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近眼显示装置及设备

文献发布时间:2023-06-19 16:09:34



技术领域

本申请涉及一种显示技术领域,尤其涉及一种近眼显示装置及设备。

背景技术

近年来,随着计算机科学的迅猛发展,基于近眼显示设备的虚拟现实(VirtualReality,VR)与增强现实(Augmented Reality,AR)等人机交互技术逐渐成为应用热点。根据交互方式的不同,VR近眼显示设备通过计算机生成一个虚拟环境,观看者可以观察、触摸虚拟环境中的事物并与之进行交互;而AR近眼显示设备生成的虚拟环境则叠加到现实世界中,观看者可以在看到虚拟环境的同时与现实世界进行交互,实现增强现实的目的。

近眼显示技术由于可以摆脱大而重的显示设备,将高度集成化的立体显示引擎和光学器件整合到可穿戴的近眼显示设备中,可以在穿戴者眼前重构出具有深度感的立体场景,被认为是最具期待的下一代显示技术。目前,近眼显示设备的主要技术挑战包括色差导致的成像不均、体积等。

发明内容

本申请实施例提供一种近眼显示装置及设备,以解决相关技术存在的问题,技术方案如下:

本申请实施例提供了一种近眼显示装置,包括:

光机系统,用于提供包含待显示图像信息的光束;

光束传输模块,位于光机系统的出光侧,用于将光束传输至显示位置进行显示;

光束传输模块包括:第一光束传输单元和依次设置的多个光束筛选单元;

第一光束传输单元用于传输光束,多个光束筛选单元用于从光束中筛选出多个目标波长范围的目标光波。

第二方面,本申请实施例提供了一种近眼显示设备,包括:存储器、以及本申请任一实施例提供的近眼显示装置;

存储器与近眼显示装置中的光机系统电连接;

存储器用于存储待显示图像,光机系统用于获取存储器中存储的待显示图像并提供包含该待显示图像信息的光束。

第三方面,本申请实施例提供了一种近眼显示设备,包括:通信模块、以及本申请任一实施例提供的近眼显示装置;

通信模块与近眼显示装置中的光机系统电连接;

通信模块用于接收来自其它设备的待显示图像并向光机系统传输,光机系统用于获取通信模块发送的待显示图像并提供包含该待显示图像信息的光束。

上述技术方案中的优点或有益效果至少包括:

本申请实施例提供的近眼显示装置及设备通过依次设置的多个光束筛选单元,可以从包含待显示图像信息的光束中依次筛选出多个目标波长范围的光波,进而可依次形成不同目标波长范围的图像显示,形成不同目标波长范围的图像动态显示,基于视觉暂留效应,观看者的眼睛可基于不同目标波长范围的图像动态显示观察到各图像显示的组合图像显示,进而可观察到较完整的待显示图像且色差较小,成像质量较高,本申请实施例提供的近眼显示装置及设备的体积较小。

上述概述仅仅是为了说明书的目的,并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外,通过参考附图和以下的详细描述,本申请进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中,除非另外规定,否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解,这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式,而不应将其视为是对本申请范围的限制。

图1为相关技术中的近眼显示设备的部分结构框架示意图;

图2为本申请实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图;

图3为短周期光纤光栅的耦合原理示意图;

图4为本申请实施例提供的一种近眼显示装置的显示原理示意图;

图5为本申请实施例提供的近眼显示设备将彩色图像的第一帧子图像传输至观看者的眼睛的原理示意图;

图6为本申请实施例提供的近眼显示设备将彩色图像的第二帧子图像传输至观看者的眼睛的原理示意图;

图7为本申请实施例提供的近眼显示设备将彩色图像的第三帧子图像传输至观看者的眼睛的原理示意图。

具体实施方式

在下文中,仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样,在不脱离本申请的精神或范围的情况下,可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此,附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

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),具有与本申请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。

首先对本申请实施例中的部分术语作如下说明:

