CN114035325A - 基于衍射分束器的增强现实方法、装置、电子设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种基于衍射分束器的增强现实方法、装置、电子设备及存储介质。该装置包括：投影设备，用于提供携带图像信息的锥形光束；第一光学元件，用于将所述锥形光束经准直处理后生成准直光束；衍射分束器，用于将所述准直光束分成多束沿不同方向传播且光强相等的准直光束；第二光学元件，用于将多束所述准直光束经汇聚后形成多个光斑；第三光学元件，用于将多个所述光斑中继至人眼瞳孔面。本发明使用单个投影设备能够在单眼瞳孔范围内呈现多个视点图像，整体结构紧凑，成本低，所呈现的多视点之间的间隔距离不受投影显示设备大小。

Description

基于衍射分束器的增强现实方法、装置、电子设备及介质

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种基于衍射分束器的增强现实方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

近眼显示是虚拟现实/增强现实的关键技术之一，直接影响用户的观看体验。传统近眼显示仅能为单眼提供单个视点信息，采用双目视差效应获得三维立体视觉感知。双目视差技术可支持双眼辐辏效应，但该技术存在人眼调焦与辐辏冲突现象，易引起佩戴者头晕等不适感。人眼对真实三维世界的立体视觉感知需要依靠单眼调焦与双眼辐辏的协同作用。因此，提供单眼调焦对近眼显示尤为重要。研究表明，在单眼瞳孔范围内再现显示多个视点信息可支持单眼调焦。使用阵列光源和小尺寸透射或反射式二维显示器，通过点亮不同光源能够产生在瞳孔面内产生多个视点，但该方法产生的多视点之间的间隔距离受制于阵列光源中不同光源之间的最小间隔。此外，光源照射小尺寸二维显示器将产生多阶衍射光，影响观看体验。采用阵列投影显示技术可实现多视点呈现，但需要多台投影显示设备，整体体积较大，造价高，且多视点之间的距离间隔受制于投影显示设备大小。

因此，有必要改善上述技术方案中存在的问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于衍射分束器的增强现实方法、装置、电子设备及存储介质，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种基于衍射分束器的增强现实装置，该装置包括：

投影设备，用于提供携带图像信息的锥形光束；

第一光学元件，用于将所述锥形光束经准直处理后生成准直光束；

衍射分束器，用于将所述准直光束分成多束沿不同方向传播且光强相等的准直光束；

第二光学元件，用于将多束所述准直光束经汇聚后形成多个光斑；

第三光学元件，用于将多个所述光斑中继至人眼瞳孔面。

可选地，该装置还包括透射式显示器，用于控制透光区域的大小，并使多个所述光斑先穿过其透光区后再通过所述第三光学元件中继至人眼瞳孔面。

可选地，所述投影设备、第一光学元件、衍射分束器、第二光学元件、透射式显示器以及第三光学元件相互平行设置且中心均位于同一条直线上。

可选地，所述透射式显示器与所述第三光学元件之间的间隔距离为两倍焦距。

可选地，所述投影设备与所述第一光学元件之间的间隔距离为一倍焦距。

可选地，所述第二光学元件与所述衍射分束器之间的间隔距离为一倍焦距。

可选地，人眼瞳孔位于所述第三光学元件右方的两倍焦距处。

第二方面，本发明提供了一种基于衍射分束器的增强现实方法，该方法包括：

提供携带图像信息的锥形光束；

所述锥形光束经由准直处理后生成准直光束；

所述准直光束通过衍射分束器分成多束沿不同方向传播且光强相等的准直光束；

多束所述准直光束经汇聚后形成多个光斑；

多个所述光斑中继至人眼瞳孔面。

第三方面，本发明提供了一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种基于衍射分束器的增强现实方法的步骤。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种基于衍射分束器的增强现实方法的步骤。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在本发明的实施例中，使用单个投影设备能够在单眼瞳孔范围内呈现多个视点图像，整体结构紧凑，成本低，所呈现的多视点之间的间隔距离不受投影显示设备大小。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例中一种基于衍射分束器的增强现实装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中投影设备提供的锥形光束通过第一光学元件的路径示意图；

