显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备与流程

本发明涉及显示技术领域，尤指一种显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备。

背景技术：

现阶段的投射型显示设备或三维立体显示设备都需要结合光学系统进行成像从而展现出特殊的显示效果，这些显示设备中往往集成了透镜或透镜组进行光学成像。举例来说，目前的虚拟现实(Virtual Reality)显示设备中，观看者的左眼和右眼是分别通过一片透镜来观看显示屏画面的，大脑将左眼和右眼所观看到的画图融合起来，从而观看到立体画面。

然而，由于现实中所使用的透镜并非理想透镜，在成像系统要求具有较大的视场角时，成像透镜在不同的视场角下的放大倍率有所差异，尤其是在轴外的视场内成像存在很大的畸变。通常情况下，在成像产生畸变时，与显示设备相连接的处理器应用相关软件会对畸变图像先进行预畸变处理，再将处理后的图像显示给观看者观看。但是在采用软件对显示图像进行预畸变处理时只能够对成像的形状恢复为规整形状，并不能对成像各部分的大小差异进行补偿，并且在使用软件进行预畸变处理时的处理数据量很庞大，会占用处理器较多的内存，影响系统的运行速度。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备，用以消除显示装置所显示图像的畸变，提升观看体验。

第一方面，本发明实施例提供一种显示装置的像素排列方法，所述显示装置包括显示屏，以及位于所述显示屏出光一侧的光学系统，所述显示屏包括多个像素；所述方法包括：

确定所述显示屏内均匀排布的各像素的原始位置所对应的视场角，以及中心像素的面积；

确定各所述视场角在所述光学系统中对应的畸变参数，以及各所述视场角在所述光学系统中对应于所述中心像素的缩放系数；

根据各所述视场角对应的畸变参数对各所述视场角对应的所述像素的位置进行调整，并根据各所述视场角对应于所述中心像素的缩放系数以及所述中心像素的面积对各所述视场角对应的所述像素的面积进行调整，使得按照调整后的各所述像素的位置及面积进行像素排列的显示屏通过所述光学系统后的成像无畸变。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述方法中，所述根据各所述视场角对应的畸变参数对各所述视场角对应的所述像素的位置进行调整，包括：

针对显示屏内的各像素，根据所述像素的原始位置所对应的视场角，以及该视场角对应的畸变参数，确定所述像素的真实成像位置；

以所述真实成像的平面作为显示屏所在的平面，将所述真实成像的位置调整为所述像素的位置。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述方法中，所述根据所述像素的原始位置所对应的视场角，以及该视场角对应的畸变参数，确定所述像素的真实成像位置，包括：

根据所述像素的原始位置所对应的视场角以及该视场角在所述光学系统的理想成像规则，确定所述像素的理想成像位置；

将所述理想成像位置转换为所述像素的理想像高；

根据所述理想像高以及所述视场角对应的畸变参数，确定所述像素的真实像高；

根据将所述真实像高以及与理想成像位置的对应关系，确定所述像素的真实成像位置。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述方法中，所述根据各所述视场角对应于所述中心像素的缩放系数以及所述中心像素的面积，对各所述视场角对应的所述像素的面积进行调整，包括：

针对显示屏内的各像素，根据所述像素的原始位置所对应的视场角，以及该视场角对应于所述中心像素的缩放系数，将所述中心像素的面积与所述缩放系数的乘积作为所述像素调整后的面积。

第二方面，本发明实施例提供一种显示装置，包括：显示屏，以及位于所述显示屏出光一侧的光学系统；其中，

所述显示屏包括多个像素，各所述像素按照上述像素排列方法进行排列。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述显示装置中，各所述像素以所述显示屏的中心对称分布；位于中心位置的所述像素的面积与其它所述像素的面积不相等；与中心位置的所述像素之间的距离相等的各所述像素的面积相等。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述显示装置中，所述光学系统的中心放大倍率小于边缘放大倍率，位于中心位置的所述像素的面积大于其它所述像素的面积；各所述像素的面积随着与中心位置的所述像素之间的距离的增大而减小。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述显示装置中，在位于穿过所述显示屏中心点的直线上的相邻两个所述像素的间距随着与中心像素之间的距离的增大而减小。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述显示装置中，所述光学系统的中心放大倍率大于边缘放大倍率，位于中心位置的所述像素的面积小于其它所述像素的面积；各所述像素的面积随着与中心位置的所述像素之间的距离的增大而增大。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述显示装置中，位于穿过所述显示屏中心点的直线上的相邻两个所述像素的间距随着与中心像素之间的距离的增大而增大。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述显示装置中，所述显示装置为虚拟现实显示装置和/或增强现实显示装置。

