显示装置和显示方法与流程

本发明涉及显示领域，尤其涉及一种显示装置和显示方法。
背景技术：
：虚拟现实技术是指将现实场景虚拟化并生成虚拟图像，然后通过融合将组合的图像通过显示装置呈现给观看者。一种传统的虚拟现实显示方案如图1所示，包括：显示屏101、第一透镜111和第二透镜112。显示屏101用于显示图像。显示屏101可以是被分成两个显示区域用于分别显示左眼图像和右眼图像的单个显示屏，也可是分别显示左眼图像和右眼图像的两个显示屏。分别针对左眼图像和右眼图像设置第一透镜111和第二透镜112，使透镜的焦距大于显示屏到透镜的距离，从而使透镜起到放大镜的效果，因此双眼可看到各个放大正立的虚像并在大脑中进行融合，产生立体视觉。然而，传统的显示技术中使用的透镜较厚重，并且单透镜会引进光学像差，引起观看者视觉不适。同时，利用这种基于透镜的成像技术不能提供景深可调整的虚拟图像。技术实现要素：本发明的至少一个实施例提供了一种显示装置和显示方法，以改进观看者的视觉舒适性或提供景深可调整的虚拟图像。根据本发明的一个方面，提出了一种显示装置，包括：显示单元，具有多个像素；准直化单元，用于将显示单元的出光方向的光线进行准直化，得到准直光；以及调节单元，用于使得准直光发生偏折，从而使显示单元中不同位置的像素成像于不同的景深处。优选地，所述显示单元中的多个像素排列为阵列，所述多个像素中的每个像素发出的光至少包括第一部分光和第二部分光；所述调节单元包括多个子调节单元，其中分别针对第一部分光和第二部分光设置第一子调节单元和第二子调节单元，使得第一部分光的第一折射角度与第二部分光的第二折射角度不同。优选地，针对显示单元的奇数行像素，所述第一子调节单元和第二子调节单元被设置为使得第一部分光和第二部分光会聚在第一景深处；以及针对显示单元的偶数行像素，所述第一子调节单元和第二子调节单元被设置为使得第一部分光和第二部分光会聚在与第一景深不同的第二景深处。优选地，对于显示单元中相邻的奇数行像素和偶数行像素，所述第一子调节单元和第二子调节单元被设置为使得其中一行像素发出的第一部分光与另一行像素发出的第二部分光会聚在第三景深处，所述第三景深位于第一景深和第二景深之间。优选地，针对所述一行像素发出的第二部分光的子调节单元和针对所述另一行像素发出的第一部分光的子调节单元被设置为使得针对相应子调节单元的准直光发生全反射。优选地，所述第一景深和第一景深中的一个位于与显示单元的出光相反方向的0.20米到0.30米的范围内，第一景深和第二景深中的另一个位于与显示单元的出光相反方向的3米到5米的范围内。根据本发明实施例的另一方面，提供了一种显示装置的显示方法，所述显示装置包括：显示单元，具有多个像素；准直化单元，用于将显示单元的出光方向的光线进行准直化，得到准直光；以及调节单元，用于使得准直光发生偏，从而使显示单元中不同位置的像素发出的光成像于不同的景深处；所述显示方法包括：在第一时段，在显示单元的奇数行或偶数行显示第一图像帧，所述第一图像帧经所述调节单元偏折成像于第一景深处；在第二时段，在显示单元的偶数行或奇数行显示与第一图像帧不同的第二图像帧，所述第二图像帧经所述调节单元偏折成像于与第一景深不同的第二景深处。优选地，第一图像帧包括前景图像，第二图像帧包括背景图像。优选地，所述方法还包括第三时段，其中在显示单元上显示至少第三图像帧，所述第三图像帧经所述调节单元偏折成像于第三景深处，所述第三景深在第一景深和第二景深之间。根据本发明实施例，准直化单元将显示单元的出光方向的光线进行准直化，并由调节单元使得准直光发生偏折，从而使显示单元中不同位置的像素发出的光成像于不同的景深处，对于观看者实现了虚拟近眼显示并且所成图像的景深可以调整，以尽可能地还原真实对象。