CN107561697B - 近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备，括S个可调激光光源、S个分光组件、扫描光纤阵列和控制器，所述S个可调激光光源和所述S个分光组件一一对应，所述S个分光组件与S个非干涉区域一一对应，所述S个分光组件包括M*N个输出通道，所述S个可调激光光源输出的激光经过所述S个分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述S个可调激光光源，用于根据预先存储的影像信息的显示视场灰度，控制每个可调激光光源的输出能量；所述扫描光纤阵列用于传输从所述S个分光组件输出的输出光束；所述控制器根据所述对应关系，控制所述扫描光纤阵列中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼。

Description

近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备

技术领域

本发明涉及视觉技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备。

背景技术

随着计算机视觉技术的飞速发展，使得增强现实技术和虚拟现实技术也随之飞速发展。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索，将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的虚拟图像显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息，或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。而虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，该模拟环境能够同时通过视觉、听觉、触觉等反馈方式，使得用户沉浸到模拟环境展示出的虚拟世界中。

现有的增强现实技术和虚拟现实技术在通过扫描光纤阵列显示虚拟图像时，每一时刻显示一个像素点，例如以显示一幅800*600的单色图像为例，人眼的刷新率取最低要求30Hz，为了使得人眼能够看到显示的虚拟图像，则控制扫描光纤阵列中扫描光纤开通和断开的光开关的开关频率最低为＝14.3MHz，扫描光纤的扫描频率最低为＝12KHz；若需显示RGB彩色图像，由于显示彩色图像需采用时序的方法，故需要的光开关的开关频率最低为＝43MHz，扫描光纤的扫描频率最低为＝36kHz，不管显示单色图像还是彩色图像，所需要的光开关的开关频率过高，且开关频率越高使得浪费的能量越多，由此可知，现有技术中存在光开关的开关频率过高，导致能量利用率低的问题。

发明内容

本发明提供一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备，能够有效降低光开关的开关频率，且能够有效提高能量利用率。

本申请实施例第一方面提供了一种近眼显示系统，包括S个可调激光光源、S个分光组件、扫描光纤阵列和控制器，所述控制器中预存有所述扫描光纤阵列中的扫描光纤和S个非干涉区域的对应关系，且所述对应关系包括每个非干涉区域对应的区域视场信息，所述S个可调激光光源和所述S个分光组件一一对应，所述S个分光组件与所述S个非干涉区域一一对应，每个分光组件包括多个输出通道，且所述S个分光组件一共包括M*N个输出通道，S、M和N均为不小于2的整数；

所述S个可调激光光源输出的激光经过所述S个分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述S个可调激光光源，用于根据预先存储的影像信息的显示视场灰度，控制每个可调激光光源的输出能量；所述扫描光纤阵列中的扫描光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述S个分光组件输出的输出光束；所述控制器根据所述对应关系，控制所述扫描光纤阵列中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼。

可选的，所述可调激光光源包括三色激光光源、准直镜组、合束器、耦合器和耦合光纤，其中，所述三色激光光源输出三色激光；所述准直镜组设置于所述三色激光光源的出射光路上，用于对所述三色激光进行准直处理；所述合束器设置于所述准直镜组的出射光路上，用于将所述准直镜组出射的激光进行合束处理；所述耦合器设置于所述合束器的出射光路上，用于将所述合束器出射的激光耦合到所述耦合光纤中；所述耦合光纤与所述耦合器相连，所述耦合光纤用于传输经过所述耦合器的激光。

可选的，每束扫描光纤包括扫描器，所述扫描器设置在所述扫描光纤上，用于将所述扫描光纤进行偏转，使得所述扫描光纤出射的光束也随之偏转。

可选的，所述扫描光纤阵列中的扫描光纤对应S个非干涉区域，具体为：

所述控制器用于根据预设条件，将所述扫描光纤阵列中的扫描光纤划分成S个非干涉区域。

可选的，所述控制器用于根据出瞳直径的大小，将所述扫描光纤阵列中的扫描光纤划分成所述S个非干涉区域。

可选的，所述近眼显示系统还包括会聚透镜阵列组，所述会聚透镜阵列组包括第一组会聚透镜阵列和第二组会聚透镜阵列，所述第一组会聚透镜阵列设置于所述扫描光纤阵列的靠近人眼一侧，所述第二组会聚透镜阵列设置于所述扫描光纤阵列的远离人眼一侧。

可选的，所述第一组会聚透镜阵列和所述第二组会聚透镜阵列均为准直会聚透镜阵列，且所述第一组会聚透镜阵列和所述第二会聚透镜阵列组成1:1的望远系统。

可选的，所述第一组会聚透镜阵列和所述第二组会聚透镜阵列均为电控液体微透镜阵列，且所述第一组会聚透镜阵列和所述第二会聚透镜阵列组成1:1的无焦系统。

可选的，所述近眼显示系统还包括会聚透镜阵列，所述会聚透镜阵列设置于所述扫描光纤阵列的靠近人眼一侧。

可选的，所述近眼显示系统还包括调光结构，所述调光结构设置于所述扫描光纤阵列的远离人眼一侧。

本申请实施例第二方面提供了一种虚拟现实设备，包括两套如第一方面的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应。

