CN114089537B - 一种变焦装置、ar设备以及近视矫正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变焦装置、AR设备以及近视矫正方法。本实施例的变焦装置，应用于AR设备，包括：显示组件，用于输出圆偏光；位于所述显示组件出光侧的透镜组件，所述透镜组件的光轴垂直于所述显示组件的出光面，至少包括第一透镜和第二透镜；位于所述透镜组件中的切换组件，用于响应于切换指令切换所述变焦装置的相位状态以使得所述透镜组件调制所述圆偏光的调制光路发生改变，从而使得所述变焦装置所显示的像面图像发生改变。本实施例的变焦装置，通过相位状态的改变实现改变调制光路，从而实现快速切换所述变焦装置所显示的像面图像的目的，整个过程方便快速，且能够实现单眼多层焦面的显示功能，整个装置具有结构简单、成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及AR技术领域，特别是涉及一种变焦装置、AR设备以及近视矫正方法。
背景技术
随着显示技术的发展，诸如虚拟现实(VirtualReality，VR)显示装置和增强现实(AugmentedReality，AR)显示装置受到了用户的广泛认可以及业界的广泛关注.虚拟现实装置具有沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)等优势；增强现实显示装置通过将显示的虚拟场景图像叠加在外界真实场景中，可以实现外界真实场景与虚拟场景的融合，并因此可以提升用户对现实世界的认知能力。
当前，绝大部分AR设备，除能够进入到人眼的外界环境光线之外，单眼只能接收来自于一个显示屏幕的信息，因此只能进行常规的双目视差的显示方式来形成立体视觉，不可避免的产生辐辏调节冲突的问题，严重影响用户的佩戴体验。
发明内容
为了解决上述问题至少之一，本发明第一个实施例提供一种变焦装置，应用于AR设备，包括：
显示组件，用于输出圆偏光；
位于所述显示组件出光侧的透镜组件，所述透镜组件的光轴垂直于所述显示组件的出光面，至少包括第一透镜和第二透镜；
位于所述透镜组件中的切换组件，用于响应于切换指令切换所述变焦装置的相位状态以使得所述透镜组件调制所述圆偏光的调制光路发生改变，从而使得所述变焦装置所显示的像面图像发生改变。
进一步的，所述变焦装置处于第一相位状态时，所述圆偏光依次经过所述第一透镜、所述切换组件以及所述第二透镜，在第一预设距离下生成第一像面图像；
所述变焦装置处于第二相位状态时，所述圆偏光经过所述第一透镜折射并由所述切换组件反射后传输至所述第二透镜，在第二预设距离下生成第二像面图像。
进一步的，所述切换组件位于第一透镜和第二透镜之间。
进一步的，所述切换组件包括：沿出光方向依次设置的半透半反层、液晶层以及反射偏光层。
进一步的，所述显示组件包括：液晶显示面板以及位于所述液晶显示面板出光侧的第一四分之一波片，所述四分之一波片的快轴与所述液晶显示面板的出射光线的夹角为45°。
进一步的，所述显示组件包括：有机电致发光显示面板、位于所述液晶显示面板出光侧的圆偏光片。
进一步的，所述透镜组件还包括：
位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的至少一个第三透镜，用于折射所述圆偏光；以及
固定所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述切换组件的镜筒。
进一步的，所述液晶层包括：沿出光方向依次设置的第一玻璃基板、第二四分之一波片以及第二玻璃基板；
其中，所述第一四分之一波片为薄膜四分之一波片，所述第二四分之一波片为液晶四分之一波片。
进一步的，所述液晶四分之一波片为负性液晶，所述切换组件还包括补偿膜层，用于补偿所述液晶四分之一波片的相位偏移，
所述补偿层设置在半透半反层靠近所述出光侧一侧表面上或者设置在所述反射偏光片远离所述出光侧一侧表面。
本发明第二个实施例提供一种背光源AR设备，包括本发明第一实施例的至少一个变焦装置。
进一步的，所述AR设备包括：对应于左眼的第一光波导、对应于右眼的第二光波导、位于所述第一光波导靠近左眼一侧的第一变焦装置以及位于所述第二光波导靠近右眼一侧的第二变焦装置；
其中，所述第一光波导距所述左眼的距离和所述第二光波导距离距所述右眼的距离相等；
所述第一变焦装置调制后的第一圆偏光经所述第一光波导调制后进入所述左眼；
所述第二变焦装置调制后的第二圆偏光经所述第二光波导调制后进入所述右眼。
进一步的，所述AR设备还包括亮度加权模块，用于对所述第一像面图像的亮度和所述第二像面图像的亮度进行加权处理以生成第三像面图像，
其中，所述第一像面图像和所述第二像面图像为虚像，第三像面图像为实像且位于所述第一像面图像和所述第二像面图像之间。
进一步的，所述AR设备为birdbath显示设备，包括：
呈预设角度倾斜设置的分光器，
位于所述分光器远离所述人眼一侧的合成器，以及
位于所述分光器和所述合成器之间的对应于左眼的第三变焦装置以及对应于右眼的第四变焦装置；
所述分光器将所述第三变焦装置出射的第一圆偏光反射至所述合成器，并由所述合成器将部分所述第一圆偏光反射至所述左眼以及将所述第四变焦装置出射的第二圆偏光反射至所述合成器，并由所述合成器将部分所述第二圆偏光反射至所述右眼。
进一步的，所述AR设备为近视矫正设备，包括：
交互装置，用于响应于用户的选择操作确定对应的训练指令；
