CN105929547A - 近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备，包括激光光源、分光组件、准直光纤阵列和控制器，所述分光组件包括M*N个输出通道，所述准直光纤阵列的出射端面为弧面，M和N均为不小于2的整数；所述激光光源用于输出根据影像信息调制的激光；所述激光光源输出的激光经过所述分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述分光组件，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼。

Description

近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备。

背景技术

随着计算机视觉技术的飞速发展，使得增强现实技术和虚拟现实技术也随之飞速发展。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索，将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的虚拟图像显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息，或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。而虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，该模拟环境能够同时通过视觉、听觉、触觉等反馈方式，使得用户沉浸到模拟环境展示出的虚拟世界中。

现有的增强现实技术和虚拟现实技术在使用光纤显示虚拟图像时，均是使用扫描光纤阵列来进行显示，且在每一时刻显示虚拟图像中的一个像素点，例如以显示一幅800*600的单色图像为例，人眼的刷新率取最低要求30Hz，为了使得人眼能够看到显示的虚拟图像，则控制扫描光纤阵列中扫描光纤开通和断开的光开关的开关频率最低为扫描光纤的扫描频率最低为若需显示RGB彩色图像，由于显示彩色图像需采用时序的方法，故需要的光开关的开关频率最低为扫描光纤的扫描频率最低为不管显示单色图像还是彩色图像，所需要的光开关的开关频率过高，且单位时间内开关频率越高浪费的能量也越多，由此可知，现有技术中存在光开关的开关频率过高，导致能量利用率低的问题。

发明内容

本发明提供一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备，通过准直光纤阵列来显示虚拟图像，能够有效降低光开关的开关频率，且能够有效提高能量利用率。

本申请实施例第一方面提供了一种近眼显示系统，包括激光光源、分光组件、准直光纤阵列和控制器，所述分光组件包括M*N个输出通道，所述准直光纤阵列的出射端面为弧面，M和N均为不小于2的整数；

所述激光光源用于输出根据影像信息调制的激光；所述激光光源输出的激光经过所述分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述分光组件，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼。

可选的，所述激光光源包括三色激光光源、准直镜组、合束器、耦合器和耦合光纤，其中，所述三色激光光源输出三色激光；所述准直镜组设置于所述三色激光光源的出射光路上，用于对所述三色激光进行准直处理；所述合束器设置于所述准直镜组的出射光路上，用于将所述准直镜组出射的激光进行合束处理；所述耦合器设置于所述合束器的出射光路上，用于将所述合束器出射的激光耦合到所述耦合光纤中；所述耦合光纤与所述耦合器相连，所述耦合光纤用于传输经过所述耦合器的激光。

可选的，所述准直光纤阵列包括M*N根准直光纤，所述M*N根准直光纤与所述M*N个输出通道耦合。

可选的，每根准直光纤包括1/4p自聚焦透镜或准直透镜或电光偏转器。

可选的，每根准直光纤为单模光纤或多模光纤。

可选的，每根准直光纤的出射端面为弧面。

可选的，所述分光组件包括1个1*M型的第一光分路器、M个1*N型的第二光分路器和M*N个通道开关，所述第一光分路器的入射端与所述激光光源的出射端相连，所述M个第二光分路器与所述第一光分路器的M个出射端一一相连；所述M*N个通道开关用于控制所述M*N个输出通道的开启和断开，所述M*N个通道开关和所述M*N个输出通道一一对应。

可选的，所述分光组件包括1个M*N型的光分路器，所述M*N型的光分路器集成了M*N个通道开关，所述M*N个通道开关用于控制所述M*N个输出通道的开启和断开，所述M*N个通道开关和所述M*N个输出通道一一对应。

可选的，所述近眼显示系统还包括调光结构，所述调光结构设置于所述准直光纤阵列的远离人眼一侧。

可选的，所述调光结构具体为PDLC膜层和用于控制所述PDLC膜层通断电的光开关。

本申请实施例第二方面还提供了一种近眼显示系统，包括激光光源、分光组件、准直光纤阵列和控制器，所述分光组件包括M*N个输出通道，所述准直光纤阵列的出射端面分为两部分，其中一部分出射端面为平面，另一部分出射端面为弧面，M和N均为不小于2的整数；

所述激光光源用于输出根据影像信息调制的激光；所述激光光源输出的激光经过所述分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述分光组件，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼。

本申请实施例第三方面还提供了一种虚拟现实设备，包括两套如第一方面或第二方面介绍的所述近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应。

本申请实施例第四方面还提供了一种增强现实设备，包括两套如第一方面或第二方面介绍的所述近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应；外界环境光通过所述第一近眼显示系统的调光结构进入人的左眼，并通过所述第二近眼显示系统的调光结构进入人的右眼。

