近眼光场显示系统及控制电路的制作方法

本发明涉及立体视觉技术领域，尤其涉及一种近眼光场显示系统及控制电路。

背景技术：

随着虚拟现实(virtualreality，vr)设备及增强现实(augmentedreality，ar)设备的发展，近眼显示(near-to-eyedisplay，ned)技术应运而生，并逐渐成为研究热点。

在当前的近眼显示技术中，用户佩戴上增强现实设备(比如，微软的hololens)之后，所显示的3d物体是通过向用户的左、右眼分别显示不同的图像而形成的立体视觉。

然而，基于双眼立体视觉的3d显示技术存在辐辏条件冲突的问题，使得用户长时间佩戴设备时容易感到视觉疲劳和眩晕。因此，如何解决这一问题成为近眼显示技术中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种近眼光场显示系统，以模拟三维空间中的真实光场，实现自然3d显示，解决现有技术中辐辏条件冲突带来的视觉疲劳和眩晕的问题。

本发明的第二个目的在于提出一种控制电路。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种近眼光场显示系统，包括：

n层全息元件、每层全息元件对应的光波导以及成像装置；其中，每层全息元件包括成对出现的全息输入子元件和全息输出子元件，n为整数；

在一个显示周期内，所述成像装置按照预设的时间间隔向第i层全息元件中的全息输入子元件投射光线，所述全息输入子元件将投射的光线入射到第i层所对应的光波导中进行传导，到达第i层的全息输出子元件，基于时分复用各层全息输出子元件所输出的光线进行融合输出，以在人眼处形成3d图像；其中，1≤i≤n，n≥2；i和n为整数；

其中，当第i层全息输入子元件和全息输出子元件处于工作状态时，剩余的n-1层的全息输入子元件和全息输出子元件处于透明状态；所述显示周期小于人眼的刷新时间。

本发明实施例的近眼光场显示系统，通过设置成像装置、n层全息元件，以及每层全息元件对应的光波导，每层全息元件包括成对出现的全息输入子元件和全息输出子元件，在一个显示周期内，成像装置按照预设的时间间隔向每一层全息元件中的全息输入子元件投射光线，全息输入子元件将投射的光线入射到对应的光波导中进行传导，到达全息输出子元件，基于时分复用各层全息输出子元件所输出的光线进行融合输出，以在人眼处形成3d图像。由此，能够模拟三维空间中的真实光场，实现自然3d显示，避免用户长时间观看时视觉疲劳和眩晕，提升用户体验。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种控制电路，用于对第一方面实施例所述的近眼光场显示系统的显示进行控制。

本发明实施例的控制电路，通过对近眼光场显示系统的显示进行控制，能够模拟三维空间中的真实光场，实现自然3d显示，避免用户长时间观看时视觉疲劳和眩晕，提升用户体验。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/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为基于双眼立体视觉的3d显示成像示意图；

图2为本发明一实施例提出的近眼光场显示系统的结构示意图；

图3为成像装置的结构示意图；

图4为在相邻两层的全息元件之间设置一个光波导时的结构示意图；

图5为近眼光场显示系统在第一时间的工作过程图；

图6为近眼光场显示系统在第二时间的工作过程图；

图7为本实施例的近眼光场显示系统的工作流程示意图；

图8为本发明一实施例提出的控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的近眼光场显示系统及控制电路。

由于现有的基于双眼立体视觉的3d显示技术，用户左右眼在显示屏上的聚焦距离与左右眼在3d显示处的辐辏距离并不相同，即存在辐辏调节冲突的问题，需要用户的左右眼不断地在聚焦距离与辐辏距离之间调整，如图1所示，容易导致用户视觉疲劳和眩晕。