图3是本发明实施例中黑白投射式液晶显示器上光斑与对应区域；

图4是本发明实施例中另一种基于衍射分束器的增强现实装置的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种基于衍射分束器的增强现实方法的步骤示意图；

图6是本发明实施例中的一种电子设备的结构示意图；

图7是本发明实施例中的一种基于衍射分束器的增强现实方法的程序产品的结构示意图。

110、投影设备；120、第一光学元件；130、衍射分束器；140、第二光学元件；150、第三光学元件；160、透射式显示器；200、人眼瞳孔。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种基于衍射分束器的增强现实装置，参考图1所示，该装置包括投影设备110、第一光学元件120、衍射分束器130、第二光学元件140以及第三光学元件150。其中，投影设备110用于提供携带图像信息的锥形光束，第一光学元件120用于将所述锥形光束经准直处理后生成准直光束，衍射分束器130用于将所述准直光束分成多束沿不同方向传播且光强相等的准直光束，第二光学元件140用于将多束所述准直光束经汇聚后形成多个光斑，第三光学元件150用于将多个所述光斑中继至人眼瞳孔面。

在本发明的实施例中，使用单个投影设备能够在单眼瞳孔范围内呈现多个视点图像，整体结构紧凑，成本低，所呈现的多视点之间的间隔距离不受投影显示设备大小。

下面，将参考图1至图4对本示例实施方式中的上述装置的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，投影设备110是无投影物镜的投影设备，例如可以是激光扫描投影仪(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)。激光扫描投影仪的激光光源无投影物镜，且其扫描镜面积较小，因此，携带图像信息的锥形光束经过整个装置后才能在瞳孔面汇聚成较小的光斑(直径约小于1mm)，即再现视点。若使用其他投影设备，显示效果不好，原因在于其他投影显示设备往往有投影物镜，如此，光束在经过整个装置后在视网膜面的投影光斑大小受制于投影物镜大小，一般很难做到小于1mm。因此，使用其他投影设备在瞳孔内再现多个视点较困难。

具体的，MEMS由激光二极管驱动器、激光二极管、光束成形/对准光学元件，以及MEMS扫描振镜及其控制电子元件组成。其中，激光二极管在扫描镜扫过显示区域时同步施以脉冲，完成投影显示，并与主机相连，用于通过主机控制呈现视点图像。

参考图2所示，在一个实施例中，第一光学元件120可以是一透镜。MEMS照射出的携带图像信息的锥形光束通过透镜后生成准直光束。具体的，第一光学元件120与投影设备110之间的距离为一倍焦距。

在一个实施例中，衍射分束器130能够将一束入射光分成多束光，具体的，可以是振幅型分束器、相位型分束器或复振幅型分束器，用于将入射的准直光束以分成沿空间不同方向传播且光强相等的N束准直光束。

在一个实施例中，第二光学元件140可以是一透镜，将衍射分束器130出射的多条光束进行汇聚。例如，由MEMS呈现的视点图像全部汇聚成多个光斑。具体的，第二光学元件140与衍射分束器130之间的间隔距离为一倍焦距。

在一个实施例中，该装置还包括一透射式显示器160，用于控制透光区域的大小，并使多个所述光斑先穿过其透光区后再通过所述第三光学元件中继至人眼瞳孔面。具体的，该透射式显示器160可以是一黑白透射式液晶显示器，其像素尺寸不大于汇聚形成的光斑。

在一个实施例中，第三光学元件150可以是一透镜，与透射式显示器160的间距为两倍焦距，用于将黑白透射式液晶透光区域对应的视点信息中继到人眼瞳孔面。具体的，人眼瞳孔200位于第三光学元件150右方的两倍焦距处。

