專(zhuān)利名稱：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及立體頭盔顯示器，更確切地說(shuō)是通過(guò)調(diào)節(jié)圖像源和外界光的亮度，實(shí)現(xiàn)虛實(shí) 環(huán)境最佳融合的光學(xué)透視式立體頭盔顯示器。
背景技術(shù)：
頭盔顯示器(Head-Mounted Display, HMD)是安裝在使用者頭盔上的一種顯示器，其活 動(dòng)視域可寬達(dá)360度，且具有大畫(huà)面、便攜以及高臨場(chǎng)感等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、模擬訓(xùn) 練、娛樂(lè)、醫(yī)療和工程等領(lǐng)域。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AugmentedReality, AR)要求將虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境融為一體，使用戶能 同時(shí)獲取虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的信息，需要虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的光亮度能獲得最佳匹配。 透視式頭盔顯示器既能觀看虛擬環(huán)境信息，又能觀看外界環(huán)境，利用視差原理在雙目結(jié)構(gòu)中 可實(shí)現(xiàn)立體顯示，作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的人機(jī)接口具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便以及立體效果明顯 等優(yōu)點(diǎn)。
透視式立體頭盔顯示器主要有視頻透視式和光學(xué)透視式兩種，視頻透視式立體頭盔顯示 器利用攝像頭將外界環(huán)境拍攝下來(lái)后，再與虛擬環(huán)境圖像融合在一起顯示給用戶，這會(huì)造成 用戶觀看外界環(huán)境時(shí)的延時(shí)，產(chǎn)生不適感和疲勞感。光學(xué)透視式立體頭盔顯示器利用組合鏡 將虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的信息合成后顯示給用戶，用戶通過(guò)組合鏡直接觀看到外界環(huán)境，無(wú) 延時(shí)，更加舒適，適于長(zhǎng)時(shí)間工作。因此在增強(qiáng)顯示系統(tǒng)中采用光學(xué)透視式立體頭盔顯示器。 但是，已有技術(shù)中的光學(xué)透視式立體頭盔顯示器存在如下技術(shù)問(wèn)題
1、 當(dāng)處于外界強(qiáng)光情況下，頭盔顯示器的圖像亮度及對(duì)比度低，圖像被外界環(huán)境掩蓋， 以至于人眼在強(qiáng)光下只能看到外界環(huán)境，看不清頭盔顯示器的顯示信息；
2、 當(dāng)處于外界暗光情況下，頭盔顯示器的圖像亮度過(guò)高，外界環(huán)境被圖像源信息遮擋， 以至于人眼看不到外界信息。
3、 在雙目部分重疊中，由于雙目觀察的圖像差異導(dǎo)致雙目競(jìng)爭(zhēng)，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致圖 像分裂，產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，加重使用者的工作負(fù)擔(dān)。
中國(guó)專(zhuān)利200710108422.0公開(kāi)了一種可調(diào)整環(huán)境光強(qiáng)度的頭戴式顯示器，將兩個(gè)偏振 片疊置在一起，其中一個(gè)偏振片為固定的，通過(guò)調(diào)節(jié)另一個(gè)偏振片的方位角調(diào)節(jié)外界光亮度， 該專(zhuān)利無(wú)法對(duì)虛擬環(huán)境的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此在外界暗光情況下，用戶不能看清外界環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，利用光學(xué)方法有效調(diào)節(jié)圖像源和外界環(huán)境的亮度，解決在外界強(qiáng)光和暗光兩種情 況下虛實(shí)場(chǎng)景的對(duì)比度問(wèn)題，使虛實(shí)環(huán)境有效地融為一體；通過(guò)使雙目所成虛像在空間位置 