CN117784450A

CN117784450A - 基于相变材料的虚拟现实显示装置

Info

Publication number: CN117784450A
Application number: CN202311844323.4A
Authority: CN
Inventors: 童浩; 周启沛; 谭青山; 汪宾浩; 缪向水
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2023-12-27
Filing date: 2023-12-27
Publication date: 2024-03-29

Abstract

本发明涉及一种基于相变材料的虚拟现实显示装置，具有高分辨率、大色域和高帧率的特性，能够提供更为真实和生动的虚拟现实体验。该显示技术主要由背光源发光组件、量子点激发层、全介质相变滤光结构、光学透镜、反射镜和装备外罩等组成。背光源发光组件包括一个LED激发光源和一个扩散板，用于产生和分散光线。该基于相变材料的虚拟现实显示技术还有着广泛的应用前景。除了可以应用于虚拟现实设备如VR头盔外，还可以用于增强现实设备如AR眼镜。在具体实施时，可以根据实际需求进行设计和调整，以提供最佳的用户体验。

Description

基于相变材料的虚拟现实显示装置

技术领域

本发明属于相变材料技术领域，更具体的，一种基于相变材料的虚拟现实显示装置。

背景技术

虚拟现实(VR)技术作为一种全新的交互式体验方式，已经在娱乐、教育、培训等领域取得了显著的发展和应用。虚拟现实显示装置在这一过程中扮演了关键角色，其显示性能对用户体验的真实感和舒适度产生了重要影响。然而，传统虚拟现实显示装置在分辨率、切换速度和色域等方面面临挑战，为了克服这些限制，基于相变材料的虚拟现实显示装置应运而生。

传统虚拟现实显示装置包括液晶显示、有机发光二极管(OLED)等，虽然已经取得了一定的进展，但仍然存在分辨率不足、切换速度慢以及色域小等问题。这些问题导致用户在虚拟现实环境中可能会遭遇图像模糊、动态感不足和色彩失真等现象，降低了虚拟现实体验的真实感和吸引力。

基于相变材料的虚拟现实显示装置为解决传统技术的局限性提供了全新的途径。相变材料是一类能够在温度、电场、光照等外界刺激下发生相态变化的材料。在虚拟现实显示中，相变材料的引入将显著改善分辨率、切换速度和色域等关键性能指标。

相变材料直接应用在VR中会存在透过率不高、滤光效果在实际过程中杂光严重等问题。

基于相变材料的虚拟现实显示装置的兴起为虚拟现实领域带来了新的突破。相变材料的高分辨率、快速切换和广色域等特点，为用户创造了更加逼真、流畅和生动的虚拟现实体验。随着技术的不断发展和创新，基于相变材料的虚拟现实显示装置有望进一步完善，并为虚拟现实应用领域带来更多可能性。

发明内容：

本发明涉及一种基于相变材料的虚拟现实显示装置。该显示装置包含多个关键组件，包括背光源发光组件、量子点激发层、增透层、全介质相变滤光结构、光学透镜、装备外罩。

背光源发光组件包括LED激发光源和扩散板，扩散板位于LED激发光源之上，用于均匀分散光源。LED激发光源的波长为420nm，可根据实际需求进行调整。扩散板通常由聚碳酸酯(PC)或丙烯酸(PMMA)制成，其尺寸与LED激发光源大小相匹配。

量子点激发层位于背光源上方，用于接收并激发背光源产生的背景光。量子点激发层包含像素化的红色和绿色量子点，这些量子点以嵌入式的方式有序排列，以实现精确的色彩控制。

全介质相变滤光结构位于量子点激发层上方，包括上介质多层膜膜系、相变中间腔层和下介质多层膜膜系。这些结构被设计为过滤出特定波长的光。其中，介质多层膜膜系的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数(X≥1)，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。高折射率介质材料可以为TiO2、ZnO、ZnS，低折射率材料可以为SiO2、Al2O3、MgF2。

相变中间腔层由三层构成，包括上层的透明电极层、中间的相变层和下层的透明电极层。相变材料层可以选择GST、Sb2S3、GSST、IST、GeTe、SbTe、BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe或AgSbTe中的一种。当相变材料层在晶态和非晶态之间相互转化时，其折射率n和消光系数k也随之变化。