在一个实施例中，投影设备110、第一光学元件120、衍射分束器130、第二光学元件140、透射式显示器160以及第三光学元件150相互平行设置且中心均位于同一条直线上。

下面以两个具体的实施例进行更进一步的说明。

实施例1

在本实施例中，投影设备110为MEMS激光扫描投影仪，第一光学元件120为第一透镜，第二光学元件140为第二透镜，第三光学元件150为第三透镜，透射式显示器160为黑白透射式液晶显示器。具体的，MEMS激光扫描投影仪分辨率为1920×1080，工作波长为520nm，MEMS反射镜直径为0.3mm。第一透镜焦距f1＝3cm。衍射分束器工作波长为520nm，衍射分束器能够将入射平行光束分成1×3的线阵列平行光束，分离角度为2度，即相邻出射光束之间的角度间隔为2度。第二透镜焦距为3cm。黑白透射式液晶显示器分辨率为50×50，单个像素尺寸为0.1mm。第三透镜焦距为4cm。

则，MEMS激光扫描投影仪发出的携带图像信息的锥形光束经第一透镜、衍射分束器、第二透镜后，如图3所示，在黑白透射式液晶显示器上汇聚形成三个光斑(光斑1、光斑2、光斑3)，各个光斑之间的间隔为tan(2°)*30mm＝1.05mm，间隔完全由光斑直径与MEMS反射镜直径相同，即0.3mm。光斑1、光斑2、光斑3对应的外切正方形区域分别为区域1、区域2、区域3。

第三透镜置于黑白透射式液晶显示器右侧，距离为第三透镜焦距的两倍，即8cm。人眼瞳孔位于第三透镜右侧，距离为第三透镜焦距的两倍，即8cm。第三透镜将光斑1、光斑2、光斑3中继到人眼瞳孔面。参考图1所示，光斑1、光斑2、光斑3经第三透镜中继在人眼瞳孔面所形成的像点即为视点1、视点2、视点3。人眼瞳孔面相邻视点之间的间隔与第二透镜右焦平面上光斑之间的间隔相等，即为1.05mm，该值由衍射分束器的分离角度和第二透镜焦距共同确定。

参考图4所示，主机控制MEMS激光扫描投影仪呈现视点1对应的图像，主机同步控制黑白透射式液晶显示区域1为全透光状态，其他区域为非透光状态，完成视点1图像的显示过程。

主机控制MEMS激光扫描投影仪呈现视点2对应的图像，主机同步控制黑白透射式液晶显示区域2为全透光状态，其他区域为非透光状态，完成视点2图像的显示过程。

主机控制MEMS激光扫描投影仪呈现视点3对应的图像，主机同步控制黑白透射式液晶显示区域3为全透光状态，其他区域为非透光状态，完成视点3图像的显示过程。

快速切换视点1、2和3，根据人眼视觉暂留效应，完成在单眼瞳孔范围内再现显示3个视点，实现近眼三维显示，因此能够支持单眼调焦。

实施例2

在本实施例中，衍射分束器工作波长为520nm，衍射分束器能够将入射平行光束分成4×4的二维阵列型平行光束，分离角度为1度。其他参数与实施例1相同。MEMS激光扫描投影仪发出的携带图像信息的锥形光束经第一透镜、衍射分束器、第二透镜后，在第二透镜右焦平面上汇聚形成4×4共16个光斑，光斑之间的间隔为tan(1°)*3mm＝0.52mm，光斑直径与MEMS反射镜直径相同，即0.3mm。光斑1-16对应的外切正方形区域依次为区域1-16(图未示出)。

主机控制MEMS激光扫描投影仪呈现视点i(1≤i≤16)对应的图像(图未示出)，主机同步控制黑白透射式液晶显示区域i为全透光状态，其他区域为非透光状态，完成视点i图像的显示过程。快速切换视点1-16，根据人眼视觉暂留效应，完成在单眼瞳孔范围内再现显示16个视点，实现近眼三维显示。

