一种用于近视防控的光场显示系统的制作方法

1.本技术涉及显示装置领域，具体而言，涉及一种用于近视防控的光场显示系统。


背景技术：

2.现有研究表明，在用户视网膜黄斑中心凹旁的旁中心区域，产生近视离焦图像，即光线聚焦于用户视网膜前，能够产生控制用户眼轴的增长，控制用户近视的加深。进一步地，视网膜旁中心10度-20度的范围，近视离焦图像对控制近视进展最有效。
3.因此，需要一种可以在用户视点处产生清晰的图像、而在用户视点附近的旁中心区域产生近视离焦的图像的用于近视防控的光场显示系统。
4.在所述背景技术部分，公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术信息。


技术实现要素：

5.本技术旨在提供一种用于近视防控的光场显示系统，能够在用户视点处产生清晰的图像，在用户视点附近的旁中心区域产生近视离焦的图像。
6.本技术提出一种用于近视防控的光场显示系统，包括显示组件，其能够产生对焦图像和离焦图像，所述对焦图像在用户视网膜上成像，所述离焦图像在用户视网膜前成像；眼动跟踪装置，用于追踪用户的眼球运动，并且计算出用户眼睛到所述显示组件的距离，得到用户的注视点位置；控制组件，用于根据所述眼动跟踪装置检测到的所述注视点位置，确定第一范围和第二范围，并使第一范围内的图像形成对焦图像，第二范围内的图像形成离焦图像。
7.根据本技术的一些实施例，所述显示组件包括第一显示装置和第二显示装置，所述第一显示装置用于产生对焦图像；所述第二显示装置用于产生离焦图像。
8.根据本技术的一些实施例，所述第一显示装置包括至少一个透明显示装置，和/或所述第二显示装置包括非透明显示装置。
9.根据本技术的一些实施例，所述第一显示装置和第二显示装置彼此平行。
10.根据本技术的一些实施例，所述第二显示装置和所述第一显示装置之间设置有折射材料、和/或机械或机电平移装置。
11.根据本技术的一些实施例，所述第一显示装置和第二显示装置彼此垂直，并通过在所述显示组件中进一步包括半反半透镜来实现所述对焦图像和离焦图像的合成。
12.根据本技术的一些实施例，所述半反半透镜是曲面半反半透镜。
13.根据本技术的一些实施例，所述显示组件是多层液晶显示装置，并且所述对焦图像和所述离焦图像位于所述多层液晶显示装置的不同的层中。
14.根据本技术的一些实施例，所述显示组件包括单个显示装置和用于提供折叠光路的光路折叠镜组。
15.根据本技术的一些实施例，所述显示组件包括单个显示装置和微透镜阵列，所述
微透镜阵列在至少两个微透镜的焦平面中形成空间图像，所述焦平面位于所述单个显示装置的前或后。
16.根据本技术的一些实施例，所述控制组件通过计算所述注视点附近像素与用户视线之间的夹角值来确定第一范围和第二范围，其中所述第一范围为所述夹角值不大于10度的像素区域，所述第二范围为所述夹角值大于10度且不大于20度的像素区域。
17.根据本技术的一些实施例，所述夹角值大于20度的所述像素区域内的图像是离焦图像或对焦图像。
18.根据本技术的一些实施例，所述第一显示装置和/或所述第二显示装置至用户眼睛的光程可调，用以产生不同强度的近视离焦效果：y＝1/(1/x+p)；其中p为目标离焦量，y为所述第二显示装置至用户眼睛的光程，x为所述第一显示装置到用户眼睛的光程。
19.根据本技术的技术构思，本技术用于近视防控的光场显示系统在视网膜黄斑中心凹旁的旁中心区域产生近视离焦图像，即将光线聚焦于视网膜前，能够产生控制眼轴的增长，有效控制用户的近视的加深。
20.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本技术。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1示出根据本技术示例实施例的防近视显示系统的结构示意图。
23.图2示出根据本技术一些实施例的防近视显示系统的结构示意图。
24.图3示出根据本技术另一实施例的防近视显示系统的结构示意图。
具体实施方式
25.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
