CN110187506B - 光学显示系统和增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学显示系统和增强现实设备，其中，系统包括：显示源和自由曲面透镜，其中，显示源包括至少两组像素，自由曲面透镜具有第一表面、第二表面和第三表面，第一表面相对于显示源的显示平面设置，用于投射显示源发出的成像光，第二表面用于将透射的成像光全反射至第三表面，第三表面间隔设置有多个微反射镜，每一个微反射镜与至少一组像素对应，用于将对应的至少一组像素发出并经第二表面全反射的成像光反射进入人眼，各微反射镜的直径小于瞳孔直径，以实现将投射入人眼的不同视角图像所聚焦得到图像的景深和外界环境光所呈的实际场景景深匹配，避免了辐辏调节冲突。

Description

光学显示系统和增强现实设备

技术领域

本发明涉及显示控制技术领域，尤其涉及一种光学显示系统和增强现实设备。

背景技术

人类视觉系统在观看不同远近物体的时候会进行双眼的会聚，即辐辏调节(看近处物体时，双眼通常向内看；看远处物体时视轴会发散些)和聚焦调节(调节晶状体，将光线聚焦到视网膜上)。现实生活中，人类视觉系统观看物体时，辐辏调节和聚焦调节同时发生，人类已经习惯于这种方式。

在增强现实系统中，人类看到的景物都是由显示屏显示出来的。但是屏幕发出的光线并没有深度信息，眼睛的聚焦点就定在屏幕上，因而眼睛的聚焦调节与这种景物的纵深感是不匹配的，从而产生视觉辐辏调节冲突。

具体地，如图2所示，真实世界中人类看真实物体时，辐轴调节对应的距离1和聚焦调节对应的距离2相等，人类视觉系统看不同深度的景物的视觉感受是不同的，如图2中左图所示，虚线表示看到的信息模块，也即左右边缘模糊，而中间清晰；而在虚拟现实场景中，如图2中右图所示，人类使用头戴式设备观看景物，辐轴调节对应的距离3和聚焦调节对应的距离4不一致，即图2中右图示出的这种视觉辐辏调节冲突，是与人类日常生理规律是相违背的，会导致人类视觉系统疲劳和眩晕。

而目前的增强现实系统中，采用的光学系统进行透射的距离总是固定的，也就是说人眼聚焦点的位置是固定的，而显示图像会让人眼会聚在不同的距离以产生3D景深，这时，聚焦调节的距离和辐轴调节(会聚)的距离是不相等的，即出现聚焦调节和辐辏调节不一致，会引起视觉辐辏调节冲突，导致图像的不清晰，和带上增强现实设备后视觉疲劳、眩晕感。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种光学显示系统，以实现将投射入人眼的不同视角图像所聚焦得到图像的景深和外界环境光所呈的实际场景景深匹配，避免了辐辏调节冲突。

本发明的第二个目的在于提出一种增强现实设备。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种光学显示系统，包括：

显示源，包括至少两组像素；

自由曲面透镜，具有第一表面、第二表面和第三表面；

其中，所述第一表面，相对于所述显示源的显示平面设置，用于透射所述显示源发出的成像光；

所述第二表面，用于将透射的成像光全反射至所述第三表面；

所述第三表面，间隔设置有多个微反射镜，每一个微反射镜与至少一组像素对应，用于将对应的至少一组像素发出并经第二表面全反射的成像光反射进入人眼，微反射镜的直径小于或等于3mm。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种增强现实设备，包括如第一方面所述的光学显示系统。

本发明实施例所提供的技术方案可以包含如下的有益效果：

光学显示系统包括显示源和自由曲面透镜，其中，显示源包括至少两组像素，自由曲面透镜具有第一表面、第二表面和第三表面，第一表面相对于显示源的显示平面设置，用于投射显示源发出的成像光，第二表面用于将透射的成像光全反射至第三表面，第三表面间隔设置有多个微反射镜，每一个微反射镜与至少一组像素对应，用于将对应的至少一组像素发出并经第二表面全反射的成像光反射进入人眼，各微反射镜的直径小于瞳孔直径，以实现将投射入人眼的不同视角图像所聚焦得到图像的景深和外界环境光所呈的实际场景景深匹配，避免了辐辏调节冲突。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为辐辏调节和聚焦调节的原理示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种光学显示系统的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的另一种光学显示系统的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的又一种光学显示系统的结构示意图

