CN110703439A - 增强现实显示组件及具有该组件的增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增强现实显示组件，包括图像单元以及目镜单元，其特征在于，所述图像单元与目镜单元之间设置有折射单元，所述折射单元包括起偏器、光开关以及双折射晶体，所述起偏器设置于所述光开关以及图像单元之间，所述双折射晶体设置于所述光开关以及目镜单元之间，所述双折射晶体折射自所述光开关透射出的线偏振光并使所述目镜单元具有第一景深以及第二景深。本发明还提供一种应用上述增强现实显示组件的显示设备。本发明提供的增强现实显示组件在图像单元以及目镜单元之间设置起偏器、光开关以及双折射晶体，利用双折射晶体对不同偏振方向上的偏振光的不同折射效果来形成不同景深的图像，解决了调节辐辏冲突，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种增强现实显示组件及具有该组件的增强现实显示设备。
背景技术
增强现实技术(Augment Reality，AR)能够在屏幕上集成虚拟世界以及现实世界，其通过视觉、听觉等多感官模拟信息与真实环境信息的实时叠加，达到超越和增加现实的感官体验，在娱乐、医疗、军事等多领域具有极为广泛的应用前景。增强现实显示组件是整个系统的核心组件，其直接向用户显示模拟信息与环境信息的叠加影像。现有的增强现实显示组件一般采用固定景深的显示方式，例如将虚拟图像显示到无穷远(最大景深)处。但是现有的固定景深的显示方式并不符合人眼的辐辏反射观察规律，这使得用户在长时间观看后容易出现恶心、眩晕等症状。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种改进的增强现实显示组件及具有该组件的增强现实显示设备，该增强现实显示组件所具有的多景深，可以避免用户在长时间观看后产生恶心、眩晕等症状。
本发明提供一种增强现实显示组件，包括图像单元以及目镜单元，其特征在于，所述图像单元与目镜单元之间设置有折射单元，所述折射单元包括起偏器、光开关以及双折射晶体，所述起偏器设置于所述光开关以及图像单元之间，所述双折射晶体设置于所述光开关以及目镜单元之间，所述双折射晶体折射自所述光开关透射出的线偏振光并使所述目镜单元具有第一景深以及第二景深。
进一步地，所述双折射晶体对不同偏振方向的线偏振光的折射率差值大于0.2。
进一步地，所述目镜单元包括非球面镜片，所述非球面镜片的面型方程为：
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。
进一步地，所述折射单元还包括投影单元，所述投影单元位于所述双折射晶体以及目镜单元之间。
进一步地，所述增强现实显示组件还包括控制单元，所述控制单元通信连接于所述图像单元以及光开关。
进一步地，所述图像单元的分辨率为1080P以上。
进一步地，所述图像单元的亮度为5000尼特以上；及/或，
所述图像单元的刷新速率为120Hz以上。
进一步地，所述光开关的响应时间小于10毫秒；及/或，
所述光开关的透光率大于90％。
进一步地，所述起偏器的消光比为10000:1以上。
本发明还提供一种增强现实显示设备，包括增强现实显示组件，所述增强现实显示组件为上述任意一项所述的增强现实显示组件。
本发明提供的增强现实显示组件在图像单元以及目镜单元之间设置起偏器、光开关以及双折射晶体，利用双折射晶体对不同偏振方向上的偏振光的不同折射效果来形成不同景深的图像，如此可呈现任一深度的虚拟信息，解决了调节辐辏冲突，不仅提高了用户体验度，而且能够更加贴合人眼的观察习惯，能够避免用户在长期观察后出现疲劳、恶心、呕吐等不良反应，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明一个实施方式中增强现实显示组件的结构示意图；
图2为目镜单元增加补偿面之后的光路示意图；
图3为显示图像在第一景深处的MTF曲线；
图4为显示图像在第一景深处的畸变网格；
图5为显示图像在第二景深处的MTF曲线；
图6为显示图像在第二景深处的畸变网格。
主要元件符号说明
| 增强现实显示组件 | 100 |
| 图像单元 | 10 |
| 目镜单元 | 20 |
| 非球面镜片 | 21 |
| 折射单元 | 30 |
| 起偏器 | 31 |
| 光开关 | 32 |
| 双折射晶体 | 33 |
| 投影单元 | 34 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，图1为本发明一个实施方式中增强现实显示组件100的结构示意图。增强现实显示组件100供用户观察，其用于显示投射到用户眼睛中的图像信息。