第三方面，本发明实施例提供一种近眼显示设备，包括上述任一显示装置。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备中，显示装置包括显示屏，以及位于显示屏出光一侧的光学系统，显示屏包括多个像素。通过确定显示屏内均匀排布的各像素的原始位置所对应的视场角，以及中心像素的面积；确定各视场角在光学系统对应的畸变参数，以及各视场角在光学系统中对应于中心像素的缩放系数；根据各视场角对应的畸变参数对各视场角对应的像素的位置进行调整，并根据各视场角对应于中心像素的缩放系数以及中心像素的面积对各视场角对应的像素的面积进行调整，使得按照调整后的各像素的位置及面积进行像素排列的显示屏通过光学系统后的成像无畸变。由于在既定显示装置的光学系统后，该学光系统的最大视场角，以及各视场角的畸变参数、各视场角所对应的放大倍率等均为该光学系统的已知数据。因此，在确定了显示屏内的各像素的原始位置的情况下，即可根据已知的畸变数据，对各原始位置所对应的视场角下的像素位置以及面积进行调整，那么调整之后的显示屏再通过同一光学系统成像后的显示画面则不再有畸变。本发明实施例提供的显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备直接对显示装置的像素进行反畸变调整，因此不需要再进行预畸变处理等操作，节省时间的同时提升了观看者的观看体验。

附图说明

图1为现有技术中显示装置的结构示意图；

图2a为现有技术中显示装置的像素排列结构示意图；

图2b为具有图1像素排列结构的显示屏的成像示意图；

图3为本发明实施例提供的显示装置的像素排列方法的流程图；

图4a为本发明实施例提供的视场角与畸变参数的关系曲线图；

图4b为本发明实施例提供的视场角与像高的关系曲线图；

图4c为本发明实施例提供的视场角与相对中心像素倍数的关系曲线图；

图5为本发明实施例提供的显示装置的像素排列的结构示意图之一；

图6为本发明实施例提供的显示装置的像素排列的结构示意图之二；

图7为本发明实施例提供的显示装置的像素成像效果图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备，用以消除显示装置所显示图像的畸变，提升观看体验。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备。

本发明实施例提供的显示装置的像素排列方法针对既定结构的显示装置，本发明实施例提供的显示装置的像素排列方法也是针对现有技术中上述既定结构的显示装置中所存在的技术问题所提出的。

如图1所示，本发明实施例提供的显示装置，包括：显示屏11，以及位于显示屏11出光一侧的光学系统12。如图1所示，显示屏11所显示的图像经过光学系统12的成像后被观看者观看，在本实施例中观看者所观看的成像为虚像。

进一步地，如图2a所示，显示屏11包括多个像素111。现有技术中显示屏11内的各像素111呈矩阵排列，各像素111的面积相等，且相邻两个像素111之间的间距相等。然而由于光学系统12(在图1中为单透镜)的中心放大倍率与边缘放大倍率存在一定的差异，会使各像素111的成像存在畸变。例如，在光学系统12的中心放大倍率小于边缘放大倍率时，会使得各像素111按照图2a所示的方式进行排列时成像如图2b所示。如图2b所示，在采用现有技术像素排列方式进行成像时，由于中心放大倍率小于边缘放大倍率，边缘的像素成像111’较大，中心的像素成像较小，显示图像产生枕形畸变。而为了消除这种畸变，现有技术所采用的方法为在显示图像的基础上做反畸变运算处理，可将图2b所示的枕形畸变进行校正，从而使观看者观看时看到的与图2a矩形像素排列相对应的矩形图像。由此可知，现有技术是在光学系统12成像之后，对成像进行反畸变处理，这对显示装置的系统运算能力具有较高的要求，无疑会对显示装置的处理器带来很大压力，且观看者是在畸变处理后才能观看到显示画面，而并不是直接观看到显示画面，因此在时间上也存在一定的延迟，给硬件带来压力又影响了观看者的观看体验。

有鉴于此，本发明实施例基于相同的显示装置结构，提出了一种显示装置的像素排列方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：

