可单目立体显示的增强现实显示装置及其显示方法与流程

本发明涉及光学显示技术领域，特别涉及一种可单目立体显示的增强现实显示装置及显示方法。

背景技术：

增强现实技术(augmentedreality,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magicleap公司近期发布的产品magicleapone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。

技术实现要素：

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可单目立体显示的增强现实显示装置，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可单目立体显示的增强现实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，提供了一种可单目立体显示的增强现实显示装置，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；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朝向所述微显示器的显示面倾斜设置，用于接收并反射所述微显示器显示的二维图像；液体透镜，其设置在所述壳体上，用于将分光平板反射来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；

偏振组件，其设置在所述壳体上，且偏振组件和所述液体透镜分设在所述分光平板的两侧；所述偏振组件包括依次叠加设置的偏振片ⅰ、含有二分之一波长相位延迟量液晶的液晶盒和偏振片ⅱ，且偏振片ⅰ和偏振片ⅱ的透光轴方向相垂直，不施加电压时液晶的光轴与偏光片的透光轴成45°夹角，施加一定电压时液晶的光轴平行于偏光片i或ii的透光轴；其中，当液体透镜有光焦度时，所述微显示器显示二维图像,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的二维图像的光线反射后经液体透镜成像在一定距离处并投射入人眼，此时液晶盒施加合适的电压，使液晶盒中液晶的光轴平行于偏振片i的透光轴，此时真实世界的自然光经过偏振片i后变为偏振光且振动方向平行或垂直于液晶盒中液晶的光轴，因而通过液晶盒后偏振方向不变，到达偏振片ii时，由于两个偏振片的透光轴方向垂直，光线将无法透过偏振片ii，真实世界的光线无法透过偏振组件进入人眼；当液体透镜无光焦度时，所述微显示器不显示二维图像,液晶盒不通电，真实世界的自然光经过偏振片i后变为偏振光，进而通过液晶盒后经过液晶的偏振态转换，偏振方向改变为与偏振片ii透光轴平行的方向，因而到达偏振片ii时光线将透过偏振片ii，真实世界的光线无法透过偏振组件进入人眼；使得微显示器显示的虚拟景象与真实环境的景象交替投射入人眼。

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，或未来开发的新型显示器。

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；分光平板为玻璃材质或光学塑料材质。

优选的是，所述壳体为镜架、具有可视窗的头盔或手持式支架。

优选的是，所述具有可视窗的头盔还包括：头盔本体；多个弹性片，其均匀分散开设置在所述头盔本体的内侧壁上，且任一弹性片体的中部向头盔本体的轴线方向突起设置，且任一弹性片体的一端固定至头盔本体的内侧壁上，另一端为自由端；

多个长条形筒体，其开设在多个弹性片体的自由端与头盔本体的内侧壁的接触处；且多个弹性片体的自由端可伸缩的对应插设在多个长条形筒体的容纳腔内；以及

第一框体和第二框体，其对应设置在所述头盔本体的可视窗处，且第一框体靠近头盔本体的内侧设置，第一框体用于支撑固定所述液体透镜和分光平板，第二框体靠近所述头盔本体的外侧设置，第二框体用于支撑固定偏振组件。

一种可单目立体显示的增强现实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、在所述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；

步骤四、实时检测液体透镜是否有光焦度，若“是”，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的二维图像的光线反射后经液体透镜成像在一定距离处并投射入人眼；若“否”，真实环境的景象透过所述偏振组件和所述液体透镜后投射入人眼；使得微显示器显示的虚拟景象与真实环境的景象交替投射入人眼。

优选的是，一个周期的时长不大于1/24秒。

优选的是，还包括以下步骤：实时检测所述液体透镜是否有光焦距的具体判定方法为：

实时检测所述电压输出模块是否有电压输出，若“是”，则所述液体透镜有光焦距；若“否”，则所述液体透镜无光焦距。

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。

本发明至少包括以下有益效果：

当微显示器显示二维图像时(液体透镜有光焦度时)，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，此时，不改变经偏振片ⅰ或偏振片ⅱ入射入液晶盒中的偏振光线的偏振方向，进而导致外界真实场景的光线不能透过偏振组件，而在人眼中只显示经液体透镜投射入其中的虚拟图像；而当微显示器未显示二维图像时(液体透镜无光焦度时)，改变经偏振片ⅰ或偏振片ⅱ入射入液晶盒中的偏振光线的偏振方向，进使得外界真实场景的部分光线顺利透过偏振组件后经分光平板和液体透镜后投入人眼中，此时，人眼中只显示真是场景的真实物体(景象)，进而实现在短时间内的虚拟景象与真实景象的快速切换，这个快速切换的过程耗时小于人眼视觉暂留时间内，从而实现虚拟景象与真实景象几乎同时出现在人眼中，实现虚拟景象与真实景象在人眼中的叠加。