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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，图中：图1示出了一种传统虚拟显示装置的结构示意图；图2示出了根据本发明实施例的显示装置的示意截面图；图3示出了根据本发明实施例的显示装置的示意光路图；图4示出了根据本发明实施例的第一示例准直单元的示意图；图5A示出了根据本发明实施例的第二示例准直单元的示意图；图5B示出了图5A中的准直单元的光路图；图6示出了根据本发明实施例的调节单元的示意光路图；图7示出了根据本发明实施例的调节单元折射光线的光路图；图8示出了根据本发明实施例的显示方法的流程图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或科学术语应当是本领域技术人员所理解的通信意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似词语并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区分不同的组成部分。本发明实施例提供了一种显示装置和显示方法，下面结合附图进行详细描述。图2示出了根据本发明实施例的显示装置的示意截面图。如图2所示，显示装置200包括显示单元210、准直化单元220和调节单元230。显示单元210具有多个像素。准直化单元220设置在显示单元210的出光侧，将显示单元210的出光方向的光线进行准直化，得到准直光。调节单元230使得准直光发生偏折，从而使显示单元中不同位置的像素发出的光成像于不同的景深处。图3示出了根据本发明实施例的显示装置200的示意光路图。如图3所示，显示单元210具有排列为阵列的多个像素210_1、......210_i、210_N，每个像素210_i可以发出例如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的光。为了便于演示，图中将一个像素210_i示出为包括用不同阴影表示的三部分，分别发出红光、绿光和蓝光，本领域技术人员可以理解，图中所示的结构不是必需的，只要一个像素能够发出具有相应颜色的光即可。为了便于区分，图中将红光表示为实线、将绿光表示为虚线、将蓝光表示为点划线。如图3所示，显示单元210发出的光线入射到准直化单元220，准直化单元220对显示单元的出光方向的光进行准直化，得到准直光。准直光入射到调节单元230，调节单元230使得入射的准直光发生偏折，从而使显示单元中不同位置的像素发出的光成像于不同的景深处。对于人眼EYE，在视觉上能够看到显示单元中不同像素发出的光成像于不同的景深处。应注意，根据本发明实施例，术语“偏折”(deflect)是指经过光学元件的折射或反射，光偏离了原有的方向。图4示出了根据本发明实施例的第一示例准直单元的示意图。如图4所示，根据本发明实施例第一示例的准直单元420可以包括遮挡结构423和透镜425。可以将显示单元210中包括的像素210_i视为点光源，针对每个像素210_i设置相应的透镜425并将像素210_i放置于透镜425的焦点处，H是透镜425的焦距，D是像素开口区的直径。对于透镜425的透镜孔径内的光，经过透镜425折射后成为平行光，从而使像素210_i发出的发散光被准直化为准直光。此外，遮挡结构423遮挡了可能存在于透镜孔径以外的光，进一步改进了准直单元出光的准直化。例如，遮挡结构423可以由层叠的多个黑色遮光层构成。图5A示出了第二示例准直单元520的结构示意图，图5B示出了图5A中准直单元520的光路图。如图5A所示，准直单元520可以包括凸透镜521和抛物面反射镜523。可以将显示单元210中包括的像素210_i视为点光源，针对每个像素210_i设置相应的凸透镜521和抛物面反射镜523并将像素210_i放置于凸透镜521和抛物面反射镜523的焦点F处。对于凸透镜521的透镜孔径内的光，经过凸透镜521折射后成为平行光，从而使像素210_i发出的发散光被准直化为准直光。此外，抛物面反射镜523对凸透镜521的孔径以外的光线进行准直化处理。同时，抛物面反射镜523也避免了来自其他相邻像素的杂散光。根据本发明实施例，显示单元210中包括的每个像素发出的光可以包括至少第一部分光和第二部分光，调节单元230被设置为使所述每个像素发出的第一部分光和第二部分光偏折不同的角度。图6示出了根据本发明实施例的调节单元230调节光线的示意图。图6中以4个像素2101、2102、2103和2104为示例来描述调节单元230如何调节光线。为了图示清楚，图6中省略显示单元210和调节单元230之间的准直单元。