CN205787364U - 近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种近眼显示设备，包括照明模块及光调制元件：照明模块用于输出图像；光调制元件用于对图像进行集成成像，以显示三维虚拟图像。近眼显示设备可包括用于虚拟现实的近眼显示设备，该近眼显示设备利用集成成像显示的原理使得呈现在人眼的是自然的三维物体，解决了长期观看三维立体图像带来的视觉疲劳问题，对于需要长期佩戴此设备的应用场景尤为重要。

Description

近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及终端设备的技术领域，具体而言，本实用新型涉及一种近眼显示设备。

背景技术

AR(Augmented Reality，增强现实)显示设备可以在真实场景中叠加虚拟的物体，其将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，即将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

现有的一种显示技术是提供了一种能够提高光效率和观看视角的显示装置。如图1所示，该装置包括：照明模块、第一偏振分光器、偏振旋转器、和末端反射镜。其中，照明模块206包括：显示面板250、散射表面255、第二偏振分光器、光源、会聚透镜240。光源的光通过会聚透镜射向第二偏振分光器，S偏振态的光被第二偏振分光器反射到显示面板250，经显示面板250反射后变成P偏振态的光，P偏振态的光通过第二偏振分光器、第一偏振分光器和偏振旋转器透射到末端反射镜，然后，末端反射镜将光反射回来，经过偏振旋转器，光变成S偏振态的光，S偏振态的光通过第一偏振分光器反射到人眼，形成3D图像。光源的光通过会聚透镜射向第二偏振分光器时，P偏振态的光被第二偏振分光器透射到散射表面255，散射表面将这部分的光散射掉。在该方案中，可通过偏振分光镜提高光效率，且通过凹反射镜来提高观看的视角。但是，该显示装置不能显示自然三维物体，导致观看立体图像的时候会造成人眼的视觉疲劳；因此，长期佩戴此种显示设备造成不利于人眼健康，用户的佩戴体验较差。

综上所述，现有的相关显示设备存在在显示三维虚拟物体时容易造成人眼视觉疲劳的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是在显示三维虚拟物体时容易造成人眼视觉疲劳的问题。

本实用新型提供了一种用于增强现实的显示设备，包括照明模块及光调制元件：

照明模块用于输出图像；

光调制元件用于对所述图像进行集成成像，以显示三维虚拟图像。

其中，光调制元件包括微透镜阵列或微孔阵列；微透镜阵列或微孔阵列可以为曲面的微透镜阵列或曲面的微孔阵列。光调制元件可以包括由液晶元件构成动态的微透镜阵列或微孔阵列。

优选地，照明模块包括至少两个显示面板及分光器件：

具体地，至少两个显示面板位于分光器件的两侧，且与分光器件成预定角度；

其中，显示面板用于显示图像，分光器件用于传导显示面板显示的图像。

优选地，至少两个显示面板与分光器件成45度角度。

可选地，当显示面板为非自发光面板时，照明模块还包括光源及会聚镜：

会聚镜位于光源与显示面板之间，光源发射的光线通过会聚镜对显示面板进行照明。

优选地，分光器件为偏振分光器件：偏振分光器件反射来自光源的通过会聚镜准直后的第一种偏振方向分量的光，且透射与其正交的第二种偏振方向分量的光，透射和反射的偏振方向的光用于非自发光面板的照明。

可选地，当显示面板为自发光面板时，分光器件透射和反射来自自发光面板的光。

可选地，当显示面板为单色自发光面板时，分光器件为带通彩色分光器件：带通彩色分光器件反射来自单色自发光面板的且与其相同颜色的光，并透射其他颜色的光。

优选地，至少两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，且每个显示面板显示的图像在水平和垂直方向交错预定比例个像素。

更优选地，当显示面板的个数为n个时，n个显示面板以大于n×30Hz的频率来切换显示图像，且每个显示面板显示的图像在水平和垂直方向交错1/n个像素。

优选地，光调制元件位于照明模块中与各个显示面板第一预定距离的位置处。

优选地，显示设备还包括光传导单元，光传导单元包括至少一个透镜；光传导单元将显示面板显示的图像传导到至所述光调制元件预定距离的位置处，以用于所述光调制元件进行集成成像。

可选地，光传导单元包括两个透镜时，至少一个显示面板位于一个透镜的一倍焦距处，两个透镜之间的距离为两倍焦距；光调制元件位于图像通过光传导单元传导后成像位置的第二预定距离处。