处理器，用于基于所述训练指令确定预设训练模式并发送至控制器；
控制器，用于根据所述处理器确定的预设训练模式生成对应的切换指令；
所述第一变焦装置和所述第二变焦装置分别还用于根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
本发明第三个实施例提供一种利用本发明上述实施例的AR设备进行近视矫正的方法，包括：
响应于用户的选择操作确定对应的训练指令；
基于所述训练指令确定预设训练模式；
生成与所述预设训练模式对应的切换指令；
根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
进一步的，所述预设训练模式包括：近场模式和远场模式，其中，
所述近场模式在所述切换组件处于所述第一相位状态时所述显示组件显示第一视觉图像；
所述远场模式在所述切换组件处于所述第二相位状态时所述显示组件显示第二视觉图像；
所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态包括：
以预设第一时序交替切换所述远场模式和所述近场模式。
进一步的，所述预设训练模式包括：近场模式、远场模式和光场模式，其中，
所述近场模式在所述切换组件处于所述第一相位状态时所述显示组件显示第一视觉图像；
所述远场模式在所述切换组件处于所述第二相位状态时所述显示组件显示第二视觉图像；
所述光场模式由以预设第二时序执行的所述近场模式和以预设第三时序执行的所述远场模式的时分叠加形成，其中，所述光场模式包括远场状态和近场状态，
在所述近场状态时，所述显示组件在所述预设第二时序内显示黑色的第三视觉图像；
在所述远场状态时，所述显示组件在所述预设第三时序内显示黑色的第四视觉图像；
所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态包括：
交替切换所述光场模式中的所述远场状态和所述近场状态。
进一步的，所述预设训练模式包括：近场模式、远场模式和光场模式，其中，
所述近场模式在所述切换组件处于所述第一相位状态时所述显示组件显示第一视觉图像；
所述远场模式在所述切换组件处于所述第二相位状态时所述显示组件显示第二视觉图像；
所述光场模式由以预设第二时序执行的所述近场模式和以预设第三时序执行的所述远场模式的时分叠加形成，其中，所述光场模式包括远场状态和近场状态，
在所述近场状态时，所述显示组件在预设第二时序内显示第三视觉图像，且在预设第三时序内显示黑色的视觉图像；
在所述远场状态时，所述显示组件在预设第三时序内显示第四视觉图像，且在预设第二时序内显示黑色的视觉图像；
所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态包括：
以预设切换顺序和预设第四时序切换所述近场模式、所述远场模式、所述光场模式中的所述近场状态和所述远场状态。
本发明的有益效果如下：
本发明针对目前现有的问题，制定一种变焦装置，通过相位状态的改变实现改变调制光路，从而实现快速切换所述变焦装置的图像像面目的，整个过程方便快速，且能够实现单眼双层焦面的显示功能，整个装置具有结构简单、成本低的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明一个实施例的变焦装置的结构示意图；
图2示出本发明实施例的切换组件的结构示意图；
图3示出本发明实施例的变焦装置的光路示意图；
图4示出本发明一个实施例的AR设备的结构示意图；
图5示出本发明实施例的AR设备的虚像像面的成像示意图；
图6示出本发明实施例的AR设备的三层像面的成像示意图；
图7示出现有技术的birdbath显示设备的结构示意图；
图8示出本发明另一个实施例的birdbath显示设备的结构示意图；
图9示出本发明另一个实施例的近视矫正设备的结构示意图；
图10示出本发明另一个实施例的近视矫正方法的流程示意图；
图11a～11c示出本发明实施例的预设训练模式的时序示意图；
图12示出本发明实施例的一个预设训练模式的视觉图像的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
需要说明的是，本文中所述的“在……上”、“在……上形成”和“设置在……上”可以表示一层直接形成或设置在另一层上，也可以表示一层间接形成或设置在另一层上，即两层之间还存在其它的层。并且，本文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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为解决上述问题，现有技术中发出单眼多层焦面显示的AR设备，如MagicLeap开发出6层光栅(分2层RGB排布)的显示方案，除对现实世界的感知(Perception)，即外部环境的成像外，显示源在人眼前方形成2层虚拟成像的物理焦面，但是还需要更多的结构简单、成本较低的单眼多层焦面显示的AR设备，因此本发明实施例提出一种变焦装置、AR设备以及近视矫正方法以解决上述问题。
如图1所示，本发明第一个实施例提出一种变焦装置1，应用于AR设备，包括：
显示组件10，用于输出圆偏光；
位于所述显示组件10出光侧的透镜组件11，所述透镜组件的光轴垂直于所述显示组件的出光面，至少包括第一透镜111和第二透镜112；