上完全重疊，增加立體顯示區(qū)域的視場(chǎng)角，并且消除雙目競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用光學(xué)透視式結(jié)構(gòu)，以使用者的 鼻梁部位為中心線呈左右對(duì)稱，沿光軸方向自外側(cè)到人眼中心，依次設(shè)置圖像源、方位角可 以調(diào)節(jié)的偏振方位調(diào)節(jié)鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)和偏振組合鏡，所述偏振組合鏡將圖像源的光線方 向反射偏轉(zhuǎn)90度后進(jìn)入人眼；外界光與圖像源光線成90度角，經(jīng)方位角可以調(diào)節(jié)的偏振鏡 后，從偏振組合鏡透射進(jìn)入人眼；
輸入信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路為圖像源提供顯示信息；構(gòu)成立體圖像對(duì)的兩幅圖像分別傳送在左 右兩側(cè)的圖像源中；以所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡和偏振組合鏡構(gòu)成圖像源亮度調(diào)節(jié)單元，以所述 偏振鏡和偏振組合鏡構(gòu)成外界光亮度調(diào)節(jié)單元。
所述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于
所述圖像源為彩色LCD屏，所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡為快軸方位可調(diào)的半波片，所述偏振 組合鏡采用偏振分光鏡。
所述圖像源或?yàn)椴噬玂LED屏，所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡為偏振方位可調(diào)的偏振鏡，所述偏
振組合鏡采用偏振分光鏡。
本發(fā)明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器的另一形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用光學(xué)透視式結(jié) 構(gòu)，以使用者的鼻梁部位為中心線呈左右對(duì)稱，沿光軸方向自外側(cè)到人眼中心依次設(shè)置圖像 源、方位角可以調(diào)節(jié)的偏振方位調(diào)節(jié)鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)和非偏振組合鏡，所述非偏振組合鏡 將圖像源的光線方向反射偏轉(zhuǎn)90度后進(jìn)入人眼；外界光與圖像源光線成90度角，依次經(jīng)過(guò) 外偏振鏡和內(nèi)偏振鏡，從非偏振組合鏡透射進(jìn)入人眼；所述內(nèi)偏振鏡和外偏振鏡的偏振方位 角均可以調(diào)節(jié)；
輸入信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路為圖像源提供顯示信息，構(gòu)成立體圖像對(duì)的兩幅圖像分別傳送在左 右兩側(cè)的圖像源中；以所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡和圖像源構(gòu)成圖像源亮度調(diào)節(jié)單元，以所述內(nèi)偏 振鏡和外偏振鏡構(gòu)成外界光亮度調(diào)節(jié)單元。
本發(fā)明中所述另一形式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述圖像源 采用彩色LCD屏，所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡為偏振方位可調(diào)的偏振鏡，所述非偏振組合鏡采用 非偏振分光鏡。
本發(fā)明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于通過(guò)微調(diào)所述偏振組合鏡和非偏振組合鏡相對(duì)于圖像源光線的方向，使分別傳送在左右 兩側(cè)圖像源中的左右立體圖像對(duì)，在左右眼所成虛像的空間位置為部分重疊或完全重疊。
本發(fā)明利用光的偏振特性對(duì)立體頭盔顯示器的圖像源和外界光的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，與己有 技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、 當(dāng)圖像源為彩色LCD屏的情況下，本發(fā)明采用半波片作為偏振方位調(diào)節(jié)元件，配合 偏振分光鏡或普通分光鏡，對(duì)立體頭盔顯示的圖像源亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用偏振鏡配合偏振分 光鏡或普通分光鏡，對(duì)外界光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使虛擬環(huán)境和外界環(huán)境能達(dá)到最佳融合效果。
