CN118226647A - 一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统与方法，其中双目波导近眼显示系统包括双目波导近眼显示模组，用于生成高清图像信号并传播进入人眼；画面调整模组，用于根据人眼屈光度数对双目波导近眼显示模组进行实时调节；虚拟现实调节模组，用于对双目波导近眼显示模组的显示画面进行更新，并根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节。本发明通过大出瞳的双目波导近眼显示模组，结合对用户眼睛的屈光度数的画面自动调整，不仅减轻对于不同近视用户或老花眼用户在使用时还需佩戴眼镜的不便性，同时，通过自动化的画面调整，进一步的减轻了用户佩戴移动时的风险，结合虚拟画面与现实画面的强弱调整，给用户带来完美的AR视觉体验。

Description

一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统及方法

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统及方法。

背景技术

在目前的增强现实(AR)技术中，波导技术被广泛应用于AR眼镜的设计中，它能够将虚拟图像与现实世界相结合，为用户提供沉浸式的体验。然而，这种技术在视力矫正方面存在一定的局限性。由于AR波导通常设计为耦出平行光线，使得用户在观察虚拟图像时，画面仿佛位于无穷远处。同时，用户还需要通过波导片观察真实的世界，这就要求人眼具备正常的视力，以便能够清晰地看到图像和现实环境。

对于视力有问题的用户，如近视、远视或散光，他们通常需要佩戴矫正眼镜。在AR眼镜的使用中，这意味着他们必须在矫正眼镜的基础上再叠加AR眼镜，这不仅增加了佩戴的不便，也影响了整体的美观和舒适度。尽管有尝试通过设计AR眼镜外框与矫正眼镜框架相匹配的方式来解决这一问题，但这种方法并未能有效减轻重量，也未能显著提升佩戴体验，并且现有的近眼显示系统难以实现根据不同用户的屈光度数实现画面的自动调整，为用户的AR视觉体验带来诸多不便。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

一方面为实现上述目的，本发明提出了一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，包括双目波导近眼显示模组、画面调整模组以及虚拟现实调节模组；

所述双目波导近眼显示模组用于生成高清图像信号并传播进入人眼；

所述画面调整模组用于根据人眼屈光度数对所述双目波导近眼显示模组进行实时调节；

所述虚拟现实调节模组用于对所述双目波导近眼显示模组的显示画面进行更新，并根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节。

可选地，所述双目波导近眼显示模组包括图像源模块、准直系统、玻璃基底、耦入衍射光学元件、耦出衍射光学元件、折叠衍射光学元件以及液态可变透镜；所述图像源模块用于生成高清图像信号，所述准直系统用于将所述高清图像信号校正为平行光并进行传播，所述玻璃基底用于通过全反射的方式对所述平行光进行传播，所述耦入衍射光学元件用于将平行光向左右两个方向进行传播，所述折叠衍射光学元件用于将平行光进行垂直方向扩瞳，所述耦出衍射光学元件用于将平行光进行水平方向扩瞳传播并耦出光束进入人眼；所述耦入衍射光学元件包括一维全息光栅或浮雕光栅，所述耦出衍射光学元件包括二维全息光栅或浮雕光栅；所述液态可变透镜用于向内外侧进行弯曲，并控制弯曲曲率，进而调整屈光度。

可选地，所述画面调整模组包括参数设置模块、角度调节模块以及若干个驱动电极，所述参数设置模块用于设置用户的屈光度参数，所述角度调节模块用于获取用户的人眼屈光度，并根据屈光度，结合所述屈光度参数控制所述驱动电极进行开关，所述驱动电极设置于所述双目波导近眼显示模组的液态可变透镜上，用于控制液态可变透镜进行弯曲，进而调整用户的屈光度以及接收的画面质量。

可选地，所述参数设置模块将设置好的屈光度参数传输至所述角度调节模块，所述角度调节模块获取用户的人眼屈光度，根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度的差值计算液态可变透镜的弯曲曲率以及曲率半径，并控制所述驱动电极启动，当液态可变透镜的弯曲达到所述弯曲曲率时控制驱动电极关闭。