视觉暂留效应:也称视觉暂停现象或余晖效应,人眼在观察景物时,光信号传入大脑神经,需经过一段短暂的时间,光的作用结束后,视觉现象并不立即消失,这种残留的视觉称后像,视觉的这一现象则被称为视觉暂留。

光纤光栅:一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅,是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点,并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感,因此在制作光纤激光器、光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。光纤光栅主要的制作方法是利用光纤材料的光敏性,通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成永久性空间的相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射,其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光纤环形器:也称环形器或环行器,将进入其任一端口的入射波,按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。

光纤准直器:使从光纤中出来的光准直的一种器件、或者将准直后的光发射到光纤中的器件。

近眼显示设备主要由光学系统和渲染引擎构成。其中,光学系统是影响成像质量最关键的器件。为了解决近眼显示设备的成像不均的问题,部分企业设计了如图1所示的光学系统,将多个波片(或称波导片)以背对背的方式折叠形成波导结构,每个波片分别传输一定波长范围内的光束,例如在图1中,第一个波片(即红光波导)可传输红光,第二个波片(即绿光波导)可传输绿光,第三个波片(即蓝光波导)可传输蓝光,从而在一定范围内降低色差的影响,进而解决成像不均的问题,但在传输多个波长范围的混合光束时,该种设计方案需要设置多个波片,不仅增加设备的体积,而且衍射效率较低。

下面以具体实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

本申请实施例提供了一种近眼显示装置,如图2所示,该装置包括:光机系统和光束传输模块。其中,光机系统用于提供包含待显示图像信息的光束,光束传输模块位于光机系统的出光侧,用于将光束传输至显示位置进行显示。

光束传输模块包括:第一光束传输单元210和依次设置的多个光束筛选单元220。其中,第一光束传输单元210用于传输光机系统提供的光束,多个光束筛选单元220用于从该光束中筛选出多个目标波长范围的光波。

本申请实施例提供的近眼显示装置依次设置有多个光束筛选单元220,可以从包含待显示图像信息的光束中依次筛选出多个目标波长范围的光波,进而可依次形成不同目标波长范围的图像显示,形成不同目标波长范围的图像动态显示,基于视觉暂留效应,观看者的眼睛可基于不同目标波长范围的图像动态显示观察到各图像显示的组合图像显示,进而可观察到较完整的待显示图像且色差较小,成像质量较高,相对于基于波导结构的近眼显示装置,本申请实施例提供的近眼显示装置的体积更小。

光机系统可以包括图像生成单元。图像生成单元可以是LCD(Liquid CrystalDisplay,液晶显示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)显示器、Micro LED(Micro Light-Emitting Diode,微型发光二极管)显示器和激光显示器等任意一种,可用于接收待显示图像的数字信息并将该数字信息转换为光,即可得到包含待显示图像信息的光束;待显示图像可以是单色图像,对应的,图像生成单元转换出的光束可以是单色光束,例如红光光束、绿光光束、蓝光光束中的一种,待显示图像也可以是彩色图像,例如RGB(红绿蓝)图像,对应的,图像生成单元转换出的光束也可以是混合光束,例如RGB(红绿蓝)混合光束。图像生成单元的刷新率可以在120Hz(赫兹)以上。

如图2所示,第一光束传输单元210可以包括:耦入器件211和光纤212。耦入器件211可位于光机系统的出光侧,光纤212可位于耦入器件211和多个光束筛选单元220之间。

光纤体积较小,用光纤来代替现有的波导结构作为光束的传输载体,可使近眼显示装置的结构更紧凑,减小近眼显示装置的体积,减轻近眼显示装置的重量,实现设备的轻量化。同时,光纤对光线的入射角度不敏感,不会使用户的视场角受限。

耦入器件211可以包括光纤准直器或耦入光栅。光纤准直器是由光纤尾纤与自聚焦透镜精确定位而成,可以将外界平行光耦合至光纤内,在本申请实施例中可将光机系统提供的光束耦合至光纤212中,光纤准直器对入射角不敏感,不会使用户的视场角受限。耦入器件211可集成于光机系统中,以提高集成度,进一步减小近眼显示装置的体积。

