CN104199196A - 一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，通过引入衍射光学元件克服技术背景中所述的体积大、重量大、结构复杂等缺点，实现一体化的单目立体三维显示；同时引入波导(3)这一光学元件，实现离轴、高透过率、大系统光瞳的视透型单目立体三维显示。更进一步的，本发明的系统引入红外眼动追踪技术，检测使用者的眼睛动作，再设置相应动作反馈系统，便可以相应实现随着人眼动作切换不同三维显示信息的功能，可以广泛应用于三维显示领域。

Description

一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统
技术领域
本发明涉及集成成像三维显示领域，尤其涉及一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统。
背景技术
21世纪以来，科学技术发展日新月异，智能化产品也逐渐进入人们的视野，传统功能单一的产品已经不能满足人们高质量生活的需求，高度自动化以及智能控制的产品相继进入市场。集成成像三维显示领域中，传统的集成成像系统是利用微透镜阵列来记录和再现物空间三维信息的一种真三维显示系统，可实现单目立体成像显示，但其存在体积大、重量大、结构复杂等缺点，难以实现一体化的单目立体三维显示；并且现有集成成像三维显示系统不能同时实现高透过率、大系统光瞳的视透型三维显示。更进一步的，目前的三维显示系统功能单一，缺乏人性化设计，无法实时显示人眼动态。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何提供一种性能优化的有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，包括波导式集成成像三维显示系统和红外眼动追踪系统；
所述波导式集成成像三维显示系统包括微显示器，输入端衍射光学元件、波导、输出端衍射光学元件；
所述微显示器用于加载二维基元图像，所述二维基元图像通过输入端衍射光学元件进入波导中，在波导中经过全反射传播后，进入输出端衍射光学元件耦合输出后进入人眼，观察者可用单眼观察到三维立体图像；
其中，所述输入端衍射光学元件包括全息微透镜阵列与全息透镜；所述全息微透镜阵列起到产生视差图像的作用，所述全息透镜产生光焦度并校正除色差外的其他像差，起到耦合图像的作用以及提供目视成像功能；
所述输出端衍射光学元件包括全息透镜；
所述微显示器放置于波导输入端表面的全息微透镜阵列的焦距处；
所述输入端衍射光学元件位于波导的输入端表面；
所述输出端衍射光学元件位于波导的输出端的表面；
所述红外眼动追踪系统包括红外发光二级管以及微型红外相机；
所述红外发光二级管发出的光照射在人眼表面，散射后被微型红外相机接收；
所述微型红外相机接收散射后的光获得使用者的眼动图像。
优选地，所述输入端衍射光学元件中的全息微透镜阵列为反射型全息微透镜阵列或透射型全息微透镜阵列，全息透镜为反射型全息透镜或透射型全息透镜；
所述输出端衍射光学元件为反射型全息透镜或透射型全息透镜。
优选地，所述输入端衍射光学元件中，全息微透镜阵列和全息透镜分别设于波导的对立的两侧，或者所述全息微透镜阵列和所述全息透镜组合在一起，位于波导的同一侧；
二维基元图像经过微透镜阵列生成包含深度与视差信息的图像后，被全息透镜耦合后进入波导；在波导中经过全反射传播后，进入全息透镜耦合输出后进入人眼。
优选地，所述红外发光二极管置于波导一侧，所述微型红外相机置于波导上红外发光二极管的对侧，都朝向人眼方向放置。
优选地，所述红外发光二极管与所述微型红外相机波长相匹配，波长范围为近红外780nm-1000nm，优选波长为850nm、980nm。
优选地，所述波导为平板波导，所述波导厚度为2mm-10mm，材料为透明的光学玻璃或光学塑料。
优选地，所述输入端衍射光学元件、输出端衍射光学元件的厚度为3μm-30μm，材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，光透过率大于50％。
优选地，所述微显示器的光源为中心波长532nm±20nm的绿光波段。
优选地，所述一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统还包括动作识别系统，和动作反馈系统；
所述微型红外相机捕捉到人眼红外实时图像，并传输给动作识别系统；
所述动作识别系统判断是否满足动作判断条件，若是动作则将其传输给所述动作反馈系统，该系统判断出实时指令后进行处理，反馈给所述微显示器，控制微显示器上所加载的基元图像。
优选地，所述具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统的系统光瞳直径大于8mm小于15mm。
(三)有益效果
本发明的一种性能优化的有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，通过引入衍射光学元件克服技术背景中所述的体积大、重量大、结构复杂等缺点，实现一体化的单目立体三维显示；同时引入波导这一光学元件，实现离轴、高透过率、大系统光瞳的视透型单目立体三维显示。更进一步的，本发明的系统引入红外眼动追踪技术，检测使用者的眼睛动作，再设置相应动作反馈系统，便可以相应实现随着人眼动作切换不同三维显示信息的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明提供的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统的俯视示意图；