本发明的有益效果如下：

基于上述技术方案，本发明实施例中激光光源输出的激光经过分光组件后，被分成M*N个光束；控制器根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼，由于使用的是准直光纤阵列，使得准直光纤阵列中的每根准直光纤均能够显示一个视场光即一个像素点，使得通过准直光纤阵列在每一时刻能够显示多个像素点，而现有技术每一时刻仅能显示一个像素点，由于图像的像素点是不变的，而在每一时刻显示的像素点的数量增多时，其通道开关的开关频率必然会降低，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

另外，本发明实施例采用的是准直光纤阵列来显示虚拟图像，与现有技术采用扫描光纤阵列来显示图像的技术方案存在本质上的区别，由此可知，本发明实施例提供了一种新技术方案来显示虚拟图像，且该技术方案能够应用在虚拟现实技术和增强现实技术中。

附图说明

图1为本发明实施例中近眼显示系统的第一种结构示意图；

图2为图1的内部结构图；

图3为本发明实施例中激光光源的结构示意图；

图4为本发明实施例中激光光源和分光组件的连接结构图；

图5为本发明实施例中第二光分路器2021的结构示意图；

图6为本发明实施例中准直光纤阵列的结构示意图；

图7为本发明实施例中准直光纤的第一种结构示意图；

图8为本发明实施例中准直光纤的第二种结构示意图；

图9为本发明实施例中近眼显示系统的第二种结构示意图；

图10为本发明实施例中两套近眼显示系统的连接结构示意图。

附图中有关标记如下：

10——激光光源，100——激光光源，101——红色激光光源，102——绿色激光光源，103——蓝色激光光源，104——准直镜组，1041——准直镜组，1042——准直镜组，1043——准直镜组，105——合束器，1051——二向色镜，1052——二向色镜，1053——二向色镜，106——耦合器，107——耦合光纤，20——分光组件，200——分光组件，201——1*M型的第一光分路器，202——M个1*N型的第二光分路器，2021——第二光分路器，203——1*N个通道开关，204——N根耦出光纤，30——准直光纤阵列，300——准直光纤阵列，3001——一部分出射端面，3002——另一部分出射端面，31——弧面，301——准直光纤，302——光纤，303——1/4P自聚焦透镜，304——套管，305——1/4P自聚焦透镜，306——准直光纤，307——准直光纤，3071——反射面，3072——耦合面，40——控制器，400——控制器，50——透明曲面基板，60——人眼，600——人眼，70——第一准直透镜阵列，71——第二准直透镜阵列，80——第一近眼显示系统，801——激光光源，802——分光组件，803——准直光纤阵列，804——控制器，805——人眼，806——准直透镜阵列，807——准直透镜阵列，81——第一近眼显示系统，811——激光光源，812——分光组件，813——准直光纤阵列，814——控制器，815——人眼，816——准直透镜阵列，817——准直透镜阵列。

具体实施方式

本发明提供一种近眼显示系统、虚拟现实设备及增强现实设备，通过准直光纤阵列来显示虚拟图像，能够有效降低光开关的开关频率，且能够有效提高能量利用率。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

实施例一：

如图1和图2所示，本发明实施例第一方面提供了一种近眼显示系统，包括激光光源10、分光组件20、准直光纤阵列30和控制器40，分光组件20包括M*N个输出通道，准直光纤阵列30的出射端面为弧面31，M和N均为不小于2的整数。

其中，激光光源10用于输出根据影像信息调制的激光；激光光源10输出的激光经过分光组件20后，被分成M*N个光束；控制器40分别电性连接分光组件20，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制分光组件20中的每个输出通道的开启和关闭；准直光纤阵列30中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从分光组件20输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼60。

本申请实施例中，激光光源10还可以包括S个激光光源，这时每个激光光源对应一个分光组件，通过对应的分光组件将所述S个激光光源出射的激光分成M*N个光束；由于每个激光光源对应一个分光组件，使得分光组件20也包括S个分光组件，其中，S为不小于2的整数。

具体的，激光光源10可以为单色激光光源或多色激光光源，在为单色激光管光源时，用于显示单色图像；在为多色激光光源时，用于显示单色图像和多色图像；进一步的，激光光源10具体可以为三色激光光源，例如为RGB激光光源等，下面具体以三色激光光源为例。

本申请实施例中，所述影像信息的显示视场灰度包括所述影像信息对应的图像中每个像素点的灰度，根据所述影像信息可以获取到与其对应的图像中每个像素点的灰度，其中每个像素点的灰度即为一个显示视场的灰度，例如当0°视场的灰度为与其对应的像素点的灰度例如为0～255中的一个值。

具体的，参见图3，激光光源10包括红色激光光源101、绿色激光光源102和蓝色激光光源103，其中，红色激光光源101用于发射红色激光，绿色激光光源用于发射绿色激光，蓝色激光光源103用于发射蓝色激光。

