近眼光場顯示系統及控制電路的制作方法

本發明涉及立體視覺技術領域，尤其涉及一種近眼光場顯示系統及控制電路。

背景技術：

隨著虛擬現實(virtualreality，vr)設備及增強現實(augmentedreality，ar)設備的發展，近眼顯示(near-to-eyedisplay，ned)技術應運而生，并逐漸成為研究熱點。

在當前的近眼顯示技術中，用戶佩戴上增強現實設備(比如，微軟的hololens)之后，所顯示的3d物體是通過向用戶的左、右眼分別顯示不同的圖像而形成的立體視覺。

然而，基于雙眼立體視覺的3d顯示技術存在輻輳條件沖突的問題，使得用戶長時間佩戴設備時容易感到視覺疲勞和眩暈。因此，如何解決這一問題成為近眼顯示技術中亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的第一個目的在于提出一種近眼光場顯示系統，以模擬三維空間中的真實光場，實現自然3d顯示，解決現有技術中輻輳條件沖突帶來的視覺疲勞和眩暈的問題。

本發明的第二個目的在于提出一種控制電路。

為達上述目的，本發明第一方面實施例提出了一種近眼光場顯示系統，包括：

n層全息元件、每層全息元件對應的光波導以及成像裝置；其中，每層全息元件包括成對出現的全息輸入子元件和全息輸出子元件，n為整數；

在一個顯示周期內，所述成像裝置按照預設的時間間隔向第i層全息元件中的全息輸入子元件投射光線，所述全息輸入子元件將投射的光線入射到第i層所對應的光波導中進行傳導，到達第i層的全息輸出子元件，基于時分復用各層全息輸出子元件所輸出的光線進行融合輸出，以在人眼處形成3d圖像；其中，1≤i≤n，n≥2；i和n為整數；

其中，當第i層全息輸入子元件和全息輸出子元件處于工作狀態時，剩余的n-1層的全息輸入子元件和全息輸出子元件處于透明狀態；所述顯示周期小于人眼的刷新時間。

本發明實施例的近眼光場顯示系統，通過設置成像裝置、n層全息元件，以及每層全息元件對應的光波導，每層全息元件包括成對出現的全息輸入子元件和全息輸出子元件，在一個顯示周期內，成像裝置按照預設的時間間隔向每一層全息元件中的全息輸入子元件投射光線，全息輸入子元件將投射的光線入射到對應的光波導中進行傳導，到達全息輸出子元件，基于時分復用各層全息輸出子元件所輸出的光線進行融合輸出，以在人眼處形成3d圖像。由此，能夠模擬三維空間中的真實光場，實現自然3d顯示，避免用戶長時間觀看時視覺疲勞和眩暈，提升用戶體驗。

為達上述目的，本發明第二方面實施例提出了一種控制電路，用于對第一方面實施例所述的近眼光場顯示系統的顯示進行控制。

本發明實施例的控制電路，通過對近眼光場顯示系統的顯示進行控制，能夠模擬三維空間中的真實光場，實現自然3d顯示，避免用戶長時間觀看時視覺疲勞和眩暈，提升用戶體驗。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為基于雙眼立體視覺的3d顯示成像示意圖；

圖2為本發明一實施例提出的近眼光場顯示系統的結構示意圖；

圖3為成像裝置的結構示意圖；

圖4為在相鄰兩層的全息元件之間設置一個光波導時的結構示意圖；

圖5為近眼光場顯示系統在第一時間的工作過程圖；

圖6為近眼光場顯示系統在第二時間的工作過程圖；

圖7為本實施例的近眼光場顯示系統的工作流程示意圖；

圖8為本發明一實施例提出的控制電路的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

下面參考附圖描述本發明實施例的近眼光場顯示系統及控制電路。

由于現有的基于雙眼立體視覺的3d顯示技術，用戶左右眼在顯示屏上的聚焦距離與左右眼在3d顯示處的輻輳距離并不相同，即存在輻輳調節沖突的問題，需要用戶的左右眼不斷地在聚焦距離與輻輳距離之間調整，如圖1所示，容易導致用戶視覺疲勞和眩暈。

