本发明涉及近眼显示领域，尤其涉及一种实现光场显示的近眼显示设备、近眼显示装置和屏幕。
背景技术
随着社会的发展，增强现实技术(英文：augmentedreality；简称：ar)和虚拟现实技术(英文：virtualreality；简称：vr)得到了越来越多的应用。增强现实技术将虚拟信息叠加在现实世界上供用户观看，虚拟现实技术提供一个完全的虚拟世界供用户观看，两者被广泛应用于医学、娱乐、教育、工业仿真等领域。
为了使得增强现实技术或虚拟现实技术提供的图像呈现3d效果，现有技术中一般通过具有一定视差的两幅2d图像，向用户提供3d图像的深度显示和感知，但是这种方式会导致用户的视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突，具体来讲，用于显示2d图像的显示屏距离人眼的距离是静止不变的，例如显示屏上显示的五千米远的山峰和一米远的咖啡杯，两个对象的光线都以相同的角度进入人眼，因此用户对山峰和咖啡杯这两个对象的辐轴调节程度相同，这与用户对山峰和咖啡杯的感知深度发生了冲突，使得用户容易出现头晕、恶心等不适，从而大大降低了用户体验。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种实现光场显示的近眼显示设备、近眼显示装置和屏幕，用以输出光场图像，避免用户的视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突，使得用户不会因视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突出现头晕、恶心等不适。
为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供了一种实现光场显示的近眼显示设备，包括两套近眼显示装置，两套近眼显示装置出射的光线分别进入用户的双眼；
所述近眼显示装置包括显示单元、变焦透镜阵列和目镜单元，所述显示单元具有n个像素点，所述变焦透镜阵列包括n个变焦透镜，所述n个像素点和所述n个变焦透镜一一对应，n为大于或等于2的整数；其中，每个像素点出射的光线透射过对应的变焦透镜后，再透射过所述目镜单元后进入人眼。
可选地，所述变焦透镜为流体压力驱动的柔性变焦透镜、电磁驱动变焦透镜、基于压电驱动的柔性变焦透镜或基于电活性聚合物的柔性变焦透镜。
可选地，所述近眼显示装置还包括近眼单元，所述近眼单元设置在所述目镜单元的出射端，从像素点出射的光线依次经过对应的变焦透镜和所述目镜单元后，再经过所述近眼单元后进入人眼。
可选地，所述显示单元为lcd显示屏、led显示屏或oled显示屏，所述近眼单元为衍射光波导或平面反射光波导。
可选地，所述近眼单元具有透射区域，外界环境光线在透射过所述透射区域之后进入人眼。
本发明实施例第二方面提供了一种实现光场显示的近眼显示装置，包括显示单元、变焦透镜阵列和目镜单元，所述显示单元具有n个像素点，所述变焦透镜阵列包括n个变焦透镜，所述n个像素点和所述n个变焦透镜一一对应，n为大于或等于2的整数；
每个像素点出射的光线透射过对应的变焦透镜后，再透射过所述目镜单元后进入人眼。
本发明实施例第三方面提供了一种实现光场显示的屏幕，包括显示单元和变焦透镜阵列，所述显示单元包括n个像素点，所述变焦透镜阵列包括n个变焦透镜，所述n个像素点和所述n个变焦透镜一一对应，n为大于或等于2的整数，每个像素点出射的光线从与之对应的变焦透镜出射。
本发明实施例第四方面提供了一种实现光场显示的近眼显示装置，包括目镜单元和如第三方面所述的屏幕，所述屏幕的像素点出射的光线经过所述目镜单元后进入人眼。
可选地，所述近眼显示装置还包括近眼单元，所述近眼单元设置在所述目镜单元的出射端，从像素点出射的光线依次经过对应的变焦透镜和所述目镜单元后，再经过所述近眼单元后进入人眼。
本发明实施例第五方面提供了一种实现光场显示的近眼显示设备，所述近眼显示设备包括两套如第四方面所述的近眼显示装置，两套近眼显示装置出射的光线分别进入用户的双眼。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