继续参见图3，激光光源10还包括准直镜组104、合束器105、耦合器106和耦合光纤107，准直镜组104设置于激光光源10的出射光路上，用于对激光光源10发射的激光进行准直处理，其中，准直镜组104包括准直镜1041、准直镜1042和准直镜1043，准直镜1041设置于红色激光光源101的出射光路上，用于对红色激光进行准直处理；准直镜1042设置于绿色激光光源102的出射光路上，用于对绿色激光进行准直处理；准直镜1043设置于蓝色激光光源103的出射光路上，用于对蓝色激光进行准直处理。当然，激光光源10还可以是由红色激光光源101、绿色激光光源102、蓝色激光光源103、合束器105、耦合器106和耦合光纤107组成，而未包含准直镜组104，其中，耦合光纤107可以是晶状体纤维光纤例如二氧化硅光导纤维。

继续参见图3，合束器105设置于准直镜组104的出射光路上，用于将准直镜组104出射的激光进行合束处理，其中，合束器105包括二向色镜1051、二向色镜1052和二向色镜1053，其中，二向色镜1051反射红光和透射绿光，二向色镜1052透射绿光，二向色镜1053透射红绿光和反射蓝光，从而将准直镜组104发出的激光合成为一个光路，在此就不再赘述了。

继续参见图3，耦合器106设置于合束器106的出射光路上，用于将合束器105出射的激光耦合到耦合光纤107中；耦合光纤107与耦合器106相连，耦合光纤107用于传输经过耦合器106的激光。

具体的，分光组件20可以为1个M*N型的光分路器，所述M*N型的光分路器集成了M*N个通道开关，所述M*N个通道开关用于控制所述M*N个输出通道的开通和断开，所述M*N个通道开关和所述M*N个输出通道一一对应；当然，分光组件20还可以是1个M*N型的光分路器和M*N个通道开关，其中，所述通道开关可以是光开关或光衰减器等，在所述通道开关为光开关时，能够控制输出通道的开通和断开；在所述通道开关为光衰减器时，通过所述光衰减器不仅能够控制输出通道的开通和断开，还能够控制输出通道输出光束的能量，其中，在输出通道开通时，光束通过输出通道传输至准直光纤阵列30；在输出通道断开时，光束不能通过输出通道传输至准直光纤阵列30，下面具体以光开关为例。

其中，在所述通道开关为光衰减器时，通过光衰减器控制对应的输出通道的输出能量为0，即可以确定该输出通道已断开；若通过光衰减器控制对应的输出通道的输出能量大于0，即可以确定该输出通道已开通。

具体来讲，参见图4，分光组件20还可以是1个1*M型的第一光分路器201、M个1*N型的第二光分路器202和所述M*N个通道开关，第一光分路器201的入射端与激光光源10的出射端相连，即第一光分路器201的入射端与耦合光纤107相连，M个第二光分路器202与第一光分路器201的M个出射端一一相连；所述M*N个通道开关用于控制所述M*N个输出通道的开通和断开，所述M*N个通道开关和所述M*N个输出通道一一对应，进而使得每个输出通道可以通过相应的通道开关来独立控制该输出通道的开通和断开，其中，每个输出通道均为一根光纤，使得所述M*N个输出通道即为M*N根光纤。

其中，分光组件20在将激光光源10输出的激光分成M*N个光束时，用于将激光光源10输出的激光分成能量相等的M*N个光束，例如红色激光光源101设置的最大输出能量为ER，经分光组件20分束后最终光纤分束器的每一输出通道的出射端出射的最大能量为ER/(M*N)，每一根准直光纤出射的能量能够显示所述影像信息对应的图像的所有灰度等级。例如所述影像信息对应的图像的灰度等级为8位，即有0-255这256个灰度等级，单位灰度对应的红色激光需求能量为ER/(M*N)/256，在所述图像的灰度为255时，则可以通过光衰减器控制输出通道出射的能量为ER/(M*N)；在所述图像的灰度为160时，则通过光衰减器控制输出通道出射的能量为ER*(160+1)/(M*N)/256，用于使得该输出通道出射的能量与图像的灰度所需能量相匹配。

当然，在使用光开关控制准直光纤出射光束来实现256个灰度等级时，可以通过光开关控制输出通道的开启时长来实现，例如可以获取准直光纤显示所述影像信息对应的图像中的一个像素点的像素时长，再根据所述图像的灰度等级来划分所述像素时长，若图像的灰度等级为8位，即有0-255这256个灰度等级，则将所述像素时长划分为256段，若显示的像素的灰度为160时，则控制准直光纤显示该像素的时长为所述像素时长*(160+1)/256。

参见图5，以M个第二光分路器202中的一个第二光分路器2021为例，第二光分路器2021的入射端与第一光分路器201的一个出射端相连，第二光分路器2021的N个出射端与1*N个通道开关203一一相连，1*N个通道开关203的输出端还可以连接N根耦出光纤204，用于与准直光纤阵列30中的准直光纤相连，其中，1*N个通道开关203用于控制第二光分路器2021的N个出射端的开通和断开，即控制第二光分路器2021的N个输出通道的开通和断开。

