CN105717640B - 基于微透镜阵列的近眼显示器 - Google Patents

基于微透镜阵列的近眼显示器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于微透镜阵列的近眼显示器，包括：面向人眼显示图像的显示屏、位于所述显示屏和人眼之间的微透镜阵列、眼球跟踪摄像头以及图像处理单元，其中，所述微透镜阵列用于将显示屏显示的图像放大后投射到人眼的视网膜上，所述微透镜阵列包括多个形状结构相同的微透镜单元并呈阵列式排布；所述显示屏显示的图像划分为多个形状和大小相同的间隔排列的子图像，每个子图像均对应所述微透镜阵列中的一个所述微透镜单元；所述图像处理单元，用于将原始图像分割为与所述微透镜阵列匹配的多个子图像呈现，以及通过眼球跟踪摄像头获取的人眼位置信息对所述图像进行调整；眼球跟踪摄像头，用于跟踪并获取人眼瞳孔的位置信息。

Description

基于微透镜阵列的近眼显示器
技术领域
本发明涉及一种近眼显示器，特别涉及一种可适应人眼的视力状态来显示图像的近眼显示器。
背景技术
近眼显示器(NED)是可将图像直接投射到观看者眼中的显示器，通常制作成头戴式显示器(HMD)以便于人们佩戴，从而实现浸入式的显示体验。这种近眼显示器的显示屏距离眼球十厘米以内，这样近的图像常规而言是人眼无法看清的。然而，近眼显示器通过特定设计的透镜阵列将图像聚焦投射于人眼视网膜上，再经过视觉神经***加工后，在用户眼前呈现出放大的虚拟图像，由此可以用于虚拟或增强现实应用。
现有的近眼显示设备中，使用的透镜阵列为直径较小的微透镜阵列(微米级别)，所以该微透镜阵列的焦距一般很短，一般该微透镜阵列焦平面与显示屏图像所在平面相同。然后针对不同视力的用户，由于焦距较短，则不易于调整微透镜阵列与显示屏之间的间距，且调整后效果有限，当前解决上述技术问题主要是调节显示屏上显示图像的大小，从而适应不同视力的用户，但显示图像处理比较复杂也不易实现。
因此，需要一种结构简单、焦距较大且容易调节地能够满足不同视力要求的近眼显示器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微透镜阵列的近眼显示器，包括：面向人眼显示图像的显示屏、位于所述显示屏和人眼之间的微透镜阵列、眼球跟踪摄像头以及图像处理单元，其中，所述微透镜阵列用于将显示屏显示的图像放大后投射到人眼的视网膜上，所述微透镜阵列包括多个形状结构相同的微透镜单元并呈阵列式排布，每个所述微透镜单元形状选自圆形、矩形或正六边形，当所述微透镜单元为圆形形状时，其直径D1为3～10mm，如果为矩形或正六边形，其外接圆的直径D1为3～10mm；所述显示屏显示的图像划分为多个形状和大小相同的间隔排列的子图像，每个子图像均对应所述微透镜阵列中的一个所述微透镜单元；所述图像处理单元，用于将原始图像分割为与所述微透镜阵列匹配的多个子图像呈现，以及通过眼球跟踪摄像头获取的人眼位置信息对所述图像进行调整；眼球跟踪摄像头，用于跟踪并获取人眼瞳孔的位置信息，并根据所述瞳孔位置信息调整所述子图像位置进而始终保持所述子图像与其对应的微透镜单元和人眼瞳孔处于同一条直线上；其中，所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离是可调节的。
优选地，每个所述微透镜单元为平凸透镜或双凸透镜。
优选地，所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离为2倍D1至3倍D1。
优选地，所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离为2.5倍D1。
优选地，所述图像处理单元根据所述微透镜单元的尺寸分割子图像，使得每个子图像的大小完全落在相对应的微透镜单元内部。
优选地，所述子图像的形状为正六边形或正方形。
优选地，所述眼球跟踪摄像头的数量为两个，分别跟踪人的左眼和右眼。
优选地，所述每个所述眼球跟踪摄像头分别位于所述近眼显示器的显示屏上边缘中心处并处于人眼的正前方位置上。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述任一所述的近眼显示器显示图像的方法，包括如下步骤：将原始图像分割为与所述微透镜阵列匹配的多个子图像呈现，其中每个子图像的大小完全落在相对应的微透镜单元内部；调节所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离，使得多个子图像彼此紧密拼接在一起形成完整图像而显示；当人眼眼球发生转动时，调整所述子图像的位置进而始终保持所述子图像与其对应的微透镜单元和人眼瞳孔处于同一条直线上。
根据本发明的近眼显示器，结构简单，易于调节，适合不同屈光度的用户佩戴使用。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出根据本发明的近眼显示器的主要结构图；
图2示出根据本发明的近眼显示器的显示图像的偏移方法示意图；
图3示意性示出根据本发明的近眼显示器的微透镜阵列布置方式图；
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。
