液晶透镜层上远离所述显示屏的一侧设置有透镜阵列层，所述透镜阵列层包括阵列排布的多个凸透镜，每个所述凸透镜对应设置至少一个所述液晶透镜单元。
再一种可能的实施方式中，所述透镜阵列层为微透镜阵列层，每个所述凸透镜对应一个所述液晶透镜单元设置。
再一种可能的实施方式中，所述显示屏与所述液晶透镜层贴合设置。
本发明还提供一种头戴显示装置，包括前述的显示模组。
本发明还提供一种图像立体显示方法，包括：
获取待显示图像，所述待显示图像包含多个像素区；
获取所述多个像素区中每一像素区所对应的虚拟显示深度信息；
在显示屏上显示出所述待显示图像，所述显示屏包括多个像素组，所述多个像素组与所述多个像素区一一对应，其中，所述多个像素组中每一像素组的出光方向设置有液晶透镜单元；
根据所述多个像素区中每一像素组对应的所述虚拟显示深度信息，调整所述液晶透镜单元中多个液晶透镜分子所处电场，以改变液晶透镜单元的折射率，进而使调整后的所述多个像素区中每一像素区按预设比例成像在预设位置处。
一种可能的实施方式中，所述待显示图像包括左眼显示图像及右眼显示图像，所述左眼显示图像包含多个左眼像素区，所述右眼显示图像包含多个右眼像素区，所述虚拟显示深度信息根据相对应的所述左眼像素区及所述右眼像素区分析计算得出。
另一种可能的实施方式中，所述虚拟显示深度信息为所述待显示图像在拍摄时测量出；或者，
所述虚拟显示深度信息为所述待显示图像在虚拟场景制作时标出。
在一种可能的实施方式中，在所述液晶透镜层远离所述显示屏的一侧设置观看透镜，且所述液晶透镜层位于所述观看透镜的一倍焦距内，通过所述观看透镜生成供观看者观看的虚像。
本发明中多个像素组所显示的内容分别通过液晶透镜单元成像在不同的虚像距位置处，观看者透过液晶透镜层即可看到显示屏所显示内容为立体效果，各像素组所显示内容变化时，控制模块可以控制相应的液晶透镜单元的折射率变化进而改变所显示内容的虚像距，使得虚像距可以实时根据所显示内容进行变化，观看者可以实时观看到相应的立体效果，避免了眩晕不适，提高用户体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的显示模组的电连接示意图；
图2为本发明提供的显示模组中显示屏与液晶透镜层的结构及光学成像示意图；
图3为本发明提供的液晶透镜层的光学成像示意图；
图4为本发明提供的液晶透镜层的液晶透镜单元的光学成像示意图；
图5为本发明提供的显示模组的结构及光学成像示意图；
图6为本发明提供的头戴式显示设备的结构及光学成像示意图；
图7是本发明另一实施例提供的显示模组的结构及成像示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
通常人在真实场景中观看时，视线夹角与晶状体屈光程度需要根据观察物体的距离与角度的不同而发生实时变化，并且视线夹角方向与晶状体屈光程度一致，即最终被人眼捕捉到的是观察物体的光场信息。为了实现类似于真实场景中的观看体验，本发明提出的显示装置，可以使得用户在虚拟场景中也能实现脑眼协调的观看体验。利用此项技术，同时也可以在AR/MR场景中实现虚拟物体与真实物体的同视距叠加。
如图1所示，本发明提供一种显示模组，包括显示屏1、液晶透镜层2及控制模块3。如图2所示，显示屏1包含多个像素组10，各像素组10内包含至少一颗像素；液晶透镜层2包括多个液晶透镜单元20，各像素组10均对应设置有液晶透镜单元20，液晶透镜单元20包括多个液晶透镜分子，控制模块3电连接于显示屏1及液晶透镜层2，控制模块3能够根据像素组10所显示内容控制对应液晶透镜单元20中多个液晶透镜分子所在处电场，以改变所述液晶透镜单元20的折射率，进而调整对应所述像素组10所显示内容的虚像距。