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头盔的侧向透视结构示意图；

图5为附图4的a部分的剖面结构示意图；

图6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7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，本发明提供一种可单目立体显示的增强现实显示装置，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；一面镀有分光膜的分光平板14，其设置在壳体上，且镀有分光膜的一面朝向所述微显示器的显示面倾斜设置，用于接收并反射所述微显示器显示的二维图像；液体透镜13，其用于将分光平板反射来的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；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的光线反射至液体透镜，再经液体透镜成像后投入人眼，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；

偏振组件15，其设置在所述壳体上，且偏振组件和所述液体透镜分设在所述分光平板的两侧；所述偏振组件包括依次叠加设置的偏振片ⅰ151、含有二分之一波长相位延迟量液晶的液晶盒152和偏振片ⅱ153，且偏振片ⅰ和偏振片ⅱ的透光轴方向相垂直，不施加电压时液晶的光轴与偏光片的透光轴成45°夹角，施加一定电压时液晶的光轴平行于偏光片i或ii的透光轴；其中，当液体透镜有光焦度时，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的二维图像的光线反射后经液体透镜成像在一定距离处并投射入人眼，此时液晶盒施加合适的电压，使液晶盒中液晶的光轴平行于偏振片i的透光轴，此时真实世界的自然光经过偏振片i后变为偏振光且振动方向平行或垂直于液晶盒中液晶的光轴，因而通过液晶盒后偏振方向不变，到达偏振片ii时，由于两个偏振片的透光轴方向垂直，光线将无法透过偏振片ii，真实世界的光线无法透过偏振组件进入人眼；当液体透镜无光焦度时，液晶盒不通电，真实世界的自然光经过偏振片i后变为偏振光，进而通过液晶盒后经过液晶的偏振态转换，偏振方向改变为与偏振片ii透光轴平行的方向，因而到达偏振片ii时光线将透过偏振片ii，真实世界的光线无法透过偏振组件进入人眼；使得微显示器显示的虚拟景象与真实环境的景象交替投射入人眼。

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和偏振组件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和图5所示，所述具有可视窗的头盔还包括：头盔本体41；多个弹性片42，其均匀分散开设置在所述头盔本体的内侧壁上，且任一弹性片体的中部向头盔本体的轴线方向突起设置，且任一弹性片体的一端固定至头盔本体的内侧壁上，另一端为自由端；弹性片体可以是金属弹片或弹性橡胶片，根据需要在头盔本体的内侧壁上可设置多个这样的弹性片体，用于对头盔本体的最大周缘做适当调整，实现适应不同人的头围，提高用户体验；为了提高舒适性，在金属弹片的外侧可包裹厚度小于3mm的记忆海绵；

多个长条形筒体43，其开设在多个弹性片体的自由端与头盔本体的内侧壁的接触处；且多个弹性片体的自由端可伸缩的对应插设在多个长条形筒体的容纳腔内；当较大头围的用户佩戴头盔时，多个弹性片体被其头部挤压至发生一定的形变，导致弹性片体的自由端伸入其对应设置的长条形筒体内，不需要人为设置，即可完成调节；以及

第一框体44和第二框体45，其对应设置在所述头盔本体的可视窗处，且第一框体靠近头盔本体的内侧设置，第一框体用于支撑固定所述液体透镜和分光平板，第二框体靠近所述头盔本体的外侧设置，第二框体用于支撑固定偏振组件。第一框体和第二框体分体式设置，方便维护和安装。

如图6所示，结合实例说明一种可单目立体显示的增强现实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6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6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6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6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7所示，因此人的感觉是2.5m处、3.5m处、4.5m处均有一副图像，当人眼聚焦在其中一副图像上时，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。

步骤四、实时检测液体透镜是否有光焦度，若“是”，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的二维图像的光线反射后经液体透镜成像在一定距离处并投射入人眼；若“否”，真实环境的景象透过所述偏振组件和所述液体透镜后投射入人眼；使得微显示器显示的虚拟景象与真实环境的景象交替投射入人眼。其中，实时检测所述液体透镜是否有光焦距的具体判定方法为：实时检测所述电压输出模块是否有电压输出，若“是”，则所述液体透镜有光焦距；若“否”，则所述液体透镜无光焦距。

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。