通过改变变焦透镜阵列中每个变焦透镜的焦距，即能够更改每个像素点出射的光线的出射位置，针对显示单元上显示的不同对象，通过改变每个对象包括的像素点出射的光线的出射位置，即能够使得显示单元上每个对象出射的光线的出射位置不相同，相当于通过近眼显示装置输出了一幅光场图像，实现了光场显示的目的；针对包括两套近眼显示装置的近眼显示设备而言，通过两套光场显示装置分别向用户的双眼提供具有一定视差的两幅光场图像，用户对两幅光场图像所呈现的不同3d对象的视觉辐轴调节不同，同时对不同3d对象的感知深度也不同，从而避免了用户的视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突，使得用户不会因视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突出现头晕、恶心等不适。
附图说明
图1为本发明实施例提供的近眼显示设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的近眼显示装置的第一种实现方式的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的近眼显示装置的光路图；
图4为本发明实施例提供的变焦透镜阵列202的示意图；
图5为本发明实施例提供的近眼显示装置的第二种实现方式的结构示意图；
图6为近眼显示设备佩戴在用户头部时的示意图；
图7为本发明实施例提供的实现光场显示的屏幕的结构示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种实现光场显示的近眼显示设备、近眼显示装置和屏幕，用以输出光场图像，避免用户的视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突，使得用户不会因视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突出现头晕、恶心等不适。
本实施例第一方面提供一种实现光场显示的近眼显示设备，请参考图1，图1为本发明实施例提供的近眼显示设备的结构示意图，如图1所示，该近眼显示设备包括两套近眼显示装置101和102，两套近眼显示装置出射的光线分别进入用户的双眼，箭头所示为光线传播方向；请继续参考图2，图2为本发明实施例提供的近眼显示装置的第一种实现方式的结构示意图，如图2所示，该光场显示装置包括显示单元201、变焦透镜阵列202和目镜单元203，显示单元201具有n个像素点，变焦透镜阵列202包括n个变焦透镜，n个像素点和n个变焦透镜一一对应，其中n为大于或等于2的整数。包括两套如图2所示的近眼显示装置的近眼显示设备可以作为虚拟现实设备供用户使用。
请继续参考图3，图3为本发明实施例提供的近眼显示装置的光路图，如图2所示，由于变焦透镜321和322的焦距不同，像素点311出射的光线经过对应的变焦透镜321后呈发散状，发散的光线反向会聚于a点，相当于像素点311出射的光线从a点出射，像素点312出射的光线经过对应的变焦透镜322后呈发散状，发散的光线反向会聚于b点，相当于像素点312出射的光线从b点出射，以此类推，通过改变每个变焦透镜的焦距，即能够更改每个像素点出射的光线的出射位置，针对显示单元201上显示的不同对象，通过改变每个对象包括的像素点出射的光线的出射位置，即能够使得显示单元201上每个对象出射的光线的出射位置不相同，相当于通过本发明实施例提供的近眼显示装置输出了一幅光场图像，实现了光场显示的目的。
针对包括两套近眼显示装置的近眼显示设备而言，通过两套光场显示装置分别向用户的双眼提供具有一定视差的两幅光场图像，用户对两幅光场图像所呈现的不同3d对象的视觉辐轴调节不同，同时对不同3d对象的感知深度也不同，从而避免了用户的视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突，使得用户不会因视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突出现头晕、恶心等不适。
在具体实施过程中，显示单元201可以是lcd显示屏、led显示屏或oled显示屏等等，在此不做限制。以lcd显示屏为例，若分辨率为1280x720，则该lcd显示屏包括921600个像素点，其余分辨率可以以此类推，在此就不再赘述了。