可选地，光传导单元包括一个透镜时，至少一个显示面板位于该透镜的两倍焦距处；光调制元件位于图像通过光传导单元传导后成像位置的第三预定距离处。

优选地，还包括反光元件：反光元件位于照明模块的光路方向上，将三维虚拟图像导向人眼。

其中，反光元件包括反光镜或分光镜。

优选地，当近眼显示设备为用于增强现实的近眼显示设备时，近眼显示设备还包括校正模块，反光元件为分光镜；

分光镜将三维虚拟图像及外界真实图像的光线分为两路，分别导向人眼及所述校正模块；

校正模块，用于基于所述分光镜传导的三维虚拟图像及外界真实图像对三维虚拟图像进行校正处理，并将校正后得到三维虚拟图像通过照明模块进行显示。

优选地，校正模块包括：

图像捕获单元，用于获取来自分光镜的三维虚拟图像及外界真实图像；

校正单元，用于对三维虚拟图像及外界真实图像进行分析，并根据分析结果对三维虚拟图像进行校正；

图像渲染单元，用于对校正后得到三维虚拟图像进行渲染。

更优选地，校正模块还包括：

光源控制单元，用于根据校正后得到三维虚拟图像对光源发射光线的亮度进行调节。

本实用新型提供了一种近眼显示设备，例如，该近眼显示设备可以为用于虚拟现实的近眼显示设备，该近眼显示设备利用集成成像显示的原理使得呈现在人眼的是自然的三维物体，解决了长期观看三维立体图像带来的视觉疲劳问题，对于需要长期佩戴此设备的应用场景尤为重要；进一步地，如近眼显示设备为用于增强现实的近眼显示设备，该近眼显示设备可以实时根据获取到的外界真实图像和三维虚拟图像的匹配情况实时校正调整及渲染三维虚拟图像，完善了近眼显示设备的功能。更进一步地，该近眼显示设备可利用多显示屏复用的方法提高显示质量；同时利用偏振分光镜提高光效率。同时，本实用新型提出的上述方案，对现有***的改动很小，不会影响***的兼容性，而且实现简单、高效。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型中一种现有显示技术的装置结构示意图；

图2示出了本实用新型中第一实施例的用于虚拟现实的显示设备的设备示意图；

图3示出了本实用新型中一个用于增强现实的显示设备的设备示意图；

图4为本实用新型中另一用于增强现实的显示设备的设备示意图；

图5a示出了本实用新型中照明模块的第一实施方式的结构示意图；

图5b示出了本实用新型中照明模块的第二实施方式的结构示意图；

图5c示出了本实用新型中照明模块的第三实施方式的结构示意图；

图5d示出了本实用新型中照明模块的第四实施方式的结构示意图；

图6a示出了本实用新型中光传导单元的第一实施方式的结构示意图；

图6b示出了本实用新型中光传导单元的第二实施方式的结构示意图；

图7示出了本实用新型中平面透镜阵列的结构示意图；

图8示出了本实用新型中曲面透镜阵列的结构示意图；

图9示出了本实用新型中微孔阵列的结构示意图；

图10示出了人眼观看二维图像时的示意图；

图11示出了人眼观看普通三维图像时的示意图；

图12示出了本实用新型中人眼观看集成成像显示时的示意图；

图13示出了本实用新型中双目近眼光场显示示意图；

图14示出了本实用新型中第二实施例的用于增强现实的显示设备；

图15示出了本实用新型中第三实施例的用于增强现实的显示设备；

图16示出了本实用新型中第四实施例的用于虚拟现实的显示设备；

图17示出了本实用新型一个实施例的三维增强现实的流程示意图；

图18为本实用新型一个优选实施例的三维增强现实引擎的流程示意图；

图19为本实用新型一个优选实施例的三维光场渲染的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。需要说明的是，本实用新型的近眼显示设备包括虚拟现实的显示设备或增强现实的显示设备。

本实用新型的一个实施例中，显示设备包括照明模块及光调制元件；其中，照明模块输出图像；光调制元件对图像进行集成成像，以显示三维虚拟图像。本实施例中，利用集成成像显示的原理使得呈现在人眼的是自然的三维物体，解决了长期观看三维立体图像带来的视觉疲劳问题。

优选地，该显示设备还包括反光元件：反光元件位于照明模块的光路方向上，将光调制元件显示的三维虚拟图像导向人眼。其中，反光元件包括反光镜或分光镜。

图2示出了本实用新型中第一实施例的用于虚拟现实的显示设备，显示设备包括照明模块、光调制元件及反光镜。本实施例中，光调制元件将显示面板显示的图像处理为三维虚拟图像的虚拟物体光场，通过分光镜将三维虚拟图像投射到人眼。通过本实施例，人眼能观察到虚拟三维物体，从而实现虚拟现实的显示。

优选地，光调制元件位于照明模块中与各个显示面板第一预定距离的位置处。

需要说明的是，图2所示的用于虚拟现实的显示设备的结构可用于增强现实的显示设备。此时，分光元件可以为分光镜。

优选地，近眼显示设备还包括光传导单元，光传导单元包括至少一个透镜；光传导单元将显示面板显示的图像传导到至光调制元件预定距离的位置处，以用于光调制元件进行集成成像。优选地，如图3所示，当近眼显示设备为用于增强现实的显示设备时，显示设备还包括校正模块，反光元件为分光镜；

分光镜将三维虚拟图像及外界真实图像的光线分为两路，分别导向人眼及所述校正模块；

校正模块基于分光镜传导的三维虚拟图像及外界真实图像对三维虚拟图像进行校正处理，并将校正后得到三维虚拟图像通过照明模块进行显示。

优选地，如图4所示，校正模块包括图像捕获单元、校正单元和图像渲染单元；图像捕获单元可以为摄像头。

图像捕获单元获取来自分光镜的三维虚拟图像及外界真实图像；校正单元对三维虚拟图像及外界真实图像进行分析，并根据分析结果对三维虚拟图像进行校正；图像渲染单元对校正后得到三维虚拟图像进行渲染。

在将图3用于增强现实的显示设备中的分光镜改为反光镜，或在将及图4中的分光镜改为反光镜且去除图像捕获单元之后，用于增强现实的显示设备可变更为用于虚拟现实的显示设备。

