CN106125324A

CN106125324A - 光场编辑装置、系统及方法以及光场显示系统及方法

Info

Publication number: CN106125324A
Application number: CN201610472114.5A
Authority: CN
Inventors: 肖真; 郭成
Original assignee: BEIJING G-WEARABLES INFORMATION SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING G-WEARABLES INFORMATION SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-06-24
Also published as: CN106125324B

Abstract

本发明公开了一种光场编辑装置、系统及方法以及光场显示系统及方法。其中，从物体入射的光经过第一起偏器成为第一偏振方向的偏振光。第一空间光调制器光学地放置在第一起偏器之前，通过第一起偏器的第一偏振方向的偏振光经过第一空间光调制器进行偏振态调制后出射。第一检偏器光学地放置在第一空间光调制器之前，通过第一空间光调制器被调制的光经过第一检偏器后出射。在第一空间光调制器的偏振态调制作用下，从第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。由此，可以实现对实景光场的编辑。

Description

光场编辑装置、系统及方法以及光场显示系统及方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，更具体而言，涉及一种光场编辑装置、系统及方法以及光场显示系统及方法。

背景技术

在增强现实显示中，所显示的虚拟场景中的虚拟物体与真实场景中的真实物体之间有一定的位置关系，有时候需要虚拟物体能够遮挡住真实物体，才能有真实的视觉效果。例如，用手拿起一个虚拟的杯子时，需要一部分是杯子挡住了手掌，一部分是手掌挡住了杯子，如图1中的(a)所示，但是，现有的增强现实显示装置仅用于显示虚拟图像，并没有对实物所所对应的实景光场进行编辑，以使得其可以与虚拟场景相配合，如图1中的(b)所示，现有的增强显示显示中实物手掌拿起虚拟的杯子时，没有对手掌中应该被遮挡的部分进行处理，降低用户体验的真实性。

由此，需要一种能够对实景光场进行编辑的方案。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种能够对实景光场进行编辑光场编辑装置、系统及方法以及光场显示系统及方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下。

第一方面，本发明实施例提供了一种光场编辑装置，包括：第一起偏器，从物体入射的光经过该第一起偏器成为第一偏振方向的偏振光；第一空间光调制器，第一空间光调制器光学地放置在第一起偏器之前，通过第一起偏器的第一偏振方向的偏振光经过第一空间光调制器进行偏振态调制后出射；以及第一检偏器，第一检偏器光学地放置在第一空间光调制器之前，通过第一空间光调制器被调制的光经过第一检偏器后出射，第一检偏器具有第二偏振方向，其中，在第一空间光调制器的偏振态调制作用下，从第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

第二方面，本发明实施例提供了一种光场编辑系统，包括：上文第一方面述及的光场编辑装置；和光场采集装置，用于采集和计算从物体入射的实景光场。

第三方面，本发明实施例提供了一种光场显示系统，包括：上文第一方面述及的光场编辑装置或上文第二方面述及的光场编辑系统；以及虚拟光场显示装置，用以显示预期三维虚拟图像，其中，光场编辑装置出射的光以及虚拟光场显示装置出射的光共同入射到眼睛。

第四方面，本发明实施例提供了一种光场编辑方法，包括：从物体入射的光经过第一起偏器转换为第一偏振方向的偏振光；使用第一空间光调制器对第一偏振方向的偏振光进行偏振态调制；通过第一空间光调制器被调制的光经过第一检偏器后出射，该第一检偏器具有第二偏振方向，其中，在第一空间光调制器的偏振态调制作用下，从第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

第五方面，本发明实施例提供了一种光场显示方法，该方法包括上文第四方面述及的光场编辑方法，该光场显示方法还包括：使用虚拟图像显示装置形成预期三维虚拟图像；第一检偏器出射的光和虚拟图像显示装置发出的光共同入射到眼睛。

综上，基于本发明的光场编辑装置、系统及方法以及光场显示系统及方法，可以对实景光场进行编辑，应用于AR/VR显示时，具有更好的视觉效果，可以提升用户的真实体验。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了手握住杯子时的状态示意图。

