一種光場顯示裝置及顯示方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種光場顯示裝置及顯示方法，光場顯示裝置包括：圖像源，產生表征虛擬信息的光線；混合模塊，虛擬信息的光線和外部環境光線經混合模塊和透射型空間光調制器透射入人眼；透射型空間光調制器，根據控制模塊的控制信號，對虛擬信息的光線和外部環境光線進行調制；控制模塊，同步控制透射型空間光調制器和圖像源，令透射型空間光調制器的不同獨立單元被有序地打開或關閉，而圖像源則有序地顯示對應的圖像。光場顯示方法通過透射型空間光調制器快速有序地打開或關閉不同獨立單元，構建所需呈現的虛擬信息的模擬光場，當人眼通過該模擬光場觀察所需呈現的虛擬信息時，不存在輻輳調節沖突，從而避免了由此導致的人眼疲勞及其它生理不適。

Light field display device and display method

The invention discloses a light field display device and display method, image display device includes a light source, which characterize the virtual information light; hybrid module, virtual information light and external environment light mixing module and transmission type spatial light modulator into human transmission; transmission type spatial light modulator, according to control signals the module of virtual information, light and external environment light modulation; control module, synchronous control of transmission type spatial light modulator and image source, different independent unit order transmission type spatial light modulator is orderly open or closed, and the image source in order to display the corresponding image. Display method of light field by transmission type spatial light modulator fast and orderly open or close different independent units, simulation of light field virtual information to build the human eye through the simulation, when the light field of virtual information observations required to present, there is no convergence regulation conflict, so as to avoid eye fatigue and the resulting other physical discomfort.

【技術實現步驟摘要】
一種光場顯示裝置及顯示方法
本專利技術涉及虛擬現實與增強現實
，尤其涉及一種基于光場原理的三維顯示裝置及顯示方法。
技術介紹