更优选地，校正模块还包括光源控制单元；光源控制单元根据校正后得到三维虚拟图像对光源发射光线的亮度进行调节。例如，当显示面板是自发光显示面板时，显示面板显示的图像通过分光器件传递给光传导单元，光传导单元将显示面板显示的图像成像在与光调制元件预定距离的位置，从而构成集成成像显示的三维虚拟图像。显示的虚拟物体光场通过分光镜分别进入人眼和图像捕获单元。人眼和图像捕获单元能同时获取外界真实图像。图像捕获单元能够接收同人眼观察到的相同的图像内容，即三维虚拟图像和外界真实图像叠加的增强现实显示图像，通过校正单元三维虚拟图像进行校正，通过图像渲染单元对校正后的三维虚拟图像进行实时重新渲染，实现实时地对三维虚拟图像进行调整的目的。

又例如，当显示面板是非自发光显示面板时，光源发射的照明光通过分光器件照明显示面板，光传导单元将显示面板显示的图像成像在与光调制元件第二预定距离的位置，从而构成集成成像显示。光调制元件将显示面板显示的图像处理为集成成像显示的三维虚拟图像，三维虚拟图像的虚拟物体光场通过分光镜分别进入人眼和图像捕获单元。人眼和图像捕获单元能同时获取外界真实图像。图像捕获单元能够接收同人眼观察到的相同的图像内容，即三维虚拟图像和外界真实图像叠加的增强现实显示图像，通过校正单元三维虚拟图像进行校正，通过图像渲染单元对校正后的三维虚拟图像进行实时重新渲染，实现实时地对三维虚拟图像进行调整的目的。

下面分别对第一实施例的各组成部分的实现方式进行说明。

一、照明模块

照明模块包括至少两个显示面板及分光器件；至少两个显示面板位于分光器件的两侧，且与分光器件成预定角度；优选地，至少两个显示面板与分光器件成45度角度。

其中，显示面板显示图像，分光器件传导显示面板显示的图像。

可选地，当显示面板为非自发光面板时，照明模块还包括光源及会聚镜：会聚镜位于光源与显示面板之间，光源发射的光线通过会聚镜对显示面板进行照明。

可选地，当显示面板为自发光面板时，如，OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机发光二极管)显示面板，照明模块不需要有附加的光源，分光器件透射和反射来自自发光面板的光。

可选地，当显示面板为单色自发光面板时，分光器件为带通彩色分光器件：带通彩色分光器件反射来自单色自发光面板的且与其相同颜色的光，并透射其他颜色的光。

优选地，至少两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，且每个显示面板显示的图像在水平和垂直方向交错预定比例个像素。例如，通过两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，且每个显示面板的图像在水平和垂直方向交错1/2个像素，则可将分辨率提高一倍。

更优选地，当显示面板的个数为n个时，n个显示面板以大于n×30Hz的频率来切换显示图像，且每个显示面板显示的图像在水平和垂直方向交错1/n个像素。例如，n个显示面板以n×60Hz的频率来切换显示图像，从而使人眼感觉不到闪烁。

本实施例中的照明模块包括任一实现方案：

方案一：照明模块使用了多块显示面板，多块显示面板放置于分光器件四周，而且与分光器件成预定角度，例如，成45度角。如图5a所示，显示面板可以是两块，分光器件可以是偏振分光镜。偏振分光器件反射来自光源的通过会聚镜准直后的第一种偏振方向分量的光，且透射与其正交的第二种偏振方向分量的光，透射和反射的偏振方向的光用于非自发光面板的照明。

光源的照明光通过会聚镜后，准直为平行光，与偏振分光镜成45度角射向偏振分光镜。偏振分光镜将照明光中第一偏振态的光反射到显示面板1，为显示面板1提供照明光，将第二偏振态的光透射到显示面板2，为显示面板2提供照明光。第一偏振态的光经过显示面板1反射后变为第二偏振态的光，携带显示图像信息，例如，显示面板1显示的图像，经过偏振分光镜透射出去。第二偏振态的光经过显示面板2反射后变成第一偏振态的光，携带显示图像信息，例如，显示面板2显示的图像，经过偏振分光镜反射出去。

本实施例中，通过使用两块显示面板和偏振分光镜，来自光源的照明光不会被反射回光源位置或者被散射掉，所有光都用于照射显示面板并提供给后续光路，从而有效地提高了照明光的利用效率，比现有技术中使用散射膜散射部分照明光的方法减少了光的损失，降低了能耗，可以有效地提高设备电池的续航时间。

两块显示面板时分复用的方法具体如下，利用两块显示面板显示图像内容，两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，预定刷新频率远超过人眼能分辨的刷新频率，例如，预定刷新频率大于2×30Hz＝60Hz，同时显示的图像在水平和垂直方向都交错半个显示面板的像素距离，这样人眼在合成时，显示图像的分辨率就会增大两倍。n块显示面板时分复用的方法原理同两块显示面板时分复用的方法相似，每块面板的预定刷新频率大于n×30Hz，且每块显示面板的图像在水平和垂直方向交错1/n个像素，由此图像分辨率将提高n倍。

本方案中，一方面采用多块显示面板时分复用的方法来提高显示图像的分辨率，可提供良好的显示质量，另一方面也充分利用了照明光，提高了照明光的利用效率。

方案二：照明模块使用多块显示面板，多块显示面板放置于分光器件四周，而且与分光器件成45度角。分光器件不使用偏振分光镜，仅使用普通分光镜，如图5b所示，此处显示面板可以是两块，分光器件可以是普通分光镜。