可选地，所述虚拟现实调节模组包括移动控制端以及画面更新模块，所述移动控制端以及画面更新模块无线连接，并与所述双目波导近眼显示模组无线连接，所述移动控制端用于用户对双目波导近眼显示模组的显示参数进行调整，所述画面更新模块用于实时获取用户的显示画面以及调整参数，并根据所述调整参数对所述显示画面进行调节，将调节后生成的画面实时传输至所述双目波导近眼显示模组进行画面更新。

可选地，所述虚拟现实调节模组还包括强度调节模块，所述强度调节模块用于用户设置现实画面与虚拟画面的亮度差值，并实时获取现实画面的亮度值，根据用户设置的亮度差值与现实画面的亮度值对所述双目波导近眼显示模组生成的高清图像信号进行调整，使根据所述高清图像信号生成的虚拟画面与现实画面的亮度差等于设置的亮度差值。

另一方面为实现上述目的，本发明提出了一种基于屈光度数的双目波导近眼显示方法，包括以下步骤：

基于双目波导近眼显示模组生成高清图像信号并传播进入人眼；

设置屈光度参数，获取人眼屈光度，并根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度对双目波导近眼显示模组进行调节；

对所述双目波导近眼显示模组的显示画面进行更新；根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节。

可选地，根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度对双目波导近眼显示模组进行调节的过程包括：

计算所述屈光度参数与所述人眼屈光度的差值，并根据分别计算所述液态可变透镜调节曲率以及曲率半径，启动驱动电极对所述液态可变透镜进行调节，当弯曲达到所述调节曲率时关闭驱动电极。

可选地，对所述双目波导近眼显示模组的显示画面进行更新的过程包括：

用户通过移动控制端输入调整参数，获取用户的显示画面，并根据所述调整参数对所述显示画面进行调节，将调节后生成的画面实时传输至所述双目波导近眼显示模组进行画面更新。

可选地，根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节的过程包括：

设置现实画面与虚拟画面的亮度差值，并实时获取现实画面的亮度值，根据设置的亮度差值与现实画面的亮度值对所述双目波导近眼显示模组生成的高清图像信号进行调整，使根据所述高清图像信号生成的虚拟画面与现实画面的亮度差等于设置的亮度差值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，

本发明提出的双目波导近眼显示系统与方法，通过大出瞳的双目波导近眼显示模组，将镜片与波导模组进行一体化综合设计，在一片上完成人眼的矫正和光路的传输，可以有效提升佩戴体验，减轻佩戴重量，结合对用户眼睛的屈光度数的画面自动调整，不仅减轻对于不同近视用户或老花眼用户在使用时还需佩戴眼镜的不便性，同时，通过自动化的画面调整，进一步的减轻了用户佩戴移动时的风险，结合虚拟画面与现实画面的强弱调整，从而给用户带来完美的AR视觉体验。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中基于屈光度数的双目波导近眼显示系统主视图；

图2为本发明实施例中的双目波导近眼显示模组示意图；

图3为本发明实施例中液态可变透镜驱动方式示意图；(1)为正常状态液态可变透镜，(2)为施加电压后液态可变透镜状态。

图4为本发明实施例中的双目波导近眼显示方法流程示意图；

附图标记：100-双目波导近眼显示模组、310-耦入衍射光学元件、320-折叠衍射光学元件、330-耦出衍射光学元件、340-液态可变透镜、350-驱动电极。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本实施例提出了一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，如图1所示，包括双目波导近眼显示模组100、画面调整模组以及虚拟现实调节模组；

所述双目波导近眼显示模组100用于生成高清图像信号并传播进入人眼；

所述画面调整模组用于根据人眼屈光度数对所述双目波导近眼显示模组100进行实时调节；

所述虚拟现实调节模组用于对所述双目波导近眼显示模组100的显示画面进行更新，并根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节。

作为本申请的一种较佳实施方式，所述双目波导近眼显示模组100中包括图像源模块、准直系统、玻璃基底、耦入衍射光学元件310、耦出衍射光学元件330、折叠衍射光学元件320以及液态可变透镜340；所述图像源模块用于生成高清图像信号，所述准直系统用于将所述高清图像信号校正为平行光并进行传播，所述玻璃基底用于通过全反射的方式对所述平行光进行传播。如图2所示，所述耦入衍射光学元件310用于将平行光向左右两个方向进行传播，所述折叠衍射光学元件320用于将平行光进行垂直方向扩瞳，所述耦出衍射光学元件330用于将平行光进行水平方向扩瞳传播并耦出光束进入人眼；所述耦入衍射光学元件310包括一维全息光栅或浮雕光栅，所述耦出衍射光学元件330包括二维全息光栅或浮雕光栅；所述液态可变透镜340用于向内外侧进行弯曲，并控制弯曲曲率，以实时调整屈光度。