虛擬現實(VirtualReality)技術是一種將虛擬信息更逼真地呈現在用戶面前，并達到“以假亂真”的效果的顯示技術，它通常屏蔽外界真實環境，使用戶沉浸于虛擬世界中。增強現實(AugmentedReality)技術是一種將虛擬信息疊加到真實世界的顯示技術，它使用戶可以同時觀察外界真實環境。這些技術可廣泛應用于軍事、醫療、教育、制造、娛樂等領域。隨著相關技術的商用化推進，VR/AR設備越來越被大眾所熟知，產品也逐漸往消費市場蔓延。其中，AR設備被認為具有更廣闊的應用潛力，同時，當AR設備集成了可選擇性遮擋現實世界光線的相關組件后，在某種程度上就兼具了VR設備的效果。因此，立足AR設備的特點，研究兩者共通的三維顯示技術，變得很有意義。目前，市場上的AR眼鏡設備種類繁多，其原理多是單深度的雙目視差系統，即：通過一個半透半反的結構同時接收虛擬信息和真實世界場景；人眼在觀看真實世界場景時，真實空間自帶的三維信息給人眼提供了不同的深度線索，從而產生立體感；然而，在觀察虛擬信息時，虛擬信息的畫面其實是在同一個固定深度的平面上(單深度)，通過給雙眼提供具有視差的兩幅不同的畫面(雙目視差)達到立體效果，人眼調焦在該固定的深度位置接受虛擬信息，而無論虛擬信息是否包含了處于不同于該固定深度的虛擬點。在觀察那些處于不同于該固定深度的虛擬信息時，由于左右眼聚焦的位置并不重合，造成了視覺輻輳調節沖突(vergence-accommodationconflict)。這種沖突會引起視疲勞、頭痛等不良生理反應，限制了裝備的長時間佩戴，體驗欠佳。而且，同一時刻該固定深度的平面必須提供清晰的視差圖，因此其半透半反的結構既要承擔對外部真實環境的通透，更要直接承擔對圖像源成清晰穩定的虛擬像面的功能，這種雙重約束大大降低了光學設計的自由度，提高了設計工作的難度；尤其對于大視場角(FieldofView)相關設備的設計，或要求半透半反結構的厚度進一步降低的設計，往往很難兼顧圖像源成像質量的各種指標。公開號為CN103487938A的中國專利公開了一種頭戴顯示裝置，包括主體框架、透視式光學顯示系統、主控系統和雙目立體視覺系統，透視式光學顯示系統包括圖像顯示模塊、光學放大系統和微調機構；雙目立體視覺系統拍攝人眼前方的目標物，利用視差原理測距的方法，獲得目標物到人眼的距離；主控系統根據得到的目標物到人眼的距離，控制透視式光學顯示系統自動調整虛像到人眼的距離，保證用戶在使用這些圖像顯示器時用眼的舒適度，緩解視野疲勞。但是該裝置結構復雜，調焦時涉及步進電機和傳動機構，很難在高速、高精度、低能耗等方面取得平衡。公開號為US201704574的美國專利公開了一種緊湊型頭戴顯示系統，包括一片結構復雜的波導鏡片和成像棱鏡，但其視場角較小。公開號為WO2016081664A1的專利公開了一種大視場角頭戴顯示系統，包含圖像源和自由曲面反射鏡面罩，但是體積龐大；公開號為CN101359089的中國專利公開了一種自由曲面棱鏡頭戴顯示系統，包括微顯示器及自由曲面棱鏡，但其裝置鏡片較厚且需要補償鏡，不利于生產使用。
技術實現思路
本專利技術提供一種光場顯示裝置及顯示方法，可以避免視覺輻輳調節沖突，緩解視疲勞，便于長時間使用，且其光學設計自由度較高。一種光場顯示裝置，包括：圖像源，根據控制模塊的控制信號產生表征虛擬信息的圖像；混合模塊，用于調整圖像源光線的光路和外部環境光線的光路；圖像源光線經混合模塊和透射型空間光調制器透射入人眼，形成虛擬信息光路；外部環境光線經混合模塊和透射型空間光調制器透射入人眼，形成外部環境光路；透射型空間光調制器，具有若干獨立單元，所述的透射型空間光調制器根據控制模塊的控制信號，有序地打開或關閉不同獨立單元，形成對相應光線的不同程度的透射或遮擋，從而對將要進入人眼的圖像源光線和外部環境光線進行調制；其中，“打開”指一系列狀態，對應不同程度的透光率；其中，“關閉”指一種狀態，對應某種程度的光遮擋率。控制模塊，基于透射型空間光調制器的不同獨立單元、圖像源顯示的圖像以及所需呈現的虛擬信息之間的映射關系，同步控制透射型空間光調制器和圖像源，令透射型空間光調制器的不同獨立單元被有序地打開或關閉，而圖像源則有序地顯示對應的圖像，從而使光場顯示裝置對人眼呈現所需呈現的虛擬信息。本專利技術中，所述的圖像源由二維或三維像素陣列構成；優選的，所述的圖像源的主體部分為面狀顯示器，如OLED、LCD、LCOS、DLP或其組合。作為優選，所述的圖像源由三維像素陣列構成；所述的三維像素陣列為多層透明面狀顯示器以堆疊的方式組合成的多層顯示器。所述的三維像素陣列可以是透明面狀顯示器如透明OLED與其它顯示器及光學機構的組合，如以堆疊的方式組合成多層顯示器，其目的是針對同一個混合模塊形成多個面狀顯示器的等效位置，進而擴大這些等效位置的總體深度跨度。這樣可以提高虛擬信息分辨率的優化自由度，特別是在較大的深度跨度下，使虛擬信息在不同深度的分辨率得到平衡或提高。對本專利技術光場顯示裝置的光場呈現效果具有增益效應。圖像源的尺寸為市面上能購買到的小型尺寸。所述的混合模塊可以是棱鏡、波導、光柵等光電器件及其組合，其目的是使人眼同時能接收到來自圖像源的虛擬信息和來自外部環境的真實信息。