CN108803021A - 一种近眼显示系统、头戴显示设备及光场显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示系统、头戴显示设备及光场显示方法，该近眼显示系统包括：多个图像投影器件、与多个所述图像投影器件一一对应的多个目镜镜组、与多个所述目镜镜组一一对应的多个波导耦合器件和与多个所述波导耦合器件一一对应的多个近眼显示平板波导，多个所述目镜镜组的成像焦距互不相同；多个所述图像投影器件用于输出多个不同深度的待投影图像对应的多束光线，多个所述图像投影器件输出的多束光线经过对应的目镜镜组后，投影到对应的波导耦合器件，所述波导耦合器件用于将接收到的光线耦合进入对应的近眼显示平板波导，所述近眼显示平板波导用于将接收到的光线导入人眼。

Description

一种近眼显示系统、头戴显示设备及光场显示方法

技术领域

本发明涉及虚拟现实和增强现实领域，尤其涉及一种近眼显示系统、头戴显示设备及光场显示方法。

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。

现有的虚拟现实和增强现实技术大多采用双目视差实现3D图像的深度显示和感知，会存在视觉辐射调节和感知深度的冲突，其中，视觉辐射调节是指人的双眼具有自我调节影响距离的能力，但是这种能力并不是非常快速的转换，由于双眼的协调能力有限，双眼聚焦屏幕时，双眼的自我调节能力远不如影像切换的速度快，因此，长时间观看会使得用户出现头晕，恶心的情况，甚至用户的眼睛受到损害，可见，现有的增强显示和虚拟现实技术还难以满足市场消费者的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种近眼显示系统、头戴显示设备及光场显示方法，用于解决现有技术中存在的采用双目视差实现3D图像的深度显示和感知，会存在视觉辐射调节和感知深度的冲突的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供近眼显示系统，包括：多个图像投影器件、与多个所述图像投影器件一一对应的多个目镜镜组、与多个所述目镜镜组一一对应的多个波导耦合器件和与多个所述波导耦合器件一一对应的多个近眼显示平板波导，多个所述目镜镜组的成像焦距互不相同；

多个所述图像投影器件用于输出多个不同深度的待投影图像对应的多束光线，多个所述图像投影器件输出的多束光线经过对应的目镜镜组后，投影到对应的波导耦合器件，所述波导耦合器件用于将接收到的光线耦合进入对应的近眼显示平板波导，所述近眼显示平板波导用于将接收到的光线导入人眼。

可选的，所述近眼显示系统还包括多个图像源，多个所述图像源与多个所述图像投影器件一一对应，多个所述图像源用于存储多个所述待投影图像的颜色信息和深度信息。

可选的，所述图像投影器件为光纤扫描器、微机电系统MEMS扫描镜或硅基液晶LCOS显示器。

可选的，所述近眼显示系统还包括水平扩展波导，所述水平扩展波导用于接收多个所述近眼显示平板波导输出的多束光线，再将水平扩展后的光线导入人眼。

可选的，所述近眼显示系统还包括垂直扩展波导，所述垂直扩展波导用于接收多个所述近眼显示平板波导输出的多束光线，再将垂直扩展后的光线导入人眼。

本发明实施例第二方面提供一种头戴显示设备，包括：

如第一方面所述的近眼显示系统和用于佩戴于用户头部的头戴部件，所述近眼显示系统安装在所述头戴部件上并被定位成将光线引导至佩戴者的眼睛。

可选的，所述头戴显示设备包括两套所述近眼显示系统，其中，第一套近眼显示系统出射的光线进入佩戴者的左眼，第二套近眼显示系统出射的光线进入佩戴者的右眼。

本发明实施例第三方面提供一种光场显示方法，包括：

获取与多个图像投影器件一一对应的多个不同深度的待投影图像；

控制多个图像投影器件输出多个所述待投影图像对应的多束光线，使得与多个图像投影器件一一对应的多个目镜镜组将多束光线投影至与多个所述目镜镜组一一对应的多个波导耦合器件，多个所述波导耦合器件将接收到的光线耦合进入与多个波导耦合器件一一对应的多个近眼显示平板波导，多个所述近眼显示平板波导将多束光线导入人眼；

