光场近眼显示装置及光场近眼显示方法与流程

本发明是有关于一种显示技术，且特别是有关于一种光场近眼显示装置及光场近眼显示方法。

背景技术：

光线追踪(raytracing)技术是模拟光线行进的路径，显示卡需要绘制该光线有接触的区域。虽然对于显示卡的要求上升，但能带来更接近真实世界的画面，比起传统光栅化(rasterization)技术，能实现更为逼真的阴影和反射效果，同时改善半透明度和散射效果。

光场近眼显示器(lightfieldnear-eyedisplay,lfned)为目前可解决视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodationconflict,vac)的显示技术之一，其可分成空间多工及时间多工两种架构。时间多工为使用微机电系统(microelectromechanicalsystem,mems)元件改变虚像位置，调整前后景清晰程度。空间多工则使用阵列透镜将面板上对应的视差影像投射出，例如放置透镜阵列于有机发光二极管(organiclight-emittingdiode,oled)显示器上以产生光场影像。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种光场近眼显示装置，其可以在不配戴额外的眼镜的情况下就能校正使用者眼睛的像差。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的实施例提出一种光场近眼显示装置，用以配置于使用者的眼睛前方，光场近眼显示装置包括显示器、处理器、透镜阵列及至少一透镜。显示器用以发出影像光束，处理器电连接至显示器，且用以控制显示器的显示内容。透镜阵列配置于影像光束的传递路径上，且位于显示器与眼睛之间。至少一透镜配置于影像光束的传递路径上，且位于显示器与眼睛之间，其中影像光束经由透镜阵列与至少一透镜而被投射于眼睛，以形成光场虚像。处理器经配置以接收使用者输入的眼睛像差资料，并使光场虚像形成于对应眼睛像差资料的对焦范围内。

为达上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的实施例提出一种光场近眼显示方法，包括：将光场近眼显示装置配置于使用者的眼睛前方，其中光场近眼显示装置包括显示器、透镜阵列及至少一透镜，显示器用以发出影像光束，透镜阵列配置于影像光束的传递路径上，且位于显示器与眼睛之间，至少一透镜配置于影像光束的传递路径上，且位于显示器与眼睛之间，影像光束经由透镜阵列与至少一透镜而被投射于眼睛，以形成光场虚像；接收使用者输入的眼睛像差资料；使该光场虚像形成于对应该眼睛像差资料的一对焦范围内。

基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的光场近眼显示装置与方法中，借由透镜阵列及至少一透镜的配置，以及借由处理器接收使用者眼睛像差资料后使光场虚像形成于对应眼睛像差资料的对焦范围内，可以在不配戴额外的眼镜的情况下就能校正使用者眼睛的像差，例如校正近视、远视、老花眼或散光。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的光场近眼显示装置的架构示意图。

图2为图1中的处理器所执行的步骤的流程图。

图3为图1的光场近眼显示装置计算校正视力的光线资料示意图。

图4是人眼对焦能力与屈光度的关系图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明的一实施例的光场近眼显示装置的架构示意图，图2为图1中的处理器所执行的步骤的流程图，而图3为图1的光场近眼显示装置计算校正视力的光线资料示意图。请先参照图1至图3，本实施例的光场近眼显示装置100用以配置于使用者的眼睛50前方。光场近眼显示装置100包括显示器110、处理器120、透镜阵列130及至少一透镜140(图1中是以多个透镜140为例)。显示器110用以发出影像光束112，处理器120电连接至显示器110，且用以控制显示器110的显示内容。显示器110例如为有机发光二极管显示器、液晶显示器、微发光二极管显示器或其他适当的显示器。透镜阵列130配置于影像光束112的传递路径上，且位于显示器110与眼睛50之间。在本实施例中，透镜阵列130为微透镜阵列。透镜140配置于影像光束112的传递路径上，且位于显示器110与眼睛50之间，其中影像光束112经由透镜阵列130与此透镜140而被投射于眼睛50，以形成光场虚像60。

在本实施例中，这些透镜140包括第一透镜142及第二透镜144，其中透镜阵列130配置于第一透镜142与第二透镜144之间，且第一透镜142配置于显示器110与透镜阵列130之间。

处理器120经配置以执行下列步骤。首先，执行步骤s52，接收正常视力资料。在本实施例中，正常视力资料例如为屈光度为零的资料，即视力为0d的资料，其中0d是指零屈光度(0diopter)，也就是近视度数为0，也就是没有近视。具体而言，上述视力为0d的资料包括0d正常视力于空间多工的光线资料(raydata)，此资料包含光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置ppupil(x,y,z)(其单位为毫米(mm))、光线对应至显示器110上显示的位置ppanel(a,b)(单位为毫米(mm))、光线由ppupil(x,y,z)前进至ppanel(a,b)的单位向量及由等效透镜阵列130a至瞳孔52的距离de。