針對上述問題，本發明實施例提出了一種近眼光場顯示系統，能夠實現自然3d顯示，解決現有技術中的視覺疲勞和眩暈問題。

圖2為本發明一實施例提出的近眼光場顯示系統的結構示意圖。

如圖2所示，該近眼光場顯示系統10包括：n層全息元件101、每層全息元件101對應的光波導102以及成像裝置103。其中，

每層全息元件101包括成對出現的全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012，且每層全息元件101中的全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012均為電控衍射光柵。每層全息元件101中的全息輸入子元件1011設置在所對應光波導102的第一端，第一端為光線輸入端；全息輸出子元件1012設置在所對應的光波導102的第二端，第二端為光線輸出端，輸出的光線能夠進入人眼。本實施例中，當第i層全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012處于工作狀態時，剩余的n-1層的全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012處于透明狀態，處于透明狀態下的全息元件101不工作。

本實施例中，每層的全息元件101可以電控，具體地，同一時刻向第i層全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012上電，上電后第i層全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012處于工作狀態，而剩余n-1層的全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012不上電，均處于透明狀態，處于透明狀態下的全息元件101不工作，也就說剩余n-1層的全息元件101不工作，通過上述處理，可以保證在當前時刻只有一層全息元件101處于工作狀態，所以在整個顯示周期內n層全息元件101交替處于工作狀態。

在一個顯示周期內，成像裝置103按照預設的時間間隔向第i層全息元件101中的全息輸入子元件1011投射光線，全息輸入子元件1011將投射的光線入射到第i層所對應的光波導102中進行傳導，到達第i層的全息輸出子元件1012。以第1層的全息元件101為例，光線由第1層全息元件101中的全息輸入子元件1011進入到所對應的光波導102中，然后在光波導102中進行光線傳輸，再由第1層全息元件101中的全息輸出子元件1012輸出光線。

時分復用技術是一種通過不同信道或時隙中的交叉位脈沖，同時在同一個通信媒體上傳輸多個數字化數據、語音和視頻信號等的技術。使用時分復用技術需要以各路信號在時間軸上互不重疊為前提，而本實施例中，在一個顯示周期內，按照預設的時間間隔控制不同的全息元件101工作，每次僅有一層全息元件101處于工作狀態，從而能夠保證各層全息元件101中的全息輸入子元件1012輸出的光線互不干擾。因此，本實施例中，可以在一個顯示周期內基于時分復用技術各層全息輸出子元件1012所輸出的光線進行融合輸出，以在人眼處形成3d圖像。其中，1≤i≤n，n≥2；i和n為整數。

其中，顯示周期小于人眼的刷新時間，也就是顯示頻率要大于人眼的刷新頻率。成像裝置103向全息輸入子元件1011投射光線的時間間隔可以根據顯示周期和全息元件的層數n預先設定，本發明不作具體限制。

圖3為成像裝置的結構示意圖。如圖3所示，成像裝置103包括：控制單元1031、全息元件的控制單元1032、圖像渲染單元1033、顯示單元1034和投影單元1035。其中，

控制單元1031與全息元件的控制單元1032以及圖像渲染單元1033連接，圖像渲染單元1033與顯示單元1034連接。

控制單元1031，用于向圖像渲染單元1033發送第一指令，同時向全息元件的控制單元1032發送第二指令。

圖像渲染單元1033，用于根據第一指令按照預設的時間間隔進行圖像渲染，并通過顯示單元1034進行顯示。

全息元件的控制單元1032，用于根據第二指令按照預設的時間間隔控制全息元件101中的第i層的全息元件處于工作狀態，剩余n-1層的全息元件處于透明狀態。全息元件的控制單元1032中包括全息輸入子元件控制單元和全息輸出子元件控制單元。