在具体实施过程中，变焦透镜阵列202中的变焦透镜可以为流体压力驱动的柔性变焦透镜、电磁驱动变焦透镜、基于压电驱动的柔性变焦透镜或基于电活性聚合物的柔性变焦透镜，在此不做限制。请参考图4，图4为本发明实施例提供的变焦透镜阵列202的示意图，如图4所示，多个变焦透镜组成了变焦透镜阵列202，当然了，需要说明的是，图4仅仅是一个示例，图4中变焦透镜的数量可以根据实际情况进行增减。由于显示单元201中的n个像素点和变焦透镜阵列202中的n个变焦透镜为一一对应的关系，所以变焦透镜阵列202中变焦透镜的排布方式也与显示单元201中像素点的排列方式一致。
在具体实施过程中，目镜单元203可以是具有正光焦度的透镜或者透镜组，目镜单元203具体可以包括一个或者多个透镜，具体结构以及焦距、放大倍数等参数以满足实际情况为准，在此不做限制。
请继续参考图2，如图2所示，显示单元201中像素点2011与变焦透镜阵列202中对应的变焦透镜2021之间的距离为a，变焦透镜2021与目镜单元203之间的距离为b，f1为变焦透镜2021的焦距，f2为目镜单元203的焦距，像素点2011的投影深度可以通过如下公式进行计算：
通过以上公式可以看出，在目镜单元203的焦距f2、像素点2011与变焦透镜2021之间的距离和变焦透镜2021与目镜单元203之间的距离为b均固定的情况下，通过改变变焦透镜2021的焦距f1，即能够实现改变像素点2011的投影深度的目的，因此，提供给本发明实施例提供的近眼显示设备的输入图像，需要包括每个像素点的深度信息和色彩信息，根据每个像素点对应的深度信息，改变对应的变焦透镜的焦距，即能够保证该像素点出射的光线的投影位置，这样，近眼显示设备中的两套近眼显示装置都能够准确地输出相应的光场图像，从而使得用户对两幅光场图像所呈现的不同3d对象的视觉辐轴调节不同，同时对不同3d对象的感知深度也不同，从而避免了用户的视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突，使得用户不会因视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突出现头晕、恶心等不适。
请参考图5，图5为本发明实施例提供的近眼显示装置的第二种实现方式的结构示意图，箭头所示为光线传播方向，如图5所示，该近眼显示装置包括显示单元501、变焦透镜阵列502、目镜单元503和近眼单元504，其中，显示单元501、变焦透镜阵列502和目镜单元503在介绍近眼显示装置的第一种实现方式中已经进行了详细介绍，在此就不再赘述了；近眼单元504设置在目镜单元503的出射端，这样，从显示单元501的像素点出射的光线依次经过对应的变焦透镜和目镜单元503后，再经过近眼单元504后进入人眼。可以看出，由于增加了近眼单元504，使得近眼显示装置的光路发生了变化，从而能够使得近眼显示装置能够适用于更多的应用场景。
请继续参考图6，图6为近眼显示设备佩戴在用户头部时的示意图，当然了，图6所示的近眼显示设备仅仅是一个示例。在本实施例中，如图5所示，在显示单元501、变焦透镜阵列502、目镜单元503和人眼位于近眼单元504的同一侧时，可以明显看出，显示单元501、变焦透镜阵列502和目镜单元503的重心靠近人脸，避免了显示单元501、变焦透镜阵列502和目镜单元503的重心远离人脸时对用户头部造成的拉扯感，从而增加了用户的舒适度。
在具体实施过程中，近眼单元504可以为衍射光波导或平面反射光波导，在此不做限制。
在具体实施过程中，请继续参考图5，如图5所示，近眼显示单元504具有透射区域5041，外界环境光线透射过该透射区域5041后进入人眼，这样，由于显示单元501出射的光线和外界环境光线均能够进入人眼，所以包括两套如图5所示的近眼显示装置的近眼显示设备可以作为增强现实设备供用户使用。当然了，若外界环境光线不能够透射过近眼单元504进入人眼，则近眼显示设备可以作为虚拟现实设备供用户使用，在此就不再赘述了。
本发明实施例第二方面还提供一种实现光场显示的近眼显示装置，包括显示单元、变焦透镜阵列和目镜单元，显示单元具有n个像素点，变焦透镜阵列包括n个变焦透镜，n个像素点和n个变焦透镜一一对应，n为大于或等于2的整数；每个像素点出射的光线透射过对应的变焦透镜后，再透射过目镜单元后进入人眼。由于在第一方面中已经详细介绍了近眼显示装置的结构及光路，在此为了说明书的简洁，就不再赘述了。