本申请实施例第三方面提供了一种增强现实设备，包括两套如第一方面的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应；外界环境光通过所述第一近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的左眼，并通过所述第二近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的右眼。

本发明的有益效果如下：

基于上述技术方案，本发明实施例中控制器中预存有所述扫描光纤阵列中的扫描光纤和S个非干涉区域的对应关系，且所述对应关系包括每个非干涉区域对应的区域视场信息，在通过扫描光纤阵列中的扫描光纤输从分光组件输出的输出光束时，所述控制器根据所述对应关系，控制所述扫描光纤阵列中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼，如此，使得每一时刻所述近眼显示系统能够显示S个视场光即S个像素点，而现有技术中每一时刻仅能显示一个像素点，且S为不小于2的整数，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

附图说明

图1为本发明实施例中近眼显示系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中激光光源的结构示意图；

图3为本发明实施例中扫描光纤的第一种结构示意图；

图4为本发明实施例中扫描光纤的第二种结构示意图；

图5为本发明实施例中扫描光纤阵列和准直透镜阵列组的结构示意图；

图6为本发明实施例中1:1的望远系统的光路原理图；

图7为本发明实施例中M行N列扫描光纤的排列图；

图8为本发明实施例中扫描光纤阵列划分成S个非干涉区域的分布图；

图9为本发明实施例中扫描光纤阵列和电控液体透镜阵列组的结构示意图；

图10为本发明实施例中扫描光纤阵列、电控液体透镜阵列和调光结构的结构示意图；

图11为本发明实施例中用户瞳孔与透明基板的相对位置的结构示意图。

附图中有关标记如下：

10——S个可调激光光源，11——可调激光光源，12——可调激光光源，101——红色激光光源，102——绿色激光光源，103——蓝色激光光源，104——准直镜组，1041——准直镜组，1042——准直镜组，1043——准直镜组，105——合束器，1051——二向色镜，1052——二向色镜，1053——二向色镜，106——耦合器，107——耦合光纤，20——S个分光组件，21——分光组件，22——S个分光组件，30——扫描光纤阵列，301——扫描光纤，302——PZT压电陶瓷，303——套管，304——固定座，305——透明基板，40——控制器，50——第一准直透镜阵列，51——第二准直透镜阵列，52——第一电控液晶微透镜阵列，53——第二电控液晶微透镜阵列，54——调光结构。

具体实施方式

本发明提供一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备，能够有效降低光开关的开关频率，且能够有效提高能量利用率。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例第一方面提供了一种近眼显示系统，包括S个可调激光光源10、S个分光组件20、扫描光纤阵列30和控制器40，控制器40中预存有扫描光纤阵列30中的扫描光纤和S个非干涉区域的对应关系，且所述对应关系包括每个非干涉区域对应的区域视场信息，S个可调激光光源10和S个分光组件20一一对应，S个分光组件20与所述S个非干涉区域一一对应，每个分光组件包括多个输出通道，且S个分光组件20一共包括M*N个输出通道，S、M和N均为不小于2的整数；

S个可调激光光10源输出的激光经过S个分光组件20后，被分成M*N个光束；控制器40电性连接S个可调激光光源10，用于根据预先存储的影像信息的显示视场灰度，控制每个可调激光光源的输出能量；扫描光纤阵列30中的扫描光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从S个分光组件20输出的输出光束；控制器40根据所述对应关系，控制扫描光纤阵列30中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼。

其中，所述影像信息为当前播放的影像信息，可以从与控制器40相连的存储器或服务器中读取，也可以是直接从内存中读取的，当然还可以是控制器40自身的存储空间中读取，本申请不作具体限制；进一步的，S个可调激光光源10中的每个可调激光光源的输出能量可以调节，例如每个可调激光光源的输出能量为0～10瓦(W)，则可以控制每个可调激光光源的输出能量为0～10W中的任意一个值。

具体的，S个分光组件20中的每个分光组件可以为光分路器，且每个分光组件包括多个输出通道，一个分光组件分别与一个可调激光光源和一个非干涉区域对应，通过控制器40调节每个可调激光光源的输出能量，以实现对每个显示视场的灰度控制，其中，一个显示视场对应一个像素点，一个显示视场的灰度越大，其对应的可调激光光源的输出能量就越高；同理，一个显示视场对应的灰度越小，其对应的可调激光光源的输出能量就越低。

当然，一个分光组件还可以是由两个光分路器组成，其中第一光分路器的入射端与一个可调激光光源10的出射端相连，其中第二光分路器的入射端与所述第一光分路器201的出射端一一相连，如此，使得S个分光组件包括M*N个输出通道，其中，每个输出通道均为一根光纤，使得所述M*N个输出通道即为M*N根光纤。