图2：本发明提供的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统的正视示意图；
图3：对应实施例1的一种红外眼动追踪系统的结构示意图；
图4：对应实施例1的一种红外眼动追踪系统的工作原理示意图；
图5：对应实施例2的波导式集成成像三维显示系统的俯视示意图；
图6：对应实施例3的波导式集成成像三维显示系统的俯视示意图；
图7：对应实施例4的波导式集成成像三维显示系统的俯视示意图；
图8：对应实施例5的波导式集成成像三维显示系统的俯视示意图；
图9：对应实施例6的波导式集成成像三维显示系统的俯视示意图；
图10：对应实施例7的波导式集成成像三维显示系统的俯视示意图。
图中：1、微显示器；2、输入端衍射光学元件；3、波导；4、输出端衍射光学元件；5、系统光瞳；6、红外发光二级管；7、微型红外相机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，包括波导式集成成像三维显示系统；
所述波导式集成成像三维显示系统包括微显示器1，输入端衍射光学元件2、波导3、输出端衍射光学元件4；
所述微显示器1用于加载二维基元图像，所述二维基元图像通过输入端衍射光学元件2进入波导3中；在波导3中经过全反射传播后，进入输出端衍射光学元件4耦合输出后进入人眼，观察者可用单眼观察到三维立体图像；
其中，所述输入端衍射光学元件2包括全息微透镜阵列与全息透镜；所述全息微透镜阵列起到产生视差图像的作用，所述全息透镜产生光焦度并校正除色差外的其他像差，起到耦合图像的作用以及提供目视成像功能；
所述输出端衍射光学元件4包括全息透镜；
所述微显示器1放置于波导3输入端表面的全息微透镜阵列的焦距处；
所述输入端衍射光学元件2位于波导3的输入端表面；
所述输出端衍射光学元件4位于波导3的输出端的表面；
如图2所示，还包括红外眼动追踪系统，所述红外眼动追踪系统包括红外发光二级管6以及微型红外相机7；
所述红外发光二级管6发出的光照射在人眼表面，散射后被微型红外相机7接收；
所述微型红外相机7接收散射后的光获得使用者的眼动图像。
本发明中，所述波导3为平板波导，所述波导3厚度为2mm-10mm，材料为透明的光学玻璃或光学塑料。
本发明中，所述输入端衍射光学元件2、输出端衍射光学元件4的厚度为3μm-30μm，材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，光透过率大于50％。
本发明中，所述微显示器1的光源为中心波长532nm±20nm的绿光波段。
本发明中，所述一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统还包括动作识别系统，和动作反馈系统；
所述微型红外相机7捕捉到人眼红外实时图像，并传输给动作识别系统；
所述动作识别系统判断是否满足动作判断条件，若是动作则将其传输给所述动作反馈系统，该系统判断出实时指令后进行处理，反馈给所述微显示器1，控制微显示器1上所加载的基元图像。
本发明中，所述具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统的系统光瞳5直径大于8mm小于15mm。
以下分别就构成具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统的波导式集成成像三维显示系统和红外眼动追踪系统提供实施例：
实施例1，本实施例提供一种红外眼动追踪系统，如图3所示，所述红外发光二极管6置于波导3一侧，所述微型红外相机7置于波导3上红外发光二极管6的对侧，都朝向人眼方向放置，其中所述红外发光二极管6与所述微型红外相机7波长相匹配，波长范围为近红外780nm-1000nm，其中波长为850nm或980nm得到的技术效果更为理想。
基于本实施例提供的一种红外眼动追踪系统，本实施例初步公开一种兼具反馈功能和控制功能的红外眼动追踪系统，其工作原理如图4中所示，通过动作识别系统判断是否满足动作判断条件，若是动作则将其传输给所述动作反馈系统，该系统判断出实时指令后进行处理，反馈给所述微显示器，控制微显示器上所加载的基元图像。例如，可通过眼睛动作下达指令，控制所显示的虚拟三维图像，如连眨两次眼为放大图像，眼睛转动为相应的旋转三维图像等。
实施例2，如图5所示，本实施例提供一种波导式集成成像三维显示系统，所述微显示器1用于加载二维基元图像，所述二维基元图像经过设于平板波导输入端前侧面的透射型全息微透镜阵列后成像，得到的包含深度与视差信息的图像，被设于平板波导输入端后侧面的反射型全息透镜耦合进入透明的平板波导中；经过全反射传播后，又被设于平板波导输出端后侧面的反射型全息透镜耦合输出，为人眼所观察。
实施3中，如图6所示，本实施例提供一种波导式集成成像三维显示系统，所述微显示器1用于加载二维基元图像，所述二维基元图像经过设于平板波导输入端前侧面的透射型全息微透镜阵列后成像，得到的包含深度与视差信息的图像，被设于平板波导输入端后侧面的反射型全息透镜耦合进入透明的平板波导中；经过全反射传播后，又被设于平板波导输出端前侧面的透射型全息透镜耦合输出，为人眼所观察。