顯示單元1034，用于通過投影單元1035將所成圖像的光線投射到第i層的全息元件中的全息輸入子元件上。

在本發明實施例一種可能的實現方式中，可以為每層全息元件101分別設置一個單獨的光波導102，光波導102的層數為n，n為整數，如圖2所示。當為每層全息元件101分別設置一個單獨的光波導102時，每層全息元件101中的全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012均為反射型電控衍射光柵。到達全息輸入子元件1011的光線在此處發生反射，以一定角度反射至光波導中。

可選地，在本發明實施例另一種可能的實現方式中，也可以在相鄰兩層的全息元件101之間設置一個光波導102，光波導102的層數為n-1，n為整數，如圖4所示。當在相鄰兩層的全息元件101之間設置一個光波導102時，第1層的全息元件101與第2層的全息元件101復用設置在第1層和第2層之間的光波導102。

需要說明的是，除第1層和第2層的全息元件101需要復用設置在第1層和第2層之間的光波導102之外，從第3層開始至第n層每層全息元件101單獨對應一個光波導102。具體地，第3層全息元件101對應第2層光波導102，第4層全息元件101對應第3層光波導102，以此類推，第n層全息元件101對應第n-1層光波導102。

其中，圖4中第1層全息元件101中的全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012為透射型電控衍射光柵，第2層全息元件101中的全息輸入子元件1011和全息輸出子元件1012為反射型電控衍射光柵。到達第1層的全息輸入子元件1011的光線透射至光波導中，而達到其他層的全息輸入子元件1011的光線，在全息輸入子元件1011處發生反射，以一定角度反射至光波導中，也就是說，從第2層開始至第n層的全息元件101均為反射型電控衍射光柵。

需要說明的是，為了使光線在光波導102中進行全反射，由全息輸入子元件1011入射到光波導102中的角度要滿足全反射的條件，即入射角度要大于臨界角。

通過設置多層全息元件101和光波導102，能夠形成多層顯示，通過時分復用，人眼能夠同時觀察到空間上存在一定間隔的多個顯示圖像，多個顯示圖像將物體的光場信息傳導至人眼，能夠實現真實環境中的物體的自然3d顯示，解決人眼佩戴ar設備時產生眼睛疲勞和眩暈的問題。

為了更加清楚地說明本實施例的近眼光場顯示系統形成全息圖像的過程，下面以近眼光場顯示系統包括兩層全息元件、在兩層全息元件之間設置一個光波導為例進行具體說明。由于該近眼光場顯示系統包括兩層全息元件，則在一個顯示周期內，成像裝置只需在兩個時間向全息元件中的全息輸入子元件投射光線。

圖5為近眼光場顯示系統在第一時間的工作過程圖。如圖5所示，在第一時間，控制單元向全息元件的控制單元中的全息輸入子元件控制單元發送第二指令，以控制全息輸入子元件控制單元使全息輸入子元件1處于工作狀態，而全息輸入子元件2處于透明狀態。同時，控制單元向圖像渲染單元發出第一指令，使圖像渲染單元根據第一指令進行圖像渲染，并將渲染圖像顯示于顯示單元上，進而由投影單元將渲染圖像的光線投射到全息輸入子元件1上。全息輸入子元件1為透射型電控衍射光柵，光線到達全息輸入子元件1上之后，以一定角度進入光波導中。光線在光波導中的反射滿足全反射條件，使得光線在光波導中傳導，最終到達全息輸出子元件1處。控制單元對全息輸出子元件控制單元進行控制，使得全息輸出子元件1處于工作狀態，而全息輸出子元件2處于透明狀態。全息輸出子元件1將通過光波導傳導的光線進行耦合輸出，使人眼接收到顯示單元顯示的圖像。

