使用反射镜的眼镜型透明显示器的制作方法

本发明涉及一种具有宽视场的透明眼镜型显示器。

背景技术：

本发明涉及一种能够显示虚拟现实或增强现实图像的透明眼镜型显示器。

技术实现要素：

技术问题

目前，已开发出例如奥克卢斯雷福特(oculusrift)等眼镜型显示器。

尽管这种眼镜型显示器具有宽视场，然而其缺点是体积大且不透明。另一方面，微软公司(microsoft)已推出了一种称为全息透镜(hololens)的透明眼镜型显示器，然而这种透明眼镜型显示器的缺点是视场狭窄。

在美国专利申请第14/749,568号(头戴式增强现实显示器(headmountedaugmentedrealitydisplay))中公开了一种用于解决这种窄视场问题的技术。如图1所示，这一美国专利申请的发明涉及一种显示器，在所述显示器中从准透明显示器(ds)发出的光被凹的半反射镜(cm)反射。准透明显示器(ds)只朝凹的半反射镜(观察方向)发出光，而不朝眼睛发出光。

由于根据这种技术的凹的半反射镜的曲率是固定的，因此通过从凹的半反射镜反射光而形成的图像与眼睛之间的距离是固定的。由于图像与眼睛之间的距离是固定的，因此导致其中两只眼睛的会聚角与眼睛聚焦距离不一致的聚散调节冲突(vergence-accommodationconflict)，从而导致眼睛疲劳(这在本发明中被称为第一个问题)。

本发明的目的是通过提供一种眼镜型显示器来解决第一个问题，所述眼镜型显示器能够调整通过从上述美国专利发明中的凹的半反射镜反射而形成的图像与眼睛之间的距离。

此外，为了防止光直接辐射到眼睛，美国专利公开了一种圆偏振光源用作显示器，或者不透明显示器中的像素之间的间隔被加宽，且在显示器的像素之间形成微孔，通过所述微孔眼睛可看到凹的反射镜。然而，如果形成微孔，则难以获得圆偏振光源，且显示器的分辨率降低(这在本发明中被称为第二个问题)。

本发明的另一个目的是通过提供一种增加美国专利发明的准透明显示器的分辨率的技术来解决第二个问题。

问题的解决方案

为了解决第一个问题，根据本发明，向凹的半反射镜的凹侧(眼睛侧)添加凸透镜，且向凹的半反射镜的凸侧(观察方向)添加凹透镜，其中重叠的凸透镜及凹透镜像透明玻璃一样起作用，具有相同的焦距绝对值但具有相反的焦距符号值，且是对于不同偏振光具有不同折射率的各向异性透镜。

此外，在准透明显示器与凸透镜之间添加偏振膜及偏振旋转单元，使得当从准透明显示器朝凹的反射镜发出光时，所有光中只有特定偏振光穿过偏振膜，且所通过光的偏振轴是经过偏振单元旋转。因此，由于凸透镜的会聚折射率对于所通过光的偏振轴是不同的，因此偏振旋转的量被电控制，于是可控制凸透镜的会聚量，且因此可调整由凸透镜及凹的反射镜形成的图像与眼睛之间的距离。

此外，为了解决第二个问题，本发明提供一种准透明显示器，所述准透明显示器包括光阻挡单元，例如二向色彩色滤光片、液晶快门或微机电系统(micro-electro-mechanical-systems，mems)快门，所述光阻挡单元位于准透明显示器的眼睛侧表面处，且将从准透明显示器的眼睛侧表面发出的光朝凹的反射镜反射到眼睛。二向色滤光片是能够反射特定颜色的光并透射除所述特定颜色之外的颜色的光的滤光片。

本公开的有利效果

由于使用本发明的反射镜的透明显示器是透明的，因此增强现实图像可与周围的风景重叠显示。此外，通过在凹的半反射镜外部添加液晶快门，当快门关闭时，由于无法看到外部，所述装置可用作用于虚拟现实的传统眼镜型显示器。

