一种具有空间遮挡功能的大视场角增强现实近眼显示装置及显示方法

本发明涉及增强现实近眼显示，尤其涉及一种具有空间遮挡功能的大视场角增强现实近眼显示装置及显示方法。

背景技术：

1、增强现实近眼显示技术能够将虚拟图像叠加到真实场景中，使人眼同时观察到真实环境和虚拟信息。该技术在工业辅助、医疗导航、教育展示、交互娱乐等领域具有广泛应用前景。为了提高增强现实显示的沉浸感和真实感，近眼显示装置通常需要同时具备较大的视场角、较高的显示亮度以及较好的虚实融合效果。

2、然而，现有增强现实近眼显示装置通常采用光学合成或半透半反结构，将虚拟图像叠加到真实场景光线之上。该方式虽然能够实现虚拟图像显示，但真实场景光线仍会持续进入人眼。当虚拟物体应当位于真实场景前方时，真实场景光线不能被有效遮挡，导致虚拟物体呈现透明化、边缘不清晰、颜色对比度下降等问题，影响虚拟物体在真实环境中的空间存在感。

3、为实现遮挡功能，可以在真实场景光路中设置空间光调制器，对真实场景光线进行局部衰减或阻挡。但由于近眼显示装置中遮挡层通常距离人眼较近，当人眼聚焦于远处真实场景时，遮挡图像容易产生离焦模糊，形成软边遮挡，难以获得清晰的空间遮挡边界。若使用复杂透镜系统实现硬边遮挡，则容易增加装置体积和光路复杂度，并可能限制视场角，不利于构建轻薄的大视场角增强现实近眼显示装置。

4、如us20150363978a1所公开的，其主要实施方式在多层空间光调制器之外设置独立的快门元件，并通过快门元件、背光元件和多层空间光调制器之间的时序配合，分别形成虚拟图像和真实场景遮挡。该独立快门元件主要用于对真实场景光线进行全局通断控制，而具体的空间遮挡图案仍由多层空间光调制器形成。

5、因此，需要提出一种新的增强现实近眼显示装置及显示方法，在保持较大视场角和紧凑结构的同时，使虚拟图像能够在真实场景中呈现出相应的空间遮挡关系，从而提高虚拟物体的真实感、清晰度和空间一致性。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种具有空间遮挡功能的大视场角增强现实近眼显示装置及显示方法，有效解决增强现实近眼显示中虚拟图像缺少真实空间遮挡、虚拟物体透明化、边缘清晰度不足以及虚实融合真实感不足的问题。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种具有空间遮挡功能的大视场角增强现实近眼显示装置，包括用于获取人眼瞳孔大小及所在位置信息的眼动追踪装置，其特点在于，还包括：

4、空间遮挡与图像显示复合模组，设置于真实场景和人眼之间，用于在不同时刻分别形成空间遮挡效果和虚拟图像显示效果；所述空间遮挡与图像显示复合模组包括沿真实场景光线入射至人眼的方向依次设置第一显示器件、透明导光板和第二显示器件；

5、透明导光板驱动系统，与所述透明导光板相连接，用于控制透明导光板上的发光点源点亮或关闭，形成逐点寻址可控的点光源阵列；

6、总控制器，分别与所述眼动追踪装置、第一显示器件、第二显示器件和透明导光板驱动系统相连，用于根据人眼瞳孔大小及位置信息确定虚拟物体显示位置和遮挡位置，生成第一工作时刻所需的空间遮挡显示数据和第二工作时刻所需的虚拟图像显示数据，并同步控制第一显示器件、第二显示器件和透明导光板的工作状态；

7、其中，在第一工作时刻，所述透明导光板不点亮，所述第一显示器件和所述第二显示器件形成空间遮挡显示状态；在第二工作时刻，所述透明导光板点亮，所述第二显示器件加载虚拟图像，所述透明导光板发出的光线经所述第二显示器件调制后进入人眼瞳孔附近；所述第一工作时刻和所述第二工作时刻交替刷新，使人眼获得具有空间遮挡关系的大视场角增强现实图像。

8、进一步，所述第一显示器件和第二显示器件为透射式显示器件、透射式空间光调制器、加载固定图案的透明光学调制元件、印刷透明图案板或透明亚克力图案板。

9、进一步，在所述第一工作时刻，所述空间遮挡显示状态采用压缩光场调制方式实现，所述总控制器将所述第一显示器件和所述第二显示器件分别构建为对所述真实场景光线进行多层调制的光场调制层，各层分别加载对应的压缩光场显示图案，使真实场景光线经过所述第一显示器件和所述第二显示器件的共同调制后，在所述人眼视点处重建出与虚拟物体空间位置相对应的遮挡光场分布。

10、进一步，所述压缩光场调制方式为偏振型压缩光场调制结构或乘法型压缩光场调制结构；

11、所述偏振型压缩光场调制结构为所述第一显示器件和所述第二显示器件整体前后设置两片偏振片，所述第一显示器件和所述第二显示器件作为偏振旋转调制层工作，所述遮挡光场的重建公式为：