可以理解的是，本实施例所述的近眼显示模组100中，光束从耦入纳米光栅310中进入玻璃基底并在玻璃基底中进行全反射传播，传播到折叠衍射光学元件320中时，光束的传播方向发生偏转传播并产生分裂光束，最终传播到耦出衍射光学元件330中，光束发生出射并经由液态可变透镜340后进入人眼。

在本实施例当中，所述耦入衍射光学元件310位于玻璃基底的中垂线上。

在本实施例当中，所述折叠衍射光学元件320位于耦入衍射光学元件310的左右侧。

在本实施例当中，所述耦出衍射光学元件330位于波璃基底左右两侧位置。

在本实施例当中，所述液态可变透镜340设置于耦出衍射光学元件330的内侧。

在本实施例当中，所述的光学元件均采用亚波长纳米光栅，可以抑制高级次衍射并将能量集中在一级，并可以调制一级衍射光束使其满足基底波导的全内反射条件，以满足光栅波导的耦合条件。

在本实施例当中，所述的光学元件采用高折射率材料制成，如T iO₂或SiN₄。

在本实施例当中，所述玻璃基底采用可见光吸收较少且折射率较高的材料制成，如SiO₂或SiN₄。

本实施例提出了一种单图像元二维扩瞳双目波导近眼显示模组，有助于减小体积，节省能量并且获得更宽广的视野和更舒适的视觉体验，有效解决了现有近眼显示模组体积大，笨重不轻便的技术问题。

作为本申请的一种较佳实施方式，所述画面调整模组包括参数设置模块、角度调节模块以及若干个驱动电极350，所述参数设置模块用于设置用户的屈光度参数，所述角度调节模块用于获取用户的人眼屈光度，并根据人眼屈光度，结合所述屈光度参数控制所述驱动电极350进行开关，所述驱动电极350设置于所述双目波导近眼显示模组100中的液态可变透镜340上，用于控制所述液态可变透镜340进行弯曲，进而调整用户的屈光度以及接收的画面质量。

作为本申请的一种较佳实施方式，所述参数设置模块将设置好的屈光度参数传输至所述角度调节模块，所述角度调节模块获取用户的人眼屈光度，根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度的差值分别计算折叠衍射光学元件320和耦出衍射光学元件330的调节角度，并控制所述驱动电极350启动，液态可变透镜如图3所示向下弯曲形成特定曲率，当达到所述调节角度时控制驱动电极350关闭。其中单折射球面的屈光度与曲率半径的关系为：

F＝(n-1)/r

其中液态可变透镜的折射率为n，曲率半径为r。

可以理解的是，本实施例根据用户的视觉偏好设置合理的屈光度，并在用户运动过程中对双目波导近眼显示模组100的光栅弯曲角度进行实时调节，从而实现屈光度数的有效调节，无需佩戴眼镜，为不同程度的近视用户和老花眼用户提供便捷性，保证AR视觉效果。

作为本申请的一种较佳实施方式，所述虚拟现实调节模组包括移动控制端以及画面更新模块，所述移动控制端以及画面更新模块无线连接，并与所述双目波导近眼显示模组无线连接，所述移动控制端用于用户对双目波导近眼显示模组100的显示参数进行调整，所述画面更新模块用于实时获取用户的显示画面以及调整参数，并根据所述调整参数对所述显示画面进行调节，将调节后生成的画面实时传输至所述双目波导近眼显示模组100进行画面更新。

可以理解的是，本实施例所述的移动控制端可以是手机app、遥控器、智能手环等设备，用户可随身携带上述设备，对双目波导近眼显示模组100生成的虚拟画面参数进行实时调节更新，进一步提高了系统操作的便捷性，减轻了用户佩戴移动时的风险。

