CN114063285A - 基于像素的曲面近眼显示方法、显示器及显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种基于像素的曲面近眼显示方法、显示器及显示系统，利用若干透射型LCD单元或者反射型EW单元构成曲面面板，采用自然光作为LCD单元或者EW单元的光源，使所有LCD单元的液晶像素出射光线或者EW单元的油膜像素反射光线向同一聚焦点聚焦，聚焦点位于曲面面板的垂直中心线上且落在用户的眼球内；本发明仅改变曲面像素成像时的焦距与曲面的距离，是近眼显示中扩大视场角的理想方式，同时由于本发明在改变像素成像时的出射光线角度或者反射光线角度时并未改变透明曲面的自然透光性，从而保障了虚拟信息与现实信息的共同存在，实现了较好的AR效果。

Description

基于像素的曲面近眼显示方法、显示器及显示系统
技术领域
本发明涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种基于像素的曲面近眼显示方法、显示器及显示系统。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。
进入二十世纪以来，随着AR技术的发展，越来越多的知名电子厂商致力于研究AR产品，例如：美国的谷歌、日本的爱普生等都先后推出了自己的智能眼镜产品。
如表1所示，现有的AR产品其采用的光学显示系统主要分为以下几个类型：
表1
Figure BDA0002615226530000011
Figure BDA0002615226530000021
从上表可以看出，现有的AR光学显示系统的方案中只有三个适合应用于AR眼镜中，但是在视场角、色彩显示、对比度等方面还无法兼顾，无法获得较好的近眼显示效果。
针对上述问题，现有的AR眼镜开发者尝试从其他光学器件中寻找突破，例如中国专利公开号为CN107300770A的发明专利就公开了一种近眼显示器及近眼显示系统，其技术方案为：一种近眼显示器，包括：液晶显示LCD面板，所述LCD面板包括平铺设置的多个LCD单元，所述多个LCD单元中的每两个相邻LCD单元间隔设置，且所述每两个相邻LCD单元之间填充有透光的透明基材；设置在所述LCD面板的发光侧的折射结构，所述折射结构用于将所述多个LCD单元输出的光线折射到所述近眼显示器的焦点处，所述近眼显示器的焦点落在用户的眼球内。该发明通过在LCD面板的发光侧设置折射结构，将LCD面板显示的图像折射到用户的眼睛，同时外界的实景光线穿过LCD单元之间的透明基材进入用户的眼睛，能够实现LCD面板显示的虚拟图像与实景图像叠加的AR显示，同时由于将LCD单元排列在整个LCD面板上，能够提供较大的视场范围，进而能够提升用户的视觉体验。
但是上述技术方案中存在以下问题：
上述发明在实现焦距变更上使用的是光折射原理，光折射角度由液晶中心向四周逐渐加大，从而实现人工设定近眼显示焦距。但是这样的折射随着角度加大，色散现象逐渐明显，最终无法实现扩大视场角，为了避免色散造成的“彩虹”现象，也只能牺牲视场角的广度。侧后方的杂散光照射在折射结构上会造成明显的光晕和“彩虹”斑，严重影响消费者的视野、体验和行动安全。这样的效果其实跟衍射光波导没有本质上的区别，仍旧没有走出光学光波导和衍射光波导的缺陷。简单地说，这种折射结构实质上就是光波导结构，在成像光出射的原理上跟光波导没有区别，在应用于类似于AR眼镜的产品中时，折射结构会干扰一半的自然光，使一半的自然光角度发生偏转，这就使得若想要避免自然光偏转，则只能用常黑屏结构，势必会造成透光率下降，而若需要保障透光率，则无法避免自然光偏转，从而导致自然景象紊乱。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于像素的曲面近眼显示方法、曲面近眼显示器及曲面近眼显示系统。
为实现以上技术目的，本发明的第一种技术方案是：
一种基于像素的曲面近眼显示方法，利用若干透射型LCD单元构成液晶曲面面板，采用自然光作为LCD单元的光源，使所有LCD单元的液晶像素出射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点位于液晶曲面面板的垂直中心线上且落在用户的眼球内。
作为优选，所述曲面为自由曲面。
作为优选，所述液晶曲面面板呈凹球面，位于液晶曲面面板中心的LCD单元定义为原点LCD单元，所述原点LCD单元所在平面定义为原点平面，所述原点LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角为90°，与液晶曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿液晶曲面面板中心向液晶曲面面板边缘，各LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各LCD单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各LCD单元的液晶像素出射光线与其所在平面的夹角为90°。
基于上述方法，构建一种基于像素的曲面近眼显示器，包括前玻璃基板和后玻璃基板，所述前玻璃基板与后玻璃基板之间设有液晶曲面面板，所述液晶曲面面板包括若干相连接的透射型LCD单元，自然光作为LCD单元的光源，所有LCD单元的液晶像素出射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点作为液晶曲面面板的焦点且落在用户的眼球内，所述前玻璃基板与液晶曲面面板之间、后玻璃基板与液晶曲面面板之间填充有高透明密封树脂或高透明胶体。
