CN109541807B - 增强现实立体显示装置及显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强现实立体显示装置，包括：壳体；微显示器、液体透镜和一面镀有分光膜的分光平板设置在壳体上，微显示器用于显示二维图像；液体透镜用于将微显示器显示的图像放大并成像在一定距离处；以及分光平板镀有分光膜的一面靠近人眼；镀有分光膜的一面与液体透镜光轴不平行，用于将来自微显示器并经过液体透镜的光线反射至人眼，同时，真实的环境的景象透过分光平板的投射入人眼，使得虚拟景象与真实的环境的景象相叠加。本发明提供的增强现实立体显示装置可实现光学透视式的增强现实显示；改进了立体场景的显示方式进行，可以实现立体场景的清晰显示。本发明还公开了一种增强现实立体显示装置的显示方法。
Description
技术领域
本发明涉及光学显示技术领域，特别涉及一种增强现实立体显示装置及显示方法。
背景技术
增强现实技术(Augmented Reality,AR)是将真实世界与虚拟显示结合起来的技术，可将虚拟信息叠加在真实世界，在各行各业有广泛的应用。目前用于增强现实的头戴式显示设备在显示图像时，单目仅能进行二维显示，进行立体显示时需要采用双目显示有一定视差的图像来实现，但是这种立体显示的实现方式会导致人眼的双目辐辏冲突，长时间佩戴易导致头晕等不适感。
虽然美国Magic Leap公司近期发布的产品Magic Leap One单目可以显示距离人眼两个距离的像面https://www.ifixit.com/Teardown/Magic+Leap+One+Teardown/112245)，但是存在显示深度数量少、显示深度不连续的问题；也有公司采用液体透镜来实现单目立体显示(专利号为CN201610770922-真三维全息显示头戴式可视设备)，因为这种显示方式液体透镜位于人眼前面，会导致人所看到真实世界的物体变形，无法实现光学穿透式的增强现实显示，且立体场景的深度图像分割方式无法实现清晰的三维显示。
因此，仍然需要对可实现单目立体显示的增强现实显示设备进行研发，以便为使用者提供更为逼真、舒适的体验。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种增强现实立体显示装置，通过将包含深度信息的深度图像按不同深度转化为多个二维图像并成像在与深度相对应的距离处，可实现单目的立体显示，使显示的内容更为接近真实世界的场景，且长时间佩戴也不会导致头晕等不适感，有效提高用户体验。
本发明还有一个目的是提供一种增强现实立体显示装置的显示方法，即将包含深度信息的深度图像转化为多个二维图像，并将转化而来的二维图像成像在与深度对应的距离的实现方法，从而实现单目立体显示的功能。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种增强现实立体显示装置，包括：壳体，用于支持、固定其他部分；微显示器，其设置在所述壳体上，用于显示二维图像；液体透镜，其设置在所述壳体上，用于将微显示器显示的二维图像放大并成像在一定距离处，且所述液体透镜的光轴垂直于或经反射转折后垂直于所述微显示器显示区域；以及设置在壳体上一面镀有分光膜的分光平板，且有分光膜的一侧靠近人眼；所述分光平板镀有分光膜的表面与液体透镜光轴不平行，用于将来自微显示器并经过液体透镜的光线反射至人眼，使人看到经过液体透镜放大并成像在一定距离的微显示器显示的二维图像，同时分光平板的分光膜具有一定的透过率，人也可以透过平板看到真实的环境；
