CN110618529A - 用于增强现实的光场显示系统和增强现实装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光场显示系统和增强现实装置，其中，光场显示系统用于增强现实，包括依次设置的第一图像信息提供装置、第一透镜组、光转向组件、第二透镜组和第二图像信息提供装置，其中，第一图像信息提供装置，用于提供具有第一图像内容的光；第一透镜组，用于接收所述具有第一图像内容的光，并在第一焦平面上形成第一图像；第二图像信息提供装置，用于提供具有第二图像内容的光；第二透镜组，用于接收所述具有第二图像内容的光，并在第二焦平面上形成第二图像；光转向组件，用于将所述第一图像和所述第二图像传送至视窗区域。该系统通过透镜的光学操作可以产生多个焦平面与现实环境相融合，从而实现了增强现实的光场显示。

Description

用于增强现实的光场显示系统和增强现实装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种用于增强现实的光场显示系统和增强现实装置。

背景技术

在相关技术中，增强现实显示设备放大后的图像是通过微显示和透镜组合产生的。相关方案公开了通过放置分束器和曲面镜来生成单个图像的技术，此外，还公开了通过添加具有多路复用功能的额外传输型可变焦点元素来形成多个图像的技术。即通过使用多个平面聚焦系统或可变平面聚焦系统来创建对可变深度的感知，然而，可变焦点元素必须在一帧时间内相应地提供多个平面图像，如果可变焦点元素的响应速度较慢，则可能发生图像拖动。为了实现与现实环境相结合的虚拟器件，必须考虑到光学距离、图像放大率和视场等因素，因此需对增强现实的光学系统进行优化。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，即一般传统显示器对人眼只以二维的单一图像呈现，违反人平常看自然景物的视觉成像，因而使得人眼易产生疲惫及不适感。

本发明第一方面实施例提供了一种光场显示系统，该系统可以产生多个焦平面的显示图像，从而实现获得增强现实的光场显示。

本发明第二方面实施例提出另一种增强现实的光场显示系统设计。

本发明第三方面实施例提供了一种增强现实装置。

为解决上述问题，本发明第一方面实施例的光场显示系统，用于增强现实，包括依次设置的第一图像信息提供装置、第一透镜组、光转向组件、第二透镜组和第二图像信息提供装置，其中，所述第一图像信息提供装置，用于提供具有第一图像内容的光；所述第一透镜组，用于接收所述具有第一图像内容的光，并在第一焦平面上形成第一图像；所述第二图像信息提供装置，用于提供具有第二图像内容的光；所述第二透镜组，用于接收所述具有第二图像内容的光，并在第二焦平面上形成第二图像；所述光转向组件，用于将所述第一图像和所述第二图像传送至视窗区域。

根据本发明实施例的光场显示系统，通过增加第二图像信息提供装置和第二透镜组，由第二图像信息提供装置提供具有第二图像内容的光，并通过第二透镜组进行光学操作可以产生第二焦平面上的第二图像，进而结合第一焦平面上的图像，可以实现多个焦平面成像，即可以提供更加丰富的虚拟世界信息，为增强现实的实现提供基础。

在一些实施例中，所述第一图像信息提供装置包括第一微显示器；所述第一透镜组包括一个透镜或多个透镜组合；所述第二图像信息提供装置包括第二微显示器；所述第二透镜组包括一个透镜或多个透镜组合。

在一些实施例中，所述光转向组件包括分光器和凹面半反射镜，其中，所述分光器，与入射光路呈预设角度设置，用于将所述第一图像的光提供给所述凹面半反射镜；所述凹面半反射镜的凹面朝向所述分光器，用于将入射的所述第一图像的光反射一部分至所述视窗区域。

在一些实施例中，所述光场显示系统还包括：滤光件，设置在所述第一透镜组与所述分光器之间，用于过滤所述具有第一图像内容的光中的杂散光。

在一些实施例中，本发明第二方面实施例还提出一种光场显示系统，用于增强现实，所述光学系统包括依次设置的第三图像信息提供装置、第一透镜组、光转向组件、第二透镜组和图像信息时序分工提供装置，其中，所述第三图像信息提供装置，用于提供具有图像内容的光；所述第一透镜组和所述第二透镜组，用于接收所述具有图像内容的光，并进行光学操作，以将所述具有图像内容的光投射到所述图像信息时序分工提供装置；所述图像信息时序分工提供装置，用于根据调节信号改变焦距，以形成多个成像焦平面；所述图像信息时序分工提供装置，还用于反射所述具有图像内容的光，并通过所述第二透镜组分别成像在多个所述成像焦平面上，以提供多个图像，多个图像的产生以时序分工的方式产生；所述光转向组件，用于将多个所述图像传送至视窗区域。