作为优选，所述液晶曲面面板呈凹球面，位于液晶曲面面板中心的LCD单元定义为原点LCD单元，所述原点LCD单元所在平面定义为原点平面，所述原点LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角为90°，与液晶曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿液晶曲面面板中心向液晶曲面面板边缘，各LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各LCD单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各LCD单元的液晶像素出射光线与其所在平面的夹角为90°。
作为优选，每个所述LCD单元沿自然光透射方向依次包括后基板、液晶层和前基板。
作为优选，所述后基板依次包括第一偏光板、第一玻璃基板和第一透明导电膜。
作为优选，所述液晶层依次包括第一定向膜、液晶和第二定向膜。
作为优选，所述前基板依次包括第二透明导电膜、彩色滤光膜、第二玻璃基板和第二偏光板。
作为改进，所述后基板背离液晶层的一侧设置有透明OLED背光膜。
基于上述基于像素的近眼显示器，构建一种基于像素的曲面近眼显示系统，包括前述的曲面近眼显示器、收发信机、控制器和电源，所述收发信机用于接收图像信号，并将所述图像信号发送给控制器，所述控制器感测用户的瞳孔位置，并根据收发信机接收到的图像信号控制曲面近眼显示器的图像呈现，所述曲面近眼显示器用于呈现图像和观察实景，并将图像投射到用户的眼球内，所述电源为系统供电。
作为优选，所述控制器包括用于控制每个LCD单元呈现色彩的第一控制单元、用于控制每个LCD单元的液晶像素出射光线亮度的第二控制单元和用于控制液晶画面呈现在曲面面板位置的第三控制单元。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明仅改变曲面像素成像时的焦距与曲面的距离，是近眼显示中扩大视场角的理想方式，同时由于本发明在改变像素成像时的出射光线角度时并未改变透明曲面的自然透光性，从而保障了虚拟信息与现实信息的共同存在，实现了较好的AR效果。
2.采用自然光作为LCD单元的光源，能够同时满足室内、室外使用的需求。
3.接近人眼的视场角，可视空间较大。
4对颜色没有限制，各种颜色均可呈现。
5.没有额外的人工光源，不会带来长时间使用导致的光源发热问题。
6.没有折射组件，不受杂散光干扰。
7.可以与OLED背光膜组合形成优势互补结构，形成室外强光条件下的黑色渲染优势和室内及黑夜模式条件下的自有光源优势。
为实现以上技术目的，本发明的第二种技术方案是：
一种基于像素的曲面近眼显示方法，利用若干反射型EW单元构成电润湿曲面面板，采用自然光作为EW单元的光源，使所有EW单元的油膜像素反射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点位于电润湿曲面面板的垂直中心线上且落在用户的眼球内。
作为优选，所述曲面为自由曲面。
作为优选，所述电润湿曲面面板呈凹球面，位于电润湿曲面面板中心的EW单元定义为原点EW单元，所述原点EW单元所在平面定义为原点平面，所述原点EW单元的油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角为90°，与电润湿曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿电润湿曲面面板中心向电润湿曲面面板边缘，各EW单元的油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各EW单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各EW单元的油膜像素反射光线与其所在平面的夹角为90°。
基于上述方法，构建一种基于像素的曲面近眼显示器，包括前玻璃基板和后玻璃基板，所述前玻璃基板与后玻璃基板之间设有电润湿曲面面板，所述电润湿曲面面板包括若干相连接的透射型EW单元，自然光作为EW单元的光源，所有EW单元的油膜像素反射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点作为电润湿曲面面板的焦点且落在用户的眼球内，所述前玻璃基板与电润湿曲面面板之间、后玻璃基板与电润湿曲面面板之间填充有高透明密封树脂或高透明胶体。
作为优选，所述电润湿曲面面板呈凹球面，位于电润湿曲面面板中心的EW单元定义为EW单元，所述原点EW单元所在平面定义为原点平面，所述EW单元的油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角为90°，与电润湿曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿电润湿曲面面板中心向电润湿曲面面板边缘，各EW单元的油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各EW单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各EW单元的油膜像素反射光线与其所在平面的夹角为90°。
作为优选，每个所述EW单元包括相连接的彩色成像单元和黑色成像单元，所述彩色成像单元沿自然光反射方向依次包括下透明电极、透明疏水材料、红黄蓝三色油膜、水和上透明电极，所述黑色成像单元沿自然光反射方向依次包括下透明电极、透明疏水材料、黑色油膜、水和上透明电极。
作为优选，所述彩色成像单元与黑色成像单元并排设置。