图5为本发明实施例所提供的再一种光学显示系统的结构示意图图；以及

图6为本发明实施例所提供的一种增强现实眼镜的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的光学显示系统和增强现实设备。

现实世界中，人眼看真实物体时辐辏调节和聚焦调节是一致的，而在增强现实场景中，具有不同视差的图片会让眼睛会聚在不同的距离以产生3D景深，而图像的投射距离却是固定的，从而人眼聚焦的位置则是固定的，从而导致聚焦和会焦的距离不相等，也就是说辐辏调节和聚焦调节是不一致的，从而产生视觉辐辏调节冲突，造成用户的不适，为此，本申请实施例提供了一种光学显示系统。

图2为本发明实施例所提供的一种光学显示系统的结构示意图，该光学显示系统100可以应用于增强现实设备，例如增强现实眼镜、增强现实的头盔等。如图2所示，该系统包括：显示源10和自由曲面透镜20。

显示源10，包括至少两组像素101。

自由曲面透镜20，具有第一表面201、第二表面202和第三表面203。

其中，第一表面201，相对于显示源10的显示平面设置，用于透射显示源10发出的成像光。

第二表面202，用于将透射的成像光全反射至第三表面203。

第三表面203，间隔设置有多个微反射镜2031，每一个微反射镜2031与至少一组像素101对应，用于将对应的至少一组像素101发出并经第二表面202全反射的成像光反射进入人眼，微反射镜2031的直径小于或等于3mm，而微反射镜2031的直径小于瞳孔直径，其中，瞳孔直径的取值范围为3mm至5mm。

具体地，第一表面201用于将显示源发出的至少两组成像光透射至第二表面202，其中，至少两组成像光分别对应不同视角图像，第二表面202用于将透射的至少两组成像光全反射至第三表面203。第三表面203上间隔设置的多个微反射镜2031将全反射的至少两组成像光反射进入人眼，在人眼处成像，由于人眼同时接收到不同视角的至少两个图像，从而可以自由聚焦得到任意景深的光场，同时，多个微反射镜2031之间的间隔区域用于将环境光透射进入人眼，各微反射镜的直径小于瞳孔直径，以使人眼可以接收外界环境中多个不同视角的图像以生成立体视觉图像。从而可以使得人眼自由聚焦得到的景深和外界环境光所呈的实际场景景深匹配，从而实现单目焦点调节和双目辐辏调节的一致性，避免了视觉辐辏调节冲突，提高了舒适度。

基于上一实施例，本发明实施例提供了另一种光学显示系统100的可能的实现方式，

图3为本发明实施例所提供的另一种光学显示系统的结构示意图。

本如图4所示，光学显示系统100的第一表面201形成有微透镜阵列211，微透镜阵列211包含至少两个凸透镜，每一个凸透镜，与至少一组像素对应，用于透射对应的至少一组像素发出的成像光，其中，微透镜阵列211包含的凸透镜个数与光学显示系统100的分辨率正相关，也就是说微透镜阵列211包含的凸透镜个数越多，光学显示系统100的分辨越高，即人眼看到的虚像的分辨率则越高。

上述实施例中描述了光学显示系统100可使人眼同时接收到不同视角的至少两个图像，为了便于说明，本实施例中，以人眼同时接收到的不同视角的图像为3个为例，对光学显示系统100实现辐辏调节一致的过程进行说明。

如图3所示，显示源包10含3组像素，微透镜阵列对应包含3个凸透镜2110，第三表面间隔设置了3个微反射镜2031。

需要说明的是，人眼在使用该光学显示系统100时，人眼和光学显示系统100的相对位置关系，确定了人眼的视点，而微反射镜2031在第三表面的设置位置和个数，与视点的位置和个数具有一一对应关系，也就是说进入人眼的多个视点，使得用户观看到多个视角的图像。