作为本申请的一种较佳实施方式，所述虚拟现实调节模组还包括强度调节模块，所述强度调节模块用于用户设置现实画面与虚拟画面的亮度差值，并实时获取现实画面的亮度值，根据用户设置的亮度差值与现实画面的亮度值对所述双目波导近眼显示模组100生成的高清图像信号进行调整，使根据所述高清图像信号生成的虚拟画面与现实画面的亮度差等于设置的亮度差值。

可以理解的是，本实施例中的强度调节模块，在由于外部环境的不断变化导致现实画面亮度发生变化时，根据用户设置的亮度差对虚拟画面的亮度进行实时调整，有利于用户在增强现实体验中有效区分现实画面与虚拟画面，保证完美的AR视觉体验。

实施例二

本实施例提出了一种基于屈光度数的双目波导近眼显示方法，如图4所示，包括以下步骤：

基于双目波导近眼显示模组100生成高清图像信号并传播进入人眼；

设置屈光度参数，获取人眼屈光度，并根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度对双目波导近眼显示模组100进行调节；

对所述双目波导近眼显示模组100的显示画面进行更新；根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节。

在一些实施例中，二维扩瞳的双目波导近眼显示模组100包括：图像源，用于生成高清图像信号；准直系统，用于将图像源产生的光束校正为平行光传播；玻璃基底，光束在这一透明基底中通过全反射的方式传播，保证了光束的高效传输和图像的清晰度；耦入衍射光学元件310，由一维全息光栅或浮雕光栅构成，用于将光束向左右两个方向进行传播；折叠衍射光学元件320，用于将光束向垂直方向扩瞳；耦出衍射光学元件330，由二维全息光栅或浮雕光栅构成，用于将光束进行水平方向扩瞳传播并耦出光束进入液态可变透镜340，最终传入人眼，所述耦出衍射光学元件330的内侧还设有液态可变透镜340，所述液态可变透镜340用于向内外侧进行弯曲，并控制弯曲曲率，以实时调整屈光度。

作为本申请的一种较佳实施方式，根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度对双目波导近眼显示模组100进行调节的过程包括：

计算所述屈光度参数与所述人眼屈光度的差值，并根据分别计算所述液态可变透镜340的调节曲率，启动驱动电极350对所述液态可变透镜340进行调节，液态可变透镜如图3所示向下弯曲形成特定曲率，当达到所述调节曲率时关闭驱动电极350。

作为本申请的一种较佳实施方式，对所述双目波导近眼显示模组100的显示画面进行更新的过程包括：

用户通过移动控制端输入调整参数，获取用户的显示画面，并根据所述调整参数对所述显示画面进行调节，将调节后生成的画面实时传输至所述双目波导近眼显示模组100进行画面更新。

作为本申请的一种较佳实施方式，根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节的过程包括：

设置现实画面与虚拟画面的亮度差值，并实时获取现实画面的亮度值，根据设置的亮度差值与现实画面的亮度值对所述双目波导近眼显示模组100生成的高清图像信号进行调整，使根据所述高清图像信号生成的虚拟画面与现实画面的亮度差等于设置的亮度差值。

本实施例提出的双目波导近眼显示方法，通过大出瞳的双目波导近眼显示模组100，将镜片与波导模组进行一体化综合设计，在一片上完成人眼的矫正和光路的传输，可以有效提升佩戴体验，减轻佩戴重量，适用于增强现实应用，结合对用户眼睛的屈光度数的画面自动调整，不仅减轻对于不同近视用户或老花眼用户在使用时还需佩戴眼镜的不便性，同时，通过自动化的画面调整，进一步的减轻了用户佩戴移动时的风险，结合虚拟画面与现实画面的强弱调整，从而给用户带来完美的AR视觉体验。

本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

最后应说明的是，以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，其特征在于，包括双目波导近眼显示模组、画面调整模组以及虚拟现实调节模组；

所述双目波导近眼显示模组用于生成高清图像信号并传播进入人眼；

所述画面调整模组用于根据人眼屈光度数对所述双目波导近眼显示模组进行实时调节；

所述虚拟现实调节模组用于对所述双目波导近眼显示模组的显示画面进行更新，并根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节。