例如对于第一像素2101，经过准直单元处理后得到的光束可以包括第一部分光L11和第二部分光L12，类似地，第二像素2102发出的光可以包括第一部分光L21和第二部分光L22，第三像素2103发出的光可以包括第一部分光L31和第二部分光L32，以及第四像素2104发出的光可以包括第一部分光L41和第二部分光L42。分别针对第一像素2101的第一部分光L11和第二部分光L12设置第一子调节单元2301_1和第二子调节单元2301_1。类似地，分别针对第二像素2102至第四像素2104的各个第一部分光和第二部分光设置子调节单元。尽管图6将调节单元230示出为包括由棱镜构成的多个子调节单元，本领域技术人员可以理解，可以使用例如凸透镜、菲涅尔透镜、光栅、液晶透镜等其他方式来实现调节单元230，只要能够将从同一像素发出的不同部分光偏折不同角度即可。以第一像素2101为例，分别针对第一像素2101的第一部分光L11和第二部分光L12设置第一子调节单元2301_1和第二子调节单元2301_1。图7示出了由第一像素2101发出的第一部分光和第二部分光的折射光路图。接下来将结合图6和图7来详细描述根据本发明实施例的子调节单元的折射原理。应注意，根据本发明实施例第一部分光和第二部分光可以是包括例如R、G和B的混合光，为了图示清楚，图6和图7中将混合光等效为一个光线并且将调节单元等效示出为棱镜。如图7所示，第一像素2101发出的光经过准直单元(未示出)准直化后分别得到准直化的第一部分光L11和第二部分光L12，分别针对L11和L12设置第一子调节单元2301_1和第二子调节单元2301_1，作为示例，将第一子调节单元2301_1和第二子调节单元2301_1示出为棱镜。θ1是光L11到第一子调节单元2301_1的入射角，θ2是光L12到第二子调节单元2301_2的入射角，即，θ1和θ2分别是入射光L11和L12与棱镜斜面法线的夹角。经棱镜折射后，光L11的折射光L11’与法线的夹角是θ′1，光L12的折射光L12’与法线的夹角是θ′2。当折射光L11’和L12’进入人眼，经人眼成像后会聚到空间中的一个点A，即，人眼看到第一像素2101的像位于点A处。α是点A发出的光相对于人眼的夹角(发散角)，α＝α1+α2。发散角α的大小决定了点A(即，第一像素2101的像)到人眼的垂直距离，α越大，点A到人眼的垂直距离越近，即人眼感觉第一像素2101距离越近，反之，α越小，点A到人眼的垂直距离越远，即人眼感觉第一像素2101距离越远。由光的折射定律，可知其中，n1是棱镜的折射率，n2为外部介质(例如空气)的折射率，根据几何关系，α1＝θ1′-θ1α2＝θ2′-θ2θ1′≥θ1θ2′≥θ2由以上公式可得α＝α1+α2＝θ1′+θ2′-θ2-θ1(公式2)对于以上公式(1)和公式(2)，其中n1、n2已知。假定第一像素2101的像所在的a点处于与显示单元所在平面平行的平面A中，将平面A到人眼的垂直距离D称为景深，当希望成像于给定景深处时，能够根据第一像素2101的大小(与显示单元的分辨率相关)以及第一像素2101到人眼的实际垂直距离来确定出相应的发散角α，因此可以由公式(1)和公式(2)来得到对应等效棱镜的夹角。例如，如果希望平面A到人眼的垂直距离D(景深)是20cm，能够确定对应的发散角为0.86°，即α＝0.86，例如，假定n1＝1.5，n2＝1.0，θ1＝0.5°，则由公式(1)和公式(2)可以计算出θ′1＝0.75°，θ2＝1.8°，θ′2＝1.2°。因此，根据本发明实施例，能够针对每个像素发出的各部分光灵活地设计子调节单元来得到预定景深。本领域技术人员可以设想，可以实际情况预先计算预定景深与发散角α之间的对应关系。以下表1示出了预定景深与发散角α之间的对应关系示例。其中，景深D在20cm-50cm之间是人眼的近视力感觉比较舒适的距离范围，景深D在1m-3m之间是人眼的远视力感觉比较舒适的距离范围。表1景深D空间发散角d20cm0.86°35cm0.49°50cm0.34°1m0.17°2m0.086°3m0.057°无穷远0如上所述，利用第一子调节单元2301_1和第二子调节单元2301_1，能够将第一像素2101的像成像于景深D为20cm的第一景深处。