CN103995356A - 一种真实立体感的光场头盔显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真实立体感的光场头盔显示装置，包括微显示器件、微结构阵列器件、光学目镜系统、光学调整装置和光学渲染实现模块，采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，将可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题；光学调整装置高速改变光学目镜系统的焦距，使得空间光场的分布也高速变化，相当于更多的光场重叠在一起，同时光学渲染及实现模块也跟随光学调整装置的刷新而对微显示系统上的像素进行同步刷新，从而增加真实立体感光场头盔显示装置的分辨率。

Description

一种真实立体感的光场头盔显示装置

技术领域

本发明涉及虚拟现实和增强现实领域，具体涉及一种实现真实立体感的光场头盔显示装置。

背景技术

显示装置是虚拟现实和增强现实领域中人机交互界面的重要组成部分，一方面头盔显示器作为一种近眼显示装置，由于可移动性、便捷性以及私密性，成为近年来显示领域中的科研和商业方面上的讨论热点，另一方面随着3D电影的出现，三维显示开始进入人们的视野，人们开始将头盔显示器应用于三维显示领域。

三维显示领域中，提供的待显示的图像是具有立体信息的，也就是说提供的图像是有一定深度的，待显示的虚拟物体成像在焦平面的前后，传统的头盔显示器只能够给人眼提供单个焦面的显示信息，人眼为了看清物体需要调节人眼的晶状体使得人眼聚焦到这个焦平面上，虚拟物体深度和焦平面的深度差异越大，人眼的汇聚和辐辏的差异就会越大，这样会造成人观察时候的不舒适感。尤其是当头盔显示器具有光学透射功能时，即人眼在观看真实环境的物体的同时可以看到虚拟场景的物体时，由于有外界真实的物体作为对比，这种汇聚和辐辏的差异所造成的不舒适感会更加明显。

为了缓解人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，需要能够提供真实三维感的显示设备，目前科学工作者提出的真实三维感的显示设备主要有变焦面的头盔显示器和多焦面的头盔显示器。

其中，变焦面头盔显示器主要方法是在头盔显示器的使用过程中快速改变头盔显示设备中成像焦平面的位置，从而实现了人眼观察的屏幕的位置沿着深度方向的快速改变，具体可以通过改变像面的位置、光学系统的位置，使用液体透镜、变形镜、双折射率透镜或者其他电可控的改变头盔显示器中光学系统的焦距的方式来实现，但是如果快速改变成像平面位置的周期短于人眼的视觉暂留时间，会出现人眼前重建出多个焦平面的问题。

多焦面的头盔显示器的方案是在头盔显示器中使用多个显示装置，或者利用将一个显示装置拆分成多个进行使用，在整个系统进行设计的过程中，多个显示装置进行层叠的方式进行使用，而且多个显示装置在空间形成了不同深度的观察平面的位置，增加显示装置的数量会减轻人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，但在空间中建立出的焦平面是有限的，仍然达不到人眼可以感知的空间深度的数量，且不完全符合人眼观察空间真实物体的属性，并不能完全解决人眼的汇聚和辐辏不一致造成的矛盾。

无论是变焦面的头盔显示器还是多焦面的头盔显示器，都是基于双目视差原理来实现三维显示的，虽然在一定程度上缓解了双眼辐辏位置不重合的问题，但是在设计过程中设置多个显示装置、或者插入分光镜、电可控的变焦器件，会增加系统的复杂性、体积和重量，会因为系统的复杂性、体积和重量的增加增加人体感知的不舒适感，甚至导致系统过分庞大而导致无法佩戴。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种实现真实立体感的光场头盔显示装置，采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，使得空间光场只在头盔显示装置的出瞳内生成即将这种光场显示系统的可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题；同时采用光学调整装置高速改变光学目镜系统的焦距，使得空间光场的分布也高速变化，相当于更多的光场重叠在一起，从而增加真实立体感光场头盔显示装置的分辨率。

本发明的一种真实立体感的光场头盔显示装置，包括微显示器件、微结构阵列器件、光学目镜系统、光学调整装置和光学渲染实现模块，所述微显示器件、微结构阵列器件和光学目镜系统依次排列，所述光学渲染实现模块与微显示器件的输入端相连，所述光学调整装置与光学目镜系统和光学渲染实现模块分别相连；