其中，多个所述目镜镜组的成像焦距互不相同。

可选的，获取与多个图像投影器件一一对应的多个不同深度的待投影图像，包括：

从与多个所述图像投影器件一一对应的多个图像源中读取多个所述待投影图像。

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：

本发明实施例的方案中，由于近眼显示系统包括多个图像投影器件和与多个图像投影器件一一对应的多个目镜镜组，通过多个图像投影器件输出多个不同深度的图像对应的多束光线，并通过不同成像焦距的目镜镜组将多束光线投影到对应的波导耦合器件和近眼显示平板波导，以同时将不同深度的多个图像投射进入人眼，从而实现不同深度的图像观测，避免了现有技术中通过双目视差来实现3D图像显示，解决了现有技术中存在的，采用双目视差实现3D图像的深度显示和感知，会存在视觉辐射调节和感知深度的冲突的技术问题，提供了一种新的实现深度显示的方式。

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为本发明实施例提供的近眼显示系统的平面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的近眼显示系统的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图像源的示意图；

图4为本发明实施例提供的波导系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的光场显示方法的流程示意图。

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。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的近眼显示系统的平面结构示意图，图2为本发明实施例提供的近眼显示系统的立体结构示意图，该近眼显示系统包括多个图像投影器件10、与多个所述图像投影器件10一一对应的多个目镜镜组20、与多个所述目镜镜组20一一对应的多个波导耦合器件30和与多个所述波导耦合器件30一一对应的多个近眼显示平板波导40，多个所述目镜镜组20的成像焦距互不相同。

多个所述图像投影器件10用于输出多个不同深度的待投影图像对应的多束光线，多个所述图像投影器件10输出的多束光线经过对应的目镜镜组20后，被投影到对应的波导耦合器件30，所述波导耦合器件30用于将接收到的光线耦合进入对应的近眼显示平板波导40，所述近眼显示平板波导40用于将接收到的光线导入人眼。

上述方案中，由于不同目镜镜组20的成像焦距互不不同，使得多个图像投影器件10输出的多束光线的投影距离不同，再将多束光线通过不同的近眼显示平板波导40导入人眼，就可以将不同投影深度的图像投射进入人眼，从而实现不同深度的图像观测。

本发明实施例中，不同的图像投影器件10的对应的投影深度是由对应的目镜镜组20的成像焦距决定的，每个图像投影器件10对应一组目镜镜组20，每组目镜镜组20的成像焦距不同，使得对应的图像投影器件10的投影深度不同，例如：假设近眼显示系统包括3个图像投影器件10，则相应的，包括3组目镜镜组20，又例如：假设近眼显示系统包括5个图像投影器件10，则相应的，包括5组目镜镜组20。

具体来讲，投影所需的图像投影器件10的个数和目镜镜组20的个数可以由投影深度的阶数决定。举例来讲，将空间中13m(米)～无穷远为一阶，8m～13m为一阶，5m～8m为一阶，3～5m为一阶，0.5～3m为一阶，则投影需要5个图像投影器件10和5组目镜镜组20。又例如：将空间中10m～无穷远为一阶，5～10m为一阶，0.5～5m为一阶，则投影需要3个图像投影器件10和3组目镜镜组20，本领域技术人员可以根据实际需要确定图像投影器件10和目镜镜组20的数量，本发明对此不做限制。

本发明实施例中，多个不同深度的图像的颜色信息和深度信息可以存储在多个不同的图像源中，在图像投影器件10进行投影时，从对应的图像源中读取对应的图像的信息进行投影。在一种可能的实施方式中，多个图像源与多个图像投影器件10一一对应，然后，在图像投影器件10进行投影时，可以直接从对应的图像源中读取待投影图像的颜色信息。