接着，执行步骤s54，根据正常视力资料计算出等效透镜阵列资料，其中透镜140与透镜阵列130可以等效成一个等效透镜阵列130a，等效透镜阵列资料包括等效透镜阵列130a的位置pm(x,y,z)。具体而言，根据上述光线资料(raydata)，可由以下式一反推算等效透镜阵列130a的位置pm(x,y,z)。

在式一中，为在z方向上的分量的长度。在本实施例中，z方向平行于透镜140的光轴a，而x方向与y方向都垂直于光轴a，且x方向垂直于y方向。

在本实施例中，在计算出等效透镜阵列资料后，可将等效透镜阵列资料储存于储存器150中，以供后续运算时直接提取储存器150中的资料，而无需重新计算等效透镜阵列资料。因此，步骤s52与步骤s54可构成光场近眼显示装置的初始条件s50，处理器120可基于此初始条件s50来作后续的运算。

再来，执行步骤s110，接收使用者输入的眼睛像差资料。在本实施例中，眼睛像差资料包括眼睛50的近视或远视度数、像散度数、像散方向或其组合。眼睛像差资料的输入可借由光场近眼显示装置100本体设置的输入界面(可为按钮、键盘或触控屏幕)来输入，或者借由光场近眼显示装置100连接的电子装置(例如电脑或手机等)作为输入界面来输入。然后，执行步骤s120，使光场虚像60形成于对应眼睛像差资料的对焦范围内，以使视力能力对应此眼睛像差资料的使用者可对焦清楚。进一步而言，步骤s120可包含根据正常视力资料所计算出的透镜阵列130与透镜140的等效透镜阵列资料及眼睛像差资料，来重调眼睛50的瞳孔52处对应于等效透镜阵列资料的多个坐标，也就是重调每一光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置。具体而言，处理器120经配置以将瞳孔52处的两个垂直于透镜140的光轴a的方向上的坐标皆乘以比例常数(例如对x坐标与y坐标皆乘以缩放参数s)，以重调瞳孔52处对应于等效透镜阵列资料的这些坐标，其中比例常数是根据近视或远视度数计算而得。

具体而言，比例常数为参考使用者眼睛像差屈光度来调整的缩放参数s，其中s的定义如以下式二。

在式二中，f0为预设焦距(此处设为3米)，fcorrection为视力校正后的焦距，又，屈光度为焦距的倒数，定义s为矫正的视力屈光度除以预设的屈光度的比例。换言之，依据近视(或远视)度数，可对应到屈光度，而可得知fcorrection,，接着即可依据f0及fcorrection计算出缩放参数s。

根据缩放参数s可缩放ppupil(x,y,z)，以得到经缩放后的光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置p’pupil(x,y,z)，如以下式三所述。

p′pupil(x，y，z)＝ppupil(x×s，y×s，z)…式三

在本实施例中，储存器150用以储存正常视力资料所计算出的等效透镜阵列资料，且处理器120从储存器150提取等效透镜阵列资料，并根据眼睛像差资料，来重调眼睛的瞳孔52处对应于等效透镜阵列资料的这些坐标。在本实施例中，储存器150例如为快闪存储器、随机存取存储器、硬碟、光碟或其他适当的存储器或储存器。

之后，步骤s120还可包含根据重调后的眼睛50的瞳孔52处的这些坐标与等效透镜阵列资料，来重新指定射入眼睛50的瞳孔52处的这些坐标的多个光线向量。具体而言，即重新计算每一点光线资料(raydata)的单位向量(即为上述光线向量)，如以下式四，而其结果如图3中的虚线箭头方向。

在式四中，norm是指将其后括号内计算所得者归一化(normalization)。

在本实施例中，处理器120经配置以找出沿着每一光线向量(即单位向量)所画出的直线与光场虚像60的交点处的光场虚像的内容，并命令显示器110对应于此一光线向量的像素显示此内容。具体而言，将光线资料的光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置ppupil(x,y,z)与单位向量(例如沿着图3中标示d＝0的实线箭头的方向)调整成经缩放后的光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置p’pupil(x,y,z)与单位向量(即为上述光线向量，例如沿着图3中标示d＝-1的虚线箭头的方向)后，进行光线追踪时使用新的向量(即单位向量去击中相同的三维场景物件(例如图3的圆点r1与圆点r2)，再将此三维场景物件的资料提供到相同的显示位置ppanel(a,b)，以达到制造等效的视差。此种作法可用于空间多工光场显示器(例如本实施例采用透镜阵列130来产生光场影像的光场近眼显示装置100)，可以借由调整显示内容即可达到视力校正功能。

