一種VR虛擬現(xiàn)實和AR增強現(xiàn)實兼容的頭戴顯示設備的制作方法

本發(fā)明屬于智能穿戴技術領域，涉及一種VR虛擬現(xiàn)實和AR增強現(xiàn)實兼容的頭戴顯示設備。

背景技術：

虛擬現(xiàn)實(VR)通過綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種控制設備，可為用戶生成可交互的三維環(huán)境，并使用戶產生沉浸感。VR顯示時，用戶無法看到外景，只能看到虛擬圖像。

增強現(xiàn)實(AR)是通過計算機系統(tǒng)提供的信息增加用戶對現(xiàn)實世界感知的技術，將虛擬的信息應用到真實世界，并將計算機生成的虛擬物體、場景或信息疊加到真實場景，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實的增強。AR顯示時，用戶既能看到真實外景，又能看到虛擬圖像。

頭戴顯示設備是佩戴于用戶頭部的顯示設備，具有易于穿戴、近眼顯示等特點。目前的頭戴顯示設備只有單一顯示模式的AR頭戴顯示器或VR頭戴顯示器，尚沒有一種能夠兼容兩種顯示模式、能夠AR/VR切換的頭戴顯示設備，其主要原因是顯示部件無法實現(xiàn)兼容：VR頭戴顯示器的像源位于正前方，遮擋了外部景物；AR顯示器的視場角往往不超過30°，難以形成沉浸體驗。用戶佩戴VR頭戴顯示器時無法在戶外使用，佩戴AR頭戴顯示器時則視場角太小、沉浸體驗較差。因此，需要設計一種VR/AR可切換的頭戴顯示設備。

技術實現(xiàn)要素：

要解決的技術問題

為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種VR虛擬現(xiàn)實和AR增強現(xiàn)實兼容的頭戴顯示設備，以解決頭戴顯示器不能同時支持AR顯示和VR顯示的問題。

技術方案

一種VR虛擬現(xiàn)實和AR增強現(xiàn)實兼容的頭戴顯示設備，其特征在于包括顯示部件和處理部件，所述顯示部件包括像源、電致變色玻璃凹透鏡、半透半反鏡和凸透鏡；由外景方向沿光軸依次設有凹透鏡、半透半反鏡和凸透鏡，像源垂直于半透半反鏡的反射光軸上；所述電致變色玻璃凹透鏡在AR模式時凹透鏡為透明；在VR模式時凹透鏡為不透明；所述處理部件包括CPU數(shù)據(jù)處理器、GPU圖像處理器和電源；CPU數(shù)據(jù)處理器的輸出連接凹透鏡和GPU圖像處理器，GPU圖像處理器的輸出連接像源；當選擇AR模式時，CPU數(shù)據(jù)處理器控制電致變色凹透鏡的電流信號，使得電致變色凹透鏡處于透明狀態(tài)，同時CPU控制GPU產生AR模式的虛擬圖像輸出至像源；外景通過凹透鏡和半透半反鏡至凸透鏡，像源的虛擬圖像通過半透半反鏡至凸透鏡，實現(xiàn)外景和像源圖像的疊加顯示；當選擇VR模式時，CPU數(shù)據(jù)處理器控制電致變色凹透鏡的電流信號，使得電致變色凹透鏡處于非透明狀態(tài)，阻擋外景的光線，同時CPU控制GPU產生AR模式的虛擬圖像輸出至像源，像源的虛擬圖像通過半透半反鏡和凸透鏡后呈現(xiàn)于人眼；電源為數(shù)據(jù)處理器和圖像處理器提供工作電源。

所述顯示部件為兩套，分別用于左眼和右眼，數(shù)據(jù)處理器對兩套電致變色玻璃凹透鏡輸出同樣的調節(jié)電流信號，圖像處理器對兩套像源分別輸出用于左、右眼的不同圖像。

所述的像源為LCOS像源、LCD像源或OLED像源。

所述半透半反鏡為分光棱鏡、自由曲面光學鏡片或光波導鏡片。

有益效果

本發(fā)明提出的一種VR虛擬現(xiàn)實和AR增強現(xiàn)實兼容的頭戴顯示設備，通過控制凹透鏡的透過率和GPU的顯示畫面，配合半透半反鏡和凸透鏡進行光路調整，從而實現(xiàn)VR/AR顯示切換。本發(fā)明解決了VR頭戴顯示設備無法真實比例看外景的問題，同時解決了以往AR頭戴顯示設備像源亮度較低，無法在強光下使用的問題，擴展了頭戴顯示設備的使用范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明組成示意圖；

