CN107272204B - 自动对焦、多焦面vr显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动对焦、多焦面VR显示系统。包括人眼、透镜、第一屏幕、第二屏幕和偏振反射片，透镜、偏振反射片和第二屏幕同光轴依次布置，并在偏振反射片侧方设有第一屏幕，人眼位于第二屏幕前方；第一、第二屏幕分别位于偏振反射片旁侧和正侧，通过偏振反射片对第一屏幕和第二屏幕发出的光进行分光进入人眼；第一屏幕和第二屏幕各自到人眼的光程不同，通过调节移动透镜沿光轴位置进而调节透镜到第一屏幕和第二屏幕的光程距离，从而改变人眼经透镜的聚焦平面，使得人眼所看到的虚像在第一屏幕和第二屏幕之间切换。本发明解决了由景深引起的辐奏调节冲突而导致的视觉眩晕问题，大大降低了视觉冲突，从而降低眩晕感。

Description

自动对焦、多焦面VR显示系统

技术领域

本发明涉及近眼显示系统，更具体的为一种自动对焦、多焦面VR显示系统。

背景技术

目前近眼显示设备已经基本被大家所熟知，商业化、市场化、产品化日趋明显，尤其是具有沉浸感、交互性、构想性等特点的虚拟现实(VR)技术更是火热，但仍然没有完全被大众所接受，归根结底是其仍然存在一些瓶颈技术，比如内容缺乏、高端设备价钱贵、笨重、眩晕等等；而其中眩晕是目前急于解决又最难解决的瓶颈之一。

导致眩晕的原因有很多，比如刷新延迟、晕动症、画面变形、由景深导致的辐奏调节冲突、聚焦紊乱等等，而辐奏调节冲突是最难解决也是最容易导致眩晕的原因。

而现实中用户在使用VR头盔时，还是可以感觉很近和很远的物体，但跟现实的区别是：现实中，在观察近处物体时，远处的物体会不清晰，在观察远处物体时，近处的物体会不清楚，其原因是人眼的景深是有一定范围的。例如：现实中，面前有一台电脑，当观察电脑后方很远的实物时，近处的电脑是模糊的。

现有VR头盔中的光路结构都是由单一屏幕发光，如图1所示，透镜4把第二屏幕6的像放大后进入人眼1，因此人所看到的虚像3均在第二屏幕6后方的同一个平面上，因此其虚像本身并无层次感，就会导致晕眩。

但虚拟现实中，无论在观察近处还是远处的物体，同样能看清楚。在虚拟现实中，由于虚像都在同一平面，远处物体跟近处电脑都能看清，这就跟现实有很大冲突，人脑和人眼配合要在远处近处之间不断调节，时间久了，大脑就会疲劳导致眩晕。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种自动对焦、多焦面VR显示系统，从光场方向研究解决了辐奏调节冲突导致的视觉眩晕问题，可有效缓解这种视觉冲突，让人观察到有深度的内容。

在虚拟现实中，由于虚像都在同一平面，远处物体跟近处电脑都能看清，这就跟现实有很大冲突，人脑在远处近处之间不断调节，时间久了，大脑就会疲劳导致眩晕。本发明即是解决了这样的问题。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括人眼、透镜、第一屏幕、第二屏幕和偏振反射片，透镜、偏振反射片和第二屏幕同光轴依次布置，并在偏振反射片侧方设有第一屏幕，人眼位于第二屏幕前方。

所述的第一屏幕位于偏振反射片旁侧，第二屏幕位于偏振反射片正侧，第一屏幕发出的光经偏振反射片反射后再经透镜进入人眼，第二屏幕发出的光经偏振反射片透射后再经透镜进入人眼，通过偏振反射片对第一屏幕和第二屏幕发出的光进行分光进入人眼，第一屏幕的偏振态与偏振反射片垂直，而第二屏幕的偏振态与偏振反射片一致。

偏振反射片的作用主要是起到透射及反射的作用，将第一屏幕的光最大限度透过，将第二屏幕的光最大限度反射。本发明使得第一屏幕的偏振态与偏振反射片垂直，而第二屏幕的偏振态与偏振反射片一致，这样，第一屏幕发出的光能完全穿过偏振反射片，第二屏幕的光能在偏振反射片上反射进入人眼，两者在人眼视网膜上成像并进行叠加，合成一个完整的图像。

所述的第一屏幕和第二屏幕各自到人眼的光程不同，通过调节移动透镜沿光轴位置进而调节透镜到第一屏幕和第二屏幕的光程距离，从而改变人眼经透镜的聚焦平面，使得人眼所看到的虚像在第一屏幕和第二屏幕之间切换。