此外，通过向凹的反射镜的凹侧添加凸透镜，可减小透明显示器与凹的反射镜之间的距离、凹的反射镜的曲率及装置的体积。

附图说明

图1示出传统技术的配置。

图2示出本发明的配置。

图3示出传统透明眼镜型显示器的配置。

图4示出用于偏振的各向异性透镜的折射性质。

图5是快门阵列的平面图。

图6是偏振膜及偏振轴旋转单元的详细视图。

图7是偏振膜及偏振轴旋转单元的另一详细视图。

图8示出包括变焦透镜的虚拟现实头戴式显示器。

图9是包括添加到图8所示配置的折射率匹配凹透镜(index-matchingconcavelens)的经修改配置。

具体实施方式

实施例1

本发明的目的是解决美国专利申请14/749,568(头戴式增强现实显示器)的问题，其中凹的反射镜的曲率是固定的，且在两只眼睛的观察方向的会聚角与眼睛的焦距之间发生冲突(这被称为聚散调节冲突)，这会导致眼睛疲劳(本发明中的第一个问题)。如图1所示，美国专利的发明涉及一种包括准透明显示器(ds)及凹的半反射镜(cm)的显示器，其中从准透明显示器发出的光从凹的半反射镜反射并被眼睛感测到。准透明显示器朝凹的半反射镜发出光，而不朝眼睛发出光。

由于美国专利发明中的凹的反射镜的曲率是固定的，因此在两只眼睛的观察方向的会聚角与眼睛的焦距之间发生冲突，这会导致眼睛疲劳(这被称为聚散调节冲突)。半反射镜是一种能够反射部分光并透射另一部分光的反射镜。

本发明的目的是提供一种眼镜型显示器，所述眼镜型显示器可调整眼睛与通过从美国专利发明中的凹的反射镜反射的光形成的图像之间的距离。

为了解决这个问题，如图2所示，根据本发明，向凹的半反射镜(mr)或反射镜的凹侧(朝眼睛)添加凸透镜(cx)，且向反射镜的凸侧(在观察方向上)添加凹透镜(cc)，其中重叠的凸透镜及凹透镜像透明玻璃一样起作用，具有相同的焦距绝对值但具有相反的焦距符号，且是对于不同偏振光具有不同折射率的各向异性透镜。作为另一选择，只有凸透镜是各向异性透镜，且所述凸透镜是普通透镜。此外，可使用平的反射镜来代替凹的反射镜。

可通过从方解石板(例如玻璃板)加工出如图2所示的凸透镜及凹透镜来制造各向异性透镜。这种透镜可以是菲涅耳(fresnel)透镜以减轻重量。此外，代替方解石，可使用在特定方向上配向的液晶或各向异性材料来形成透镜。

一种关于使用各向异性透镜的眼镜型显示器的技术公布在下面的论文中。

参考文献1：

用于增强现实头戴式显示器的透明光学组合器：折射率匹配各向异性晶体透镜(see-throughopticalcombinerforaugmentedrealityhead-mounteddisplay:index-matchedanisotropiccrystallens)

(scientificreports|7:2753|doi:10.1038/s41598-017-03117-w)

图3是参考文献1的摘录，且示出包括位于眼睛前方的方解石透镜及折射率匹配材料的光学模块(imacl)，其中一种偏振的光在穿过所述光学模块时会聚，而另一种偏振的光像穿过玻璃板那样穿过光学模块而不发生折射。

这两种偏振可以是垂直偏振及水平偏振。在本发明中，这两种偏振被称为第一偏振及第二偏振。

方解石是一种对第一偏振及第二偏振具有不同折射率的材料。如果材料与透镜对于给定偏振(例如，第二偏振)具有相同的折射率，则所述材料被称为与所述透镜对第二偏振的折射率匹配的材料，且如果平板玻璃状光学模块(imacl)如图3所示包括方解石凸透镜及折射率匹配材料，则第一偏振光在穿过光学模块(imacl)时会聚，而第二偏振光像穿过玻璃板那样穿过光学模块(imacl)而不发生折射。

一种用液晶制作各向异性透镜的技术公布在下面的论文中。

参考文献2：

用于可切换三维应用的使用通过上-下纳米沟槽配向的反应性介晶的偏振相关微透镜阵列(polarization-dependentmicrolensarrayusingreactivemesogenalignedbytop-downnanogroovesforswitchablethree-dimensionalapplications)

(韩国光学学会学报第19卷，第3期，2015年6月，第265到271页(journaloftheopticalsocietyofkoreavol.19,no.3,june2015,pp.265-271)，

国际标准刊号(internationalstandardserialnumber，issn)：1226-4776(印刷)/issn：2093-6885(在线)