本实施方式中，增强现实显示组件100应用于可穿戴增强现实眼镜(图未示)中，增强现实显示组件100作为该增强现实眼镜的镜片，用户通过穿戴该增强现实眼镜并观察增强现实显示组件100来观察虚拟环境信息以及现实环境信息。
可以理解，在其他的实施方式中，增强现实显示组件100还应用于可穿戴头盔等其他的设备中，只要增强现实显示组件100能够被用户感知和观察到即可。
增强现实显示组件100包括图像单元10、目镜单元20以及折射单元30，折射单元30位于图像单元10以及目镜单元20之间；图像单元10用于显示供用户观察的影像信息，目镜单元20用于汇聚经折射单元30折射后的影像光线并传输至人眼处成像，折射单元30用于可选择地折射图像单元10提供的影像光线。
图像单元10提供的影像光线通过折射单元30的选择性折射作用之后改变了自身的偏振方向，再经过目镜单元20的汇聚之后会在不同的位置点处汇聚，从而形成不同的景深。
具体的，图像单元10为显示器，其可以采用CRT显示器、LCD显示器、PDP显示器或者OLED显示器。
本实施方式中，考虑到综合性能以及成本优势，本实施方式中的图像单元10选用索尼OLED屏ECX337A显示器，该显示器为微显示器，对角线长度仅为0.5英寸，分辨率达1280×960，在产品竞争力上较佳，用户体验也相对较优。
可以理解，在其他的实施方式中，图像单元10还可以选用除索尼OLED屏ECX337A显示器之外的其他显示器，本发明并不限制图像单元10所采用显示器的具体类型，也不限制图像单元10所选用的显示器具体型号，只要图像单元10采用的显示器能够正常输出环境影像信息以及虚拟影像信息即可。
目镜单元20位于用户眼睛以及图像单元10之间，目镜单元20可根据需要相对图像单元10倾斜设置，从而将图像信息顺利地导入用户眼睛处。
可以理解，目镜单元20既可以采用正型目镜，也可以采用除正型目镜之外的如负型目镜等其他类型的目镜；目镜单元20所包含的目镜的数量既可以为一个，也可以为多个。
折射单元30包括起偏器31、光开关32以及双折射晶体33，起偏器31设置于图像单元10与光开关32之间，双折射晶体33位于光开关32与目镜单元20之间。
起偏器31用于将图像单元10显示的图像光线由自然光转变为线偏振光，光开关32用于调节线偏振光的偏振方向，从而使得图像单元10发出的线偏振光具有不同的偏振方向；双折射晶体33用于折射自光开关32透过的线偏振光，从而使得不同偏振方向的线偏振光具有不同的折射方向。
自图像单元10发出的包含图像信息的自然光经过起偏器31的起偏作用下转变为线偏振光，再在光开关32的调节作用下形成不同的偏振方向，最终在双折射晶体33对不同偏振方向的偏振光的不同折射作用下形成双景深的图像显示。
具体地，起偏器31能够在自然光状态下光线转变为偏振光，其利用特定材料在光学性质上的各向异性来实现对自然光的起偏。
本实施方式中，起偏器31采用偏振片来对图像单元10发出的包含图像信息的自然光进行起偏，起偏器31既可以采用电气石晶片等微晶型偏振片，也可也采用线栅偏振片等分子型偏振片。
可以理解，在其他的实施方式中，起偏器31还可以采用偏振分光棱镜等除偏振片之外的其他类型的起偏器，只要该类型的起偏器能够实现对图像信息的起偏即可。
光开关32连接于起偏器31，其用于调节起偏器31输出的光信号的偏振方向。在光开关32打开时，光开关32作用于起偏器31；当光开关32关闭时，光开关32对起偏器31输出的光信号没有调节作用。
就光开关32本身结构而言，其可以采用常规结构。本实施方式中，光开关32采用液晶光阀；作为优选，光开关32的响应时间设置在10毫秒以下，光开关32的透光率设置为大于90％的范围。
可以理解，在其他的实施方式中，光开关32还可以采用电光开关、热光开关、声光开关、微机械光开关以及传统机械光开关等其他类型的光开关元件，只要该类型的光开关32能够实现对起偏器31的方向调节即可；光开关32的响应时间以及透光率可以根据实际的工况选择，例如光开关32的响应时间设置在10毫秒以上，光开关32的透光率设置为小于90％的范围。
双折射晶体33位于光开关32与目镜单元20之间的光路上，用于折射偏振光；双折射晶体33对不同偏振方向的线偏振光具有不同的折射率，双折射晶体33与光开关32之间的相互配合即可使得作用后的图像光线具有不同的传输方向。
在本实施例中，双折射晶体33为双折射晶体棱镜；双折射晶体33采用双折射晶体棱镜，可以使得光线在双折射晶体棱镜上的入射表面与双折射晶体棱镜的光轴以及出射表面之间相互平行，不同偏振方向的线偏振光在经过该双折射晶体33时仅仅折射率不同，主光线依然处于重合不错位的状态，并不会产生额外的像差。
进一步地，双折射晶体33对O光的折射率为1.6585，对E光的折射率为1.4865。
可以理解，在其他的实施方式中，双折射晶体33也可以除双折射晶体棱镜之外的其他形状，只要该形状和类型的双折射晶体33可以对光开关32调节后的线偏振光进行折射即可；双折射晶体33对不同偏振光(如O光或者E光)还可以采用除上述折射率之外的其他折射率，只要双折射晶体33对不同偏振方向的偏振光的折射率不同即可。