26.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
27.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
28.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别
不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
29.本技术的提出一种用于近视防控的光场显示系统，能够在用户视点处产生清晰的图像，在用户视点附近的旁中心区域产生近视离焦的图像。
30.根据本技术的技术构思，本技术的近视防控的光场显示系统通过追踪用户的眼球运动，并且计算出用户眼睛到达显示装置的距离，可以得到用户的注视点位置。根据用户注视点位置，以及眼睛到显示装置的距离，计算出显示装置上注视点附近像素与用户视线之间的夹角，可以得到像素成像到视网膜上的位置。进而令显示装置所显示的图像，距离用户注视点0-10度范围内的像素点成像于显示装置的对焦显示层，而距离用户注视点10-20度范围内的像素点成像于显示装置的离焦显示层，就可以在用户视网膜10-20度范围内形成近视离焦图像。当用户注视点移动时，对焦区域与近视离焦区域也相应移动，使用户能够持续获得旁中心近视离焦刺激，又能够清晰看清图像。
31.下面将参照附图，对根据本技术实施例的用于近视防控的光场显示系统进行详细说明。
32.图1示出根据本技术示例实施例的用于近视防控的光场显示系统的结构示意图。
33.参见图1，示例实施例的用于近视防控的光场显示系统包括显示组件1、眼动跟踪装置2和控制组件3。
34.如图1所示，显示组件1能够产生对焦图像和离焦图像，对焦图像在用户视网膜上成像，离焦图像在用户视网膜前成像；眼动跟踪装置2用于追踪用户的眼球运动，并且计算出用户眼睛到显示组件1的距离，得到用户的注视点位置；控制组件3用于根据眼动跟踪装置2检测到的注视点位置，确定第一范围31和第二范围32，并使第一范围31内的图像形成对焦图像，第二范围32内的图像形成离焦图像。
35.根据示例实施例，显示组件1包括第一显示装置11和第二显示装置12，第一显示装置11用于产生对焦图像，第二显示装置12用于产生离焦图像；第一显示装置11设置于用户到第二显示装置12的视线路径上，眼动跟踪装置2用于计算用户视线到达第一显示装置11和第二显示装置12的距离，并得到用户的注视点位置。其中，第二显示装置12是液晶显示装置、投影仪、平板电脑、手机等具有显示功能的常规显示装置。
36.眼动跟踪装置2设置于第一显示装置11和/或第二显示装置12，眼动跟踪装置2用于追踪用户的眼球运动，在本技术的一些实施例中，眼动跟踪装置2单独设置于第一显示装置11或单独设置于第二显示装置12，而在本技术的其他实施例中，眼动跟踪装置2由多个装置阵列组成，根据跟踪精度需求，多个装置阵列分别设置于第一显示装置11和第二显示装置12，而当本技术的光场显示系统还包括安装支架时，眼动跟踪装置2可设置于安装支架。在本技术的实施例中，不局限于眼动跟踪装置2的具体物理设置点。
37.根据本技术的一些实施例，控制组件3可以根据光路追踪等技术确认第一显示装置11和第二显示装置12上的第一范围31和第二范围32的显示像素的光强度，并调节像素的透射率和反射率来实现入瞳区的不同区域所对应的离焦图像和对焦图像以不同的光强度显示，使得第一显示装置11和第二显示装置12的渐变区域变化柔和，使得对焦图像和离焦
图像之间转换自然，减缓用户在观看过程中的视觉疲劳。
38.根据本技术的一些实施例，第一显示装置11和第二显示装置12平行设置，平行设置的第一显示装置11和第二显示装置12可以减轻用户在观察过程中产生的视觉误差对成像效果的影响，导致对焦图像和离焦图像的过渡效果不对称，降低本技术的光场显示系统对于防控近视的效果，在本技术一些未示出的实施例中，由于用户感观上对于对焦图像和离焦图像的左右过渡效果是否对称不明显，第一显示装置11和第二显示装置12也可以呈一定夹角设置，本技术不局限于第一显示装置11和第二显示装置12平行设置。