2、 當(dāng)圖像源為彩色OLED屏的情況下，利用偏振鏡配合偏振分光鏡，對(duì)立體頭盔顯示
的圖像源亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用偏振鏡配合偏振分光鏡，對(duì)外界光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使虛擬環(huán)境 和外界環(huán)境能達(dá)到最佳融合效果。
3、 通過(guò)使雙目所成虛像在空間位置上完全重合，增加了立體顯示區(qū)域的視場(chǎng)角，并且 消除雙目競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。


圖1為本發(fā)明立體頭盔顯示器第一種結(jié)構(gòu)形式示意圖。 圖2為本發(fā)明立體頭盔顯示器第二種結(jié)構(gòu)形式示意圖。 圖3a為本發(fā)明第一種結(jié)構(gòu)形式的圖像源亮度調(diào)節(jié)原理圖。 圖3b為本發(fā)明第一種結(jié)構(gòu)形式的外界光亮度調(diào)節(jié)原理圖。 圖4a為本發(fā)明第二種結(jié)構(gòu)形式的圖像源亮度調(diào)節(jié)原理圖。 圖4b為本發(fā)明第二種結(jié)構(gòu)形式外界光亮度調(diào)節(jié)原理圖。 圖5為本發(fā)明中所用立體圖像對(duì)實(shí)現(xiàn)的軟件流程。
圖中標(biāo)號(hào)1圖像源、2偏振方位調(diào)節(jié)鏡、3光學(xué)成像系統(tǒng)、4偏振組合鏡、5偏振鏡、 6驅(qū)動(dòng)電路、7輸入信號(hào)、8人眼、41非偏振組合鏡、51內(nèi)偏振鏡、52外偏振鏡。 以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
參見(jiàn)圖l，本實(shí)施例中，左右立體圖像對(duì)以輸入信號(hào)7送入驅(qū)動(dòng)電路6，驅(qū)動(dòng)電路6驅(qū) 動(dòng)圖像源1顯示圖像對(duì)。圖像源1發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)偏振方位調(diào)節(jié)鏡2及光學(xué)成像系統(tǒng)3后， 再經(jīng)由偏振分光鏡構(gòu)成的偏振組合鏡4進(jìn)入人眼8，外界光經(jīng)過(guò)偏振鏡5和偏振組合鏡4進(jìn) 入人眼8，通過(guò)觀察者的視覺(jué)生理作用獲得立體顯示畫(huà)面。
當(dāng)圖像源1為彩色LCD屏，偏振方位調(diào)節(jié)鏡2由半波片構(gòu)成。通過(guò)調(diào)節(jié)偏振方位調(diào)節(jié)鏡2的方位角，可以對(duì)圖像源1的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其原理如圖3a所示。圖3a中，線①和線 ②為偏振組合鏡4的兩個(gè)正交偏振方向，偏振方向與線①相同的光線入射到偏振組合鏡4后 將完全透過(guò)，偏振方向與線②相同的光線入射到偏振組合鏡4后將完全被反射。
彩色LCD圖像源1發(fā)出的為線偏振光，其偏振方向如圖3a中線③所示，與偏振組合鏡 4的線①方向夾角為《，線④為偏振方位調(diào)節(jié)鏡2的快軸方向，與線③方向夾角為《，則偏 振方向?yàn)榫€③的光經(jīng)過(guò)偏振方位調(diào)節(jié)鏡2的方向?yàn)榫€⑤所示，與線③方向夾角為2《。設(shè)圖 像源出射的光通量為^，不考慮光傳輸過(guò)程中的吸收損耗，則達(dá)到人眼8的圖像源光通量^ 為
= A sin2(《+ 2(92) (1)
通過(guò)調(diào)節(jié)偏振鏡5的方位角，可以對(duì)外界環(huán)境光的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其原理參見(jiàn)圖3b。圖 3b中，線⑥為偏振鏡5的偏振方向，與組合鏡4的線①方向夾角為《，設(shè)外界光到達(dá)偏振
鏡5入射面的光通量為& ，則達(dá)到人眼8的外界光通量^為
A+os2^ (2)
根據(jù)式(1)和(2)知，調(diào)節(jié)偏振方位調(diào)節(jié)鏡2和偏振鏡5的方位角《和《，可分別調(diào)節(jié)圖像