在实际使用中，考虑到光开关32需要不断的切换自身的开关状态，光开关32优选具有较高的响应频率，从而使得光开关32具有足够的响应速度来切换自身的启闭状态并适配图像单元10的不同显示需求。
下面简单阐释增强现实显示组件100具有多景深的显示原理：
图像单元10产生的图像光线通过折射单元30中的起偏器31后仅会留存某一特性方向的线偏振光(如寻常光，简称O光)；当光开关32开启，该线偏振光(O光)通过光开关32的调节作用后即会转变为另一偏振方向的线偏振光(如非常光，简称E光)。而当光开关32关闭时，光开关32不改变线偏振光的偏振方向，该线偏振光(O光)直接入射至双折射晶体33中；
双折射晶体33对不同方向的线偏振光的折射率不同；当光开关32开启时，双折射晶体33以第一折射角对O光进行折射，以O光形式的图像光线再经过目镜单元20的汇聚作用后汇聚至人眼处，从而获得可供用户观察且为第一景深的图像；当光开关32关闭时，双折射晶体33以第二折射角对E光进行折射，以E光形式的图像光线再经过目镜单元20的汇聚作用后汇聚至人眼处，从而获得可供用户观察且为第二景深的图像，从而完成增强现实显示组件100双景深的显示过程。
进一步地，当光开关32以适当的频率不断刷新时，人眼所察觉的景深可以介于第一景深以及第二景深之间，从而形成景深这一光学参数在第一景深以及第二景深上的可控调节。
需要说明的是，本发明并不限制光开关32仅可以实现对O光向E光的方向调节。可以理解，在其他的实施方式中，光开关32还可以实现E光向O光的方向调节。
本发明提供的增强现实显示组件100在图像单元10以及目镜单元20之间设置起偏器31、光开关32以及双折射晶体33，利用双折射晶体33对不同偏振方向上的偏振光的不同折射效果来形成不同景深的图像，如此可呈现任一深度的虚拟信息，解决了调节辐辏冲突，不仅提高了用户体验度，而且能够更加贴合人眼的观察习惯，能够避免用户在长期观察后出现疲劳、恶心、呕吐等不良反应，具有广泛的应用前景。
在本发明的一个实施方式中，折射单元30还包括投影单元34，投影单元34位于双折射晶体33以及目镜单元20之间，投影单元34用于将双折射晶体33透过的线偏振光透射成放大的中继实像，投影单元34利用自身的中继放大作用使得折射单元30输出的图像信号可以较为清晰地传输至目镜单元20处，从而使得折射单元30与目镜单元20之间的传输损耗降低，可以实现在较长距离上的图像传输。
进一步地，投影单元34的投射比优选为1.6以下，以减少投影单元的结构紧凑性，有效减少整个组件的空间尺度并减少光路空间，为工业设计留更多的余地，使之更符合人体工程学。
本实施例中，投影单元34包括四片镜片，目镜单元20包括两片半透半反镜片。等效光路的数据如表1：
表1等效光路数据表
请一并参阅图2，图2为目镜单元20增加补偿面之后的光路示意图。目镜单元20增加补偿面的作用是使人眼通过目镜单元观看真实世界时，真实世界的画面无扭曲变形。
请一并参阅图3至图6，图3为显示图像在第一景深处的MTF曲线，图4为显示图像在第一景深处的畸变网格，图5为显示图像在第二景深处的MTF曲线，图6为显示图像在第二景深处的畸变网格。
本实施方式中，出瞳直径10mm，出瞳距离18mm，全视场角为50度。在第一深度和第二深度都获得了极好的成像质量，最大视场畸变小于0.2％，最大视场在截止频率30lp/mm处MTF(调制传递函数，Modulation Transfer Function)均大于0.4，第二深度最大视场在截止频率30lp/mm处MTF值更是达到了0.6以上，能够获得极好的光场显示效果。
在本发明的一个实施方式中，增强现实显示组件100还设置有控制单元(图未示)，控制单元通过导线等媒介通信连接于光开关32以及图像单元10，其用于同步控制光开关32以及图像单元10的运行状态，并根据图像单元10所需要显示的景深控制光开关32的启闭。将控制单元集成在增强现实显示组件100的内部，可以提高整个系统的集成度，有助于整个系统控制功能的实现。
可以理解，在其他的实施方式中，控制单元也可以设置在增强现实显示组件100的外部，也即控制单元作为环境元件设置在增强现实显示组件100外部，只要该控制单元能够与光开关32以及图像单元10通信连接并协调控制光开关32以及图像单元10的运行状态即可。
在本发明的一个实施方式中，为了提升图像显示的质量，图像单元10的分辨率优选为1080P及以上，图像单元10的亮度优选为5000尼特(nit)以上。将图像单元10的分辨率以及亮度设置较高，有助于提高图像信息显示的逼真性和用户的体验度，使得虚拟图像信息叠加在真实图像信息上的逼真程度更高。
