CN108873346A - 紧凑型波导光场增强现实显示装置 - Google Patents

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张卓鹏
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Abstract

本发明公开了一种紧凑型波导光场增强现实显示装置，包括：第一图像源和第二图像源，分别产生第一深度和第二深度虚拟图像；第一耦合镜组和第二耦合镜组，分别将第一图像源和第二图像源发出的虚拟图像光线调制后，耦合进入第一波导镜片和第二波导镜片；第一波导镜片，将第一图像源发出的虚拟图像光线传导至深度调制模块；深度调制模块，将第一波导镜片耦合出射的虚拟图像光线反射入人眼；第二波导镜片，将第二图像源发出的虚拟图像光线传导、耦合出射至人眼；环境光线经深度调制模块和波导镜片透射入人眼。本发明的增强现实显示装置通过双层波导和深度调制模块实现多深度光场显示，有效解决了调节辐辏冲突的问题。

Description

紧凑型波导光场增强现实显示装置
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种紧凑型波导光场增强现实显示装置。
背景技术
增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术由1990年提出，随着随身电子产品运算能力的提升，预期增强现实的用途将会越来越广。
增强现实技术不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。
其中，在增强现实技术中呈现虚拟内容的显示方案在整个增强现实体验中可谓占据了主导地位，直接影响了该技术能否面向广大消费者。自从增强现实元年以来，越来越多的企业及研究机构都投入了大量的精力在增强现实显示方案的研发中。目前，市面上已有的相关增强现实显示方案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，但是由于辐辏调节冲突，长久佩戴后会引起人眼疲劳、恶心呕吐等生理现象，降低了用户体验。
公开号为CN107894666A的中国专利文献公开了一种头戴式多深度立体图像显示系统，该显示系统通过光场算法将三维图像分解成不同深度的像素点，分别透射到多个对应深度的平面光学单元上进行显示，从而实现多深度光场显示，解决了辐辏调节冲突的问题。
公开号为CN107748442A的中国专利文献公开了一种可快速切换图像深度的增强现实显示装置，该显示装置通过若干层叠分布的深度调节器的调节，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。
但是上述两种显示系统分别需要若干层叠分布的平面光学单元或深度调节器，所占体积较大，成本较高。
目前大多数显示方案仍然体积庞大，如国内知名AR企业耐得佳最新发布的NED+Glass X2，其形态类似于头盔，和消费者心目中眼镜的形态差距甚远。
发明内容
本发明提供了一种紧凑型波导光场增强现实显示装置，该显示装置采用了双层波导加半透半反装置实现多深度光场显示，有效解决调节辐辏冲突的问题，使使用者获得更加自然的增强现实观看效果。
本发明提供了如下技术方案：
一种紧凑型波导光场增强现实显示装置，包括：
第一图像源，产生第一深度虚拟图像；
第一耦合镜组，将第一图像源发出的虚拟图像光线调制后，耦合进入第一波导镜片；
第一波导镜片，将第一图像源发出的虚拟图像光线传导、耦合出射至深度调制模块；
深度调制模块，将第一波导镜片耦合出射的虚拟图像光线反射入人眼；
第二图像源，产生第二深度虚拟图像；
第二耦合镜组，将第二图像源发出的虚拟图像光线调制后，耦合进入第二波导镜片；
第二波导镜片，将第二图像源发出的虚拟图像光线传导、耦合出射至人眼；
环境光线经深度调制模块、第一波导镜片和第二波导镜片透射入人眼。
本发明的紧凑型波导光场增强现实显示装置通过两组图像源、耦合镜组及波导镜片，结合光场算法，可以实现两个深度的图像显示，有效地解决视觉辐辏调节冲突，并且通过波导镜片传导光线，使得本发明的光场增强现实显示装置结构比较紧凑，接近于眼镜形态，提高用户体验。
在显示时，需要处理单元执行光场算法，该光场算法原理同公开号为CN107894666A的中国专利文献所公开的光场算法。所述的处理单元用于提取三维图像中各个像素点的表征深度信息的三维坐标数据，根据像素点的三维坐标将所有像素点分配成两个分别对应第一深度和第二深度的像素点组，两个像素点组分别由第一图像源和第二图像源输出。
优选的，像素点分配方法为：将第一深度的像素点分配至第一深度像素点组；将第二深度的像素点分配至第二深度像素点组；将深度处于第一深度和第二深度之间的像素点拆分成两个新像素点，该两个新像素点色彩一致、强度不同，再将该两个新像素点分别分配至第一深度像素点组和第二深度像素点组；将深度小于第一深度的像素点分配至第一深度像素点组，将深度大于第二深度的像素点分配至第二深度像素点组。
当三维图像的某像素点刚好落在第一深度或第二深度时，由第一图像源或第二图像源输出；当某像素点落在第一深度和第二深度之间时，处理单元根据该像素点的三维坐标数据，将该像素点分割成两个色彩一致、强度不同的新像素点，再将这两个新像素点分别由由第一图像源和第二图像源输出；而近于深度小于第一深度的像素点由第一图像源输出，远于第二深度的像素点由第二图像源输出。
当前后两个像素点的强度差不同时，人所感知到的像素点的深度信息是不一样的。对于拆分出的两个新像素点，经人眼的视觉叠加以及大脑的融合处理后，会在两个深度之间的某一个空间位置上感知到一个“感知像素点”，这个感知像素点与原始像素点的色彩信息、强度信息以及深度信息是完全一致的，即完美地在三维空间中还原了拆分像素点的色彩信息、强度信息以及深度信息。
优选的，所述的第一图像源和第二图像源均为微显示器；所述的微显示器为平面或曲面显示器。
微显示器可采用市售的具有高分辨率、高亮度、高对比度的微显示器，如Himax的LCOS芯片HX7318。
高分辨率、高亮度有助于显示虚拟信息的逼真性，使得使用者真切地体会到虚拟世界与真实世界的融合。
优选的，所述的第一波导镜片和第二波导镜片的厚度均为2mm以下；透光率均为90％以上。