针对上述问题，本发明实施例提出了一种近眼光场显示系统，能够实现自然3d显示，解决现有技术中的视觉疲劳和眩晕问题。

图2为本发明一实施例提出的近眼光场显示系统的结构示意图。

如图2所示，该近眼光场显示系统10包括：n层全息元件101、每层全息元件101对应的光波导102以及成像装置103。其中，

每层全息元件101包括成对出现的全息输入子元件1011和全息输出子元件1012，且每层全息元件101中的全息输入子元件1011和全息输出子元件1012均为电控衍射光栅。每层全息元件101中的全息输入子元件1011设置在所对应光波导102的第一端，第一端为光线输入端；全息输出子元件1012设置在所对应的光波导102的第二端，第二端为光线输出端，输出的光线能够进入人眼。本实施例中，当第i层全息输入子元件1011和全息输出子元件1012处于工作状态时，剩余的n-1层的全息输入子元件1011和全息输出子元件1012处于透明状态，处于透明状态下的全息元件101不工作。

本实施例中，每层的全息元件101可以电控，具体地，同一时刻向第i层全息输入子元件1011和全息输出子元件1012上电，上电后第i层全息输入子元件1011和全息输出子元件1012处于工作状态，而剩余n-1层的全息输入子元件1011和全息输出子元件1012不上电，均处于透明状态，处于透明状态下的全息元件101不工作，也就说剩余n-1层的全息元件101不工作，通过上述处理，可以保证在当前时刻只有一层全息元件101处于工作状态，所以在整个显示周期内n层全息元件101交替处于工作状态。

在一个显示周期内，成像装置103按照预设的时间间隔向第i层全息元件101中的全息输入子元件1011投射光线，全息输入子元件1011将投射的光线入射到第i层所对应的光波导102中进行传导，到达第i层的全息输出子元件1012。以第1层的全息元件101为例，光线由第1层全息元件101中的全息输入子元件1011进入到所对应的光波导102中，然后在光波导102中进行光线传输，再由第1层全息元件101中的全息输出子元件1012输出光线。

时分复用技术是一种通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号等的技术。使用时分复用技术需要以各路信号在时间轴上互不重叠为前提，而本实施例中，在一个显示周期内，按照预设的时间间隔控制不同的全息元件101工作，每次仅有一层全息元件101处于工作状态，从而能够保证各层全息元件101中的全息输入子元件1012输出的光线互不干扰。因此，本实施例中，可以在一个显示周期内基于时分复用技术各层全息输出子元件1012所输出的光线进行融合输出，以在人眼处形成3d图像。其中，1≤i≤n，n≥2；i和n为整数。

其中，显示周期小于人眼的刷新时间，也就是显示频率要大于人眼的刷新频率。成像装置103向全息输入子元件1011投射光线的时间间隔可以根据显示周期和全息元件的层数n预先设定，本发明不作具体限制。

图3为成像装置的结构示意图。如图3所示，成像装置103包括：控制单元1031、全息元件的控制单元1032、图像渲染单元1033、显示单元1034和投影单元1035。其中，

控制单元1031与全息元件的控制单元1032以及图像渲染单元1033连接，图像渲染单元1033与显示单元1034连接。

控制单元1031，用于向图像渲染单元1033发送第一指令，同时向全息元件的控制单元1032发送第二指令。

图像渲染单元1033，用于根据第一指令按照预设的时间间隔进行图像渲染，并通过显示单元1034进行显示。

全息元件的控制单元1032，用于根据第二指令按照预设的时间间隔控制全息元件101中的第i层的全息元件处于工作状态，剩余n-1层的全息元件处于透明状态。全息元件的控制单元1032中包括全息输入子元件控制单元和全息输出子元件控制单元。

显示单元1034，用于通过投影单元1035将所成图像的光线投射到第i层的全息元件中的全息输入子元件上。

在本发明实施例一种可能的实现方式中，可以为每层全息元件101分别设置一个单独的光波导102，光波导102的层数为n，n为整数，如图2所示。当为每层全息元件101分别设置一个单独的光波导102时，每层全息元件101中的全息输入子元件1011和全息输出子元件1012均为反射型电控衍射光栅。到达全息输入子元件1011的光线在此处发生反射，以一定角度反射至光波导中。

可选地，在本发明实施例另一种可能的实现方式中，也可以在相邻两层的全息元件101之间设置一个光波导102，光波导102的层数为n-1，n为整数，如图4所示。当在相邻两层的全息元件101之间设置一个光波导102时，第1层的全息元件101与第2层的全息元件101复用设置在第1层和第2层之间的光波导102。