位于所述透镜组件11中的切换组件12，用于响应于切换指令切换所述变焦装置的相位状态以使得所述透镜组件11调制所述圆偏光的调制光路发生改变，从而使得所述变焦装置的图像像面发生改变。
本实施例的变焦装置通过相位状态的改变实现改变调制光路，从而实现快速切换所述变焦装置的图像像面的目的，整个过程方便快速，且能够实现单眼双层焦面的显示功能，整个装置具有结构简单、成本低的特点。
由于本实施例的显示组件输出的是圆偏光，在该圆偏光的基础上实现本实施例的相位状态改变，因此，本实施例不限制显示组件的具体类型，以实现圆偏光为设计准则。
在一个可选的实施例中，所述显示组件包括：液晶显示面板(LCD)以及位于所述液晶显示面板出光侧的第一四分之一波片，所述四分之一波片的快轴与所述液晶显示面板的出射光线的夹角为45°。本实施例中，当采用液晶显示面板时，由于液晶显示面板的原始出射光线为线偏光，因此，本实施例通过第一四分之一波片，并将该第一四分之一波片的快轴设置为与LCD的出射的线偏光的光线方向呈45°，从而实现将线偏光转化为圆偏光的目的。
在另一个可选的实施例中，如图1所示，所述显示组件包括：有机电致发光显示面板101、位于所述液晶显示面板101出光侧的圆偏光片102。本实施例中的有机电致发光显示面板可包括OLED以及硅基OLED等能够直接出射圆偏光的显示源，此时无需利用其它器件进行出射光线类型的转变。
值得说明的是，对于本实施例中的显示组件的具体结构，本发明实施例对此不做限制，以实现本实施例的显示组件出射的光线为圆偏光为设计准则，本领域技术人员既可以采用前述的液晶显示面板，又可以采用前述的有机电致发光显示面板，还可以采用本实施例中未提出的其他实现圆偏光的技术手段，在此不再赘述。
在一个可选的实施例中，在液晶显示面板或者在有机电致发光显示面板的出光侧还设置盖板玻璃(Cover Glass)，如图1所示，盖板玻璃103设置在有机电致发光显示面板101的出光侧表面，盖板玻璃对显示面板起保护作用，示例性的材质可为玻璃、有机玻璃等。本领域技术人员可以根据实际应用选择盖板玻璃的厚度、材质以及是否应用，在此不再赘述。
如图1所示，透镜组件11用于调制显示组件10的出射光线。透镜组件中的透镜可以为可选面型球面、非球面、自由曲面等，示例性的，材料可选择玻璃、塑胶材料等。需要指出的是，图1中所示，组件中的各透镜的形状、面型、数量等，仅为示意性说明，并不代表实际应用的结果。在实际应用中，往往根据待设计的视场角、光板参数、解析参数、调制相差、出入光线参数等进行透镜组件的光学结构设计。
在一个可选的实施例中，所述切换组件12位于第一透镜111和第二透镜112之间。本实施例中，切换组件12至少位于第一透镜111远离出光面一侧，且位于第二透镜112靠近出光面一侧，也就是说，本实施例的切换组件设置在透镜组件中，从而起到改变调制光路实现多焦面的显示功能。
在一个可选的实施例中，如图1所示，所述透镜组件11还包括：位于所述第一透镜111和所述第二透镜112之间的至少一个第三透镜113，用于折射所述圆偏光。本实施例中，透镜组件不止第一透镜和第二透镜，而此时，本实施例对透镜组件中的切换组件的具体位置除上述限制位于第一透镜和第二透镜之间以外，并没有过多的位置限制，例如，本实施例不限制切换组件和第一透镜之间设计的第三透镜的数量，本实施例也不限制切换组件和第二透镜之间的第三透镜的数量，本领域技术人员应当根据实际应用进行设置，在此不再赘述。
所述透镜组件11还包括固定所述第一透镜111、所述第二透镜112、所述第三透镜113以及所述切换组件12的镜筒114。镜筒用于固持所有的光学镜片，如第一透镜第二透镜以及第三透镜，固定切换组件，镜筒和其所固定的各器件之间满足透镜组装、调试及公差需求等。
在一个可选的实施例中，如图2所示，所述切换组件12包括：沿出光方向依次设置的半透半反层121、液晶层122以及反射偏光层123。
本实施例中，切换组件中各器件的层叠方向与光线传输方向一致，即，半透半反层121设置在图1中靠近显示组件11出光面一侧，反射偏光层123设置在图1中远离显示组件11出光面一侧，液晶层122位于半透半反层121和反射偏光层122之间。
本实施例的半反半透膜层在对光线进行50％透射的同时，对光线进行50％的反射。示例性的，本实施例的半透半反膜层可以直接贴合到液晶层靠近出光侧的表面，也可以在液晶层靠近出光侧的表面进行镀膜工艺，例如真空离子蒸镀等。本实施例的反射偏光层具有相互垂直的透过轴与反射轴。在光线垂直入射时，当光线的振动方向与透过轴方向一致时，会以几乎100％的光效率透过；当该光线与反射轴方向一致时，会以几乎100％的光效率发生反射。
在一个可选的实施例中，如图2所示，所述液晶层122包括：沿出光方向依次设置的第一玻璃基板1221、第二四分之一波片1222以及第二玻璃基板1223。如图2所示，第一玻璃基板和第二玻璃基板起到保护和附着固定第二四分之一波片及其他部件的作用。
本实施例中，所述第一四分之一波片为薄膜四分之一波片，所述第二四分之一波片为液晶四分之一波片。
本实施例利用液晶四分之一波片在加电和去电时状态下实现不同的相位状态改变，示例性的，液晶四分之一波片有两种工作状态，分别为偏移量为零的状态，即Retardation＝0，此时液晶四分之一波片工作在0相位差状态，等同于平板玻璃状态)
在该状态下，如图3所示，所述变焦装置处于第一相位状态时，调制光路如301所示，所述圆偏光依次经过所述第一透镜111、所述切换组件12以及所述第二透镜112，在第一预设距离下生成第一像面图像(图中未示出)。