如图6所示，对于第三像素2103，可以与第一像素2101相同地设计对应的第一子调节单元2303_1和第二子调节单元2303_1，将第三像素2103的像同样成像于景深D为20cm的第一景深处。类似地，尽管图中未示出，例如可以针对第五像素、第七像素......等显示单元210的奇数行像素均相同地设计对应的子调节单元，使得所有奇数行像素同样成像于景深D为20cm的第一景深处，从而当显示单元210的奇数行像素显示第一图像帧时，可以在第一景深处形成第一图像帧的像。例如，第一图像帧可以是人物等前景图像。此外，对于第二像素2102，可以设计对应的第一子调节单元2302_1和第二子调节单元2302_1，将第二像素2102的像成像于景深D为例如3m的第二景深处。类似地，例如可以针对第四像素2104、第六像素、第八像素......等显示单元的偶数行像素均相同地设计对应的子调节单元，使得所有偶数行像素同样成像于景深D为3m的第二景深处，从而当显示单元210的偶数行像素显示第二图像帧时，能够在第二景深处形成第二图像帧的像。例如，第二图像帧可以是风景等背景图像。本领域技术人员可以理解，以上第一图像帧和第二图像帧的显示方式仅为示例，可以将奇数行图像成像于第二景深处而将偶数行图像成像于第一景深处，当然也可以使用其他显示方式。此外，如图6所示，例如第一像素2101的第一部分光L11和第二像素2102的第二部分光L21可以会聚在位于第一景深和第二景深之间的第三景深处，即成像于第三景深处，可以将这种成像方式称作“像素借用”。当在显示单元210显示第三图像帧时，可以进行控制，使得针对第一像素2101的第一部分光L11的子调节单元2301_1和针对第二像素2102的第二部分光L22的子调节单元2302_2对入射到子调节单元2301_1和子调节单元2302_2的相应准直光进行折射，同时针对第一像素2101的第二部分光L12的子调节单元2301_2和针对第二像素2102的第一部分光L21的子调节单元2302_1使入射到子调节单元2301_2和子调节单元2302_1的相应准直光发生全反射；使得针对第三像素2103的第一部分光L31的子调节单元2303_1和针对第四像素2104的第二部分光L42的子调节单元2304_2对入射到子调节单元2303_1和子调节单元2304_2的相应准直光进行折射，同时针对第三像素2103的第二部分光L32的子调节单元2303_2和针对第四像素2104的第一部分光L41的子调节单元2304_1使得入射到子调节单元2303_2和子调节单元2304_1的相应准直光发生全反射；......依次类推，由此能够在第一景深和第二景深之间的第三景深处形成第三图像帧的像。例如，当由液晶透镜或光栅实现调节单元时，可以通过在相应时段开启子调节单元2301_1、2302_2、2303_1和2304_2以及关闭应子调节单元2301_2、2302_1、2303_2和2304_1，来实现以上实施例。本领域技术人员可以理解，以上像素借用方式仅为示例，可以根据实际需要，通过控制显示单元210对于奇数行图像(第一帧图像)、偶数行图像(第二帧图像)和完整图像(第三帧图像)的显示时序，并结合对于子调节单元的开启和关闭的控制，在第一景深和第二景深之间的任意第三景深处形成第三图像帧的像。例如，以液晶透镜或光栅实现调节单元为例，在显示的第一时段，开启所有子调节单元，且显示单元210显示仅包括奇数行图像的第一图像帧，该第一图像帧成像于第一景深处；在显示的第二时段，开启所有子调节单元，且显示单元210显示仅包括偶数行图像的第二图像帧，该第二图像帧成像于第二景深处；以及在显示的第三时段，开启子调节单元中的一部分并关闭子调节单元中的另一部分，且显示单元210显示包括完整图像的第三图像帧，该第三图像帧成像于位于第一景深和第二景深之间的第三景深处。根据本发明实施例，当调节单元通过使入射的准直光发散来使对应像素成像时，可能会存在显示单元的边缘部分的像素发出的光不能进入人眼的问题。如上所述，当计算调节子单元的参数θ′1、θ2和θ′2时，预先设定了折射率n1、n2和发散角α以及θ1和θ2之一。