S301、确定显示屏内均匀排布的各像素的原始位置所对应的视场角，以及中心像素的面积；

S302、确定各视场角在光学系统中对应的畸变参数，以及各视场角在光学系统中对应于中心像素的缩放系数；

S303、根据各视场角对应的畸变参数对各视场角对应的像素的位置进行调整，并根据各视场角对应于中心像素的缩放系数以及中心像素的面积对各视场角对应的像素的面积进行调整。

在具体实施时，按照调整后的各像素的位置及面积进行像素排列的显示屏通过光学系统后的成像无畸变。这是因为在显示装置的结构确定之后，可以得到光学系统12的相关参数，例如，在本发明实施例提供的上述显示装置中，可以获得光学系统的入瞳、出瞳、视场、焦距、相对孔径等结构参数，还可以获得景深、像差等特征参数。其中，像差参数中就包括了各视场角在光学系统12对应的畸变参数以及各视场角在光学系统12中对应于中心像素的缩放系数。在得知了显示屏11内各像素111的原始位置，以及原始位置所对应的视场角，就可以确定出在该视场角下畸变数据，再根据畸变数据对原始位置处的像素111的位置和面积进行调整，也就是在显示屏的图像成像之前对显示屏内的各像素111进行对应于光学系统12的反畸变排列，这样在显示屏所显示的图像在经过同一个光学系统12的成像之后不再发生畸变。因此在采用本发明实施例提供的上述像素排列方法进行显示屏内的各像素的排列之后，不再需要对成像进行反畸变的处理，观看者可以直接观看到无畸变的图像。为显示装置的系统释放了原本进行图像反畸变处理所占用的大量内存，不仅节省了时间还可以提升观看者的观看体验。

具体地，在上述的步骤S303中，根据各视场角对应的畸变参数对各视场角对应的像素的位置进行调整，具体可以包括如下子步骤S3031-S3032：

S3031、针对显示屏内的各像素，根据像素的原始位置所对应的视场角，以及该视场角对应的畸变参数，确定像素的真实成像位置；

S3032、以真实成像的平面作为显示屏所在的平面，将真实成像的位置调整为像素的位置。

需要说明的是，在本发明实施例提供的上述像素排列方法中，各像素的原始位置是指各像素按照常规的矩阵排列方式进行排列时在显示屏中的相对位置。针对同一个光学系统而言，物面内某一点所发出的光线经过光学系统之后向像面内的某一点出射，而在像面内同一个点所发出的光线在经过同一个光学系统之后光线必经过物面的同一个点。本发明实施例提供的上述像素排列方法中，对各像素的位置进行调整的原理正是基于光路可逆的原理。在预先得知了光学系统在各个视场角下的畸变参数之后，针对物面(即显示屏所在的平面)上的任一像素，根据该像素所对应的视场角下的畸变参数，可以推导出光线走向，从而确定出该像素最终在像面的成像位置，而该成像位置是经过光学系统所带来的畸变之后的成像位置，那么根据光路可逆的原理，现将像面作为物面，将像面内各像素的成像位置作为像素调整之后的位置，再经过同一个光学系统成像之后，所得到新的像面的图像正是不存在位置偏差的显示图像。

进一步地，在上述的步骤S3031中，根据像素的原始位置所对应的视场角，以及该视场角对应的畸变参数，确定像素的真实成像位置，具体可以包括如下子步骤：

根据像素的原始位置所对应的视场角以及该视场角在光学系统的理想成像规则，确定像素的理想成像位置；

将理想成像位置转换为像素的理想像高；

根据理想像高以及视场角对应的畸变参数，确定像素的真实像高；

根据将真实像高以及与理想成像位置的对应关系，确定像素的真实成像位置。

可理解的是，在确定了光学系统的结构之后，可以在已知物点位置的前提下确定出该物点的理想成像点位置。该理想成像点距离光轴的垂直距离即为该成像点的理想像高。然而在实际应用中，光学系统是不可能理想成像的，那么在得知了光学系统的畸变数据前提下可以得到上述成像点的真实像高，例如可将成像点的理想像高乘以该位置视场角所对应的畸变系统得到该成像点的真实像高。进一步地，由于同一个成像点的理想像高与真实像高所对应的视场角是相同等，且理想像高与真实像高之间相差一个畸变系数，因此将真实像高转换为相应的位置坐标时与真实像高的位置坐标之间具有一定的比例关系，从而根据理想成像点的位置坐标即可确定上述物点的真实成像点的位置坐标。