12、

13、其中，表示人眼视点处形成的遮挡光场，m表示显示帧数，n表示显示器件层数，表示第m帧第n层显示器件的透过率；

14、所述乘法型压缩光场调制结构为所述第一显示器件和所述第二显示器件分别设置前后偏振片，各显示器件分别作为独立的透过率调制层工作，所述遮挡光场的重建公式为：

15、

16、其中，表示第m帧第n层显示器件的等效相位调制量。

17、进一步，在所述第一工作时刻，所述空间遮挡显示状态采用针孔阵列图案与遮挡图像组合方式实现，所述总控制器将所述第一显示器件和所述第二显示器件中的一者配置为加载针孔阵列图案，另一者配置为加载遮挡图像，使所述遮挡图像经所述针孔阵列的孔径限制后在所述人眼视点处形成具有清晰边缘的空间遮挡效果，以克服因遮挡层距人眼过近导致的离焦模糊问题。

18、进一步，靠近人眼一侧的所述显示器件加载所述针孔阵列图案，远离人眼一侧的所述显示器件加载所述遮挡图像；所述所述针孔阵列图案表示如下：

19、

20、其中，表示人眼视点处形成的遮挡图像，表示遮挡图像，表示针孔阵列与人眼瞳孔共同决定的有效透过函数，表示系统点扩散函数，表示卷积运算；

21、当所述眼动追踪装置检测到瞳孔发生位移时，所述总控制器根据位移矢量实时计算所述针孔阵列图案的平移量并刷新加载于对应显示器件上，使针孔位置始终对准瞳孔中心，确保瞳孔始终处于针孔阵列的有效成像区域内。

22、进一步，在所述第二工作时刻，所述透明导光板被透明导光板驱动系统点亮并形成点光源阵列，第二显示器件加载虚拟图像，所述点光源阵列发出的光线经第二显示器件调制后进入人眼瞳孔附近，形成大视场角虚拟图像显示。

23、进一步，所述总控制器根据所述眼动追踪装置获取的人眼瞳孔大小及所在位置信息，计算所述透明导光板上需要点亮的发光点源位置，并根据人眼瞳孔位置更新第一显示器件和第二显示器件所需加载的图像。

24、进一步，所述透明导光板为透明oled显示器、透明led显示器或led光电玻璃；所述透明导光板驱动系统采用有源矩阵驱动方式，通过逐行扫描和列数据写入实现对每个所述发光点源的独立脉宽调制电流控制，驱动刷新速率与所述第一工作时刻和所述第二工作时刻的交替频率保持同步。

25、一种具有空间遮挡功能的大视场角增强现实近眼显示方法，应用于上述具有空间遮挡功能的大视场角增强现实近眼显示装置，其特点在于，包括如下步骤

26、s1.通过眼动追踪装置，获取人眼瞳孔大小及所在的位置信息；

27、s2.根据人眼瞳孔信息确定虚拟物体显示位置及遮挡位置；

28、s3.根据步骤s2得到的虚拟物体显示位置及遮挡位置，生成第一工作时刻所需的空间遮挡显示数据和第二工作时刻所需的虚拟图像显示数据；

29、s4.根据人眼瞳孔大小及各层显示图像，计算透明导光板上需要点亮的点光源位置；

30、s5.在所述第一工作时刻，控制透明导光板不点亮，并控制第一显示器件和第二显示器件加载空间遮挡显示数据，使真实场景光线经过所述第一显示器件和所述第二显示器件的共同调制后在人眼视点处形成空间遮挡效果；

31、s6.在所述第二工作时刻，控制透明导光板点亮形成点光源阵列，并控制第二显示器件加载虚拟图像，使所述点光源阵列发出的光线经所述第二显示器件调制后进入人眼瞳孔附近；

32、s7.控制所述第一工作时刻和所述第二工作时刻以人眼不可分辨的刷新频率交替切换，利用人眼视觉暂留效应，使同一空间遮挡与图像显示复合模组在时间维度上复用为遮挡功能和显示功能，从而获得具有空间遮挡关系的大视场角增强现实图像。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、1.本发明通过第一工作时刻形成空间遮挡效果、第二工作时刻形成虚拟图像显示效果，并使两个工作时刻交替刷新，使人眼基于视觉暂留获得具有空间遮挡关系的增强现实图像，减弱真实场景光线对虚拟图像的干扰，提高虚拟物体的真实感。

35、2.本发明在第一工作时刻可以采用压缩光场调制方式形成空间遮挡效果，也可以采用针孔阵列图案与遮挡图像组合方式形成空间遮挡效果，能够根据不同器件结构、显示需求和遮挡效果要求选择不同的空间遮挡生成方法，具有较强的实现灵活性。

36、3.本发明在第二工作时刻利用透明导光板形成点光源阵列，并通过第二显示器件加载虚拟图像，使虚拟图像光线进入人眼瞳孔附近，有利于构建紧凑型大视场角增强现实近眼显示装置。

37、4.本发明通过眼动追踪装置获取人眼瞳孔大小及位置信息，总控制器根据瞳孔位置更新空间遮挡显示数据、虚拟图像显示数据和透明导光板点源控制信息，使人眼在不同观察位置下仍能够获得对应的空间遮挡效果和虚拟图像显示效果。

38、5.本发明的第一显示器件和第二显示器件不限于液晶显示屏，也可以采用透射式空间光调制器、透明图案板或其他透射式光学调制元件，能够适配不同硬件实现形式，便于结构扩展和工程实现。

39、6.相us20150363978a1，本发明无需设置独立快门元件，利用位于第一显示器件与第二显示器件之间的透明导光板在点亮状态和非点亮状态之间切换，并使其与两显示器件在不同工作时刻协同工作，从而减少独立光学元件及其同步控制环节，使复合模组的层叠结构更加紧凑。