圖6為近眼光場顯示系統在第二時間的工作過程圖。如圖6所示，在第二時間，控制單元向全息元件的控制單元中的全息輸入子元件控制單元發送第二指令，以控制全息輸入子元件控制單元使全息輸入子元件2處于工作狀態，而全息輸入子元件1處于透明狀態。同時，控制單元向圖像渲染單元發出第一指令，使圖像渲染單元根據第一指令進行圖像渲染，并將渲染圖像顯示于顯示單元上，進而由投影單元將渲染圖像的光線投射到全息輸入子元件2上。全息輸入子元件2為反射型電控衍射光柵，光線到達全息輸入子元件2上之后，以一定角度反射到光波導中。光線在光波導中的反射滿足全反射條件，使得光線在光波導中傳導，最終到達全息輸出子元件2處。控制單元對全息輸出子元件控制單元進行控制，使得全息輸出子元件2處于工作狀態，而全息輸出子元件1處于透明狀態。全息輸出子元件2將通過光波導傳導的光線進行耦合輸出，使人眼接收到顯示單元顯示的圖像。

之后，基于時分復用第一層和第二層的全息輸出子元件所輸出的光線進行融合輸出，在人眼處形成3d圖像。

本實施例的近眼光場顯示系統，通過采用時分復用的方法，控制單元控制全息元件的控制單元，使得全息元件的控制單元中的全息輸入/輸出子元件1和全息輸入/輸出子元件2交替工作，切換的頻率大于2倍的人眼可察覺的刷新頻率，即普通人眼的刷新頻率為30hz，切換的頻率需要大于60hz，由此，人眼能夠同時觀察到通過全息輸出子元件1和2耦合輸出的圖像。由于全息輸出子元件1和2在空間上具有一定的間隔，形成了雙層顯示，可以通過圖像渲染單元渲染特定的圖像進入人眼來模擬自然光場，提供了一定的人眼焦點調節范圍，從而能夠在一定程度上解決輻輳調節沖突，緩解眼睛疲勞和眩暈。

圖7為本實施例的近眼光場顯示系統的工作流程示意圖。如圖7所示，控制單元向全息輸入/輸出子元件控制單元發送第二指令，同時向圖像渲染單元發送第一指令。全息輸入/輸出子元件控制單元控制全息輸入/輸出子元件i(i＝1，2，3，…，n)依次交替工作，每次僅有一組全息輸入/輸出子元件工作，而其他全息輸入/輸出子元件處于透明狀態。圖像渲染單元根據第一指令對圖像進行渲染，并通過顯示單元進行顯示。顯示單元通過投影單元將渲染圖像的光線投射至處于工作狀態的全息輸入子元件i，并通過全息輸入子元件i耦合進入至光波導進行傳導。光線傳導至全息輸出子元件i，并耦合輸出至人眼。重復上述過程n次直至第一個顯示周期結束輸出形成的3d圖像，其中，n為全息元件的層數。重復上述過程直至最后一個顯示周期結束。

通過設置全息輸入/輸出子元件1至n交替工作，人眼能同時觀察到通過全息輸出子元件1至n耦合輸出的圖像，實現多層顯示，進而模擬三維空間中的真實光場，實現自然3d顯示，解決人眼長時間佩戴增強現實設備時產生的視覺疲勞和眩暈的問題。

本實施例的近眼光場顯示系統，通過設置成像裝置、n層全息元件，以及每層全息元件對應的光波導，每層全息元件包括成對出現的全息輸入子元件和全息輸出子元件，在一個顯示周期內，成像裝置按照預設的時間間隔向每一層全息元件中的全息輸入子元件投射光線，全息輸入子元件將投射的光線入射到對應的光波導中進行傳導，到達全息輸出子元件，基于時分復用各層全息輸出子元件所輸出的光線進行融合輸出，以在人眼處形成3d圖像。由此，能夠模擬三維空間中的真實光場，實現自然3d顯示，避免用戶長時間觀看時視覺疲勞和眩暈，提升用戶體驗。

