CN107561703A - 一种近眼显示系统、虚拟现实设备和增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示系统、虚拟现实设备和增强现实设备，近眼显示系统包括第一图像源、第二图像源、第一垂直扩展波导、第二垂直扩展波导和水平扩展波导；第一图像源发出的图像光线经过第一垂直扩展波导后在垂直方向上扩束，再经过水平扩展波导后在水平方向上扩束，最后进入人眼；第二图像源发出的图像光线经过第二垂直扩展波导后在垂直方向上扩束，再经过水平扩展波导后在水平方向上扩束，最后进入人眼。由于通过第一垂直扩展波导、第二垂直扩展波导和水平扩展波导扩大了近眼显示系统的出瞳直径，使得近眼显示系统输出的光线能够在更大的范围上进入眼睛的瞳孔中，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制。

Description

一种近眼显示系统、虚拟现实设备和增强现实设备

技术领域

本发明涉及虚拟现实领域和增强现实领域，尤其涉及一种近眼显示系统、虚拟现实设备和增强现实设备。

背景技术

虚拟现实(英文：Virtual Reality；简称：VR)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，通过交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中，为用户带来超越真实生活环境的感官体验。在视觉方面而言，虚拟现实技术利用计算机设备生成虚拟场景的图像，并通过光学器件将图像光线传递到人眼，使得用户能够在视觉上能够完全感受该虚拟场景。

增强现实(英文：Augmented Reality；简称：AR)，是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术。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。

现有的虚拟现实设备或者增强现实设备一般通过光学透镜将虚拟图像的光线会聚到用户的瞳孔中，对人眼观察的位置有较严格的限制。在用户的瞳孔位置发生变化时，例如用户的眼球转动，或者两个瞳距不同的用户先后使用同一个增强现实设备的时候，需要用户对增强现实设备的瞳距调节，或者由增强现 实设备自动进行瞳距调节，但目前这两者的精度都不高，会导致虚拟图像的光线无法全部进入人眼，从而使得增强现实设备无法向用户发送虚拟图像，或者发送的虚拟图像的效果不佳，继而无法给用户以良好的增强现实体验。

因此，现有技术中存在的因增强现实设备对人眼观察的位置有较严格的限制，而导致无法给用户以良好的增强现实体验的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种近眼显示系统、虚拟现实设备和增强现实设备，解决现有技术中存在的因增强现实设备对人眼观察的位置有较严格的限制，而导致无法给用户以良好的增强现实体验的技术问题，增加了虚拟现实技术或增强现实技术提供的视场角，使得虚拟现实技术或增强现实技术能够在视觉上满足人眼的观看需求，从而能够向用户提供沉浸式的体验。

为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供了一种近眼显示系统，包括第一图像源、第二图像源、第一垂直扩展波导、第二垂直扩展波导和水平扩展波导；

所述第一图像源发出的图像光线经过所述第一垂直扩展波导后在垂直方向上扩束，再经过所述水平扩展波导后在水平方向上扩束，最后进入人眼；所述第二图像源发出的图像光线经过所述第二垂直扩展波导后在垂直方向上扩束，再经过所述水平扩展波导后在水平方向上扩束，最后进入人眼。

可选地，所述第一垂直扩展波导设置于所述第一图像源的出射光路上以及所述水平扩展波导的入射光路上，所述第二垂直扩展波导设置于所述第二图像源的出射光路上以及所述水平扩展波导的入射光路上，所述第一垂直扩展波导和第二垂直扩展波导相邻。

可选地，所述图像源具体为LCOS显示屏、LED显示屏或QD显示屏。

可选地，在所述图像源为LCOS显示屏时，所述图像源还包括照明光源，所述照明光源发出的光线入射到LCOS显示屏上，使得LCOS显示屏发出所述图像光线。

可选地，所述近眼显示系统还包括第一准直镜组和第二准直镜组，所述第一准直镜组设置于所述第一图像源的出射光路以及所述第一垂直扩展波导的 入射光路上，所述第二准直镜组设置于所述第二图像源的出射光路以及所述第二垂直扩展波导的入射光路上。

可选地，所述第一准直镜组和所述第二准直镜组具体为1/4P自聚焦透镜。

本发明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提供的近眼显示系统，其中第一套近眼显示系统出射的光线进入人的左眼，第二套近眼显示系统出射的光线进入人的右眼。