图2示出了根据本发明一实施例的光场编辑装置的结构示意图。

图3示出了根据本发明另一实施例的光场编辑装置的具体结构示意图。

图4示出了根据本发明一实施例的光场编辑系统的结构的示意性方框图。

图5示出了根据本发明一实施例的光场采集装置的结构的示意性方框图。

图6示出了光场采集装置与光场编辑装置耦合时的一种结构示意图。

图7示出了根据本发明一实施例的光场显示系统的结构的示意性方框图。

图8示出了根据本发明一实施例的虚拟光场显示装置的结构的示意性方框图。

图9示出了根据本发明另一实施例的虚拟光场显示装置的结构的示意性方框图。

图10示出了根据本发明另一实施例的虚拟光场显示装置的结构的示意性方框图。

图11示出了根据本发明另一实施例的虚拟光场显示装置的结构的示意性方框图。

图12示出了光场采集装置、虚拟光场显示装置和光场编辑装置相耦合时的一种结构示意图。

图13示出了根据本发明一实施例的光场编辑方法的示意性流程图。

图14示出了根据本发明一实施例的采集和计算从物体入射的实景光场的方法的流程图。

图15示出了根据本发明一实施例的虚拟光场显示方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明首先提供了一种能够对实景光场进行编辑的方案。本发明的实景光场编辑方案主要是将实景光场发出的光变成偏振光，然后根据实际需求对该偏振光的偏振态进行调整，以使得调整后的偏振光经过检偏器出射后所形成的光场与期望显示光场接近。

其中，期望显示光场与实景光场编辑的目的有关。例如，光场编辑目的是对实景光场编辑以显示新的图像时，期望显示的光场可以是期望呈现的图像的光场；光场编辑目的是遮挡某部分实景以配合虚拟显示时，期望显示的光场可以是实景光场中某些特定方向上的光被遮挡的光场，或者还可以是在某个特定观察平面上显示的光场等等。由此，本发明的光场编辑方案可以和VR/AR显示相结合，以为用户提供更好的感官体验。

本发明的光场编辑方案可以实现为一种光场编辑装置，下面首先结合具体实施例就本发明的光场编辑装置的具体结构做以详细说明。

参见图2，本发明实施例的光场编辑装置10包括第一起偏器1、第一空间光调制器2以及第一检偏器3。其中，需要说明的是，本文述及的“第一”、“第二”等术语仅是为了便于描述、区分，不应理解为对本发明的限制。

第一起偏器1具有第一偏振方向，用于将从外界实景中的物体入射的光变成第一偏振方向的偏振光。第一空间光调制器2用于对偏振光的偏振态进行调整，第一检偏器3具有第二偏振方向。这里，第一偏振方向和第二偏振方向的夹角可以是任意数值，作为优选，第一偏振方向和第二偏振方向可以一致或垂直。

第一起偏器1、第一空间光调制器2以及第一检偏器3的光学位置关系被设置为，第一空间光调制器2光学地放置在第一起偏器1之前，第一检偏器1光学地放置在第一空间光调制器2之前。

其中，这里述及的术语“光学地放置”仅指示沿着光路的相对位置，而不是任何具体的空间关系，并且这里我们将沿着光线传播方向在前定义为“之前”，沿着光线传播方向在后方，定义为“之后”。下文在述及各部件之间的相对位置时所用到“光学地放置”、“之前”以及“之后”都可以参照这里的释义进行理解。

这样，从外界实景中的物体入射的光经过第一起偏器1成为第一偏振方向的偏振光，通过第一起偏器1的第一偏振方向的偏振光经过第一空间光调制器2进行偏振态调制后出射，进入第一检偏器3，在第一空间光调制器2的偏振态调制作用下，可以使得从第一检偏器3出射的光的光场与期望显示光场接近。

其中，如图2所示，第一空间光间光调制器2可以包括一个或多个子调制器(参见图中第一子调制器2-1、第二子调制器2-2……第N子调制器2-N，N≥1)，这些子调制器可以被逐层放置且相互间隔开特定距离，通过第一起偏器1的偏振光依次经过这些子调制器，并且其中，各子调制器依次对入射到其上的光进行偏振态调制，使得从第一检偏器3出射的光所形成的光场与期望显示光场接近。

具体来说，每个子调制器可以包括多个调节像素，每个调节像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节，这样在多个子调制器的多个调节像素的偏振态的调制作用下，可以使得从第一检偏器3出射的光所形成的光场与期望显示光场接近。这里，子调制器可以优选地是液晶屏。

下面结合具体实施例就本发明的光场编辑装置对实景光场进行编辑的具体过程做以详细说明。

参见图3，本发明实施例的光场编辑装置包括第一起偏器1、第一检偏器3、第一子调制器2-1以及第二子调制器2-2。其中，对于第一起偏器1、第一检偏器3以及各子调制器的结构的说明，可参见上文相关描述，这里不再赘述。

