光场近眼显示装置以及光场近眼显示方法与流程

1.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以及光场近眼显示方法。


背景技术：

2.光场近眼显示器(light field near-eye display，lfned)为目前可解决视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict，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(micro-electromechanical system，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(organic light-emitting diode，oled)显示器上以产生光场影像。
3.对于光场近眼显示器来说，左右眼球与光学系统的相对关系为主要系统参数。在传统的光场近眼显示器中，系统参数为固定值并且依靠系统公差提供对于左右眼球的容忍误差，其中系统参数可例如包括双眼瞳孔距离(inter pupillary distance，ipd)、眼动范围(eye box)以及出瞳距离(eye relief)。其中，传统的光场近眼显示器中将出瞳距离设定为系统设计，无法以数字方式调整。进一步而言，传统的光场近眼显示器是采用机械式移动来调整光学变量，进而造成出瞳距离的变化。然而，由于机械式的调整例如是利用光机结构的相对位置改变或是采用主动元件(如液体或液晶等材料特性元件)的调整，因此会增加机体结构的复杂性或造成影像品质的下降。
[0004]“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本领域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本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
[0005]
本发明提供一种光场近眼显示装置，可让使用者观看到具有良好影像品质的光场影像。
[0006]
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。
[0007]
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包括处理器、显示面板以及透镜模块。处理器根据当前出瞳距离、预设出瞳距离资料以及预设光线追迹资料计算新的光线追迹资料，并且根据新的光线追迹资料调整预设影像资料，以产生经调整的影像资料。显示面板耦接处理器，并且根据经调整的影像资料发射影像光束。透镜模块包括微透镜阵列，并且设置在显示面板以及瞳孔之间。影像光束经由透镜模块而射入瞳孔并显示光场影像。
[0008]
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以下步骤：根据当前出瞳距离、预设出瞳距离资料以及预设光线追迹资料
计算新的光线追迹资料；根据新的光线追迹资料调整预设影像资料，以产生经调整的影像资料；借由显示面板根据经调整的影像资料发射影像光束；以及使影像光束经由包括微透镜阵列的透镜模块而射入瞳孔并显示光场影像。
[0009]
基于上述，本发明的光场近眼显示装置以及光场近眼显示方法，可自动根据当前出瞳距离来调整影像资料，以使显示面板可根据经调整的影像资料来发射对应的影像光束，以提供具有良好的影像品质的光场影像。
[0010]
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
[0011]
图1是依照本发明的一实施例的光场近眼显示装置的电路示意图。
[0012]
图2是依照本发明的一实施例的光场近眼显示装置的架构示意图。
[0013]
图3是依照本发明的一实施例的光场近眼显示方法的流程图。
[0014]
图4是依照本发明的一实施例的不同出瞳距离的光路示意图。
[0015]
图5是依照本发明的一实施例的向量差值计算的示意图。
具体实施方式
[0016]