对于给定景深D，发散角α是预定的，可以根据对应像素所处的区域来设定n1、n2和θ1或θ2中的至少一个，使得该像素越远离显示单元中心的位置，则相应地将θ′1或θ′2越小，从而即使对于显示单元的边缘区域的像素，人眼也能够看到该像素发出的光。例如，当调节单元230由棱镜或透镜实现时，折射率n1和n2是固定的，可以调整θ1或θ2的值。例如，对应像素所处的区域距离人眼的直线距离越远，即，该像素越远离显示单元中心的位置，可以相应将θ1或θ2设置的越小，对应像素所处的区域距离人眼的直线距离越近，即，该像素越靠近显示单元中心的位置，则相应将θ1或θ2设置的越大，使得对于显示单元的边缘区域的像素，即使调节单元使入射光发散，人眼也能够看到该像素发出的光。因此，在设计根据本发明实施例的各个子调节单元时，本领域技术人员可以根据实际情况，例如显示单元210的显示区的大小以及人眼到显示单元所处平面的垂直距离来设置基准θ1或θ2值，并按照对应像素所处的位置来相应增大或减小θ1或θ2的值。此外，当调节单元230由例如液晶透镜实现时，可以根据施加到液晶透镜上的电压来改变液晶透镜的折射率，即折射率n1和n2是可变的，因此能够更加灵活地调整θ′1或θ′2的值，使得显示单元的边缘区域的像素的折射光也能够被人眼看到。根据本发明实施例，还提出了一种根据本发明实施例的显示装置的显示方法。图8示出了根据本发明实施例的显示方法的流程图。应注意，以下方法中各个步骤的序号仅作为该步骤的表示以便描述，而不应被看作表示该各个步骤的执行顺序。除非明确指出，否则该方法不需要完全按照所示顺序来执行。如图8所示，根据本发明实施例的显示方法80可以包括以下步骤。在步骤S801，在第一时段，在显示单元的奇数行或偶数行显示第一图像帧，所述第一图像帧经所述调节单元偏折成像于第一景深处；在步骤S803，在第二时段，在显示单元的偶数行或奇数行显示与第一图像帧不同的第二图像帧，所述第二图像帧经所述调节单元偏折成像于与第一景深不同的第二景深处。例如，第一图像帧可以是例如针对人物等前景对象的第一图像序列中的一帧，第二图像帧可以是例如针对风景等背景对象的第二图像序列中的一帧。可以控制显示单元周期性地执行以上步骤S801和S803，从而观看者在视觉上能够看到包括第一景深处的前景对象和第二景深处的背景对象在内的图像序列。根据本发明实施例的显示方法还可以包括第三时段，其中显示单元显示至少第三图像帧，所述第三图像帧经调节单元偏折成像于第三景深处，所述第三景深在第一景深和第二景深之间。优选地，可以通过相邻像素发出的不同部分光之间的借用来实现第三图像帧的显示。例如，可以控制显示单元210，在显示的第一时段，开启所有子调节单元，且显示单元210显示仅包括奇数行图像或偶数行图像的第一图像帧，该第一图像帧成像于第一景深处；在显示的第二时段，开启所有子调节单元，且显示单元210显示仅包括偶数行或奇数行图像的第二图像帧，该第二图像帧成像于第二景深处；以及在显示的第三时段，开启子调节单元中的一部分并关闭子调节单元中的另一部分使得入射到该另一部分子调节单元的准直光发生全反射，且显示单元210显示包括完整图像的第三图像帧，该第三图像帧成像于位于第一景深和第二景深之间的第三景深处。例如，第三图像帧可以是针对前景对象和背景对象之间的其他对象的第三图像序列中的一帧。可以控制显示单元周期性地执行以上显示第一图像帧、第二图像帧和第三图像帧的步骤，从而观看者在视觉上能够看到包括第一景深处的前景对象、第二景深处的背景对象以及第三景深处的其他对象在内的图像序列。本领域技术人员可以理解，显示第三图像帧的第三时段可以在第一时段和第二时段之间，也可以在第二时段之后。此外，尽管以上示例中仅描述了三个景深的情况，在显示单元210的刷新频率足够快的情况下，当然可以通过像素借用来实现更多景深，只要观看者在视觉上能够看到包括位于不同景深处的对应不同对象在内的图像序列即可。根据本发明实施例，准直化单元将显示单元的出光方向的光线进行准直化，并由调节单元使得准直光发生偏折，从而使显示单元中不同位置的像素发出的光成像于不同的景深处，对于观看者实现了虚拟近眼显示并且所成图像的景深可以调整，以尽可能地还原真实事物，而无需改变已有显示单元的物理结构。尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。当前第1页1 2 3