一种双模式头戴式显示设备的制作方法

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种双模式头戴式显示设备。

背景技术：

作为主流头戴式显示设备实现技术，虚拟现实技术近年来发展非常迅猛，虚拟现实是多媒体技术的终极应用形式，它是计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及行为心理学等科学领域飞速发展的结晶。可以广泛应用到医学领域、娱乐和艺术领域、军事和航天领域、管理工程领域、室内设计领域、工业仿真领域、游戏领域、教育领域等。

增强现实技术发源于虚拟现实技术。该技术是一个从真实到虚拟环境的连续统一体，将计算机生成的数据叠加到真实的场景中，加强用户对环境的理解。因此可知，对于穿戴式的虚拟现实设备(vr设备)，其采用的是遮挡式显示，即用户在获得虚拟信息的时候无法获取真实环境信息；穿戴式的增强现实设备为穿透式的显示设备(ar设备)，在获取虚拟信息的同时还可以获得真实环境信息。

这两种显示穿戴式设备还无法兼容，在用户需要看一场3d电影、玩一场沉浸式游戏时，需要一台虚拟现实设备；当用户需要进行实时导航、基于场景重建的游戏时，则需要一台增强现实设备，增加用户使用成本的同时，也带来诸多的不便。

目前，已提出的切换装置主要是在光束传导模块远离人眼的一侧添加一层电控器件来调节是否遮光而实现的。所述的电控器件分为两类，一种是液晶，一种是电致变色玻璃。前者只能实现全透或者全遮光，后者电致变色玻璃透过率一般在40％～60％，无法做到全部遮挡及全部透明，同时在透过率的改变过程中，电致变色玻璃的颜色还会发生变化，这导致其在显示领域的应用受限，同时外界的紫外线对电致变色玻璃也有一定的损伤。

同时，由于增强现实显示由光束传导模块进入人眼的光束为平行光，物体成像在无穷远位置，而对于虚拟现实显示，物体成像在人眼前一定距离的位置，而上述的切换装置并未考虑到不同显示方式下物体成像位置的变化。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种双模式头戴式显示设备，以解决ar设备与vr设备无法兼容的问题，降低设备使用成本。方法可操作性高，设备结构简单，可以大批量生产，成本低廉。

本发明提供双模式头戴式显示设备，包括图像源、控制模块、显示模块和电源模块，电源模块提供系统的工作电源；

所述显示模块包括遮光模块、变焦模块，以及位于所述遮光模块和变焦模块之间的光束传导模块；

所述遮光模块与控制模块信号连接，所述遮光模块能够根据控制模块的信号调整透射光强；

所述图像源用于将虚拟图像的光束投射至光束传导模块，所述传导模块将光束投射至变焦模块，经变焦模块导向至人眼。

进一步的，所述图像源包括摄像头模块，所述摄像头模块用于扫描场景并进行重建获取虚拟图像以及识别手势、外界环境光强。

进一步的，所述遮光模块对外界光线的透过率为0％～100％；

在外界环境光强发生变化时，根据摄像头的反馈，控制模块生成调整指示，发送所述调整指示至遮光模块；所述遮光模块根据调整指示调节透射光强，控制虚拟图像的光强与外界环境光强的光强比。

进一步的，所述遮光模块为：

第一遮光模块，包括相对设置的固定偏振片、活动偏振片和驱动机构，所述活动偏振片可在驱动机构的带动下相对固定偏振片旋转调整透射光强；

或者

第二遮光模块，包括相对设置的两片玻璃基底，两片玻璃基底通过密封件封装形成第一液晶盒，所述第一液晶盒厚度为30-100μm，所述第一液晶盒内封装有聚合物液晶材料，所述聚合物液晶材料包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率相同的聚合物，所述玻璃基底其中一个面为电极面，所述玻璃基底分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，通过控制所述电极面被施加电压的大小调整透射光强。

进一步的，所述变焦模块包括上基板和下基板，所述上基板和下基板透明，所述上基板和下基板通过密封件封装形成第二液晶盒；

所述液晶盒内封装有聚合物液晶材料，所述聚合物液晶材料包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物；

所述上基板、下基板其中一个面为电极面，所述上基板、下基板分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案；

通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料的焦距，将虚拟图像的光束导向至人眼。

进一步的，按重量份计，所述聚合物液晶材料包括液晶35～45份、聚合物35～45份、引发剂8～12份以及表面活化剂8～12份。

进一步的，所述液晶为混晶，且所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4；

和/或

所述表面活化剂为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯或聚乙二醇山梨糖醇单油酸酯或山梨醇酐十二酸酯；