需要说明的是，除第1层和第2层的全息元件101需要复用设置在第1层和第2层之间的光波导102之外，从第3层开始至第n层每层全息元件101单独对应一个光波导102。具体地，第3层全息元件101对应第2层光波导102，第4层全息元件101对应第3层光波导102，以此类推，第n层全息元件101对应第n-1层光波导102。

其中，图4中第1层全息元件101中的全息输入子元件1011和全息输出子元件1012为透射型电控衍射光栅，第2层全息元件101中的全息输入子元件1011和全息输出子元件1012为反射型电控衍射光栅。到达第1层的全息输入子元件1011的光线透射至光波导中，而达到其他层的全息输入子元件1011的光线，在全息输入子元件1011处发生反射，以一定角度反射至光波导中，也就是说，从第2层开始至第n层的全息元件101均为反射型电控衍射光栅。

需要说明的是，为了使光线在光波导102中进行全反射，由全息输入子元件1011入射到光波导102中的角度要满足全反射的条件，即入射角度要大于临界角。

通过设置多层全息元件101和光波导102，能够形成多层显示，通过时分复用，人眼能够同时观察到空间上存在一定间隔的多个显示图像，多个显示图像将物体的光场信息传导至人眼，能够实现真实环境中的物体的自然3d显示，解决人眼佩戴ar设备时产生眼睛疲劳和眩晕的问题。

为了更加清楚地说明本实施例的近眼光场显示系统形成全息图像的过程，下面以近眼光场显示系统包括两层全息元件、在两层全息元件之间设置一个光波导为例进行具体说明。由于该近眼光场显示系统包括两层全息元件，则在一个显示周期内，成像装置只需在两个时间向全息元件中的全息输入子元件投射光线。

图5为近眼光场显示系统在第一时间的工作过程图。如图5所示，在第一时间，控制单元向全息元件的控制单元中的全息输入子元件控制单元发送第二指令，以控制全息输入子元件控制单元使全息输入子元件1处于工作状态，而全息输入子元件2处于透明状态。同时，控制单元向图像渲染单元发出第一指令，使图像渲染单元根据第一指令进行图像渲染，并将渲染图像显示于显示单元上，进而由投影单元将渲染图像的光线投射到全息输入子元件1上。全息输入子元件1为透射型电控衍射光栅，光线到达全息输入子元件1上之后，以一定角度进入光波导中。光线在光波导中的反射满足全反射条件，使得光线在光波导中传导，最终到达全息输出子元件1处。控制单元对全息输出子元件控制单元进行控制，使得全息输出子元件1处于工作状态，而全息输出子元件2处于透明状态。全息输出子元件1将通过光波导传导的光线进行耦合输出，使人眼接收到显示单元显示的图像。

图6为近眼光场显示系统在第二时间的工作过程图。如图6所示，在第二时间，控制单元向全息元件的控制单元中的全息输入子元件控制单元发送第二指令，以控制全息输入子元件控制单元使全息输入子元件2处于工作状态，而全息输入子元件1处于透明状态。同时，控制单元向图像渲染单元发出第一指令，使图像渲染单元根据第一指令进行图像渲染，并将渲染图像显示于显示单元上，进而由投影单元将渲染图像的光线投射到全息输入子元件2上。全息输入子元件2为反射型电控衍射光栅，光线到达全息输入子元件2上之后，以一定角度反射到光波导中。光线在光波导中的反射满足全反射条件，使得光线在光波导中传导，最终到达全息输出子元件2处。控制单元对全息输出子元件控制单元进行控制，使得全息输出子元件2处于工作状态，而全息输出子元件1处于透明状态。全息输出子元件2将通过光波导传导的光线进行耦合输出，使人眼接收到显示单元显示的图像。