参见图1，以S个可调激光光源10包括的可调激光光源11和可调激光光源12为例，可调激光光源11与S个分光组件20中的分光组件21对应，且分光组件21的输出通道可以为10*10个；可调激光光源12与S个分光组件20中的分光组件22对应，且分光组件22的输出通道可以为10*10个。

本申请实施例中，所述影像信息的显示视场灰度为当前显示视场对应的像素点灰度，可以根据所述影像信息可以获取到所述影像信息对应的图像中每一个像素的灰度来获取所述显示视场灰度，例如当前显示视场为0°视场，则获取0°视场对应的像素点灰度例如为0～255中的一个值；当然当前显示视场为多个视场，则获取当前显示视场中每个视场对应的像素点灰度。

具体来讲，控制器40根据所述影像信息的显示视场灰度，获取对应的图像中与每个显示视场对应的像素点灰度；再根据所述对应关系，控制扫描光纤阵列30中的扫描光纤每一时刻出射所述输出光束形成S个视场光即S个像素点，通过时序的方式将每个像素点通过扫描光纤输出，通过此种方式将所述影像信息对应的图像输出到人眼，其中，所述影像信息的所有像素点通过扫描光纤输出的时间小于人眼刷新时间，若人眼的刷新率为30Hz，则人眼刷新时间为1/30Hz，且所述影像信息的所有像素点输出的时间小于1/30Hz。

进一步的，S个可调激光光源10中的每个可调激光光源均可以为单色激光光源或多色激光光源，在为单色激光管光源时，用于显示单色图像；在为多色激光光源时，用于显示单色图像和多色图像；进一步的，可调激光光源具体可以为三色激光光源，例如为RGB激光光源等，下面具体以可调激光光源11为例。

具体的，参见图2，可调激光光源11包括红色激光光源101、绿色激光光源102和蓝色激光光源103，其中，红色激光光源101用于发射红色激光，绿色激光光源用于发射绿色激光，蓝色激光光源103用于发射蓝色激光，其中，红色激光光源101、绿色激光光源102和蓝色激光光源103中每个激光光源的输出能量都可以调节。

继续参见图2，可调激光光源11还包括准直镜组104、合束器105、耦合器106和耦合光纤107，准直镜组104设置于激光光源10的出射光路上，用于对激光光源10发射的激光进行准直处理，其中，准直镜组104包括准直镜1041、准直镜1042和准直镜1043，准直镜1041设置于红色激光光源101的出射光路上，用于对红色激光进行准直处理；准直镜1042设置于绿色激光光源102的出射光路上，用于对绿色激光进行准直处理；准直镜1043设置于蓝色激光光源103的出射光路上，用于对蓝色激光进行准直处理。当然，激光光源10还可以是由红色激光光源101、绿色激光光源102、蓝色激光光源103、合束器105、耦合器106和耦合光纤107组成，而未包含准直镜组104，其中，耦合光纤107可以是晶状体纤维光纤例如二氧化硅光导纤维。

继续参见图2，合束器105设置于准直镜组104的出射光路上，用于将准直镜组104出射的激光进行合束处理，其中，合束器105包括二向色镜1051、二向色镜1052和二向色镜1053，其中，二向色镜1051反射红光和透射绿光，二向色镜1052透射绿光，二向色镜1053透射红绿光和反射蓝光，从而将准直镜组104发出的激光合成为一个光路，在此就不再赘述了。

继续参见图2，耦合器106设置于合束器106的出射光路上，用于将合束器105出射的激光耦合到耦合光纤107中；耦合光纤107与耦合器106相连，耦合光纤107用于传输经过耦合器106的激光。

具体来讲，每个分光组件在将对应的可调激光光源输出的激光分成能量相等的多个光束时，例如可调激光光源11输出的激光经分光组件21分成能量相等的10*10个光束；若可调激光光源11输出的激光的能量为ER，则经分光组件21分束后最终光纤分束器的每一输出通道的出射端出射的能量为ER/(10*10)；通过调节可调激光光源11的输出能量，以此来控制输出的显示视场灰度，例如可调激光光源11输出的最大能量为2W，而所述影像信息对应的图像的灰度等级为8位，即有256个灰度等级，则单位灰度对应的输出能量为2/256，在可调激光光源11对应的显示视场灰度为160时，则可调激光光源11的输出能量为160*2/256，如此，将可调激光光源11的输出能量控制为160*2/256，使得与可调激光光源11对应的扫描光纤输出的像素点的灰度为160。

具体的，扫描光纤阵列30包括M*N束扫描光纤，所述M*N个输出通道输出的光束耦合进所述M*N束扫描光纤，再通过所述M*N束扫描光纤将所述M*N个输出通道输出的光束进行偏转，将偏转后的光束投射至人眼。