其中，微显示器发出的光线经过液体透镜的折射、分光平板的反射后进入人眼，因此人可以看到一个由微显示器显示、经液体透镜放大并成像在一定距离的虚像；同时分光平板的分光膜具有一定的透过率，人也可以透过平板看到真实的环境，因此达到了虚拟图像和真实环境的叠加的目的，实现了增强现实；
优选的是，还包括：光学组件，其设置在所述分光平板和所述微显示器之间，用于辅助液体透镜对微显示器显示的二维图像进行放大并成像在一定距离；
优选的是，所述光学组件包括光学透镜、反射镜、棱镜中的一种或两种以上的组合。
优选的是，所述微显示器为硅基液晶微显示器、有机发光二极管微显示器、液晶微显示器或发光二极管微显示器或其他微显示器。
优选的是，所述液体透镜为电湿润式液体透镜，介电式液体透镜或液体充填式液态透镜。
优选的是，分光平板为玻璃材质或光学塑料材质。
所述壳体为眼镜架，所述眼镜架还包括：镜框，其包括分体式设置的第一固定件和第二固定件，第一固定件和第二固定件分别扣设在所述分光平板的对应的两个第一边沿上，且第一固定件位于第二固定件的上方；其中，第一固定件还包括：第一凹槽，其开设在所述第一固定件的侧壁上，用于扣设在一个第一边沿上；齿条，其设置在第一凹槽的底部，且齿条的轴向与第一个固定件的轴向垂直；齿轮，其设置在第一凹槽内，所述齿轮与所述齿条啮合，所述齿轮的齿轮轴经第一固定件的一端的长条形贯通孔可自转的延伸出第一固定件，其中，长条形贯通孔的长度与齿条的长度相适应，且长条形贯通孔的内侧壁上设置有橡胶垫，橡胶垫与齿轮轴相抵触；套环，其设置在第一凹槽内，且套环可旋转的套设在所述齿轮轴上；
第一支撑柱，其一端固定在所述套环上，另一端固定至第一固定件所扣设的第一边沿上；第二固定件包括：第二凹槽，其开设在第二固定件的侧壁上，用于扣设在另一个第一边沿上，且所述第二凹槽的横截面为近圆形；旋转支撑件，其为一圆柱形结构，所述旋转支撑件可旋转的嵌入式设置在第二凹槽内；第二支撑柱，其一端自第二凹槽的开口延伸并固定在所述旋转支撑件的侧壁上，另一端固定至第二固定件所扣设的另一个第一边沿上；一对镜腿，其分设在镜框的两端，其中，任一镜腿的前端分支成主镜腿和分镜腿，主镜腿前端可拆卸的固定至第一固定件的一端，分镜腿的前端可拆卸的固定至第二固定件的一端；以及一对镜托，其设置在第二固定件的外侧壁的中部。
一种增强现实立体显示装置的显示方法，包括以下步骤：
步骤一、将包含深度信息的深度图像(由计算机生成或雷达、激光雷达等设备探测获得)按照不同的深度进行分割，从而将一个包含大深度范围的深度图像分割为多个包含不同深度范围的层深度图像(具体分割功能实现可通过编写相应程序实现，不在本专利涵盖范围)。
步骤二、将各层深度图像投影成二维图像(具体投影功能实现可通过编写相应程序实现，不在本专利涵盖范围)。
步骤三、在微显示器连续显示步骤二中生成的二维图像，每张二维图像显示的时间相等，以所有二维图像均显示一次为一周期，显示次序不限，一个周期的时长不得大于视觉暂留时间，最好不大于1/24秒；在显示一副二维图像的同时，根据对应层深度图像的深度范围，调节液体透镜的电压，改变其光焦度，从而将该二维图像成像在与深度范围对应的距离范围内。
本发明的目的是提出一个可实现单目立体显示功能的显示装置，与之配套的电路、硬件、软件不在本发明的涵盖范围之内。
综上，由于在人眼视觉暂留时间内将不同深度范围的深度图像显示在了不同的距离上，对于人的视觉感受来说，等效于同时看到了各个位于不同距离的二维图像，每个二维图像是显示与距离对应深度范围内的图像，会有较为强烈的立体感，使显示的内容(物体)更为接近真实世界的场景；可以实现立体场景的清晰显示，同时可以透过分光平板看到外界真实的场景，从而实现了增强显示立体显示。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1根据本发明一个实施例中所述的增强现实立体显示装置的剖面结构示意图；