可选地，所述虚拟现实设备还包括挡光结构，所述挡光结构设置于所述第一套近眼显示系统和所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导上远离人眼的一侧。

可选地，所述虚拟现实设备还包括变焦透镜，所述变焦透镜设置于所述第一套近眼显示系统和所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导上靠近人眼的一侧。

本发明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提供的近眼显示系统，其中第一套近眼显示系统出射的光线进入人的左眼，第二套近眼显示系统出射的光线进入人的右眼；外界环境光线通过所述第一套近眼显示系统的水平扩展波导进入人的左眼，并通过所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导进入人的右眼。

可选地，所述增强现实设备还包括四个变焦透镜，所述四个变焦透镜分别设置于所述第一套近眼显示系统的水平扩展波导的靠近人眼的一侧和远离人眼的一侧，以及所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导的靠近人眼的一侧和远离人眼的一侧。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

1、由于通过第一垂直扩展波导、第二垂直扩展波导和水平扩展波导扩大了近眼显示系统的出瞳直径，使得近眼显示系统输出的光线能够在更大的范围上进入眼睛的瞳孔中，所以与单一光学透镜的出瞳相比，本方案提供的出瞳明显增大，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了虚拟现实设备或增强现实设备的适用人群，并且无需用户对虚拟现实设备或增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的虚拟现实体验或增强现实体验的缺陷。

2、由于通过第一图像源和第二图像源同时提供形成图像的图像光线，所以第一图像源或第二图像源只需要对虚拟图像的一半内容进行显示，这样，在保持第一图像源和第二图像源的分辨率不变的情况下，与只包括一个图像源的近眼显示系统相比，本实施例提供的近眼显示系统能够提供两倍的分辨率，从而能够向用户提供更清晰、更细腻的视觉体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为激光扫描视网膜成像的原理图；

图2为实施例五提供的近眼显示系统的结构示意图；

图3为实施例五提供的近眼显示系统应用于虚拟现实设备的结构示意图；

图4为实施例五提供的近眼显示系统应用于增强现实设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在介绍本发明实施例中的技术方案之前，先介绍一下激光扫描成像的技术原理，请参考图1，图1为激光扫描视网膜成像的原理图，如图1所示，101为激光发生器，102为二维扫描装置，103为人眼的视网膜。

为方便介绍，以成像的图像的分辨率为5*5为例，在二维扫描装置当前的方向对准白色的像素点时，激光发生器发出白色的激光，并通过二维扫描装置偏转并反射至该像素点，即实现了对该像素点的扫描；在二维扫描装置的下一个位置，若二维扫描装置的方向对准黑色的像素点时，激光发生器发出对应的黑色的激光，通过二维扫描装置偏转并反射至该像素点，或者不发出激光，即实现了对该像素点的扫描，以此类推，即能够实现整个图像的扫描，这样，通 过人眼的视觉暂留现象，就能够在人眼的视网膜上呈现出一幅完整的图像，如图1所示，最后能够在人眼中形成一个汉字“王”。在实际应用中，通过激光发生器发出不同颜色的激光，例如可以通过耦合多个单色激光的方式来发出不同颜色的激光，并且完整地扫描出待显示的图像，从而能够在人眼中形成丰富多彩的图像，在此就不再赘述了。

需要说明的是，黑色的激光是指在预设的颜色编码模式下对应的编码值，例如，在RGB颜色模式下，黑色的RGB值为(0，0，0)。

请参考图2，图2为实施例五提供的近眼显示系统的结构示意图，如图2所示，该近眼显示系统包括第一图像源2001、第二图像源2002、第一垂直扩展波导2003、第二垂直扩展波导2004和水平扩展波导2005；

第一图像源2001发出的图像光线经过第一垂直扩展波导2003后在垂直方向上扩束，再经过水平扩展波导2005后在水平方向上扩束，最后进入人眼；第二图像源2002发出的图像光线经过第二垂直扩展波导2004后在垂直方向上扩束，再经过水平扩展波导2005后在水平方向上扩束，最后进入人眼。

水平扩展波导的原理和结构在实施例一中已经进行了详细的介绍，在此就不再赘述了。垂直扩展波导的原理和结构，与水平扩展波导类似，只是扩展的方向由水平方向变化为垂直方向，在此就不再赘述了。