具体的，参见图1，扫描光纤阵列30可以组成一个扫描光纤面板，进一步的，扫描光纤阵列30可以包括水平方向扫描光纤束和垂直方向扫描光纤束，所述水平方向扫描光纤束用于对水平出射光束进行扩束；所述垂直方向扫描光纤束用于对垂直出射光束进行扩束，如此，通过水平和垂直方向的扩束，以提高所述近眼显示系统的显示视场，例如可以显示120°、130°和140°的视场，使得显示视场与人眼的视场更匹配。

其中，所述水平方向扫描光纤束为紧密排布或间隔排布的扫描光纤束，所述垂直方向扫描光纤束为紧密排布或间隔排布的扫描光纤束，其中，所述紧密排布为每相邻两束光纤之间的间隔不大于预设距离，所述间隔排布为每相邻两束光纤之间的间隔大于预设距离，其中，所述预设距离根据实际情况来设定，所述预设距离可以为不小于25微米(um)的值，例如为25um、30um和35um等，本申请不作具体限制。

具体的，每束扫描光纤包括扫描器，所述扫描器设置在所述扫描光纤上，用于将所述扫描光纤进行偏转，使得所述扫描光纤出射的光束也随之偏转，从而实现了水平和垂直方向上的扩束，其中，所述扫描器具体可以为二维扫描器如PZT压电陶瓷等，扫描光纤在PZT压电陶瓷驱动下在水平方向和垂直方向进行偏转(二维扫描)，将S个可调激光光源10输出的激光处理为图像光束，从而实现将虚拟图像发送到用户眼睛中的目的。

具体来讲，参见图3，扫描光纤阵列30中的一束扫描光纤301包括PZT压电陶瓷302，扫描光纤301设置在套管303中，PTZ压电陶瓷302通过固定座304固定在套管303中，且PZT压电陶瓷302设置在扫描光纤301上，固定座304的两端均与套管303的内壁连接，以使得固定座304固定在套管303中；当然，固定座304还可以仅一端与套管303的内壁连接，同样使得固定座304固定在套管303中，具体参见图4。

本申请实施例中，扫描光纤阵列30中的扫描光纤的出射端面可以是平面，也可以是曲面，扫描光纤可以是晶状体纤维光纤例如二氧化硅光导纤维，该种光纤可以获得出射光斑束腰极小和大数值孔径的光束；在扫描光纤的出射端面具有一定弧度的凹曲面时，凹曲面会会聚光束，使得每一根束的最大扫描角度减小，进而提高扫描光纤阵列30中光纤扫描的频率；在扫描光纤的出射端面具有一定弧度的凸曲面时，凸曲面会发散光束，使得每一根束的最大扫描角度增大，进而降低扫描光纤阵列30中光纤扫描的频率。

本申请实施例中，参见图5，扫描光纤阵列30可以封装在透明基板305中，扫描光纤301为裸光纤外层涂覆一层极薄的透明保护胶即涂覆层，每相邻两根扫描光纤之间的空隙用与所述涂覆层折射率相同或近似的材料填充，其中，透明基板305为透明度大于预设透明度的基板，所述预设透明度的取值范围为75％-100％，即可以为75％-100％之间的任意一个值，例如为75％、85％和100％等。

本申请另一实施例中，所述近眼显示系统还包括会聚透镜阵列组，所述会聚透镜阵列组包括第一会聚透镜阵列和第二会聚透镜阵列，所述第一会聚透镜阵列设置于扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧，所述第二会聚透镜阵列设置于扫描光纤阵列30的远离人眼一侧。

具体的，所述第一会聚透镜阵列和所述第二会聚透镜阵列可以均为准直透镜阵列，如图5所示，在扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧设置第一准直透镜阵列50，在扫描光纤阵列30的远离人眼一侧设置第二准直透镜阵列51，且第一准直透镜阵列50和第二准直透镜阵列51组成1:1的望远系统，由于扫描光纤阵列30是封装在透明基板305中，使得外界环境光通过1:1的望远系统进入人眼，且由于外界环境光是通过1:1的望远系统进入人眼的，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境，其中，1:1的望远系统的光路原理具体如图6所示。

具体的，第一准直透镜阵列50设置在扫描光纤阵列30的出射光路上，用于对扫描光纤阵列30出射的光束进行准直处理，下面具体以第一准直透镜阵列50中的一个准直透镜为例。

参见图3和图4，在本申请实施例中，扫描光纤301的出射光路上还设置有准直透镜501，准直透镜501用于将PZT压电陶瓷302扫描出射的锥形光束进行准直处理，使得其能够以近似平行的方式投射到人眼中。

本申请实施例中，控制器40可以是单片机、处理芯片和控制电路等；进一步的，所述近眼显示系统应用于单眼，双眼需要使用两套所述近眼显示系统。

本申请实施例中，控制器40根据所述影像信息的显示视场灰度，控制每个可调激光光源的输出能量，具体为：控制器40获取所述影像信息对应的图像中每个像素点的显示视场灰度，根据每个像素点的显示视场灰度，计算出每个像素点对应的可调激光光源的输出能量，使得每个像素点对应的可调激光光源以计算出的输出能量进行输出。