39.在本技术的一些实施例中，显示组件1包括多层液晶显示装置，多层液晶显示装置具有多个液晶显示层，对焦图像和离焦图像位于所述多层液晶显示装置的不同的层中，用户在观察多层液晶显示装置的过程中，多层液晶显示装置显示对焦图像的层面在用户视网膜上成像，多层液晶显示离焦图像的层面在用户视网膜前成像，眼动跟踪装置2用于追踪用户的眼球运动，并且计算出用户眼睛到多个液晶显示层不同层面的距离，得到用户对应在多个液晶显示层中的注视点位置。控制组件3根据得到的用户对应在多个液晶显示层中的注视点位置，确定第一范围31和第二范围32，其中，第一范围31对应于多个液晶显示层中显示对焦图像的层面，第二范围32对应于多个液晶显示层中显示离焦图像的层面。
40.控制组件3可以根据光路追踪等技术确认多层液晶显示装置中不同层面显示装置的显示像素的光强度，并调节像素的透射率和反射率来实现入瞳区的不同区域所对应的离焦图像和对焦图像以不同的光强度显示，相关优化公式如下：
[0041][0042]
其中，i是期望显示图像的光强，φj∈r
p
×
l
是包含相应显示装置j的光束投射信息的点扩散选择函数，且φj是稀疏矩阵，j＝1,
…
,n，其中n为所述显示装置的总数，p表示入射光线个数，l表示显示装置的显示像素个数，tj∈rl
×
1包含相应显示装置j的各显示像素的光强信息，且tj＞0，k'、k1、k2
…
kn为基于所述显示装置上的显示像素的光强度和所述光学系统的光学参数预先设定的系数。
[0043]
如果调整多层液晶显示装置中不同层面显示装置的显示像素的光强度的控制组件3具有多个处理器，根据所述期望显示图像，执行优化计算，以确定各层液晶显示装置的显示像素处的光强、透射率或反射率，则相关优化公式如下：
[0044][0045]
其中，i是期望显示图像的光强，φj∈r
p
×
l
是包含相应显示装置j的光束投射信息的点扩散选择函数，且φj是稀疏矩阵，j＝1,
…
,n，其中n为所述显示装置的总数，p表示入射光线个数，l表示显示装置的显示像素个数，tj∈r
l
×1包含相应显示装置j的各显示像素的光强信息，且tj＞0，
[0046]
φ
′
h∈r
p
×q是包含所述反射式光场调制组中相应空间光调制器h的光束投射信息的稀疏矩阵，h＝0,1,
…
,i，i为反射式光场调制组中的空间光调制器的总数，0＜＜i＜＜m，m为所述一个或多个空间光调制器的总数，t
′
h∈rq×1包含反射式光场调制组中相应空间光
调制器h的各调节像素的透射率或反射率，其中q表示空间光调制器的调节像素个数，
[0047]
φ
″
v∈r
p
×q是包含所述透射式光场调制组中相应空间光调制器v的光束投射信息的稀疏矩阵，v＝0,1,
…
,m-i，m-i为所述透射式光场调制组中的空间光调制器的总数，t
″
v∈rq×1包含透射式光场调制组中相应空间光调制器v的各调节像素的透射率或反射率。
[0048]
多层液晶显示装置中所能产生的虚拟图像的最大分辨率由多个液晶显示装置共同决定，最大分辨率其中dpi1、dpi2分别为不同液晶显示装置的分辨率。
[0049]
根据本技术的另一实施例，显示组件1包括单个显示装置和用于提供折叠光路的光路折叠镜组(pancake光路)，其中用于提供折叠光路的光路折叠镜组的可改变显示图像的偏振性，基于这种特性，用于提供折叠光路的光路折叠镜组使光线选择性地在光路中折返或不经过折返，从而选择性地改变光程，令单一显示装置上的图像也能够同时成像于不同层面，或者在不同时间成像于不同层面。进一步地，可将其中距离用户最近的层面视作第一显示装置11，用于产生对焦图像，将单个显示装置视作第二显示装置12，用于产生离焦图像。
[0050]
根据本技术的另一实施例，显示组件1包括单个显示装置和微透镜阵列，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。它和传统透镜一样，最小功能单元也可以是球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜中的一种或多种，微透镜阵列同样能在微光学角度实现聚焦、成像，光束变换等功能，而且因为单元尺寸小、集成度高，使得微透镜阵列能构成许多新型的光学系统，完成传统光学元件无法完成的功能，在本技术的实施例中，微透镜阵列在至少两个微透镜的焦平面中形成空间图像，焦平面位于单个显示装置的前或后。