举例来说，如图1所示的结构的显示装置中，已确定光学系统的视场角下与畸变参数的关系曲线如图4a所示，其中，横坐标表示畸变参数(DISTORTION)，纵坐标表示视场角(ANGLE)；光学系统的视场角与像高的关系曲线如图4b所示，其中，横坐标表示视场角，纵坐标表示像高，图4b中分别示出了理想像高与真实像高对应的两条曲线；光学系统的视场角下相对于中心像素的倍数关系曲线如图4c所示，其中，横坐标表示视场角，纵坐标表示相对中心像素的倍数。具体地，用P(x,y)表示显示屏中某像素的原始坐标；采用P’(x’,y’)表示像素P(x,y)的理想成像点的坐标；采用P”(x”,y”)表示经过调整后的上述像素的位置坐标。

具体来说，像素P(x,y)在经过光学系统成像后的理想成像点为P’(x’,y’)，而该成像点的理想像高为该点到光轴的垂直距离，因此该理想成像点的理想像高该理想成像点所对应的视场角为该点与光学系统光心的连线与光轴之间的夹角。由图4a可以得到该理想成像点所对应视场角下的畸变参数，由图4b可以得到该理想成像点所对应视场角下的真实像高，从而可以得到像素P(x,y)成像点的真实像高z”。由此即可得到真实像高z”所对应的坐标(x”,y”)，其中，x”＝z”×(x’/z’)，y”＝z”×(y’/z’)。以该坐标作为调后的像素位置坐标P”(x”,y”)，将显示屏内的各像素点均按照上述所述的方式进行像素位置的调整后，再经过光学系统的成像后，各像素点的成像点排列均匀呈矩阵，不会再发生位置偏移。

进一步地，在上述的步骤S303中，根据各视场角对应于中心像素的缩放系数以及中心像素的面积，对各视场角对应的像素的面积进行调整，具体可以包括如下步骤子步骤：

针对显示屏内的各像素，根据像素的原始位置所对应的视场角，以及该视场角对应于中心像素的缩放系数，将中心像素的面积与缩放系数的乘积作为像素调整后的面积。

具体地，在确定了像素的原始位置所对应的视场角后，即可根据图4c所示的视场角与相对中心像素倍数的关系曲线确定出该视场角下的像素的面积相对于中心像素面积的倍数，例如，在视场角为50度时，该位置处的像素面积为中心像素面积的0.74倍。由此，即可确定显示屏内各像素调整之后的面积。

综上所述，按照调整后的各像素的位置及面积进行像素排列的显示屏通过光学系统后的成像将不再存在畸变。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种显示装置，该装置的结构如图1所示，包括：显示屏11，以及位于显示屏出光一侧的光学系统12；其中，显示屏包括多个像素，各像素按照上述的像素排列方法进行排列。

进一步地，如图5所示，显示屏内的各像素以显示屏的中心对称分布；位于中心位置的像素P₀的面积与其它像素(如P₁-P₅)的面积不相等，如图5所示，像素P₃与中心像素P₀之间的距离与像素P₄与中心像素P₀之间的距离不相等，因此像素P₃与像素P₄的面积不相等。与中心位置的像素之间的距离相等的各像素的面积相等，如图5所示，像素P₁与像素P₅对称，像素P₁与中心像素P₀之间距离等于像素P₅与中心像素P₀之间的距离，因此像素P₁与像素P₅的面积相等。

由于本发明实施例提供的显示装置的像素排列是按照上述的像素排列方法进行排列的，由上述像素排列方法的说明可知，本发明实施例提供的显示装置的像素排列具有反畸变作用，因而显示屏所显示的图像在经过光学系统的成像之后并不会存在畸变。

以下分别以光学系统的中心放大倍率小于边缘放大倍率，以及光学系统的中心放大倍率大于边缘放大倍率两种情况对显示装置的像素排列结构进行说明。

在一种可能存在的情况中，当光学系统的中心放大倍率小于边缘放大倍率时，如图5所示，位于中心位置的像素P₀的面积大于其它像素(如P₁-P₅)的面积；且各像素的面积随着与中心位置的像素之间的距离的增大而减小，如图5所示，像素P₃与中心像素P₀之间的距离小于像素P₄与中心像素P₀之间的距离，由于光学系统越靠近边缘的位置的放大倍率越大，因此，在设计像素面积时，像素P₃的面积大于像素P₄的面积；同理，像素P₁的面积大于像素P₂的面积。