本发明实施例的光场显示系统，通过第三图像信息提供装置、第一透镜组、光转向组件、第二透镜组和图像信息时序分工提供装置，基于时序分工原理以及具有光反射功能的图像信息时序分工提供装置，实现在多个焦平面上生成多个图像，为实现增强现实提供基础。

所述第三图像信息提供装置包括第三微显示器；所述第一透镜组包括一个透镜或多个透镜组合；所述图像信息时序分工提供装置包括可变形反射镜；所述第二透镜组包括一个透镜或多个透镜的组合。

在一些实施例中，所述光转向组件包括：偏振分光器，与入射光路呈预设角度设置；偏振器，设置在所述第一透镜组与所述偏振分光器之间；第一1/4波片，设置在所述偏振分光器与所述第二透镜组之间。

在一些实施例中，所述光场显示系统还包括：第二1/4波片，设置在所述第一透镜组与所述偏振器之间。

在一些实施例中，两个焦平面之间的屈光度差大于0.5D。

在一些实施例中，第一微显示器包括微型OLED，微型LED，LCOS，DMD和MEMS中的一种；第二微显示器包括微型OLED、微型LED中的一种；第三微显示器包括微型OLED，微型LED，LCOS，DMD和MEMS中的一种。

为解决上述问题，本发明第三方面实施例的增强现实装置，包括上述光场显示系统和控制器，所述控制器用于获取所述光场显示系统输出的不同焦平面上的图像信息以进行图形重合处理。

根据本发明实施例的增强现实装置，通过采用上面实施例的所述光场显示系统生成多个不同焦平面的图像，并通过控制器对不同焦平面上的图像进行融合处理，能够实现更加丰富的虚实信息的补充，提高沉浸性，实现增强现实效果，並大大的提升了使用者的视觉体验及舒适感。

本发明的附加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

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是根据本发明一个实施例的光场显示系统成像原理示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的光场显示系统成像原理示意图；

图3是根据本发明一个实施例的增强现实装置的框图。

附图标记：

增强现实装置100

光场显示系统110，控制器120；

第一图像信息提供装置10、第一透镜组20、光转向组件30、第二透镜组40、第二图像信息提供装置50、环境入射光60；

第一微显示器1、第一透镜组合2、滤光件3、分光器4、凹面半反射镜5、视窗区域6、第二微显示器7、第二透镜组合8、第三图像信息提供装置9、第一1/4波片13、偏振器11、偏振分光器12、第二1/4波片15、图像信息时序分工提供装置14。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本发明实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本发明实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

下面参考附图描述本发明实施例的光场显示系统，该系统可以产生多个焦平面的显示影像，从而实现了获得增强现实的光场显示。

图1是根据本发明的一个实施例的光场显示系统成像原理的示意图。

本发明实施例的光场显示系统110包括，依次设置的第一图像信息提供装置10、第一透镜组20、光转向组件30、第二透镜组40和第二图像信息提供装置50，其中，第一图像信息提供装置10，用于提供具有第一图像内容的光；第一透镜组20，用于接收具有第一图像内容的光，并在第一焦平面上形成第一图像；第二图像信息提供装置50，用于提供具有第二图像内容的光；第二透镜组40，用于接收具有第二图像内容的光，并在第二焦平面上形成第二图像；光转向组件30，用于将第一图像和第二图像传送至视窗区域6。

具体地，第一图像信息提供装置10和第二图像信息提供装置50分别提供具有虚拟图像信息的光，并通过透镜组进行光学操作例如聚焦在成像的焦平面上，从而可以形成两个焦平面上的虚拟图像，即提供虚拟世界的信息，进而可以与实际环境信息进行融合，实现虚实信息的互补，从而实现增强现实。其中，在实施例中，第二图像信息提供装置50可以是自身直接提供包括图像信息的装置也可以是通过间接获得包括图像信息并用以在第二焦平面上成像的装置，可形成多焦面成像即可。