光源的照明光通过会聚镜后，准直成为平行光，与分光镜成45度角射向分光镜。一部分光被反射到显示面板1，为显示面板1提供照明光，另一部分光透射到显示面板2，为显示面板2提供照明光。照明光经过显示面板1反射，携带图像的显示图像信息，经过分光镜透射，进入光传导单元；另一部分照明光经过显示面板2反射，携带图像的显示图像信息，进过分光镜反射，进入光传导单元。由此，显示图像的分辨率如同以上方案一中采用时分复用的方法将得到提高，但是照明光的利用效率会低于以上方案一。

方案三：照明模块使用了多块OLED面板，多块OLED面板放置于分光器件四周，而且与分光器件成45度角。如图5c所示，采用两块OLED面板，分光元件采用普通的分光镜。

两块OLED面板所发出的携带图像的显示图像信息的光分别被分光镜反射和透射，进入光传导单元。使用一个散射面将由OLED面板发出的经过分光镜反射和透射到散射面上而没有利用的光进行了散射，使其不会进入传导光路，避免了对显示图像的造成背景噪声的影响。

本实施方式通过采用两个OLED面板，提高了显示设备的分辨率。

方案四：照明模块使用了三块单色OLED面板，如红、绿、蓝OLED面板，三块单色OLED面板放置于分光元件四周，而且都与分光元件成45度角。如图5d所示，三块单色OLED面板分别发出红、绿、蓝三色光，分光器件采用了带通的绿色和蓝色彩色分光镜，分别对绿色和蓝色光进行反射，并透射其他颜色的光。

三种单色OLED面板所发出的单色图像经过融合，形成彩色图像，进入光传导单元。三块单色OLED面板显示的单色图像融合形成的彩色图像分辨率得到提升，理论上分辨率相对单块显示面板而言提升3倍。由于使用了彩色分光元件，光的利用效率能得到提高，能进一步降低设备能耗。

二、光传导单元

本实施例中的光传导单元可以包括以下方案之一。方案一：当光传导单元包括两个透镜时，至少一个显示面板位于一个透镜的一倍焦距处，两个透镜之间的距离为两倍焦距；光调制元件位于图像通过光传导单元传导后成像位置的第二预定距离处。即可以为2个透镜组成的4f光学***，显示面板位于前一个透镜的1倍焦距处，2个透镜之间的距离为2倍焦距，成像面位于后一个透镜的1倍焦距处，如图6a所示。

例如，当显示面板是自发光显示面板时，显示面板显示的图像通过分光器件传递给光传导单元，显示面板是非自发光显示面板时，照明光通过分光器件照明显示面板；光传导单元将显示面板显示的图像成像在光调制元件的第二预定距离的位置处，从而构成集成成像显示的三维虚拟图像。即光调制元件将显示面板显示的图像处理为三维虚拟图像的虚拟物体光场，投射到人眼。本实施例中，光传导单元将显示面板的图像成像到光调制元件附近，使得显示面板和光调制元件组成了一个集成成像显示装置。此结构使得整个***更为简单，避免了使用多个光调制元件，降低了成本，并且缩短了光调制元件和人眼的距离，有利于提高的用户的可视角度。

同时，多个显示面板可采用时分复用的方式来提高集成成像显示的分辨率，具体实施方式如前所述。集成成像显示内容通过分光镜分别为人眼和摄像头所捕获，外界真实场景图像同时也能被人眼和摄像头所捕获，实现了显示虚拟物体和真实场景叠加的增强现实显示。

方案二：当光传导单元包括一个透镜时，至少一个显示面板位于该透镜的两倍焦距处；光调制元件位于图像通过光传导单元传导后成像位置的第三预定距离处。例如，由1个透镜组成。显示面板位于透镜的2倍焦距处，成像面也位于透镜2倍焦距处，与微透镜阵列靠近的位置，如图6b所示。

需要说明的是，本实施例中所示的用于增强现实的显示设备的结构可用于虚拟现实的显示设备，具体地，在将图6a和图6b中用于增强现实的显示设备中的分光镜改为反光镜后，用于增强现实的显示设备可变更为用于虚拟现实的显示设备。

三、光调制元件

方案一：光调制元件为微透镜阵列

通过光传导单元将显示面板显示的图像成像到微透镜阵列附近，形成了一个集成成像显示***。在集成成像显示中，显示面板上会显示很多元素图，每一个元素图通过对应的微透镜成像，在空间中形成一个三维物体光场，人眼通过捕获这个三维物体光场，就能感知一个真实的三维物体。

本实施例中，透镜阵列为平面透镜阵列。集成成像显示中的视角会受限于每一个元素图在显示面板上所能显示的区域。通常，每一个微透镜在显示面板上对应一个显示区域，为了防止图像的重叠，超出这个显示区域的显示内容将会被舍去，如图7所示，元素图不能在边缘透镜对应的显示区域完整显示，因此，对应的元素图的数量是有限的，在视角以外将不能观察到集成图像。

优选地，可将平面透镜阵列变为曲面透镜阵列来解决上述问题，曲面透镜阵列的边缘微透镜对应的显示区域将增大，能完整显示元素图，对应的元素图就能得到增加，故视场角就会得到很大程度增大，如图8所示。