参见图3及图4所示，在液晶透镜(Liquid Crystal Lens，简写LC lens)层中，当给每组液晶透镜单元20施加不同的电场时，液晶透镜单元20内的多个液晶分子会发生不同程度的旋转，形成不同的折射率，从而使得每组液晶透镜单元20形成具有不同汇聚能力的微小透镜。由于微小的电极产生电场使得多个液晶分子偏转，从而产生聚焦作用，使得液晶透镜单元20对应的像素组10形成一放大的虚像。通常的透镜原理是在同种折射率下，利用镜面的曲率造成光线偏转，而液晶透镜层2可以在同样厚度的情况下，利用在不同区域的折射率不同造成光线偏转。
根据放大镜原理，当物面处于一倍焦距以内时会形成放大虚像在同侧，虚像距离观看者的距离即为虚像距。显示屏1的像素组10位于液晶透镜单元20的一倍焦距内时，位于显示屏1出光侧的观看者能够看到像素组10在液晶透镜单元20同侧形成的第一虚像101。控制模块3改变液晶透镜单元20的电场，能够使液晶透镜单元20内的多个液晶透镜分子发生旋转，不同电场液晶透镜分子的旋转角度不同，从而使得液晶透镜单元20能够实现对像素组10的光线不同的折射效果，从而使得像素组10所显示内容所成第一虚像101具有不同的虚像距。
多个像素组10所显示的内容分别通过液晶透镜单元20成像在不同的虚像距位置处，如图2所示，两个像素组10所显示内容分别成像在虚像距D1和D2位置处。观看者透过液晶透镜层2即可看到显示屏1所显示内容为立体效果，各像素组10所显示内容变化时，控制模块3可以控制相应的液晶透镜单元20的折射率变化进而改变所显示内容的虚像距，使得虚像距可以实时根据所显示内容进行变化，观看者可以实时观看到相应的立体效果，避免了眩晕不适，提高用户体验。
进一步，如图5所示，显示模组还可以包括观看透镜4，液晶透镜层2位于显示屏1与观看透镜4之间。本实施例中，观看透镜4为一凸透镜。显示屏1所显示的图像位于液晶透镜层2的一倍焦距以内，液晶透镜层2或其所成的第一虚像101位于观看透镜4的一倍焦距，使得观看透镜4可以对第一虚像101进行放大。
由于液晶透镜层2的微小折光性，使得原本位置的像素组10所显示内容一次成像形成的第一虚像101位于第一虚像距d1位置处，第一虚像距d1可以非常小，在毫米mm级别。通过设置观看透镜4，将液晶透镜层2与显示屏1均设置在观看透镜4的一倍焦距附近，经液晶透镜层2一次成像形成的第一虚像101可以位于观看透镜4的一倍焦距附近，即第一虚像101与观看透镜4之间的距离D2接近观看透镜4的焦距，所以一次成像形成的第一虚像101的微小变化都可以导致其通过观看透镜4二次成像后的距离变化非常大，二次成像后形成的第二虚像102至观看透镜4之间的距离即二次虚像距D会因为D2的微小变化而发生非常显著的变化，例如，当观看透镜4的焦距在30mm附近时，D2的变化为1mm就能使二次虚像距D变化超过10m。通过观看透镜4可以使得二次成像的第二虚像的位置发生显著变化，从而实现当观看者透过观看透镜4观看平面的显示屏1幕时，却能看到每个像素组所显示内容有不同的距离，即看到立体图像画面。
显示屏1与液晶透镜层2可以贴合设置，以方便二者之间的装配连接，使得各像素组10与液晶透镜单元20之间的距离均相等，利于对成像的控制；同时可以使得显示屏1与液晶透镜层2之间没有间隙，避免灰尘等杂物的进入。显示屏1与液晶透镜层2贴合设置，可以尽可能减小二者之间的距离，使得液晶透镜单元20的折射率改变至焦距最小时，像素组10依然位于液晶透镜单元20的一倍焦距以内。