本申请实施例中，控制器40中预存扫描光纤阵列30中的扫描光纤和S个非干涉区域的对应关系，且所述对应关系包括每个非干涉区域对应的区域视场信息，其中，一个非干涉区域对应一个区域视场，S为不小于2的整数。

具体来讲，控制器40中预存有所述对应关系时，扫描光纤阵列30中的扫描光纤输出所述输出光束时，控制器40根据所述对应关系，控制扫描光纤阵列30中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼，如此，使得每一时刻所述近眼显示系统能够显示S个视场光即S个像素点，而现有技术中每一时刻仅能显示一个像素点，且S为不小于2的整数，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

具体来讲，在获取所述对应关系时，控制器40可以根据预设条件，将扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成S个非干涉区域，从而获取到所述对应关系，并将获取到的所述对应关系存储到控制器40的存储空间中，或存储在外部存储硬件中，此时，控制器40需要从所述外部存储硬件中读取所述对应关系，所述外部存储硬件例如可以是存储卡、硬盘、USB设备等存储设备。

本申请实施例中，所述非干涉区域表征该区域与任何一个其它区域均不重叠。

由于扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成了S个非干涉区域，使得扫描光纤阵列30能够在同一时刻控制所述S个非干涉区域显示S个视场光，即每一时刻可以显示S个视场光，其中，一个视场光对应一个像素点。

具体的，所述预设条件可以是预设划分方式，所述预设划分方式可以是根据扫描光纤阵列30中的扫描光纤的数量来将其划分成S个非干涉区域，在所述扫描光纤的数量大于预设数量时，将扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成H个非干涉区域，这时S＝H；在所述扫描光纤的数量不大于预设数量时，将扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成J个非干涉区域，这时S＝J；其中，H和J为不小于2的整数，且H和J可以相同或不同。

当然，所述预设划分方式可以根据所述近眼显示系统的显示视场来划分，显示视场越大，其S的取值也越大；显示视场越小，其S的取值也越小，本申请不作具体限制。当然，所述预设划分方式还可以是直接设置S的取值，然后将扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成S个非干涉区域。

具体的，控制器40根据预设条件，将扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成S个非干涉区域，具体为：控制器40还可以根据出瞳直径的大小，将扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成所述S个非干涉区域，其中，所述出瞳直径越大时，S的取值越大；所述出瞳直径越小时，S的取值越小；例如所述出瞳在水平和垂直方向的直径为10*8mm，则S＝8；若所述出瞳在水平和垂直方向的直径为10*10mm，则S取大于8的整数例如为10。

本申请实施例中，控制器40还可以根据出瞳直径的大小和所述近眼显示系统的显示视场，将扫描光纤阵列30中的扫描光纤划分成所述S个非干涉区域。

具体来讲，出瞳在水平方向的直径用表示，出瞳在垂直方向的直径用表示；所述近眼显示系统在水平方向的显示视场用表示；所述近眼显示系统在水平方向的显示视场用表示，则可以将扫描光纤阵列30中M*N根扫描光纤划分成S个非干涉区域，其中，

S＝[(2L*tan(/2)+)/]*[(2L*tan(/2)+/]。 公式1

其中，公式1中L表示人眼到扫描光纤阵列30的距离。

例如设定出瞳在水平和垂直方向的直径为8*8mm，所述近眼显示系统的在水平和垂直方向的显示视场为40*40度；则，M*N束光通道可以分成S＝[(2L*tan(40°/2)+8)/8]*[(2L*tan(40°/2)+8)/8]个非干涉区域。

具体的，所述近眼显示系统每一时刻可同时显示s个视场光，每一非干涉区域分别对应一个区域视场；取L＝20mm，则计算出S＝9；如此，将扫描光纤阵列30的水平方向分成3个区域，每个区域均不重叠；以及将扫描光纤阵列30的垂直方向也分成3个区域，每个区域均不重叠，从而获取到9个非干涉区域，如图8所示，所述9个非干涉区域为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8和A9非干涉区域，且每个非干涉区域均不重叠，其中，A1对应分光组件21，分光组件21对应可调节激光光源11；A9对应分光组件22，分光组件22对应可调节激光光源12。

其中，参见图8，A1在水平方向显示的视场为-20°～-7°，A1在垂直方向显示的视场为7°～20°，如此可知，A1显示的区域视场为{(-20°～-7°),(7°～20°)}；同理，A2显示的区域视场为{((-7°～7°),(7°～20°)}；A3显示的区域视场为{(7°～20°),(7°～20°)}；A4显示的区域视场为{(-20°～-7°),(-7°～7°)}；A5显示的区域视场为{(-7°～7°),(-7°～7°)}；A6显示的区域视场为{(7°～20°),(-7°～7°)}；A7显示的区域视场为{(-20°～-7°),(-20°～-7°)}；A8显示的区域视场为{(-7°～7°),(-20°～-7°)}和A9显示的区域视场为{(7°～20°),(-20°～-7°)}。