作为改进，所述彩色成像单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜，所述黑色成像单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜。
作为优选，所述彩色成像单元与黑色成像单元上下层叠设置。
作为改进，所述黑色成像单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜。
基于上述基于像素的近眼显示器，构建一种基于像素的曲面近眼显示系统，包括前述的曲面近眼显示器、收发信机、控制器和电源，所述收发信机用于接收图像信号，并将所述图像信号发送给控制器，所述控制器感测用户的瞳孔位置，并根据收发信机接收到的图像信号控制曲面近眼显示器的图像呈现，所述曲面近眼显示器用于呈现图像和观察实景，并将图像投射到用户的眼球内，所述电源为系统供电。
作为优选，所述控制器包括用于控制每个EW单元呈现色彩的第一控制单元、用于控制每个EW单元的油膜反射黑色程度的第二控制单元和用于控制电润湿画面呈现在曲面面板位置的第三控制单元。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明仅改变曲面像素成像时的焦距与曲面的距离，是近眼显示中扩大视场角的理想方式，同时由于本发明在改变像素成像时的反射光线角度时并未改变透明曲面的自然透光性，从而保障了虚拟信息与现实信息的共同存在，实现了较好的AR效果。
2.采用自然光作为EW单元的光源，能够同时满足室内、室外使用的需求。
3.接近人眼的视场角，可视空间较大。
4对颜色没有限制，各种颜色均可呈现。
5.没有额外的人工光源，不会带来长时间使用导致的光源发热问题。
6.没有折射组件，不受杂散光干扰。
7.可以与OLED背光膜组合形成优势互补结构，形成室外强光条件下的黑色渲染优势和室内及黑夜模式条件下的自有光源优势。
附图说明
图1是曲面反射原理图；
图2是曲面反射原理图；
图3是本发明实施例1的结构示意图；
图4是本发明实施例1中LCD单元的结构示意图；
图5是本发明实施例1曲面近眼显示系统的系统框图；
图6是本发明实施例1控制器的控制原理图；
图7是本发明实施例2的结构示意图；
图8是本发明实施例2中EW单元的结构示意图；
图9是本发明实施例2中EW单元的结构示意图；
图10是本发明实施例2中EW单元成像原理示意图；
图11是本发明实施例2中EW单元成像原理示意图；
图12本发明实施例2曲面近眼显示系统的系统框图；
图13是本发明实施例2控制器的控制原理图。
具体实施方式
由曲面反射原理可知，如图1所示，当曲面A1为大弧度、大曲率、小面积的曲面时，视场角较小，且聚焦点C1近；反之，如图2所示，当曲面A2为小弧度、小曲率、大面积的曲面时，视场角较大，且聚焦点C2远。但对于近眼显示的AR眼镜而言，为了达到较好的显示效果，则需要大视场角和小焦距。
因此，设计一种能够利用小弧度、小曲率、大面积的曲面实现大视场角、近眼显示效果的技术方案。
实施例1
结合图3至图6，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。
因此，设计一种基于液晶像素的曲面近眼显示方法，利用若干透射型LCD单元11构成液晶曲面面板12，采用自然光1作为各LCD单元11的光源，使所有LCD单元11的液晶像素出射光线16向同一聚焦点聚焦，该聚焦点18位于液晶曲面面板12的垂直中心线上且落在用户的眼球2内。
如图3所示，为上述技术方案的一种具体应用，在该应用中液晶曲面面板12设计为凹球面，位于液晶曲面面板12中心的LCD单元定义为原点LCD单元13，原点LCD单元13所在平面定义为原点平面14，原点LCD单元13的液晶像素出射光线与原点平面14夹角为90°，与液晶曲面面板12的垂直中心线15的夹角为0°，沿液晶曲面面板12中心向液晶曲面面板边缘，各LCD单元11的液晶像素出射光线16与原点平面14之间的夹角从90°逐减减小，各LCD单元11所在平面17与原点平面14之间的夹角从0°逐渐增大，各LCD单元的液晶像素出射光线16与其自身所在平面17的夹角为90°。在这种设计中，以液晶曲面面板的中心作为圆心，每向外一圈，LCD单元11的设置角度与原点LCD单元13的设置角度的夹角逐渐增大，进而使得LCD单元的液晶像素出射光线能够始终与原点LCD单元13的液晶像素出射光线聚焦于位于液晶曲面面板12垂直中心线上的焦点上(即逐渐改变每一圈LCD单元的焦距)，从而从整体上看该曲面面板基本上是一个小弧度、小曲率、大面积的曲面(即图3中A所示的曲面)，但实际却达到了大弧度、大曲率、小面积的曲面(即图3中B所示的虚拟曲面)在近眼显示下的焦距效果，从而扩大了该曲面面板在近眼显示的有效视场角。此设计中，所有LCD单元的尺寸以原点LCD单元为中心，呈渐变式变化，各个LCD单元的宽度相同，但长度沿液晶曲面面板中心向液晶曲面面板边缘方向逐渐增加，即以原点LCD单元为中心，每向外一圈，LCD单元的长度逐渐变大(即LCD单元的周长逐渐变大)。
基于上述方法，构建一种基于液晶像素的曲面近眼显示器，包括前玻璃基板和后玻璃基板，前玻璃基板与后玻璃基板之间设有液晶曲面面板，液晶曲面面板包括若干相连接的透射型LCD单元，自然光作为LCD单元的光源，所有LCD单元的液晶像素出射光线向同一聚焦点聚焦，聚焦点作为液晶曲面面板的焦点且落在用户的眼球内，前玻璃基板与液晶曲面面板之间、后玻璃基板与液晶曲面面板之间填充有高透明密封树脂或高透明胶体。此技术方案中：前玻璃基板和后玻璃基板对液晶曲面面板整体起保护作用，高透明密封树脂或高透明胶体保证光线进入的同时，对构成液晶曲面面板的LCD单元起到保护和固定作用。
其中：
1.若干相连接的LCD单元可以呈阵列分布，只要能够形成所需的曲面面积即可(例如：一个眼镜型曲面近眼显示器的眼镜镜片面积)；