本申请实施例中，控制器40可以是单片机、处理芯片和控制电路等；进一步的，所述近眼显示系统应用于单眼，双眼需要使用两套所述近眼显示系统。

本申请实施例中，由于准直光纤阵列30中一个准直光纤对应一个像素点，在显示所述影像信息对应的图像时，将所述图像中的像素点与准直光纤阵列30中准直光纤进行对应，使得所述近眼系统一次可以显示所述图像中的所有像素点，在所述图像为单色图像时，可以通过一次显示即可显示所述图像的所有像素点；在所述图像为彩色图像时，可以采用时序的方式来显示所述图像，这时需要至少通过三次显示即可显示所述图像的所有像素点。

本申请实施例中，在所述通道开关为光开关时，控制器40根据所述影像信息的显示视场灰度，控制分光组件20中的每个输出通道的开通和断开，具体为：控制器40根据每个像素点的灰度，从所述M*N个输出通道中选取K*F个输出通道并控制其开启时长，而将未被选取的输出通道断开，其中，所述K*F个输出通道与每个像素点相对应。

进一步的，由于准直光纤阵列30中的M*N根准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，在K*F个输出通道开通时，K*F个输出通道输出的输出光束会传输至与其对应的K*F根准直光纤，使得控制器40通过相应的光开关来控制所述K*F根准直光纤的输出光束，并将输出的光束投射至人眼，在通过相应的光开关来控制所述K*F根准直光纤的输出光束时，控制器40根据每个像素点的灰度，控制所述K*F根准直光纤中每根准直光纤输出光束的时长，进而使得输出的光束能够显示每个像素点的灰度，而且由于K和F均为正整数，使得每一时刻可以开启多个输出通道，即每一时刻可以通过多根准直光纤来输出多个视场光即多个像素点，而现有技术每一时刻仅能显示一个像素点，由于图像的像素点是不变的，而在每一时刻显示的像素点的数量增多时，其通道开关的开关频率必然会降低，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

本申请实施例中，在所述通道开关为光衰减器时，控制器40根据所述影像信息的显示视场灰度，控制分光组件20中的每个输出通道的开通和断开，具体为：控制器40根据每个像素点的灰度，从所述M*N个输出通道中选取K*F个输出通道并控制其中每个输出通道的输出能量，而将未被选取的输出通道断开；由于准直光纤阵列30中的M*N根准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，在K*F个输出通道开通时，K*F个输出通道输出的输出光束会传输至与其对应的K*F根准直光纤，使得控制器40通过相应的光衰减器来控制所述K*F根准直光纤中每根准直光纤的输出能量，并将输出的光束投射至人眼，其中，所述K*F个输出通道的中每个输出通道的输出能量与对应的像素点的灰度所需能量相同或差值很小，并通过光衰减器控制未被选取的输出通道的输出能量为0，如此，能够有效提高图像显示的效果。

本申请实施例中，准直光纤阵列30中每根准直光纤的出射端面可以是平面，也可以是曲面，准直光纤可以是晶状体纤维光纤例如二氧化硅光导纤维，该种光纤可以获得出射光斑束腰极小和大数值孔径的光束；在准直光纤的出射端面具有一定弧度的凹曲面时，凹曲面会会聚光束，使得投射至人眼的光束产生的光斑减小，进而能够提高图像显示的效果；在准直光纤的出射端面具有一定弧度的凸曲面时，凸曲面会发散光束，使得投射至人眼的光束产生的光斑增大，进而在一定程度上影响图像显示的效果；优选的，本申请实施例中每根准直光纤的出射端面均为凹曲面。

具体的，参见图6，准直光纤阵列30包括M*N根准直光纤，所述M*N个输出通道输出的光束耦合进所述M*N根准直光纤，再通过所述M*N根准直光纤将所述M*N个输出通道输出的光束进行准直处理，将准直处理后的光束投射至人眼60。

具体的，参见图7，以准直光纤阵列30中的一根准直光纤301为例，准直光纤301包括光纤302和1/4p自聚焦透镜303，1/4p自聚焦透镜303设置在光纤302的出射光路上，用于对光纤302出射的光束进行准直处理，使得每根准直光纤输出的光束经1/4p自聚焦透镜后出射为平行光束。当然，1/4p自聚焦透镜303还可以用准直透镜或电光偏转器替换，其中，1/4p自聚焦透镜303的出射端面为准直光纤301的出射端面。

其中，准直光纤301还包括套管304，光纤302靠近1/4p自聚焦透镜303的前端部分设置在套管304中，1/4p自聚焦透镜303也设置在套管304中，以提高光纤302出射的散射光被套管304所吸收的概率，降低散射光对其它准直光纤出射的光束的影响，能够使得显示虚拟图像的效果更好。