第一子调制器2-1光学地放置在第一起偏器1之前，通过第一起偏器1的第一偏振方向的偏振光经过第一子调制器2-1进行偏振态调制后出射。第二子调制器2-2与第一子调制器2-1被放置为隔开一定距离，通过第一子调制器2-1入射的光经过第二子调制器22进行偏振态调制后出射，以进入第一检偏器3。这里，第一起偏器1和第一检偏器3可以是两个线偏振片，并且这两个线偏振片的偏振方向可以相同也可以不同。

第一子调制器2-1和第二子调制器2-2可以是两个液晶板，如可以是TN面板。第一子调制器2-1和第二子调制器2-2之间的空间可以是具有较高折射率的透明材料构成，例如可以是高分子材料板、玻璃板或透明液体等等，这样可以减少光场编辑装置的体积。

对于经过第一子调制器2-1和第二子调制器2-2的某束线性偏振光来说，在第一子调制器2-1和第二子调制器2-2上的相应调节像素的作用下，该偏振光的偏振面会发生一定的旋转，在旋转后的偏振面与第一检偏器3的第二偏振方向平行时，该偏振光就能够从第一检偏器3出射出去，在旋转后的偏振面与第一检偏器3的第二偏振方向垂直时，该偏振光不能从第一检偏器3出射出去。

因此，对于从外界实景中的物体发出的多束光线中的某束光线来说，可以通过调节第一子调制器2-1和第二子调制器2-2上处于该束光线的光路上的调节像素的偏振态偏转，对该光线进行编辑，以使得该光线通透或被遮挡。这样，通过对第一子调制器2-1和第二子调制器2-2上的多个调节像素的偏振态偏转量进行调节，就可以对从外界实景中的物体入射的光进行编辑，以使得该物体发出的光能够通过或被遮挡，从而可以使得从第一检偏器3出射的光所形成的光场与期望显示光场接近。

由此，就可以实现对实景光场的编辑。其中，根据光场编辑的目的不同，可以实现不同的编辑效果。例如，可以对实物的一部分进行遮挡，也可以将实物发出的光场重新编辑成新的虚拟物体，还可以过滤掉实景中近景的发散光，使人眼不需要动用调节既可以看清楚近处，还可以与AR/VR显示结合起来，以为用户提供更加真实的虚拟现实体验等等。

综上，第一子调制器2-1和第二子调制器2-2上的多个调节像素的偏振态偏转量可以被调节为，使得从第一检偏器3出射的光的光场与期望显示光场接近。

下面以第一空间光调制器2包括多个子调制器为例，对确定各子调制器的各调节像素的偏振态偏转量的过程做以说明。

如图2所示，光场编辑装置10还可以包括第一处理器4，第一处理器4可以根据期望显示光场，执行优化计算，以确定各子调制器的各调节像素处的偏振态偏转量，并根据所确定的偏振态偏转量输出控制信号，以控制光在各子调制器的各调节像素处的偏振态偏转。

其中，优化计算包括求解如下公式以确定

I_AR是期望显示图像的光强，Φ_j∈R^k×l是包含相应子调制器j的光束投射信息的稀疏矩阵，j＝1,…,N，N为子调制器的总数，包含相应子调制器j的各调节像素对偏振态调制的信息，这里，k表示入射光线个数，l表示子调制器的调节像素个数。其中，Φ_j可以使用现有技术中光路追迹的方法求得，而I_AR已知，由此，就可以采用多种计算方法来计算各子调制器的调节像素的偏振态偏转量。

其中，图2示出了光场编辑装置包括一个第一处理器4时的示意图，应该知道，还可以包括多个第一处理器4，多个第一处理器4可以协同工作以执行上述计算步骤。

回到图3，本发明的光场编辑装置还可以包括光学地放置在第一子调制器2-1和第二子调制器2-2之间的半反半透镜5，其中，半反半透镜5可以是平面镜、球面镜或自由曲面镜。第一子调制器2-1出射的光可以通过半反半透镜5入射到第二子调制器2-2。

另外，半反半透镜5还可以是其它具有折射或反射作用但不改变光偏振特性的光学元件，如凸透镜、光波导等等，进一步地，光学元件的数量可以不止一个。

至此，以第一空间光调制器2包括两个子调制器为例，对实景光场编辑的具体过程做了详细说明。应该知道上文述及的内容，对于第一空间光调制器2包括更多个子调制器的情况也同样适用，这里不再赘述。