所述微结构阵列器件将微显示器件上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；

所述光学目镜系统将所述空间光场汇聚在光场头盔显示装置的出瞳内，使人眼观察到所述三维物体；

所述微显示器件的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm；

所述光学调整装置用于改变光学目镜系统的焦距，使得空间光场分布以大于25Hz的频率进行变化；

在对三维虚拟物体进行显示时,所述光学渲染实现模块根据光学调整装置下一时刻对光学目镜系统焦距的改变量，计算下一时刻空间光场的分布，即微显示器件的像素和空间光束中光线的对应关系,再根据该下一时刻空间光场的分布,光学渲染实现模块计算光线与要显示的三维虚拟物体表面交点处的灰度值，则该交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件上像素的灰度值；所述光学渲染实现模块将每个像素的灰度值发给微显示器件，微显示器件根据接收到的灰度值进行显示。

进一步的，所述光学调整装置通过电子信号控制光学目镜系统中的变形镜或液体透镜元件面型的变化，以此改变光学目镜系统的焦距。

进一步的，所述光学调整装置采用机械电机控制光学目镜系统中光学元件位置的变化，以此改变光学目镜系统的焦距。

较佳的，所述光学目镜系统的F数为F#，满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#；

其中，p为微结构阵列器件的微结构的特征尺寸，g为微结构阵列器件的分光平面和微显示器件的显示平面的距离。

较佳的，所述光学目镜系统的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm。

较佳的，光学目镜系统的出瞳距离L满足关系：12mm≤L≤45mm。

进一步的，所述微结构阵列器件(2)的微结构的特征尺寸p不小于微显示器件(1)的2个像素。

所述的光场头盔显示装置进一步包括半透半反镜(4)，所述微显示器件(1)、微结构阵列器件(2)、光学目镜系统(3)和光学调整装置(6)置于人眼(7)的斜上方；所述半透半反镜(4)置于人眼(7)的前方并位于光学目镜系统(3)的透射光路中；

所述半透半反镜(4)的反射面将光学目镜系统(3)透射的光线反射至所述出瞳内，同时，半透半反镜(4)的透射面将外界真实场景透射至所述光场头盔显示装置的出瞳内。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明通过对待显示的虚拟物体的光场进行重建来实现真实三维感的显示，而非基于双目视差原理来实现三维显示，不存在人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，从而解决人眼通过头盔显示器观察图像时产生的不适问题。

2)本发明采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，形成空间光场，阵列的特征尺寸p的要求保证了至少两个像素形成的光束的方向不同，通过这种方式可以提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，使得空间光场只在光学目镜的出瞳内生成，也就是说将这种光场显示系统的可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题。

3)本发明微显示器上每个像素对应的空间光束出瞳平面的截面最大内切圆直径≤2mm，使得单个像素控制的光束进入人眼时候小于瞳孔大小,多像素实现了稠密的光场,通过对于光场信息的控制，可以使得人眼观察待显示物体时每一个显示物体上每个显示信息有不止一个光束进入人眼瞳孔，符合人眼正常观察时候的特性，可以解决人眼的汇聚和辐辏不一致问题，实现真实感三维显示。

4)本发明的微结构阵列器件的分光平面和微显示器件的显示平面的距离为g，光学目镜系统的F数为F#，满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#，保证了目镜系统和微结构阵列的匹配，使得微显示器件上的像素能够充分利用，光学目镜系统的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm，在空间上压缩生成的空间光场所需的区域，该尺寸保证系统针对单目进行显示，光学目镜系统的出瞳距离L满足关系12mm≤L≤45mm，保证了系统能够方便的进行佩戴。

5)本发明的光学调整装置高速改变光学目镜系统的焦距，使得空间光场的分布也高速变化，相当于更多的光场重叠在一起，同时光学渲染及实现模块也跟随光学调整装置的刷新而对微显示系统上的像素进行同步刷新，从而增加真实立体感光场头盔显示装置的分辨率。