本申请实施例中，准直光纤阵列30的出射端面排布成弧面，每一根准直光纤对应一个视场光场即一个像素点，因此显示分辨率由每一根准直光纤的尺寸(口径)和数量决定，其口径越大数量越大，显示分辨率越高，反之，则显示分辨率越低；如对于GRB可见光波段，准直光纤中的光纤采用单模光纤，其中，单模光纤的直径可以做到18um，考虑封装等，取相邻准直光纤的间隔为25um，准直光纤阵列30到瞳孔的距离为40mm，显示角分辨率25um/40mm为0.035度，人眼的角分辨率为2*(0.035度)。当然，准直光纤中的光纤也可以采用多摸光纤。

本申请实施例中，如图1和图7所示，准直光纤阵列30可以封装在透明曲面基板50中，光纤302为裸光纤外层涂覆一层极薄的透明保护胶即涂覆层，每相邻两根准直光纤之间的空隙用与所述涂覆层折射率相同或近似的材料填充，形成对外界光的无焦系统，其中，透明曲面基板50为透明度大于预设透明度的基板，所述预设透明度的取值范围为75％-100％，即可以为75％-100％之间的任意一个值，例如为75％、85％和100％等。

本申请实施例中，在所述近眼显示系统用于增强现实技术中时，为了使得观察到的现实外界环境的效果更好，可以将每根准直光纤中包括的1/4p自聚焦透镜的出射端面均设置成平面，如此，使得1/4p自聚焦透镜对外界光束无汇聚作用，而此时每相邻两根准直光纤之间的空隙用与所述涂覆层折射率相同或近似的材料填充，形成对外界光的无焦系统，由于1/4p自聚焦透镜对外界光束无汇聚作用且透明曲面基板50中形成了对外界光的无焦系统，如此，能够使得外界环境通过透明曲面基板50进入人眼60中时，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境。

本申请实施例中准直光纤阵列30中的准直光纤还有另一种结构，如图8所示，以准直光纤阵列30中的一根准直光纤306为例，准直光纤306包括光纤307和1/4p自聚焦透镜305，光纤307的出射端集成了反射面3071和耦合面3072，其中，耦合面3072可以为凸面，使得光纤307的出射端出射具有一定数值孔径的高斯光束，该高斯光束经过1/4P自聚焦透镜305后成一平行光。

其中，准直光纤阵列30中的准直光纤排列时采用图8的结构，可以使得每根准直光纤中的光纤平行排布，不同视场的光通过每根准直光纤中光纤的出射端的反射面的角度和耦合面来改变，并控制每根准直光纤中1/4P自聚焦透镜的出射端排列成弧面；每根准直光纤中光纤的出射的高斯光束经1/4P自聚焦透镜后成为不同的视场角出射的平行光。

具体的，参见图7，准直光纤使用图7所示的结构时，准直光纤中光纤有一部分是弯曲的，以使其在倾斜排布时，使得准直光纤发射的光束对应不同视场的光；而在准直光纤使用图8所示的结构，可以使得每根准直光纤中的光纤平行排布，可以通过反射面的角度和耦合面来使得准直光纤发射的光束对应不同视场的光，而无需将光纤的一部分设置成弯曲的，而弯曲部分会使得光传输的能量损耗增大，如此，采用图8所示的结构时会使得光传输过程中损失的能量减少，进而降低光传输过程中损失的能量。

在实际应用过程中，本申请实施例提供的近眼显示系统在用作增强现实显示时，为了使得显示的效果更好，在所述近眼显示系统中均使用电光偏转器来替代1/4p自聚焦透镜，同时在准直光纤阵列30的远离人眼一侧设置调光结构，所述调光结构具体为聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal，简称：PDLC)膜层和用于控制所述PDLC膜层通断电的光开关；采用分时段显示虚拟图像和现实外界环境；设人眼的刷新率为30Hz，将该刷新率对应的时间段分成2段，一段时间用于显示虚拟图像，此段时间内使PDLC膜层的光开关断开，使得PDLC膜层呈不透明状态；另一段时间用于观察现实外界环境，此段时间内使PDLC膜层的光开关开通，从而对PDLC膜层施加电压，使其呈透明状态，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明曲面基板50；如此，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明曲面基板50之后即可进入人眼，实现观察到现实外界环境。

当然，还可以将所述刷新率对应的时间段分成至少3段，其中的一段或多段时间用于显示虚拟图像，剩下的至少一段时间用于观察现实外界环境。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例中激光光源输出的激光经过分光组件后，被分成M*N个光束；控制器根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼，由于使用的是准直光纤阵列，使得准直光纤阵列中的每根准直光纤均能够显示一个视场光即一个像素点，使得通过准直光纤阵列在每一时刻能够显示多个像素点，而现有技术每一时刻仅能显示一个像素点，由于图像的像素点是不变的，而在每一时刻显示的像素点的数量增多时，其通道开关的开关频率必然会降低，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

实施例二：

如图9所示，本发明实施例第二方面提供了一种近眼显示系统，包括激光光源100、分光组件200、准直光纤阵列300和控制器400，分光组件200包括M*N个输出通道，准直光纤阵列300的出射端面分为两部分，其中一部分出射端面3001为平面，另一部分出射端面3002为弧面，M和N均为不小于2的整数。