具体地，显示源10的3组像素101接收到同一景深但不同视角的2维图像，从而3组像素101分别根据对应视角图像发出3组成像光，3组成像光经过凸透镜2110透射至第二表面202，3组成像光在第二表面202发生全反射后，每组成像光反射至对应的第三表面203上间隔设置的微反射镜2031，微反射镜2031将对应的全反射的成像光反射进入人眼，人眼同时接收到不同视角的3组图像，人眼根据3组不同视角的图像，可以自由聚焦得到对应景深的光场图像，由于3组图像是具有相同景深的，从而人眼根据3组图像对应的景深，人眼的单目即完成了相应的对焦，对焦的位置即为3组图像对应的景深，也就是说人眼在3组图像对应的景深位置看到放大的虚像。从而，通过改变人眼接收到的图像的景深，既可以得到位于不同景深的虚像，即人眼聚焦的焦点位置是可以随着反射进入人眼的多个视角的图像的景深灵活变化，实现了人眼焦点位置的灵活变化。

需要说明的是，由于人眼瞳孔直径为3毫米-5毫米，为使得人眼看到至少两个视点，即将至少两个视角的图像同步反射进入人眼，作为一种可能的实现方式，微反射镜2031的直径小于或等于3mm，优先的取值范围为2毫米至3毫米，优选的可以为3毫米，即微反射镜2031的直径小于人眼的瞳孔，从而不同视角的图像在人眼的成像间距小于瞳孔的直径，以实现将至少两个视角的图像同步反射进入人眼，同时因反射镜2031的直径小于人眼的瞳孔，人眼也不会感知到微反射镜2031的存在，避免了人眼的不适。

同时，利用微反射镜还进一步限制了入瞳光束直径，光束直径最小，即可获取最佳成像位置，减小视网膜成像的模糊程度。例如，入瞳光束直径小于0.8mm。,

另外，微反射镜2031之间是间隔设置的，目的是可以使得外界的环境光可以进入，以使得双目可以根据外界环境所呈的实际场景的图像进行会聚得到立体图像。

从而，通过控制显示源输出的不同视角图像的景深，使得人眼根据反射进入人眼的对应景深的不同视角图像进行焦点的调节，实现人眼所看到的虚像所对应的景深和人眼双目会聚所呈的立体图像的景深是匹配的，即避免了视觉辐辏调节冲突，提高了舒适度。

本实施例中仅为便于举例说明，示出了微反射镜2031为3个的情况，实际应该中，可以根据需要进行灵活设置，设置更多个微反射镜2031，做为一种可能的实现方式，多个微反射镜2031的排布可以为多行和/或多列，其中，多个微反射镜划分为至少两组，相邻排布的两个微反射镜分别属于不同组，至少两组微反射镜与至少两组像素一一对应。其中，行数和列数与光学显示系统100的视场角正相关。

需要说明的是，微反射镜2031的行数和/或列数较多时，微反射镜2031的间距则会越小，即阻挡外界环境光进入越强，因此，微反射镜2031的行数的取值范围为2-3行，微反射镜2031的列数的取值范围为3-8列。

本发明实施例的光学显示系统，通过控制显示源发出不同景深的多个视角图像，经自由曲面透镜反射入人眼后，使得人眼所看到的虚像所对应的景深是灵活可调的，同时自由曲面透镜允许环境光进入，实现了单目焦点调节和双目辐辏调节的一致性，避免了视觉辐辏调节冲突，提高了舒适度。

基于上述实施例，本发明实施例还提出了一种光学显示系统100的可能的实现方式，图4为本发明实施例所提供的又一种光学显示系统的结构示意图。

如图4所示，光学显示系统100还包括补偿镜204，补偿镜204设置于第三表面203的环境光入光侧，与第二表面202平行，用于补偿第二表面202和第三表面203的光畸变。其中，补偿镜204可以为平面透镜或者为凹面透镜，对进入的外界环境光进行光场消畸，以抵消掉第二表面202和第三表面203所带来的光畸变，以使得环境光透过补偿镜204、第三表面203和第二表面202进入人眼之后，光线无畸变。

作为一种可能的实现方式，光学显示系统100还可以包括吸光层205，吸光层205设置于第三表面203的环境光入光侧，吸光层205的一端与第二表面202的下端连接，吸光层205的另一端与补偿镜204的下端连接，,作为一种可能的实现方式，通过在亚克力板表面增加吸光涂层，以实现吸光层205的表面用于吸收杂散光，防止杂散光反射进入人眼造成成像质量降低。