根据本发明实施例的光场显示系统110，通过增加第二图像信息提供装置50和第二透镜组40，由第二图像信息提供装置50提供具有第二图像内容的光，并通过第二透镜组40进行的光学操作可以产生第二焦平面上的第二图像，进而结合第一焦平面上的图像，实现多个焦平面成像，实现虚拟信息的显示，可提供更加丰富的虚拟信息，为增强现实的实现提供基础。

在实施例中，如图1所示，第一图像信息提供装置10包括第一微显示器1，第一透镜组20包括一个透镜或多个透镜组合2，光转向组件30包括分光器4和凹面半反射镜5。

其中，分光器4与第一图像光入射光路呈预设角度例如45°设置，用于将第一微显示器1提供的具有图像内容的第一图像的光提供给凹面半反射镜5，凹面半反射镜5的内凹面朝向分光器4，用于将入射的第一图像的光反射一部分至视窗区域6并过滤另一部分。

具体地，如图1所示，第一微显示器1可以是自发光型显示器，例如，第一微显示器1可以包括但不限于微型OLED(Organic Light Emitting Diode，微型有机发光二极管)，微型LED(Light Emitting Diode，微型发光二极管)，LCOS(Liquid Crystal On Si licon，硅基液晶)，DMD(Digital Micromirror Device，数字微反射镜)和MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems display，微机电显示)中的一种。第一微显示器1提供虚拟图像即第一图像，并将包含虚拟图像内容的光传输至第一透镜组20。第一图像的光通过第一透镜组20可以在第一焦平面上成像，进而通过分光器4和凹面半反射镜5，将第一图像提供至视窗区域6，在视窗区域6处可以呈现给用户一个宽广的视野图像。

如图1所示，光场显示系统还包括滤光件3，滤光件3设置在第一透镜组20与分光器4之间，用于过滤具有第一图像内容的光中的杂散光，使成像效果更加清晰。

进一步地，如图1所示，在分光器4的另一侧，第二透镜组40可以包括第一透镜组20的全部或部分，例如包括一个透镜或多个透镜组合8，也可以增加额外的透镜，只要图像光线可以被传送到使用者的眼睛即视窗区域6即可，第二图像信息提供装置50包括第二微显示器7，与上述成像原理相似，第二微显示器7提供具有第二图像内容的光，通过第二透镜组40可以在第二焦平面上形成第二图像，进而通过分光器4将第二图像提供至视窗区域6，用于人眼观看。在实施例中，第二微显示器7可以包括但不限于微型OLED、微型LED中的一种。进一步地，为了使得两个焦平面上的图像彼此重合，可以使用图像处理演算法进行图形重合处理。

通过采用上面的第一图像信息提供装置10、第一透镜组20、光转向组件30、第二透镜组40和第二图像信息提供装置50的组合，可以实现增强现实的光学显示，其中，两个焦平面的屈光度差大于0.5D，以便于不同焦平面上的图像信息的区分。同时，现实环境入射光60经过凹面半反射镜5和分光器4，将现实信息提供至视窗区域6，与第一图像和第二图像的信息进行融合，从而实现增强现实显示。

在另一些实施例中，如图2所示，本发明实施例提出的光场显示系统110包括依次设置的第三图像信息提供装置9、第一透镜组20、光转向组件30、第二透镜组40和图像信息时序分工提供装置14，其中，第三图像信息提供装置9用于提供具有图像内容的光；第一透镜组20用于接收具有图像内容的光，并进行光学操作；图像信息时序分工提供装置14用于反射具有图像内容的光，以提供具有多个图像内容的光；第二透镜组40用于对具有多个图像内容的光进行光学操作，以在不同焦平面上生成多个图像；光转向组件30用于将多个图像传送至视窗区域。

根据本发明实施例的光场显示系统，通过第三图像信息提供装置9、第一透镜组20、光转向组件30、第二透镜组40和图像信息时序分工提供装置14，基于时间分工原理以及具有光反射功能的图像信息时序分工提供装置14，实现在多个焦平面上生成多个图像，为实现增强现实提供基础。

