一种大景深真三维增强现实显示方法及系统与流程

文档序号：14185627阅读：252来源：国知局

本发明涉及增强现实领域，具体涉及一种大景深真三维增强现实显示方法及系统。

背景技术：

增强现实技术是将数字方法生成的信息(包括虚拟物体，场景、数据、图像等)叠加到真实世界中的，以增强用户对客观环境的感知能力的技术。具有非常广阔的应用前景。随着技术的进步，人们已经开发了多种增强现实技术与系统。目前市场上的增强现实显示系统，主要基于双目视差原理，利用自由曲面、棱镜、波导等器件将二维图像投射到人的双眼中，形成立体视觉。这种技术不能提供真三维信息，会引起使用者的聚焦与汇聚竞争冲突问题，并引起视觉疲劳等不良反应。

基于全息原理的增强现实显示技术，利用重构的波前信息来显示三维虚拟场景。可以有效解决使用者的视觉疲劳问题。但是其三维效果、景深、视角受到了显示像素尺寸的制约。而且显示性能受到全息图巨大计算量的限制。

基于集成成像的增强现实显示技术，利用四维光场来显示三维虚拟场景。可以提供连续的水平、垂直视差和运动视差。较好地解决了聚焦与汇聚的竞争问题。但是这种系统的三维景深受到了集成成像系统景深的严重制约，只能在有限距离内实现虚拟三维信息与真实三维环境的正确叠加。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是克服背景技术中的缺点，提供一种大景深真三维增强现实显示方法及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种大景深真三维增强现实显示方法，该方法包括：光源照射由微显示器和透镜阵列组成的信息显示模组，在三维空间中得到虚拟真三维图像，然后经信息组合模组，虚拟真三维图像信息叠加到现实客观环境中，实现真三维增强现实显示；所述光源为由多个点光源组成的时序照明模组，点光源中心距离所述微显示器中心的距离不同，点光源发生近似球面波，照射信息显示模组，且所述微显示器不在透镜阵列的1倍焦距处，不同位置的点光源照射下，虚拟真三维图像叠加的深度不同，从而实现大景深真三维增强现实显示。

进一步地，不同的点光源按设定时序依次照明，同时微显示器按时序同步刷新显示信息。

一种大景深真三维增强现实显示系统，包括由多个点光源组成的时序照明模组、由微显示器和透镜阵列组成的信息显示模组、信息组合模组；点光源发生近似球面波，照射信息显示模组，在三维空间中得到虚拟真三维图像，然后经信息组合模组，虚拟真三维图像信息叠加到现实客观环境中，实现真三维增强现实显示。所述透镜阵列不在微显示器的1倍焦距处，且点光源中心距离所述微显示器中心的距离不同，不同位置的点光源照射下，虚拟真三维图像叠加的深度不同，从而实现大景深真三维增强现实显示。

进一步地，包括控制器，控制器与所述点光源和微显示器相连，控制器控制各个不同位置的点光源按设定时序依次照明，并控制微显示器按时序同步刷新显示信息。

进一步地，信息组合模组为离轴全息透镜、波导镜片、离轴半反射镜、自由曲面镜等。

进一步地，所述微显示器为透射式液晶(lcd)微显示器、反射式数字微镜(dmd)微显示器、反射式硅基液晶(lcos)微显示器等。

进一步地，所述透镜阵列为菲涅耳透镜阵列，球面透镜阵列等，优选为菲涅耳透镜阵列。

进一步地，所述微显示器为透射式液晶(lcd)微显示器，位于透镜阵列的两倍物方焦距内或者两倍像方焦距内，更优选位于透镜阵列的一倍物方焦距以内或者一倍像方焦距内；或所述微显示器为反射式微显示器，位于透镜阵列的两倍物方焦距内，更优选位于透镜阵列的一倍物方焦距以内。