方案二：光调制元件为微孔阵列

本实用新型中，微透镜阵列可以使用微孔阵列替代，如图9所示，形成集成成像显示***。

微孔阵列和微透镜阵列都具有使得特定位置的光线沿着特定的方向传导的作用。本实用新型中的微透镜阵列和微孔阵列可以为由液晶元件构成的动态的液晶透镜或者液晶微孔阵列，这样通过控制液晶元件使得部分或者全部区域的微透镜阵列或者微孔阵列具有折光效果或者没有折光效果，没有折光效果时可成为透明元件，从而可以实现二维、三维显示的切换，或者二维和三维物体的混合显示。

在增强现实的头戴显示设备中，显示平面二维物体已经不能满足人们的需求。如果需要显示三维物体，可以通过佩戴于双目，分别投射两幅有视差的图像，形成立体视觉。在现有的三维立体显示中，都是在左右眼对应的屏幕上显示有视差的图像，这样的图像通过人脑的处理会形成三维立体视觉。但是，这种方式会造成人眼焦点调节和汇聚调节的矛盾，长期佩戴会使眼睛感到疲劳。如图10所示，在观看屏幕上一个二维物体的时候，每只眼睛的聚焦距离和汇聚距离是一致的，因此长时间观看不会造成人眼的疲劳；但是在观看三维物体的情况下，由于两眼观看的是有视差的图像，为了观看到清晰的图像，人眼会调节眼睛从而聚焦于屏幕，但是由于视差，人脑会处理图像使得三维图像与屏幕有一定的距离，聚焦距离和汇聚距离不一致，如图11所示。此时，人眼的调节会让双眼汇聚于这个三维图像的位置，由于眼睛的焦点调节在显示屏幕上，而眼睛的汇聚却聚焦于空间像点，双眼在这两者之间不断的平衡调节、自适应，因此，长期佩戴这种增强现实的显示设备会造成人眼视觉疲劳。

本实用新型中，集成成像显示通过微透镜阵列或者微孔阵列，使得重建的三维物体是由空间上许多点光源组成，这些点光源是由显示于显示面板上的图像通过微透镜阵列的折光作用会聚而成，这些点光源组成了一个三维空间上真实存在的物体光场分布，就如同人眼观看到一个真实的物体，如图12所示。集成成像显示使得人眼的焦点和汇聚完全匹配，不会带来因为长期佩戴设备而产生的视觉疲劳问题。本实用新型使用了集成成像显示的原理，使得每只眼睛所观看到的三维物体都是由真实的三维物体光场所组成，就如同人眼观看外界的真实场景一样，因此会获得自然的三维显示，缓解焦点与汇聚调节的矛盾，避免了因佩戴显示设备而产生的视觉疲劳，从而有益于观看者的眼部健康。

将本实用新型用于双目近眼光场显示的情形如图13所示，由于在一定景深范围内提供了连续的汇聚调节，此双目显示可以解决普通双目立体显示中焦点调节与汇聚调节矛盾的问题。需要说明的是，在将图13中用于增强现实的显示设备中的分光镜改为反光镜，且去除摄像头后，用于增强现实的显示设备可变更为用于虚拟现实的显示设备。

需要说明的是，本实用新型中第一实施例所示的近眼显示设备的结构可用于增强现实的显示设备及用于虚拟现实的显示设备。

图14示出了本实用新型中第二实施例的用于增强现实的显示设备，该显示设备包括照明模块、光传导单元以及光调制元件，其中，光调制元件包括微透镜阵列或者微孔阵列。

其中，照明模块包括：至少两个显示面板和分光器件，分光器件包括偏振分光镜。

当显示面板是自发光显示面板时，例如，显示面板为OLED显示面板，照明模块不需要有附加的光源。当显示面板是非自发光显示面板时，照明模块还可以包括：光源和会聚镜。

当显示面板是自发光显示面板时，光调制元件布置在照明模块中与各个显示面板的第一预定距离的位置处，以形成集成成像显示。光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，并通过光传导单元传导，即通过中继光学***传导，投射到人眼。通过本实施例，人眼能观察到叠加到真实场景中的虚拟三维物体，从而实现增强现实的显示。

当显示面板是非自发光显示面板时，照明光通过分光器件照明显示面板，光调制元件直接位于照明模块中与各个显示面板的第一预定距离的位置处，以形成集成成像显示。光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，并通过光传导单元传导，即通过中继光学***传导，投射到人眼。通过本实施例，人眼能观察到叠加到真实场景中的虚拟三维物体，从而实现增强现实的显示。

在该实施例中，两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，预定刷新频率远超过人眼能分辨的刷新频率，同时显示的图像在水平和垂直方向都交错半个显示面板的像素距离，即利用显示面板时分复用的方法来提高分辨率。例如，两个显示面板的像素位置错开半个像素，则分辨率可以提高一倍。

该设备还包括校正模块，其中，该校正模块包括：图像捕获单元，如摄像头、分光镜、校正单元、图像渲染单元和光源控制单元。

当显示面板是自发光显示面板时，光调制元件直接在照明模块中与显示面板第一预定距离的位置处形成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，并通过光传导单元传导，虚拟物体光场通过分光镜分别进入人眼和图像捕获单元。人眼和图像捕获单元能同时获取外界真实场景图像。图像捕获单元能够接收同人眼观察到的相同的图像内容，即三维虚拟图像及外界真实图像叠加生成增强现实显示图像，通过校正单元对三维虚拟图像进行校正，通过图像渲染单元对校正后的三维虚拟图像进行实时重新渲染，实现实时地对显示的虚拟物体进行调整的目的。