具体地，如图2所示，第三图像信息提供装置9可以包括第三微显示器，例如，第三微显示器9包括但不限于微型OLED、微型LED、LCOS、DMD和MEMS中的一种；图像信息时序分工提供装置14可以包括可变形反射镜14例如可变形薄膜镜装置(DMMD)，可变形反射镜14用于将具有图像内容的光在不同的反射镜位置反射以提供具有多个焦面的图像内容的光；光转向组件30可以包括偏振分光器12、偏振器11、第一1/4波片13，其中，偏振分光器12与入射光路呈预设角度例如45°设置，偏振器11设置在第一透镜组20与偏振分光器12之间，用于消除有害的反射光，提高影像的清晰度和表现力，增加色彩饱和度，第一1/4波片13设置在偏振分光器12与第二透镜组40之间。

具体地，第三微显示器9提供的具有图像内容的光通过第一透镜组20进行光学操作，以将第三微显示器9提供的具有图像内容的光投影到可变形反射镜14上。偏振器11置放在第三微显示器9和偏振分光器12之间，使入射光P极化，再通过偏振分光器12、第一1/4波片13和第二透镜组40到达可变形反射镜14，其中，由于可变形反射镜14具有高反射率，入射光到达可变形反射镜14后可以经由原入射路径反射，经过第二透镜组40和第一1/4波片13，光从第一1/4波片13出来后变成S偏振光，并由偏振分光器12偏转90度到达视窗区域6例如目镜处，用于人眼观看。其中，成像至人眼的图像的位置，由第一透镜组20、第二透镜组40、可变形反射镜14和目镜6共同决定。

在如图2所示的实施例中，采用时序分工原理，并结合具有高反射率的可变形反射镜14，在不同焦平面上产生多个影像。其中，当施加电压时，第二透镜组40及其表面形状可以从平面变为凹抛物线。可变形反射镜14上的光功率的改变，快速改变第二透镜组40的中间图像的轴向位置，并且反过来在观看空间中创建一堆可寻址的虚拟焦平面，这些虚拟焦平面具有到观察者的不同距离，可以通过调节可变形反射镜14上的电压，控制出现在观察者上的成像场景的深度体积和焦平面的间距。通过同步施加在可变反射镜14上的电压，对于在第三微显示器9上呈现的内容，多个焦平面被时序分工，并且可以在其正确的深度处生成不同的虚拟内容，从而实现在不同焦平面上成像。

例如，如果影像速度为适当值，例如皆为120Hz驱动时，第三微显示器9提供的第一子帧的图像，通过第一透镜组20和第二透镜组40投射到可变形反射镜14上，同时调节可变形反射镜14的焦距来改变反射成像的焦平面，可变形反射镜14反射该图像光，通过第二透镜组40将图像投影在第一成像焦平面上，同理地，第三显示器9提供的第二子帧的图像，通过第一透镜组20和第二透镜组40投射到可变形反射镜14上，同时调节可变形反射镜14的焦距来改变反射成像的焦平面，可变形反射镜14反射该图像光，通过第二透镜组40将图像投影在第二成像焦平面上，其中，第一子帧的图像内容与第二子帧的图像内容是同一图像内容。第三微显示器9的每个子帧的刷新和可变形反射镜14投影总时间为8.3毫秒，相当于，二分之一的时间用以显示第一焦平面的影像，另二分之一的时间用以显示第二焦平面的影像，即基于时序分工，实现不同焦平面上的成像。

其中，当帧速率越大时就可以产生更多的焦平面，例如，如果影像速率提高例如为180Hz或者240Hz等，则可以形成过多焦平面。其中，任意两个焦平面之间的屈光度差应大于0.5D，放大率由所有透镜和可变形反射镜14决定。同样，现实环境入射光60经过偏振分光器12的光学操作最终成像至视窗区域6例如目镜处，并与不同焦平面上的虚拟图像信息融合，实现增强现实的光场显示。基于本实施例的光场设计，可以提高增强现实装置例如头戴式显示器、眼镜的轻量化。