数字对象标识符(digitalobjectidentifier，doi)：http://dx.doi.org/10.3807/josk.2015.19.3.265)

图4是上述文献的摘录。图4示出包括水平配向的液晶凸透镜及折射率匹配凹透镜的平板状光学模块。穿过光学模块的光，其中一种偏振的光会聚，而另一种偏振的光像穿过玻璃板那样穿过光学模块，而不发生折射。

根据图2，第一偏振膜(po)及第一偏振轴旋转单元(ro)添加在准透明显示器(ol)与凸透镜(cx)之间，其中只有从准透明显示器发出的特定偏振(例如，第一偏振)的光穿过偏振膜，且所通过光的偏振轴是经过偏振轴旋转单元旋转且穿过凸透镜。由于由各向异性材料制成的凸透镜(cx)的折射率取决于所通过光的偏振轴的旋转量，因此如果偏振轴的旋转量被电控制，则可控制凸透镜的会聚量，且可控制眼睛与准透明显示器上的图像之间的距离，所述图像是由穿过凸透镜并被凹的反射镜反射的光形成。

第一偏振轴旋转单元(ro)可通过从液晶显示器移除彩色滤光片及偏振膜来制作，或者可通过从快门眼镜型3d显示器的快门眼镜的透镜两侧移除偏振膜来制作。

快门眼镜透镜包括填充在两个透明板之间的扭曲向列液晶，且聚酰亚胺垂直形成在涂有透明电极的板的内表面上。如果没有电信号施加到透明电极，则穿过快门眼镜透镜的光的偏振轴被扭曲液晶旋转90度，而如果施加电信号，则所通过光的偏振轴没有变化。

如果施加的电压连续变化，则可连续控制偏振轴的旋转角度。如果施加到这种快门眼镜透镜的电压受到控制，则可控制偏振轴的旋转量。

如此，具有可变焦距的透镜可由第一偏振膜、第一偏振轴旋转单元及各向异性透镜制成，且通过在透明显示器(ol)与凹的半反射镜(mr)之间安装具有可变焦距的透镜，可看到从准透明显示器输出的显示图像，如同所述图像位于眼睛附近或远离眼睛般。

此外，如果凹透镜(cc)包含与各向异性凸透镜或折射率匹配材料相同的材料，且凹透镜(cc)如图2所示安装在凹的反射镜外部，则可如同通过透明眼镜窗口看到的那样看到周围的风景，且可通过本发明的装置来显示增强现实图像。

在这种情况下，在凹透镜的外部，建议包括如图2所示的第二偏振膜(po2)及第二偏振轴旋转单元(ro2)，其中第二偏振膜(po2)只朝眼睛透射特定偏振(第一偏振或第二偏振)。原因在于，被外部物体反射并进入本发明的眼镜型显示器的光(el)包含第一偏振与第二偏振的混合物，且如果两种偏振的混合物的光同时穿过各向异性凸透镜(cx)，则所述两种偏振的光被不同地折射，可看到两个外部物体。

需要第二偏振轴旋转单元(ro2)的原因如下。如果第二偏振轴旋转单元(ro2)不存在，则来自外部的入射光(el)通过第二偏振膜(po2)，所通过光的特定偏振的偏振轴旋转，且旋转角度通常根据施加到第一偏振轴旋转单元(ro)的电压而变化。因此，穿过第一偏振膜(po)的光量经常变化，且这会导致外部物体的亮度不恒定的问题。这种问题可通过以下方式来解决：添加第二偏振轴旋转单元(ro2)并向第二偏振轴旋转单元(ro2)施加适当的电压以使偏振轴旋转，使得第一偏振轴旋转单元的旋转方向与第二偏振轴旋转单元的旋转方向处于相反方向上。换句话说，建议向第二偏振轴旋转单元施加适当的电压，使得来自外部的最大入射光(el)总是能够穿过第一偏振膜(po)。

