CN110488494B - 一种近眼显示装置、增强现实设备以及虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种近眼显示装置、增强现实设备以及虚拟现实设备，涉及显示技术领域。该装置包括衬底基板、设置于衬底基板第一侧面的光学元件阵列、设置于衬底基板第二侧面且连接的像素岛阵列和传感器阵列；像素岛阵列配置为向光学元件阵列发射第一像素光线，以使第一像素光线透过光学元件阵列后到达人眼；传感器阵列配置为接收人眼对第一像素光线的反射光线，根据反射光线的强度分布，确定人眼的瞳孔中心位置，从像素岛阵列中，确定瞳孔中心位置对应的像素部分，并控制其发射第二像素光线。本发明中，该装置可实时追踪瞳孔中心位置，控制不同的像素部分进行画面显示，使画面适应瞳孔位置变化后的人眼，如此，人眼能实时观察到完整清晰的画面。

Description

一种近眼显示装置、增强现实设备以及虚拟现实设备

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种近眼显示装置、增强现实设备以及虚拟现实设备。

背景技术

近年来，近眼显示技术正飞速发展，其中，虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以及增强现实(Augmented Reality，AR)技术最具代表性，为人们带来了极佳的视听体验。

目前的具备VR显示、AR显示等功能的近眼显示装置，最佳观看位置和最佳观看角度是固定的，也即是人眼必须在固定的最佳观看位置，以固定的最佳观看角度观看画面，才能达到较好的观看效果。

然而，在实际应用中，用户佩戴近眼显示装置时，用户的眼睛通常与近眼显示装置距离很近，因此，在近眼显示装置显示画面时，受人眼观察角度的影响较大。当人眼的瞳孔转动时，有些画面光线就无法进入人眼，从而使得用户无法观察到完整的画面。并且，当人眼的瞳孔转动时，近眼显示装置的不同部位发出的光线，在此时的观看角度下会发生相互干扰，从而造成画面串扰，从而使得用户无法观察到清晰的画面。

发明内容

本发明提供一种近眼显示装置、增强现实设备以及虚拟现实设备，以解决现有的近眼显示装置在人眼瞳孔转动时，使得用户无法观察到完整清晰的画面的问题。

为了解决上述问题，本发明公开了一种近眼显示装置，所述装置包括衬底基板、像素岛阵列、光学元件阵列和传感器阵列；所述衬底基板包括相对的第一侧面和第二侧面，所述光学元件阵列设置于所述第一侧面，所述像素岛阵列和所述传感器阵列设置于所述第二侧面；所述传感器阵列与所述像素岛阵列连接；

所述像素岛阵列配置为向所述光学元件阵列发射第一像素光线，以使所述第一像素光线透过所述光学元件阵列后到达人眼；

所述传感器阵列配置为接收所述人眼对所述第一像素光线的反射光线，根据所述反射光线的强度分布，确定所述人眼的瞳孔中心位置，从所述像素岛阵列中，确定所述瞳孔中心位置对应的像素部分，控制所述像素部分发射第二像素光线。

可选地，所述像素岛阵列包括多个像素岛，所述光学元件阵列包括多个光学元件，所述传感器阵列包括多个光线传感器，所述像素岛、所述光学元件和所述光线传感器一一对应，所述光线传感器与所述像素岛一一对应连接。

可选地，所述光线传感器与对应的所述像素岛相邻设置。

可选地，所述光学元件的中心、所述光学元件对应的所述像素岛的中心，以及所述人眼的中心位于同一条直线。

可选地，所述像素岛位于对应的所述光学元件的一倍焦距范围以内。

可选地，所述光学元件为微透镜。

可选地，所述光学元件的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯。

可选地，所述像素岛包括多个像素点；所述光线传感器具体配置为从对应的所述像素岛的所述多个像素点中，确定所述瞳孔中心位置对应的多个目标像素点，控制所述多个目标像素点发射第二像素光线。

可选地，所述光学元件阵列配置为将所述第一像素光线在同一景深处形成放大的虚像，所述景深处位于靠近所述第二侧面的空间中。

可选地，所述衬底基板的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯和氮化硅中的至少一种。

为了解决上述问题，本发明还公开了一种可佩戴式的增强现实设备，包括本发明所述的近眼显示装置。

可选地，所述像素岛阵列包括多个像素岛，相邻的两个所述像素岛之间存在第一间隙，所述第一间隙配置为透过环境光线；所述光学元件阵列包括多个光学元件，相邻的两个所述光学元件之间存在第二间隙，所述第二间隙配置为透过所述环境光线。