6)本发明一较佳实施例中，光场头盔显示装置加入半透半反镜，这样人眼可以同时看到真实场景和虚拟三维物体。

附图说明

图1为本发明的真实立体感光场头盔显示装置示意图；

图2为本发明的包含有半透半反镜的真实立体感光场头盔显示装置示意图；

图3为本发明中微阵列结构的特征尺寸p小于两个像素时微结构阵列分光示意图；

图4为本发明中微阵列结构的特征尺寸p不小于两个像素时微结构阵列分光示意图；

图5为本发明中一维微结构阵列器件的分光特性示意图；

图6为本发明中二维微结构阵列器件的分光特性示意图；

图7为本发明的微显示器件的每个像素的空间光束示意图；

1-微显示器件，2-微结构阵列器件，3-光学目镜系统，4-半透半反镜，6-光学调整装置，7-人眼

具体实施方式

下面结合附图，对于本发明作进一步的详细说明。

一种真实立体感的光场头盔显示装置，如图1所示，包括微显示器件1、微结构阵列器件2、光学目镜系统3、光学调整装置6和光学渲染实现模块，微显示器件1、微结构阵列器件2和光学目镜系统3依次排列，光学渲染实现模块与微显示器件1的输入端相连，光学调整装置6与光学目镜系统3和光学渲染实现模块分别相连；

微显示器件1根据从光学渲染实现模块接收的每个像素的灰度值进行显示；

微结构阵列器件2将微显示器件1上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件1中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；

光学目镜系统3将空间光场汇聚在光场头盔显示装置的出瞳内，使人眼7观察到三维物体；

光学调整装置6用于改变光学目镜系统3的焦距，使得光场分布以大于25Hz的频率进行变化；

光学渲染实现模块根据光学调整装置下一时刻对光学目镜系统3焦距的改变量，计算下一时刻光场的分布；然后再根据该光场的分布以及下一时刻待显示的三维物体，计算微显示器1上每个像素对应的灰度值后发送给微显示器件1。

为了实现真实立体感显示，要求进入人眼瞳孔的光束要多于两个，因此，微显示器件1的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm，才能使得至少有两个光束进入人眼7。人眼的瞳孔大小为2mm-8mm,空间光束在出瞳平面的光斑最大内切圆直径≤2mm可以保证单个像素发出的光束进入人眼时候小于瞳孔大小,每个像素在人眼所在的出瞳位置上形成了小于人眼的瞳孔的光束，在空间中形成的不再是一个只有二维信息的平面图像，而是密集的各个不同方向的光束组成的空间光场，从而保证了头盔显示装置形成稠密光场。由于空间光束在人眼瞳孔位置形成的光束小于瞳孔的大小，当图像进行显示的时候，显示的图像中的每一个点可以在人眼瞳孔中形成来自不同方向的光束，使得人眼可以聚焦到不同的位置，仅单目进行观察就可以进行三维显示，完全符合人眼平常自然观察到真实物体的方式，不存在人眼的聚焦位置和视差所导致的双眼辐辏位置不重合的现象。

人眼观测的位置即真实立体感的光场头盔显示装置的出瞳位置，光学渲染实现模块也是基于这个位置进行光场的渲染的。

需要说明的是，为了使得微显示器件1中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，微结构阵列的相邻两个阵列单元的中心距，即微结构特征尺寸p至少要大于微显示器件1的2个像素，如图2所示，当p小于微显示器件1的2个像素时，微显示器1的各个像素发出的光经微阵列器件2后方向都相同；如图3所示，而当p大于或等于微显示器件1的2个像素时，能够保证至少两个像素发出的光经阵列器件2后形成的光束方向不同，图中p大小等于3个像素尺寸，可以看到前三个像素经过微阵列器件2后产生了3个不同的方向，后三个像素也产生了3个不同方向，多个不同方向的光束在空间形成光场，由此实现真实立体感显示。