本发明提供一种基于微透镜阵列的近眼显示器，可通过调节微透镜阵列与显示屏之间间距和图像的位置，使得在不同视力和视角的情况下人眼均可以看到完整的图像。
图1示出了根据本发明基于微透镜阵列的近眼显示器的第一实施方式。如图1所示，该近眼显示器100包括：面向人眼105显示的显示屏101、位于所述显示屏和人眼105之间的微透镜阵列102、眼球跟踪摄像头103以及图像处理单元103。
显示屏101，用于显示需要呈现的图像。根据本发明的一个实施例，如果用于单眼显示则具有一块显示屏，如果用于双眼显示则可具有两块显示屏。优选地，显示屏101显示的图像划分为多个形状和大小相同的间隔排列的子图像，每个子图像均对应微透镜阵列102中的一个微透镜单元102a。
微透镜阵列102，用于将显示屏显示的图像放大后投射到人眼105的视网膜上，然后通过人眼晶状体在视网膜上聚焦成为人眼105能够看清的近眼图像。微透镜阵列102包括多个形状结构相同的微透镜单元102a并呈阵列式排布。单个微透镜单元102a可以为平凸透镜或双凸透镜，其形状可以为圆形、矩形或正六边形等。
根据本发明的一个实施例，本发明所使用的微透镜当为圆形形状时，其直径D1约为5～10mm，如果为矩形或正六边形，其外接圆的直径约为5～10mm。这种大直径的微透镜的焦距较大，则其调节的范围也很大，起到了类似放大镜的作用。显示屏101与微透镜阵列102之间的距离D2约为2D1至3D1，优选为2.5倍D1，且距离D2可调，针对不同的人眼105屈光度均可通过调整距离D2使人眼观察到最清晰的图像。
眼球跟踪摄像头103，位于显示屏101的上边缘中心处并处于人眼的正前方位置上，用于跟踪并获取人眼105瞳孔的位置信息，例如通过获取人眼105当前的视线与观看正前方的视线之间的夹角来确定位置，或则获取人眼105瞳孔偏转的距离等信息来确定位置。同样地，用于单眼观看的近眼显示器102则只需一个眼球跟踪摄像头103。
图像处理单元104，用于处理和调节图像的显示方式，包括根据所述微透镜单元的尺寸，将原始图像分割为与所述微透镜阵列匹配的多个子图像呈现，以及通过眼球跟踪摄像头103获取人眼105的位置信息，并根据该位置信息对图像进行相关调整，具体分割和调整方法见下述实施例详述。
图2(a)-2(b)示出了本发明图像处理单元104根据眼球跟踪摄像头103拍摄的瞳孔位置信息来调节图像方法的实施例。如图2(a)所示，人眼105观看正前方显示屏101上呈现的图像，并选取显示屏101呈现图像的三个区域用以说明具体图像调节方法。三个子图像分别为第一子图像201、第二子图像202和第三子图像203。图2(a)中还示出了第一子图像201发出的光线穿过相对应的微透镜单元102a后发散的光线刚好覆盖了人眼105的瞳孔，此时人眼105的瞳孔、第一子图像201中心、对应微透镜单元102a处于一条直线上，人眼亦可通过微透镜阵列102清晰地观看到上述区域的图像，同样地第二子图像202和第三子图像203也具有上述性质。
如图2(b)所示，当人眼向右转动30度后，人眼105则看不清上述三个区域，特别是第一子图像201更是无法看到，从而影响人眼的视觉效果。所以第一子图像201、第二子图像202和第三子图像203也应发生相应偏移。为了使第一子图像201、第二子图像202和第三子图像203尽可能地被人眼观察到，应将第一子图像201、第二子图像202和第三子图像203向人眼105转动方向的反方向移动一定距离。图2(b)中还示出了第一子图像201发出的光线穿过原始对应的微透镜单元102a后发散光线刚好覆盖人眼105转动后的瞳孔，即第一子图像201、对应微透镜单元105、人眼105瞳孔均处于一条直线上，且其中第一子图像201的偏移的距离S1较大，第二子图像202和第三子图像203的偏移距离S2和S3较小，从而保证第一子图像201、第二子图像202和第三子图像203对应像素的光线能够进入人眼105。以上显示图像的移动操作均通过图像处理单元104和眼球跟踪摄像头103配合完成。
下面介绍图像处理单元104将原始图像分割为与所述微透镜阵列102匹配的多个子图像呈现以及拼接的方法。当微透镜阵列102中微透镜单元102a所采用的形状不同时，图像处理单元104将原始图像分割的子图像的形状可以是不同的，且图像拼接的方法也可以相应地不同。如图3(a)-3(d)所示，分别列举了三种不同的微透镜单元的形状，其中图3(a)和图3(b)为圆形微透镜单元301、图3(c)为正六边形微透镜单元302、图3(d)为矩形微透镜单元305。
如图3(a)和图3(b)所示，圆形微透镜单元301的排列方式不同，其中图3(a)中为圆形微透镜单元301为交错紧密排列，即彼此相邻三个圆形微透镜单元301的中心连线构成一等边三角形，其对应的图像显示区域302为正六边形。具体地，图像处理单元104将原始图像分割为多个正六边形的子图像，每个子图像分别在图像显示区域302中显示，且分割时需满足每个子图像的大小完全落在微透镜单元301内部。例如，可以是圆形微透镜单元301的圆内接六边形甚至更小。通过调节所述显示屏101与所述微透镜阵列102之间的距离，使得图像显示区域302中的子图像经过圆形微透镜阵列301放大后，呈现出多个图像显示区域302’彼此紧密拼接在一起的完整图像，从而使得人眼105观察到的是该完整的图像。