本示例实施方式中还提供了一种基于衍射分束器的增强现实方法，参考图5所示，该方法包括以下步骤S101-S105：

步骤S101，提供携带图像信息的锥形光束；

步骤S102，所述锥形光束经由准直处理后生成准直光束；

步骤S103，所述准直光束通过衍射分束器分成多束沿不同方向传播且光强相等的准直光束；

步骤S104，多束所述准直光束经汇聚后形成多个光斑；

步骤S105，多个所述光斑中继至人眼瞳孔面。

通过上述方法，使用单个投影设备能够在单眼瞳孔范围内呈现多个视点图像，整体结构紧凑，成本低，所呈现的多视点之间的间隔距离不受投影显示设备大小。

关于上述实施例中的方法，其中各个步骤的具体实施方式已经在有关该装置的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

参见图6，本发明实施例还提供了一种电子设备300，电子设备300包括至少一个存储器310、至少一个处理器320以及连接不同平台系统的总线330。

存储器310可以包括易失性存储器形式的可读介质，例如随机存取存储器(RAM)211和/或高速缓存存储器312，还可以进一步包括只读存储器(ROM)313。

其中，存储器310还存储有计算机程序，计算机程序可以被处理器320执行，使得处理器320执行本发明任一项实施例中基于衍射分束器的增强现实方法的步骤，其具体实现方式与上述确定显示单元的偏移的方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。

存储器310还可以包括具有至少一个程序模块315的实用工具314，这样的程序模块315包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

相应的，处理器320可以执行上述计算机程序，以及可以执行实用工具314。

总线330可以表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器、外围总线、图形加速端口、处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备300也可以与一个或多个外部设备340例如键盘、指向设备、蓝牙设备等通信，还可与一个或者多个能够与该电子设备300交互的设备通信，和/或与使得该电子设备300能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等)通信。这种通信可以通过输入输出接口350进行。并且，电子设备300还可以通过网络适配器360与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器360可以通过总线330与电子设备300的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备300使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储平台等。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序被执行时实现本发明实施例中基于衍射分束器的增强现实方法的步骤，其具体实现方式与上述确定显示单元的偏移的方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。

图7示出了本实施例提供的用于实现上述基于衍射分束器的增强现实方法的程序产品400，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品400不限于此，在本发明中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。程序产品400可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言诸如C语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于衍射分束器的增强现实装置，其特征在于，所述装置包括：

投影设备，用于提供携带图像信息的锥形光束；

第一光学元件，用于将所述锥形光束经准直处理后生成准直光束；

衍射分束器，用于将所述准直光束分成多束沿不同方向传播且光强相等的准直光束；

第二光学元件，用于将多束所述准直光束经汇聚后形成多个光斑；

第三光学元件，用于将多个所述光斑中继至人眼瞳孔面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括透射式显示器，用于控制透光区域的大小，并使多个所述光斑先穿过其透光区后再通过所述第三光学元件中继至人眼瞳孔面。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述投影设备、第一光学元件、衍射分束器、第二光学元件、透射式显示器以及第三光学元件相互平行设置且中心均位于同一条直线上。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述透射式显示器与所述第三光学元件之间的间隔距离为两倍焦距。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述投影设备与所述第一光学元件之间的间隔距离为一倍焦距。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光学元件与所述衍射分束器之间的间隔距离为一倍焦距。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，人眼瞳孔位于所述第三光学元件右方的两倍焦距处。

8.一种基于衍射分束器的增强现实方法，其特征在于，所述方法包括：

提供携带图像信息的锥形光束；

所述锥形光束经由准直处理后生成准直光束；

所述准直光束通过衍射分束器分成多束沿不同方向传播且光强相等的准直光束；

多束所述准直光束经汇聚后形成多个光斑；

多个所述光斑中继至人眼瞳孔面。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8所述一种基于衍射分束器的增强现实方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求8所述一种基于衍射分束器的增强现实方法的步骤。

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