图6详细示出这一原理。根据图6，两个偏振膜(po、po2)二者均只透射垂直偏振，且第一偏振轴旋转单元(ro)使垂直偏振光的偏振轴在顺时针方向(an)上旋转，其中垂直偏振光从透明显示器(ol)发出并穿过第一偏振膜(po)。穿过第二偏振膜(po2)的来自外部的入射光(el)变成垂直偏振，且垂直偏振光的偏振轴是经过第二偏振轴旋转单元(ro2)在顺时针方向上旋转一定角度(an)，其中顺时针方向及逆时针方向是在光传播方向上观察到的方向。然后，这种光通过穿过第一偏振轴旋转单元(ro)而成为垂直偏振光，且可穿过第一偏振膜(po)到达眼睛。换句话说，通过使用图6所示的装置，第一偏振轴旋转单元及第二偏振轴旋转单元使垂直偏振光的偏振轴旋转相同的角度但方向相反，且来自外部的最大入射光(el)可穿过第一偏振膜而到达眼睛，因此可看到非常明亮的外部物体。

由于第一偏振光或第二偏振光可如同穿过透明玻璃板那样穿过凹透镜、凹的反射镜及凸透镜而不发生折射，且可到达眼睛，因此当佩戴本发明的装置时，用户可同时看到外部物体及透明显示器上的图像。

如图7所示，如果第二偏振膜只透射水平偏振光，则建议第二偏振轴旋转单元(ro2)使偏振轴在逆时针方向上旋转90-an的角度。

此外，即使在各向异性凸透镜为厚的情况下，偏振轴旋转单元(ro、ro1)也可被制作成薄的，且可用低电压来高速驱动。

通过使用这种偏振轴旋转单元，可使偏振轴旋转，且可高速交替地显示近物体的图像及远物体的图像。

实施例2

本实施例的目的是解决美国专利申请14/749,568(头戴式增强现实显示器)的显示器的低分辨率问题(第二个问题)。

实施例1中的偏振膜(po、po2)透射特定偏振，且可包括吸收偏振膜或反射偏振膜。反射偏振膜透射特定偏振并反射其他偏振，且可通过对微线格栅进行配向来制作。如果这种反射偏振膜被用作图2的第一偏振膜(po)，则准透明显示器可以是透明有机发光二极管(organiclightemittingdiode，oled)，且建议在显示器面向眼睛的表面一侧上制作反射二向色涂层(rc)，以反射来自像素的彩色光。在这种情况下，透明有机发光二极管的每一像素被配置成发出三原色中的一种颜色的光。因此，如果二向色反射涂层形成在眼睛侧上，则从透明有机发光二极管的像素发出的光朝凹的反射镜反射，且不存在眩光。(为了消除眩光，可在透明显示器的眼睛侧上形成吸收彩色涂层，以吸收从透明显示器朝眼睛发出的彩色光。)

如图2所示，透明显示器(ol)包括像素及二向色彩色反射滤光片或彩色吸收滤光片，所述像素包括三种光源。

例如，pr是包括红色光源的像素

pg是包括绿色光源的像素

pb是包括蓝色光源的像素。

此外

rr是反射或吸收红色光的滤光片

rg是反射或吸收绿色光的滤光片

rb是反射或吸收蓝色光的滤光片。

在这种情况下

rr是透射除红色光以外的光的滤光片

rg是透射除绿色光以外的光的滤光片

rb是透射除蓝色光以外的光的滤光片。

在这种情况下，如果图2的偏振膜(po)是反射性的，则光的损失减少且能量效率增加。换句话说，电力消耗减少，且电池使用时间增加。

这种反射或吸收彩色滤光片会阻挡一些光(图2中的el)从外部进入并使视野变暗。为了使视野变亮，建议将液晶快门或微机电系统快门安装到透明显示器的每一像素的眼睛侧，且通过关闭快门来阻挡朝眼睛的光。

一种用于微机电系统快门的技术公布在下面的论文中。

参考文献3：

用于透明有机发光二极管显示器的宽带宽反射微快门盲板(widebandwidthreflectivemicroshutterblindpanelfortransparentorganiclight-emittingdiodedisplay)

(第18届韩国微机电系统会议4月7～9日)

在这种情况下，如果所有快门同时关闭，则从透明显示器发出的所有光(dl)被阻挡，发出的光从凹的反射镜(rm)朝眼睛反射，因此建议将显示器的像素分成2个或多个组，以按每组依序地发出光，且只关闭面对发出光的像素的快门。例如，如图5所示，偶数像素可被分组到第一组(g1)，而奇数像素可被分组到第二组(g2)。

在这种情况下，当光是由第一组的像素发出，且同时第一组的液晶快门或微机电系统快门(即，第一组的像素与眼睛之间的快门)关闭，而第二组的液晶快门或微机电系统快门(即，第二组的像素与眼睛之间的快门)打开时，显示图像。