可选地，所述光学元件为微透镜，所述微透镜的直径大于或等于0.5毫米，且小于或等于1.2毫米。

为了解决上述问题，本发明还公开了一种可佩戴式的虚拟现实设备，包括本发明所述的近眼显示装置。

可选地，所述光学元件为微透镜，所述微透镜的直径大于或等于0.5毫米，且小于或等于2毫米。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

在本发明实施例中，近眼显示装置包括衬底基板、像素岛阵列、光学元件阵列和传感器阵列，光学元件阵列设置于衬底基板的第一侧面，像素岛阵列和传感器阵列设置于衬底基板的第二侧面，传感器阵列与像素岛阵列连接。像素岛阵列可以发射第一像素光线，第一像素光线透过光学元件阵列后，可以到达人眼，并被人眼反射，进而传感器阵列可以接收到人眼反射的光线，并根据反射光线的强度分布，确定人眼当前的瞳孔中心位置，进而可以确定像素岛阵列中与瞳孔中心位置对应的像素部分，并控制该像素部分发射第二像素光线，从而近眼显示装置可以对人眼的瞳孔中心位置进行实时追踪，进而实时控制不同的像素部分进行画面显示，以进行画面调整，使画面适应瞳孔位置变化后的人眼，如此，人眼便能够实时观察到完整且清晰的画面。

附图说明

图1示出了本发明实施例一的一种近眼显示装置的示意图；

图2示出了本发明实施例一的一种人眼佩戴近眼显示装置观看画面的示意图；

图3示出了本发明实施例一的一种人眼佩戴近眼显示装置观看画面的细节示意图；

图4示出了本发明实施例一的一种像素岛的示意图；

图5示出了本发明实施例一的另一种像素岛的示意图。

附图标记说明：

10-衬底基板，20-像素岛阵列，30-光学元件阵列，40-传感器阵列，01-第一侧面，02-第二侧面，21-像素岛，211-像素点，2110-目标像素点，31-光学元件，41-光线传感器，03-人眼，04-虚像，05-景深处。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

参照图1，示出了本发明实施例一的一种近眼显示装置，该装置包括衬底基板10、像素岛阵列20、光学元件阵列30和传感器阵列40。衬底基板10包括相对的第一侧面01和第二侧面02，光学元件阵列30设置于第一侧面01，像素岛阵列20和传感器阵列40设置于第二侧面02，传感器阵列40与像素岛阵列20连接。

其中，像素岛阵列20配置为向光学元件阵列30发射第一像素光线，以使第一像素光线透过光学元件阵列30后到达人眼。传感器阵列40配置为接收人眼对第一像素光线的反射光线，根据反射光线的强度分布，确定人眼的瞳孔中心位置，从像素岛阵列20中，确定瞳孔中心位置对应的像素部分，控制该像素部分发射第二像素光线。

在本发明实施例中，第一侧面01为衬底基板10靠近人眼的一侧，第二侧面02为衬底基板10远离人眼的一侧，设置于第二侧面02的像素岛阵列20可以发射第一像素光线，第一像素光线透过设置于第一侧面01的光学元件阵列30后，可以到达人眼，并被人眼反射，进而设置于第二侧面02的传感器阵列40可以接收到人眼反射的光线，并根据反射光线的强度分布，确定人眼当前的瞳孔中心位置，进而可以确定像素岛阵列20中与瞳孔中心位置对应的像素部分，并控制该像素部分发射第二像素光线，从而近眼显示装置可以对人眼的瞳孔中心位置进行实时追踪，进而实时控制不同的像素部分进行画面显示，以进行画面调整，使画面适应瞳孔位置变化后的人眼，如此，人眼便能够实时观察到完整且清晰的画面。

具体地，衬底基板10可以采用透明材料，以便于光线透过。可选地，衬底基板10的材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl methacrylate，俗称有机玻璃)和氮化硅(Si3N4)中的至少一种。在实际应用中，聚甲基丙烯酸甲酯的单位重量较轻，因此，能够减小近眼显示装置的重量，便于用户佩戴。当然，衬底基板10还可以选用除氮化硅之外，LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示屏)中一些常用的衬底基板透明材料，本发明实施例对此不作具体限定。