和/或

所述引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，通过吸收激光能量引发光聚合反应。

进一步的，所述菲涅尔波带图案占内表面面积的50％-80％，且所述菲涅尔波带图案位于液晶盒内。

进一步的，所述的图像源为lcos像源、oled像源、lcd像源、slm像源、dmd像源中的任一种。

进一步的，所述光束传导模块为棱镜反射装置、阵列波导光栅、全息波导镜片、非球面反射镜中的任意一种或几种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过遮光模块控制外界环境光的强弱，配合变焦模块解决了切换为vr模式时，像点在无穷远的问题，可以以一个比较真实的比例观看景象，总体设备成本低廉，维护简单，可以大批量生产。

2、本发明聚合物液晶材料包括具有双折射率的液晶以及与液晶寻常光折射率相同的聚合物，聚合物在光照情况下会发生聚合反应固化形成包络结构，将液晶分割成多个小的液晶微滴，由于液晶微滴尺寸变小后，加电反应比较灵敏，对响应时间的提高有比较大的贡献，在不加电时为透明状态，驱动电压低至4v，响应时间由毫秒量级缩减到微秒量级。

3、本发明变焦模块可以进行连续变焦，可以从无焦距的平板连续调焦至确定焦距，变焦能力强。

4、本发明引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，譬如当激发光为532nm的绿色激光时，引发剂可以是玫瑰红；当激发光为632.8nm的红色激光时，引发剂可以是亚甲基蓝等，有利于引发光聚合反应。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明变焦模块的结构示意图一；

图3为本发明变焦模块的结构示意图二；

图4为实施例1的结构示意图一；

图5为实施例1的结构示意图二；

图6为未通电时遮光模块聚合物液晶材料的结构示意图；

图7为通电时遮光模块聚合物液晶材料的结构示意图。

图中：1、遮光模块；101、活动偏振片；102、固定偏振片；103、微型电动马达；104、第一液晶盒；2、光束传导模块；201、菲涅尔波带图案；202、公共电极；203、标记物；3、变焦模块；301、上基板；301’、下基板；302、ito膜；303、密封件；304、聚合物液晶材料；305、液晶；306、聚合物；4、眼睛；5、图像源输出的光线；6、外界光线。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种双模式头戴式显示设备，包括图像源、控制模块、显示模块和电源模块，电源模块提供系统的工作电源；所述显示模块包括遮光模块1、变焦模块3，以及位于所述遮光模块1和变焦模块3之间的光束传导模块2；

所述遮光模块1与控制模块信号连接，所述遮光模块1能够根据控制模块的信号调整透射光强；所述图像源包括摄像头模块，所述摄像头模块用于扫描场景并进行重建获取虚拟图像以及识别手势、外界环境光强，具体的图像源可以为lcos像源、oled像源、lcd像源、slm像源、dmd像源中的任一种；所述遮光模块1对外界光线的透过率为0％～100％，在外界环境光强发生变化时，根据摄像头的反馈，控制模块生成调整指示，发送所述调整指示至遮光模块1；所述遮光模块1根据调整指示调节透射光强，控制虚拟图像的光强与外界环境光强的光强比。本实施例遮光模块1为第一遮光模块1，包括相对设置的固定偏振片102、活动偏振片101和驱动机构，所述活动偏振片101可在驱动机构的带动下相对固定偏振片102旋转调整透射光强；驱动机构为微电机，采用微型电机带动偏振片，可靠性高，排除了环境温度、紫外线照射带来的影响，从而获得一个最舒适的观看体验。

所述光束传导模块2为棱镜反射装置、阵列波导光栅、全息波导镜片、非球面反射镜中的任意一种或几种。所述图像源用于将虚拟图像的光束投射至光束传导模块2，所述传导模块将光束投射至变焦模块3，经变焦模块3导向至人眼。所述变焦模块3包括上基板301和下基板301’，所述上基板301和下基板301’透明，所述上基板301和下基板301’通过密封件303封装形成第二液晶盒305,所述上基板301和/或下基板301’上设置有与密封件303的位置相对应的标记物203，用于确定密封件303的装配位置；所述液晶305盒内封装有聚合物液晶材料304，所述聚合物液晶材料304包括具有双折射率的液晶305以及与液晶305寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物306，按重量份计，所述聚合物液晶材料304包括液晶35～45份、聚合物35～45份、引发剂8～12份以及表面活化剂8～12份；所述液晶305为混晶，聚合物可以根据折射率要求从聚合物库中选取；且所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4；所述表面活化剂为聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯或聚乙二醇山梨糖醇单油酸酯或山梨醇酐十二酸酯或吐温80；所述引发剂对光的吸收峰与激光器的波长接近，通过吸收激光能量引发光聚合反应；所述上基板301、下基板301’其中一个面为电极面，所述上基板301、下基板301’分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，至少一个所述内表面的透明导电膜上镀有菲涅尔波带图案201，所有波带电极由公共电极202引导至未刻蚀区域。透明导电膜可以为氧化铟锡(ito)膜、azo膜(al2o3掺杂的zno薄膜)、纳米银线导电膜，所述菲涅尔波带图案201占内表面面积的50％-80％，且所述菲涅尔波带图案201位于液晶305盒内；本实施例一种优选方案，按重量份计，所述聚合物液晶材料304包括向列型液晶305(e7)，聚合物306为pdda、hapda单体，交联剂为npg、引发剂为亚甲基蓝(npg)、协引发剂为nvp、表面活化剂为吐温80，按照重量份的比例为，e7：pdda：hapda：npg：nvp：吐温80：e7＝40：20.5：24.5：10：4：8：10；如图3所示，通过控制所述电极面被施加电压的大小连续改变聚合物液晶材料304的焦距，将虚拟图像的光束导向至人眼，能够使光束穿过聚合物液晶材料304时按照菲涅尔波带进行汇聚或者发散，可以进行连续变焦，可以从无焦距的平板连续调焦至确定焦距，变焦能力强。