在本发明的一个实施方式中，为了保证用户的体验以及考虑到双景深的图像显示，图像单元10的刷新速率为120Hz以上(单景深60Hz的两倍及以上)，以使得用户在进行观察时没有闪烁感；及/或，
起偏器31的消光比为10000:1以上，以使得起偏器31起偏后的偏振光不会同时存在o光以及e光，从而确保用户通过目镜单元20观察到的图像不会同时存在两个深度，避免图像串扰并提高成像的质量。
在本发明的一个实施方式中，为了减少双折射晶体33的厚度，双折射晶体33对o光或e光的折射率差值优选大于0.2，从而缩小折射时对双折射晶体33厚度的需求，进一步的减少系统负荷。
在本发明的一个实施方式中，为了提高用户的视野，本发明中的目镜单元30包括非球面镜片21，该非球面镜片21的面型方程为：
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。
本发明中应用的非球面镜片21具有大出瞳直径、长出瞳距离以及宽视场角的优点，大的出瞳直径可以满足使用者佩戴时斜视的情形，长出瞳距离可以满足近视镜及远视镜佩戴者的使用，而宽视场角可以更真实地呈现虚拟信息，使虚拟信息和真实世界更好地融合在一起。根据实验测量，本发明中应用的非球面镜片21的视场角可达50°，具有较宽的视野和较佳的用户体验。
当然了，增强现实显示组件100上还可以配设多种功能元件来实现用户体验度的提升，例如在增强现实显示组件100上还可以集成惯性测量单元(Inertial measurementunit，IMU)，控制单元控制该惯性测量单元从而检测整机的位姿，进一步提高用户的体验度。
本发明还提供一种增强现实显示设备(图未示)，该增强现实显示设备包括可穿戴的设备本体(图未示)以及设置于该设备本体上的增强现实显示组件100。本发明提供的增强现实显示设备通过使用增强现实显示组件100，使得自身具有双景深的图像显示，具有广泛的应用前景。
本发明提供的增强现实显示组件100在图像单元10以及目镜单元20之间设置起偏器31、光开关32以及双折射晶体33，利用双折射晶体33对不同偏振方向上的偏振光的不同折射效果来形成不同景深的图像，如此可呈现任一深度的虚拟信息，解决了调节辐辏冲突，不仅提高了用户体验度，而且能够更加贴合人眼的观察习惯，能够避免用户在长期观察后出现疲劳、恶心、呕吐等不良反应，应用前景广泛。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种增强现实显示组件，包括图像单元以及目镜单元，其特征在于，所述图像单元与目镜单元之间设置有折射单元，所述折射单元包括起偏器、光开关以及双折射晶体，所述起偏器设置于所述光开关以及图像单元之间，所述双折射晶体设置于所述光开关以及目镜单元之间，所述双折射晶体折射自所述光开关透射出的线偏振光并使所述目镜单元具有第一景深以及第二景深。
2.如权利要求1所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述双折射晶体对不同偏振方向的线偏振光的折射率差值大于0.2。
3.如权利要求1所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述目镜单元包括非球面镜片，所述非球面镜片的面型方程为：
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。
4.如权利要求1所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述折射单元还包括投影单元，所述投影单元位于所述双折射晶体以及目镜单元之间。
5.如权利要求1所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述增强现实显示组件还包括控制单元，所述控制单元通信连接于所述图像单元以及光开关。
6.如权利要求1所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述图像单元的分辨率为1080P以上。
7.如权利要求6所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述图像单元的亮度为5000尼特以上；及/或，
所述图像单元的刷新速率为120Hz以上。
8.如权利要求1所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述光开关的响应时间小于10毫秒；及/或，
所述光开关的透光率大于90％。
9.如权利要求1所述的增强现实显示组件，其特征在于，所述起偏器的消光比为10000:1以上。
10.一种增强现实显示设备，包括增强现实显示组件，其特征在于，所述增强现实显示组件为权利要求1至9任意一项所述的增强现实显示组件。
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