图2示出了一种人眼佩戴近眼显示装置观看画面的示意图，参照图2，像素岛阵列20包括多个像素岛21，多个像素岛21可以按照人眼03的观看需求，排布于衬底基板10的第二侧面02，像素岛21包括多个像素点，也即是一个像素岛21实际上相当于一个像素簇，多个像素点也可以按照人眼03的观看需求进行排布。一个像素岛21中可以包括同种颜色的多个像素点，不同像素岛21中的像素点颜色可以不同，本发明实施例对此不作具体限定。每个像素岛21相当于一块微小的显示屏，对于要观察的完整画面，每个像素岛21只显示该完整画面中一部分图像，最后对每个像素岛21经光学元件阵列30放大的像面进行拼接，可以形成要观察的完整画面，也即一个放大的虚像04，如图2所示，从而人眼03可以观看到该虚像04。

在实际应用中，由于增强现实的显示效果需要一定的环境光线才能达到，因此，若该近眼显示装置用于增强现实显示，则相邻的两个像素岛21之间需要保留一定的间隙，该间隙可以配置为透过环境光线。而由于虚拟现实的显示效果不需要环境光线，因此，若该近眼显示装置用于虚拟现实显示，则相邻的两个像素岛21之间可以不设置间隙。

参照图2，光学元件阵列30包括多个光学元件31，多个光学元件31可以按照人眼的观看需求，排布于衬底基板10的第一侧面01。在具体应用时，光学元件31可以为微透镜。若该近眼显示装置用于增强现实显示，则微透镜的直径可以大于或等于0.5毫米，且小于或等于1.2毫米，其中，微透镜的直径可以根据具体的增强现实显示场景进行选择。在用于增强现实显示时，单个微透镜的孔径不能太大，在满足显示的微透镜数量一定时，微透镜直径较大会使得微透镜之间的间隙较小甚至为零，此种情况下，环境光线便无法进入人眼，从而无法实现增强现实的显示效果。因此，微透镜的直径需要小一些，并且，相邻的两个光学元件之间也需要保留一定的间隙，该间隙可以配置为透过环境光线。在用于虚拟现实显示时，由于虚拟现实的显示效果不需要环境光线，因此，微透镜的直径可以大一些，在实际应用时，微透镜的直径可以大于或等于0.5毫米，且小于或等于2毫米，其中，微透镜的直径可以根据具体的虚拟现实显示场景进行选择。

可选地，参照图2，对于任一个光学元件31，该光学元件31的中心、该光学元件31对应的像素岛21的中心，以及人眼的中心位于同一条直线，从而可以使每个像素岛21发出的光线，能够经过对应的光学元件31进行光学处理，且使得每个光学元件31进行光学处理后的光线，也能够被人眼接收。

可选地，参照图2，光学元件阵列30配置为将第一像素光线在同一景深处05形成放大的虚像，该景深处05位于靠近第二侧面02的空间中。在具体应用时，可选地，像素岛21可以位于对应的光学元件31的一倍焦距范围以内，从而可以使该像素岛21发出的光线经对应的光学元件31后，能够在靠近第二侧面02的空间中的某一景深处05形成放大的虚像。

进一步地，为了保证人眼的观看感受，各个像素岛21发出的第一像素光线在同一景深处形成的放大虚像需要具有连续性，在实际应用时，可以通过设计人眼与光学元件31之间的间距、衬底基板10的厚度等参数来实现。

例如，参照图2，衬底基板10的厚度可以等于光学元件31的焦距f，从而像素岛21可以位于对应的光学元件31的一倍焦距f范围以内。由于单个光学元件31的视角θ，需要保证对应的像素岛21任何位置发出的光线都能接收到，因此，单个光学元件31的视角θ＝arctan(D/f)，其中，D为像素岛21的大小。光学元件31之间的间隔d1＝L·tanθ，像素岛21之间的间隔d2＝(L+f)·tanθ，其中，L为出瞳距，也即瞳孔到衬底基板10的垂直距离。根据上述参数进行设计，则可以保证各个像素岛21发出的第一像素光线在同一景深处形成的连续放大的虚像。

可选地，光学元件31的材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯材质较轻且透明，因此，将其选作光学元件31的材料可以减小近眼显示装置的重量，从而便于用户佩戴。当然，光学元件31还可以选用其他材料，如透明的玻璃材料、树脂材料、光学薄膜材料等，本发明实施例对此不作具体限定。