2.每个LCD单元的构成与现有技术中的LCD单元构成基本相同，区别仅在于，本发明中LCD单元的光源是自然光，不需要提供人工光源，如图4所示，每个LCD单元11沿自然光透射方向依次包括后基板101、液晶层102和前基板103，其中：后基板101依次包括第一偏光板1011、第一玻璃基板1012和第一透明导电膜1013；液晶层102依次包括第一定向膜1021、液晶1022和第二定向膜1023；前基板103依次包括第二透明导电膜1031、彩色滤光膜1032、第二玻璃基板1033和第二偏光板1034。LCD单元成像的原理是现有技术，在此不再赘述。
在上述基于液晶像素的曲面近眼显示器的基础上，如图5所示，构建一种基于液晶像素的曲面近眼显示系统，包括基于液晶像素的曲面近眼显示器、收发信机、控制器和电源，收发信机用于接收图像信号，并将所述图像信号发送给控制器，控制器感测用户的瞳孔位置，并根据收发信机接收到的图像信号控制曲面近眼显示器的图像呈现，曲面近眼显示器用于呈现图像和观察实景，并将图像投射到用户的眼球内，电源(可采用电池)为系统供电。其中，控制器包括用于控制每个LCD单元呈现色彩的第一控制单元、用于控制每个LCD单元的液晶像素出射光线亮度的第二控制单元和用于控制液晶画面呈现在曲面面板位置的第三控制单元。具体工作原理为：
如图6所示，
(1)第一控制单元通过液晶TFT场效应管控制实现对LCD单元电压控制进而实现对LCD单元呈现色彩的控制；
(2)第二控制单元通过对构成曲面的多个LCD单元内部的液晶偏转角度进行控制，进而实现对每个LCD单元液晶光线出射亮度的单独控制，最终达到曲面近眼显示的效果(小弧度、小曲率、大视场角的效果)；
(3)第三控制单元则是控制哪些LCD单元作为液晶画面的呈现单元(即虚拟场景的观察)，哪些LCD单元作为正常的透光单元(即实现现实场景的观察)，进而确定液晶画面呈现在曲面面板的位置；
综上，第一控制单元和第二控制单元实现的是液晶画面可以被用户的眼球观察到，第三控制单元则是为了实现虚拟与现实的叠加，即实现AR。
根据上述原理，在如图3所示的方案中：当LCD单元作为虚拟成像单元时，图3的自然光线1作为入射光线入射到LCD单元后经液晶像素成像；当LCD单元作为现实场景观察单元时，图3的自然光线1作为入射光线入射到LCD单元后经透光的液晶像素透射进入人眼。
从上述描述可以看出，本发明仅改变曲面像素成像时的焦距与曲面的距离，是近眼显示中扩大视场角的理想方式，同时由于本发明在改变像素成像时的出射光线角度时并未改变透明曲面的自然透光性，从而保障了虚拟信息与现实信息的共同存在，实现了较好的AR效果。
为了提高夜间的成像和实景观察效果，在所述后基板背离液晶层的一侧设置有透明OLED背光膜，以实现夜视补光效果。
从上述描述可以看出，本实施例的方案与现有的几种近眼显示方案相比：
1.在色彩显示方面，本实施例是基于光阻拦原理实现的液晶画面呈现，可以轻松实现任何色彩的渲染，包括阴影渲染，在呈现黑色或深色方面没有任何障碍，而现有的光学波导方案、OLED或microLED方案均采用人工光源透射，难以显示黑色或深色，因此阴影渲染很困难，而衍射光学波导方案则由于对角度和颜色具有高度的选择性，也会存在颜色显示的限制。
2.在使用场合方面，本实施例采用的是透射型LCD单元，光源采用的是自然光源，对光源的要求低，适用范围广，能够在室外使用，并且由于本实施例使用的是自然光源，其优点恰恰是室内可用，室外效果更理想，而现有的光学波导方案需要更多光线才能实现自然的亮度，因此还需要更强大的光源，在室外使用上，在现有的光波导近眼显示产品中，HoloLens和DAQRI Smart Glasses的亮度约为300尼特，而Magic Leap One亮度约为200尼特，其他大多数AR眼镜的亮度则仅适合在室内使用，在室外几乎无法用，OLED或microLED方案也同样存在无法在外界强光下使用的问题。
3.在视场角方面，本实施例的LCD方案可以通过修改LCD单元的光线出射角度(即LCD像素出射角)，实现了扩大视场角的效果，接近人的自然视场角，而现有光学波导方案的FOV视场角缺陷明显，一般只能达到40°×40°的视场角，现有市场上的AR产品能达到的最大视场角为51°×51°，本实施例的视场角可以轻松实现120°×120°。
4.在透光率方面，本实施例的LCD的透光率可以达到90％，能够适应一般室内光线。而现有工业端的光波导近眼显产品中，HoloLens的透光率大约在40％左右，Magic LeapOne的透光率约为15％，2019年初展示的Nreal机型大约具备25％左右的透光率，尽管人眼可以适应较低透光率的AR眼镜，但是在较暗的环境中还是很难看清。
5.在图像呈现方面，由于AR在光学传播过程中不仅会损失分辨率，还有可能造成图像扭曲，有些时候，甚至可以采用缩小视场角的方式来“掩盖”扭曲的观感，而本实施例的LCD方案可以改变图像结构，实现负负得正的效果
6.在光学效率方面，本发明在最差情况下的光学效率也能达到50％以上，而目前市面上大部分光波导AR设备的光学效率很差，甚至部分产品的光学效率仅为1％。
7.在光学干扰方面，本实施例在LCD单元画面成像时，采用的是光阻拦设计，杂散光在LCD单元成像时呈现反射效果，不影响显示，不成像时自然光则直接透过，不存则色散现象，同时图像渲染光源垂直通过LCD组件，没有任何折射过程，不会导致“彩虹效应”、光晕现象的发生，现有的光学波导方案中，AR眼镜侧面或后面透入的杂散光很容易引起严重的显示问题，诸如“光晕、彩虹斑等”，例如：基于衍射这个物理过程本身对于角度和波长的选择性导致了色散问题的存在，衍射光学波导对同一色彩的衍射效率会随着入射角度的不同而浮动，这就导致在整个视场角(FOV)范围内红绿蓝三色光的分布比例会不同，即出现所谓的“彩虹效应”。
