CN111103691A - 一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及近眼显示技术领域，特别涉及一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，所述近眼显示系统包括：微显示屏，所述微显示屏显示图像；波导系统，所述波导系统包括波导片，所述波导片呈现所述自然光以供观看，并且在所述自然光上呈现来自所述微显示屏所显示图像进入人眼；可调节透明度系统包括电极层，所述电极层之间设置对自然光起旋光作用的旋光材料，所述电极层和旋光材料插置在对所述自然光进行偏振的第一偏振层和第二偏振层之间，所述可调节透明度系统使所述波导片呈现自然光的部分变暗或使其无法被看到。该近眼显示系统中可调节透明度系统可根据外界光线强弱调节近眼显示系统的透明度，并且可在AR与VR模式之间进行转换。

Description

一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备
技术领域
本发明涉及近眼显示技术领域，特别涉及一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备及近眼显示设备。
背景技术
增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节。近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像，受微显示屏图像光源亮度限制，人眼看到的虚拟图像亮度有限，当用户在户外使用近眼显示设备时外界光源太强会导致虚拟图像对比度下降，从而难以看清叠加在真实世界上的虚拟图像，影响用户使用体验。目前常用的方式是在近眼显示设备前面加一片滤光片，减少外界光源的进光量，这种方案存在明显缺陷，即透明度不可调节，不能对外界光线强弱变化做出相应调整，适用场景范围有限，在光线不足的室内使用时需要将滤光片取下，操作繁琐。
专利US20190324274A1提出了一种可调节透明度的头戴式显示器，该专利在显示器中设置了紫外线光源和光致变色层，可以控制紫外线的发射来调节光致变色层的透明度，从而改善虚拟图像的对比度。但该专利过于复杂，不但需要增添紫外线光源，还需要添加紫外线吸收层防止紫外线进入用户眼睛，另外还需要设计额外的光学器件，添加加热元件，明显提升了显示设备的成本、体积和功耗。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备及近眼显示设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明解决现有技术中的问题所采用的技术方案为：一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，所述近眼显示系统包括：
微显示屏，所述微显示屏显示图像；
波导系统，所述波导系统包括波导片，所述波导片呈现所述自然光以供观看，并且在所述自然光上呈现来自所述微显示屏所显示图像进入人眼；
可调节透明度系统，所述可调节透明度系统包括电极层，所述电极层之间设置对自然光起旋光作用的旋光材料，所述电极层和旋光材料插置在对所述自然光进行偏振的第一偏振层和第二偏振层之间，所述可调节透明度系统使所述波导片呈现自然光的部分变暗或使其无法被看到。
作为本发明的优选方案，所述可调节透明度系统设于所述波导片上方，所述自然光依次透过所述可调节透明度系统和所述波导片。
作为本发明的优选方案，所述电极层包括上电极和下电极，所述上电极和下电极之间设置所述旋光材料，所述第一偏振层设于所述上电极的上方，所述第二偏振层设于所述下电极的下方，所述第一偏振层、上电极、旋光材料、下电极和第二偏振层组成所述可调节透明度系统，所述自然光依次穿过所述第一偏振层、上电极、旋光材料、下电极、第二偏振层组和波导片进入人眼。
作为本发明的优选方案，所述可调节透明度系统还包括电源，所述电源被配置为所述电极层供电，调整所述电极层电压的大小。
作为本发明的优选方案，所述第一偏振层和第二偏振层采用偏光片，所述第一偏振层和第二偏振层之间的相对位置为所述第一偏振层和第二偏振层沿着两者的光轴互相垂直的位置设置。
作为本发明的优选方案，所述电极层为透明导电材料，所述透明导电材料可以是氧化铟锡、铝掺杂氧化锌、导电聚合物或纳米材料。
作为本发明的优选方案，所述旋光材料为可在外加电场的作用对光线透射率和反射率能产生可逆变化的材料。
作为本发明的优选方案，所述旋光材料为液晶。
作为本发明的优选方案，所述波导片可采用阵列波导、浮雕光栅波导和全息体光栅波导等。
一种近眼显示设备，所述近眼显示装置设有上述中任意一项所述的近眼显示系统。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明中一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备，该近眼显示系统具有以下几点技术效果：
1、近眼显示系统的透明度可调节，当外界光线过强时，通过可调节透明度系统降低近眼显示系统的透明度，使用户在户外强光作用下也可以正常使用，扩展了近眼显示设备的场景适用范围。