如图3所示，在第一透镜111和第二透镜112之间设置有两个第三透镜113，切换组件12设置在第一透镜111和第三透镜113之间。在变焦装置处于0相位差状态时，显示组件11发出的光线在器件中的传播路径为第一透镜111、切换组件12、第三透镜113以及第二透镜112，从而在第一预设距离下形成了对应于该状态的第一像面图像。
在另一个示例中，液晶四分之一波片的另一工作状态为四分之一波片状态，即Retardation＝λ/4，其中，λ为光学设计时的中心波长，如绿光为550nm左右。
在该状态下，所述变焦装置处于第二相位状态时，所述圆偏光经过所述第一透镜111折射并由所述切换组件12反射后传输至所述第二透镜112，在第二预设距离下生成第二像面图像。
仍以图3所示，在变焦装置处于1/4相位差状态时，调制光路如302所示，显示组件11发出的光线在器件中的传播路径为第一透镜111、切换组件12、在切换组件12内部反射、第三透镜113以及第二透镜112，从而在第二预设距离下形成了对应于该状态的第一像面图像。示例性的，变焦装置形成的第一像面图像为近场图像，第二像面图像为远场图像，即第一预设距离小于第二预设距离。
需要说明的是，图3仅仅是为了能够清晰的表示出当变焦装置分别工作在两种状态下时的光线传播路径的差别。实际上，不同相位状态对应的两种调制光路是不可能在同一时刻出现的，而是通过切换组件响应于切换指令切换对应的相位状态，从而实现第一像面图像和第二像面图像的改变。
在一个具体示例中，本实施例的液晶四分之一波片的快轴方向与薄膜四分之一波片的快轴方向垂直，可以较大程度的减小两个波片的波长分散性和角度分散性造成的杂散光，从而提高成像效果。
在一个可选的实施例中，述液晶四分之一波片为负性液晶，所述切换组件还包括补偿膜层，用于补偿所述液晶四分之一波片的相位偏移，
所述补偿层设置在半透半反层靠近所述出光侧一侧表面上或者设置在所述反射偏光片远离所述出光侧一侧表面。
在实际应用中，如透镜或者玻璃的应力会造成杂散光，例如，当204中的液晶选用负性液晶时，往往会存在一个初始的相位偏移Retardation(又叫K0)。因此，本实施例通过在整体光路中增加具有补偿作用的膜层来进行补偿，以减少杂散光影响，示例性的，本实施例的补偿层设置在半透半反层靠近所述出光侧一侧表面上或者设置在所述反射偏光片远离所述出光侧一侧表面，具体厚度应当根据实际应用进行设计。
在一个可选的实施例中，所述补偿膜层还用于补偿不同波长的光线通过所述液晶四分之一波片时产生的偏移量。
基于上述的相位状态说明，0和λ/4两种相位状态是非常理想的情况，在实际中，由于液晶四分之一波长是针对中心波长设计的，而其他的不同波长的光线通过波片时的偏移量并不是绝对理想的λ/4状态，如，650nm波长的红色线偏振光与波片的快轴以45°入射时，会形成椭圆偏振光，而不是标准的圆偏光；另外，光线在波片表面的入射角度也会对偏移量造成一定的影响，同样会形成椭圆偏振光，即存在波长分散性和角度分散性，导致整体光路中形成杂散光。因此，本实施例通过补偿膜层进一步降低整体光路中的杂散光，以提高成像效果。
值得说明的是，本实施例的液晶层还包括Bonding区域、电路层、PI层、隔离柱PS以及封框胶等等部分，本领域技术人员应当根据实际应用进行设计，在此不再赘述。
本发明的另一个实施例提供了一种AR设备，包括至少一个上述的变焦装置。由于本发明实施例提供的AR设备与上述几种实施例提供的变焦装置相对应，因此在前实施方式也适用于本实施例提供的AR设备，在本实施例中不再详细描述。
示例性的，利用本发明上一实施例的变焦装置，配合AR光学器件，例如几何光波导、光栅波导、以及三自由曲面棱镜、Birdbath等器件形成的AR设备，均能够实现多层焦面的显示。
在一个可选的实施例中，如图4所示，所述AR设备2包括：对应于左眼的第一光波导21、对应于右眼的第二光波导22、位于所述第一光波导21靠近左眼一侧的第一变焦装置23以及位于所述第二光波导22靠近右眼一侧的第二变焦装置24；
其中，所述第一光波导距所述左眼的距离和所述第二光波导距离距所述右眼的距离相等；
所述第一变焦装置调制后的第一圆偏光经所述第一光波导调制后进入所述左眼；
所述第二变焦装置调制后的第二圆偏光经所述第二光波导调制后进入所述右眼。
如图4所示，该AR设备可作为AR眼镜，在一个示例中，本实施例的变焦装置可设置在眼镜的镜架处。对应左眼的变焦装置和第一光波导作为一个光机系统，对应右眼的变焦装置和第二光波导作为一个光机系统。以左眼的光机系统为例，显示组件出射圆偏光，经透镜组件和切换组件调制后输出的光线进入到第一光波导的耦入区域，在第一光波导中传输后，从第一光波导的耦出区域出射后进入到用户的左眼中。对于右眼的光线传输过程与左眼光线的传输过程同理。
值得说明的是，本实施例不限制第一变焦装置相对于第一光波导的设置角度，以及第二变焦装置相对于第二光波导的设置角度，示例性的，图4中的变焦装置23和24的放置角度可以有一定偏斜的，也可垂直于对应的光波导靠近人眼一侧的表面，在此不再赘述。本实施例的AR设备，通过切换变焦装置的相位状态，从而实现不同像面图像的切换，以实现单眼多层焦面的显示功能。
出射FOV张角为第一光波导的耦出区域出射的光线对于人眼形成角度，在一个具体示例中，耦入区域的入射光线形成的入射FOV张角、经变焦装置调制后的光线的调制FOV与出射FOV张角相同。在设计时，在可行的约束条件下，可以通过出射光线的FOV来控制人眼实际FOV的大小，以提高用户的实际体验感。