当显示面板是非自发光显示面板时，照明光通过分光器件照明显示面板，光调制元件直接位于照明单元中与显示面板第一预定距离的位置处形成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为三维虚拟图像的虚拟物体光场，并通过光传导单元传导，虚拟物体光场通过分光镜分别进入人眼和图像捕获单元。人眼和图像捕获单元能同时获取外界真实场景图像。图像捕获单元能够接收同人眼观察到的相同的图像内容，即三维虚拟图像及外界真实图像叠加生成增强现实显示图像，通过校正单元对三维虚拟图像进行校正，通过图像渲染单元对校正后的三维虚拟图像进行实时重新渲染，实现实时地对显示的虚拟物体进行调整的目的。

本实用新型的第二实施例中的照明模块的实现方案可以采用以上本实用新型的第一实施例中照明模块的各种实现方案。

本实用新型的第二实施例中的光传导单元的实现方案可以采用以上本实用新型的第一实施例中光传导单元的各种实现方案。

需要说明的是，本实用新型中第二实施例所示的用于增强现实的显示设备的结构可用于虚拟现实的显示设备，具体地，在将图14中用于增强现实的显示设备中的分光镜改为反光镜，且去除摄像头之后，用于增强现实的显示设备可变更为用于虚拟现实的显示设备。

图15示出了本实用新型中第三实施例的用于虚拟现实的显示设备。该设备包括：照明模块以及光调制元件，其中，光调制元件包括微透镜阵列或者微孔阵列。

其中，照明模块包括：至少两个显示面板和分光器件；分光器件包括偏振分光镜。

当显示面板是自发光显示面板时，例如，显示面板为OLED显示面板，照明模块不需要附加的光源。当显示面板是非自发光显示面板时，照明模块还包括：光源和会聚镜。

当显示面板是自发光显示面板时，光调制元件在照明模块中与显示面板第一预定距离的位置处，以形成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，进而投射到人眼。通过本实施例，人眼能观察到叠加到真实场景中的虚拟三维物体，从而实现增强现实的显示。

当显示面板是非自发光显示面板时，照明光通过分光器件照明显示面板，光调制元件在照明模块中与显示面板第一预定距离的位置处，以形成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，进而投射到人眼。通过本实施例，人眼能观察到叠加到真实场景中的虚拟三维物体，从而实现增强现实的显示。

在该实施例中，两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，预定刷新频率远超过人眼能分辨的刷新频率，同时显示的图像在水平和垂直方向都交错半个显示面板的像素距离，即利用显示面板时分复用的方法来提高分辨率。例如，两个显示面板的像素位置错开半个像素，则分辨率可以提高一倍。

对比以上本实用新型的第一实施例和第二实施例，此实施例省去了光传导单元，使得设备更为紧凑，可用于某些对空间尺寸有限制的情况。

该显示设备还包括校正模块，其中，校正模块包括：图像捕获单元，如摄像头、分光镜、校正单元、图像渲染单元和光源控制单元。

当显示面板是自发光显示面板时，光调制元件位于照明模块中与显示面板第一预定距离的位置处，以形成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为三维虚拟图像的虚拟物体光场，虚拟物体光场通过分光镜分别进入人眼和图像捕获单元。人眼和图像捕获单元能同时获取外界真实场景图像。图像捕获单元能够接收同人眼观察到的相同的图像内容，即三维虚拟图像及外界真实图像叠加生成增强现实显示图像，通过校正单元对三维虚拟图像进行校正，通过图像渲染单元对校正后的三维虚拟图像进行实时重新渲染，实现实时地对显示的虚拟物体进行调整的目的。

当显示面板是非自发光显示面板时，照明光通过分光器件照明显示面板，光调制元件直接位于照明模块中与显示面板第一预定距离的位置处，以形成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为三维虚拟图像的虚拟物体光场，虚拟物体光场通过分光镜分别进入人眼和图像捕获单元。人眼和图像捕获单元能同时获取外界真实场景图像。图像捕获单元能够接收同人眼观察到的相同的图像内容，即三维虚拟图像及外界真实图像叠加生成增强现实显示图像，通过校正单元对三维虚拟图像进行校正，通过图像渲染单元对校正后的三维虚拟图像进行实时重新渲染，实现实时地对显示的虚拟物体进行调整的目的。

本实用新型第三实施例中的照明模块的方案可以采用以上本实用新型第一实施例中照明模块的各种方案。

需要说明的是，本实用新型中第三实施例所示的用于虚拟现实的显示设备的结构可用于增强现实的显示设备，具体地，在将图15中用于增强现实的显示设备中的分光镜改为反光镜，且去除摄像头之后，用于增强现实的显示设备可变更为用于虚拟现实的显示设备。

图16示出了本实用新型中第四实施例的用于虚拟现实的显示设备。该显示设备包括照明模块和光调制元件；可选地，当人眼的观看位置在照明模块出射光线的光路上时，无需其他元件；可选地，当人眼的观看位置与照明模块出射光线的光路成角度时，需要反射镜，图16示出了人眼的观看位置与照明模块出射光线的光路成90度时的设置方式；来自照明模块的图像通过光调制元件形成集成成像显示的三维虚拟图像；反射镜布置于照明模块的对端，将三维虚拟图像导向人眼。该显示设备还包括校正模块，校正模块包括：图像捕获单元、图像渲染单元和光源控制单元，图像捕获单元获取来自反射镜的三维虚拟图像；图像渲染单元对三维虚拟图像进行校正处理后进行渲染，并通过照明模块进行传导；光源控制单元根据校正后的三维虚拟图像对光源发射光线的亮度进行调节。