光学透镜位于相变滤光层后方，用于聚焦处理后的光。可以选择可变焦透镜，以根据用户需求调整聚焦距离。

装备外罩覆盖在反射镜上方，用于保护上述组件并提供人机交互界面。外罩上设有触摸感应层，用户可以通过触摸感应层与虚拟现实显示装置进行交互操作。

本发明引入的全介质滤光结构与全介质中间腔可以很好的解决相变显示在VR应用过程中的这些问题。

本发明的虚拟现实显示装置可提供高分辨率、高对比度、高色彩还原度的显示效果，同时可以通过相变滤光结构实现快速、精确的光学调制。此外，该技术通过光学透镜和反射镜的设计，可以实现宽视角和大深度范围的虚拟现实显示，提升用户体验。而触摸感应层的设计，使得用户可以直接与显示设备进行互动，提高了设备的操作便利性。

此发明的实施例包括但不限于VR头盔、AR眼镜、HUD显示器等虚拟现实和增强现实设备。

附图说明：

图1是本发明的多层膜结构示意图；

图2、是本发明下介质多层膜膜系结构示意图；

图3是本发明上介质多层膜膜系结构示意图；

图4是本发明中间腔层结构示意图；

图5是本发明单个像素结构示意图；

图6是基于全介质相变材料的背光源显示器件的蓝光透射光谱；

图7是基于全介质相变材料的背光源显示器件的绿光透射光谱；

图8是基于全介质相变材料的背光源显示器件的红光透射光谱；

图9是VR眼镜内部结构分布示意图；

附图标记：101、吸收层，102、上介质多层膜，103、相变中间腔层，104、下介质多层膜，105、增透膜，106、像素化量子点薄膜，107、LED激发光源，108、背光源，109、全介质相变滤光结构，201、高折射率薄膜层，202、低折射率薄膜层，203、高折射率薄膜层，301、高折射率薄膜层，302、低折射率薄膜层，303、高折射率薄膜层，401、透明电极层，402、相变材料层，403、透明电极层，501，吸收层，502、上介质多层膜，503、相变中间腔层，504、下介质多层膜，505、增透膜，506、像素化量子点薄膜，507、LED激发光源，508、红色子像素，509、绿色子像素，510、蓝色子像素，901、装备外罩，902、背光源，903、增透层，904、相变滤光结构、905、吸收层，906、光学透镜。

具体实施方案：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明旨在提供一种基于相变材料的虚拟现实显示装置，其发光效率高，滤光组件透过率高、响应速度快，显示色域大，色彩还原能力强等。

该显示器件由多个显示单元组成显示阵列，如图1所示，所述显示单元包括像素化背光源发光组件108、增透层105、全介质相变滤光结构109和金属吸收层101，所述背光源发光组件108包括LED激发光源107和像素化量子点薄膜106，所述增透层105是由膜层厚度为四分之一选择波长的光学厚度的低折射率薄膜组成，用于提高透过率，同时也大大减少光在元件之间的连续反射的能量，提高像的清晰度，所述全介质相变滤光结构109包括上介质多层膜膜系102、相变中间腔层103、下介质多层膜膜系104。

金属吸收层的主要作用是吸收并阻挡特定波长范围内的光线，以实现对光线的选择性滤波。金属吸收层通常由一种或多种金属组成，如铝、铬、银、金等。这些金属具有特定的光学特性，能够吸收某个特定波长范围内的光线。其次，金属吸收层也可以用于防止背景光或者散射光的干扰，提高系统的信噪比。例如，在本申请中，金属吸收层可以提高显示的对比度和清晰度。

如图2所示，是本发明下全介质滤光结构示意图；下全介质滤光结构的结构为H(LH)^x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数(X≥1)，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。下全介质滤光结构的最下面3层为高折射率低消光系数薄膜层201、低折射率低消光系数薄膜层202、高折射率低消光系数薄膜层203。

如图3所示，是本发明上全介质滤光结构示意图；上全介质滤光结构为H(LH)^x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数(X≥1)，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。上全介质滤光结构的最上面3层为高折射率低消光系数薄膜层301、低折射率低消光系数薄膜层302、高折射率低消光系数薄膜层303。