8.在AR效果方面，本实施例采用外界自然光分解的方式，最大可以实现自然景观与虚拟景观5:5的亮度显示效果，能够保障相互增强，而现有的光波导方案仅能够互相补充，但无法实现互相“增强”。
9.在制造工艺方面，本实施例的LCD方案在实现时，可以使用LCD组件同心圆列阵式排列的方式，只要使得每一组的向心倾斜角不同即可，工艺相对简单，比较容易实现产业化。而现有的光波导只有一部分角度的入射光能够在波导中传输，这便决定了AR眼镜最终的视场角范围与玻璃基地的折射率相关，越是大的视场角，就会需要越高折射率的玻璃基底来实现，导致其制作工艺难度增大，最终导致方案实现困难。
10.在电学性能方面，本实施例采用自然光源，不会产生光学波导、OLED或microLED方案中由于人工光源长时间使用带来的光源发热进而导致设备的问题。
11.在市场化方面，由于本实施例的技术方案在应用时同样具备轻薄、高透光率的良好性能，因此能够应用于AR眼镜等产品中，与现有的光波导方案一样，能够作为消费级AR眼镜的必选光学方案，但是目前的光波导方案光学效果不理想，还不足以支撑大众消费级的AR产品。
本实施例具体应用时，并不局限于上面所述的凹球面形式，可以是其他类型的曲面或者任意曲面，只要通过对每个LCD单元的液晶像素出射光线的角度进行设计，使得所有LCD单元的液晶像素出射光线向同一聚焦点聚焦并且该聚焦点位于曲面面板的垂直中心线上且落在用户的眼球内即可。
实施例2
结合图7至图13，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。
一种基于油膜像素的曲面近眼显示方法，利用若干透射型EW单元21构成电润湿曲面面板22，采用自然光1作为各EW单元21的光源，使所有EW单元21的油膜像素反射光线26向同一聚焦点聚焦，该聚焦点28位于电润湿曲面面板22的垂直中心线上且落在用户的眼球2内。
如图7所示，为上述技术方案的一种具体应用，在该应用中电润湿曲面面板22设计为凹球面，位于电润湿曲面面板22中心的EW单元定义为原点EW单元23，原点EW单元23所在平面定义为原点平面24，原点EW单元23的油膜像素反射光线与原点平面24夹角为90°，与电润湿曲面面板22的垂直中心线25的夹角为0°，沿电润湿曲面面板22中心向电润湿曲面面板边缘，各EW单元21的油膜像素反射光线26与原点平面24之间的夹角从90°逐减减小，各EW单元21所在平面27与原点平面24之间的夹角从0°逐渐增大，各EW单元的油膜像素反射光线26与其自身所在平面27的夹角为90°。在这种设计中，以电润湿曲面面板的中心作为圆心，每向外一圈，EW单元21的设置角度与原点EW单元23的设置角度的夹角逐渐增大，进而使得EW单元的油膜像素反射光线能够始终与原点EW单元23的油膜像素反射光线聚焦于位于电润湿曲面面板22垂直中心线上的焦点上(即逐渐改变每一圈EW单元的焦距)，从而从整体上看该曲面面板基本上是一个小弧度、小曲率、大面积的曲面(即图7中C所示的曲面)，但实际却达到了大弧度、大曲率、小面积的曲面(即图7中D所示的虚拟曲面)在近眼显示下的焦距效果，从而扩大了该曲面面板在近眼显示的有效视场角。此设计中，所有EW单元的尺寸以原点EW单元为中心，呈渐变式变化，各个EW单元的宽度相同，但长度沿电润湿曲面面板中心向电润湿曲面面板边缘方向逐渐增加，即以原点EW单元为中心，每向外一圈，EW单元的长度逐渐变大(即EW单元的周长逐渐变大)。
基于上述方法，构建一种基于油膜像素的曲面近眼显示器，包括前玻璃基板和后玻璃基板，前玻璃基板与后玻璃基板之间设有电润湿曲面面板，电润湿曲面面板包括若干相连接的反射型EW单元，自然光作为EW单元的光源，所有EW单元的油膜像素反射光线向同一聚焦点聚焦，聚焦点作为电润湿曲面面板的焦点且落在用户的眼球内，前玻璃基板与电润湿曲面面板之间、后玻璃基板与电润湿曲面面板之间填充有高透明密封树脂或高透明胶体。此技术方案中：前玻璃基板和后玻璃基板对电润湿曲面面板整体起保护作用，高透明密封树脂或高透明胶体保证光线进入的同时，对构成电润湿曲面面板的EW单元起到保护和固定作用。
其中：
1.若干相连接的EW单元可以呈阵列分布，只要能够形成所需的曲面面积即可(例如：一个眼镜型曲面近眼显示器的眼镜镜片面积)；
2.每个EW单元的构成与现有技术中的EW单元构成基本相同，区别仅在于，本发明中EW单元的光源是自然光，不需要提供人工光源。如图8和图9所示，分别展示了两种EW单元的构成结构，每个EW单元21包括相连接的彩色成像单元201和黑色成像单元202，彩色成像单元201沿自然光反射方向依次包括下透明电极2011、透明疏水材料2012、红黄蓝三色油膜2013、水2014和上透明电极2015，黑色成像单元202沿自然光反射方向依次包括下透明电极2021、透明疏水材料2022、黑色油膜2023、水2024和上透明电极2025。图8和图9的区别在于：在图8的示例中，彩色成像单元201与黑色成像单元202并排设置；在图9的示例中，彩色成像单元201与黑色成像单元202上下层叠设置。EW单元成像的原理属于现有技术，对其进行简单说明：如图10所示，当上透明电极2035和下透明电极2031被加电压时，油膜2033被推到一边，环境中的自然光1能够穿透下透明电极2031、透明疏水材料2032、水2034、上透明电极2035构成的EW单元；如图11所示，当上透明电极2035和下透明电极2031不加电压时，油膜2033整体覆盖，油膜2033反射像素显示色点，上述原理的详细内容在此不再赘述。