即在本实用新型上述三个实施例的基础上，去掉图像捕获单元以及图像校正单元，将分光镜改为反射镜，三维图像信息的虚拟物体光场将仅由人眼所捕获。以由第一实施例改造的方案为例叙述如下，第二实施例和第三实施例也可以通过相同改造得到类似的用于虚拟现实的显示设备。

如图16所示，该显示设备包括：照明模块、光传导单元以及光调制元件，其中，光调制元件包括微透镜阵列或者微孔阵列。

其中，照明模块包括：至少两个显示面板和分光器件，分光器件具体包括偏振分光镜。

当显示面板是自发光显示面板时，例如，显示面板为OLED显示面板，照明模块不需要有附加的光源。当显示面板是非自发光显示面板时，照明模块还包括：光源和会聚镜。

当显示面板是自发光显示面板时，显示面板显示的图像通过分光器件传递给光传导单元，光传导单元将显示面板显示的图像成像在与光调制元件的第二预定距离的位置处，从而构成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，投射到人眼。通过本实施例，人眼能观察到虚拟三维物体，从而实现虚拟现实的显示。

当显示面板是非自发光显示面板时，照明光通过光线分光器件照明显示面板，光传导单元将显示面板显示的图像成像在与光调制元件的第二预定距离的位置处，从而构成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，投射到人眼。通过本实施例，人眼能观察到虚拟三维物体，从而实现虚拟现实的显示。

在该实施例中，两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，预定刷新频率远超过人眼能分辨的刷新频率，同时显示的图像在水平和垂直方向都交错半个显示面板的像素距离，即利用显示面板时分复用的方法来提高分辨率。例如，两个显示面板的像素位置错开半个像素，则分辨率可以提高一倍。

该显示设备包括校正模块，校正模块包括：图像捕获单元、反射镜、图像渲染单元和光源控制单元。

当显示面板是自发光显示面板时，显示面板显示的图像通过分光器件传递给光传导单元，光传导单元将显示面板显示的图像成像在与光调制元件的第二预定距离的位置处，从而构成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为三维虚拟图像的虚拟物体光场，显示的虚拟物体光场通过反射镜进入人眼。通过图像渲染单元进行实时渲染，实现实时地对显示的虚拟物体进行调整的目的。

当显示面板是非自发光显示面板时，照明光通过光线分光器件照明显示面板，光传导单元将显示面板显示的图像成像在与光调制元件的第二预定距离的位置处，从而构成集成成像显示，光调制元件将显示面板显示的图像处理为虚拟物体光场，显示的虚拟物体光场通过分光镜进入人眼。通过图像渲染单元进行实时渲染，实现实时地对显示的虚拟物体进行调整的目的。本实用新型第四实施例中的照明模块的方案可以采用以上本实用新型第一实施例中照明模块的各种方案。

本实用新型第四实施例中的光传导单元的方案可以参照以上本实用新型第一实施例中光传导单元的各种方案。

在本实用新型的另一优选实施例中，详述了三维增强现实的基本绘制流程，如图17所示，图像捕获单元获取外界真实图像和三维虚拟图像的叠加图像；随后，将所捕获的图像输入处理单元中，对新的显著性物体进行检测，对原先的物体进行跟踪；然后对新的显著性物体进行识别；通过GPS和运动方向进行新的显著性物体的核实；然后为新的显著性物体产生三维虚拟图像模型，包括文字或者图像；根据跟踪数据实时调整三维虚拟图像的位置；并对原先物体的区域进行对比度计算；根据对比度调整三维虚拟图像的色彩、大小、形状；进而对所有的三维虚拟图像进行三维图像渲染；通过显示单元将所渲染的三维虚拟图像叠加到真实场景中。

图18为本实用新型一个优选实施例的三维增强现实引擎的流程示意图。用户可以根据需要选择合适的三维增强模式，三维增强模式包括前述基本绘制模式、智能视线跟踪模式或特定类别模式。在基本绘制模式下，场景中的所有显著物体都将被检测和识别，然后送入绘制模块进行自适应绘制。在智能视线跟踪模式下，***将识别当前用户的视线方向，根据视线方向确定场景中待增强的区域，然后检测识别这个区域的显著物体并进行自适应增强显示。在特定类别显示模式下，用户可以设定自己感兴趣的类别，比如场景中的酒店、电影院、银行、著名景点等，然后根据用户的选择检测场景中特定类别的内容并进行自适应增强现实。除了以上3种模式外，还可以设计出其他的增强模式。本实用新型提供了多种三维增强模式供用户选择使用。模式选择接口可以采用菜单选择或是快捷命令方式，如通过预定的快捷的语音命令来设定三维增强模式。