显示屏1的显示区域面积可以小于或等于液晶透镜层2的面积，液晶透镜层2的边缘延伸至显示屏1的显示区域之外，可以保证显示屏1上每个像素组10均对应设置有液晶透镜单元20。同时，液晶透镜层2的面积大于显示屏1的显示区域面积，可以便于对液晶透镜层2的液晶透镜单元20与显示屏1的像素组10之间的校准。例如，当被控制的液晶透镜单元20与对应的像素组10之间的对应发生错位时，用户可以对液晶透镜单元20的控制进行移动，使得控制所有液晶透镜单元20进行左右或上下移动，此时，依然可以保证所有像素组10均依然对应有液晶透镜单元20。
液晶透镜单元20内的多个液晶透镜分子排布呈矩阵状或排布呈依次嵌套的多环状。多个液晶透镜分子按照一定的规则进行排布，可以方便液晶透镜分子的角度旋转，利于对液晶透镜单元20的折射率进行控制。
如图4所示，液晶透镜单元20设置有用于控制电场的两个电极21，所述两个电极21沿观看者的左右方向排布。两个电极21分别为正电极和负电极，通过改变对两个电极21所施加的电压，可以改变液晶透镜单元20内多个液晶分子所处的电场，从而改变液晶透镜单元20的折射率。两个电极21沿观看者的左右方向排布，可以与观看者左右眼形成最佳视觉效果。
在虚拟场景搭建时，可将每个像素组10所显示内容对应的物体的距离信息记录下来，并且在显示过程中按照对应的距离将所对应的虚像呈现出来。例如，在场景中存在第一物体和第二物体，第一物体与第二物体距离观看者位置处的距离分别为第一距离、第二距离，第一距离和第二距离作为距离信息被记录存储，该距离信息即为虚拟显示深度信息；进行虚拟成像时，两个像素组10分别用于呈现第一物体和第二物体的影像，控制模块3根据虚拟显示深度信息控制与两个像素组相对应的两个液晶透镜单元20具有不同的折射率，以将第一物体和第二物体的影像根据各自虚拟显示深度信息以预设的比例进行虚拟成像，形成两个第一虚像101，再通过观看透镜4对两个第一虚像101进行再次虚拟成像，形成两个第二虚像102，两个第二虚像102的虚像距分别与第一距离和第二距离相等，使得观看者看到的两个第二虚像102的位置与两个物体在场景中的位置相同，这样一来，观看者在观看时就可以实现和在真实场景中自由观看不同景物时一致的体验。
在上述实施方式中，通过观看透镜4对液晶透镜层所成第一虚像进行二次成像形成第二虚像102，第二虚像102即为观看者可以观看到的虚像。此处，由于液晶透镜层2的响应速度与激发电压都与自身厚度相关，为了提高液晶透镜层的响应速度，并且节省液晶透镜材料，如图7所示，可以在液晶透镜层2上再叠加一层透镜阵列层2a，透镜阵列层2a包括阵列排布的多个凸透镜20a，每个所述凸透镜20a对应设置至少一个所述液晶透镜单元。每个凸透镜20a可以分别对应设置至少一个液晶透镜单元20，以便对至少一个液晶透镜单元20的第一虚像101进行再次成像形成过渡虚像101a。透镜阵列层2a或其所成过渡虚像101a位于观看透镜4的一倍焦距以内，以便再次成像形成最终供观看者看到的虚像。这样，只需要很薄的一层液晶透镜层2将在第一虚像距d1、d2位置处形成第一虚像101，每个像素组所显示内容通过液晶透镜单元电场的变化使虚像位置发生微小变化，再通过透镜阵列层2a将第一虚像101再次在虚像距d3、d4位置处形成过渡虚像101a，进而可以将第一虚像距d1、d2进行放大。最后，通过观看透镜4将过渡虚像101a进行最后的成像，形成最终可以供观看者看到的虚像，经过三次成像后的虚像发生显著变化，从而实现当用户透过观看透镜4看平面的屏幕时，却能看到每个像素组所显示内容有不同的距离，即看到立体画面图像。
进一步，在本实施例中，透镜阵列层为微透镜阵列层，其中的每一个凸透镜可以对应一个液晶透镜单元20，以提高成像准确度、清晰度。本发明提供的显示模组，可以应用于各类显示器或头戴显示装置中，可以适用于AR(AugmentedReality，增强现实技术)或MR(Mixed Reality，混合现实)场景中，观看者的虚拟物体与真实物体的视距相同从而提高体验感。