在上述基于油膜像素的曲面近眼显示器的基础上，如图12所示，构建一种基于电润湿像素的曲面近眼显示系统，包括基于油膜像素的曲面近眼显示器、收发信机、控制器和电源，收发信机用于接收图像信号，并将所述图像信号发送给控制器，控制器感测用户的瞳孔位置，并根据收发信机接收到的图像信号控制曲面近眼显示器的图像呈现，曲面近眼显示器用于呈现图像和观察实景，并将图像投射到用户的眼球内，电源(可采用电池)为系统供电。其中，控制器包括用于控制每个EW单元呈现色彩的第一控制单元、用于控制每个EW单元的油膜反射黑色程度的第二控制单元和用于控制电润湿画面呈现在曲面面板位置的第三控制单元。具体工作原理为：
如图13所示，
(1)第一控制单元通过对每个EW单元的彩色成像单元的电压控制进而实现对每个EW单元红黄蓝三色油膜(即彩色显示)的控制，从而实现对EW单元呈现彩色的控制；
(2)第二控制单元通过对每个EW单元的黑色成像单元的电压控制进而实现对每个EW单元黑色油膜的控制，进而实现对每个EW单元油膜反射黑色程度(即黑色显示)的单独控制，与第一控制单元配合，最终达到全色彩曲面近眼显示的效果(小弧度、小曲率、大视场角的效果)；
(3)第三控制单元则是控制哪些EW单元作为电润湿画面的呈现单元(即虚拟场景的观察)，哪些EW单元作为正常的透光单元(即实现现实场景的观察)，进而确定电润湿画面呈现在曲面面板的位置；
综上，第一控制单元和第二控制单元实现的是电润湿画面可以被用户的眼球观察到，第三控制单元则是为了实现虚拟与现实的叠加，即实现AR。
根据上述原理，如图7所示的方案中：当EW单元作为虚拟成像单元时，图7左侧的自然光线1作为入射光线入射到EW单元后经组成像素的彩色的油膜反射成像；当EW单元作为现实场景观察单元时，图7右侧的自然光线1作为入射光线透过EW单元的透明层(下透明电极2011、透明疏水材料2012、水2014、上透明电极2015)射进入人眼；当组成像素的彩色油膜成像时，呈现半透明状，正前方的自然光也可以通过透射彩色油膜到达眼底，半透明的彩色油膜呈现出反射和透射的双重功能。
从上述描述可以看出，本发明仅改变曲面像素成像时的焦距与曲面的距离，是近眼显示中扩大视场角的理想方式，同时由于本发明在改变像素成像时的出射光线角度时并未改变透明曲面的自然透光性，从而保障了虚拟信息与现实信息的共同存在，实现了较好的AR效果。
为了提高夜间的成像和实景观察效果，在每个EW单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜(当EW单元的彩色成像单元和黑色成像单元并排设置时，彩色成像单元和黑色成像单元的的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜；当EW单元的彩色成像单元和黑色成像单元上下层叠设置时，仅在黑色成像单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜)，以实现夜视补光效果。
从上述描述可以看出，本实施例的方案与现有的几种近眼显示方案相比：
1.在色彩显示方面，本实施例是基于反射原理实现的油膜像素成像，可以轻松实现任何色彩的渲染，包括阴影渲染，在呈现黑色或深色方面没有任何障碍，而现有的光学波导方案、OLED或microLED方案均采用人工光源透射，难以显示黑色或深色，因此阴影渲染很困难，而衍射光学波导方案则由于对角度和颜色具有高度的选择性，也会存在颜色显示的限制。
2.在使用场合方面，本实施例采用的是反射型EW单元，光源采用的是自然光源，对光源的要求低，适用范围广，能够在室外使用，并且由于本发明使用的是自然光源，其优点恰恰是室内可用，室外效果更理想，而现有的光学波导方案需要更多光线才能实现自然的亮度，因此还需要更强大的光源，在室外使用上，在现有的光波导近眼显示产品中，HoloLens和DAQRI Smart Glasses的亮度约为300尼特，而Magic Leap One亮度约为200尼特，其他大多数AR眼镜的亮度则仅适合在室内使用，在室外几乎无法用，OLED或microLED方案也同样存在无法在外界强光下使用的问题。
3.在视场角方面，本实施例的EW方案可以通过修改EW单元的光线反射角度(即EW像素反射角)，实现了扩大视场角的效果，接近人的自然视场角，而现有光学波导方案的FOV视场角缺陷明显，一般只能达到40°×40°的视场角，现有市场上的AR产品能达到的最大视场角为51°×51°，本实施例的视场角可以轻松实现120°×120°。
4.在色彩饱和度方面，本实施例基于EW反射成像原理，虚拟信息成像不受干扰，色彩饱和度优于任何一种投射或透射型显示器，室内弱光环境和室外强光环境均能实现优良的色彩饱和度，室外光和室内光表现一致。
5.在图像呈现方面，由于AR在光学传播过程中不仅会损失分辨率，还有可能造成图像扭曲，有些时候，甚至可以采用缩小视场角的方式来“掩盖”扭曲的观感，而本实施例的EW方案可以改变图像结构，实现负负得正的效果
6.在光学效率方面，本实施例在最差情况下的光学效率也能达到50％以上，而目前市面上大部分光波导AR设备的光学效率很差，甚至部分产品的光学效率仅为1％。
7.在光学干扰方面，本实施例在EW单元画面成像时，采用的是光反射设计，不存在光折射缺陷和杂散光干扰现象，杂散光在EW单元成像时呈现反射效果，是主要的反射光来源，是EW成像的主要光源之一(透射光也能帮助EW单元成像，形成半透明现象)。
8.在AR效果方面，本实施例采用外界自然光并列(现实场景的自然光反射与虚拟场景的自然光反射并列)的方式，最大可以实现自然景观与虚拟景观5:5的亮度显示效果，能够保障相互增强，而现有的光波导方案仅能够互相补充，但无法实现互相“增强”。
9.在制造工艺方面，本实施例的EW方案在实现时，可以使用EW组件同心圆列阵式排列的方式，只要使得每一组的向心倾斜角不同即可，工艺相对简单，比较容易实现产业化。而现有的光波导只有一部分角度的入射光能够在波导中传输，这便决定了AR眼镜最终的视场角范围与玻璃基地的折射率相关，越是大的视场角，就会需要越高折射率的玻璃基底来实现，导致其制作工艺难度增大，最终导致方案实现困难。