在本实用新型的另一优选实施例中，提供了三维光场的基本渲染流程。在实际应用中，需要两个上述近眼显示设备(也可以成为近眼光场显示器)工作，这两个近眼光场显示器分别对应AR显示器或VR显示器的左眼和右眼的显示器，分别用于显示左眼和右眼看到的图片，因此需要对两个近场显示器的渲染内容进行关联调整。在具体实现时，可以基于两个近眼光场显示器之间的间距对两个近眼光场显示器渲染内容的位置和角度进行调整。如图19所示，具有两个上述近眼光场显示器的显示设备确定需要叠加的三维模型信息，获取每个近眼光场显示器的参数，其中，获取的参数包括以下至少之一：每个二维面板像素间距、微透镜阵列间距、面板和微透镜间距等。该显示设备还获取左右眼近眼光场显示器的间距，以便和观看者的瞳距进行匹配。该显示设备根据左右两个近眼光场显示器的间距设置三维绘制引擎中左右两个虚拟相机的位置，将待绘制的三维模型放到三维绘制引擎中，分别根据每个近眼光场显示器的参数设置虚拟相机的参数，设置的参数包括分辨率和视场角等。然后，分别对左右两个虚拟相机，根据微透镜下像素分布绘制多角度的图像，分别对左右相机的多个角度的图像进行交织融合，生成两个元素图像阵列(elemental imagearray)，将交织融合后的左右两个元素图像阵列分别送到左右两个近眼光场显示器中进行显示。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (21)

1.一种近眼显示设备，包括照明模块及光调制元件：

照明模块用于输出图像；

光调制元件用于对所述图像进行集成成像，以显示三维虚拟图像。

2.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中，所述光调制元件包括微透镜阵列或微孔阵列。

3.根据权利要求2所述的近眼显示设备，其中，微透镜阵列或微孔阵列为曲面的微透镜阵列或曲面的微孔阵列。

4.根据权利要求2或3所述的近眼显示设备，其中，所述光调制元件包括由液晶元件构成动态的微透镜阵列或微孔阵列。

5.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中，所述照明模块包括至少两个显示面板及分光器件：

所述至少两个显示面板位于所述分光器件的两侧，且与所述分光器件成预定角度；

其中，所述显示面板用于显示图像，所述分光器件用于传导所述显示面板显示的图像。

6.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中，所述至少两个显示面板与所述分光器件成45度角度。

7.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中，当所述显示面板为非自发光面板时，所述照明模块还包括光源及会聚镜：

会聚镜位于光源与显示面板之间，所述光源发射的光线通过所述会聚镜对所述显示面板进行照明。

8.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其中，所述分光器件为偏振分光器件：

偏振分光器件反射来自所述光源的通过所述会聚镜准直后的第一种偏振方向分量的光，且透射与其正交的第二种偏振方向分 量的光，透射和反射的偏振方向的光用于非自发光面板的照明。

9.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中，当所述显示面板为自发光面板时，所述分光器件透射和反射来自自发光面板的光。

10.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中，当所述显示面板为单色自发光面板时，所述分光器件为带通彩色分光器件：

带通彩色分光器件反射来自单色自发光面板的且与其相同颜色的光，并透射其他颜色的光。

11.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中，所述至少两个显示面板以大于预定刷新频率来切换显示图像，且每个显示面板显示的图像在水平和垂直方向交错预定比例个像素。

12.根据权利要求11所述的近眼显示设备，其中，当显示面板的个数为n个时，n个显示面板以大于n×30Hz的频率来切换显示图像，且每个显示面板显示的图像在水平和垂直方向交错1/n个像素。

13.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中，所述光调制元件位于照明模块中与各个显示面板第一预定距离的位置处。

14.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中，所述显示设备还包括光传导单元，所述光传导单元包括至少一个透镜；所述光传导单元将显示面板显示的图像传导到至所述光调制元件预定距离的位置处，以用于所述光调制元件进行集成成像。

15.根据权利要求14所述的近眼显示设备，其中，所述光传导单元包括两个透镜时，至少一个显示面板位于一个透镜的一倍焦距处，两个透镜之间的距离为两倍焦距；所述光调制元件位于图像通过所述光传导单元传导后成像位置的第二预定距离处。

16.根据权利要求14所述的近眼显示设备，其中，所述光传导单元包括一个透镜时，至少一个显示面板位于该透镜的两倍焦距处；所述光调制元件位于图像通过所述光传导单元传导后成像位置的第三预定距离处。

17.根据权利要求1所述的近眼显示设备，还包括反光元件：

所述反光元件位于所述照明模块的光路方向上，将三维虚拟图像导向人眼。

18.根据权利要求17所述的近眼显示设备，所述反光元件包括反光镜或分光镜。

19.根据权利要求18所述的近眼显示设备，当所述近眼显示设备为用于增强现实的近眼显示设备时，所述近眼显示设备还包括校正模块，所述反光元件为分光镜；

分光镜将三维虚拟图像及外界真实图像的光线分为两路，分别导向人眼及所述校正模块；

校正模块，用于基于所述分光镜传导的三维虚拟图像及外界真实图像对三维虚拟图像进行校正处理，并将校正后得到三维虚拟图像通过所述照明模块进行显示。

20.根据权利要求19所述的近眼显示设备，所述校正模块包括：

图像捕获单元，用于获取来自所述分光镜的三维虚拟图像及外界真实图像；

校正单元，用于对三维虚拟图像及外界真实图像进行分析，并根据分析结果对三维虚拟图像进行校正；

图像渲染单元，用于对校正后得到三维虚拟图像进行渲染。

21.根据权利要求20所述的近眼显示设备，其中，所述校正模块还包括：

光源控制单元，用于根据校正后得到三维虚拟图像对所述光源发射光线的亮度进行调节。