参见图4，本发明实施例的光场编辑系统100包括光场编辑装置10和光场采集装置20。

光场编辑装置10用于对外界实景的光场进行编辑，光场采集装置20用于采集和计算外界实景光场。根据光场采集装置20计算得到的外界实景光场以及期望显示光场，光场编辑装置10就可以对外界实景光场进行编辑，以使得从光场编辑装置10出射的光所形成的光场与期望显示光场接近。其中，光场编辑装置10的具体结构及对实景光场的编辑原理已在上文做了详细说明，因此下面主要就光场采集装置20的结构及采集过程做以说明。

图5示出了根据本发明一实施例的光场采集装置20的结构的示意性方框图。

参见图5，本发明实施例的光场采集装置20包括第二起偏器21、编码光阑22以及图像传感器23。

从外界实景中的物体出射的光经过第二起偏器21成为第三偏振方向的偏振光，编码光阑22光学地放置在第二起偏器21之前，通过第二起偏器21的第三偏振方向的偏振光经过编码光阑22进行光学调制后出射，图像传感器23可以检测通过编码光阑22入射的光。

如图5所示，光场采集装置20还可以包括第二处理器24，第二处理器24基于编码光阑22的设置以及在图像传感器23处感测到的光场i_sensor，可以通过执行优化计算以确定外界实景中的物体的实景光场I_real。

其中，优化计算包括求解系数矢量α∈R^d，该系数矢量满足等式实景光场I_real∈Rⁿ且I_real＝Dα,其中D∈R^n×d是压缩感知字典矩阵或正交基，i_sensor∈R^m是图像传感器处感测到光场，并且Φ是包含关于编码光阑的光束投射信息的稀疏矩阵，其中m为传感器图像上的测量点数，n为传感器图像上的未知点数，并且满足m<<n。

进一步地，优化计算包括进行拉格朗日运算以求解如下公式：其中拉格朗日乘数λ是选择用以指定稀疏和误差之间的折中的参数或是数据拟合项。系数矢量α是稀疏的或压缩的，并且矩阵D是小波变换基或傅立叶变换矩阵。

其中，图5示出了光场采集装置包括一个第二处理器24时的示意图，应该知道，还可以包括多个第二处理器24，多个第二处理器24可以协同工作以执行上述计算步骤。另外，第二处理器24与上文述及的第一处理器4可以属于同一处理器，该处理可以同时执行上述相关操作。

至此，结合图5对光场采集装置20的基本构成做了详细说明。其中，光场采集装置20可以与光场编辑装置10串联构成光场编辑系统100，即光场采集装置20与光场编辑装置10可以是互相独立的结构，另外，光场采集装置20也可以与光场编辑装置10耦合。具体来说，对于图1所示的光场编辑装置，图5所示的第二起偏器21可以与图1所示的第一起偏器1为同一起偏器，图5所示的编码光阑22可以包括图1所示的第一空间光调制器2和一个偏振片(为了便于描述和区分，这里可以称为第一偏振片)，第一偏振片光学地放置在第一空间光调制器2之前，通过第一空间光调制器2被调制的光经过第一偏振片入射到图像传感器23，第一偏振片具有第三偏振方向。这里第三偏振方向与第一偏振方向的夹角可以是任意数值，作为优选，第三偏振方向和第一偏振方向可以相同或垂直。

进一步地，在光场编辑装置10中的第一空间光调制器2包括两个或更多个子调制器的情况下，图5所示的编码光阑22可以包括两个或更多个子调制器中的一个或多个子调制器和上文述及的第一偏振片，其中，第一偏振片光学地放置在所述一个或多个子调制器之前，通过所述一个或多个所述子调制器被调制的光经过第一偏振片入射到图像传感器23。

另外，在所述一个或多个子调制器和第一偏振片之间还可以设置一个或多个对光具有折射或反射作用但不改变光偏振特性的光学元件，如可以是半反半透镜、光波导等光学元件，其中，半反半透镜可以为平面镜、球面镜或自由曲面镜。

图6示出了光场采集装置与光场编辑装置耦合时的一种结构示意图。其中，图6中示出的光场编辑装置与图3所示的光场编辑装置相同，这里对于已在图3中出现的相同部分不再赘述。

参见图6，在第一偏振片25和图像传感器23之间可以光学地放置一个凸透镜26，从第一偏振片25出射的光在凸透镜26的会聚作用下入射到图像传感器23。

其中，这里的凸透镜26还可以采用其它对光具有这是或反射作用的光学元件代替，如还可以是发散透镜。

至此，结合图5、图6对光场采集装置20的具体结构、采集原理以及和光场编辑装置10耦合时的结构做了详细说明。

如前文所述，本发明的光场编辑装置可以应用于VR/AR显示。也就是说，本发明的光场编辑装置可以配合虚拟光场显示装置来为用户提供更好的虚拟现实体验。由此，本发明还提供了一种光场显示系统。