在一个可选的实施例中，所述AR设备还包括亮度加权模块，用于对所述第一像面图像的亮度和所述第二像面图像的亮度进行加权处理以生成第三像面图像，
其中，所述第一像面图像和所述第二像面图像为虚像，第三像面图像为实像且位于所述第一像面图像和所述第二像面图像之间。
如图5和图6所示，以单眼的变焦装置23和光波导21形成的光机系统为例。外界光线以平行光线表示。在变焦装置处于第一相位状态(0相位差状态)时，显示组件出射圆偏光，在第一预设距离Z1下，经透镜组件和光波导组件调制后到达人眼的光线的反向延长线的交点与该第一预设距离形成一虚像像面，即第一像面图像P1。在变焦装置处于第二相位状态(1/4相位差状态)时，显示组件出射圆偏光，在第一预设距离Z2下，经透镜组件和光波导组件调制后到达人眼的光线的反向延长线的交点与该第一预设距离形成一虚像像面，即第二像面图像P2。
需要说明的是，Z1，Z2的预设虚像距离的确定，本领域技术人员可以根据实际应用设计，例如，Z1在0.5m～1m之间，Z2在1.5m～2.5m之间，以符合人眼的视觉习惯，在此不再赘述。
进一步的，利用本实施的AR设备能够形成两个像面的功能，对第一像面图像的亮度和第二像面图像的亮度进行加权，能够实现2个像面之间的深度感。如图6所示，第一像面图像距人眼为第一预设距离Z1，第二像面图像距人眼为第一预设距离Z1，在两个像面图像显示相同的图像时，将两个图像的亮度进行加权后，人眼的视角为Ω，人眼会感受到位于Z1和Z2之间的第三预设距离Z处的第三像面图像P，该第三像面图像为实像，此方案下，将上一实施例的AR设备的两层焦面功能扩展为三层焦面，进一步扩展了像面数量，并且，经加权后形成的位于第三预设距离Z处的第三像面图像连续、生动，符合人眼对显示的需求。
如图7所示，现有的birdbath显示设备的基本结构包括：出光方向朝向下方的显示源701，位于显示源701出光侧的呈45°倾斜设置的分光器702，以及位于人眼前侧的合成器703。Birdbath光学设计把来自显示源701的光线投射至45度角的分光器702(位于前额的黑色矩形)。分光器702具有反射和透射值(R/T)，允许光线以R的百分比进行部分反射，而其余部分则以T值传输。同时具有R/T允许用户同时看到现实世界的物理对象，以及由显示器生成的数字影像。从分光器702反射回来的光线弹到合成器703上，把光线重新导向眼睛(上图中的虚线)。
在另一个可选的实施例中，如图8所示，所述AR设备为birdbath显示设备8，包括：
呈预设角度倾斜设置的分光器801，
位于所述分光器801远离所述人眼一侧的合成器802，以及
位于所述分光器801和所述合成器802之间的对应于左眼的第三变焦装置以及对应于右眼的第四变焦装置803(图中仅示出一个第四变焦装置)；
所述分光器801将所述第三变焦装置出射的第一圆偏光反射至所述合成器802，并由所述合成器802将部分所述第一圆偏光反射至所述左眼以及将所述第四变焦装置803出射的第二圆偏光反射至所述合成器802，并由所述合成器802将部分所述第二圆偏光反射至所述右眼。
本实施例中，变焦装置与对应的合成器以及与对应的分光器形成birdbath显示设备，本实施例的变焦装置能够替代显示源，在实现原birdbath显示光路的基础上，还能够实现单眼双层焦面的显示功能，且整体构造简单，具有广泛的应用前景。
在另一个可选的实施例中，所述AR设备为近视矫正设备。
在实际使用中，现有的大部分VR设备矫正近视是使用机械方式(手动控制或电动驱动控制机械装置的方式)调整透镜(组)和屏幕的相对位置，从而改变人眼所观察到的最佳成像面的虚像距离。
但是由于传统的VR设备只有一个固定的虚像距，一般为1.5米(大部分VR设备的虚像距设置在1.5m～2.0米之间)，用户在佩戴VR设备时只能看到固定虚像距离的画面，长时间使用时，晶状体及睫状肌被迫保持在同一工作状态，极易产生痉挛和疲劳，从而加重人眼负担。
因此，本实施例提出一种近视矫正设备以解决上述问题，如图9所示，该近视矫正设备包括：
交互装置，用于响应于用户的选择操作确定对应的训练指令；
处理器，用于基于所述训练指令确定预设训练模式并发送至控制器；
控制器，用于根据所述处理器确定的预设训练模式生成对应的切换指令；
所述第一变焦装置和所述第二变焦装置分别还用于根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
本实施例中，利用AR设备单眼多焦面的显示功能进行近视矫正，通过该AR设备调节进入人眼的显示画面的剧人眼的距离，从而起到锻炼晶状体及睫状肌，达到缓解视力疲劳及近视矫治的目的。
示例性的，该设备中各个器件的信号传输过程为：在用户佩戴该近视矫正设备后，通过交互装置输入选择操作，在一个具体示例中，可通过手柄、眼球追踪等交互方式输入选择操作，进一步确定对应的训练指令。根据交互装置响应于用户的操作确定给的训练指令，处理器能够确定该训练指令对应的预设训练模式，例如近场模式、远场模式和光场模式，并将选择的训练方式发送至控制器，由控制器进行生成切换指令以控制第一变焦装置和第二变焦装置切换相位状态从而执行不同模式，控制显示组件显示画面进行切换从而实现不同画面的显示，起到锻炼晶状体及睫状肌，达到缓解视力疲劳及近视矫治的目的。
在一个具体示例中，本实施例的第一变焦装置和第二变焦装置还生成反馈信息至控制器(图中未示出)，从而实现第一变焦装置和第二变焦装置的状态监测。在另一个具体示例中，本实施例的处理器还可与显示组件中的显示面板进行之间的信息传输，以实现除切换显示画面等的其他需求。