图2根据本发明第二个实施例中所述的增强现实立体显示装置的剖面结构示意图；
图3根据本发明第三个实施例中所述的增强现实立体显示装置的剖面结构示意图；
图4根据本发明 第四个实施例中所述的眼镜架的侧向透视结构示意图；
图5根据本发明 所述的增强现实立体显示装置的显示方法实施实例示意图；
图6人的视觉效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供一种增强现实立体显示装置，包括：壳体11，用于固定连接其他各部分；微显示器12，其设置在所述壳体11上，用于显示二维图像；液体透镜13，用于将微显示器显示的二维图像依据光学系统成像的高斯公式放大并成像在一定距离处，具体原理如下：
由光学系统成像的高斯公式：
1/像距-1/物距＝1/焦距
推导可得：
像距＝(物距*焦距)/(物距+焦距)
在该发明中，通过液体透镜对微显示器的成像面进行成像，二者的距离固定，因此物距基本为定值，因此通过改变施加在液体透镜上的电压进而调节液体透镜的焦距可以改变像距，且所述液体透镜的光轴垂直于或经反射转折后垂直于所述微显示器显示区域；以及设置在壳体上一面镀有分光膜的分光平板，且有分光膜的一侧靠近人眼；该分光平板镀有分光膜的表面与液体透镜光轴不平行，用于将来自微显示器并经过液体透镜的光线反射至人眼，使人看到经过液体透镜放大并成像在一定距离的微显示器显示的二维图像，同时分光平板的分光膜具有一定的透过率，人也可以透过平板看到真实的环境；其中，微显示器发出的光线经过液体透镜的折射、分光平板的反射后进入人眼，因此人可以看到一个由微显示器显示、经液体透镜放大并成像在一定距离的虚像；同时分光平板的分光膜具有一定的透过率，人也可以透过平板看到真实的环境，因此达到了虚拟图像和真实环境的叠加的目的，实现了增强现实；
综上，由于在人眼视觉暂留时间内将不同深度范围的深度图像显示在了不同的距离上，对于人的视觉感受来说，等效于同时看到了各个位于不同距离的二维图像，每个二维图像是显示与距离对应深度范围内的图像，会有较为强烈的立体感，使显示的内容(物体)更为接近真实世界的场景；可以实现立体场景的清晰显示，同时可以透过分光平板看到外界真实的场景，从而实现了增强现实立体显示。
一个优选方案中，如图2所示，还可包括：光学元件21，可以是光学透镜、反射镜等有光焦度的光学元件，数量不限，种类不限，与液体透镜一起构成成像光学系统，此时，通过改变施加在液体透镜上的电压进而调节液体透镜的焦距，从而成像光学系统的焦距改变，因此成像距离改变。
一个优选方案中，所用微显示器12为LCOS器件时，如图3所示，还可包括偏振分光棱镜31、照明光源32，用于辅助LCOS微显示器实现显示功能。
一个优选方案中，如图4所示，所述眼镜架包括：镜框，其包括分体式设置的第一固定件221和第二固定件212 ，第一固定件和第二固定件分别扣设在所述透明平板的对应的两个第一边沿上，且第一固定件位于第二固定件的上方；其中，第一固定件还包括：第一凹槽2211，其开设在所述第一固定件的侧壁上，用于扣设在一个第一边沿上；齿条 2212，其设置在第一凹槽的底部，且齿条的轴向与第一个固定件的轴向垂直；齿轮2213，其设置在第一凹槽内，所述齿轮与所述齿条啮合，所述齿轮的齿轮轴经第一固定件的一端的长条形贯通孔可自转的延伸出第一固定件，其中，长条形贯通孔2214的长度与齿条的长度相适应，且长条形贯通孔的内侧壁上设置有橡胶垫，橡胶垫与齿轮轴相抵触；套环，其设置在第一凹槽内，且套环可旋转的套设在所述齿轮轴上；第一支撑柱2215，其一端固定在所述套环上，另一端固定至第一固定件所扣设的第一边沿上；第二固定件包括：第二凹槽2121 ，其开设在第二固定件的侧壁上，用于扣设在另一个第一边沿上，且所述第二凹槽的横截面为近圆形；旋转支撑件2122 ，其为一圆柱形结构，所述旋转支撑件可旋转的嵌入式设置在第二凹槽内；第二支撑柱2123 ，其一端自第二凹槽的开口延伸并固定在所述旋转支撑件的侧壁上，另一端固定至第二固定件所扣设的另一个第一边沿上；一对镜腿23，其分设在镜框的两端，其中，任一镜腿的前端分支成主镜腿和分镜腿，主镜腿前端可拆卸的固定至第一固定件的一端，分镜腿的前端可拆卸的固定至第二固定件的一端；以及一对镜托24，其设置在第二固定件的外侧壁的中部。
在实际使用中，由于使用者的眼距，以及两眼与鼻梁的距离不等，在使用增强现实立体显示装置时，会存在效果上的差异，因此，在本方案中，为了减少这种差异，将透明板体设置为一个整体，而并不是对应人眼设置两个镜片；此外，由于透明板体需要与液体透镜呈小于90度的夹角，而为了提高所有使用者的使用体验，在本方案中通过第一固定件和第二固定件的设置，实现透明板相对于液体透镜的角度可调，调节的角度不需要过大，比如5度、10度、15度，或者20度等(相应的齿条的长度可以设置为0.5cm、1cm、 1.5cm或2cm)；而这一过程是通过手动旋转齿轮轴，带动齿轮在齿条上移动来实现的，在移动过程中，齿轮轴在长条形贯通孔内滑动；橡胶垫起到缓冲及增大一定的摩擦力的作用，辅助固定住齿轮及透明板体，在没有外力作用时，避免透明板体发生相对镜框的移动；第二固定件主要为透明板体提供结构支撑，并且，第二固定件的结构也能够满足透明板体在一定范围内的倾斜角度的改变。
如图5所示，结合实例说明一种增强现实立体显示装置的显示方法，该实例以在人眼正前方2m处显示一个水平放置的、高度为3m的圆锥体的深度图为例，如图5左上部分的圆锥体所示，具体显示包括以下步骤：
步骤一、将该深度图按照距离范围为2m-3m、3m-4m、4m-5m分割为3个层深度图像，如图4左中部分所示；
步骤二、将各层深度图像投影成二维图像，如图5左下部分所示；
步骤三、在微显示器显示步骤二中生成的二维图像，首先将2m-3m的层深度图像投影所成二维图像显示在微显示器上，同时调节液体透镜的电压至将图像成像到距离人眼2.5m处对应的电压V2.5，从而一副呈现在距离人眼2.5m远的虚像出现，如图5右上所示，微显示器上的图像和对应的液体透镜上的电压维持1/72秒；然后以相同的方法显示深度范围为3m-4m的层深度图像投影所成的二维图像成像在距离人眼3.5m处，维持1/72秒，如图5右中所示；然后以相同的方法显示深度范围为4m-5m的层深度图像投影所成的二维图像成像在距离人眼4.5m处，维持1/72秒，如图5右下所示。
然后反复重复步骤三。
经过上述步骤，由于人眼具有视觉暂留效应，上述步骤显示的图像像同时显示一样，如图6所示，因此人的感觉是2.5m处、3.5m处、4.5m处均有一幅 图像，当人眼聚焦在其中一幅 图像上时，由于人眼有一定的景深范围，其他两幅图像就会有的模糊，接近看实物的效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种增强现实立体显示装置，其特征在于，包括：
壳体，用于支持、固定其他部分；
微显示器，其设置在所述壳体上，用于显示二维图像；
液体透镜，其设置在所述壳体上，用于将微显示器显示的二维图像放大并成像在一定距离处，且所述液体透镜的光轴垂直于或经反射转折后垂直于所述微显示器显示区域；以及