在实际应用过程中，在每一时刻所述近眼显示系统能够显示9个视场光即显示9个像素点，若显示图像为RGB彩色图像，则需要的通道开关的开关频率最低＝4.8MHz，扫描光纤的扫描频率最低为＝4KHz；而现有技术中每一时刻仅能显示一个视场光即一个像素点，例如以显示一幅800*600的单色图像为例，人眼的刷新率取最低要求30Hz，则通道开关的开关频率最低为＝14.3MHz，扫描光纤的扫描频率最低为＝12KHz；若需显示RGB彩色图像，显示彩色图像需采用时序的方法，故需要的通道开关的开关频率最低为＝43MHz，扫描光纤的扫描频率最低为＝36kHz；而4.8MHz远远小于43MHz，与现有技术相比，采用本申请上述实施例能够解决现有技术中通道开关的开关频率高的技术问题，实现有效降低通道开关的开关频率的效果，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

进一步的，由于本申请实施例中的一个干涉区域仅对应一个区域视场，使得一个干涉区域中的扫描光纤的最大扫描角为该区域视场对应的扫描角；而现有技术中扫描光纤阵列中的每根光纤需要对应所述近眼显示系统的总显示视场，使得每根扫描光纤为与所述总显示视场对应的扫描角，而一个区域视场仅是所述总显示视场中的一部分，必然使得任何一个区域视场对应的扫描角小于所述总显示视场对应的扫描角，使得本申请实施例中扫描光纤所需的最大扫描角减小了，从而能够提高扫描光纤的扫描频率。

本申请实施例中，扫描光纤阵列30中的扫描光纤被划分为S个非干涉区域之后，每个非干涉区域均能够显示所述影像信息对应的图像的所有灰度等级。

例如，如图8所示，以30*30根扫描光纤为例，将30*30根扫描光纤划分成9个非干涉区域，每一个非干涉区域具有的扫描光纤的数量为30*30/9＝100；若所述影像信息对应的图像的灰度等级为8位，即有256个灰度等级，则以A1和A9为例，由于A1输出的最大能量为2W，则单位灰度对应的输出能量为2/256，若A1当前需要显示的显示视场为{-20°,7°}时，从所述影像信息对应的图像中获取{-20°,7°}对应的像素点的灰度为180，通过计算可以获取到可调激光光源的输出能量为180*2/256，则控制器40控制可调激光光源11的输出能量为180*2/256，并控制A1中每根扫描光纤的偏转角度以通过A1输出显示视场为{-20°,7°}和灰度值为180的像素点。

其中，在同一时刻，若A9当前需要显示的显示视场为{7°,-10°}时，从所述影像信息对应的图像中获取{7°,-10°}对应的像素点的灰度为140，通过计算可以获取到可调激光光源的输出能量为140*2/256，则控制器40控制可调激光光源12的输出能量为140*2/256，并控制A9中每根扫描光纤的偏转角度以通过A9输出显示视场为{7°,-10°}和灰度值为140的像素点；采用相同的方式，在同一时刻控制A2-A8各自输出相应的像素点；如此，通过时序的方式，采用每一时刻输出9个像素点来将对应的图像中的所有的像素点输出值人眼，从而将所述影像信息对应的图像投射至人眼。

在本申请另一实施例中，所述第一会聚透镜阵列和所述第二会聚透镜阵列还可以均为电控液体微透镜阵列，其中，所述电控液体微透镜阵列例如可以为电控液晶微透镜阵列，如图9所示，在扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧设置第一电控液晶微透镜阵列52，在扫描光纤阵列30的远离人眼一侧设置第二电控液晶微透镜阵列53，且第一电控液晶微透镜阵列52和第二电控液晶微透镜阵列53组成1:1的无焦系统，由于扫描光纤阵列30是封装在透明基板305中，使得外界环境光通过1:1的无焦系统进入人眼，且由于外界环境光是通过1:1的无焦系统进入人眼的，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境。

具体的，第一电控液晶微透镜阵列52设置在扫描光纤阵列30的出射光路上，用于对扫描光纤阵列30出射的光束进行准直处理。

由于第一电控液晶微透镜阵列52和第二电控液晶微透镜阵列53不加电压不工作，第一电控液晶微透镜阵列52和第二电控液晶微透镜阵列53无光汇聚或发散的功能，即不呈现光偏折的作用，不对外界环境光有光转折，如此，使得外界环境光能够通过第一电控液晶微透镜阵列52和透明基板305之后通过第二电控液晶微透镜阵列53进入人眼，实现观察到现实外界环境。