与前实施例的近视矫正设备对应的，本发明的另一个实施例提出一种利用上述的AR设备进行近视矫正的方法，如图10所示，该方法包括：
响应于用户的选择操作确定对应的训练指令；
基于所述训练指令确定预设训练模式；
生成与所述预设训练模式对应的切换指令；
根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
示例性的，在响应于用户的选择操作确定对应的训练指令之前，该过程还包括：
S1、对变焦装置的显示组件以及切换组件进行检测。
示例性的，利用控制器检测显示组件以及切换组件的工作状态，并反馈至处理器。如果当前变焦装置处于正常工作状态，例如能够支持切换各个模式以及进行交互，则可以正常进行后续步骤。若自检后发现变焦装置无法正常工作，则重启并再次自检，在变焦装置处于正常工作状态后执行近视矫正的过程，若多次检测以及重启后仍无法恢复，则控制器向处理器反馈信息并终止整个过程。
S2、响应于用户的选择操作确定对应的训练指令。
在一个具体示例中，通过交互装置，例如手柄、手环、键盘、触摸板、眼球追踪、语音识别、手势、脑电波以及其他可能的交互装置获取用户的选择操作，例如，用户通过键盘以点击的形式生成选择操作。根据该选择操作生成训练指令，例如进行近视矫正的训练指令。
S3、基于所述训练指令确定预设训练模式。
在一个可选的实施例中，所述预设训练模式包括：近场模式和远场模式，其中，
如图11a所示，所述近场模式在所述切换组件处于所述第一相位状态时所述显示组件显示第一视觉图像(NF Image)；所述远场模式在所述切换组件处于所述第二相位状态时所述显示组件显示第二视觉图像(FF Image)。在近场模式和远场模式分别以一定时间顺序进行显示的基础上，本实施例的预设训练模式还可以为近场模式和远场模式的多种时序组合。例如，近场模式所持续的第一时序是T11，远场模式所持续的第一时序是T22，其中一种的预设训练模式为交替切换远场模式和近场模式。
在一个可选的实施例中，近场模式所持续的第一时序小于远场模式所持续的第一时序，以符合人眼视力调节曲线。
本实施例的近场模式和远场模式，不同模式对应的显示的视觉图像与人眼的距离不同。与现有技术的调整透镜(组)和屏幕的相对位置，以改变人眼所观察到的最佳成像面的虚像距离的方案不同，本实施例采用调节人眼所看到的视觉图像与人眼的距离，使得人眼能够处于放松状态，进一步实现缓解视力疲劳及近视矫治的目的。
在一个具体示例中，如图10所示，处理器基于所述训练指令确定预设训练模式并发送至控制器。
S4、生成与所述预设训练模式对应的切换指令；
仍以前述的近场模式持续T11、远场模式持续T22的预设训练模式为例。在一个具体示例中，如图10所示，控制器根据所述处理器确定的该预设训练模式生成对应的切换指令。
S5、根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
所述第一变焦装置和所述第二变焦装置分别还用于根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
在一个具体示例中，该步骤S5包括“以预设第一时序交替切换所述远场模式和所述近场模式”。例如第一变焦装置根据该切换指令对应的时序信息控制显示组件的显示画面以第一时序进行变化，如图11a所示，同时，控制切换组件以该第一时序切换相位状态，使得切换组件在T11的时间段内处于近场模式所对应的第一工作相位状态，此时人眼看到的画面为0.8m远的虚像面。在T22对应的时间段内处于远场模式所对应的第二工作相位状态，设备工作在远场模式，此时人眼看到的画面为2m远的虚像面。按照顺序的，在T21对应的时间段内又切换为近场模式，在T22对应的时间段内切换为远场模式，依次类推，近场模式和远场模式以一定的时序叫交替切换。
在一个具体示例中，可以设置第一个近场模式的第一时序为0，即T11＝0，此时表示该应用开始启动时，跳过了近场模式，是从远场模式开始的。总运行时长为近场模式和远场模式的持续时间之和，即T总＝T11+T12+T21+T22…+Tn1+Tn2，值得说明的是，各近场模式和各远场模式对应的作为持续时间的第一时序，即T11，T12…Tn2等并不确定，具体数值可由本领域技术人员进行设计，优选的，可使得Tn1<Tn2，即近场模式所持续的第一时序小于远场模式所持续的第一时序，以可符合人眼视力调节的曲线，确保近视矫正效果。
本实施例中，显示组件所显示的第一视觉图像(NF Image)和第二视觉图像(FFImage)，可由一系列独立或者有相互关联的静态图或动图、视频组成；为增加趣味性，减少使用过程中的枯燥感，可选用符合使用者兴趣的影像材料；对于青少年或幼儿等，可选用包含动画、游戏等元素的图像信息，在此不再赘述。
本实施例中，通过相位状态的切换进一步实现近场模式和远场模式的切换，从而使得用户所观察到的图像是远近交替切换的，以起到放松晶状体及睫状肌的目的，从而实现近视的矫正。
在另一个可选的实施例中，所述预设训练模式还包括光场模式，其中，
所述光场模式由以预设第二时序执行的所述近场模式和以预设第三时序执行的所述远场模式的时分叠加形成。
本实施例中，VR光场设备显示模式的特殊性，即，本实施例的光场模式为近场模式和远场模式的快速时分叠加，因此，如图11b所示，若在光场模式下，将远场时的第二视觉图像(FF Image)熄灭(只显示黑画面)，那么人眼实际看到的图像相当于只有近场的第一视觉图像(NF Image)，接近于近场模式，相比于近场模式显示的画面，显示的绝对时长降低了一半。