為了實現上述實施例，本發明還提出一種控制電路，用于對前述實施例所述的近眼光場顯示系統的顯示進行控制。

圖8為本發明一實施例提出的控制電路的結構示意圖。

如圖8所示，該控制電路80包括：主控電路801、第一控制電路802，以及第二控制電路803。其中，

主控電路801，用于驅動成像裝置，以及向第一控制電路802和第二控制電路803發送控制指令。

其中，控制指令包括顯示周期。

在本發明實施例一種可能的實現方式中，主控電路801還用于在向第一控制電路802和第二控制電路803發送控制指令時，向成像裝置中的圖像渲染單元發送渲染指令，以使圖像渲染單元根據渲染指令進行圖像渲染。

第一控制電路802，用于控制全息元件的全息輸入子元件。

具體地，第一控制電路802用于在顯示周期內按照預設的時間間隔控制第i層全息元件中的全息輸入子元件處于工作狀態，以及控制剩余n-1層全息元件中的全息輸入子元件處于透明狀態。其中，1≤i≤n，n≥2；i和n為整數。

第二控制電路803，用于控制全息元件中的全息輸出子元件。

具體地，第二控制電路803用于根據控制指令，按照時間間隔控制第i層全息元件中的全息輸出子元件處于工作狀態，以及控制剩余n-1層全息元件中的全息輸出子元件處于透明狀態，以及在一個顯示周期內基于時分復用每層的全息輸出子元件所輸出的光線進行融合輸出，以在人眼處形成3d圖像。

本實施例的控制電路，通過對近眼光場顯示系統的顯示進行控制，能夠模擬三維空間中的真實光場，實現自然3d顯示，避免用戶長時間觀看時視覺疲勞和眩暈，提升用戶體驗。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個或更多個用于實現定制邏輯功能或過程的步驟的可執行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發明的優選實施方式的范圍包括另外的實現，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序，來執行功能，這應被本發明的實施例所屬技術領域的技術人員所理解。

在流程圖中表示或在此以其他方式描述的邏輯和/或步驟，例如，可以被認為是用于實現邏輯功能的可執行指令的定序列表，可以具體實現在任何計算機可讀介質中，以供指令執行系統、裝置或設備(如基于計算機的系統、包括處理器的系統或其他可以從指令執行系統、裝置或設備取指令并執行指令的系統)使用，或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用。就本說明書而言，"計算機可讀介質"可以是任何可以包含、存儲、通信、傳播或傳輸程序以供指令執行系統、裝置或設備或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用的裝置。計算機可讀介質的更具體的示例(非窮盡性列表)包括以下：具有一個或多個布線的電連接部(電子裝置)，便攜式計算機盤盒(磁裝置)，隨機存取存儲器(ram)，只讀存儲器(rom)，可擦除可編輯只讀存儲器(eprom或閃速存儲器)，光纖裝置，以及便攜式光盤只讀存儲器(cdrom)。另外，計算機可讀介質甚至可以是可在其上打印所述程序的紙或其他合適的介質，因為可以例如通過對紙或其他介質進行光學掃描，接著進行編輯、解譯或必要時以其他合適方式進行處理來以電子方式獲得所述程序，然后將其存儲在計算機存儲器中。

應當理解，本發明的各部分可以用硬件、軟件、固件或它們的組合來實現。在上述實施方式中，多個步驟或方法可以用存儲在存儲器中且由合適的指令執行系統執行的軟件或固件來實現。如，如果用硬件來實現和在另一實施方式中一樣，可用本領域公知的下列技術中的任一項或他們的組合來實現：具有用于對數據信號實現邏輯功能的邏輯門電路的離散邏輯電路，具有合適的組合邏輯門電路的專用集成電路，可編程門陣列(pga)，現場可編程門陣列(fpga)等。

本技術領域的普通技術人員可以理解實現上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中，該程序在執行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。

此外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能模塊的形式實現。所述集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。

上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。