第二液晶盒包括具有双折射率的液晶305以及与液晶305寻常光折射率或非寻常光折射率相同的聚合物306，同时变焦模块液晶盒的厚度若在5-15μm时，即使聚合物与液晶的折射率不匹配其透明度也会比较高，因此变焦模块3不变焦(不加电)时相当于玻璃平板，外界光线6，光强记为i0通过第一片偏振片后能量变成两个偏振片之间夹角为θ，通过两片偏折片后的光强为所以两个偏振片偏振态相同时夹角为0°，最大通光量为自然光的一半，当两个偏振片偏振态正交时，夹角为90°，此时通光量为0；如图2、图3所示，在用户输入ar显示的指令时，控制模块驱动微型电机带动活动偏振片101，将两偏振片的偏振态相差0°，此时遮光模块对环境光的透过率为近50％，变焦模块3不变焦(不加电)时相当于玻璃平板，此时人眼既可以看到外界光线6又可以看到图像源输出的光线5；当用户输入切换vr显示的指令时，控制模块驱动微型电机带动活动偏振片101，将两偏振片的偏振态相差90°，此时由于两块偏振片的偏振态正交，因此外界光线无法穿过偏振片，遮光模块1对环境光的透过率为近0％，同时加电后变焦模块3对图像源内容进行放大，此时人眼只能看到图像源输出的光线5。

实施例2：

本实施例与实施例1相同的部分不再赘述，不同之处在于：所述遮光模块1为第二遮光模块1，包括相对设置的两片玻璃基底，两片玻璃基底通过密封件303封装形成第一液晶盒104，所述第一液晶盒厚度为30-100μm，所述第一液晶盒104内封装有聚合物液晶材料304，所述聚合物液晶材料304包括具有双折射率的液晶305以及与液晶305寻常光折射率相同的聚合物306，按重量份计，所述聚合物液晶材料304包括液晶35～45份、聚合物35～45份、引发剂8～12份以及表面活化剂8～12份；所述液晶305为混晶，且所述混晶的寻常光折射率与非寻常光折射率差为0.2～0.4；聚合物可以根据折射率要求从聚合物库中选取；所述玻璃基底其中一个面为电极面，所述玻璃基底分别以相应的电极面为内表面，所述内表面设有透明导电膜，液晶305具有双折射效应即寻常光折射率(不加电)和非寻常光折射率(加电)；聚合物306有唯一的折射率；不加电时，液晶305、聚合物306折射率不同，聚合物液晶材料304为遮光状态；加电时液晶305、聚合物306折射率趋于一致，可以通过控制所述电极面被施加电压的大小调整透射光强，使聚合物液晶材料304为透明状态。

如图2、图3所示，使用时，当用户输入vr显示指令时，第一液晶盒104不通电，液晶305具有双折射特性，液晶盒盒厚比较大，液晶散射效应明显，外界光线透过率为0％，此时人眼只能看到图像源输出的光线5；当用户输入ar显示指令时，第一液晶盒104通电，加电后根据电压的不同对外界光线的透射光强逐渐改变，外界光线透过率可达到100％，在外界环境光强发生变化时，根据摄像头的反馈，控制模块生成调整指示，发送所述调整指示至遮光模块1；所述遮光模块1根据调整指示改变第一液晶盒104的施加电压调节透射光强，能够控制虚拟图像的光强与外界环境光强的光强比，同时第二液晶盒305上不施加电压，变焦模块3相当于玻璃平板，人眼既可以看到外界光线6又可以看到图像源输出的光线5。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。