其中，激光光源100用于输出根据影像信息调制的激光；激光光源100输出的激光经过分光组件200后，被分成M*N个光束；控制器400分别电性连接分光组件200，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制分光组件200中的每个输出通道的开启和关闭；准直光纤阵列300中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从分光组件200输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼600。

本申请实施例中，准直光纤阵列300中每根准直光纤均可以为单模光纤或多模光纤。

具体来讲，一部分出射端面3001位于人眼600的前方，另一部分出射端面3002位于人眼600的一侧，由于人的单目视场中具有3D感知的视场为鼻翼一侧为0～70°，以及耳侧70°至100°的视场不具有3D深度感知且人眼自身结构使得之外的视场感知清晰度大幅度降低，因此，准直光纤阵列300中与鼻翼一侧为0～70°视场对应的准直光纤阵列采用第一密度排布，以及准直光纤阵列300中与耳侧70°至100°的视场对应的准直光纤阵列采用第二密度排布，其中，所述第一密度大于所述第二密度，以使得准直光纤阵列300输出的光束形成的图像与人眼的真实视场更匹配，使得用户的体验更好。

具体的，采用一部分出射端面3001为平面，另一部分出射端面3002为弧面的设计方式，可以使得所述近眼显示系统的显示视场可以设置为鼻翼一侧60°～100°中的任意一个值，例如可以为60°、80°和100°等，如此，能够实现大视场的显示。

本申请实施例中，激光光源100可以为单色激光光源或多色激光光源，在为单色激光管光源时，用于显示单色图像；在为多色激光光源时，用于显示单色图像和多色图像；进一步的，激光光源100具体可以为三色激光光源，例如为RGB激光光源等，激光光源100在为三色激光光源时，具体可以参考图3及其对应的介绍。

本申请实施例中，激光光源100还可以包括S个激光光源，这时每个激光光源对应一个分光组件，通过对应的分光组件将所述S个激光光源出射的激光分成M*N个光束；由于每个激光光源对应一个分光组件，使得分光组件200也包括S个分光组件，其中，S为不小于2的整数。

本申请实施例中，分光组件200可以为1个M*N型的光分路器，所述M*N型的光分路器集成了M*N个通道开关，所述M*N个通道开关用于控制所述M*N个输出通道的开通和断开，所述M*N个通道开关和所述M*N个输出通道一一对应；当然，分光组件200还可以是1个M*N型的光分路器和M*N个通道开关，其中，所述通道开关可以是光开关或光衰减器等，在所述通道开关为光开关时，能够控制输出通道的开通和断开；在所述通道开关为光衰减器时，通过所述光衰减器不仅能够控制输出通道的开通和断开，还能够控制输出通道输出光束的能量，其中，在输出通道开通时，光束通过输出通道传输至准直光纤阵列300；在输出通道断开时，光束不能通过输出通道传输至准直光纤阵列300；其中，分光组件200的结构具体参考图4和图5及其对应的介绍。

本申请实施例中，准直光纤阵列300包括M*N根准直光纤，所述M*N个输出通道输出的光束耦合进所述M*N根准直光纤，再通过所述M*N根准直光纤将所述M*N个输出通道输出的光束进行准直处理，将准直处理后的光束投射至人眼600。

本申请实施例中，准直光纤阵列300中的准直光纤还可以是如图7和图8及其对应介绍的光纤，在此就不再赘述了。

本申请实施例中，所述近眼显示系统还包括准直透镜阵列组，如图6所示，所述准直透镜阵列组包括在准直光纤阵列300的靠近人眼一侧设置第一准直透镜阵列70和在准直光纤阵列300的远离人眼一侧设置第二准直透镜阵列71，且第一准直透镜阵列70和第二准直透镜阵列71组成1:1的望远系统，由于准直光纤阵列300是封装在透明曲面基板50中，使得外界环境光通过1:1的望远系统进入人眼，且由于外界环境光是通过1:1的望远系统进入人眼的，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境。

具体的，第一准直透镜阵列70设置在准直光纤阵列300的出射光路上，用于对准直光纤阵列300出射的光束进行准直处理，而此时，准直光纤阵列300中的准直光纤可以仅包括光纤。

在实际应用过程中，本申请实施例提供的近眼显示系统在用作增强现实显示时，为了使得显示的效果更好，在所述近眼显示系统中均使用电光偏转器来替代1/4p自聚焦透镜，同时在准直光纤阵列30的远离人眼一侧设置调光结构，所述调光结构具体为聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal，简称：PDLC)膜层和用于控制所述PDLC膜层通断电的光开关；采用分时段显示虚拟图像和现实外界环境；设人眼的刷新率为30Hz,将该刷新率对应的时间段分成2段，一段时间用于显示虚拟图像，此段时间内使PDLC膜层的光开关断开，使得PDLC膜层呈不透明状态；另一段时间用于观察现实外界环境，此段时间内使PDLC膜层的光开关开通，从而对PDLC膜层施加电压，使其呈透明状态，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明曲面基板50；如此，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明曲面基板50之后即可进入人眼，实现观察到现实外界环境。