所述的透镜连接有马达，通过马达带动透镜沿光轴移动。

所述的人眼的正前方还设有人眼追踪系统，利用人眼追踪系统检测人眼所聚焦的平面视觉位置，通过平面视觉位置结合匹配屏幕上所显示的视觉内容对应获得是否需要进行成像处理的情况，进而获得移动透镜沿光轴位置的信号。具体来说是将平面视觉位置对应到屏幕上所显示的视觉内容的相同位置处，如果该位置的视觉内容需要清晰，则将透镜沿光轴移动到合适位置，使得虚像成像于该视觉内容清晰所对应的屏幕处。

所述的第一屏幕和第二屏幕分别显示VR视觉呈现内容的不同远近处部分。

所述的第一屏幕和第二屏幕显示相同的VR视觉呈现内容，但第一屏幕和和第二屏幕所显示的VR视觉呈现内容中的不同远近处部分的模糊度不同。即第一屏幕所显示的远处部分模糊、近处部分清晰，第二屏幕所显示的近处部分模糊、远处部分清晰。

所述的透镜经偏振反射片后分别到第一屏幕和第二屏幕的光程距离之差2mm～6mm。

所述的透镜的焦距为30mm～60mm。

第一屏幕5与第二屏幕6到透镜4的光程不相等，第二屏幕6光程需要大于第一屏幕5，其距离差要求也相对严格。如果太小，体现不出离焦带来的模糊感，太大会导致整机偏大，本发明经过模拟、计算，确认这个差值在2mm～6mm之间是比较合适的，即第二屏幕6到透镜4的距离比第一屏幕5到透镜4的距离远2mm～6mm，或者相反。而透镜4的焦距一般为30mm～60mm比较合适。

本发明的有益效果：

本发明主要在于通过光路设计，在光学上实现双层内容叠加，并结合眼球追踪系统，实现全自动对焦近处和远处物体，来解决在VR中由于视觉辐奏调节冲突引起的眩晕，尽可能的接近人眼在现实中观察物体的情况。

本发明解决了由景深引起的辐奏调节冲突而导致的视觉眩晕问题，大大降低了视觉冲突，从而降低眩晕感。

附图说明

附图1为现有光路结构图。

附图2为本发明的光路结构图。

附图3为本发明系统信号反馈流程图。

图中：人眼1、第二屏幕6、虚像3、透镜4、第一屏幕5、第二屏幕6、偏振反射片7、马达8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例如下

实施例1：

如图2所示，包括人眼1、透镜4、第一屏幕5、第二屏幕6和偏振反射片7，透镜4、偏振反射片7和第二屏幕6同光轴依次布置，并在偏振反射片7侧方设有第一屏幕5，人眼1位于第二屏幕6前方，人眼1的正前方还设有人眼追踪系统，透镜4连接有马达8；第一屏幕5位于偏振反射片7旁侧，第二屏幕6位于偏振反射片7正侧，第一屏幕5发出的光经偏振反射片7反射后再经透镜4进入人眼1，第二屏幕6发出的光经偏振反射片7透射后再经透镜4进入人眼1。

通过设置两组屏幕，再通过偏振反射片分光进入人眼，同时加入人眼追踪系统及马达，来调节透镜4到屏幕的距离，从而改变聚焦平面。

具体实施中，第一屏幕5和第二屏幕6所显示的内容不一样，第一屏幕5仅显示近处的物体，第二屏幕6仅显示远处的物体，第一屏幕5与第二屏幕6显示的视觉内容组合起来为一个完整的内容。例如：在一段VR视频中，近处是电脑，远处是一棵树，将电脑等近处物体显示在第一屏幕5上，将树木等远处物体显示在第二屏幕6上。

并且第一屏幕5和第二屏幕6到人眼的总光程有一定差异，即两屏幕到透镜4的距离不同。

当通过人眼追踪系统检测到人观察屏幕上视觉内容中的近处物体时，人眼通过透镜观察第一屏幕5，通过马达8调节透镜4沿光轴的位置，使得第一屏幕5位于透镜4的焦点上，其显示的像是清晰的，而第二屏幕6距离透镜4较远处于离焦状态，所显示的像是模糊的。

当通过人眼追踪系统检测到人观察屏幕上视觉内容中的远处物体时，控制马达8调节透镜4对焦第二屏幕6，使得第一屏幕5不再位于透镜4焦点上，第二屏幕6位于透镜4焦点上，第二屏幕6的像是清晰的，而第一屏幕5处于离焦状态，其像是模糊的。

由此，本发明系统到人眼所成像与现实中的观察事物相复合，就解决了普通VR观察中出现的无论观察近处还是远处物体都是清晰的情况，避免了大脑不断调节导致的疲劳眩晕。

实施例2：

如图2所示，整体结构同实施例1，不同点在于：

不需要把图像中远近物体显示分别显示在第一屏幕5和第二屏幕6上，而是让第一屏幕5和第二屏幕6所显示的内容基本相同，但是需要对各个屏幕所显示的内容做不同的模糊位置处理：让第一屏幕5所显示的近处物体清晰，远处物体模糊；第二屏幕6显示的近处物体是模糊的，远处物体是清晰的。

