混合现实显示设备及其图像形成方法与流程

本发明属于光学领域，具体涉及一种混合现实显示设备及其图像形成方法。

背景技术：

虚拟现实(vr)、扩增现实(ar)、混合现实(mr)三种技术是目前实现虚拟立体图像的办法，其中，混合现实是能带给观察者最佳体验与最不容易视觉疲劳的一种技术。

混合现实是将人造图像混入真实环境中，人造图像通常为彩色图像，具体应用中例如混合现实眼镜通常采用透明的光学幕以便观察者看到外部真实环境。使用过程中在光学幕上形成人造图像，人造图像反射进入观察者的眼睛的同时，外部的现实世界的环境光也穿透(折射)光学幕进入观察者的眼睛，环境光和人造图像叠加形成肉眼感知的图像。当环境光过亮时，人造图像会被迫害，同时人造图像的立体体验感也被破坏，肉眼感知的图像质量较差，例如对比度较低，立体感较差。其中，对比度是构成显示最亮情况的亮度与最暗情况的亮度的比率，对比度越大，人眼便越能感知到。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种混合现实显示设备及其图像形成方法，解决环境光过亮时人造图像被破坏的问题，提高人眼感知的图像质量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种混合现实显示设备，包括：

波导光学幕，所述波导光学幕用于传输和显示彩色图像；及

液晶像素光阀片，所述液晶像素光阀片位于所述波导光学幕的表面，所述液晶像素光阀片用于生成与所述彩色图像对应的灰阶图像并根据环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值。

可选地，所述液晶像素光阀片包括依次设置于所述波导光学幕上的像素电极层、调整层和第一电极层，所述像素电极层包括像素单元及与所述像素单元电连接的第二电极层，其中，所述像素单元用于生成所述灰阶图像，所述调整层用于调整所述灰阶图像的灰度值。

可选地，所述调整层为液晶层。

可选地，所述第一电极层远离所述像素电极层的表面依次设置有第一玻璃基板和第一偏光板，所述像素电极层远离所述第一电极层的表面依次设置有第二玻璃基板和第二偏光板，所述第二偏光板还位于所述波导光学幕的表面。

可选地，所述调整层为电致变色层。

可选地，所述第一电极层和所述像素电极层相背的表面分别设置有第三玻璃基板和第四玻璃基板，所述第四玻璃基板还位于所述波导光学幕的表面。

可选地，所述波导光学幕包括：光学幕和形成于所述光学幕表面的波导层，所述液晶像素光阀片位于所述波导层的表面。

可选地，所述波导光学幕包括：光学幕和嵌设于所述光学幕中的光波导片。

可选地，混合现实显示设备还包括：

图像处理器、微显示器和环境光探测器；其中，

所述图像处理器用于分别向所述微显示器和所述液晶像素光阀片提供相同的图像信号；

所述微显示器用于根据所述图像信号生成彩色图像，所述彩色图像光学耦合至所述波导光学幕；

所述环境光探测器用于探测环境光亮度；

所述液晶像素光阀片用于根据所述图像信号生成灰阶图像，并根据所述环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值。

可选地，所述混合现实显示设备为混合现实眼镜。

本发明还提供了一种混合现实显示设备的图像形成方法，包括：

图像处理器分别向微显示器和液晶像素光阀片提供相同的图像信号；

微显示器根据所述图像信号生成彩色图像，所述彩色图像光学耦合至波导光学幕并在所述波导光学幕中传输和显示，其中，所述波导光学幕的表面形成有所述液晶像素光阀片；

环境光探测器探测环境光亮度并提供给所述液晶像素光阀片；

所述液晶像素光阀片根据所述图像信号生成与所述彩色图像对应的灰阶图像，并根据所述环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值；

调整后的灰阶图像与所述波导光学幕上显示的彩色图像叠加形成肉眼感知的图像。

可选地，所述液晶像素光阀片根据所述环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值以使得所述灰阶图像成为全黑图像。

与现有技术相比，本发明提供的混合现实显示设备及其图像形成方法中，波导光学幕用于传输和显示彩色图像，液晶像素光阀片位于所述波导光学幕的表面，所述液晶像素光阀片用于生成与所述彩色图像对应的灰阶图像并根据环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值。调整后的灰阶图像与所述波导光学幕上显示的彩色图像叠加形成肉眼感知的图像。通过所述液晶像素光阀片产生合适灰度的灰阶图像，遮挡外部过亮的环境光，提升图像的对比值从而提高肉眼感知的图像质量。