在耦入器件211包括耦入光栅的情况下,耦入器件211还可以包括光纤微透镜,可压缩耦入光栅耦入的光束的宽度,使压缩后的光束可以进入光纤211。耦入器件211还可以集成于光机系统中。

在一种可选的实施方式中,光机系统提供的光束可以是线偏振光束,在一个示例中,光机系统还可包括起偏器,光束转换单元转换出的光束通过起偏器可形成线偏振光束。对应的,光纤211可以是保偏光纤,保偏光纤可传输线偏振光束,保证线偏振光束的方向不变,提高相干信噪比,以此在传输图像时最大程度提高光波衍射效率,保证图像传输质量的稳定性。

光束筛选单元220可以包括:至少一个光纤环形器221和至少一个光纤光栅222。

光纤环形器221和光纤光栅222的数量相同,且成对设置;光纤环形器221用于将包含待显示图像的光束传输至对应的一个光纤光栅222,并将该光纤光栅222反射出的目标光波传输出光束传输模块。每个光纤环形器221和对应的光纤光栅222之间也可以设置光纤作为光束的传输通道。

光纤环形器是一种多端口的具有非互易特性的光器件,光信号由任一端口输入时,都能指定的顺序从下一端口以很小的损耗输出,而该端口通向下一端口之外的其它端口的损耗都很大,成为不相通端口。

本申请实施例中的光纤光栅222为短周期光纤光栅,即周期小于1微米的光纤光栅,也称反射型光纤光栅,是一种无源滤波器件。图3示出了短周期光纤光栅的耦合原理图,如图3所示,在一条光纤的光路中设置有多个短周期光纤光栅,一束宽谱光波的波长范围为λ

基于光纤光栅222可以实现特定波长范围的光波的筛选,基于光纤环形器221可将光纤光栅反射出的光束射出。

光纤光栅是在单模光纤上通过相位掩模法刻蚀制成,该种方法制作简单、成本低且对精度要求不高,易于定制形成不同周期的光纤光栅,可分别反射不同波长范围的光波,例如可定制形成只反射红光的光纤光栅、只反射绿光的光纤光栅和只反射蓝光的光纤光栅,进而可形成用于筛选不同的波长范围光波的光束筛选单元220。不同的波长范围光波的光束筛选单元220可按照设定的顺序排列,例如根据可筛选的波长的大小排列,也可根据想向用户展示的波长的顺序排列。

不同的光束筛选单元220中可设置不同周期的光纤光栅222,从而可满足筛选不同波长范围的光波,同一光束筛选单元220中的各光纤光栅222的周期通常相同,从而可避免对同一波长范围的光波进行筛选时产生色差。

在光纤光栅222为多个的情况下,多个光纤光栅222级联设置。级联设置的方式可有效地减小近眼显示装置的体积,并降低筛选出的光波的色差。

在一种可选的实施方式中,参照图2,光束传输模块还包括:至少一个第二光束传输单元230,本申请实施例提供的近眼显示装置还包括:图像调控模块240。

第二光束传输单元230的数量与光纤环形器221的数量相同;第二光束传输单元230位于对应的一个光纤环形器221的出光侧,用于将光纤环形器221输出的目标光波传输至显示位置;图像调控模块240用于对接收到的目标光波所包含的图像信息进行还原并显示。

第二光束传输单元230可以包括光纤,例如保偏光纤。若光机系统提供的光束为线偏振光束,则对应的,第二光束传输单元230中的光纤可以是保偏光纤,以保证线偏振光束的方向不变,提高相干信噪比,进而可最大程度提高光波衍射效率,保证图像传输质量的稳定性。第二光束传输单元230中的光纤可以是单模光纤,单模光纤传输光线的稳定性较好,光线在单模光纤内部传输时造成的色散较小,使单模光纤可提升光束的传输质量,进而提升所显示的图像的质量。