之后，基于时分复用第一层和第二层的全息输出子元件所输出的光线进行融合输出，在人眼处形成3d图像。

本实施例的近眼光场显示系统，通过采用时分复用的方法，控制单元控制全息元件的控制单元，使得全息元件的控制单元中的全息输入/输出子元件1和全息输入/输出子元件2交替工作，切换的频率大于2倍的人眼可察觉的刷新频率，即普通人眼的刷新频率为30hz，切换的频率需要大于60hz，由此，人眼能够同时观察到通过全息输出子元件1和2耦合输出的图像。由于全息输出子元件1和2在空间上具有一定的间隔，形成了双层显示，可以通过图像渲染单元渲染特定的图像进入人眼来模拟自然光场，提供了一定的人眼焦点调节范围，从而能够在一定程度上解决辐辏调节冲突，缓解眼睛疲劳和眩晕。

图7为本实施例的近眼光场显示系统的工作流程示意图。如图7所示，控制单元向全息输入/输出子元件控制单元发送第二指令，同时向图像渲染单元发送第一指令。全息输入/输出子元件控制单元控制全息输入/输出子元件i(i＝1，2，3，…，n)依次交替工作，每次仅有一组全息输入/输出子元件工作，而其他全息输入/输出子元件处于透明状态。图像渲染单元根据第一指令对图像进行渲染，并通过显示单元进行显示。显示单元通过投影单元将渲染图像的光线投射至处于工作状态的全息输入子元件i，并通过全息输入子元件i耦合进入至光波导进行传导。光线传导至全息输出子元件i，并耦合输出至人眼。重复上述过程n次直至第一个显示周期结束输出形成的3d图像，其中，n为全息元件的层数。重复上述过程直至最后一个显示周期结束。

通过设置全息输入/输出子元件1至n交替工作，人眼能同时观察到通过全息输出子元件1至n耦合输出的图像，实现多层显示，进而模拟三维空间中的真实光场，实现自然3d显示，解决人眼长时间佩戴增强现实设备时产生的视觉疲劳和眩晕的问题。

本实施例的近眼光场显示系统，通过设置成像装置、n层全息元件，以及每层全息元件对应的光波导，每层全息元件包括成对出现的全息输入子元件和全息输出子元件，在一个显示周期内，成像装置按照预设的时间间隔向每一层全息元件中的全息输入子元件投射光线，全息输入子元件将投射的光线入射到对应的光波导中进行传导，到达全息输出子元件，基于时分复用各层全息输出子元件所输出的光线进行融合输出，以在人眼处形成3d图像。由此，能够模拟三维空间中的真实光场，实现自然3d显示，避免用户长时间观看时视觉疲劳和眩晕，提升用户体验。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种控制电路，用于对前述实施例所述的近眼光场显示系统的显示进行控制。

图8为本发明一实施例提出的控制电路的结构示意图。

如图8所示，该控制电路80包括：主控电路801、第一控制电路802，以及第二控制电路803。其中，

主控电路801，用于驱动成像装置，以及向第一控制电路802和第二控制电路803发送控制指令。

其中，控制指令包括显示周期。

在本发明实施例一种可能的实现方式中，主控电路801还用于在向第一控制电路802和第二控制电路803发送控制指令时，向成像装置中的图像渲染单元发送渲染指令，以使图像渲染单元根据渲染指令进行图像渲染。

第一控制电路802，用于控制全息元件的全息输入子元件。

具体地，第一控制电路802用于在显示周期内按照预设的时间间隔控制第i层全息元件中的全息输入子元件处于工作状态，以及控制剩余n-1层全息元件中的全息输入子元件处于透明状态。其中，1≤i≤n，n≥2；i和n为整数。

第二控制电路803，用于控制全息元件中的全息输出子元件。

具体地，第二控制电路803用于根据控制指令，按照时间间隔控制第i层全息元件中的全息输出子元件处于工作状态，以及控制剩余n-1层全息元件中的全息输出子元件处于透明状态，以及在一个显示周期内基于时分复用每层的全息输出子元件所输出的光线进行融合输出，以在人眼处形成3d图像。

本实施例的控制电路，通过对近眼光场显示系统的显示进行控制，能够模拟三维空间中的真实光场，实现自然3d显示，避免用户长时间观看时视觉疲劳和眩晕，提升用户体验。

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、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。