附图说明

图1为本发明实施例的混合现实显示设备的示意图；

图2为本发明一实施例的液晶像素光阀片的示意图；

图3为本发明另一实施例的液晶像素光阀片的示意图；

图4为本发明实施例的混合现实显示设备的工作过程示意图；

图5为本发明实施例的混合现实显示设备的图像形成方法流程图。

其中，附图标记如下：

10-波导光学幕；20、21、22-液晶像素光阀片；211-第二偏光板；212-第二玻璃基板；213-像素电极层；214-液晶层；215-第一电极层；216-第一玻璃基板；217-第一偏光板；221-第四玻璃基板；222-像素电极层；223-电致变色层；224-离子存储导体层；225-第一电极层；226-第三玻璃基板。30-图像处理器；40-微显示器；50-光源；60-空间光调制器；70-注入光学系统；80-肉眼；91-外界光；92-波导光学幕上显示的彩色图像；93-灰阶图像。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本实施例提供一种混合现实显示设备，如图1所示，包括：

波导光学幕10，所述波导光学幕10用于传输和显示彩色图像；及

液晶像素光阀片20，所述液晶像素光阀片20位于所述波导光学幕10的表面，所述液晶像素光阀片20用于生成与所述彩色图像对应的灰阶图像并根据环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值。

所述液晶像素光阀片包括依次设置于所述波导光学幕上的像素电极层、调整层和第一电极层，所述像素电极层包括像素单元及与所述像素单元电连接的第二电极层，其中，所述像素单元用于生成所述灰阶图像，所述调整层用于调整所述灰阶图像的灰度值。所述调整层可以为液晶层或电致变色层。

如图2所示，在一实施例中，液晶像素光阀片21包括相对设置的第一电极层215和像素电极层213，所述像素电极层213包括像素单元和与所述像素单元电连接的第二电极层。所述第一电极层215和所述像素电极层213之间形成有液晶层214。所述第一电极层215远离所述所述像素电极层213的表面依次形成有第一玻璃基板216和第一偏光板217，所述像素电极层213远离所述第一电极层215的表面依次形成有第二玻璃基板212和第二偏光板211。所述第二偏光板211还位于所述波导光学幕10的表面。所述像素单元例如为薄膜晶体管(tft)结构。所述第一电极层215是透明的，例如为氧化铟锡(ito)电极。液晶像素光阀片21的最外侧的两侧表面上设置出光方向相互垂直的第二偏光板211和第一偏光板217，用于控制光通过量，光完全不通过时即为全黑状态。

如图3所示，在另一实施例中，所述液晶像素光阀片22包括相对设置的第一电极层225和像素电极层222，所述像素电极层222包括像素单元和与所述像素单元电连接的第二电极层。所述第一电极层225和所述像素电极层222之间形成有电致变色层223。所述第一电极层225和所述像素电极层222相背的表面分别形成有第三玻璃基板226和第四玻璃基板221。所述第四玻璃基板221还位于所述波导光学幕10的表面。所述像素单元例如为薄膜晶体管(tft)结构。所述第一电极层225是透明的，例如为氧化铟锡(ito)电极。进一步的，在所述所述电致变色层223和所述第一电极层225之间还设置有离子存储导体层224。在所述第一电极层225和所述第二电极层之间的电场作用下，所述电致变色层223发生电化学着色/漂白可逆反应，使所述像素单元的像素在黑或透明之间切换。电致变色层223的材料例如为氧化锰、氧化钨或氧化钒中的任意一种。应当理解，通过电致变色层223电化学反应变色就可实现像素在黑或透明之间切换，因此本实施例中的液晶像素光阀片22的最外侧表面不再需要偏光板(当液晶像素光阀片的最外侧的两侧表面上设置出光方向相互垂直的偏光板时，是用于控制光通过量，光完全不通过时即为全黑状态)。

继续参照图1所示，波导光学幕10用于传输和显示彩色图像，具体为彩色图像通过光学耦合至波导光学幕10，光线在波导光学幕10中以全反射的形式横向传输。在一实施例中，波导光学幕包括：光学幕和形成于所述光学幕表面的波导层，所述液晶像素光阀片20位于所述波导层的表面。具体的，在所述光学幕上通过扩散形成波导层，例如在玻璃材质的光学幕上扩散ag离子形成波导层。在另一实施例中，波导光学幕包括：光学幕和嵌设于所述光学幕中的光波导片，具体的，若干光波导片阵列排布嵌设于所述光学幕中。两实施例中的光学幕均是透明的，所述光学幕的材质例如为玻璃、亚克力、石英或高分子材料中的任意一种。