作为一种可能的实现方式，如图5所示，光学显示系统100还可以包括显示控制装置110，显示控制装置110与显示源10电连接，用于根据环境光所呈物体的景深，控制显示源10的至少两组像素101显示同一景深的至少两视角图像，以实现人眼所看到的虚像的景深与环境光所呈物体的景深一致，避免了辐辏调节冲突。

基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种增强现实设备，包括前述实施例所述的光学显示系统100，增强现实设备例如为增强现实的眼镜、头盔等。

可选地，可以在增强现实设备的光学显示系统100的环境光入光面外加灰度滤光镜，以减小进入的环境光亮度，增大显示的虚拟图像与真实环境图像之间的对比度。

本发明实施例中，增强显示设备为增强显示眼镜，如图6所示，增强现实眼镜包括对应双目的两个光学显示系统100，每一个光学显示系统100中的显示控制装置110，根据环境光所呈物体的景深，分别控制单目对应的光学显示系统100的显示源10采用至少两组像素显示同一景深的至少两视角图像，实现人眼的焦距调节，以实现人眼双目所看到的虚像的景深与环境光所呈物体的景深一致，避免了辐辏调节冲突，提高了人眼佩戴增强现实眼镜时的舒适度。

需要说明的是，不同光学显示系统100也可以共用一个显示控制装置110，减小增强现实眼镜的大小，节约成本，其中，上述对光学显示系统100的解释说明，也适用于本实施例的增强现实设备，原理相同，此处不再赘述。

本发明实施例所提供的增强现实设备，可以通过显示控制装置根据环境光所呈物体的景深，分别控制双目对应的光学显示系统的显示源采用至少两组像素显示同一景深的至少两视角图像，实现人眼的焦距调节，以实现人眼双目所看到的虚像的景深与环境光所呈物体的景深一致，避免了视觉辐辏调节冲突，不会让用户产生疲劳和不适感。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种光学显示系统，其特征在于，包括：

显示源，包括至少两组像素；

显示控制装置，与所述显示源电连接，用于根据环境光所呈物体的景深，控制所述显示源的至少两组像素显示同一景深的至少两视角图像；

自由曲面透镜，具有第一表面、第二表面和第三表面；

其中，所述第一表面，相对于所述显示源的显示平面设置，用于透射所述显示源发出的成像光；所述第一表面形成有微透镜阵列；所述微透镜阵列包括至少两个凸透镜；其中，每一个所述凸透镜，与至少一组像素对应，用于透射对应的至少一组像素发出的成像光；

所述第二表面，用于将透射的成像光全反射至所述第三表面；

所述第三表面，间隔设置有多个微反射镜，每一个微反射镜与至少一组像素对应，用于将对应的至少一组像素发出并经所述第二表面全反射的成像光反射进入人眼，所述微反射镜的直径小于或等于3mm。

2.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述光学显示系统还包括：

补偿镜，设置于所述第三表面的环境光入光侧，与所述第二表面平行，用于补偿所述第二表面和所述第三表面的光畸变。

3.根据权利要求2所述的光学显示系统，其特征在于，所述光学显示系统还包括：

吸光层，设置于所述第三表面的环境光入光侧，所述吸光层的一端与所述第二表面的下端连接，所述吸光层的另一端与所述补偿镜的下端连接，用于吸收杂散光。

4.根据权利要求1-3任一项所述的光学显示系统，其特征在于，

所述微反射镜的直径取值范围为2毫米至4毫米。

5.根据权利要求1-3任一项所述的光学显示系统，其特征在于，

所述多个微反射镜排布为多行和/或多列；

其中，所述多个微反射镜划分为至少两组，相邻排布的两个微反射镜分别属于不同组；

至少两组微反射镜与至少两组像素一一对应。

6.根据权利要求5所述的光学显示系统，其特征在于，

所述多行取值范围为2行至3行；所述多列取值范围为3列至8列。

7.一种增强现实设备，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的光学显示系统。

8.根据权利要求7所述的增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备为增强现实眼镜；

所述增强现实眼镜包括对应双目的两个所述光学显示系统。

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