可以看出，由于第一图像源2001发出的图像光线被第一垂直扩展波导2003在垂直方向进行扩束，再被水平扩展波导2005在水平方向扩束后进入人眼，且第二图像源2002发出的图像光线被第二垂直扩展波导2004在垂直方向进行扩束，再被水平扩展波导2005在水平方向扩束后进入人眼，这样，通过第一垂直扩展波导2003、第二垂直扩展波导2004和水平扩展波导2005扩大了近眼显示系统的出瞳直径，使得近眼显示系统输出的光线能够在更大的范围上进入眼睛的瞳孔中，所以与单一光学透镜的出瞳相比，本方案提供的出瞳明显增大，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了虚拟现实设备或增强现实设备的适用人群，并且无需用户对虚拟现实设备或增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的虚拟现实体验或增强现实体验的缺陷。

进一步地，由于通过第一图像源2001和第二图像源2002同时提供形成图像的图像光线，所以第一图像源2001或第二图像源2002只需要对虚拟图像的 一半内容进行显示，这样，在保持第一图像源2001和第二图像源2002的分辨率不变的情况下，与只包括一个图像源的近眼显示系统相比，本实施例提供的近眼显示系统能够提供两倍的分辨率，从而能够向用户提供更清晰、更细腻的视觉体验。

在接下来的部分中，将详细介绍上述技术方案。

请继续参考图2，如图2所示，第一垂直扩展波导2003设置于第一图像源2001的出射光路上以及水平扩展波导2005的入射光路上，第二垂直扩展波导2004设置于第二图像源2002的出射光路上以及水平扩展波导2005的入射光路上，第一垂直扩展波导2003和第二垂直扩展波导2004相邻。

在具体实施过程中，图像源具体可以为液晶LCOS(英文：Liquid Crystal onSilicon；中文：液晶附硅或硅基液晶)显示屏、LED(英文：Light Emitting Diode；中文：发光二极管)显示屏或QLED(英文：Quantum Dot Light-Emitting Diode；中文：量子点发光二极管)显示屏。

在实际应用中，由于LCOS显示屏为反射型显示屏，其本身并不发光，所以在图像源1601为LCOS显示屏时，图像源1601还包括照明光源，照明光源发出的光线入射到LCOS上，使得LCOS发出图像光线。

照明光源可以采用实施例一中介绍的光源，在此就不再赘述了。

在具体实施过程中，在图像源为LCOS显示屏时，图像源还包括照明光源，照明光源发出的光线入射到LCOS显示屏上，使得LCOS显示屏发出图像光线。

请继续参考图2，如图2所示，近眼显示系统还包括第一准直镜组2006和第二准直镜组2007，第一准直镜组2006设置于第一图像源2001的出射光路以及第一垂直扩展波导2003的入射光路上，第二准直镜组2007设置于第二图像源2002的出射光路以及第二垂直扩展波导2004的入射光路上，第一准直镜组2006用于对第一图像源发出的图像光线进行准直处理，第二准直镜组2007用于对第二图像源发出的图像光线进行准直处理。

在具体实施过程中，第一准直镜组2006和第二准直镜组2007具体可以是1片凸透镜或若干片合适的透镜构成的透镜组合，也可以是1/4P的自聚焦透镜，在此不做限制。

通过上述部分可以看出，由于通过第一垂直扩展波导2003、第二垂直扩展波导2004和水平扩展波导2005扩大了近眼显示系统的出瞳直径，使得近眼显 示系统输出的光线能够在更大的范围上进入眼睛的瞳孔中，所以与单一光学透镜的出瞳相比，本方案提供的出瞳明显增大，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了虚拟现实设备或增强现实设备的适用人群，并且无需用户对虚拟现实设备或增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的虚拟现实体验或增强现实体验的缺陷。

进一步地，由于通过第一图像源2001和第二图像源2002同时提供形成图像的图像光线，所以第一图像源2001或第二图像源2002只需要对虚拟图像的一半内容进行显示，这样，在保持第一图像源2001和第二图像源2002的分辨率不变的情况下，与只包括一个图像源的近眼显示系统相比，本实施例提供的近眼显示系统能够提供两倍的分辨率，从而能够向用户提供更清晰、更细腻的视觉体验。