传感器阵列40包括多个光线传感器41，在本发明实施例中，像素岛21、光学元件31和光线传感器41一一对应，光线传感器41与像素岛21一一对应连接。可选地，光线传感器41可以与对应的像素岛21相邻设置。相应的，光线传感器41可以具体配置为从对应的像素岛21的多个像素点中，确定瞳孔中心位置对应的多个目标像素点，控制多个目标像素点发射第二像素光线。

当用户佩戴好包括该近眼显示装置的显示设备时，人眼的眼球中心几乎不动，但是瞳孔却可以随着视线的移动而产生位置变化，通常，人眼瞳孔的眼动范围可以为±2毫米，也即是在任一方向上，瞳孔中心位置可以在4毫米的范围内变化。对于任一像素岛21，该像素岛21可以发射第一像素光线，第一像素光线透过该像素岛21对应的光学元件31后，可以到达人眼03，并被人眼03反射，进而光线传感器41可以接收到人眼03反射的光线。

图3示出了一种人眼佩戴近眼显示装置观看画面的细节示意图，如图3所示，当瞳孔处于位置A时，瞳孔反射的光线可以参照图3中的实线光线，在瞳孔从位置A上移至位置B后，瞳孔反射的光线可以参照图3中的虚线光线。从图3中可以看出，瞳孔从位置A上移至位置B，光线传感器41接收到的反射光线的光斑也相应发生上移，其中，光斑也即反射光线中强度较为集中的部分，因此，光线传感器41可以根据反射光线强度较为集中的光斑位置，确定人眼当前的瞳孔中心位置。在具体应用时，光线传感器41中预存有光斑位置与瞳孔中心位置的对应关系，该对应关系可以通过机器训练、实际测量等方式获得，本发明实施例对此不作具体限定。

图4示出了一种像素岛的示意图，如图4所示，由于光线传感器41可以检测到光斑位置上移了多少，因此，光线传感器41可以从对应的像素岛21的多个像素点211中，确定此时的瞳孔中心位置对应的多个目标像素点2110，也即是多个像素点211中靠上方的一部分像素点，并控制该多个目标像素点2110发射第二像素光线。

例如，当瞳孔又从位置B右下方移动时，光线传感器41可以确定出人眼此时的瞳孔中心位置，然后可以从对应的像素岛21的多个像素点211中，确定此时的瞳孔中心位置对应的多个目标像素点2110，如图5所示，也即是多个像素点211中靠右下方的一部分像素点，进而光线传感器41可以控制该多个目标像素点2110发射第二像素光线。

在本发明实施例中，近眼显示装置包括衬底基板、像素岛阵列、光学元件阵列和传感器阵列，光学元件阵列设置于衬底基板的第一侧面，像素岛阵列和传感器阵列设置于衬底基板的第二侧面，传感器阵列与像素岛阵列连接。像素岛阵列可以发射第一像素光线，第一像素光线透过光学元件阵列后，可以到达人眼，并被人眼反射，进而传感器阵列可以接收到人眼反射的光线，并根据反射光线的强度分布，确定人眼当前的瞳孔中心位置，进而可以确定像素岛阵列中与瞳孔中心位置对应的像素部分，并控制该像素部分发射第二像素光线，从而近眼显示装置可以对人眼的瞳孔中心位置进行实时追踪，进而实时控制不同的像素部分进行画面显示，以进行画面调整，使画面适应瞳孔位置变化后的人眼，如此，人眼便能够实时观察到完整且清晰的画面。

实施例二

本发明还公开了一种可佩戴式的增强现实设备，包括上述的近眼显示装置。

可选地，像素岛阵列包括多个像素岛，相邻的两个像素岛之间存在第一间隙，第一间隙配置为透过环境光线；光学元件阵列包括多个光学元件，相邻的两个光学元件之间存在第二间隙，第二间隙配置为透过环境光线。

可选地，光学元件为微透镜，微透镜的直径可以大于或等于0.5毫米，且小于或等于1.2毫米。

在本发明实施例中，增强现实设备中的近眼显示装置包括衬底基板、像素岛阵列、光学元件阵列和传感器阵列，光学元件阵列设置于衬底基板的第一侧面，像素岛阵列和传感器阵列设置于衬底基板的第二侧面，传感器阵列与像素岛阵列连接。像素岛阵列可以发射第一像素光线，第一像素光线透过光学元件阵列后，可以到达人眼，并被人眼反射，进而传感器阵列可以接收到人眼反射的光线，并根据反射光线的强度分布，确定人眼当前的瞳孔中心位置，进而可以确定像素岛阵列中与瞳孔中心位置对应的像素部分，并控制该像素部分发射第二像素光线，从而近眼显示装置可以对人眼的瞳孔中心位置进行实时追踪，进而实时控制不同的像素部分进行画面显示，以进行画面调整，使画面适应瞳孔位置变化后的人眼，如此，人眼便能够实时观察到完整且清晰的画面。

