可寻址光线屏蔽机制光学透视式头盔显示器制造技术

传统的光学透视式头盔显示器存在不能正确显示虚拟物体和真实环境之间的遮挡关系和光强度匹配关系的问题，无法实现虚拟物体与真实环境的融和显示。针对传统光学透视式头盔显示器的特点，本发明专利技术研制了一种新型的光学透视式头盔显示系统，引入可寻址光线屏蔽机制，使用灰度液晶作为可寻址的光学滤光器，同时嵌入智能光调制机制，可以实现增强现实显示中虚实物体的相互遮挡和光强匹配，同时解决了人眼观察虚拟图像和外界景物时眼睛聚焦不同的问题，实现虚拟物体与真实环境图像的融和显示。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及增强现实显示
，适用于增强现实系统中虚实物体融合的研究。
技术介绍
增强现实中的虚实结合问题是实现增强现实的关键问题。增强现实技术与虚拟现实技术的根本区别，就在于计算机生成的虚拟环境和用户周围的现实环境是共存的，用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围环境的组成部分。增强现实技术是要将计算机生成的虚拟环境和用户周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围环境的组成部分。因此，在增强现实系统中，虚拟物体和真实场景的混合显示的目标是结合真实和虚拟世界来实现场景的无缝拼合。增强现实系统中主要使用透视式头盔显示器来实现虚拟物体与真实环境的混合显示。在增强现实系统中，佩戴透视式头盔显示器的使用者既可以看到外部的真实环境，又可以看到计算机生成的虚拟景物。透视式头盔显示器是将虚拟景物和真实环境融合的重要显示设备，是AR系统中的关键设备。基于光学原理的光学透视式头盔显示器则是通过一对安装在眼前的半透半反的光学合成器实现对外界真实环境与虚拟信息的融合的，参照图3。真实场景直接透过半反半透镜呈现给用户，经过光学系统放大的虚拟场景经半反半透镜反射而进入眼睛，真实场景和虚拟场景的融合通过光学合成器来实现。与视频透视式头盔显示器相比，光学透视式头盔显示器具有结构简单、价格便宜、无视觉偏差和安全等优点。但是光学透视式头盔显示器存在的两个主要缺点影响了虚拟物体与真实环境的融和显示(一)虚拟物体与真实环境的遮挡关系问题。遮挡关系是深度信息的有力表征，逼真的遮挡景象是制造令人信服的增强现实环境的重要部分。真实和虚拟物体相互遮挡增强了用户虚拟物体真实地存在于真实世界的感觉。在传统的光学透视式头盔显示器中，真实场景和虚拟图像的融和是在半透半反的光学组合器。系统对真实场景可控制的部分就仅仅是组合器的透光率，很难实现虚拟图像对真实场景的遮挡，虚拟物体看上去是虚的或半透明的，这样就会大大降低虚拟物体的真实感，甚至会使用户对场景混淆，而不能达到增强现实系统的应用目的。(二)虚拟物体与真实环境光强度的匹配特性问题。自然界光照强度的变化范围跨度大，而显示器光强度的变化范围却无法与之匹敌。因此光学透视式头盔显示器存在真实与虚拟场景光强度难以达到最佳匹配的缺点。
技术实现思路
为了解决目前光学透视式头盔显示器存在的上述问题，本专利技术研制了一种新型的可寻址光线屏蔽机制光学透视式头盔显示系统。本专利技术的主要内容为本专利技术是由可寻址灰度液晶显示板，虚拟图像显示液晶，倒像棱镜系统，放大率为1的望远系统，测光系统，智能光强调节系统，PC机组成。在该显示器的真实环境显示通道中引入了一个放大率为1的望远系统，使深度不确定的外部环境先通过物镜成像在望远系统的分划面上，再通过目镜进入人眼。可寻址光线屏蔽模块位于望远系统的分划面上，实现对真实环境被遮挡部分的屏蔽，及与虚拟图像显示通道的光强匹配。测光系统实时检测外界环境的光照强度情况，根据光照强度情况控制调节液晶显示板LCD的整体透光率，调节进入头盔显示器的真实环境光强度可寻址光线屏蔽模块和测光系统构成智能光强调节机制，使系统实现自动光强调节功能，达到虚拟物体和真实物体的光强度匹配。本专利技术的原理是传统的光学透视式头盔显示器不具备正确呈现相互遮挡的能力，添加到真实环境中的图像总是半透明的浮在真实场景前。为了解决这个问题，我们采取的方案是在头盔显示器中嵌入光线屏蔽机制。在传统的光学透视式显示系统和外面的景色间安放一个液晶显示板作为可寻址的光学滤光器，其目的是有选择地屏蔽来自外部的任意光线。