[0051]
控制组件3通过计算注视点附近像素与用户视线之间的夹角值来确定第一范围31和第二范围32，根据本技术的技术构思，其中第一范围31为夹角值不大于10度的像素区域，第二范围32为夹角值大于10度且不大于20度的像素区域。根据前述的现有研究表明，在用户视网膜黄斑中心凹旁的旁中心区域，产生近视离焦图像，即光线聚焦于用户视网膜前，能够产生控制用户眼轴的增长，控制用户近视的加深。进一步地，在用户视网膜旁中心10度-20度的范围，近视离焦图像对控制近视进展最有效。控制组件3通过控制显示组件1的成像效果，在夹角值不大于10度的像素区域显示对焦图像，在夹角值大于10度且不大于20度的像素区域显示离焦图像，实现对用户的近视防控。而根据本技术的技术构思，对于夹角值大于20度的像素区域显示离焦图像或对焦图像，具体成像的层面可位于第一显示装置11和/或第二显示装置12，本技术不局限于夹角值大于20度的像素区域的具体成像平面。
[0052]
根据一些实施例，本技术的显示组件的渲染算法需要对矩阵进行非负矩阵分解(non-negative matrix factorization，nmf)，依据这种渲染算法，在多个透明显示装置中可以光场矩阵分解，形成更大列秩(rank)的矩阵，进而使得成像效果的误差较小。
[0053]
根据本技术的技术构思，第一显示装置11和第二显示装置12至用户眼睛的光程可调，用以产生不同强度的近视离焦效果：
[0054]
y＝1/(1/x+p)；
[0055]
其中p为目标离焦量，y为第二显示装置12至用户眼睛的光程，x为第一显示装置11到用户眼睛的光程。
[0056]
根据本技术的技术构思，由于眼睛对周边视野区域的感光能力不强，处于第二范
围32以外的视野区域对应的周边视野图像可以直接提供给眼睛观看。因此，周边视野区域的图像可以单独显示离焦图像或对焦图像之一，或者同时显示离焦图像和对焦图像。
[0057]
由于眼睛对处于盲点视野区域中的虚拟图像没有感光能力，因此，对于参与形成盲点视野区域中的虚拟图像的显示像素和调节像素来说，显示像素的光强度和调节像素的光强度的透射率和反射率可以是任意数值。即，对应盲点视野中的产生离焦图像或对焦图像的显示装置来说，显示装置上所显示的图像也可以是随机图像或黑色图像。
[0058]
图2示出根据本技术一些实施例的用于近视防控的光场显示系统的结构示意图。
[0059]
参见图2，示例实施例的用于近视防控的光场显示系统包括显示组件1、眼动跟踪装置2和控制组件3。
[0060]
显示组件1能够产生对焦图像和离焦图像，对焦图像在用户视网膜上成像，离焦图像在用户视网膜前成像；眼动跟踪装置2用于追踪用户的眼球运动，并且计算出用户眼睛到显示组件1的距离，得到用户的注视点位置；控制组件3用于根据眼动跟踪装置2检测到的注视点位置，确定第一范围31和第二范围32，并使第一范围31内的图像形成对焦图像，第二范围32内的图像形成离焦图像。
[0061]
显示组件1包括第一显示装置11、第二显示装置12、折射材料和/或机械或机电平移装置13。当本技术的第一显示装置11为一个透明显示装置、第二显示装置12为一个非透明显示装置时，第一显示装置11和第二显示装置12相对眼睛之间的光程可调，由此产生不同强度的近视离焦效果：
[0062]
y＝1/(1/x+p)；
[0063]
其中p为目标离焦量，可选-5～-0.5d，优选-4～-2d，y为第二显示装置12至用户眼睛的光程，x为第一显示装置11到用户眼睛的光程。则第二显示装置12和第一显示装置11之间的实际距离d＇＝(y-x)/n，n为第二显示装置12和第一显示装置11之间介质的折射率。
[0064]
根据本技术的一些实施例，折射材料13是具有高折射率的透明材料，设置于第一显示装置11和第二显示装置12之间，用于增加第一显示装置11和第二显示装置12之间的光程，本技术的折射材料13包括有机玻璃、环氧树脂材料、透明涂膜材料等常见高折射率透明材料中的一种或多种。
[0065]