2、当近眼显示系统的透明度从最高转换成最低时相当于从增强现实(AR)模式转换成了虚拟现实(VR)模式，即可以实现AR和VR模式的即时转换。
附图说明
图1是本发明中一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备的结构图；
图2是本发明中一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备中可调节透明度层的结构图；
图3是本发明中一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备中可调节透明度系统的结构图。
图中标号：10、微显示屏；20、透镜组；30、波导片；40、可调节透明度系统；41、电极层；42、旋光材料；43、第一偏振层；44、第二偏振层；50、眼睛；60、自然光；70、图像；411、上电极；412、下电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，近眼显示系统包括微显示屏，该微显示屏10可用于为近眼显示系统的用户显示图像70。微显示屏10可以是透明微显示屏10，使得用户可以通过微显示屏10观察真实世界物体，同时通过在显示器上呈现计算机生成的图像70，将计算机生成的内容覆盖在真实世界物体上。微显示屏10可由可由透明像素阵列(例如，透明有机发光二极管显示面板)形成，或者可由显示设备形成，该显示设备通过分束器、全息耦合器或其他光学耦合器(例如，显示设备诸如硅显示器上的液晶)向用户提供图像70。
近眼显示系统包括波导系统，微显示屏10创建的图像70由波导系统反射入用户眼睛50里。波导系统包括呈现所述自然光60以供观看，并且在所述自然光60上呈现来自所述微显示屏10所显示图像70进入人眼的波导片30，在本实施例中该波导片30采用的是阵列波导，除此之外，波导片30还可以是浮雕光栅波导和全息体光栅波导等。
如果需要，在微显示屏10与波导系统之间可设置透镜组20，微显示屏10创建的图像70经透镜组20的调整后，由波导系统反射入用户眼睛50里。
如图2所示：近眼显示系统包括可调节透明度系统40，可调节透明度系统40被设置在波导片30的上方，可调节透明度系统40与波导片30串联堆叠的可调节透明度层，使得可调节透明度层覆盖在波导片30上，并使得用户可通过调节可调节透明度层和微显示屏10观察真实世界物体。可使用电源调节电压实现实时调节可调节透明度系统40。
可调节透明度系统40可以是电极层41，在电极层41之间设置有旋光材料42，并将电极层41和旋光材料42插置在对自然光60进行偏振的第一偏振层43和第二偏振层44之间。可调节透明度系统40可包括将可调节透明度系统40选择性暴露于光的光源。可调节透明度层可被电源控制，在透明状态和不透明状态之间调节这些区域。在透明状态下，透射率可为100％或接近100％(例如，大于99％、大于95％等)。在不透明状态下，透射率为0％或接近0％(例如，小于1％、小于5％等)。可调节电极电压来选择性地产生中间水平的光透射率(例如，0％和100％之间的透射率值。
如图3所示：第一偏振层43设于所述上电极411的上方，第二偏振层44设于下电极412的下方，第一偏振层43、上电极411、旋光材料42、下电极412和第二偏振层44组成可调节透明度系统40，所述自然光60依次穿过第一偏振层43、上电极411、旋光材料42、下电极412、第二偏振层44组和波导片30进入人眼。在操作期间，来自微显示屏10中的光可被引导至波导片30。波导片30可将光引导向用户的眼睛50。来自真实世界的自然光60也可穿过可调节透明度层和波导片30到达用户的眼睛50。这样，用户可同时看到真实世界内容和叠放图像70(例如，计算机生成的图像70)，从而实现虚拟图像与现实环境的叠加。
进一步地，第一偏振层43和第二偏振层44采用偏光片，第一偏振层43和第二偏振层44之间的相对位置为第一偏振层43和第二偏振层44沿着两者的光轴互相垂直的位置设置，旋光材料42通过调节自然光60与第一偏振层43和第二偏振层44光轴的角度关系，进而实现调节自然光60导入人眼角度，实现近眼显示系统透明度的调节。
上电极411与下电极412分别与电源的正负极连接，利用电源向上电极411和下电极412施加电压，让上电极411和下电极412之间产生一外加电场，旋光材料42在外加电场的作用下对光的透射率和反射率产生可逆的变化；通过控制电源电压的大小，改变上电极411和下电极412之间产生外加电场的大小，实现旋光材料42在不同大小外加电场的作用下改变自身的对光的透射率和反射率，达到对可调节透明度层透明度的调节。
进一步地，可调节透明度系统40和波导系统可被放置在用户眼睛50前面并且为透明的，使得用户可通过可调节透明度系统40和波导系统查看外部物体。
具体地，为了实现可调节透明度系统40和波导系统可被放置在用户眼睛50前面并且为透明的，电极层41采用透明导电材料，优选地可采用氧化铟锡、铝掺杂氧化锌、导电聚合物和纳米材料。
