CN205880368U - 一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备 - Google Patents

Abstract

一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，包括：头戴式壳体以及依次嵌装于壳体的驱动电路板、TFT液晶显示屏和用于放大视频图像的目镜，所述TFT液晶显示屏包括液晶显示模组和背光板，所述液晶显示模组和目镜位于同一光轴上，液晶显示模组包括都是由液晶层和薄膜晶体管构成的第一液晶屏幕和第二液晶屏幕，在两个所述液晶屏幕之间设有用于隔开的支架件；距离目镜较近的第一液晶屏幕显示形成第一虚拟像，第二液晶屏幕显示形成第二虚拟像，所述第一虚拟像的像距比第二虚拟像的像距短。本实用新型能够消除用户在使用过程中出现的头晕、恶心以及视觉疲劳等问题，呈现给用户一个更加真实、立体、景深体验的4D沉浸式虚拟现实场景。

Description

一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备

技术领域

本实用新型涉及虚拟现实显示设备领域，更具体的涉及一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备。

背景技术

计算设备，是指诸如个人电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等其他可以接入互联网的电子设备。随着计算设备的处理器芯片和传感器芯片发展的日新月异，人们对融合电子产品产生的信息和用户对物理世界感知的增强现实这两部分更加感兴趣，慢慢催生了一些基于融合技术的电子产品或设备的研发和技术演进。计算设备，尤其以可穿戴设备为代表的电子产品正越来越流行于现代生活的各个方面。

通过穿着感知位置、环境和生命体征的计算设备，用户增强了现实体验，我们把这样的计算设备称为“可穿戴”设备，可穿戴设备被用来测量和分析用户的所处位置、环境和生命体征，并且反馈用户信息和体验。可穿戴设备通过获取用户的地理位置、使用照相机和∕或光电传感器来检测用户视野内目标，使用麦克风和∕或传感器来检测用户正在听的和正在说的，以及使用各种其他传感器来收集关于用户周围环境的信息，来感测用户的周围。现在更多的应用是用集成生物传感器的可穿戴设备来实时检测用户的生命体征，然后分析采集到的数据以呈现给用户所检测到的结果。可穿戴设备产品形态非常丰富，其中包括一种用户佩戴的头戴式显示器（HMD）的可穿戴设备。HMD是一种通常固定在接近用户眼睛位置的微型显示器装置，因此HMD也被称为“近眼”显示器。HMD根据显示器数量分为单眼和双眼显示器。HMD通常在用户感知的物理世界上覆盖计算机产生的图形（例如，文本、图像、视频等）。

而目前传统的HMD的显示屏是单一固定的，也就是说物距是固定的，因此在用户观看图像的过程中人眼的聚焦是不会发生变化的，人眼很快就会感觉视觉疲劳，而显示内容的视差会让双眼的汇聚距离产生不断的变化，这种固定的显示聚焦距离和随时改变的双目汇聚距离，会造成这两种神经相连的运动强行分离，带来“焦距紊乱”或称“调节冲突（Vergence-accommodation conflict）”，导致大脑产生混乱。这些都不符合自然界人眼接收图像的规律，长时间就会引起恶心晕眩等症状。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备。

本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，包括：头戴式壳体以及依次嵌装于壳体的驱动电路板、TFT液晶显示屏和用于放大视频图像的目镜，所述TFT液晶显示屏包括液晶显示模组和背光板，所述液晶显示模组和目镜位于同一光轴上，液晶显示模组包括都是由液晶层和薄膜晶体管构成的第一液晶屏幕和第二液晶屏幕，在两个所述液晶屏幕之间设有用于隔开的支架件；

距离目镜较近的第一液晶屏幕显示形成第一虚拟像，第二液晶屏幕显示形成第二虚拟像，所述第一虚拟像的像距比第二虚拟像的像距短。

作为优选方案，所述第一液晶屏幕上依次设有彩色滤光片和第一偏光膜，第二液晶屏幕下依次设有第二偏光膜、第一扩散膜、增亮膜、第二扩散膜、导光板和反射膜。

作为优选方案，所述增亮膜设置有两层。

作为优选方案，所述目镜采用菲涅耳透镜。

作为优选方案，所述第一液晶屏幕和第二液晶屏幕采用时分交替式显示第一虚拟像和第二虚拟像。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：本实用新型提供了一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，可用于3D游戏、3D视频播放等领域应用。本实用新型所采用的显示屏包括双层液晶屏幕，而传统的显示屏只具有一层液晶屏幕，因此本实用新型能够消除用户在使用头戴式虚拟现实立体显示设备过程中出现的头晕、恶心以及视觉疲劳等问题，能够呈现给用户一个更加真实、立体、景深体验的4D沉浸式虚拟现实场景；同时本实用新型通过对小屏显示的图像进行多倍放大，实现了视频图像的清晰化和大视场角（fieldof view, FOV）的显示。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，其中：

图1为本实用新型较佳实施例的剖面结构示意图；

图2为本实用新型较佳实施例的TFT液晶显示屏结构示意图；

图3为本实用新型较佳实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

请参见图1和图2，本实用新型较佳实施例中设计的一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，其具体包括：壳体10以及依次固定嵌装在壳体10上的驱动电路板50、TFT液晶显示屏和目镜20，壳体10能够穿戴在用户的头上，目镜20采用菲涅耳透镜，用于放大视频图像，目镜20正对着用户的眼睛，TFT液晶显示屏用于显示视频图像，TFT液晶显示屏主要由液晶显示模组30和背光板40所构成，液晶显示模组30和目镜20位于同一光轴上。