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优选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。
[0017]
图1是依照本发明的一实施例的光场近眼显示装置的电路示意图。参考图1，光场近眼显示装置100包括处理器110、显示面板120以及储存装置130。处理器110耦接显示面板120以及储存装置130。在本实施例中，处理器110可根据原始影像资料、系统参数，例如根据预设双眼瞳孔距离、预设眼动范围、预设出瞳距离、预设光线追迹资料等相关资料，来产生影像资料。处理器110可根据影像资料驱动显示面板120，以使显示面板120可透过显示影像内容而发射对应的影像光束至使用者的瞳孔，以显示光场影像。在本实施例中，光场近眼显示装置100例如是一种头戴式显示器(head-mounted display，hmd)，但本发明并不限于此。
[0018]
在本实施例中，处理器110可包括相关控制功能、驱动功能以及影像资料运算功能的中央处理单元(central processing unit，cpu)，或是其他可编程的通用或专用的微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、影像处理器(image processing unit，ipu)、图形处理器(graphics processing unit，gpu)、可编程控制器、专用集成电路(application specific integrated circuits，asic)、可编程逻辑装置(programmable logic device，pld)、其他类似控制装置或这些装置的结合。在本实施例中，储存装置130可为存储器(memory)，并且可用于储存相关影像资料、系统参数、影像处理模块以及相关参数运算的演算法等，以供处理器110存取并执行之。
[0019]
在本实施例中，显示面板120可为液晶显示(liquid crystal display，lcd)面板、有机发光二极管显示面板、微发光二极管显示面板或其他适当的显示器，并且处理器110可根据影像资料来驱动显示面板120显示对应的影像画面。并且，显示面板120因显示对应的
影像画面而发射出对应的影像光束以显示光场影像。在本实施例中，处理器110可根据当前出瞳距离来对应调整影像资料，以使显示面板120所显示影像内容经调整后，光场影像可显示于使用者的瞳孔的对焦范围内。
[0020]
图2是依照本发明的一实施例的光场近眼显示装置的架构示意图。参考图1以及图2，在本实施例中，光场近眼显示装置100可设置在使用者的视野前方。光场近眼显示装置100还可包括透镜模块140。使用者的眼睛(瞳孔201)可朝方向z面对显示面板120以及透镜模块140。显示面板120以及透镜模块140可例如平行于由方向x及方向y分别延伸所形成的平面。透镜模块140可包括微透镜阵列141，微透镜阵列141可包括阵列排列的多个微透镜141_1～141_n，其中n为正整数。微透镜141_1～141_n可朝方向x及方向y分别延伸排列。透镜模块140还可包括其他透镜元件，在本实施例中，以第一透镜142以及第二透镜143为例，在其他实施例中，可视光场近眼显示装置100所要呈现的影像品质与效果来调整其他透镜元件的数量或形态。
[0021]
在本实施例中，透镜模块140设置在显示面板120以及瞳孔201之间，其中显示面板120产生的影像光束可经由透镜模块140而射入瞳孔201，以显示光场影像。值得注意的是，使用者从瞳孔201观看到的光场影像的结果(在使用者的视网膜上的成像结果)，可如同是等效成像在远方的虚拟成像平面s1上的虚拟影像，并且其影像光束的等效光路可如图2所示。
[0022]