2.根据权利要求1所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，其特征在于，所述双目波导近眼显示模组包括图像源模块、准直系统、玻璃基底、耦入衍射光学元件、耦出衍射光学元件、折叠衍射光学元件以及液态可变透镜；所述图像源模块用于生成高清图像信号，所述准直系统用于将所述高清图像信号校正为平行光并进行传播，所述玻璃基底用于通过全反射的方式对所述平行光进行传播，所述耦入衍射光学元件用于将平行光向左右两个方向进行传播，所述折叠衍射光学元件用于将平行光进行垂直方向扩瞳，所述耦出衍射光学元件用于将平行光进行水平方向扩瞳传播并耦出光束进入人眼；所述耦入衍射光学元件包括一维全息光栅或浮雕光栅，所述耦出衍射光学元件包括二维全息光栅或浮雕光栅；所述液态可变透镜用于向内外侧进行弯曲，并控制弯曲曲率，进而调整屈光度。

3.根据权利要求1所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，其特征在于，所述画面调整模组包括参数设置模块、角度调节模块以及若干个驱动电极，所述参数设置模块用于设置用户的屈光度参数，所述角度调节模块用于获取用户的人眼屈光度，并根据人眼屈光度，结合所述屈光度参数控制所述驱动电极进行开关，所述驱动电极设置于所述液态可变透镜上，用于控制液态可变透镜进行弯曲，进而调整用户的屈光度以及接收的画面质量。

4.根据权利要求3所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，其特征在于，所述参数设置模块将设置好的屈光度参数传输至所述角度调节模块，所述角度调节模块获取用户的人眼屈光度，根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度的差值计算液态可变透镜的弯曲曲率以及曲率半径，并控制所述驱动电极启动，当液态可变透镜的弯曲达到所述弯曲曲率时控制驱动电极关闭。

5.根据权利要求1所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，其特征在于，所述虚拟现实调节模组包括移动控制端以及画面更新模块，所述移动控制端以及画面更新模块无线连接，并与所述双目波导近眼显示模组无线连接，所述移动控制端用于用户对双目波导近眼显示模组的显示参数进行调整，所述画面更新模块用于实时获取用户的显示画面以及调整参数，并根据所述调整参数对所述显示画面进行调节，将调节后生成的画面实时传输至所述双目波导近眼显示模组进行画面更新。

6.根据权利要求1所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示系统，其特征在于，所述虚拟现实调节模组还包括强度调节模块，所述强度调节模块用于用户设置现实画面与虚拟画面的亮度差值，并实时获取现实画面的亮度值，根据用户设置的亮度差值与现实画面的亮度值对所述双目波导近眼显示模组生成的高清图像信号进行调整，使根据所述高清图像信号生成的虚拟画面与现实画面的亮度差等于设置的亮度差值。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的双目波导近眼显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于双目波导近眼显示模组生成高清图像信号并传播进入人眼；

设置屈光度参数，获取人眼屈光度，并根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度对双目波导近眼显示模组进行调节；

对所述双目波导近眼显示模组的显示画面进行更新；根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节。

8.根据权利要求7所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示方法，其特征在于，根据所述屈光度参数与所述人眼屈光度对双目波导近眼显示模组进行调节的过程包括：

计算所述屈光度参数与所述人眼屈光度的差值，并根据分别计算所述液态可变透镜所需的曲率半径，启动驱动电极对所述液态可变透镜进行弯曲调节，当弯曲达到所述调节角度时关闭驱动电极。

9.根据权利要求7所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示方法，其特征在于，对所述双目波导近眼显示模组的显示画面进行更新的过程包括：

用户通过移动控制端输入调整参数，获取用户的显示画面，并根据所述调整参数对所述显示画面进行调节，将调节后生成的画面实时传输至所述双目波导近眼显示模组进行画面更新。

10.根据权利要求7所述的基于屈光度数的双目波导近眼显示方法，其特征在于，根据现实场景对所述高清图像信号进行实时调节的过程包括：

设置现实画面与虚拟画面的亮度差值，并实时获取现实画面的亮度值，根据设置的亮度差值与现实画面的亮度值对所述双目波导近眼显示模组生成的高清图像信号进行调整，使根据所述高清图像信号生成的虚拟画面与现实画面的亮度差等于设置的亮度差值。