实施例4中，如图7所示，本实施例提供一种波导式集成成像三维显示系统，所述输入端衍射光学元件2为透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的前侧面，所述输出端衍射光学元件4为反射型全息透镜，位于平板波导输出端的后侧面。所述透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例5中，如图8所示，本实施例提供一种波导式集成成像三维显示系统，所述输入端衍射光学元件2为透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的前侧面，所述输出端衍射光学元件4为透射型全息透镜，位于平板波导输出端的前侧面。所述透射型全息微透镜阵列与透射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例6中，如图9所示，本实施例提供一种波导式集成成像三维显示系统，所述输入端衍射光学元件2为反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的后侧面，所述输出端衍射光学元件4为反射型全息透镜，位于平板波导输出端的后侧面。所述反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例7中，如图10所示，本实施例提供一种波导式集成成像三维显示系统，所述输入端衍射光学元件2为反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合，位于平板波导输入端的后侧面，所述输出端衍射光学元件4为透射型全息透镜，位于平板波导输出端的前侧面。所述反射型全息微透镜阵列与反射型全息透镜组合兼具上述全息微透镜阵列和全息透镜的功能。
实施例3至实施例7中的工作原理同实施例2中是一样的，因此不再一一赘述。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，包括波导式集成成像三维显示系统和红外眼动追踪系统；
所述波导式集成成像三维显示系统包括微显示器(1)，输入端衍射光学元件(2)、波导(3)、输出端衍射光学元件(4)；
所述微显示器(1)用于加载二维基元图像，所述二维基元图像通过输入端衍射光学元件(2)进入波导(3)中，在波导(3)中经过全反射传播后，进入输出端衍射光学元件(4)耦合输出后进入人眼，观察者可用单眼观察到三维立体图像；
其中，所述输入端衍射光学元件(2)包括全息微透镜阵列与全息透镜；
所述输出端衍射光学元件(4)包括全息透镜；
所述微显示器(1)放置于波导(3)输入端表面的全息微透镜阵列的焦距处；
所述输入端衍射光学元件(2)位于波导(3)的输入端表面；
所述输出端衍射光学元件(4)位于波导(3)的输出端的表面；
所述红外眼动追踪系统包括红外发光二级管(6)以及微型红外相机(7)；
所述红外发光二级管(6)发出的光照射在人眼表面，散射后被微型红外相机(7)接收；
所述微型红外相机(7)接收散射后的光获得使用者的眼动图像。
2.根据权利要求1所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述输入端衍射光学元件(2)中的全息微透镜阵列为反射型全息微透镜阵列或透射型全息微透镜阵列，全息透镜为反射型全息透镜或透射型全息透镜；
所述输出端衍射光学元件(4)为反射型全息透镜或透射型全息透镜。
3.根据权利要求1所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述输入端衍射光学元件(2)中，全息微透镜阵列和全息透镜分别设于波导(3)的对立的两侧，或者所述全息微透镜阵列和所述全息透镜组合在一起，位于波导(3)的同一侧；
二维基元图像经过微透镜阵列生成包含深度与视差信息的图像后，被全息透镜耦合后进入波导(3)，在波导(3)中经过全反射传播后，进入全息透镜耦合输出后进入人眼。
4.根据权利要求1所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述红外发光二极管(6)置于波导(3)一侧，所述微型红外相机(7)置于波导(3)上红外发光二极管(6)的对侧，都朝向人眼方向放置。
5.根据权利要求4所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述红外发光二极管(6)与所述微型红外相机(7)波长相匹配，波长范围为近红外780nm-1000nm。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述波导(3)为平板波导，所述波导(3)厚度为2mm-10mm，材料为透明的光学玻璃或光学塑料。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述输入端衍射光学元件(2)、输出端衍射光学元件(4)的厚度为3μm-30μm，材料为卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折变晶体，光透过率大于50％。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述微显示器(1)的光源为中心波长532nm±20nm的绿光波段。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种具有眼动追踪功能的波导(3)式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统还包括动作识别系统，和动作反馈系统；
所述微型红外相机(7)捕捉到人眼红外实时图像，并传输给动作识别系统；
所述动作识别系统判断是否满足动作判断条件，若是动作则将其传输给所述动作反馈系统，该系统判断出实时指令后进行处理，再反馈给所述微显示器(1)，控制微显示器(1)上所加载的基元图像。
10.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统，其特征在于，所述具有眼动追踪功能的波导式集成成像三维显示系统的系统光瞳(5)直径大于8mm小于15mm。
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