同样的，如图11c所示，若在光场模式下，将近场时的第一视觉图像(NF Image)熄灭(只显示黑画面)，那么人眼实际看到的图像相当于只有远场的第二视觉图像(FFImage)，接近于远场模式，相比于远场模式显示的画面，显示的绝对时长也降低了一半。
为避免混淆，本实施例中所述光场模式包括远场状态和近场状态，
如图11b所示，在所述近场状态时，所述显示组件在预设第二时序内显示第三视觉图像(NF Image)，且在预设第三时序内显示黑色的视觉图像；
如图11c所示，在所述远场状态时，所述显示组件在预设第三时序内显示第四视觉图像(FF Image)，且在预设第二时序内显示黑色的视觉图像。
其中，光场模式下，所述第二预设时序和所述第三预设时序为相同值，使得维持在两个状态下的保持时间一致，示例性的，光场模式的持续时间为T光场，则T光场＝T远场状态+T近场状态，其中T远场状态＝T近场状态＝1/2T光场，从而保证人眼观看的效果。此时，整个方案为多个光场模式的循环，但是本发明实施例并不限制每一光场模式的持续时间，本领域技术人员可以设计不同的持续时间，以形成不同的预设训练方式。
进一步的，步骤S5“所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态”包括：
交替切换所述光场模式中的所述远场状态和所述近场状态。
在一个具体示例中，若在光场模式中的远场状态时，所述显示组件在所述预设第三时序内显示的第四视觉图像为黑色，即在前一第二时序内为黑色图像，此时，当前一第二预设时序进入人眼的视觉图像为黑色时，人眼不会接收到任何刺激，由于视觉暂留的影响，人眼还会停留在近场状态时显示的视觉图像的画面的刺激下，因此，人眼实际感受到持续时长的前一第二预设时序下的近场画面。
进一步的，步骤S5“所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态”包括：
以预设切换顺序和预设第四时序切换所述近场模式、所述远场模式、所述光场模式中的所述近场状态和所述远场状态。
基于前述的各个模式，本实施例中存在多种预设训练模式，例如近场模式和远场模式以不同的第一时序进行设计，例如在不同的光场模式中近场状态和远场装置以不同的时序进行设计，而本实施例中的预设训练模式，在于将远场模式和近场模式进行混合设计。
示例性的，一个预设训练模式为：远场模式、光场模式中的近场状态、近场模式、光场模式中的远场状态。如图12所示，其实状态为左上方的A点处的小鸟，该小鸟为远场模式，经切换后，变成位于中间B点处的大鸟，该大鸟为光场中的近场状态，然后进一步切换为C处的小鸟，属于近场模式，最后由该状态切换为光场中的远场状态，显示到用户眼中的为D点处的小鸟。在该预设训练模式下，小鸟在用户的眼中由远及近，由近及远，以及在视野的不同位置间移动，如，从左上移动到右下，再到中间等，可以同时锻炼睫状肌和负责眼球转动的六条肌肉，同样达到近视矫正的目的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (14)
1.一种AR设备，其特征在于，包括至少一个变焦装置，所述变焦装置包括：
显示组件，用于输出圆偏光；
位于所述显示组件出光侧的透镜组件，所述透镜组件的光轴垂直于所述显示组件的出光面，至少包括第一透镜和第二透镜；
位于所述透镜组件中的切换组件，用于响应于切换指令切换所述变焦装置的相位状态以使得所述透镜组件调制所述圆偏光的调制光路发生改变，从而使得所述变焦装置的图像像面发生改变；
所述变焦装置处于第一相位状态时，所述圆偏光依次经过所述第一透镜、所述切换组件以及所述第二透镜，在第一预设距离下生成第一像面图像；
所述变焦装置处于第二相位状态时，所述圆偏光经过所述第一透镜折射并由所述切换组件反射后传输至所述第二透镜，在第二预设距离下生成第二像面图像；
其中，所述显示组件包括液晶显示面板以及位于所述液晶显示面板出光侧的第一四分之一波片，
所述透镜组件包括位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的至少一个第三透镜，用于折射所述圆偏光，
所述切换组件包括沿出光方向依次设置的半透半反层、液晶层以及反射偏光层；
所述液晶层包括：沿出光方向依次设置的第一玻璃基板、第二四分之一波片以及第二玻璃基板，其中，所述第一四分之一波片为薄膜四分之一波片，所述第二四分之一波片为液晶四分之一波片，
所述第一透镜和所述第二透镜为凸透镜，所述第三透镜为凹透镜。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述切换组件位于第一透镜和第二透镜之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述四分之一波片的快轴与所述液晶显示面板的出射光线的夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述显示组件包括：有机电致发光显示面板、位于所述有机电致发光显示面板出光侧的圆偏光片。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，所述透镜组件还包括固定所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述切换组件的镜筒。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述液晶四分之一波片为负性液晶，所述切换组件还包括补偿膜层，用于补偿所述液晶四分之一波片的相位偏移，