本实用新型的液晶显示模组30的结构区别于传统显示模组结构，其采用双层液晶屏幕结构，具体地，液晶显示模组30从上到下依次包括：第一偏光膜301、彩色滤光片302、第一液晶层303、第一薄膜晶体管（TFT）304、第二液晶层305、第二薄膜晶体管（TFT）306、第二偏光膜307、第一扩散膜308、两层增亮膜309、第二扩散膜310、导光板311和反射膜312，第一液晶层303和第一薄膜晶体管304构成了第一液晶屏幕31，第二液晶层305和第二薄膜晶体管306构成了第二液晶屏幕32，在第一液晶屏幕31和第二液晶屏幕32之间设置有支架件33，支架件33的作用是相隔开两个液晶屏幕，使得两个液晶屏幕之间留有一定间距。TFT液晶显示屏的工作原理：由驱动电路板50驱动两个液晶屏幕工作，向两个液晶屏幕同时输出经过处理的不同的图像或视频，背光板40用于点亮两个液晶屏幕，使其成像。

当我们在看一个现实世界中的物体时，眼睛会产生两种自然调节机制：

（1）聚焦。眼睛的晶状体是一个双凸面透明组织，它会调节屈光度使看远或看近时眼球聚光的焦点都能准确地落在视网膜上，这时物体距离晶状体的距离成为聚焦距离。

（2）汇聚。在每只眼睛聚焦的同时，两只眼球还会通过旋转运动向同一目标物接收图像，两眼视线的交点到眼球的晶状体的距离称为汇聚距离。

在人眼看真实物体的时候，聚焦和汇聚的距离总是相等的。

请参见图3，由于两个液晶屏幕和目镜20的距离有所不同，故在人眼中呈现的图像就会产生一定的视觉差距，也就是使人认为较近的第一液晶屏幕31上的图像距离自己较近，较远的第二液晶屏幕32上的图像距离自己较远。两个液晶屏幕在人眼中呈现的画面物体之间就会产生一定的距离差异，我们称为景深，也就是使人眼能看出图像中的物体距离自己有远近之分，眼睛在观看图像的过程中，眼睛的焦距就会根据所关注的图像中不同物体而进行相应的调节改变，所以用此立体显示设备观看视频图像会感觉非常舒适，不宜疲劳。

两个液晶屏幕显示的内容是经过电脑或高性能图像处理器处理过的图像或视频，采用左右格式（side by side）的3D图像内容。距离目镜20较近的第一液晶屏幕31显示图像中近处的物体是聚焦和清晰的，远处的物体是模糊和暗淡的，形成第一虚拟像60；而较远的第二液晶屏幕32显示图像中远处的物体是聚焦和清晰的，近处的物体是模糊和暗淡的，形成第二虚拟像70。由于两个液晶屏幕和目镜20之间的物距不同，两个液晶屏幕显示的像距也相距较大，所以用户在观看视频图像时，第一虚拟像60的像距比第二虚拟像70的像距短，因此为了看清不同远近的物体，人眼就会自动调节屈光度来适应，所以用户在用此设备观看视频图像时，聚焦和汇聚的距离总是相对应的，不容易发生视觉疲劳等不良症状。

当背光板40被驱动点亮后，第一液晶屏幕31和第二液晶屏幕32可以采用时分的方式进行工作，即在奇数时刻，第一液晶屏幕31显示图像，第二液晶屏幕32状态是全透，把第一液晶屏幕31的图像透过；在偶数时刻，第一液晶屏幕31状态是全透，点亮第二液晶屏幕32，第二液晶屏幕32显示图像，根据人眼的视觉暂留特性，奇数时刻和偶数时刻显示的内容可以完全叠加在一起，形成一个具有景深的4D光场显示效果，而当两个液晶屏幕的刷新频率达到60帧∕秒（fps）、90帧∕秒甚至120帧∕秒时，未来甚至可以达到120帧∕秒以上，这样显示的图像就不会出现卡顿和余晖现象。

本实用新型的显示屏结构方案可以用于微显示器的产品设计，其中TFT液晶显示屏也可根据需要选用其他具有可设计成双显示屏幕的显示屏，包括但不限于：液晶附硅，也称为硅基液晶（LCoS）显示装置；液晶显示（LCD）面板等。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，包括：头戴式壳体（10）以及依次嵌装于壳体的驱动电路板（50）、TFT液晶显示屏和用于放大视频图像的目镜（20），所述TFT液晶显示屏包括液晶显示模组（30）和背光板（40），其特征在于，所述液晶显示模组和目镜位于同一光轴上，液晶显示模组包括都是由液晶层和薄膜晶体管构成的第一液晶屏幕（31）和第二液晶屏幕（32），在两个所述液晶屏幕之间设有用于隔开的支架件（33）；

距离目镜较近的第一液晶屏幕显示形成第一虚拟像（60），第二液晶屏幕显示形成第二虚拟像（70），所述第一虚拟像的像距比第二虚拟像的像距短。

2.根据权利要求1所述的基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，其特征在于，所述第一液晶屏幕（31）上依次设有彩色滤光片（302）和第一偏光膜（301），第二液晶屏幕（32）下依次设有第二偏光膜（307）、第一扩散膜（308）、增亮膜（309）、第二扩散膜（310）、导光板（311）和反射膜（312）。

3.根据权利要求2所述的基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，其特征在于，所述增亮膜（309）设置有两层。

4.根据权利要求1所述的基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，其特征在于，所述目镜（20）采用菲涅耳透镜。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于光场成像的头戴式虚拟现实立体显示设备，其特征在于，所述第一液晶屏幕（31）和第二液晶屏幕（32）采用时分交替式显示第一虚拟像（60）和第二虚拟像（70）。