如第一方面所介绍的，通过改变变焦透镜阵列中每个变焦透镜的焦距，即能够改变每个像素点出射的光线的出射位置，这样，通过改变显示单元上每个对象包括的像素点出射的光线的出射位置，即能够使得显示单元上每个对象出射的光线的出射位置不相同，相当于通过近眼显示装置输出了一幅光场图像，实现了光场显示的目的。
在实际应用中，本发明实施例第二方面提供的近眼显示装置可以作为近眼显示设备的独立组成部分，从而便于更换或者维修，在此就不再赘述了。
本发明实施例第三方面还提供一种实现光场显示的屏幕，请参考图7，图7为本发明实施例提供的实现光场显示的屏幕的结构示意图，如图7所示，该屏幕包括显示单元701和变焦透镜阵列702，显示单元701包括n个像素点，变焦透镜阵列702包括n个变焦透镜，n为大于或等于2的整数，n个像素点和n个变焦透镜一一对应，每个像素点出射的光线从与之对应的变焦透镜出射。由于在第一方面中已经详细介绍了显示单元701和变焦透镜阵列702的结构及光路，在此为了说明书的简洁就不再赘述了。
结合第一方面和第二方面，可以理解的是，本发明实施例提供的实现光场显示的屏幕能够通过改变变焦透镜阵列702中每个变焦透镜的焦距，改变屏幕上每个对象包括的像素点出射的光线的出射位置，使得屏幕上每个对象出射的光线的出射位置不相同，相当于通过屏幕输出了一幅光场图像，实现了光场显示的目的。
需要说明的是，与第一方面或第二方面介绍的近眼显示装置相比，本发明实施例第三方面提供的屏幕将显示单元701和变焦透镜阵列702制作为一体，这样，该屏幕可以作为近眼显示装置或者近眼显示设备的独立组成部分，从而便于更换或者维修，在此就不再赘述了。
本发明实施例第四方面还提供一种实现光场显示的近眼显示装置，该近眼显示装置包括目镜单元和如第三方面介绍的屏幕，该屏幕的像素点出射的光线经过目镜单元后进入人眼。由于第三方面介绍的屏幕能够实现光场显示，所以第四方面介绍的近眼显示装置在加上目镜单元实现近眼显示的同时，也能够实现光场显示，在此就不再赘述了。
在具体实施过程中，近眼显示装置还包括近眼单元，该近眼单元设置在目镜单元的出射端，从屏幕的像素点出射的光线依次经过对应的变焦透镜和目镜单元后，在经过近眼显示单元后进入人眼。近眼单元在第一方面中已经进行了详细的介绍，在此就不再赘述了。
在实际应用中，本发明实施例第四方面提供的近眼显示装置可以作为近眼显示设备的独立组成部分，从而便于更换或者维修，在此就不再赘述了。
本发明实施例第五方面还提供一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括两套第四方面介绍的近眼显示装置，两套近眼显示装置出射的光线分别进入用户的双眼。
在实际应用中，如第一方面所介绍的，在近眼显示装置不包括近眼单元时，近眼显示设备可以作为虚拟现实设备供用户使用；在近眼显示装置包括近眼单元，并且外界环境光线能够透射过近眼单元进入人眼域时，近眼显示设备可以作为增强现实设备供用户使用；在近眼显示装置包括近眼单元，但外界环境光线不能够透射过近眼单元进入人眼域时，近眼显示设备可以作为虚拟现实设备供用户使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
通过改变变焦透镜阵列中每个变焦透镜的焦距，即能够更改每个像素点出射的光线的出射位置，针对显示单元上显示的不同对象，通过改变每个对象包括的像素点出射的光线的出射位置，即能够使得显示单元上每个对象出射的光线的出射位置不相同，相当于通过近眼显示装置输出了一幅光场图像，实现了光场显示的目的；针对包括两套近眼显示装置的近眼显示设备而言，通过两套光场显示装置分别向用户的双眼提供具有一定视差的两幅光场图像，用户对两幅光场图像所呈现的不同3d对象的视觉辐轴调节不同，同时对不同3d对象的感知深度也不同，从而避免了用户的视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突，使得用户不会因视觉辐轴调节和感知深度之间的冲突出现头晕、恶心等不适。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。