举例来讲，如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种可能的图像源的示意图，其中，假设近眼显示系统包括5个图像源，每个图像源存储的图像为不同投影深度的图像，假设5个图像源分别为501，502，503，504和505，其中，图像源501用于存储远景图像，则在投影图像时，将远景图像存储在图像源501中，其余场景，如中景图像、近景图像不存储在501中，从而通过与图像源501对应的远距离图像投影器件投影图像源501中的待投影图像。类似的，假设图像源502用于存储中距离场景，则在投影图像时，将中景图像存储在图像源502中，其余场景，如远景图像、近景图像不存储在502中，从而通过与图像源502对应的中距离图像投影器件投影图像源502中的图像。以此类推，对于图像存储区域503，504和505中存储的待投影图像，也可以通过对应的图像投影器件10进行投影。

在另一种可能的实施方式中，同样的，近眼显示系统可以包括多个图像源，然后，在图像投影器件10进行投影时，近眼显示系统可以从图像源中读取待投影图像的颜色信息和深度信息，然后近眼显示系统根据待投影图像的深度信息选择对应的图像投影器件10进行投影。

举例来讲，假设近眼显示系统包括3个图像源，和3个图像投影器件10，3个图像投影器件10分别为远距离图像投影器件、中距离图像投影器件和近距离图像投影器件，则在对一个图像源中的图像进行投影时，根据其中存储的深度信息确定该图像为远景图像、中景图像或近景图像，然后选择合适的图像投影器件10对该图像源中的图像进行投影。

在具体实施过程中，图像投影器件10可以为光纤扫描器、微机电系统MEMS(英文全称：Micro-Electro-Mechanical System)扫描镜或LCOS(英文全称：Liquid Crystal onSilicon；中文名称：液晶附硅或硅基液晶)显示器等，本发明对此不作限制。

本发明实施例中，如图4所示，图4为本发明实施例提供的波导系统的结构示意图，其中，近眼显示系统还可以包括水平扩展波导60，多个不同深度的图像投影器件10和目镜镜组20可以共用一个水平扩展波导60，多个图像投影器件10输出的光线在水平扩展波导60中互不影响，从近眼显示平板波导40中耦出的光线进入水平扩展波导60，从而实现多束光线的水平扩展，增大近眼显示系统在水平方向上的出瞳。

本发明实施例中，近眼显示系统还可以包括垂直扩展波导70，多个不同深度的图像投影器件10和目镜镜组20可以共用一个垂直扩展波导70，多个图像投影器件10输出的光线在垂直扩展波导70中互不影响，从近眼显示平板波导40中耦出的光线进入垂直扩展波导70，从而实现多束光线的垂直扩展，增大近眼显示系统在垂直方向上的出瞳。

本发明实施例中，近眼显示系统可以同时包括水平扩展波导60和垂直扩展波导70，从而在实现对光线的水平扩展和垂直扩展后，再耦合至人眼。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供头戴显示设备，包括上述实施例中的近眼显示系统和用于佩戴于用户头部的头戴部件，所述近眼显示系统安装在所述头戴部件上并被定位成将光线引导至佩戴者的眼睛。其中，前述图1至图4对应的实施例中的近眼显示系统的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的头戴显示设备，通过前述对近眼现实系统的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中头戴显示设备的实施方式，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

在一种可能的实施方式中，头戴显示设备可以包括一套近眼显示系统，并将近眼显示系统出射的光线导入人的左眼或者右眼。在另一种可能的实施方式中，头戴显示设备可以包括两套近眼显示系统，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，从而实现虚拟现实显示或者增强现实显示。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种光场显示方法，如图5所示，包括以下步骤。