如图所示本发明提供的一种头戴显示装置，其包括前述的显示模组，显示模组可以为两个，分别对应观看者的左右眼。
本发明还提供了一种图像立体显示方法，可以适用于前述的显示模组，主要包括以下步骤：
步骤101、获取待显示图像，待显示图像包含多个像素区。
将待显示图像划分为多个像素区，可以对每个像素区分别进行成像，使其位于不同的虚像距处，以呈现出立体效果。
步骤102、获取多个像素区中每一像素区所对应的虚拟显示深度信息。虚拟显示深度信息为像素区处所呈虚像与观看者位置处之间的距离信息，即在真实环境中实际物体距离观看者的距离信息。该虚拟显示深度信息用于确定像素区所呈虚像的位置，即像素区对应的虚像距。虚拟显示深度信息可以记录在待显示图像中，以同时获取待显示图像及其虚拟显示深度信息。
作为一种实施方式，在虚拟场景搭建时，需要将每个像素区对应的物体的距离信息记录下来，形成该像素区所对应的虚拟显示深度信息。待显示图像可以在拍摄时测量出，摄影设备中设置一距离测量设备，在拍摄过程中通过距离测量设备将拍摄的每一幅画面中的每个像素区所对应的距离进行测量，从而记录下每个像素区所对应的虚拟显示深度信息。
在另一实施方式中，待显示图像包括左眼显示图像及右眼显示图像，左眼显示图像包含多个左眼像素区，右眼显示图像包含多个右眼像素区，虚拟显示深度信息根据相对应的左眼像素区及右眼像素区分析计算得出。通常左眼显示图像及右眼显示图像分别由观看者的左眼及右眼观看，从而看到立体画面。可以根据左眼显示图像及右眼显示图像在同一位置处相对应的左眼像素区和右眼像素区二者之间差异计算出该处的虚拟显示深度信息。
在又一实施方式中，显示屏的待显示图像为计算机制作的虚拟场景时，在虚拟场景进行制作时即标注出每个像素组所显示内容所在的位置，从而可以标记出每个像素组所显示内容与观看者位置之间的距离，即每个像素区的虚拟显示深度信息。
步骤103、在显示屏1上显示出待显示图像，显示屏1包括多个像素组10，多个像素组10与多个像素区一一对应，其中，多个像素组10中每一像素组10的出光方向设置有液晶透镜单元20。每个像素组10对应一个液晶透镜单元20。所有的液晶透镜单元20可以形成液晶透镜层2，并设置在显示屏1的出光面处。液晶透镜单元20可以对应的像素组10所显示出的像素区进行成像。像素区即为对应像素组10所显示内容。
步骤104、根据多个像素区中每一像素组10对应的虚拟显示深度信息，调整液晶透镜单元20中多个液晶透镜分子所处电场，以改变液晶透镜单元20的折射率，进而使调整后的多个像素区中每一像素区按预设比例成像在预设位置处。预设位置处的虚像距即为第一虚像距d1，与前述相同，第一虚像距d1可以非常小，可以在10mm以内。
在所述液晶透镜层2远离所述显示屏1的一侧设置观看透镜4，液晶透镜层2与显示屏1可以位于观看透镜4的一倍焦距内，通过观看透镜4生成供观看者观看的虚像。
例如在前述第一种显示模组的实现方式中，液晶透镜层2上未设置有透镜阵列层2a，所述观看透镜4可以使位于所述预设位置处的虚像二次成像在二次预设位置处，所述二次预设位置相对所述预设位置远离所述显示屏1。
通过观看透镜4，将液晶透镜层2与显示屏1均设置在观看透镜4的一倍焦距附近，经液晶透镜层2一次成像形成的一次虚像可以位于观看透镜4的一倍焦距附近，使得二次成像的二次虚像的位置发生显著变化，从而实现当观看者透过观看透镜4观看平面的显示屏1幕时，却能看到每个像素有不同的距离，即看到立体图像画面。
二次预设位置与对应虚拟显示深度信息所标记的位置相同或者近似相同，用户在观看时就可以实现和在真实场景中自由观看不同景物时一致的体验，实现类似于真实场景中的观看体验，可以使得用户在虚拟场景中也能实现脑眼协调的观看体验。