在实施例中，如图2所示，光场显示系统110还包括第二1/4波片15，第二1/4波片15设置在第一透镜组20与偏振器11之间，以确保微显示器不会反射杂散光。

下面参考附图描述本发明第三方面实施例的增强现实装置。

图3是根据本发明的一个实施例的增强现实装置的框图。

如图3所示，本发明实施例的增强现实装置100包括光场显示系统110和控制器120，其中，控制器120用于获取光场显示系统110输出的不同焦平面上的图像信息以进行图形重合处理。

根据本发明实施例的增强现实装置100，通过光场显示系统110生成多个不同的焦平面，实现了增强现实的光场显示，经过控制器120，可以采用图像处理渲染的算法对不同焦平面上的图像进行融合处理，使图像成像效果更加清晰和真实。

在实施例中，增强现实装置100可应用于增强现实产业，如头戴式显示器(HeadMount Display，HMD)、眼镜和手机等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光场显示系统，用于增强现实，其特征在于，所述光学系统包括依次设置的第一图像信息提供装置、第一透镜组、光转向组件、第二透镜组和第二图像信息提供装置，其中，

所述第一图像信息提供装置，用于提供具有第一图像内容的光；

所述第一透镜组，用于接收所述具有第一图像内容的光，并在第一焦平面上形成第一图像；

所述第二图像信息提供装置，用于提供具有第二图像内容的光；

所述第二透镜组，用于接收所述具有第二图像内容的光，并在第二焦平面上形成第二图像；

所述光转向组件，用于将所述第一图像和所述第二图像传送至视窗区域。

2.根据权利要求1所述的光场显示系统，其特征在于，

所述第一图像信息提供装置包括第一微显示器；

所述第一透镜组包括一个透镜或多个透镜组合；

所述第二图像信息提供装置包括第二微显示器；

所述第二透镜组包括一个透镜或多个透镜组合。

3.根据权利要求2所述的光场显示系统，其特征在于，所述光转向组件包括分光器和凹面半反射镜，其中，

所述分光器，与入射光路呈预设角度设置，用于将所述第一图像的光提供给所述凹面半反射镜；

所述凹面半反射镜的凹面朝向所述分光器，用于将入射的所述第一图像的光反射一部分至所述视窗区域。

4.根据权利要求3所述的光场显示系统，其特征在于，所述光场显示系统还包括：

滤光件，设置在所述第一透镜组与所述分光器之间，用于过滤所述具有第一图像内容的光中的杂散光。

5.一种光场显示系统，用于增强现实，其特征在于，所述光学系统包括依次设置的第三图像信息提供装置、第一透镜组、光转向组件、第二透镜组和图像信息时序分工提供装置，其中，

所述第三图像信息提供装置，用于提供具有图像内容的光；

所述第一透镜组和所述第二透镜组，用于接收所述具有图像内容的光，并进行光学操作，以将所述具有图像内容的光投射到所述图像信息时序分工提供装置

所述图像信息时序分工提供装置，用于根据调节信号改变焦距，以形成多个成像焦平面；

所述图像信息时序分工提供装置，还用于反射所述具有图像内容的光，并通过所述第二透镜组分别成像在多个所述成像焦平面上，以提供多个图像；

所述光转向组件，用于将多个所述图像传送至视窗区域。

6.根据权利要求5所述的光场显示系统，其特征在于，

所述第三图像信息提供装置包括第三微显示器；

所述第一透镜组包括一个透镜或多个透镜组合；

所述图像信息时序分工提供装置包括可变形反射镜；

所述第二透镜组包括一个透镜或多个透镜的组合。

7.根据权利要求5所述的光场显示系统，其特征在于，所述光转向组件包括：

偏振分光器，与入射光路呈预设角度设置；

偏振器，设置在所述第一透镜组与所述偏振分光器之间；

第一1/4波片，设置在所述偏振分光器与所述第二透镜组之间。

8.根据权利要求7所述的光场显示系统，其特征在于，所述光场显示系统还包括：

第二1/4波片，设置在所述第一透镜组与所述偏振器之间。

9.根据权利要求1-7任一项所述的光场显示系统，其特征在于，两个焦平面之间的屈光度差大于0.5D。

10.一种增强现实装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-9任一项所述的光场显示系统；

控制器，用于获取所述光场显示系统输出的不同焦平面上的图像信息以进行图形重合处理。