包含待显示图像信息的光束在耦合到光纤212中时,通常会压缩待显示图像的尺寸,光束传输模块传输的是压缩后的光束,通过图像调控模块240可对目标光波所包含的图像信息进行还原,例如可将目标光波对应的图像尺寸还原至与初始的待显示图像的尺寸相同,还原后显示效果较好,用户体验较好。

图像调控模块240可以是包括微透镜和屈光透镜的复合型图像调控器件,微透镜可再现全视差图像,屈光透镜可扩大视场角,微透镜和屈光透镜可以一体设置也可以分别独立设置,一体设置时可进一步减小近眼显示装置的体积。

在一种可选的实施方式中,本申请实施例提供的近眼显示装置,还可包括:位于观看位置的图像检测模块,该图像检测模块可用于接收图像调控模块240还原出的图像,检测该图像是否存在异常。在确定出还原出的图像存在异常时,可通过外接的显示装置、声音提示装置等提示工作人员进行器件的更换或调整。

检测该图像相对于待显示图像是否存在尺寸偏差。通过对比还原出的图像的尺寸和待显示图像的尺寸,可确定还原出的图像相对于待显示图像是否存在尺寸偏差。

还原出的图像存在异常包括以下两种情况中的至少一种:还原出的图像相对于待显示图像存在尺寸偏差,且尺寸偏差超出预设的偏差范围;还原出的图像相对于待显示图像存在色偏,且色偏超出预设的色偏范围。对于第一种情况,可更换或调整(可调整透镜的位置)图像调控模块240中的微透镜或屈光透镜,以矫正图像调控模块240还原出的图像的尺寸;对于第二种情况,可更换光纤光栅222,以矫正还原出的图像的颜色。

图像检测模块可以是处理器,可选的,该处理器可以是中央处理器(CentralProcessing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessing,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者是任何常规的处理器等。值得说明的是,处理器可以是支持进阶精简指令集机器(Advanced RISCMachines,ARM)架构的处理器。

图4示出了本申请实施例提供的一种近眼显示装置的显示原理示意图,参照图4,显示原理为:光机系统获取待显示图像并转换为包含待显示图像信息的混合光束,第一光速传输单元210传输该混合光束至各光束筛选单元220,光束筛选单元220依次从混合光束中筛选目标光波,依次由图像调控模块240还原出对应的子图像,观看者的眼睛依次接收各子图像形成完整图像,可基于各子图像进行对比和矫正。

图5至图7示出了一幅RGB彩色图像经本申请实施例提供的一种近眼显示装置传输并到达观看者的眼睛的原理示意图,图5至7中的220-1、220-2、220-3为在光机系统出光方向上依次设置的三个光束筛选单元,221-1、221-2、221-3分别为三个光束筛选单元220-1、220-2、220-3中的光纤环形器,222-1、222-2、222-3分别为三个光束筛选单元220-1、220-2、220-3中的光纤光栅,230-1、230-2、230-3为三个光纤环形器的分别对应设置的保偏光纤(作为第二光束传输单元)。

下面参照图5至图7的示例,对本申请实施例提供的一种近眼显示装置的工作原理进行介绍:

参照图5,包含RGB彩色图像信息的混合光束由光机系统射出,经过光纤准直器211进入保偏光纤212,经过光束筛选单元220-1中级联的光纤光栅222-1时,基于如图3所示的光纤布拉格光栅耦合原理,满足波长的筛选条件的红色光波会被全部反射并依次经过光纤环形器221-1和保偏光纤230-1射出,即光束筛选单元220-1中的光纤光栅222可筛选出红色光波,射出的红色光波经过图像调控模块240的还原后到达观看者的眼睛,观看者的眼睛可接收到RGB彩色图像的第一帧子图像,为红色子图像。