当然，还可以将所述刷新率对应的时间段分成至少3段，其中的一段或多段时间用于显示虚拟图像，剩下的至少一段时间用于观察现实外界环境。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例中激光光源输出的激光经过分光组件后，被分成M*N个光束；控制器根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼，由于使用的是准直光纤阵列，使得准直光纤阵列中的每根准直光纤均能够显示一个视场光即一个像素点，使得通过准直光纤阵列在每一时刻能够显示多个像素点，而现有技术每一时刻仅能显示一个像素点，由于图像的像素点是不变的，而在每一时刻显示的像素点的数量增多时，其通道开关的开关频率必然会降低，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

实施例三：

本发明实施例第三方面还提供了一种虚拟现实设备，包括两套如第一方面或第二方面介绍的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应。

在第一方面和第二方面中已经详细介绍了近眼显示系统的具体结构以及运行过程，在此就不再赘述了。

具体的，所述虚拟现实设备还可以包括外壳，所述第一近眼显示系统和所述第二近眼显示系统均设置在所述外壳中。

实施例四：

本发明实施例第四方面还一种增强现实设备，包括两套如第一方面或第二方面介绍的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应；外界环境光通过所述第一近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的左眼，并通过所述第二近眼显示系统的会聚透镜阵列组进入人的右眼。

在第一方面中已经详细介绍了近眼显示系统的具体结构以及运行过程，在此就不再赘述了。

具体的，所述增强现实设备还可以包括外壳，所述第一近眼显示系统和所述第二近眼显示系统均设置在所述外壳中。

本申请另一实施例中，在第一方面或第二方面介绍的近眼显示系统中均使用电光偏转器来替代1/4p自聚焦透镜，同时在准直光纤阵列30的远离人眼一侧设置调光结构，所述调光结构具体为聚合物分散液晶(Polymer DispersedLiquid Crystal，简称：PDLC)膜层和用于控制所述PDLC膜层通断电的光开关；采用分时段显示虚拟图像和现实外界环境；设人眼的刷新率为30Hz,将该刷新率对应的时间段分成2段，一段时间用于显示虚拟图像，此段时间内使PDLC膜层的光开关断开，使得PDLC膜层呈不透明状态；另一段时间用于观察现实外界环境，此段时间内使PDLC膜层的光开关开通，从而对PDLC膜层施加电压，使其呈透明状态，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明曲面基板50，如此，使得外界环境光能够通过PDLC膜层和透明曲面基板50之后即可进入人眼，实现观察到现实外界环境。

当然，还可以将所述刷新率对应的时间段分成至少3段，其中的一段或多段时间用于显示虚拟图像，剩下的至少一段时间用于观察现实外界环境。

本申请实施例中，参见图10，所述虚拟现实设备包括两套如第二方面介绍的近眼显示系统时，其中第一近眼显示系统80与人的左眼对应，第二近眼显示系统81与人的右眼对应，所述虚拟现实设备的最大显示视场不小于预设视场，所述预设视场例如为不小于120的值，使得所述虚拟现实设备的最大显示视场最小为120°，如此可知，所述虚拟现实设备的最大显示视场可以为120°、160°、180°和200°等

继续参见图10，第一近眼显示系统80包括激光光源801、分光组件802、准直光纤阵列803和控制器804，分光组件802包括M*N个输出通道，准直光纤阵列803的出射端面分为两部分，其中一部分出射端面为平面，另一部分出射端面为弧面，M和N均为不小于2的整数。

其中，激光光源801用于输出根据影像信息调制的激光；激光光源801输出的激光经过分光组件802后，被分成M*N个光束；控制器804分别电性连接分光组件802，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制分光组件802中的每个输出通道的开启和关闭；准直光纤阵列803中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从分光组件802输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼805。

具体的，第一近眼显示系统80还包括准直透镜阵列组，所述准直透镜组包在准直光纤阵列803的靠近人眼一侧设置准直透镜阵列806和在准直光纤阵列803的远离人眼一侧设置准直透镜阵列807，且准直透镜阵列806和准直透镜阵列807组成1:1的望远系统，由于准直光纤阵列803是封装在透明曲面基板中，使得外界环境光通过1:1的望远系统进入人眼，且由于外界环境光是通过1:1的望远系统进入人眼的，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境。

具体的，准直透镜阵列806设置在准直光纤阵列803的出射光路上，用于对准直光纤阵列803出射的光束进行准直处理，而此时，准直光纤阵列803中的准直光纤可以仅包括光纤。

进一步的，第二近眼显示系统81包括激光光源811、分光组件812、准直光纤阵列813和控制器814，分光组件812包括M*N个输出通道，准直光纤阵列813的出射端面分为两部分，其中一部分出射端面为平面，另一部分出射端面为弧面，M和N均为不小于2的整数。