在下一时刻，与上述相反，当光是从第二组的像素发出，且同时第二组的液晶快门或微机电系统快门关闭，而第一组的液晶快门或微机电系统快门打开时，显示图像。这个过程以高速重复进行。图5示出透明显示器(ol)的快门，其中第一组(g1)的快门关闭，而第二组(g2)的快门打开。液晶快门可被配置成具有与用于快门眼镜3d显示器的快门眼镜的透镜相同的结构。此外，微机电系统快门是指通过由电信号控制的微板阻挡或透射光的快门。

液晶快门或微机电系统快门可被配置用于每一像素或每组相邻的像素(例如，2行及2列相邻的像素)。例如，如果快门被配置用于每2行×2列像素，则通过所述2行×2列的4个像素的区的光可同时被阻挡或透射。如此，如果彩色滤光片、液晶快门或微机电系统快门安装在像素与眼睛之间，则像素到像素的间距可变窄，且图像的分辨率可增加。

实施例3

本实施例涉及将实施例1的关于具有可变焦距的透镜的技术应用于像奥克卢斯cv1这样的用于虚拟现实的头戴式显示器。当前用于虚拟现实的头戴式显示器具有聚散调节冲突，因为位于眼睛前方的凸透镜是固定的(聚散调节冲突单元关于两只眼睛的会聚角度与眼睛的焦距的冲突)，并且本实施例的目的是解决这个问题。

为了实现这一目的，本实施例提供如图8所示的装置，其中用于虚拟现实的传统头戴式显示器的凸透镜被替换为各向异性透镜(vln)(或者向传统透镜添加各向异性凸透镜)，如同在有机发光二极管中那样在显示器(vds)前方添加偏振膜(vpo)及偏振轴旋转单元(vro)，且偏振膜(vpo)将特定偏振透射到眼睛，并且偏振轴旋转单元(vro)使所通过光的偏振轴旋转。偏振填充物优选为反射偏振膜，以将光的损失最小化。

如果施加到偏振轴旋转单元(vro)的电压改变，则穿过偏振轴旋转单元(vro)的光的偏振轴旋转，且偏振光在穿过各向异性凸透镜(vln)时会聚，并且会聚的光到达眼睛，其中会聚量与偏振轴的旋转成比例。施加到偏振轴旋转单元(vro)的电压在偏振轴旋转单元(vro)的整个区上可为恒定的，或者对于覆盖偏振轴旋转单元(vro)的整个区的每一微区可为不同的(例如，微区可对应于显示器的像素)。例如，如果远物体及近物体同时显示，则通过向远物体及近物体的两个区施加不同的电压，从这两个区发出的光可在透镜(vln)处不同地会聚，且眼睛与这两个物体的形成图像之间的距离可不同，其中这两个区是偏振轴旋转单元与物体重叠的区。

如果透明有机发光二极管用作显示器(vds)，且没有显示图像，则来自外部的光可到达眼睛。然而，存在的问题是来自外部的光经由各向异性凸透镜(vln)会聚，且外部的图像没有聚焦在视网膜上。

为了清楚地看到外部物体，建议向各向异性凸透镜(vln)的前侧、后侧或前侧及后侧两侧添加由折射率匹配材料制成的凹透镜(vcc)，如图3及图9所示。折射率匹配材料具有与各向异性凸透镜的两个折射率中的一者相同的折射率，且这两个折射率是第一偏振的折射率及第二偏振的折射率。如果光穿过由折射率匹配材料制成的凹透镜所附着的各向异性凸透镜(vln)，则光的第一偏振会聚并折射，但光的第二偏振像穿过透明玻璃板那样从中穿过而不发生折射。如果图像被输出到显示器，则根据向偏振轴旋转单元(vro)施加第一电信号来旋转偏振轴以使第一偏振光到达眼睛，从而眼睛可在显示器上看到图像。此外，如果第二电信号被施加到偏振轴旋转单元(vro)以旋转偏振轴，使得第二偏振光到达眼睛，则眼睛可看到外部物体的图像。

以这种方式，通过高速重复两种状态，即显示图像的第一状态及不显示图像的第二状态，眼睛可看到外部物体与所显示图像的重叠图像。为了清楚地看到显示器的图像，建议在显示器外部添加快门单元(vst)(例如，液晶快门)，且还建议通过关闭快门来防止外部光到达眼睛。