为解决人眼观察液晶显示板和外界景物时眼睛聚焦不同的问题，系统中还引入一个具有放大率为1的望远镜。按照此方案，观察者可以同时聚焦外部的景色和LCD板上的图案，实现虚拟物体与真实环境图像的融和显示。为了解决真实与虚拟图像在光强度上的不匹配这个问题，需要在头盔显示器中嵌入智能光强调节机制，能够根据外界真实环境的光照情况，自动对进入头盔显示器的真实环境光强度进行调节。引入测光系统，对外界环境的光照强度情况进行实时检测，根据光照强度情况控制调节液晶显示板的整体透光率，从而实现真实环境与虚拟图像的光强度匹配。与现有技术相比较，本专利技术具有以下优点引入的可寻址光线屏蔽机制可以进行自动测光和智能光强调节；能够实现虚实物体的亮度匹配和相互遮挡；解决了传统光学透视式头盔显示器两个光学通道不共焦的问题。附图说明图1-可寻址光线屏蔽机制光学透视式头盔显示系统基本方案示意图，其中1-可寻址灰度液晶显示板，2-虚拟图像显示液晶，3-倒像棱镜系统，4-放大率为1的望远系统，5-测光系统，6-真实环境，7-智能光强调节系统，8-PC机；图2-可寻址光线屏蔽机制光学透视式头盔显示系统光学设计结构图，其中9-双面反射镜，10-反射镜1，11-反射镜2，12-光学组合器1，13-光学组合器2，14-反射镜3，15-物镜，16-目镜；图3-光学透视式头盔显示器原理，其中17-光学组合器，18-中继透镜组；图4-实验测得的LCD透过率曲线及拟合曲线图；图5-虚实遮挡实验结果图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术是由可寻址灰度液晶显示板1，虚拟图像显示液晶2，倒像棱镜系统3，放大率为1的望远系统4，测光系统5，智能光强调节系统6，PC机7组成，如图1所示。本专利技术中的光路是由真实环境显示通道和虚拟图像显示通道两个光路组成，如图2所示。真实环境显示通道的光学设计包括倒像棱镜组的设计和放大率为1的望远系统的设计。图3的结构从原理上来说是可行的，但是，如果按照这样的结构设计，该系统会是一个很长的镜筒。这样，人眼观察真实环境的视点会有一个较大的轴向偏移。由于系统的轴向尺寸会比较大，还会给头盔的整体结构平衡设计带来较大困难。因此我们利用反射系统，简化了倒像系统，仅用两个透镜组就同时实现了倒像和望远系统的设计。虚拟环境显示通道与真实环境显示通道共用同一目镜系统，同时由于1和2的位置共轭，使得真实环境与虚拟物体成像于同一焦平面上。真实环境光线经双面反射镜1反射后到达反射镜2并被反射至望远系统物镜15，经过物镜的光线被反射镜3反射，通过可寻址LCD 1，到达半透半反镜12。该镜使一部分光线透射进入测光系统，另一部分反射至光学组合器(半透半反镜)13。经13的光线通过望远系统的目镜16再次被双面反射镜1反射，最终进入人眼。另一方面，虚拟图像的光线从液晶显示器2发出后被反射镜14反射进入光学组合器13，透射后与真实环境光线一起经目镜16到达双面反射镜1，进入人眼。本专利技术中的智能光强调节机制由液晶显示板和测光系统构成。液晶板位于像面上，不会对成像造成模糊。外界环境中的光线受液晶调制，在光学组合器上，一部分光线反射进入人眼，一部分透射进入测光系统。测光系统实时检测外界环境的光照强度情况，根据光照强度情况控制调节液晶显示板LCD的整体透光率，对进入头盔显示器的真实环境光强度进行调节，从而实现真实环境与虚拟图像的光强度匹配。本专利技术中，智能光强调节机构使用USB接口的摄像机作为测光系统，对进入人眼的真实环境图像进行分析，根据图像亮度调节液晶板的透过率，直至光强匹配，具体原理如下由于液晶的显示机理，LCD显示屏的每一个象素点类似一个透过率可变的光阀或者滤光片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可寻址光线屏蔽机制光学透视式头盔显示器，其特征在于，它是由可寻址灰度液晶显示板、虚拟图像显示液晶、倒像棱镜系统、放大率为１的望远系统、测光系统、智能光强调节系统、ＰＣ机组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周雅，闫达远，马晋涛，王红，刘宪鹏，高宇，刘伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]