CN105739093A - 透过式增强现实近眼显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种透过式增强现实近眼显示器，沿距离人眼由远到近的顺序依次包括：用于拍摄实景的第一微透镜阵列、成像单元、显示屏和第二微透镜阵列，还包括图像处理单元，其中，第一微透镜阵列包括多个微透镜单元，用于聚焦外部实景的光束；成像单元布置在第一微透镜阵列的焦平面上，用于将第一微透镜阵列收集到的光信号感光成像；图像处理单元用于获取成像单元感应的图像数据以获得不同景深的实景图像，并将虚拟的图像融合到实景图像中呈现到显示屏上；显示屏布置在第二微透镜阵列的焦平面上，用于向使用者呈现经图像处理单元融合后的图像；第二微透镜阵列用于将显示屏上显示的图像发散和放大后投射到人眼视网膜上，形成人眼能看清的图像。

Description

透过式增强现实近眼显示器
技术领域
本发明涉及一种近眼显示器，特别涉及一种透过式增强现实近眼显示器。
背景技术
增强现实(AugmentedReality，简称AR)，是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术，也被称之为混合现实。是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。AR通常是以透过式头盔显示系统和注册(AR系统中用户观察点和计算机生成的虚拟物体的定位)系统相结合的形式来实现的。增强现实技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。
现有的增强现实近眼显示设备，具体实现原理又划分为两大类，分别是基于光学原理的穿透式HMD(OpticalSee-throughHMD)和基于视频合成技术的穿透式HMD(VideoSee-throughHMD)，其中光学原理的穿透式一般采用的式半反半透的反射镜来实现，而基于视频合成技术的穿透式也很难实现实时显示和立体效果。以上两种均无法获得立体效果的实景图像，特备是获得全景深的实景图像，已经无法满足使用者对视觉效果越来越严格的要求。
因此，需要一种能够获得实时立体效果的全景深实景图像的增强现实的近眼显示器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种透过式增强现实近眼显示器，沿距离人眼由远到近的顺序依次包括：用于拍摄实景的第一微透镜阵列、成像单元、显示屏和第二微透镜阵列，还包括图像处理单元，其中，所述第一微透镜阵列包括多个微透镜单元，用于聚焦外部实景的光束；所述成像单元布置在所述第一微透镜阵列的焦平面上，用于将第一微透镜阵列收集到的光信号感光成像；所述图像处理单元用于获取所述成像单元感应的图像数据以获得不同景深的实景图像，并将虚拟的图像融合到实景图像中呈现到所述显示屏上；所述显示屏布置在第二微透镜阵列的焦平面上，用于向使用者呈现经图像处理单元融合后的图像；所述第二微透镜阵列用于将显示屏上显示的图像发散和放大后投射到人眼视网膜上，形成人眼能够看清的近眼图像。
优选地，所述微透镜的形状为圆形、正六边形或矩形。
优选地，所述各个微透镜单元的焦距是相同的。
优选地，所述成像单元为CCD或CMOS传感器。
优选地，所述成像单元包括多个子成像单元，每个成像子单元分别设置成对应于第一微透镜阵列的每个微透镜单元。
优选地，所述成像单元、图像处理单元和显示屏依次贴附在一起。
优选地，在所述第一微透镜阵列与所述成像单元之间设有光束引导单元。
优选地，所述光束引导单元是不透光材料制成的多个筒状结构的遮罩，每个筒状结构对应于第一微透镜阵列的一个微透镜单元。
优选地，所述第一微透镜阵列的微透镜单元与所述第二微透镜阵列的微透镜单元一一对应。
优选地，所述虚拟图像的景深与实景图像景深相匹配。
根据本发明的透过式增强现实近眼显示器具有获得立体效果的实景图像，显著提高了使用者的视觉效果，通过模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1(a)示意性示出根据本发明透过式增强现实近眼显示器的第一实施例的结构图；
图1(b)示意性示出带有光束引导单元的透过式增强现实近眼显示器的第二实施例的结构图；
图1(c)示意性示出了图1(b)中光束引导单元的局部结构图；
图2示出了本发明透过式增强现实近眼显示器所显示图像的一个实施例。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。
本发明提供一种透过式增强现实近眼显示器，通过该近眼显示器可以实时观看到使用者前方全景深的景象，并利用图像处理将其他虚拟图像融合到全景深的景象中，使用者可以观看到立体效果的图像。
图1示出了根据本发明基于微透镜阵列的透过式增强现实近眼显示器的第一种实施方式。如图1所示，该近眼显示器100沿距离人眼由远到近的顺序依次包括：用于拍摄实景的第一微透镜阵列101、成像单元102、图像处理单元103、显示屏104和第二微透镜阵列105。
第一微透镜阵列101，包括多个微透镜单元101a，用于聚焦外部实景的光束，微透镜的形状可以为圆形、正六边形或矩形等。第一微透镜阵列101的各个微透镜单元101a的焦距可以设置成相同的，也可以是不同的，以便可以采集到不同距离的用于成像的光学信息。
成像单元102，布置在第一微透镜阵列101的焦平面上，用于将第一微透镜阵列101收集到的光信号感光成像。成像单元102的传感器例如可以为CCD或CMOS，用于接收成像光强信号，转变为电信号存储起来。成像单元102优选包括多个子成像单元102a。每个成像子单元分别设置成对应于第一微透镜阵列101的每个微透镜单元101a。成像单元102与第一微透镜阵列101的组合实现了光场相机的功能，即可以捕捉一个场景中来自所有方向的光线数据，并通过图像处理单元103可获得不同景深的图像。
图像处理单元103，用于获取成像单元102感应的图像数据并对该数据进行处理，从而获得不同景深的实景图像，并可以将虚拟的图像融合到实景图像中，最后将融合后的图像呈现到显示屏104上供使用者观看，起到了增强现实的效果。此外，图像处理单元103还具有对已经获得实景图像的进行再加工以及对图像中的标识进行识别等功能，例如调整清晰度、对比度、明暗和识别标记等，从而获得不同效果的实景图像，也进一步起到了增强现实的效果。