如图4所示，本实施例的混合现实显示设备，还包括：

图像处理器30、微显示器40和环境光探测器(未示出)；其中，

所述图像处理器30用于分别向所述微显示器40和所述液晶像素光阀片20提供相同的图像信号；

所述微显示器40用于根据所述图像信号生成彩色图像，所述彩色图像光学耦合至所述波导光学幕10，并在所述波导光学幕中10传输和显示；

所述环境光探测器用于探测环境光亮度；

所述液晶像素光阀片20用于根据所述图像信号生成灰阶图像，并根据所述环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值。

具体的，所述液晶像素光阀片20位于所述波导光学幕10远离观察者的一侧表面上，同时所述液晶像素光阀片20也位于外界光91或外部环境与所述波导光学幕10之间。

微显示器40被配置为生成要向用户显示的彩色图像,微显示器可以为硅基液晶(lcos)显示器、数字光处理(dlp)显示器、有机发光二极管(oled)显示器、薄膜晶体管液晶显示器(tft-lcd)。微显示器可包括存储器、驱动单元、cpu以及用于图像生成和处理的其他电路，集成驱动功能和存储功能，结构紧凑，功耗低，可用于需要耐用且重量轻的混合现实(mr)的头显中。在一实施例中，微显示器可以容纳在可穿戴mr系统中。在其他实施例中，微显示器可以容纳在耦合到可佩戴光学器件的带包中。

图像处理器30将所需要的显示信息进行转换驱动，并向微显示器40或液晶像素光阀片20的像素单元提供图像信号例如为扫描信号，并控制微显示器40或液晶像素光阀片20正确显示。具体的，图像处理器30提供的图像信号传递给微显示器40生成彩色图像，所述图像信号传递给液晶像素光阀片20的像素单元生成与所述彩色图像对应的灰阶图像(黑白图像)，例如图像处理器30提供显示鲸鱼的图像信号，微显示器40生成彩色的鲸鱼图像，液晶像素光阀片20的像素单元生成同样大小的黑白鲸鱼图像。所述微显示器40结构中含彩色滤光片，所述液晶像素光阀片因被配置为产生黑白图像，所以结构中不含彩色滤光片。

通过环境光探测器得知环境光亮度,液晶像素光阀片20根据环境光亮度产生合适灰度的灰阶图像，具体的，根据环境光亮度调节液晶像素光阀片20两电极之间的电压，通过液晶层214中的液晶扭转变形或电致变色层223发生电化学着色/漂白可逆反应调整所述灰阶图像(黑白图像)的灰度值，所述灰度值与环境光探测器形成回路控制。

所述图像处理器30的图像信号传递给微显示器40，生成彩色图像，微显示器40光学耦合到光源50，微显示器40上生成的彩色图像可经空间光调制器60、注入光学系统70光学耦入至波导光学幕10，经波导光学幕10横向全反射传输后并显示，形成波导光学幕上显示的彩色图像92，所述波导光学幕上显示的彩色图像92和液晶像素光阀片20产生的灰阶图像93叠加后形成肉眼80观察到的最终图像。

本实施例的混合现实显示设备例如为混合现实眼镜。

本实施例还提供一种混合现实显示设备的图像形成方法，如图5所示，包括：

图像处理器30分别向微显示器40和液晶像素光阀片20提供相同的图像信号；

微显示器40根据所述图像信号生成彩色图像，所述彩色图像光学耦合至波导光学幕10并在所述波导光学幕10中传输和显示，其中，所述波导光学幕10的表面形成有所述液晶像素光阀片20；

环境光探测器探测环境光亮度并提供给所述液晶像素光阀片20；

所述液晶像素光阀片20根据所述图像信号生成与所述彩色图像对应的灰阶图像，并根据所述环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值；

调整后的灰阶图像与所述波导光学幕上显示的彩色图像叠加形成肉眼感知的图像。

在一实施例中，根据所述环境光亮度调控所述灰阶图像的灰度值至全黑图像；将所述全黑图像作为所述波导光学幕上显示的彩色图像的背景，形成肉眼感知的图像。

综上所述，本实施例提供的混合现实显示设备及其图像形成方法中，波导光学幕用于传输和显示彩色图像，液晶像素光阀片位于所述波导光学幕的表面，所述液晶像素光阀片用于生成与所述彩色图像对应的灰阶图像并根据环境光亮度调整所述灰阶图像的灰度值。调整后的灰阶图像与所述波导光学幕上显示的彩色图像叠加形成肉眼感知的图像。通过所述液晶像素光阀片产生合适灰度的灰阶图像，遮挡外部过亮的环境光，提升图像的对比值和锐利度从而提高肉眼感知的图像质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的产品相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见器件部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。