当对焦第一屏幕5时，只能看清近处的物体，远处的物体是模糊的，而第二屏幕6整体处于离焦状态，整个像都是模糊的，叠加下来达到近处物体清晰远处物体模糊的目的；当对焦第二屏幕6时亦然。

如图3所示，具体实施中，人眼通过透镜4观察屏幕，当观察远处物体时，人眼追踪系统探测到人眼球视线位置，获得“眼球在观察远处物体还是近处物体”的信息，并计算出透镜4需要走多少距离，然后驱动马达8调节透镜4沿光轴距离。此时人眼追踪系统一直在工作中，当透镜4移动一段距离后，人眼追踪系统探测到已调节移动到合适位置时，立刻反馈控制马达8驱动停止移动透镜4。

由此可见，本发明使得虚拟现实中，无论在观察近处还是远处的物体，用户同样都能看清楚。

Claims (4)

1.一种自动对焦、多焦面VR显示系统，其特征在于：包括人眼(1)、透镜(4)、第一屏幕(5)、第二屏幕(6)和偏振反射片(7)，透镜(4)、偏振反射片(7)和第二屏幕(6)同光轴依次布置，并在偏振反射片(7)侧方设有第一屏幕(5)，人眼(1)位于第二屏幕(6)前方；

所述的第一屏幕(5)位于偏振反射片(7)旁侧，第二屏幕(6)位于偏振反射片(7)正侧，第一屏幕(5)发出的光经偏振反射片(7)反射后再经透镜(4)进入人眼(1)，第二屏幕(6)发出的光经偏振反射片(7)透射后再经透镜(4)进入人眼(1)，通过偏振反射片(7)对第一屏幕(5)和第二屏幕(6)发出的光进行分光进入人眼(1)；

所述的第一屏幕(5)和第二屏幕(6)各自到人眼(1)的光程不同，通过调节移动透镜(4)沿光轴位置进而调节透镜(4)到第一屏幕(5)和第二屏幕(6)的光程距离，从而改变人眼(1)经透镜(4)的聚焦平面，使得人眼(1)所看到的虚像在第一屏幕(5)和第二屏幕(6)之间切换；

所述的人眼(1)的正前方还设有人眼追踪系统，利用人眼追踪系统检测人眼所聚焦的平面视觉位置，通过平面视觉位置结合匹配屏幕上所显示的视觉内容对应获得是否需要进行成像处理的情况，进而获得移动透镜(4)沿光轴位置的信号；

所述的第一屏幕(5)和第二屏幕(6)分别显示VR视觉呈现内容的不同远近处部分；第一屏幕(5)和第二屏幕(6)所显示的内容不一样，第一屏幕(5)仅显示近处的物体，第二屏幕(6)仅显示远处的物体，第一屏幕(5)与第二屏幕(6)显示的视觉内容组合起来为一个完整的内容；

或者所述的第一屏幕(5)和第二屏幕(6)显示相同的VR视觉呈现内容，但第一屏幕(5)和第二屏幕(6)所显示的VR视觉呈现内容中的不同远近处部分的模糊度不同；让第一屏幕(5)所显示的近处物体清晰，远处物体模糊；第二屏幕(6)显示的近处物体是模糊的，远处物体是清晰的；

当通过人眼追踪系统检测到人观察屏幕上视觉内容中的近处物体时，人眼通过透镜观察第一屏幕(5)，通过马达(8)调节透镜(4)沿光轴的位置，使得第一屏幕(5)位于透镜(4)的焦点上，其显示的像是清晰的，而第二屏幕( 6) 距离透镜(4)较远处于离焦状态，所显示的像是模糊的；

当通过人眼追踪系统检测到人观察屏幕上视觉内容中的远处物体时，控制马达(8)调节透镜(4)对焦第二屏幕(6)，使得第一屏幕(5)不再位于透镜(4)焦点上，第二屏幕(6)位于透镜(4)焦点上，第二屏幕(6)的像是清晰的，而第一屏幕(5)处于离焦状态，其像是模糊的。

2.根据权利要求1所述的一种自动对焦、多焦面VR显示系统，其特征在于：所述的透镜(4)连接有马达(8)，通过马达(8)带动透镜(4)沿光轴移动。

3.根据权利要求1所述的一种自动对焦、多焦面VR显示系统，其特征在于：所述的透镜(4)经偏振反射片(7)后分别到第一屏幕(5)和第二屏幕(6)的光程距离之差2mm～6mm。

4.根据权利要求1所述的一种自动对焦、多焦面VR显示系统，其特征在于：所述的透镜(4)的焦距为30mm～60mm。