在实际应用中，实施例五提供的近眼显示系统能够应用于虚拟现实设备或增强现实设备上，在接下来的部分中，将介绍将近眼显示系统应用于虚拟现实设备或增强现实设备的具体实现过程。

首先，介绍将实施例五提供的近眼显示系统应用于虚拟现实设备的具体实现过程。

请参考图3，图3为实施例五提供的近眼显示系统应用于虚拟现实设备的结构示意图，如图3所示，该虚拟现实设备包括两套如前述部分介绍的近眼显示系统，其中第一套近眼显示系统211出射的光线进入人的左眼，第二套近眼显示系统212出射的光线进入人的右眼，这样，就能够向用户提供虚拟现实的内容，例如可以是场景展示、视频、游戏内容等等，在此就不再赘述了。

当然了，通过第一套近眼显示系统211和第二套近眼显示系统212在同一时间显示的两帧图像，可以是具有一定视差的图像，这样，向用户提供的虚拟现实的内容具有3D效果，能够提高用户体验。

在具体实施过程中，为了保证虚拟现实设备的用户体验，需要避免外界环境光线的干扰，在本实施例中，虚拟现实设备还包括挡光结构213，挡光结构213设置于第一套近眼显示系统211和第二套近眼显示系统212的水平扩展波导上远离人眼的一侧。

在实际应用中，挡光结构可以是在水平扩展波导上远离人眼的一侧涂覆的全反射膜层，全反射膜层例如可以是由铝、银、金或铜等组成的金属膜，也可 以说由一氧化硅、氟化镁、二氧化硅或三氧化二铝等组成的电解质膜层，或者是二者的结合，在此不做限制。当然，挡光结构还可以是挡光片等等，在此就不再赘述了。

在实际应用中，还可以将虚拟现实设备中的近眼显示系统设置在不透光的外壳中，也能够实现避免外界环境光线的干扰的效果，在此就不再赘述了。

在具体实施过程中，虚拟现实设备还包括变焦透镜214，如图3所示，变焦透镜214设置于第一套近眼显示系统211和第二套近眼显示系统212的水平扩展波导上靠近人眼的一侧，变焦透镜例如可以是电控液晶菲涅耳透镜，通过改变施加在电控液晶菲涅耳透镜上的电压，即能够改变电控液晶菲涅耳透镜的发散能力，这样，即能够实现对水平扩展波导出射的光线的调整，从而改变向用户提供的图像的景深。

在实际应用中，可以如图3所示，在一个虚拟现实设备中只设置一个变焦透镜，在另一实施例中，也可以分别为左眼和右眼设置一个变焦透镜，在此不做限制。

当然，在具体实施过程中，变焦透镜例如还可以是充液型变焦透镜或者是基于介质电润湿的流体变焦透镜等等，在此就不再赘述了。在实际应用中，还可以通过软件的方式来调整向用户提供的图像的景深，在此就不再赘述了。

在实际使用实施例五提供的虚拟现实设备的过程中，由于第一套近眼显示系统211和第二套近眼显示系统212提供的出瞳直径都较大，所以减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了虚拟现实设备的适用人群，并且无需用户对虚拟现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的虚拟现实体验的缺陷。

然后，在通过上述部分，介绍完本实施例提供的近眼显示系统应用于虚拟现实设备的具体实现过程之后，在接下来部分中，将介绍本实施例提供的近眼显示系统应用于增强现实设备的具体实现过程。

请参考图4，图4为实施例五提供的近眼显示系统应用于增强现实设备的结构示意图，如图4所示，该增强现实设备包括两套如本实施例介绍的近眼显示系统，其中第一套近眼显示系统221出射的光线进入人的左眼，第二套近眼显示系统222出射的光线进入人的右眼；外界环境光线通过第一套近眼显示系统221的水平扩展波导进入人的左眼，并通过第二套近眼显示系统222的水平 扩展波导进入人的右眼，这样，近眼显示系统提供的图像和外界环境光线形成的图像就叠加在一起，从而能够向用户提供增强现实的内容，例如可以是导航信息、对外界环境中事物的标注信息等等，在此就不再赘述了。

在具体实施过程中，如图4所示，增强现实设备还包括四个变焦透镜2231、2232、633和634，变焦透镜2231和2232分别设置于第一套近眼显示系统221的水平扩展波导的靠近人眼的一侧和远离人眼的一侧，变焦透镜2233和2234分别设置于第二套近眼显示系统222的水平扩展波导的靠近人眼的一侧和远离人眼的一侧。