例如，设第一显示装置11到用户眼睛的光程为0.25m，需要产生-2d(diopter，屈光强度单位，1/m)的离焦量，则第二显示装置12至用户眼睛的光程y＝1/(1/0.25+(-2))＝1/(4-2)＝1/2＝0.5m，对焦显示装置与离焦显示装置之间的光程＝0.5m-0.25m＝0.25m，如果使用折射率为1.5的折射材料和/或机械或机电平移装置13填充两者之间，则第二显示装置12于第一显示装置11之间的实际距离为0.25/1.5＝0.1667m。
[0066]
图3示出根据本技术另一实施例的用于近视防控的光场显示系统的结构示意图。
[0067]
参见图3，示例实施例的用于近视防控的光场显示系统包括显示组件1、眼动跟踪装置2和控制组件3。显示组件1能够产生对焦图像和离焦图像，对焦图像在用户视网膜上成像，离焦图像在用户视网膜前成像；眼动跟踪装置2用于追踪用户的眼球运动，并且计算出用户眼睛到显示组件1的距离，得到用户的注视点位置；控制组件3用于根据眼动跟踪装置2检测到的注视点位置，确定第一范围31和第二范围32，并使第一范围31内的图像形成对焦图像，第二范围32内的图像形成离焦图像。
[0068]
显示组件1包括第一显示装置11、第二显示装置12和半反半透镜14。利用半反半透
镜14，可以将第一显示装置11、第二显示装置12组合，其中第二显示装置12的像(或实体)位于更远的位置，作为第二显示层，而第一显示装置11经过半反半透镜14所成的像(或实体)位于更近的位置，作为第一显示层。
[0069]
其中，半反半透镜14可以是平面的，也可以是曲面的，优选为曲面半反半透镜。当使用曲面半反半透镜时，第一显示装置11、第二显示装置12的大小可设置为不同，通过曲面的反射作用能够使图像放大，或者使成像远离，形成更强的视网膜近视离焦图像。
[0070]
根据本技术的另一实施例，第一显示装置11和第二显示装置12彼此垂直，并通过半反半透镜14来实现对焦图像和离焦图像的合成。
[0071]
在半反半透镜之前，还可以光学的放置一个具有折射或反射作用的光学元件，其可以使得从半反半透镜反射或透射的光经过该光学元件的折射或反射进入眼睛。例如，该光学元件可以是对入射到其上的光起汇聚作用的一个或多个光学透镜，如凸透镜。进一步地，本实施例中的光学系统还可以是光波导。
[0072]
以上对本技术实施例进行了详细描述和解释。应清楚地理解，本技术描述了如何形成和使用特定示例，但本技术不限于这些示例的任何细节。相反，基于本技术公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
[0073]
通过对示例实施例的描述，本领域技术人员易于理解，根据本技术实施例的技术方案至少具有以下优点中的一个或多个。
[0074]
根据本技术的示例实施例，本技术的用于近视防控的光场显示系统能够在用户视点处产生清晰的图像，在用户视点附近的旁中心区域产生近视离焦的图像。
[0075]
根据本技术的示例实施例，本技术的近视防控的光场显示系统通过追踪用户的眼球运动，并且计算出用户眼睛到达显示装置的距离，可以得到用户的注视点位置。根据用户注视点位置，以及眼睛到显示装置的距离，计算出显示装置上注视点附近像素与用户视线之间的夹角，可以得到像素成像到视网膜上的位置。进而令显示装置所显示的图像，距离用户注视点0-10度范围内的像素点成像于显示装置的对焦显示层，而距离用户注视点10-20度范围内的像素点成像于显示装置的离焦显示层，就可以在用户视网膜10-20度范围内形成近视离焦图像。当用户注视点移动时，对焦区域与近视离焦区域也相应移动，使用户能够持续获得旁中心近视离焦刺激，又能够清晰看清图像。
[0076]
根据本技术的示例实施例，本技术用于近视防控的光场显示系统在视网膜黄斑中心凹旁的旁中心区域产生近视离焦图像，即将光线聚焦于视网膜前，能够产生控制眼轴的增长，有效控制用户的近视的加深。
[0077]
以上具体地示出和描述了本技术的示例性实施例。应可理解的是，本技术不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本技术意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。