显示屏104，布置在第二微透镜阵列105的焦平面上，用于向使用者呈现经图像处理单元103融合后的图像。真实的实景图像和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。显示屏104可以选用LCD、LED或OLED。优选地，将成像单元102、图像处理单元103和显示屏104依次贴附在一起组成一个整体，从而有效地减小占用空间，缩小了本发明近眼显示器的体积。
第二微透镜阵列105，用于将显示屏104上显示的图像发散和放大后投射到人眼105的视网膜上，然后在视网膜上聚焦成为人眼105能够看清的近眼图像，且显示屏104与人眼106间的距离至少为10mm。
图1(b)示意性示出设有光束引导单元107的透过式增强现实近眼显示器的第二实施例的结构图，光束引导单元107用于将通过所述第一微透镜阵列101成像的光束进行引导，使得与所述第一微透镜阵列101的微透镜单元的光轴之间夹角更大的光线通过所述第一微透镜阵列101透射到所述成像单元102上。如图1(b)所示，在第一微透镜阵列101与成像单元102之间设有光束引导单元107。在本实施方式中，光束引导单元107以遮罩的方式实现，所述光束引导单元107为不透光材料制成的多个筒状结构的遮罩。每个筒状结构对应于第一微透镜阵列101的一个微透镜单元101a。
图1(c)示意性地示出了图1(b)中光束引导单元107的立体结构。其中仅示出了局部微透镜单元101a和对应的光束引导单元107的四个筒状结构，以及成像单元102。如图1(c)所示，光束引导单元107相当于一个光通道，使用所述光束引导单元107可以防止相邻微透镜单元101a聚焦后的光束之间相互干扰，起到了过滤和引导的作用。每个微透镜单元101a均对应一个光束引导单元107的其中一个筒状结构，其两端的形状与微透镜的形状相匹配，一端与微透镜单元101a的边缘密封连接，另一端开口连接到成像单元102的对应区域上。
图2示出了本发明透过式增强现实近眼显示器所显示图像的一个实施例，使用者戴上本发明的近眼显示器观看前方的山峰201，首先由第一微透镜阵列101和成像单元102组成的光场摄像机获取前方山峰201的所有光线并转化成电信号图像数据，图像处理单元103将图像数据转化成不同景深的立体图像，根据使用者的需求显示不同景深的山峰201。通过图像处理单元103可以将其他虚拟图像融合到实景图像中不同景深的位置上，且虚拟图像的景深与实景图像景深相匹配。例如本实施例中将虚拟图像飞鸟202融合到实景图像山峰201中，使用户看到的效果即是山峰201前有一只飞鸟202飞过的景观。当然实景图像中可以虚拟出各种不同类型的虚拟内容，比如虚拟景观、虚拟文字、虚拟人物以及虚拟物品和标识等等，通过虚拟出不同的内容，可以极大的丰富了实景图像的内容，也提高了实景图像的观赏度。
综上所述，本发明透过式增强现实近眼显示器具有获得立体效果的实景图像，显著提高了使用者的视觉效果，广泛应用于旅游展览、模拟培训、游戏娱乐、医疗军事等领域。增强现实近眼显示器实现了将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成在一起，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。
所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种透过式增强现实近眼显示器，沿距离人眼由远到近的顺序依次包括：用于拍摄实景的第一微透镜阵列、成像单元、显示屏和第二微透镜阵列，还包括图像处理单元，其中，
所述第一微透镜阵列包括多个微透镜单元，用于聚焦外部实景的光束；
所述成像单元布置在所述第一微透镜阵列的焦平面上，用于将第一微透镜阵列收集到的光信号感光成像；
所述图像处理单元用于获取所述成像单元感应的图像数据以获得不同景深的实景图像，并将虚拟的图像融合到实景图像中呈现到所述显示屏上；
所述显示屏布置在第二微透镜阵列的焦平面上，用于向使用者呈现经图像处理单元融合后的图像；
所述第二微透镜阵列用于将显示屏上显示的图像发散和放大后投射到人眼视网膜上，形成人眼能够看清的近眼图像。
2.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述微透镜的形状为圆形、正六边形或矩形。
3.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述各个微透镜单元的焦距是相同的。
4.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述成像单元为CCD或CMOS传感器。
5.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述成像单元包括多个子成像单元，每个成像子单元分别设置成对应于第一微透镜阵列的每个微透镜单元。
6.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述成像单元、图像处理单元和显示屏依次贴附在一起。
7.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中在所述第一微透镜阵列与所述成像单元之间设有光束引导单元。
8.如权利要求7所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述光束引导单元是不透光材料制成的多个筒状结构的遮罩，每个筒状结构对应于第一微透镜阵列的一个微透镜单元。
9.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述第一微透镜阵列的微透镜单元与所述第二微透镜阵列的微透镜单元一一对应。
10.如权利要求1所述的透过式增强现实近眼显示器，其中所述虚拟图像的景深与实景图像景深相匹配。
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Application publication date: 20160706

Assignee: Google Inc.

Assignor: BEIJING ANTVR TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024990000126

Denomination of invention: Through type augmented reality near eye display

Granted publication date: 20180206

License type: Common License

Record date: 20240411