作為優選，所述的混合模塊具有大視場角、大出瞳直徑及長出瞳距的特點。對本專利技術光場顯示裝置的光場呈現效果具有增益效應。所述的透射型空間光調制器含有許多獨立單元，每個獨立單元的尺寸較小。作為優選，所述的透射型空間光調制器的各個獨立單元排列成單維陣列或多維陣列。每個獨立單元都可以獨立地接受光學信號或電學信號的控制，利用各種物理效應(泡克爾斯效應、克爾效應、聲光效應、磁光效應、半導體的自電光效應、光折變效應等)改變自身的光學特性，從而對照明在其上的光波進行調制。進一步優選的，所述的透射型空間光調制器基于電致變透光率的材料或器件(如液晶)制成。其每個獨立單元對任意自然光或非自然光(如特定波長、特定偏振態、特定相干性等)的光線可以形成電致可調的不同透過率，其透過率調節范圍可以是完全范圍，即上限100％(全透明)至下限0％(全遮擋)，也可以是不完全范圍，即上限小于等于100％而下限大于等于O％，其調節方式可以是連續調節，也可以是離散(階躍式)調節，可以是單次調節，也可以是按特定方案持續調節。作為優選，所述的光場顯示裝置還包括眼球追蹤系統，實現對透射型空間光調制器調制范圍的動態優化。進一步提高虛擬信息的顯示質量。本專利技術還提供了一種光場顯示方法，包括：(1)控制模塊根據所需呈現的虛擬信息，基于透射型空間光調制器打開的獨立單元、圖像源顯示的圖像以及所需呈現的虛擬信息之間的映射關系，同步控制透射型空間光調制器和圖像源，令透射型空間光調制器的不同獨立單元被有序地打開或關閉，而圖像源則有序地顯示對應的圖像；(2)圖像源根據控制模塊的控制信號產生的表征虛擬信息的圖像光線，由混合模塊調整其傳播方向，并經過透射型空間光調制器調制后進入人眼，從而使光場顯示裝置對人眼呈現所需呈現的虛擬信息；外部環境光線透過混合模塊和透射型空間光調本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光場顯示裝置，其特征在于，包括：圖像源，根據控制模塊的控制信號產生表征虛擬信息的圖像；混合模塊，用于調整圖像源光線的光路和外部環境光線的光路；圖像源光線經混合模塊和透射型空間光調制器透射入人眼，形成虛擬信息光路；外部環境光線經混合模塊和透射型空間光調制器透射入人眼，形成外部環境光路；透射型空間光調制器，具有若干獨立單元，所述的透射型空間光調制器根據控制模塊的控制信號，有序地打開或關閉不同獨立單元，形成對相應光線的不同程度的透射或遮擋，從而對將要進入人眼的圖像源光線和外部環境光線進行調制；控制模塊，基于透射型空間光調制器的不同獨立單元、圖像源顯示的圖像以及所需呈現的虛擬信息之間的映射關系，同步控制透射型空間光調制器和圖像源，令透射型空間光調制器的不同獨立單元被有序地打開或關閉，而圖像源則有序地顯示對應的圖像，從而使光場顯示裝置對人眼呈現所需呈現的虛擬信息。

【技術特征摘要】
1.一種光場顯示裝置，其特征在于，包括：圖像源，根據控制模塊的控制信號產生表征虛擬信息的圖像；混合模塊，用于調整圖像源光線的光路和外部環境光線的光路；圖像源光線經混合模塊和透射型空間光調制器透射入人眼，形成虛擬信息光路；外部環境光線經混合模塊和透射型空間光調制器透射入人眼，形成外部環境光路；透射型空間光調制器，具有若干獨立單元，所述的透射型空間光調制器根據控制模塊的控制信號，有序地打開或關閉不同獨立單元，形成對相應光線的不同程度的透射或遮擋，從而對將要進入人眼的圖像源光線和外部環境光線進行調制；控制模塊，基于透射型空間光調制器的不同獨立單元、圖像源顯示的圖像以及所需呈現的虛擬信息之間的映射關系，同步控制透射型空間光調制器和圖像源，令透射型空間光調制器的不同獨立單元被有序地打開或關閉，而圖像源則有序地顯示對應的圖像，從而使光場顯示裝置對人眼呈現所需呈現的虛擬信息。2.根據權利要求1所述的光場顯示裝置，其特征在于，所述的圖像源由二維或三維像素陣列構成。3.根據權利要求1所述的光場顯示裝置，其特征在于，所述的圖像源由三維像素陣列構成；所述的三維像素陣列為多層透明面狀顯示器以堆疊的方式組合成的多層顯示器。4.根據權利要求1所述的光場顯示裝置，其特征在于，所述的透射型空間光調制器的各個獨立單元排列成單維或多維...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張卓鵬，魏一振，
申請(專利權)人：杭州光粒科技有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江,33