实施例三

本发明还公开了一种可佩戴式的虚拟现实设备，包括上述的近眼显示装置。

可选地，光学元件为微透镜，微透镜的直径可以大于或等于0.5毫米，且小于或等于2毫米。

在本发明实施例中，虚拟现实设备中的近眼显示装置包括衬底基板、像素岛阵列、光学元件阵列和传感器阵列，光学元件阵列设置于衬底基板的第一侧面，像素岛阵列和传感器阵列设置于衬底基板的第二侧面，传感器阵列与像素岛阵列连接。像素岛阵列可以发射第一像素光线，第一像素光线透过光学元件阵列后，可以到达人眼，并被人眼反射，进而传感器阵列可以接收到人眼反射的光线，并根据反射光线的强度分布，确定人眼当前的瞳孔中心位置，进而可以确定像素岛阵列中与瞳孔中心位置对应的像素部分，并控制该像素部分发射第二像素光线，从而近眼显示装置可以对人眼的瞳孔中心位置进行实时追踪，进而实时控制不同的像素部分进行画面显示，以进行画面调整，使画面适应瞳孔位置变化后的人眼，如此，人眼便能够实时观察到完整且清晰的画面。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种近眼显示装置、增强现实设备以及虚拟现实设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，所述装置包括衬底基板、像素岛阵列、光学元件阵列和传感器阵列；所述衬底基板包括相对的第一侧面和第二侧面，所述光学元件阵列设置于所述第一侧面，所述像素岛阵列和所述传感器阵列设置于所述第二侧面；所述传感器阵列与所述像素岛阵列连接；所述像素岛阵列包括多个像素岛，所述光学元件阵列包括多个光学元件，所述传感器阵列包括多个光线传感器，所述像素岛、所述光学元件和所述光线传感器一一对应，所述光线传感器与所述像素岛一一对应连接；其中，每个所述像素岛只显示要观察的完整画面中的一部分图像，每个所述像素岛经所述光学元件阵列放大的像面进行拼接，形成要观察的完整画面的虚像；

所述像素岛阵列配置为向所述光学元件阵列发射第一像素光线，以使所述第一像素光线透过所述光学元件阵列后到达人眼；

所述传感器阵列配置为接收所述人眼对所述第一像素光线的反射光线，根据所述反射光线的强度分布，确定并实时追踪所述人眼的瞳孔中心位置，从所述像素岛阵列中，确定当前的所述瞳孔中心位置对应的像素部分，控制所述像素部分发射第二像素光线，以控制不同的所述像素部分进行画面显示；所述像素部分为所述像素岛中的多个目标像素点。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光线传感器与对应的所述像素岛相邻设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件的中心、所述光学元件对应的所述像素岛的中心，以及所述人眼的中心位于同一条直线。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述像素岛位于对应的所述光学元件的一倍焦距范围以内。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件为微透镜。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述像素岛包括多个像素点；所述光线传感器具体配置为从对应的所述像素岛的所述多个像素点中，确定所述瞳孔中心位置对应的多个目标像素点，控制所述多个目标像素点发射第二像素光线。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件阵列配置为将所述第一像素光线在同一景深处形成放大的虚像，所述景深处位于靠近所述第二侧面的空间中。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底基板的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯和氮化硅中的至少一种。

10.一种可佩戴式的增强现实设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的近眼显示装置。

11.根据权利要求10所述的增强现实设备，其特征在于，所述像素岛阵列包括多个像素岛，相邻的两个所述像素岛之间存在第一间隙，所述第一间隙配置为透过环境光线；所述光学元件阵列包括多个光学元件，相邻的两个所述光学元件之间存在第二间隙，所述第二间隙配置为透过所述环境光线。

12.根据权利要求11所述的增强现实设备，其特征在于，所述光学元件为微透镜，所述微透镜的直径大于或等于0.5毫米，且小于或等于1.2毫米。

13.一种可佩戴式的虚拟现实设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的近眼显示装置。

14.根据权利要求13所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述光学元件为微透镜，所述微透镜的直径大于或等于0.5毫米，且小于或等于2毫米。