10.在电学性能方面，本实施例采用自然光源，不会产生光学波导、OLED或microLED方案中由于人工光源长时间使用带来的光源发热进而导致设备的问题。
11.在市场化方面，由于本实施例的技术方案在应用时同样具备轻薄、高透光率的良好性能，因此能够应用于AR眼镜等产品中，与现有的光波导方案一样，能够作为消费级AR眼镜的必选光学方案，但是目前的光波导方案光学效果不理想，还不足以支撑大众消费级的AR产品。
本实施例具体应用时，并不局限于上面所述的凹球面形式，可以是其他类型的曲面或者任意曲面，只要通过对每个EW单元的油膜像素反射光线的角度进行设计，使得所有EW单元的油膜像素反射光线向同一聚焦点聚焦并且该聚焦点位于曲面面板的垂直中心线上且落在用户的眼球内即可。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明仅改变曲面像素成像时的焦距与曲面的距离，是近眼显示中扩大视场角的理想方式，同时由于本发明在改变像素成像时的出射光线角度时并未改变透明曲面的自然透光性，从而保障了虚拟信息与现实信息的共同存在，实现了较好的AR效果。
2.采用自然光作为LCD单元或者EW单元的光源，能够同时满足室内、室外使用的需求。
3.接近人眼的视场角，可视空间较大。
4对颜色没有限制，各种颜色均可呈现。
5.没有额外的人工光源，不会带来长时间使用导致的光源发热问题。
6.没有折射组件，不受杂散光干扰。
7.可以与OLED背光膜组合形成优势互补结构，形成室外强光条件下的黑色渲染优势和室内及黑夜模式条件下的自有光源优势。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种基于像素的曲面近眼显示方法，其特征在于：利用若干透射型LCD单元构成液晶曲面面板，采用自然光作为LCD单元的光源，使所有LCD单元的液晶像素出射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点位于液晶曲面面板的垂直中心线上且落在用户的眼球内。
2.根据权利要求1所述的基于像素的曲面近眼显示方法，其特征在于：所述曲面为自由曲面。
3.根据权利要求1所述的基于像素的曲面近眼显示方法，其特征在于：所述液晶曲面面板呈凹球面，位于液晶曲面面板中心的LCD单元定义为原点LCD单元，所述原点LCD单元所在平面定义为原点平面，所述原点LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角为90°，与液晶曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿液晶曲面面板中心向液晶曲面面板边缘，各LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各LCD单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各LCD单元的液晶像素出射光线与其所在平面的夹角为90°。
4.一种基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：包括前玻璃基板和后玻璃基板，所述前玻璃基板与后玻璃基板之间设有液晶曲面面板，所述液晶曲面面板包括若干相连接的透射型LCD单元，自然光作为LCD单元的光源，所有LCD单元的液晶像素出射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点作为液晶曲面面板的焦点且落在用户的眼球内，所述前玻璃基板与液晶曲面面板之间、后玻璃基板与液晶曲面面板之间填充有高透明密封树脂或高透明胶体。
5.根据权利要求4所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述液晶曲面面板呈凹球面，位于液晶曲面面板中心的LCD单元定义为原点LCD单元，所述原点LCD单元所在平面定义为原点平面，所述原点LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角为90°，与液晶曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿液晶曲面面板中心向液晶曲面面板边缘，各LCD单元的液晶像素出射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各LCD单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各LCD单元的液晶像素出射光线与其所在平面的夹角为90°。
6.根据权利要求4所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：每个所述LCD单元沿自然光透射方向依次包括后基板、液晶层和前基板。
7.根据权利要求6所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述后基板依次包括第一偏光板、第一玻璃基板和第一透明导电膜。
8.根据权利要求6所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述液晶层依次包括第一定向膜、液晶和第二定向膜。
9.根据权利要求6所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述前基板依次包括第二透明导电膜、彩色滤光膜、第二玻璃基板和第二偏光板。