在本申请的另一实施例中，所述近眼显示系统还可以包括会聚透镜阵列，所述会聚透镜阵列设置于扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧，且所述会聚透镜阵列设置在扫描光纤阵列30的出射光路上，用于对扫描光纤阵列30出射的光束进行准直处理，其中，所述会聚透镜阵列可以为准直透镜阵列或电控液体微透镜阵列，下面具有以所述会聚透镜阵列为电控液晶微透镜阵列为例。

如图10所示，在扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧设置第一电控液晶微透镜阵列52，用于对扫描光纤阵列30出射的光束进行准直处理，从而显示虚拟图像。

本申请实施例中，在使用包含第一电控液晶微透镜阵列52的近眼显示系统用于进行增强现实显示时，需要在扫描光纤阵列30的远离人眼一侧设置调光结构54，调光结构54具体可以是带有光开关的PDLC膜层，采用分时段显示虚拟图像和现实外界环境；设人眼的刷新率为30Hz,将该刷新率对应的时间段分成2段，一段时间用于显示虚拟图像，此段时间内使PDLC膜层的光开关断开，使得PDLC膜层呈不透明状态；另一段时间用于观察现实外界环境，此段时间内使PDLC膜层的光开关开通，从而对PDLC膜层施加电压，使其呈透明状态，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明基板305；且不施加电压给第一电控液晶微透镜阵列52，由于第一电控液晶微透镜阵列52不加电压不工作，第一电控液晶微透镜阵列52无光汇聚或发散的功能，即不呈现光偏折的作用，不对外界环境光有光转折，如此，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明基板305之后通过第一电控液晶微透镜阵列52进入人眼，实现观察到现实外界环境。

当然，还可以将所述刷新率对应的时间段分成至少3段，其中的一段或多段时间用于显示虚拟图像，剩下的至少一段时间用于观察现实外界环境。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例中控制器中预存有所述扫描光纤阵列中的扫描光纤和S个非干涉区域的对应关系，且所述对应关系包括每个非干涉区域对应的区域视场信息，在通过扫描光纤阵列中的扫描光纤输从分光组件输出的输出光束时，所述控制器根据所述对应关系，控制所述扫描光纤阵列中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼，如此，使得每一时刻所述近眼显示系统能够显示S个视场光即S个像素点，而现有技术中每一时刻仅能显示一个像素点，且S为不小于2的整数，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高

实施例二：

本发明实施例第二方面还提供了一种虚拟现实设备，包括两套如第一方面介绍的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应。

在第一方面中已经详细介绍了近眼显示系统的具体结构以及运行过程，在此就不再赘述了。

具体的，所述虚拟现实设备还可以包括外壳，所述第一近眼显示系统和所述第二近眼显示系统均设置在所述外壳中。

实施例三：

本发明实施例第三方面还一种增强现实设备，包括两套如第一方面介绍的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应；外界环境光通过所述第一近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的左眼，并通过所述第二近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的右眼。

在第一方面中已经详细介绍了近眼显示系统的具体结构以及运行过程，在此就不再赘述了。

具体的，所述增强现实设备还可以包括外壳，所述第一近眼显示系统和所述第二近眼显示系统均设置在所述外壳中。

具体的，所述会聚透镜阵列组包括第一会聚透镜阵列和第二会聚透镜阵列，所述第一会聚透镜阵列设置于扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧，所述第二会聚透镜阵列设置于扫描光纤阵列30的远离人眼一侧。

具体的，所述第一会聚透镜阵列和所述第二会聚透镜阵列可以均为准直透镜阵列，如图5所示，在扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧设置第一准直透镜阵列50，在扫描光纤阵列30的远离人眼一侧设置第二准直透镜阵列51，且第一准直透镜阵列50和第二准直透镜阵列51组成1:1的望远系统，由于扫描光纤阵列30是封装在透明基板305中，使得外界环境光通过1:1的望远系统进入人眼，且由于外界环境光是通过1:1的望远系统进入人眼的，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境，其中，1:1的望远系统的光路原理具体如图6所示。

在本申请另一实施例中，所述第一会聚透镜阵列和所述第二会聚透镜阵列还可以均为电控液体微透镜阵列，其中，所述电控液体微透镜阵列例如可以为电控液晶微透镜阵列，如图9所示，在扫描光纤阵列30的靠近人眼一侧设置第一电控液晶微透镜阵列52，在扫描光纤阵列30的远离人眼一侧设置第二电控液晶微透镜阵列53，且第一电控液晶微透镜阵列52和第二电控液晶微透镜阵列53组成1:1的无焦系统，由于扫描光纤阵列30是封装在透明基板305中，使得外界环境光通过1:1的无焦系统进入人眼，且由于外界环境光是通过1:1的无焦系统进入人眼的，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境。