源和外界環(huán)境進(jìn)入人眼8的光通量，由于人眼8接收面積和立體角不變，則可分別調(diào)節(jié)人眼 8中虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的亮度。圖像源的光通量調(diào)節(jié)范圍為0 A，外界光的光通量調(diào)節(jié)范
圍為0 吞。 2
當(dāng)圖像源l為彩色OLED屏?xí)r，偏振方位調(diào)節(jié)鏡2由偏振鏡構(gòu)成，此時(shí)圖像源和外界光 亮度調(diào)節(jié)原理均與圖3b相同。 實(shí)施例2:
參見(jiàn)圖2，本實(shí)施例中，左右立體圖像對(duì)同樣是從輸入信號(hào)7送入驅(qū)動(dòng)電路6，驅(qū)動(dòng)電 路6驅(qū)動(dòng)圖像源1顯示圖像對(duì)。圖像源1發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)偏振方位調(diào)節(jié)鏡2及光學(xué)成像系 統(tǒng)3后，再經(jīng)由非偏振分光鏡構(gòu)成的非偏振組合鏡41進(jìn)入人眼8，外界光經(jīng)過(guò)內(nèi)偏振鏡51、 外偏振鏡52和非偏振組合鏡41進(jìn)入人眼8，通過(guò)觀察者的視覺(jué)生理作用獲得立體顯示畫(huà)面。
圖像源1為彩色LCD屏，其出射光線為線偏振光，偏振方位調(diào)節(jié)鏡2為偏振鏡。通過(guò) 調(diào)節(jié)偏振方位調(diào)節(jié)鏡2的方位角，可以對(duì)圖像源1的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其原理參見(jiàn)圖4a。圖 4a中，線⑦和線⑧分別為圖像源1和偏振方位調(diào)節(jié)鏡2的線偏振光方向，其方位角分別為^ 和《。設(shè)圖像源出射的光通量為^，不考慮光傳輸過(guò)程中的吸收損耗，則達(dá)到人眼8的圖像
6源光通量^為
A=,COS，4—《) (3)
通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)偏振鏡51和外偏振鏡52的方位角夾角，可以對(duì)外界環(huán)境光的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)， 其原理參見(jiàn)圖4b。 ^和^分別為內(nèi)偏振鏡51和外偏振鏡52方位角，設(shè)外界光到達(dá)外偏振
鏡52入射面的光通量為么，則達(dá)到人眼8的圖像源光通量^為
^+os2(《—《) (4)
根據(jù)式(3)和(4)可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像源和外界環(huán)境光亮度的調(diào)節(jié)，圖像源的光通量調(diào)節(jié)范圍為
0~&，外界光的光通量調(diào)節(jié)范圍為0 &。 2 2
輸入圖像源1的左右眼立體圖像對(duì)根據(jù)視差理論獲得。利用Microsoft Visual C++,根據(jù) 人眼的瞳距及觀察距離建立雙目立體攝像機(jī)拍攝模型，對(duì)三維模型進(jìn)行拍攝。獲得立體圖像 對(duì)的軟件流程如圖5所示，人眼觀看到圖像對(duì)后經(jīng)過(guò)視覺(jué)生理過(guò)程產(chǎn)生立體畫(huà)面。
權(quán)利要求
1、一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，其特征是采用光學(xué)透視式結(jié)構(gòu)，以使用者的鼻梁部位為中心線呈左右對(duì)稱，沿光軸方向自外側(cè)到人眼中心，依次設(shè)置圖像源(1)、方位角可以調(diào)節(jié)的偏振方位調(diào)節(jié)鏡(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(3)和偏振組合鏡(4)，所述偏振組合鏡(4)將圖像源(1)的光線方向反射偏轉(zhuǎn)90度后進(jìn)入人眼(8)；外界光與圖像源(1)光線成90度角，經(jīng)方位角可以調(diào)節(jié)的偏振鏡(5)后，從偏振組合鏡(4)透射進(jìn)入人眼(8)；輸入信號(hào)(7)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路(6)為圖像源(1)提供顯示信息；構(gòu)成立體圖像對(duì)的兩幅圖像分別傳送在左右兩側(cè)的圖像源(1)中；以所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡(2)和偏振組合鏡(4)構(gòu)成圖像源(1)亮度調(diào)節(jié)單元，以所述偏振鏡(5)和偏振組合鏡(4)構(gòu)成外界光亮度調(diào)節(jié)單元。