相变中间腔层103中夹着相变材料层402的两层透明电极层401、403可以通过施加电压来控制相变材料的晶化状态，具体的，对相变材料层402施加一个强度中等的脉冲电压或者激光脉冲，相变材料在电流或者激光脉冲的作用下温度升高到结晶温度以上，熔化温度以下的温度区间，并保持一定的时间，晶格此时有序排列形成晶态，实现由非晶向晶态的转变；对相变材料施加一个短而强的电压或者激光脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度以上，使晶态的长程有序遭到破坏，脉冲下降沿非常短导致相变材料经快速冷却至结晶温度以下，使相变材料固定于非晶态，实现由晶态向非晶态转变，通过相变材料层402的相变材料在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。

全介质中间腔是在多层膜滤光结构的中间，厚度为二分之一光学厚度，作用是为了滤掉相变材料引入而造成的杂光。

增透层105的作用是为了解决由于界面反射导致的透射光能量弱的问题，经过增透膜增透处理的透射光不仅可以提高透射率，同时也大大减少光在元件之间连续反射的能量，提供高的清晰度，增透层105的材料可以包括以下低折射率材料，包括但不限于：SiO2、Al2O3、In2O3、MgF2。增透膜在滤光结构的入射光外侧，厚度一般是四分之一光学厚度，作用是增强透射光的强度。

相变材料层402的相变材料可以包括下列硫系化合物及其合金，包括但不限于：GST、GSST、IST、GeTe、SbTe、BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe、AgSbTe、Ag₂In₄Sb₇₆Te₁₇(AIST)，此外，上述各化学式中的原子百分比可变。相变材料层可进一步包含至少一种掺杂剂，如C、N。优选地，相变材料选择Sb₂Te₃，相同厚度下Sb₂Te₃在相变前后发生的透射率变化最大，且Sb₂Te₃的相变温度较低，转变所需要的电压或激光的幅值低，脉宽窄，便于降低整个器件的能耗及提高相变材料的响应速度，从而提升显示器件的图像刷新率，展现出更好的动画显示效果。

相变材料层402的厚度少于100nm，由于相变材料层的厚度的增加会使得可见光的透过率降低，且相变材料晶化所需的温度也越高，较合适的厚度是30nm，厚度较低时虽然有较大的透射变化率，但即使在晶化状态依然有较高的透过率，所以不利于显示器件的全黑显示。相变材料层的相变材料可以用激光驱动，也可以用电压驱动，电压驱动时，相变材料层402两边的透明电极层401、403施加电压使相变材料发生相变。

多个相变显示单元阵列排列可以组合成显示单元，每个显示单元相当于一个显示子像素，背光源发出的复色光经过全介质相变组件之后可以选择性的透过红光、绿光和蓝光，透过红色的相变单元可以看作红色子像素508，透过绿光的相变单元可以看作绿色子像素509，透过蓝光的相变单元可以看作蓝色子像素510，从而可以基于RGB这三种单色光的组合来显示各种颜色，各个相变单元透过的单色光都可以通过电刺激或激光刺激来单独控制。

如图5所示，是本发明全介质相变材料的背光显示器件像素结构示意图，像素结构包括发光单元、增透层505、全介质相变滤波组件和吸收层501。其中，发光单元包括量子点薄膜506和LED激发光源507；全介质相变滤波组件包括上全介质滤光结构502、相变中间腔层503、下全介质滤光结构504。

该相变滤光组件109的相变中间腔层103在不同状态下透过率相差很大，相变材料在晶态和非晶态状态下是稳定的，所以相变材料在稳定状态下时可以移除电压或激光，所以整个显示器件在显示过程中的功耗很低。

该相变滤光组件109的在晶态和非晶态之间转换时其速度很快，即单个像素在由暗转亮或由亮转暗所需要的时间很短，大约在100ns以下，完全满足各种场景下对显示器响应速度的要求。