在前述第二种显示模组的实施方式中，液晶透镜层2上设置有透镜阵列层2a，透镜阵列层2a可以对液晶透镜层2形成的第一虚像101进行第二次成像形成过渡虚像101a，过渡虚像101a经观看透镜4进行第三次成像后可以形成最终被观看者看到的虚像。经过三次成像后的虚像发生显著变化，从而实现当用户透过观看透镜看平面的屏幕时，却能看到每个像素组所显示内容有不同的距离，即看到立体画面图像。
本发明中，液晶透镜层2可以使每个像素组10发生第一次成像，利用液晶透镜层2的折射率变化使得各个像素组10所显示的像素区所呈一次虚像发生10mm以内的微小变化，再通过观看透镜4对虚像进行最后一次成像形成供观看者看到的虚像，观看透镜4形成的虚像的虚像距可以将前述微小变化放大，使得最终成像的虚像距与实际拍摄距离大致相同，实现类似于真实场景中的观看体验。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种显示模组，其特征在于，包括显示屏、液晶透镜层及控制模块；所述显示屏包含多个像素组，各所述像素组内包含至少一颗像素；所述液晶透镜层包括多个液晶透镜单元，各所述像素组均对应设置有所述液晶透镜单元，所述液晶透镜单元包括多个液晶透镜分子，所述控制模块电连接于所述显示屏及所述液晶透镜层，所述控制模块能够根据所述像素组所显示内容控制对应所述液晶透镜单元中多个液晶透镜分子所处电场，以改变所述液晶透镜单元的折射率，进而调整对应所述像素组所显示内容的虚像距。
2.根据权利要求1所述的显示模组，其特征在于，所述显示模组还包括观看透镜，所述液晶透镜层位于所述显示屏与所述观看透镜之间，所述观看透镜用于生成供观看者观看的虚像。
3.根据权利要求1或2所述的显示模组，其特征在于，所述液晶透镜层上远离所述显示屏的一侧设置有透镜阵列层，所述透镜阵列层包括阵列排布的多个凸透镜，每个所述凸透镜对应设置至少一个所述液晶透镜单元。
4.根据权利要求3所述的显示模组，其特征在于，所述透镜阵列层为微透镜阵列层，每个所述凸透镜对应设置一个所述液晶透镜单元。
5.根据权利要求1所述的显示模组，其特征在于，所述显示屏与所述液晶透镜层贴合设置。
6.一种头戴显示装置，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的显示模组。
7.一种图像立体显示方法，其特征在于，包括：
获取待显示图像，所述待显示图像包含多个像素区；
获取所述多个像素区中每一像素区所对应的虚拟显示深度信息；
在显示屏上显示出所述待显示图像，所述显示屏包括多个像素组，所述多个像素组与所述多个像素区一一对应，其中，所述多个像素组中每一像素组的出光方向设置有液晶透镜单元；
根据所述多个像素区中每一像素组对应的所述虚拟显示深度信息，调整所述液晶透镜单元中多个液晶透镜分子所处电场，以改变液晶透镜单元的折射率，进而使调整后的所述多个像素区中每一像素区按预设比例成像在预设位置处。
8.根据权利要求7所述的图像立体显示方法，其特征在于，所述待显示图像包括左眼显示图像及右眼显示图像，所述左眼显示图像包含多个左眼像素区，所述右眼显示图像包含多个右眼像素区，所述虚拟显示深度信息根据相对应的所述左眼像素区及所述右眼像素区分析计算得出。
9.根据权利要求7所述的图像立体显示方法，其特征在于，所述虚拟显示深度信息为所述待显示图像在拍摄时测量出；或者，
所述虚拟显示深度信息为所述待显示图像在虚拟场景制作时标出。
10.根据权利要求7所述的图像立体显示方法，其特征在于，在所述液晶透镜层远离所述显示屏的一侧设置观看透镜，通过所述观看透镜生成供观看者观看的虚像。
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