进一步地，在位于穿过显示屏中心点的直线上的相邻两个像素的间距随着与中心像素之间的距离的增大而减小。如图5中所示出的两条虚线上的像素，中心像素P₀、像素P₁和像素P₂在同一条直线上，由于光学系统越靠近边缘的位置的这么大倍率越大，因此中心像素P₀与像素P₁之间的距离大于像素P₁与像素P₂之间的距离；同理，中心像素P₀、像素P₃和像素P₄也在同一条直线上，且中心像素P₀与像素P₃之间的距离大于像素P₃与像素P₄之间的距离。

在另一种可能存在的情况中，当光学系统的中心放大倍率大于边缘放大倍率时，如图6所示，位于中心位置的像素Q₀的面积小于其它像素(如Q₁-Q₅)的面积；且各像素的面积随着与中心位置的像素之间的距离的增大而增大，如图6所示，像素Q₃与中心像素Q₀之间的距离小于像素Q₄与中心像素Q₀之间的距离，由于光学系统越靠近边缘的位置的放大倍率越小，因此，在设计像素面积时，像素Q₃的面积小于像素Q₄的面积；同理，像素Q₁的面积小于像素Q₂的面积。

进一步地，位于穿过显示屏中心点的直线上的相邻两个像素的间距随着与中心像素之间的距离的增大而增大。如图6中所示出的两条虚线上的像素，中心像素Q₀、像素Q₁和像素Q₂在同一条直线上，由于光学系统越靠近边缘的位置的放大倍率越小，因此中心像素Q₀与像素Q₁之间的距离小于像素Q₁与像素Q₂之间的距离；同理，中心像素Q₀、像素Q₃和像素Q₄也在同一条直线上，且中心像素Q₀与像素Q₃之间的距离小于像素Q₃与像素Q₄之间的距离。

由于光学系统在近轴的光学成像趋近于理想成像，因此，在近轴并不会产生畸变或畸变的程度很小。无论采用如图5所示的像素排列结构还是如图6所示的像素排列结构，各像素在经过各自的光学系统之后的各像素的成像效果均如图7所示，不再存在畸变，且各像素的面积均为中心像素的面积。

可以理解的是，本发明实施例中，每个像素可以包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，但并不限于此。

在具体应用中，本发明实施例提供的上述显示装置可作为虚拟现实显示装置，或增强现实显示装置，也可以为集成虚拟现实与增强现实为一体的显示装置。通过情况下虚拟现实显示装置为负畸变系统，因此在实际应用中，可采用如图5所示的像素排列结构。此外，在包括光学系统的显示装置结构如图1所示的结构时，无论这些显示装置为负畸变系统或正畸变系统，都可以采用本发明的思想对显示装置的像素进行调整以消除畸变，本发明实施例并局限于虚拟现实显示装置，其它采用本发明思想进行像素调整的显示装置均为本发明的保护范围之内。

此外，本发明实施例还提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括上述任一显示装置。在使用本发明实施例提供的近眼显示设备时，观看者所观看到的显示图像无畸变，显示图像各部分大小一致，观看体验较佳。

本发明实施例提供的显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备中，显示装置包括显示屏，以及位于显示屏出光一侧的光学系统，显示屏包括多个像素。通过确定显示屏内均匀排布的各像素的原始位置所对应的视场角，以及中心像素的面积；确定各视场角在光学系统对应的畸变参数，以及各视场角在光学系统中对应于中心像素的缩放系数；根据各视场角对应的畸变参数对各视场角对应的像素的位置进行调整，并根据各视场角对应于中心像素的缩放系数以及中心像素的面积对各视场角对应的像素的面积进行调整，使得按照调整后的各像素的位置及面积进行像素排列的显示屏通过光学系统后的成像无畸变。由于在既定显示装置的光学系统后，该学光系统的最大视场角，以及各视场角的畸变参数、各视场角所对应的放大倍率等均为该光学系统的已知数据。因此，在确定了显示屏内的各像素的原始位置的情况下，即可根据已知的畸变数据，对各原始位置所对应的视场角下的像素位置以及面积进行调整，那么调整之后的显示屏再通过同一光学系统成像后的显示画面则不再有畸变。本发明实施例提供的显示装置的像素排列方法、显示装置及近眼显示设备直接对显示装置的像素进行反畸变调整，因此不需要再进行预畸变处理等操作，节省时间的同时提升了观看者的观看体验。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。