在本实施例中，处理器120还可经配置以根据眼睛50的像散方向对瞳孔52处的这些坐标进行第一坐标旋转，以使两个垂直于140透镜的光轴a的方向上的坐标的其中之一(例如是x坐标或y坐标)旋转至像散方向，以成为待调整坐标。接着，处理器120对待调整坐标乘以比例常数(即系数s’)，其中比例常数是根据像散度数计算而得。在对待调整坐标乘以比例常数之后，处理器120进行第二坐标旋转，以使这些坐标回复到原始方向，以完成重调瞳孔52处对应于等效透镜阵列资料的这些坐标，其中第二坐标旋转的方向相反于第一坐标旋转的方向。

具体而言，光场近眼显示装置100还可以选择是否要补偿眼睛50的低阶像差中的规则像散(俗称规则散光)，也就是重新调整光线资料的光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置ppupil(x，y，z)，在步骤s110及步骤s120中可包含输入规则像散资料，以及借由旋转角度θ旋转整个瞳孔52处的坐标计算新的光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置的操作，而暂态(即将坐标旋转至上述待调整坐标时)的p’pupil_temp(x，y，z)的计算为式五，其中θ为规则像散的角度，处理器120于y轴乘上像散程度的系数s’(即上述比例常数)，再由式六旋转回原始坐标轴得到最终的光线的逆追迹从瞳孔52起始的位置p’pupil_final(x，y，z)。接着，借由p’pupil_final(x，y，z)与等效透镜阵列130a的位置重新计算单位向量的方式的方向相同于式四，也就是以p’pupil_final(x，y，z)取代式四中的p’pupil(x，y，z)而计算出最后，处理器120以如此算得的来找出沿着每一光线向量(即单位向量)所画出的直线与光场虚像60的交点处的光场虚像的内容，并命令显示器110对应于此一光线向量的像素显示此内容。如此即可使光场近眼显示装置100显示经过规则散光校正后的光场虚像60。

p′pupil_temp(x，y，z)＝ppupil(xcosθ-ysinθ，(xsinθ+ycosθ)×s′，z)

…式五

p′pupil_final(x，y，z)＝p′pupil_temp(xcos(-θ)-ysin(-θ)，xsin(-θ)+ycos(-θ)，z)

…式六

在一实施例中，处理器120例如为中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、可编程控制器、可编程逻辑装置(programmablelogicdevice，pld)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，处理器120的各功能可被实作为多个程序代码。这些程序代码会被储存在一个存储器中，由处理器120来执行这些程序代码。或者，在一实施例中，处理器120的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作处理器120的各功能。

图4是人眼对焦能力与屈光度的关系图。请参照图1与图4，屈光度diopter是量度透镜或曲面镜屈光能力的单位，为焦距f的倒数，通常以φ表示，即假设正常视力之眼睛有7d的对焦能力，即有7d的视力调节能力，视力范围即为0.143米(meter,m)至无穷远皆可以对焦清楚，而最轻松观看距离(即明视距离)是落在4d区域(即中间区域)附近，即约为0.25m。如为近视眼视力(例如视力为-1d、-2d…以此类推)，则7d的视力调节能力的区间则向右移动。例如视力为-1d(即近视100度)的使用者的对焦范围为0.125m至1m，因此光场近眼显示装置100将光场虚像60放置于近视眼的对焦范围区间内即可让此视力能力的使用者对焦清楚。同理，视力为-2d(即近视200度)的使用者的对焦范围为0.5m至0.111m。

请再参照图1与图2，本发明的一实施例亦提出一种光场近眼显示方法，其可用上述光场近眼显示装置100来实现。光场近眼显示方法可借由处理器120来执行图2的步骤s110及s120，或者可再执行上述实施例中处理器120所执行的所有事项，或者，也可以执行图2的步骤s52与s54。此外，光场近眼显示方法在执行步骤s110或执行步骤s52之前，还可以包括将光场近眼显示装置100配置于使用者的眼睛50前方，以使后续步骤可以顺利被执行。光场近眼显示方法的步骤细节请参照上述光场近眼显示装置100的实施例中所描述的细节，在此不再重述。

综上所述，在本实施例的光场近眼显示装置与方法中，借由透镜阵列及至少一透镜的配置，以及借由处理器接收使用者眼睛像差资料后使光场虚像形成于对应眼睛像差资料的对焦范围内，可以在不配戴额外的眼镜的情况下就能校正使用者眼睛的像差，例如校正近视、远视、老花眼或散光。此外，本实施例的光场近眼显示装置与方法亦可以达到无需配戴额外的眼镜即可校正低阶像差(例如规则像散)的效果。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

附图标记说明：

50:眼睛

52:瞳孔

60:光场虚像

100:光场近眼显示装置

110:显示器

112:影像光束

120:处理器

130:透镜阵列

130a:等效透镜阵列

140:透镜

142:第一透镜

144:第二透镜

150:储存器

a:光轴

de:距离

ppupil(x,y,z):光线的逆追迹从瞳孔起始的位置

r1、r2:圆点

s50:初始条件

s52、s54、s110、s120:步骤。