进一步的，本发明中的光学目镜系统的F数为F#，其满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#，保证了光学目镜系统3和微结构阵列器件2的匹配，使得微显示器件1上的各个像素被充分利用，当g/p＜0.5F#时，像素没有利用完全，使得分辨率降低；当g/p＞2F#时，光学目镜系统的出瞳变小，当人眼7产生微小的晃动时就会导致人眼7错开出瞳位置，影响人眼7观察三维物体。由于4mm是人眼的瞳孔尺寸，而25mm大概是人眼瞳距的一半，光学目镜系统3的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm，该尺寸保证光场头盔显示系统针对单目进行显示，能够将空间光场压缩成所需的大小；光学目镜系统3的出瞳距离L满足关系12mm≤L≤45mm，最小12mm的尺寸可允许用户佩戴框架式眼镜，小于45mm保证系统体积不至于太大。

分光平面为微结构阵列器件2具有分光作用的平面；显示平面为微显示器件1进行发光显示的面；分光作用由微结构阵列器件2的微结构对光束进行折射或者空间滤波来实现。

微显示器件1可以为单个微显示器件，如OLE D、LCD，或由独立的微显示单元和照明光学引擎共同组成的微显示系统，如LCOS，DMD。

微结构阵列器件2为一维的阵列，如柱面光栅，或是二维的阵列，如微透镜阵列，针孔阵列，一维阵列排列可以是斜向的，也可以是竖直或者水平的，如图4所示，为一维阵列微结构阵列及光波分束后方向示意图，二维阵列可以是矩形排列的，也可以是六边形排列的，也可以三角形排列或者其他多边形形状排列，如图5所示，为二维阵列微透镜阵列及光波分束后的方向示意图。

下面对光学渲染实现模块计算微显示器件1的每个像素的颜色灰度值的方法进行介绍：

首先，对微显示器件1的每个像素经微结构阵列器件2和光学目镜系统3到达出瞳位置的光线进行追迹，获得每个像素的空间光场，然后利用该空间光场和待显示的三维虚拟物体进行三维图像的光场渲染，如图6所示，具体方法为：

头盔显示装置中的微显示器件1上的每个像素发出的光经过微结构阵列器件2和光学目镜系统3后在出瞳位置形成具有特定方向的光束(至少两个像素形成的光束的方向不同)。如图6所示，假设微显示器件1上的每个像素经微结构阵列2后形成的空间光束，每个像素对应的空间光束由无数条光线组成，光线在空间与带显示的三维虚拟物体表面形成交点，交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件1的像素应该渲染的灰度值，因此，对于本发明当头盔显示装置进行三维虚拟物体的显示时，若想获得三维虚拟物体显示所需要的该像素的灰度值，需要对于像素形成的空间光束中的光线进行抽样，使用光线追踪方法或其他计算机图形学的渲染方法计算各个光线需要渲染的灰度值，之后对获得的灰度值进行加权平均获得装置中微显示器件1上对应像素的灰度值，抽样光线的数量可以是一条也可以是多条，此外，在计算微显示器件1上每个像素应该显示的灰度值时，可以使用子像素代替整个像素的计算过程以增加空间光场的分辨率，还可以利用空间光束的几何关系，使用批处理的方法或者是GPU并行计算的方法进行上述过程，但是不改变本发明的提出的方法核心思想。

采用上述方法将获得每个像素应该显示的灰度值赋给微显示器件1上，即可以在系统出瞳处渲染出待显示的三维虚拟物体的三维光场，人眼在系统出瞳位置进行观察时，获得的不再是单一显示平面的图像信息，而是一个稠密的光场。通过光学渲染实现模块对于光场信息的控制，可以使得人眼观察待显示三维虚拟物体时不止一个光束进入人眼瞳孔，符合人眼正常观察时候的特性，从而可以解决了人眼的汇聚和辐辏不一致问题。

光学调整装置6通过电子信号控制光学目镜系统3中的变形镜或液体透镜元件面型的变化，或者使用机械电机控制光学目镜系统3中光学元件位置的变化，以此改变光学目镜系统3的焦距，从而改变头盔显示装置的光场分布。光学调整装置6的刷新速度超过人眼视觉暂留的时间即超过25Hz，相当于在空间上实现了不同光场的交叠，从而增加了系统显示的光场分辨率。