在本实施例中，从使用者的角度来看，使用者的瞳孔201在眼动范围202内可通过微透镜141_1接收到由显示面板120的对应子影像内容121_1的子显示区域所发出的影像光束，以观测到如同等效成像在远方的虚拟成像平面s1上的子虚拟影像151_1。同理，使用者的瞳孔201在眼动范围202内可通过微透镜141_2、141_3分别接收到由显示面板120的对应子影像内容121_2、121_3的子显示区域所发出的影像光束，以观测到如同等效成像在远方的虚拟成像平面s1上的子虚拟影像151_2、151_3。对此，本实施例的显示面板120显示的多个子影像内容可根据光线追迹资料来决定其位置以及叠合关系，以让使用者可观看到具有立体物件影像的光场影像。
[0023]
值得注意的是，由图2所示的影像光束在使用者的瞳孔201、微透镜阵列141以及显示面板120之间的等效光路关系可知，当瞳孔201与微透镜阵列141之间的当前出瞳距离di与预设出瞳距离不同时，显示面板120所发射的多个影像光束经由微透镜141_1～141_n入射至瞳孔201的多个光线轨迹在眼动范围202上所对应的多个出瞳位置将会改变，进而影响在使用者的瞳孔201显示的光场影像的影像内容。因此，在本实施例中，处理器110可根据当前出瞳距离di来自动地调整显示面板120所显示的对应的多个子影像内容，以使经由发射至使用者的瞳孔201的多个影像光束所显示的光场影像可显示于瞳孔201的对焦范围内。
[0024]
图3是依照本发明的一实施例的光场近眼显示方法的流程图。参考图1至图3，本实施例的光场近眼显示装置100可执行包含如以下步骤s310～s340的光场近眼显示方法，以提供良好的光场影像显示效果。值得注意的是，在本实施例中，光场近眼显示装置100还可包括距离感测器或输入装置，其中距离感测器或输入装置可耦接处理器110。距离感测器可自动感测使用者，以针对瞳孔201而取得当前出瞳距离，并将当前出瞳距离提供至处理器110。输入装置可由使用者手动或其他外部电子装置输入当前出瞳距离，并提供至处理器110。在本实施例中，光场近眼显示装置100的储存装置130可预先储存有预设出瞳距离资料
以及预设光线追迹资料，并且光场近眼显示装置100的处理器110可例如由前述的距离感测器或输入装置取得当前出瞳距离di。
[0025]
在步骤s310，处理器110可根据当前出瞳距离di、预设出瞳距离资料以及预设光线追迹资料计算新的光线追迹资料。在步骤s320，处理器110可根据新的光线追迹资料调整预设影像资料，以产生经调整的影像资料。在步骤s330，光场近眼显示装置100可借由显示面板120根据经调整的影像资料发射影像光束。在步骤s340，影像光束可经由包括微透镜阵列141的透镜模块140而射入瞳孔201并显示光场影像。因此，本实施例的光场近眼显示装置100以及光场近眼显示装置100所执行的本实施例的光场近眼显示方法可根据当前出瞳距离di自动调整影像资料，以显示可适于当前出瞳距离di的光场影像。并且，关于步骤s310的计算新的光线追迹资料的方式将由以下图4及图5实施例来详细说明之。
[0026]
图4是依照本发明的一实施例的不同出瞳距离的光路示意图。参考图1、图2及图4，本实施例的储存装置120可预先储存预设出瞳距离资料以及预设光线追迹资料。预设出瞳距离资料可包括第一眼动范围(eye box)e1至微透镜阵列141之间的第一预设出瞳距离de，或是包括第二眼动范围e2至微透镜阵列140之间的第二预设出瞳距离de+δde，其中距离δde为第一眼动范围e1以及第二眼动范围e2之间的距离。值得注意的是，第一预设出瞳距离de以及第二预设出瞳距离de+δde可分别为使光场近眼显示装置100能有效显示的最小出瞳距离以及最大出瞳距离。微透镜阵列141与显示面板120的显示面ps之间具有距离dg。预设光线追迹资料可包括在第一眼动范围e1中的多个空间坐标点的多个第一预设出瞳位置坐标，或是包括在第二眼动范围e2中的多个坐标点的多个第二预设出瞳位置坐标。第一预设出瞳距离de对应于多个第一预设出瞳位置坐标以及多个第一预设光线向量。第二预设出瞳距离de+δde对应于多个第二预设出瞳位置坐标以及多个第二预设光线向量。
[0027]
在本实施例中，处理器110可例如基于以下公式(1)，来计算出当前眼动范围ea中的多个出瞳位置的多个当前出瞳位置坐标，其中参数pi、pa、pb分别为出瞳位置坐标(空间坐标)。
[0028][0029]