根据本发明的另一实施例，图3(b)中所示的圆形微透镜单元301为平行紧密排列，即彼此相邻的四个圆形微透镜单元301的中心连线构成一正方形，其对应的图像显示区域303为正方形。具体地，图像处理单元104将原始图像分割为多个正方形的子图像，每个子图像分别在图像显示区域303中显示，且分割时需满足每个子图像的大小完全落在微透镜单元301内部。例如，可以是圆形微透镜单元301的圆内接正方形甚至更小。图像显示区域303中的子图像经过圆形微透镜阵列301放大后，呈现出多个图像显示区域303’彼此紧密拼接在一起的完整图像，从而使得人眼105观察到的是该完整的图像。
根据本发明的另一实施例，如图3(c)和图3(d)所示，正六边形微透镜单元304和矩形微透镜单元306对应的子图像的形状也均与自身形状相同，正六边形微透镜单元304对应的图像显示区域305为正六边形，矩形微透镜单元306对应的图像显示区域307为矩形。上述两种形状的微透镜单元304和306可以紧密的排列在一起，彼此之间不存在任何间隙，提高了单位面积的使用效率。
最后，使用者首次使用本发明近眼显示器时，需要对使用者视力(屈光度)进行相应的初始化设定，该视力设定方法即通过调整微透镜阵列102与显示屏之间的间距，比如向显示屏方向移动微透镜阵列102即缩短间距、向人眼方向移动微透镜阵列102即加大了间距，直至使用者清晰地观看到显示屏上显示的参考图像，从而完成使用者首次使用时的视力设定，以后即可直接使用无需重新设定。该初始化方法具有操作简单、精确度高等优点。
根据本发明的近眼显示器，结构简单，易于调节，适合不同屈光度的用户佩戴使用。
所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于微透镜阵列的近眼显示器，包括：面向人眼显示图像的显示屏、位于所述显示屏和人眼之间的微透镜阵列、眼球跟踪摄像头以及图像处理单元，其中，
所述微透镜阵列用于将显示屏显示的图像放大后投射到人眼的视网膜上，所述微透镜阵列包括多个形状结构相同的微透镜单元并呈阵列式排布，每个所述微透镜单元形状选自圆形、矩形或正六边形，当所述微透镜单元为圆形形状时，其直径D1为3～10mm，如果为矩形或正六边形，其外接圆的直径D1为3～10mm；
所述显示屏显示的图像划分为多个形状和大小相同的间隔排列的子图像，每个子图像均对应所述微透镜阵列中的一个所述微透镜单元；
所述图像处理单元，用于将原始图像分割为与所述微透镜阵列匹配的多个子图像呈现，以及通过眼球跟踪摄像头获取的人眼位置信息对所述图像进行调整；
眼球跟踪摄像头，用于跟踪并获取人眼瞳孔的位置信息，并根据所述瞳孔位置信息调整所述子图像位置进而始终保持所述子图像与其对应的微透镜单元和人眼瞳孔处于同一条直线上；
所述图像处理单元根据所述微透镜单元的尺寸分割子图像，使得每个子图像的大小完全落在相对应的微透镜单元内部；
所述子图像的形状为正六边形或正方形；
其中，所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离是可调节的。
2.如权利要求1所述的近眼显示器，其中每个所述微透镜单元为平凸透镜或双凸透镜。
3.如权利要求1所述的近眼显示器，其中所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离为2倍D1至3倍D1。
4.如权利要求3所述的近眼显示器，其中所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离为2.5倍D1。
5.如权利要求1所述的近眼显示器，其中所述眼球跟踪摄像头的数量为两个，分别跟踪人的左眼和右眼。
6.如权利要求5所述的近眼显示器，其中所述每个所述眼球跟踪摄像头分别位于所述近眼显示器的显示屏上边缘中心处并处于人眼的正前方位置上。
7.一种使用如上述权利要求1-6中任一所述的近眼显示器显示图像的方法，包括如下步骤：
将原始图像分割为与所述微透镜阵列匹配的多个子图像呈现，其中每个子图像的大小完全落在相对应的微透镜单元内部；
调节所述显示屏与所述微透镜阵列之间的距离，使得多个子图像彼此紧密拼接在一起形成完整图像而显示；
当人眼眼球发生转动时，调整所述子图像的位置进而始终保持所述子图像与其对应的微透镜单元和人眼瞳孔处于同一条直线上。
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Assignee: Google Inc.

Assignor: BEIJING ANTVR TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024990000126

Denomination of invention: Near Eye Display Based on Microlens Array

Granted publication date: 20180330

License type: Common License

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