2、 一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，其特征是采用光學(xué)透視式結(jié)構(gòu)，以使用者的 鼻梁部位為中心線呈左右對(duì)稱，沿光軸方向自外側(cè)到人眼中心依次設(shè)置圖像源(1)、方位角 可以調(diào)節(jié)的偏振方位調(diào)節(jié)鏡(2)、光學(xué)成像系統(tǒng)(3)和非偏振組合鏡(41)，所述非偏振組 合鏡(41)將圖像源(1)的光線方向反射偏轉(zhuǎn)卯度后進(jìn)入人眼(8);外界光與圖像源(1) 光線成90度角，依次經(jīng)過(guò)外偏振鏡(52)和內(nèi)偏振鏡(51)，從非偏振組合鏡(41)透射進(jìn) 入人眼(8);所述內(nèi)偏振鏡(51)和外偏振鏡(52)的偏振方位角均可以調(diào)節(jié)；輸入信號(hào)(7)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路(6)為圖像源(1)提供顯示信息，構(gòu)成立體圖像對(duì)的兩幅 圖像分別傳送在左右兩側(cè)的圖像源(1)中；以所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡(2)和圖像源(1)構(gòu) 成圖像源亮度調(diào)節(jié)單元，以所述內(nèi)偏振鏡(51)和外偏振鏡(52)構(gòu)成外界光亮度調(diào)節(jié)單元。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，其特征是所述圖像源(1) 為彩色LCD屏，所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡(2)為快軸方位可調(diào)的半波片，所述偏振組合鏡(4) 采用偏振分光鏡。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，其特征是所述圖像源(1) 為彩色OLED屏，所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡(2)為偏振方位可調(diào)的偏振鏡，所述偏振組合鏡(4) 采用偏振分光鏡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，其特征是所述圖像源(1) 采用彩色LCD屏，所述偏振方位調(diào)節(jié)鏡(2)為偏振方位可調(diào)的偏振鏡，所述非偏振組合鏡(41)采用非偏振分光鏡。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，其特征是通過(guò)微調(diào)所述偏 振組合鏡(4)和非偏振組合鏡(41)相對(duì)于圖像源(1)光線的方向，使分別傳送在左右兩側(cè) 圖像源(1)中的左右立體圖像對(duì)，在左右眼所成虛像的空間位置為部分重疊或完全重疊。
全文摘要
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的立體頭盔顯示器，其特征是采用光學(xué)透視式結(jié)構(gòu)，以使用者的鼻梁部位為中心線呈左右對(duì)稱，沿光軸方向自外側(cè)到人眼中心，依次設(shè)置圖像源、方位角可以調(diào)節(jié)的偏振方位調(diào)節(jié)鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)和偏振組合鏡，偏振組合鏡將圖像源的光線方向反射偏轉(zhuǎn)90度后進(jìn)入人眼；外界光與圖像源光線成90度角，經(jīng)方位角可以調(diào)節(jié)的偏振鏡后，從偏振組合鏡透射進(jìn)入人眼；構(gòu)成立體圖像對(duì)的兩幅圖像分別傳送在左右兩側(cè)的圖像源中；以偏振方位調(diào)節(jié)鏡和偏振組合鏡構(gòu)成圖像源亮度調(diào)節(jié)單元，以偏振鏡和偏振組合鏡構(gòu)成外界光亮度調(diào)節(jié)單元。本發(fā)明能使立體頭盔顯示器的虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境達(dá)到最佳的匹配狀態(tài)，并消除雙目競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B27/01GK101661163SQ200910145090
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日
發(fā)明者呂國(guó)強(qiáng), 周仕娥, 高偉清 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)