一面镀有分光膜的分光平板，其设置在壳体上，且镀有分光膜的一面靠近人眼；所述分光平板的镀有分光膜的一面与液体透镜光轴不平行，分光平板用于将来自微显示器并经过液体透镜的光线反射至人眼，同时，真实的环境的景象透过所述分光平板的投射入人眼，使得虚拟景象与真实的环境的景象相叠加；
光学组件，其设置在所述分光平板和所述微显示器之间，用于辅助液体透镜对微显示器显示的二维图像进行放大并成像在一定距离；
其中，所述壳体为眼镜架，所述眼镜架还包括：
镜框，其包括分体式设置的第一固定件和第二固定件，第一固定件和第二固定件分别扣设在分光平板的对应的两个第一边沿上，且第一固定件位于第二固定件的上方；
其中，第一固定件还包括：
第一凹槽，其开设在所述第一固定件的侧壁上，用于扣设在一个第一边沿上；
齿条，其设置在第一凹槽的底部，且齿条的轴向与第一个固定件的轴向垂直；
齿轮，其设置在第一凹槽内，所述齿轮与所述齿条啮合，所述齿轮的齿轮轴经第一固定件的一端的长条形贯通孔可自转的延伸出第一固定件，其中，长条形贯通孔的长度与齿条的长度相适应，且长条形贯通孔的内侧壁上设置有橡胶垫，橡胶垫与齿轮轴相抵触；
套环，其设置在第一凹槽内，且套环可旋转的套设在所述齿轮轴上；
第一支撑柱，其一端固定在所述套环上，另一端固定至第一固定件所扣设的第一边沿上；
第二固定件包括：
第二凹槽，其开设在第二固定件的侧壁上，用于扣设在另一个第一边沿上，且所述第二凹槽的横截面为近圆形；
旋转支撑件，其为一圆柱形结构，所述旋转支撑件可旋转的嵌入式设置在第二凹槽内；
第二支撑柱，其一端自第二凹槽的开口延伸并固定在所述旋转支撑件的侧壁上，另一端固定至第二固定件所扣设的另一个第一边沿上；
一对镜腿，其分设在镜框的两端，其中，任一镜腿的前端分支成主镜腿和分镜腿，主镜腿前端可拆卸的固定至第一固定件的一端，分镜腿的前端可拆卸的固定至第二固定件的一端；以及
一对镜托，其设置在第二固定件的外侧壁的中部。
2.如权利要求1所述的增强现实立体显示装置，其特征在于，所述光学组件包括光学透镜、反射镜、棱镜中的一种或两种以上的组合。
3.如权利要求1所述的增强现实立体显示装置，其特征在于，所述微显示器为硅基液晶微显示器、有机发光二极管微显示器或发光二极管微显示器。
4.如权利要求1所述的增强现实立体显示装置，其特征在于，所述液体透镜为电湿润式液体透镜或介电式液体透镜。
5.如权利要求1所述的增强现实立体显示装置，其特征在于，分光平板为玻璃材质或光学塑料材质。
6.一种如权利要求1所述的增强现实立体显示装置的显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将包含深度信息的深度图像按照不同的深度进行分割，从而将一个包含大深度范围的深度图像分割为多个包含不同深度范围的层深度图像；
步骤二、将各层深度图像投影成二维图像；
步骤三、在微显示器连续显示步骤二中生成的二维图像，每张二维图像显示的时间相等，以所有二维图像均显示一次为一周期，显示次序不限，一个周期的时长不得大于视觉暂留时间；在显示一副二维图像的同时，根据对应层深度图像的深度范围，调节液体透镜的电压，改变其光焦度，从而将该二维图像成像在与深度范围对应的距离范围内。
7.如权利要求6所述的增强现实立体显示装置的显示方法，其特征在于，一个周期的时长不大于1/24秒。
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- 2018-12-25 CN CN201811594350.XA patent/CN109541807B/zh active Active
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