其中，激光光源811用于输出根据影像信息调制的激光；激光光源811输出的激光经过分光组件812后，被分成M*N个光束；控制器814分别电性连接分光组件812，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制分光组件812中的每个输出通道的开启和关闭；准直光纤阵列813中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从分光组件812输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼815。

具体的，第二近眼显示系统81还包括准直透镜阵列组，所述准直透镜组包在准直光纤阵列813的靠近人眼一侧设置准直透镜阵列816和在准直光纤阵列8130的远离人眼一侧设置准直透镜阵列817，且准直透镜阵列816和准直透镜阵列817组成1:1的望远系统，由于准直光纤阵列813是封装在透明曲面基板中，使得外界环境光通过1:1的望远系统进入人眼，且由于外界环境光是通过1:1的望远系统进入人眼的，不会对外界进行放大或缩小，使得用户能够更真实的感受外界环境。

具体的，准直透镜阵列816设置在准直光纤阵列813的出射光路上，用于对准直光纤阵列813出射的光束进行准直处理，而此时，准直光纤阵列813中的准直光纤可以仅包括光纤。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例中激光光源输出的激光经过分光组件后，被分成M*N个光束；控制器根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼，由于使用的是准直光纤阵列，使得准直光纤阵列中的每根准直光纤均能够显示一个视场光即一个像素点，使得通过准直光纤阵列在每一时刻能够显示多个像素点，而现有技术每一时刻仅能显示一个像素点，由于图像的像素点是不变的，而在每一时刻显示的像素点的数量增多时，其通道开关的开关频率必然会降低，如此，能够有效降低通道开关的开关频率，以及在单位时间内开关频率降低的情况下，其能量利用率也会随之提高。

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。

Claims (13)

1.一种近眼显示系统，其特征在于，包括激光光源、分光组件、准直光纤阵列和控制器，所述分光组件包括M*N个输出通道，所述准直光纤阵列的出射端面为弧面，M和N均为不小于2的整数；

所述激光光源用于输出根据影像信息调制的激光；所述激光光源输出的激光经过所述分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述分光组件，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光光源包括三色激光光源、准直镜组、合束器、耦合器和耦合光纤，其中，所述三色激光光源输出三色激光；所述准直镜组设置于所述三色激光光源的出射光路上，用于对所述三色激光进行准直处理；所述合束器设置于所述准直镜组的出射光路上，用于将所述准直镜组出射的激光进行合束处理；所述耦合器设置于所述合束器的出射光路上，用于将所述合束器出射的激光耦合到所述耦合光纤中；所述耦合光纤与所述耦合器相连，所述耦合光纤用于传输经过所述耦合器的激光。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直光纤阵列包括M*N根准直光纤，所述M*N根准直光纤与所述M*N个输出通道耦合。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每根准直光纤包括1/4p自聚焦透镜或准直透镜或电光偏转器。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每根准直光纤为单模光纤或多模光纤。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每根准直光纤的出射端面为弧面。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光组件包括1个1*M型的第一光分路器、M个1*N型的第二光分路器和M*N个通道开关，所述第一光分路器的入射端与所述激光光源的出射端相连，所述M个第二光分路器与所述第一光分路器的M个出射端一一相连；所述M*N个通道开关用于控制所述M*N个输出通道的开启和断开，所述M*N个通道开关和所述M*N个输出通道一一对应。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光组件包括1个M*N型的光分路器，所述M*N型的光分路器集成了M*N个通道开关，所述M*N个通道开关用于控制所述M*N个输出通道的开启和断开，所述M*N个通道开关和所述M*N个输出通道一一对应。

9.如权利要求1-8任一项所述的系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括调光结构，所述调光结构设置于所述准直光纤阵列的远离人眼一侧。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述调光结构具体为PDLC膜层和用于控制所述PDLC膜层通断电的光开关。

11.一种近眼显示系统，其特征在于，包括激光光源、分光组件、准直光纤阵列和控制器，所述分光组件包括M*N个输出通道，准直光纤阵列300的出射端面分为两部分，其中一部分出射端面为平面，另一部分出射端面为弧面，M和N均为不小于2的整数；

所述激光光源用于输出根据影像信息调制的激光；所述激光光源输出的激光经过所述分光组件后，被分成M*N个光束；所述控制器电性连接所述分光组件，用于根据所述影像信息的显示视场灰度，控制所述分光组件中的每个输出通道的开启和关闭；所述准直光纤阵列中的准直光纤与所述M*N个输出通道耦合，用于传输从所述分光组件输出的输出光束，并将所述输出光束投射至人眼。

12.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括两套如权利要求1-11中任一项所述的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应。

13.一种增强现实设备，其特征在于，包括两套如权利要求9或10所述的近眼显示系统，其中第一近眼显示系统与人的左眼对应，第二近眼显示系统与人的右眼对应；外界环境光通过所述第一近眼显示系统的调光结构进入人的左眼，并通过所述第二近眼显示系统的调光结构进入人的右眼。