所述补偿层设置在半透半反层靠近所述出光侧一侧表面上或者设置在所述反射偏光片远离所述出光侧一侧表面。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述AR设备包括：对应于左眼的第一光波导、对应于右眼的第二光波导、位于所述第一光波导靠近左眼一侧的第一变焦装置以及位于所述第二光波导靠近右眼一侧的第二变焦装置；
其中，所述第一光波导距所述左眼的距离和所述第二光波导距离距所述右眼的距离相等；
所述第一变焦装置调制后的第一圆偏光经所述第一光波导调制后进入所述左眼；
所述第二变焦装置调制后的第二圆偏光经所述第二光波导调制后进入所述右眼。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述AR设备还包括亮度加权模块，用于对所述第一像面图像的亮度和所述第二像面图像的亮度进行加权处理以生成第三像面图像，
其中，所述第一像面图像和所述第二像面图像为虚像，第三像面图像为实像且位于所述第一像面图像和所述第二像面图像之间。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述AR设备为birdbath显示设备，包括：
呈预设角度倾斜设置的分光器，
位于所述分光器远离人眼一侧的合成器，以及
位于所述分光器和所述合成器之间的对应于左眼的第三变焦装置以及对应于右眼的第四变焦装置；
所述分光器将所述第三变焦装置出射的第一圆偏光反射至所述合成器，并由所述合成器将部分所述第一圆偏光反射至所述左眼以及将所述第四变焦装置出射的第二圆偏光反射至所述合成器，并由所述合成器将部分所述第二圆偏光反射至所述右眼。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述AR设备为近视矫正设备，包括：
交互装置，用于响应于用户的选择操作确定对应的训练指令；
处理器，用于基于所述训练指令确定预设训练模式并发送至控制器；
控制器，用于根据所述处理器确定的预设训练模式生成对应的切换指令；
第一变焦装置和第二变焦装置分别还用于根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
11.一种利用权利要求10的AR设备进行近视矫正的方法，其特征在于，包括：
响应于用户的选择操作确定对应的训练指令；
基于所述训练指令确定预设训练模式；
生成与所述预设训练模式对应的切换指令；
根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述预设训练模式包括：近场模式和远场模式，其中，
所述近场模式在所述切换组件处于所述第一相位状态时所述显示组件显示第一视觉图像；
所述远场模式在所述切换组件处于所述第二相位状态时所述显示组件显示第二视觉图像；
所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态包括：
以预设第一时序交替切换所述远场模式和所述近场模式。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述预设训练模式包括：近场模式、远场模式和光场模式，其中，
所述近场模式在所述切换组件处于所述第一相位状态时所述显示组件显示第一视觉图像；
所述远场模式在所述切换组件处于所述第二相位状态时所述显示组件显示第二视觉图像；
所述光场模式由以预设第二时序执行的所述近场模式和以预设第三时序执行的所述远场模式的时分叠加形成，其中，所述光场模式包括远场状态和近场状态，
在所述近场状态时，所述显示组件在预设第二时序内显示第三视觉图像，且在预设第三时序内显示黑色的视觉图像；
在所述远场状态时，所述显示组件在预设第三时序内显示第四视觉图像，且在预设第二时序内显示黑色的视觉图像；
所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态包括：
交替切换所述光场模式中的所述远场状态和所述近场状态。
14.根据权利要求11的方法，其特征在于，
所述预设训练模式包括：近场模式、远场模式和光场模式，其中，
所述近场模式在所述切换组件处于所述第一相位状态时所述显示组件显示第一视觉图像；
所述远场模式在所述切换组件处于所述第二相位状态时所述显示组件显示第二视觉图像；
所述光场模式由以预设第二时序执行的所述近场模式和以预设第三时序执行的所述远场模式的时分叠加形成，其中，所述光场模式包括远场状态和近场状态，
在所述近场状态时，所述显示组件在预设第二时序内显示第三视觉图像，且在预设第三时序内显示黑色的视觉图像；
在所述远场状态时，所述显示组件在预设第三时序内显示第四视觉图像，且在预设第二时序内显示黑色的视觉图像；
所述根据所述切换指令切换所述显示组件的显示画面以及控制所述切换组件切换相位状态包括：
以预设切换顺序和预设第四时序切换所述近场模式、所述远场模式、所述光场模式中的所述近场状态和所述远场状态。
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