变焦透镜的具体作用及构成在前述部分已经进行了详细的介绍，在此就不再赘述了。

在实际使用实施例五提供的增强现实设备的过程中，由于第一套近眼显示系统221和第二套近眼显示系统222提供的出瞳直径都较大，所以减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了虚拟现实设备的适用人群，并且无需用户对增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的增强现实体验的缺陷。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

1、由于通过第一垂直扩展波导、第二垂直扩展波导和水平扩展波导扩大了近眼显示系统的出瞳直径，使得近眼显示系统输出的光线能够在更大的范围上进入眼睛的瞳孔中，所以与单一光学透镜的出瞳相比，本方案提供的出瞳明显增大，从而减少或者避免了对人眼观察的位置的严格限制，进而扩大了虚拟现实设备或增强现实设备的适用人群，并且无需用户对虚拟现实设备或增强现实设备进行瞳距调节，也避免了用户因调节结果不精确导致无法获得良好的虚拟现实体验或增强现实体验的缺陷。

2、由于通过第一图像源和第二图像源同时提供形成图像的图像光线，所以第一图像源或第二图像源只需要对虚拟图像的一半内容进行显示，这样，在保持第一图像源和第二图像源的分辨率不变的情况下，与只包括一个图像源的近眼显示系统相比，本实施例提供的近眼显示系统能够提供两倍的分辨率，从而能够向用户提供更清晰、更细腻的视觉体验。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互 相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (11)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括第一图像源、第二图像源、第一垂直扩展波导、第二垂直扩展波导和水平扩展波导；

所述第一图像源发出的图像光线经过所述第一垂直扩展波导后在垂直方向上扩束，再经过所述水平扩展波导后在水平方向上扩束，最后进入人眼；所述第二图像源发出的图像光线经过所述第二垂直扩展波导后在垂直方向上扩束，再经过所述水平扩展波导后在水平方向上扩束，最后进入人眼。

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一垂直扩展波导设置于所述第一图像源的出射光路上以及所述水平扩展波导的入射光路上，所述第二垂直扩展波导设置于所述第二图像源的出射光路上以及所述水平扩展波导的入射光路上，所述第一垂直扩展波导和第二垂直扩展波导相邻。

3.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像源具体为LCOS显示屏、LED显示屏或QD显示屏。

4.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，在所述图像源为LCOS显示屏时，所述图像源还包括照明光源，所述照明光源发出的光线入射到LCOS显示屏上，使得LCOS显示屏发出所述图像光线。

5.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括第一准直镜组和第二准直镜组，所述第一准直镜组设置于所述第一图像源的出射光路以及所述第一垂直扩展波导的入射光路上，所述第二准直镜组设置于所述第二图像源的出射光路以及所述第二垂直扩展波导的入射光路上。

6.如权利要求5所述的近眼显示系统，其特征在于，所述第一准直镜组和所述第二准直镜组具体为1/4P自聚焦透镜。

7.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括两套如权利要求1-6中任一权项所述的近眼显示系统，其中第一套近眼显示系统出射的光线进入人的左眼，第二套近眼显示系统出射的光线进入人的右眼。

8.如权利要求7所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备还包括挡光结构，所述挡光结构设置于所述第一套近眼显示系统和所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导上远离人眼的一侧。

9.如权利要求7所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实设备还包括变焦透镜，所述变焦透镜设置于所述第一套近眼显示系统和所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导上靠近人眼的一侧。

10.一种增强现实设备，其特征在于，包括两套如权利要求1-6中任一权项所述的近眼显示系统，其中第一套近眼显示系统出射的光线进入人的左眼，第二套近眼显示系统出射的光线进入人的右眼；外界环境光线通过所述第一套近眼显示系统的水平扩展波导进入人的左眼，并通过所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导进入人的右眼。

11.如权利要求10所述的增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备还包括四个变焦透镜，所述四个变焦透镜分别设置于所述第一套近眼显示系统的水平扩展波导的靠近人眼的一侧和远离人眼的一侧，以及所述第二套近眼显示系统的水平扩展波导的靠近人眼的一侧和远离人眼的一侧。