图6、图7、图8为该显示器件的各个颜色的透射光谱，经过对结构的优化，图6、图7、图8展示了三种滤光结构在相变材料晶化和非晶化的状态下的透射光谱，对于红色滤光结构来说，其中心波长为645nm，如图8，中心波长为646nm的红色光的非晶化状态下透射率为40％以上，晶化状态下的透射率为8％，对于绿色滤光结构来说，其中心波长为530nm，如图7，中心波长为530nm的红色光的非晶化状态下透射率为35％以上，晶化状态下的透射率为6％，对于蓝色滤光结构来说，其中心波长为430nm，如图6，中心波长为430nm的红色光的非晶化状态下透射率为30％以上，晶化状态下的透射率为6％。通过施加不同的电压，或者调整激光功率，使相变材料层由非晶态到部分晶化到完全晶化，以使设定波长的单色光可穿过相变材料层而其它波长的光无法穿过相变材料层，以及选择透过的单色光的强度。比如20％晶化，40％晶化等可以得到混合相，部分晶化可以简单的通过在转换过程中限制电流的最大值或者激光功率来实现。完全非晶和完全晶化间的材料的透射率取决于部分晶化的程度。典型地可以得到16和64个混合相之间的相态，并且在合适的控制下可以得到更多的相，如1024个。因此，显示器件通过控制电压，改变相变滤波器的透射率，进而调整各红、绿、蓝单色光的强度的不同配比，最终实现全色彩显示。

如图9所示，是本发明VR装置内部结构示意图，VR装置包括装备外罩901、背光源902、增透层903、相变滤光结构904、吸收层905和光学透镜906。我们将组装好的显示装置嵌入到AR眼镜的设计中，使其能够提供虚拟现实的视觉体验。AR眼镜的框架设计应考虑到用户的舒适性和穿戴便利性，而镜片部分则应透明，以便用户可以通过镜片看到现实世界。

此外，我们在眼镜的侧面添加了触摸感应层，用户可以通过触摸感应层进行操作，例如调整显示内容的大小、位置和透明度等。

通过以上的实施例，我们可以看到这种基于相变材料的虚拟现实显示装置不仅可以提供高质量的视觉体验，而且还可以广泛应用于各种设备，包括VR头盔、AR眼镜等，从而大大提升用户的体验。

为本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于相变材料的虚拟现实显示装置，其特征在于，所述装置包括从下到上依次包括：背光源、像素化增透层、全介质相变滤光结构、金属吸收层和光学透镜；

所述全介质相变滤光结构位于所述像素化增透膜的上方，包括上全介质多层膜、相变中间腔层、下全介质多层膜，用于过滤出符合VR显示的特定波长的光，提供更高的色彩准确性；

所述光学透镜，位于相变滤光层后方，用于聚焦处理后的光；

所述装备外罩，覆盖在反射镜上方，用于保护上述组件并提供人机交互界面。

2.根据权利要求1所述显示装置，其特征在于：所述装置还包括量子点激发层，所述量子点激发层位于所述背光源上方、所述像素化增透层的下方，用于接收并激发所述背光源产生的背景光。

3.根据权利要求1所述显示装置，其特征在于：所述背光源包括LED激发光源和扩散板，所述的扩散板在所述LED激发光源之上。

4.根据权利要求1所述显示装置，其特征在于：所述全介质相变滤光结构还包括全介质中间腔，所述的全介质中间腔分布在所述相变中间腔的上侧和/或下侧，厚度为所透射光的二分之一光学厚度，以减少相变滤光结构带来的旁通带多、杂光多的问题，同时还可以提高滤光结构的透射率。

5.根据权利要求3所述显示装置，其特征在于：所述LED激发光源波长为420nm，这一波长可为VR设备提供更高的能量效率和更长的使用寿命。

6.根据权利要求3所述显示装置，其特征在于：所述扩散板材料一般为聚碳酸酯或丙烯酸，其尺寸与所述LED激发光源大小相匹配。

7.根据权利要求2所述显示装置，其特征在于：所述量子点激发层分别有像素化红色量子点、像素化绿色量子点和像素化蓝色量子点，其中，所述像素化红色量子点、所述像素化绿色量子点和所述像素化蓝色量子点在所述量子点激发层中以嵌入式的方式有序的排列分布，以实现精确的色彩控制。

8.根据权利要求1所述显示装置，其特征在于：所述上介质多层膜和所述下介质多层膜的结构为H(LH)^x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数，X≥1，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。

9.根据权利要求1所述显示装置，其特征在于：所述相变中间腔层包括上层的透明电极层、中间的相变材料层和下层的透明电极层。

10.根据权利要求1所述显示装置，其特征在于：所述光学透镜为可变焦透镜，能够根据用户需求调整聚焦距离；所述装备外罩上设有触摸感应层，用于实现用户与所述显示装置的交互操作；所述显示装置适用于头戴式虚拟现实设备、眼镜式虚拟现实设备。