波导镜片厚度低可以使得本发明的光场增强现实显示装置结构更加紧凑，外形更加接近眼镜形态，容易被用户所接受；高的透光率可以提高外界光的通过率，使得使用者看外界环境更加真实。
本发明的光场增强现实显示装置中两组图像源、耦合镜组、波导镜片的性能参数可以相同也可以不同，优选相同。
优选的，所述的深度调制模块为半透半反镜片。
所述的第二深度为无穷远；可根据需要，通过调节半透半反镜片的曲率半径调节第一深度的大小。
优选的，所述的半透半反镜片中，半透半反面满足球面或非球面的面型方程；
所述非球面面型方程为：
其中c为曲面顶点处的曲率，k为曲面的二次曲面常数，Ai为曲面的i阶非球面系数。
优选的，所述的半透半反镜片的透光率为45～55％。
优选的，所述的半透半反镜片具有补偿面，所述补偿面与半透半反面的面型一致。
半透半反镜片具有一定厚度时，需要对半透半反镜片做面型补偿，保证使用者在观看真实世界时画面无扭曲变形。
进一步优选的，所述的所述的半透半反镜片中，半透半反面满足球面的面型方程；半透半反面的曲率半径为575～585mm；最优选的，半透半反面的曲率半径为579.4mm。
半透半反面的曲率半径为575～585mm时，可以将第一深度的大小调节为300mm左右，即明视距离左右，半透半反面的曲率半径为579.4mm时，可以将第一深度的大小调节为300mm，即明视距离，使使用者的观感更舒适。
进一步优选的，所述的所述的半透半反镜片中，补偿面满足球面的面型方程；补偿面的曲率半径为575～585mm；最优选的，补偿面的曲率半径为578.17mm。
另一种方案为：所述的深度调制模块为偏振光反射镜片；所述的第一图像源后设置起偏器。
偏振光反射镜片由对某种偏振光具有高反射的材料制成，第一图像源后设置起偏器，将第一图像源发出的光转化为偏振光，经过偏振光反射镜片反射后进入人眼。
另一种方案为：所述的深度调制模块为波段反射片；所述的第一图像源发出相应波段的光。
波段反射片由对某种波段(R光、G光或B光)具有高反射的材料制成，第一图像源发出的相应波段的光经过波段反射片反射后进入人眼。
上述方案为单面显示的情况，双目显示时只需要将上述显示装置镜像摆放即可。
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采用波导镜片作为目镜，结构紧凑且接近于眼镜形态，更加容易得到使用者的认可；本发明的增强现实显示装置通过双层波导和半透半反镜片实现多深度光场显示，有效解决了调节辐辏冲突的问题，使使用者获得更加自然的增强现实观看效果。
附图说明
图1为本发明的增强现实显示装置的结构示意图；
图2为通过第一波导镜片显示直明视距离深度的光路示意图；
图3为通过第二波导镜片显示至无穷远深度的光路示意图；
图4为外界真实环境光线的光路示意图。
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，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本实施例的增强现实显示装置包括微显示器1(包括第一微显示器和第二微显示器)、耦合镜组2(包括第一耦合镜组和第二耦合镜组)、波导镜片3(包括第一波导镜片和第二波导镜片)、半反半透镜片4。
如图2所示，远离人一侧的第一微显示器、第一耦合镜组、第一波导镜片组合，将第一微显示器发出的光线，经第一耦合镜组耦合进入第一波导镜片传输，最后以平行光入射到半透半反镜片4上，入射光线再部分反射后经过双层波导镜片以一定角度汇入人眼，从而将虚拟图像投放至明视距离的深度；这部分反射光线经过双层波导时光路等效于经过等厚的平行平板；
如图3所示，靠近人一侧的第二微显示器、第二耦合镜组、第二波导镜片组合，将第二微显示器发出的虚拟图像光线，经第二耦合镜组耦合进入第二波导镜片传输，最后以平行光进入人眼，从而将虚拟图像投放至距离人眼无穷远的深度；
如图4所示，外界环境光线透过半透半反镜片、第一波导镜片和第二波导镜片后进入人眼。
本实施例中，半透半反镜片中，半透半反面满足球面的面型方程，半透半反面曲率半径R＝579.4mm，从而将虚拟信息投放至距离人眼300mm的深度(也即明视距离)处；如图2所示，经半透半反镜片反射的虚拟图像光线的反向延长线(图中虚线)交点距离人眼300mm。
半透半反镜片的厚度为3mm，为了保证使用者在观看真实世界时画面无扭曲变形，需要对半透半反镜片增加补偿面，补偿面满足球面的面型方程，半透半反面曲率半径R′＝578.17mm。
在显示时，需要处理单元执行光场算法。处理单元用于提取三维图像中各个像素点的表征深度信息的三维坐标数据，根据像素点的三维坐标将所有像素点分配成两个分别对应第一深度和第二深度的像素点组，两个像素点组分别由第一图像源和第二图像源输出。
像素点分配方法为：将第一深度的像素点分配至第一深度像素点组；将第二深度的像素点分配至第二深度像素点组；将深度处于第一深度和第二深度之间的像素点拆分成两个新像素点，该两个新像素点色彩一致、强度不同，再将该两个新像素点分别分配至第一深度像素点组和第二深度像素点组；将深度小于第一深度的像素点分配至第一深度像素点组，将深度大于第二深度的像素点分配至第二深度像素点组。
当三维图像的某像素点刚好落在第一深度或第二深度时，由第一图像源或第二图像源输出；当某像素点落在第一深度和第二深度之间时，处理单元根据该像素点的三维坐标数据，将该像素点分割成两个色彩一致、强度不同的新像素点，再将这两个新像素点分别由由第一图像源和第二图像源输出；而近于深度小于第一深度的像素点由第一图像源输出，远于第二深度的像素点由第二图像源输出。
当前后两个像素点的强度差不同时，人所感知到的像素点的深度信息是不一样的。对于拆分出的两个新像素点，经人眼的视觉叠加以及大脑的融合处理后，会在两个深度之间的某一个空间位置上感知到一个“感知像素点”，这个感知像素点与原始像素点的色彩信息、强度信息以及深度信息是完全一致的，即完美地在三维空间中还原了拆分像素点的色彩信息、强度信息以及深度信息。
光场增强现实显示装置中两组微显示器、耦合镜组、波导镜片的性能参数完全相同，例如微显示器可选用Himax的LCOS芯片HX7318，波导镜片可选用Lumus的OE50模组。
上述方案为单面显示的情况，双目显示时只需要将上述显示装置镜像摆放即可。
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 (8)