参照图6,包含RGB彩色图像信息的混合光束由光机系统-2射出,经过光纤准直器211进入保偏光纤212,经过光束筛选单元220-2中级联的光纤光栅222-2时,基于如图3所示的光纤布拉格光栅耦合原理,满足波长的筛选条件的绿色光波会被全部反射并依次经过光纤环形器221-2和保偏光纤230-2射出,即光束筛选单元220-1中的光纤光栅可筛选出绿色光波,射出的绿色光波经过图像调控模块的还原后到达观看者的眼睛,观看者的眼睛可接收到RGB彩色图像的第二帧子图像,为绿色子图像,比红色子图像略有延迟。

参照图7,包含RGB彩色图像信息的混合光束由光机系统射出,经过光纤准直器211进入保偏光纤212,经过光束筛选单元220-3中级联的光纤光栅222-3时,基于如图3所示的光纤布拉格光栅耦合原理,满足波长的筛选条件的蓝色光波会被全部反射并依次经过光纤环形器221-3和保偏光纤230-3射出,即光束筛选单元220-1中的光纤光栅222-3可筛选出蓝色光波,射出的蓝色光波经过图像调控模块240的还原后到达观看者的眼睛,观看者的眼睛可接收到RGB彩色图像的第三帧子图像,为蓝色子图像,比绿色子图像略有延迟。

基于上述过程,近视显示装置可依次显示出同一RGB彩色图像的三帧单色画面,基于视觉暂留效应三帧单色子图像可组合形成彩色的近眼显示图像,使观看者最终观看到原始的RGB彩色图像,上述方式可降低观看者观看到的近眼显示图像的色差,提高视场角和动眼框范围内的成像均匀性,整体成像效果较好,可大大提升用户体验。

基于同一发明构思,本申请实施例还提供了一种近眼显示设备,包括:存储器和本申请实施例提供的任意一种近眼显示装置,存储器与近眼显示装置中的光机系统电连接。

存储器用于存储待显示图像,光机系统用于获取存储器中存储的待显示图像并提供包含该待显示图像信息的光束。

基于同一发明构思,本申请实施例还提供了一种近眼显示设备,包括:通信模块、以及根据权利要求1-8中任一项所述的近眼显示装置;

所述通信模块与所述近眼显示装置中的光机系统电连接;

通信模块用于接收来自其它设备的待显示图像并向光机系统传输,光机系统用于获取通信模块发送的待显示图像并提供包含该待显示图像信息的光束。光机系统可通过不同的途径获取待显示图像。

存储器和通信模块的数量可以为一个或多个。近眼显示设备可以同时包括存储器和通信模块,两者可独立实现,存储器、通信模块和光机系统之间可通过总线相互连接并完成相互间的通信。该总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture,ISA)总线、外部设备互连(Peripheral Component Interconnect,PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry Standard Architecture,EISA)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

存储器和通信模块也可集成在一块芯片上,也可集成于光机系统中的芯片,例如在光机系统中与图像生成单元集成在一块芯片上。

可选的,上述存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器,还可以包括非易失性随机存取存储器。该存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器,或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中,非易失性存储器可以包括只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM,PROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasablePROM,EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM,EEPROM)或闪存。易失性存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory,RAM),其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明,许多形式的RAM可用。例如,静态随机存取存储器(StaticRAM,SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM,SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DoubleData Date SDRAM,DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM,ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Dynchlink DRAM,SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(Direct Rambus RAM,DR RAM)。

在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。

应该进一步理解的是,本说明书中使用的措辞“包括”是指在在所述特征、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它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。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。

应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一个元件时,它可以直接连接或耦接到其它元件,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。

在本说明书中,“电连接”包括构成要素通过具有某种电作用的元件连接在一起的情况。“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接的构成要素间的电信号的授受,就对其没有特别的限制。“具有某种电作用的元件”的例子不仅包括电极和布线,而且还包括晶体管等开关元件、电阻器、电感器、电容器、其它具有各种功能的元件等。

以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到其各种变化或替换,这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术分类

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