微显示系统1的每个像素发出的光经过微结构阵列器件2和光学目镜系统3后形成空间光场，由于光学目镜系统3不同焦距情况下准直形成的空间光场的分布不同，从而在系统的出瞳位置形成不同的光场信息，因此光学渲染实现模块需要随光学调整装置6对空间光场分布的刷新而对微显示器件1上的像素进行同步刷新，即每形成一种空间光场的分布，光学渲染实现模块需要计算一次像素的灰度值，由于刷新频率很高，大于或远大于人眼视觉暂留时间，一幅三维物体图像的显示时间内，有多个空间光场重叠在一起，从而增加真实立体感光场头盔显示装置的分辨率。

进一步的，该真实立体感光场头盔显示装置，如图2所示，还包括半透半反镜4，此时，微显示器件1、微结构阵列器件2、光学目镜系统3和光学调整装置6置于人眼7的斜上方；半透半反镜4置于人眼7的前方并位于光学目镜系统3的透射光路中；半透半反镜4的反射面将光学目镜系统3透射的光线反射至所述出瞳内，同时，半透半反镜4的透射面将外界真实场景透射至所述出瞳内，使得人眼可以同时看到真实场景和虚拟三维物体。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种真实立体感的光场头盔显示装置，其特征在于：包括微显示器件(1)、微结构阵列器件(2)、光学目镜系统(3)、光学调整装置(6)和光学渲染实现模块，所述微显示器件(1)、微结构阵列器件(2)和光学目镜系统(3)依次排列，所述光学渲染实现模块与微显示器件(1)的输入端相连，所述光学调整装置(6)与光学目镜系统(3)和光学渲染实现模块分别相连；

所述微结构阵列器件(2)将微显示器件(1)上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件(1)中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；

所述光学目镜系统(3)将所述空间光场汇聚在光场头盔显示装置的出瞳内，使人眼(7)观察到所述三维物体；

所述微显示器件(1)的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm；

所述光学调整装置(6)用于改变光学目镜系统(3)的焦距，使得空间光场分布以大于25Hz的频率进行变化；

在对三维虚拟物体进行显示时,所述光学渲染实现模块根据光学调整装置下一时刻对光学目镜系统(3)焦距的改变量，计算下一时刻空间光场的分布，即微显示器件(1)的像素和空间光束中光线的对应关系,再根据该下一时刻空间光场的分布,光学渲染实现模块计算光线与要显示的三维虚拟物体表面交点处的灰度值，则该交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件(1)上像素的灰度值；所述光学渲染实现模块将每个像素的灰度值发给微显示器件(1)，微显示器件(1)根据接收到的灰度值进行显示。

2.如权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于，所述光学调整装置(6)通过电子信号控制光学目镜系统(3)中的变形镜或液体透镜元件面型的变化，以此改变光学目镜系统(3)的焦距。

3.如权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于，所述光学调整装置(6)采用机械电机控制光学目镜系统(3)中光学元件位置的变化，以此改变光学目镜系统(3)的焦距。

4.如权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于：所述光学目镜系统(3)的F数为F#，满足关系：0.5F#≤g/p≤2F#；

其中，p为微结构阵列器件(2)的微结构的特征尺寸，g为微结构阵列器件(2)的分光平面和微显示器件(1)的显示平面的距离。

5.如权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于：光学目镜系统(3)的出瞳直径D满足4mm≤D≤25mm。

6.如权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于：光学目镜系统(3)的出瞳距离L满足关系：12mm≤L≤45mm。

7.如权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于：所述微结构阵列器件(2)的微结构的特征尺寸p不小于微显示器件(1)的2个像素。

8.如权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于：所述的光场头盔显示装置进一步包括半透半反镜(4)，所述微显示器件(1)、微结构阵列器件(2)、光学目镜系统(3)和光学调整装置(6)置于人眼(7)的斜上方；所述半透半反镜(4)置于人眼(7)的前方并位于光学目镜系统(3)的透射光路中；

所述半透半反镜(4)的反射面将光学目镜系统(3)透射的光线反射至所述出瞳内，同时，半透半反镜(4)的透射面将外界真实场景透射至所述光场头盔显示装置的出瞳内。