进一步地，所述点光源位于垂直于所述微显示器所在平面的直线上。

进一步地，还包括反射镜、棱镜和耦合光栅；虚拟真三维图像经反射镜反射、棱镜折射、耦合光栅衍射后，叠加到现实客观环境中，实现真三维增强现实显示。

本发明的有益效果在于：

(1)解决了当前增强现实显示系统中图像景深受限制的问题，提供一种大景深真三维增强现实显示系统。

(2)解决了当前增强现实显示系统中观察者的聚焦与汇聚竞争冲突问题，提供一种大景深范围内的真三维图像信息。

(3)解决了当前增强现实显示系统景深控制机构复杂，响应速度低等问题，提供了一种能够实时响应的大景深真三维图像显示系统。

附图说明

图1和图2为实施例1所述的显示系统；

图3为实施例2所述的显示系统；

图4为实施例3所述的显示系统；

图5为实施例4所述的显示系统；

图6为实施例5所述的显示系统；

图7为实施例6所述的显示系统；

图8为本发明大景深成像原理图；

图9为实施例7所述的显示系统；

图10为实施例8所述的显示系统

图中，照明模组1、信息显示模组2、透射式液晶(lcd)微显示器21、透镜阵列22、反射式数字微镜(dmd)微显示器23、反射式硅基液晶(lcos)微显示器24、信息组合模组3、离轴全息透镜31、离轴抛物面镜32、自由曲面棱镜组33、波导镜片34、控制模组4、反射镜5、虚拟信息6、实际物体7、观察者眼睛8、棱镜9、耦合光栅10，其中，11、12、13表示照明模组1中不同的点光源，611、622、633分别表示不同光源照射信息显示模组在三维空间中得到虚拟三维图像，61、62、63表示不同景深处合成虚拟信息，71、72、73表示三维空间中不同位置的实际物体。

具体实施方式

如图8所示，照明显示模组由3个led点光源11、12和13组成，距离微显示器分别为s,s’和s”，三个点光源照明微显示器并通过透镜阵列分别形成图像611、622和633；所示图像611、622和633距离透镜阵列分别为d，d’，d”，并位于信息组合模组的一倍焦距内，其中图像633位于信息组合模组的一倍焦距处，611位于信息组合模组的顶点处。图像611、622和633通过信息组合模型分别形成图像61、62和63。其中61紧贴信息组合模组，63位于无穷远处，62位于两者之间。

在led点光源照明下，微显示器通过透镜阵列形成的图像611、622和633距离微透镜阵列的距离与led点光源的距离微显示器的距离存在如下关系：

图像景深：

其中f是透镜阵列的焦距，g是透镜阵列与微显示器之间的距离，d0是常数。pi是景深d处的像素大小，pl是透镜阵列的周期。由上式可知d是s的函数，即通过改变s即可改变d。系统中参数s可通过时序照明模组来调制的，通过合理设置s即可在信息显示模组的一倍焦距范围内获得连续的三维图像。这些图像通过信息显示模组即可获得距离信息显示模组0到无穷远的景深。

由上可知，可以通过调整点光源与信息显示模组之间的距离，即可实现景深的连续调节，从而实现大景深真三维增强现实显示。

本发明中，通过简单的单片机即可实现不同的点光源按设定时序依次照明，同时微显示器按时序同步刷新显示信息。

上述系统可应用于台式的显示系统，如实施例八，也可微型化，应用于三维增强现实显示眼镜，如实施例一～实施例七。

实施例一

本实施例提供一种透射式的大景深真三维增强现实显示眼镜，如图1、图2所示，包括嵌入式安装于镜腿的时序照明模组1、信息显示模组2、控制模组4和反射镜5，以及集成于镜片的信息组合模组3。所述时序照明模组有三个led点光源11、12、13组成，所述led点光源的中心到所述信息显示模组中心的距离不同。所述led点光源发出近似球面波，所述近似球面波照明信息显示模组2。所述信息显示模组2由透射式液晶(lcd)微显示器21和透镜阵列22构成。所述透镜阵列为菲涅耳透镜阵列，焦距为f，所述lcd微显示器位于透镜阵列的物方一倍焦距以内的0.1f处。lcd微显示器经点光源照射后，所显示的图像信息通过透镜阵列合成三维虚拟信息。所述三维虚拟信息通过反射镜5的反射改变方向，入射到信息组合模组3。所述信息组合模组3由离轴全息透镜构成，离轴角度60度。所述离轴全息透镜接收反射镜5的反射光线，将其汇聚在观察者眼睛8的瞳孔附近，在观察者前方空间中形成虚拟信息6(即虚拟真三维图像)。观察者前方三维空间中的实际物体7发出的光线可以顺利透过全息透镜不受影响。

所述控制模组4协调控制照明模组1和信息显示模组2，当照明模组中点光源12点亮时，信息显示模组通过图像刷新并结合信息组合模组在观察者前方中距离景深处合成虚拟信息62。当照明模组中点光源11点亮时，信息显示模组通过图像刷新并结合信息组合模组在观察者前方近距离景深处合成虚拟信息61。当照明模组中点光源13点亮时，信息显示模组通过图像刷新并结合信息组合模组在观察者前方远距离景深处合成虚拟信息63。

利用这种系统观察者通过单眼可看到大景深三维虚拟信息和实际场景的融合显示。