1.一种紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，包括：
第一图像源，产生第一深度虚拟图像；
第一耦合镜组，将第一图像源发出的虚拟图像光线调制后，耦合进入第一波导镜片；
第一波导镜片，将第一图像源发出的虚拟图像光线传导、耦合出射至深度调制模块；
深度调制模块，将第一波导镜片耦合出射的虚拟图像光线反射入人眼；
第二图像源，产生第二深度虚拟图像；
第二耦合镜组，将第二图像源发出的虚拟图像光线调制后，耦合进入第二波导镜片；
第二波导镜片，将第二图像源发出的虚拟图像光线传导、耦合出射至人眼；
环境光线经深度调制模块、第一波导镜片和第二波导镜片透射入人眼。
2.根据权利要求1所述的紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，所述的第一图像源和第二图像源均为微显示器；所述的微显示器为平面或曲面显示器。
3.根据权利要求1所述的紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，所述的第一波导镜片和第二波导镜片的厚度均为2mm以下；透光率均为90％以上。
4.根据权利要求1所述的紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，所述的半透半反镜片中，半透半反面满足球面或非球面的面型方程；
所述非球面面型方程为：
其中c为曲面顶点处的曲率，k为曲面的二次曲面常数，Ai为曲面的i阶非球面系数。
5.根据权利要求1或4所述的紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，所述的半透半反镜片的透光率为45～55％。
6.根据权利要求4所述的紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，所述的所述的半透半反镜片中，半透半反面满足球面的面型方程；半透半反面的曲率半径为575～585mm。
7.根据权利要求1或6所述的紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，所述的所述的半透半反镜片中，补偿面满足球面的面型方程；补偿面的曲率半径为575～585mm。
8.根据权利要求7所述的紧凑型波导光场增强现实显示装置，其特征在于，半透半反面的曲率半径为579.4mm；补偿面的曲率半径为578.17mm。
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