步骤801，获取与多个图像投影器件一一对应的多个不同深度的待投影图像；

步骤802，控制多个图像投影器件输出多个所述待投影图像对应的多束光线，使得与多个图像投影器件一一对应的多个目镜镜组将多束光线投影至与多个所述目镜镜组一一对应的多个波导耦合器件，多个所述波导耦合器件将接收到的光线耦合进入与多个波导耦合器件一一对应的多个近眼显示平板波导，多个所述近眼显示平板波导将多束光线导入人眼；其中，多个所述目镜镜组的成像焦距互不相同。

可选的，获取与多个图像投影器件一一对应的多个不同深度的待投影图像，包括：从与多个所述图像投影器件一一对应的多个图像源中读取多个所述待投影图像。

前述图1至图4对应的实施例中的近眼显示系统的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的光场显示方法，通过前述对近眼现实系统的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中光场显示方法的实施方式，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

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：

本发明实施例的方案中，由于近眼显示系统包括多个图像投影器件和与多个图像投影器件一一对应的多个目镜镜组，通过多个图像投影器件输出多个不同深度的图像对应的多束光线，并通过不同成像焦距的目镜镜组将多束光线投影到对应的波导耦合器件和近眼显示平板波导，以同时将不同深度的多个图像投射进入人眼，从而实现不同深度的图像观测，避免了现有技术中通过双目视差来实现3D图像显示，解决了现有技术中存在的，采用双目视差实现3D图像的深度显示和感知，会存在视觉辐射调节和感知深度的冲突的技术问题，提供了一种新的实现深度显示的方式。

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 (9)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：多个图像投影器件、与多个所述图像投影器件一一对应的多个目镜镜组、与多个所述目镜镜组一一对应的多个波导耦合器件和与多个所述波导耦合器件一一对应的多个近眼显示平板波导，多个所述目镜镜组的成像焦距互不相同；

多个所述图像投影器件用于输出多个不同深度的待投影图像对应的多束光线，多个所述图像投影器件输出的多束光线经过对应的目镜镜组后，投影到对应的波导耦合器件，所述波导耦合器件用于将接收到的光线耦合进入对应的近眼显示平板波导，所述近眼显示平板波导用于将接收到的光线导入人眼。

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括多个图像源，多个所述图像源与多个所述图像投影器件一一对应，多个所述图像源用于存储多个所述待投影图像的颜色信息和深度信息。

3.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像投影器件为光纤扫描器、微机电系统MEMS扫描镜或硅基液晶LCOS显示器。

4.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水平扩展波导，所述水平扩展波导用于接收多个所述近眼显示平板波导输出的多束光线，再将水平扩展后的光线导入人眼。

5.如权利要求1或4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垂直扩展波导，所述垂直扩展波导用于接收多个所述近眼显示平板波导输出的多束光线，再将垂直扩展后的光线导入人眼。

6.一种头戴显示设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-5中任一项所述的近眼显示系统和用于佩戴于用户头部的头戴部件，所述近眼显示系统安装在所述头戴部件上并被定位成将光线引导至佩戴者的眼睛。

7.如权利要求6所述的头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括两套所述近眼显示系统，其中，第一套近眼显示系统出射的光线进入佩戴者的左眼，第二套近眼显示系统出射的光线进入佩戴者的右眼。

8.一种光场显示方法，其特征在于，包括：

获取与多个图像投影器件一一对应的多个不同深度的待投影图像；

控制多个图像投影器件输出多个所述待投影图像对应的多束光线，使得与多个图像投影器件一一对应的多个目镜镜组将多束光线投影至与多个所述目镜镜组一一对应的多个波导耦合器件，多个所述波导耦合器件将接收到的光线耦合进入与多个波导耦合器件一一对应的多个近眼显示平板波导，多个所述近眼显示平板波导将多束光线导入人眼；

其中，多个所述目镜镜组的成像焦距互不相同。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，获取与多个图像投影器件一一对应的多个不同深度的待投影图像，包括：

从与多个所述图像投影器件一一对应的多个图像源中读取多个所述待投影图像。