10.根据权利要求6所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述后基板背离液晶层的一侧设置有透明OLED背光膜。
11.一种基于像素的曲面近眼显示系统，其特征在于：包括如权利要求4-10任意一项所述的曲面近眼显示器、收发信机、控制器和电源，所述收发信机用于接收图像信号，并将所述图像信号发送给控制器，所述控制器感测用户的瞳孔位置，并根据收发信机接收到的图像信号控制曲面近眼显示器的图像呈现，所述曲面近眼显示器用于呈现图像和观察实景，并将图像投射到用户的眼球内，所述电源为系统供电。
12.根据权利要求11所述的基于像素的曲面近眼显示系统，其特征在于：所述控制器包括用于控制每个LCD单元呈现色彩的第一控制单元、用于控制每个LCD单元的液晶像素出射光线亮度的第二控制单元和用于控制液晶画面呈现在曲面面板位置的第三控制单元。
13.一种基于像素的曲面近眼显示方法，其特征在于：利用若干反射型EW单元构成电润湿曲面面板，采用自然光作为EW单元的光源，使所有EW单元的油膜像素反射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点位于电润湿曲面面板的垂直中心线上且落在用户的眼球内。
14.根据权利要求13所述的基于像素的曲面近眼显示方法，其特征在于：所述曲面为自由曲面。
15.根据权利要求13所述的基于像素的曲面近眼显示方法，其特征在于：所述电润湿曲面面板呈凹球面，位于电润湿曲面面板中心的EW单元定义为原点EW单元，所述原点EW单元所在平面定义为原点平面，所述原点EW单元的油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角为90°，与电润湿曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿电润湿曲面面板中心向电润湿曲面面板边缘，各EW单元的电油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各EW单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各EW单元的油膜像素反射光线与其所在平面的夹角为90°。
16.一种基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：包括前玻璃基板和后玻璃基板，所述前玻璃基板与后玻璃基板之间设有电润湿曲面面板，所述电润湿曲面面板包括若干相连接的透射型EW单元，自然光作为EW单元的光源，所有EW单元的油膜像素反射光线向同一聚焦点聚焦，所述聚焦点作为电润湿曲面面板的焦点且落在用户的眼球内，所述前玻璃基板与电润湿曲面面板之间、后玻璃基板与电润湿曲面面板之间填充有高透明密封树脂或高透明胶体。
17.根据权利要求16所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述电润湿曲面面板呈凹球面，位于电润湿曲面面板中心的EW单元定义为EW单元，所述原点EW单元所在平面定义为原点平面，所述EW单元的油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角为90°，与电润湿曲面面板的垂直中心线的夹角为0°，沿电润湿曲面面板中心向电润湿曲面面板边缘，各EW单元的油膜像素反射光线与原点平面之间的夹角从90°逐减减小，各EW单元所在平面与原点平面之间的夹角从0°逐渐增大，各EW单元的油膜像素反射光线与其所在平面的夹角为90°。
18.根据权利要求16所述的曲面近眼显示器，其特征在于：每个所述EW单元包括相连接的彩色成像单元和黑色成像单元，所述彩色成像单元沿自然光反射方向依次包括下透明电极、透明疏水材料、红黄蓝三色油膜、水和上透明电极，所述黑色成像单元沿自然光反射方向依次包括下透明电极、透明疏水材料、黑色油膜、水和上透明电极。
19.根据权利要求18所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述彩色成像单元与黑色成像单元并排设置。
20.根据权利要求19所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述彩色成像单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜，所述黑色成像单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜。
21.根据权利要求18所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述彩色成像单元与黑色成像单元上下层叠设置。
22.根据权利要求21所述的基于像素的曲面近眼显示器，其特征在于：所述黑色成像单元的下透明电极背离透明疏水材料的一侧设置有透明OLED背光膜。
23.一种基于像素的曲面近眼显示系统，其特征在于：包括如权利要求16-22任意一项所述的曲面近眼显示器、收发信机、控制器和电源，所述收发信机用于接收图像信号，并将所述图像信号发送给控制器，所述控制器感测用户的瞳孔位置，并根据收发信机接收到的图像信号控制曲面近眼显示器的图像呈现，所述曲面近眼显示器用于呈现图像和观察实景，并将图像投射到用户的眼球内，所述电源为系统供电。
24.根据权利要求23所述的基于像素的曲面近眼显示系统，其特征在于：所述控制器包括用于控制每个EW单元呈现色彩的第一控制单元、用于控制每个EW单元的油膜反射黑色程度的第二控制单元和用于控制电润湿画面呈现在曲面面板位置的第三控制单元。
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