以第一眼动范围e1、当前眼动范围ea以及第二眼动范围e2中的出瞳位置坐标pa1(xa,ya,za)、pi1(xi,yi,zi)、pb1(xb,yb,zb)为例，其中出瞳位置坐标pa1(xa,ya,za)、pi1(xi,yi,zi)、pb1(xb,yb,zb)为分别在第一眼动范围e1、当前眼动范围ea以及第二眼动范围e2上相对应的出瞳位置。对此，出瞳位置坐标pa1(xa,ya,za)以及出瞳位置坐标pb1(xb,yb,zb)为预设出瞳距离资料(已知参数)，并且第一预设出瞳距离de以及第二预设出瞳距离de+δde为已知参数。如此一来，当处理器110取得当前出瞳距离de+δdi时(亦即，这时的当前出瞳距离di＝de+δdi)，处理器110可根据前述的公式(1)来有计算当前出瞳位置坐标pi1(xi,yi,zi)。距离δdi为第一眼动范围e1以及当前眼动范围ea之间的距离。因此，以此类推，处理器110可分别根据当前出瞳距离de+δdi、第一预设出瞳距离de以及在第一眼动范围e1中的多个第一预设出瞳位置坐标计算在当前眼动范围ea中的多个当前出瞳位置坐标(新的光线追迹资料)，或是根据当前出瞳距离、第二预设出瞳距离以及在第二眼动范围e2中的多个第二预设出瞳位置坐标计算在当前眼动范围ea中的多个当前出瞳位置坐标(新的光线追迹资料)，以有效建立新的光线追迹资料，以供后续影像资料调整使用。
[0030]
接着，预设光线追迹资料还可包括分别对应于从多个微透镜141_1～141_n分别的透镜中心至第一眼动范围e1中的多个出瞳位置(多个空间坐标点)的多个第一预设光线向量，以及分别对应从多个微透镜141_1～141_n分别的透镜中心至第二眼动范围e2中的多个出瞳位置(多个空间坐标点)的多个第二预设光线向量。在本实施例中，处理器110可根据前述取得的当前眼动范围ea中的多个当前出瞳位置坐标、多个第一预设出瞳位置坐标、多个第二预设出瞳位置坐标、多个第一预设光线向量以及多个第二预设光线向量计算新的光线追迹资料中的多个当前光线向量。对此，处理器110可例如执行插值计算，以取得多个当前光线向量。在一实施例中，前述的插值计算可例如是采用内插法或外插法的计算方式，但本发明并不限于此。
[0031]
处理器110可基于以下公式(2)来计算当前光线向量，其中参数h1为一个当前出瞳位置坐标与对应的第一预设出瞳位置坐标之间的距离值，并且参数h2为一个当前出瞳位置坐标与对应的第二预设出瞳位置坐标之间的距离值。参数为从一个微透镜的透镜中心至对应的第一预设出瞳位置的第一预设光线向量，并且参数为从一个微透镜的透镜中心至对应得第二预设出瞳位置的第二预设光线向量。
[0032][0033]
详细而言，搭配参考图5，图5是依照本发明的一实施例的向量差值计算的示意图。值得注意的是，公式(2)是表示个别微透镜的计算情况，对于微透镜阵列141中的多个微透镜141_1～141_n而言，需要将每一颗微透镜的相关参数分别代入公式(2)来计算，而图5是以其中一颗微透镜为例，并以第一眼动范围e1、当前眼动范围ea以及第二眼动范围e2上的出瞳位置坐标pa1(xa,ya,za)、pi1(xi,yi,zi)、pb1(xb,yb,zb)为例，且公式(2)中的参数例如以来表示，参数例如以来表示。出瞳位置坐标pa1(xa,ya,za)以及出瞳位置坐标pb1(xb,yb,zb)为预设出瞳距离资料(已知参数)，并且预设光线向量与预设光线向量分别为从一个微透镜的透镜中心的位置坐标pm1(xm,ym,zm)至出瞳位置坐标pa1(xa,ya,za)以及出瞳位置坐标pb1(xb,yb,zb)的预设光线向量(已知参数)。如此一来，处理器110可根据前述的预设光线向量预设光线向量参数h1、参数h2以及公式(2)来计算从一个微透镜的透镜中心的位置坐标pm1(xm,ym,zm)至出瞳位置坐标pi1(xi,yi,zi)的当前光线向量
[0034]
因此，以此类推，处理器110可分别根据在当前眼动范围ea中的多个当前出瞳位置坐标、在第一眼动范围e1中的多个第一预设出瞳位置坐标、在第二眼动范围e2中的多个第二预设出瞳位置坐标、对应于微透镜阵列140的多个微透镜140_1～140_n的多个第一预设光线向量以及多个第二预设光线向量计算从多个微透镜140_1～140_n分别至当前眼动范围ea中的多个当前出瞳位置坐标之间的多个当前光线向量。并且，处理器110可根据分别对应于多个微透镜140_1～140_n的多个当前光线向量，来调整预设影像资料中的多个子影像内容，以使对应多个子影像内容的多个影像光束分别经由多个微透镜140_1～140_n形成多个子光场影像单元，并且多个子光场影像单元形成光场影像。