具体地，旋光材料42需实现可以在外加电场的作用下对光的透射率和反射率能产生可逆变化这一特性，在本实施例中，该旋光材料42为液晶，液晶可对自然光60线起旋光作用，可以使经第一偏振层43偏振后自然光60的偏振方向再次发生改变，同时该液晶的旋光特性受电场控制，当位于液晶上下两端的上电极411和下电极412所施加的电压为0时，自然光60透过第一偏振层43转变为线偏振光，线偏振光经过液晶材料后偏振方向会旋转90°，与第二偏振层44的光轴平行，从而顺利进入人眼，此时近眼显示系统的透明度最高；当液晶上下两端的上电极411和下电极412所施加的电压达到一定数值后，液晶失去旋光性，自然光60透过第一偏振层43转变为线偏振光，该线偏振光经过液晶材料后偏振方向不变，即该线偏振光与第二偏振层44的光轴垂直，光线不能进入人眼，此时人眼智能看到微显示屏10所产生的虚拟图像70而难以看清真实世界图像70，近眼显示系统的透明度最低。进一步地，通过调节电极层41对液晶所施加的电压数值可使液晶的旋光度在0°和90°之间变化，实现该近眼显示系统的透明度可调节。
运用在近眼显示设备的近眼显示系统可用于向用户提供覆盖在真实世界内容顶部的计算机生成的内容。真实世界内容可由用户直接查看(例如，通过透明显示面板观察真实世界物体，或通过透明显示系统中的波导系统来观察，该波导系统将来自真实世界物体的光与来自显示面板的光合并)。还可使用其中真实世界物体的图像70由前向相机捕获并且在显示器上显示给用户的构型。
近眼显示系统可用于近眼显示设备。这些设备可包括便携式消费电子设备(如，便携式电子设备，诸如移动电话、平板电脑、眼镜、其他可穿戴设备)、在驾驶舱、车辆等中的头顶显示器、基于显示器的设备(投影仪、电视机等)。诸如这些设备的设备可包括透明显示器和其他光学部件。将其中虚拟现实和/或增强现实内容提供给具有头戴式显示器的用户的设备构型在本文中作为示例描述。然而，这仅为例示性的。任何合适的设备都可用于向用户提供虚拟现实和/或增强现实内容)。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明中一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统及设备，该近眼显示系统具有以下几点技术效果：
1、近眼显示系统的透明度可调节，当外界光线过强时，通过可调节透明度系统40降低近眼显示系统的透明度，使用户在户外强光作用下也可以正常使用，扩展了近眼显示设备的场景适用范围。
2、当近眼显示系统的透明度从最高转换成最低时相当于从增强现实(AR)模式转换成了虚拟现实(VR)模式，即可以实现AR和VR模式的即时转换。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统包括：
微显示屏，所述微显示屏显示图像；
波导系统，所述波导系统包括波导片，所述波导片呈现所述自然光以供观看，并且在所述自然光上呈现来自所述微显示屏所显示图像进入人眼；
可调节透明度系统，所述可调节透明度系统包括电极层，所述电极层之间设置对自然光起旋光作用的旋光材料，所述电极层和旋光材料插置在对所述自然光进行偏振的第一偏振层和第二偏振层之间，所述可调节透明度系统使所述波导片呈现自然光的部分变暗或使其无法被看到。
2.根据权利要求1所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述可调节透明度系统设于所述波导片上方，所述自然光依次透过所述可调节透明度系统和所述波导片。
3.根据权利要求2所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述电极层包括上电极和下电极，所述上电极和下电极之间设置所述旋光材料，所述第一偏振层设于所述上电极的上方，所述第二偏振层设于所述下电极的下方，所述第一偏振层、上电极、旋光材料、下电极和第二偏振层组成所述可调节透明度系统，所述自然光依次穿过所述第一偏振层、上电极、旋光材料、下电极、第二偏振层组和波导片进入人眼。
4.根据权利要求3所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述可调节透明度系统还包括电源，所述电源被配置为所述电极层供电，调整所述电极层电压的大小。
5.根据权利要求3所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述第一偏振层和第二偏振层采用偏光片，所述第一偏振层和第二偏振层之间的相对位置为所述第一偏振层和第二偏振层沿着两者的光轴互相垂直的位置设置。
6.根据权利要求5所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述电极层为透明导电材料，所述透明导电材料可以是氧化铟锡、铝掺杂氧化锌、导电聚合物或纳米材料。
7.根据权利要求1所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述旋光材料为可在外加电场的作用对光线透射率和反射率能产生可逆变化的材料。
8.根据权利要求7所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述旋光材料为液晶。
9.根据权利要求1所述的一种利用液晶调节透明度的近眼显示系统，其特征在于：所述波导片可采用阵列波导、浮雕光栅波导和全息体光栅波导等。
10.一种近眼显示设备，其特征在于：所述近眼显示装置设有如权利要求1～9中任意一项所述的近眼显示系统。
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