本申请另一实施例中，所述会聚透镜阵列组还可以为第一电控液晶微透镜阵列52和调光结构54，在使用包含第一电控液晶微透镜阵列52的近眼显示系统用于进行增强现实显示时，需要在扫描光纤阵列30的远离人眼一侧设置调光结构54，调光结构54具体可以是带有光开关的PDLC膜层，采用分时段显示虚拟图像和现实外界环境；设人眼的刷新率为30Hz,将该刷新率对应的时间段分成2段，一段时间用于显示虚拟图像，此段时间内使PDLC膜层的光开关断开，使得PDLC膜层呈不透明状态；另一段时间用于观察到现实外界环境，此段时间内使PDLC膜层的光开关开通，从而对PDLC膜层施加电压，使其呈透明状态，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明基板305；且不施加电压给第一电控液晶微透镜阵列52，由于第一电控液晶微透镜阵列52不加电压不工作，第一电控液晶微透镜阵列52无光汇聚或发散的功能，即不呈现光偏折的作用，不对外界环境光有光转折，如此，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明基板305之后通过第一电控液晶微透镜阵列52进入人眼，实现观察到现实外界环境。

当然，还可以将所述刷新率对应的时间段分成至少3段，其中的一段或多段时间用于显示虚拟图像，剩下的至少一段时间用于观察现实外界环境。

本发明的有益效果如下：

由于本申请实施例控制器中预存有所述扫描光纤阵列中的扫描光纤和S个非干涉区域的对应关系，且所述对应关系包括每个非干涉区域对应的区域视场信息，在通过扫描光纤阵列中的扫描光纤输从分光组件输出的输出光束时，所述控制器根据所述对应关系，控制所述扫描光纤阵列中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼，如此，使得每一时刻所述近眼显示系统能够显示S个视场光即S个像素点，而现有技术中每一时刻仅能显示一个像素点，且S为不小于2的整数，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括S个可调激光光源、S个分光组件、扫描光纤阵列和控制器，所述控制器中预存有所述扫描光纤阵列中的扫描光纤和S个非干涉区域的对应关系，且所述对应关系包括每个非干涉区域对应的区域视场信息，所述S个可调激光光源和所述S个分光组件一一对应，所述S个分光组件与所述S个非干涉区域一一对应，每个分光组件包括多个输出通道，且所述S个分光组件一共包括M*N个输出通道，S、M和N均为不小于2的整数；

所述S个可调激光光源输出的激光经过所述S个分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述S个可调激光光源，用于根据预先存储的影像信息的显示视场灰度，控制每个可调激光光源的输出能量；所述扫描光纤阵列中的扫描光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述S个分光组件输出的输出光束；所述控制器根据所述对应关系，控制所述扫描光纤阵列中的扫描光纤，使其出射所述输出光束形成S个视场光，并将所述S个视场光投射至人眼。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可调激光光源包括三色激光光源、准直镜组、合束器、耦合器和耦合光纤，其中，所述三色激光光源输出三色激光；所述准直镜组设置于所述三色激光光源的出射光路上，用于对所述三色激光进行准直处理；所述合束器设置于所述准直镜组的出射光路上，用于将所述准直镜组出射的激光进行合束处理；所述耦合器设置于所述合束器的出射光路上，用于将所述合束器出射的激光耦合到所述耦合光纤中；所述耦合光纤与所述耦合器相连，所述耦合光纤用于传输经过所述耦合器的激光。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每束扫描光纤包括扫描器，所述扫描器设置在所述扫描光纤上，用于将所述扫描光纤进行偏转，使得所述扫描光纤出射的光束也随之偏转。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描光纤阵列中的扫描光纤对应S个非干涉区域，具体为：

所述控制器用于根据预设条件，将所述扫描光纤阵列中的扫描光纤划分成S个非干涉区域。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器用于根据出瞳直径的大小，将所述扫描光纤阵列中的扫描光纤划分成所述S个非干涉区域。

6.如权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括会聚透镜阵列组，所述会聚透镜阵列组包括第一组会聚透镜阵列和第二组会聚透镜阵列，所述第一组会聚透镜阵列设置于所述扫描光纤阵列的靠近人眼一侧，所述第二组会聚透镜阵列设置于所述扫描光纤阵列的远离人眼一侧。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一组会聚透镜阵列和所述第二组会聚透镜阵列均为准直会聚透镜阵列，且所述第一组会聚透镜阵列和所述第二组会聚透镜阵列组成1:1的望远系统。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一组会聚透镜阵列和所述第二组会聚透镜阵列均为电控液体微透镜阵列，且所述第一组会聚透镜阵列和所述第二组会聚透镜阵列组成1:1的无焦系统。

9.如权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括会聚透镜阵列，所述会聚透镜阵列设置于所述扫描光纤阵列的靠近人眼一侧。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括调光结构，所述调光结构设置于所述扫描光纤阵列的远离人眼一侧。

11.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括两套如权利要求1-10中任一权项所述的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应。

12.一种增强现实设备，其特征在于，包括两套如权利要求6-8中任一项所述的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应；外界环境光通过所述第一近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的左眼，并通过所述第二近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的右眼。