[0035]
举例而言，如图4所示，从对应于出瞳距离de、de+δdi、de+δde的第一眼动范围e1、当前眼动范围ea以及第二眼动范围e2皆可经由正中央的微透镜141_1接收到由显示面板120所显示的子影像内容401，亦即，对于正中央的微透镜141_1而言，对应于出瞳距离de、de+δdi、de+δde的第一眼动范围e1、当前眼动范围ea以及第二眼动范围e2所接收到的子影像内容401的位置基本上不会改变。然而，对于其他不是位于正中央位置的其他微透镜而言，当出瞳距离改变，其对应的眼动范围所接收到的子影像内容的位置亦会相应地改变。举例来说，以下将针对微透镜141_2而言，以出瞳距离de+δde(对应于第二眼动范围e2)改变为当前出瞳距离de+δdi(对应于当前眼动范围ea)的情况来进一步说明。首先，当光场近眼显示装置100例如根据对应于出瞳距离de+δde的第二眼动范围e2的影像资料来显示光场影像时，显示面板120所显示的子影像内容402所发射的影像光束可经由微透镜141_2入射至位于出瞳距离de+δde的第二眼动范围e2。接着，当瞳孔与微透镜141_2之间的距离改变为当前出瞳距离de+δdi时，经由本发明前述光线向量的调整后，处理器110可将显示面板120原先所显示的子影像内容402的位置调整至子影像内容403的位置，以使显示面板120经调整后所显示的子影像内容403所发射的影像光束可经由微透镜141_2入射至位于当前出瞳距离de+δdi的当前眼动范围ea中(即当前使用者的瞳孔)。此外，须说明的是，子影像内容402与子影像内容403皆是显示于显示面板120的显示面ps上，而图4所示的子影像内容402与子影像内容403的位置仅示意在显示面ps上的位置改变结果。
[0036]
综上所述，本发明的光场近眼显示装置以及光场近眼显示方法可根据使用者的当前出瞳距离来自动调整影像资料，光场近眼显示装置内的显示面板所提供的影像内容，以使显示面板可依据经调整的影像资料来发射对应的影像光束，进而使影像光束可正确地入射至使用者的瞳孔，以使光场影像可显示于瞳孔的对焦范围内，如此可让使用者观看到具有良好影像品质的光场影像。
[0037]
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，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，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，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。
[0038]
附图标记说明
[0039]
100:光场近眼显示装置
[0040]
110:处理器
[0041]
120:显示面板
[0042]
121_1、121_2、121_3、401、402、403:子影像内容
[0043]
130:储存装置
[0044]
140:透镜模块
[0045]
141:微透镜阵列
[0046]
141_1～141_n:微透镜
[0047]
142:第一透镜
[0048]
143:第二透镜
[0049]
151_1、151_2、151_3:子虚拟影像
[0050]
201:瞳孔
[0051]
202、e1、e2、ea:眼动范围
[0052]
x、y、z:方向
[0053]
de、di:出瞳距离
[0054]
δde、δdi、dg:距离
[0055]
h1、h2:参数
[0056]
pa1(xa,ya,za)、pb1(xb,yb,zb)、pi1(xi,yi,zi)、pm1(xm,ym,zm):位置坐标
[0057]
光线向量
[0058]
s1:虚拟成像平面
[0059]
s310、s320、s330、s340:步骤
[0060]
ps:显示面。