圖2為本發(fā)明AR模式和VR模式原理示意圖。

1-電致變色玻璃凹透鏡，2-半透半反鏡，3-像源，4-凸透鏡，5-顯示部件，6-處理部件，7-CPU數(shù)據(jù)處理器，8-GPU圖像處理器，9-電源。

具體實施方式

現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本發(fā)明為解決上述技術問題而提供本發(fā)明涉及一種VR和AR兼容的頭戴顯示設備，包括顯示部件和處理部件，其中顯示部件由像源、凹透鏡、半透半反鏡、凸透鏡組成，處理部件由數(shù)據(jù)處理器(CPU)、圖像處理器(GPU)和電源組成，如圖1所示。

所述凹透鏡材料為電致變色玻璃，通過電信號調節(jié)，能夠改變玻璃的透過率；在AR模式，凹透鏡為透明，外景通過凹透鏡、半透半反鏡和凸透鏡后，以真實比例呈現(xiàn)于人眼，像源產生的預畸變圖像(不限于字符圖像)通過半透半反鏡和凸透鏡，無畸變放大呈現(xiàn)于人眼，實現(xiàn)外景和像源圖像的疊加顯示，如圖2a所示，同時根據(jù)外界光線亮度，可調整其透過率，從而在強光外景中，保證畫面的對比率。在VR模式，凹透鏡為不透明，外景發(fā)出的光線無法透過凹透鏡，像源產生的虛擬圖像通過半透半反鏡和凸透鏡，放大后呈現(xiàn)于人眼，實現(xiàn)高沉浸感的虛擬現(xiàn)實體驗，如圖2b所示。

所述凸透鏡具有放大畫面、增強沉浸感的作用，像源產生的畫面通過凸透鏡后放大顯示；外景畫面通過凹透鏡、凸透鏡后還原為真實比例顯示。

所述半透半反鏡為分光棱鏡，既可以反射像源產生的畫面，也可以透過外景畫面，且反射及透射的畫面均為真實比例無失真。

所述像源包括且不限于LCOS像源、LCD像源和OLED像源，由于AR模式外景亮度可以調節(jié)，因此設備對于像源亮度不需要過高要求。

所述GPU在AR模式能夠在像源上產生預畸變校正的圖像，該圖像經過所述半透半反鏡后，在人眼呈現(xiàn)出無畸變的圖像；所述GPU能夠同時獨立驅動兩個像源，在像源上顯示獨立畫面，分別實現(xiàn)單目顯示、雙目顯示和3D顯示等顯示效果。

所述CPU通過控制所述GPU產生不同模式的顯示畫面和控制所述凹透鏡改變透明度，從而實現(xiàn)所述頭戴顯示設備的模式切換。

各個部件連接位置關系：由外景方向沿光軸依次設有凹透鏡、半透半反鏡和凸透鏡，像源垂直于半透半反鏡的反射光軸上；所述電致變色玻璃凹透鏡在AR模式時凹透鏡為透明；在VR模式時凹透鏡為不透明；CPU數(shù)據(jù)處理器的輸出連接凹透鏡和GPU圖像處理器，GPU圖像處理器的輸出連接像源。

本發(fā)明具體實現(xiàn)分為AR顯示模式和VR顯示模式，見圖1、圖2：

AR顯示模式

1、CPU控制電致變色凹透鏡為透明色；

2、CPU控制GPU產生預畸變的視頻(不僅限于字符畫面)；

3、像源接收GPU的視頻，并產生像源畫面；

4、像源畫面通過半透半反鏡反射到凸透鏡；

5、凸透鏡對像源畫面進行放大并消除畸變，并呈現(xiàn)于人眼前；

6、外景畫面通過凹透鏡被縮小并產生畸變，透過半透半反鏡后，被凸透鏡放大還原并消除畸變；

7、像源畫面和外景畫面在人眼處疊加顯示，實現(xiàn)增強顯示；

8、當外景亮度較高時，CPU控制電致變色凹透鏡透過率降低，從而使外景亮度降低，保證像源畫面的對比率；

9、當用戶不希望像源圖像遮擋外景時，CPU控制像源降低亮度，從而改變像源圖像在外景中的透明度。

VR顯示模式

1、CPU控制電致變色凹透鏡為不透明；

2、CPU控制GPU產生預畸變的虛擬現(xiàn)實圖像；

3、像源接收GPU的視頻，并產生像源畫面；

4、像源畫面通過半透半反鏡反射到凸透鏡；

5、凸透鏡對像源畫面進行放大并消除畸變，呈現(xiàn)于人眼前；

通過打開/關閉任意一個像源，從而實現(xiàn)雙目顯示和單目顯示切換。