参见图7，本发明实施例的光场显示系统200包括光场编辑装置10、虚拟光场显示装置30以及光场采集装置20。其中，图7示出的是一种优选方案，应该知道，作为一种可选方案，光场显示系统200还可以仅包括光场编辑装置10和虚拟光场显示装置30。

虚拟光场显示装置30可以显示预期三维虚拟图像。根据需要显示的预期三维虚拟图像，可以计算需要遮挡的光场区域，从而得到期望对实景光场进行编辑后得到的期望显示光场。光场编辑装置10可以对外界实景光场进行编辑，以使得从光场编辑装置10出射的光所形成的光场与期望显示光场接近。光场采集装置20可以采集和计算从外界实景中的物体入射的实景光场，根据计算得到的实景光场可以布置下一帧需要显示的预期三维虚拟图像。由此，光场编辑装置10、虚拟光场显示装置30以及光场采集装置20协同工作，可以为用户提供较好的AR/VR体验。

其中，光场编辑装置10、虚拟光场显示装置30以及光场采集装置20三部分可以相互串联，互相独立工作。另外，光场编辑装置10、虚拟光场显示装置30以及光场采集装置20的部分结构可以耦合，以使得光场显示系统的结构较为紧凑。

其中，光场编辑装置10和光场采集装置20的具体结构已在上文做了详细说明，因此，下面主要就虚拟光场显示装置30可以具有的具体结构做以详细说明。

图8示出了根据本发明一实施例的虚拟光场显示装置30的结构的示意性方框图。

参见图8，本发明实施例的虚拟光场显示装置30包括显示器31、第二空间光调制器32以及第二检偏器33。

第二空间光调制器32光学地放置在第二检偏器33之后、显示器31之前，显示器31发出的光为具有第四偏振方向的偏振光，第二检偏器33具有一定的偏振方向，显示器31发出的偏振光经过第二空间光调制器32进行偏振态调制后出射，进入第二检偏器33。其中，第二检偏器33的偏振方向和第四偏振方向可以相同也可以垂直，还可以是其它任意数值的夹角。

在第二空间光调制器32的偏振态调制下，从第二检偏器33出射的光的光场能够与预期三维虚拟图像的光场接近，从而可以形成接近预期三维虚拟图像的虚拟图像。

其中，如图8所示，第二空间光调制器32可以由多个子调制器构成(如图中标示出的子调制器32-1、子调制器32-2……子调制器32-N，N≥1)

其中，这里述及的子调制器的结构和前文结合图2述及的子调制器的结构相同，并且第二空间光调制器32对从显示器31发出的偏振光的调制过程也可以参见上文相关描述，这里不再赘述。

显示器31可以是常规的偏振光显示器，如图8所示，显示器31可以由第二偏振片31-1、第三空间光调制器31-2以及第三偏振片31-3组成。其中，第二偏振片31-1的偏振方向和第三偏振片31-3的偏振方向的夹角可以是任意数值，优选地，它们的偏振方向相同或垂直。

第三空间光调制器31-2可以是液晶板(例如，可以是TN面板)，具有多个显示像素，每个显示像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节，通过第二偏振片31-1的偏振光经过第三空间光调制器31-2进行偏振态调制后出射，进入第三偏振片31-3。

如图8所示，虚拟光场显示装置30还可以包括第三处理器34，在第二空间光调制器32由多个子调制器构成时，第三处理器34可以根据需要显示的虚拟光场I_VR，执行优化计算，以确定显示器31的各显示像素以及各子调制器的各调节像素处的偏振态偏转量，然后输出控制信号，以控制光在各子调制器的各调节像素处的偏振态偏转。

这里，优化计算可以通过求解如下公式以确定t₀、t_j：min||I_VR-Φ₀t₀οΦ₁t₁ο…οΦ_Mt_M||₂，其中，I_VR是要显示的虚拟光场的光强，是包含所述显示器的光束投射信息的稀疏矩阵，t₀∈R^l×1是包含所述显示器的各显示像素的光强信息的实数向量，Φ_j∈R^k ^×l，j＝1,…,M是包含相应子调制器j的光束投射信息的稀疏矩阵，M为所述第二空间光调制器中子调制器的总数，t_j∈R^l×1是包含相应子调制器j的各调节像素对偏振态调制的信息的实数向量，这里，k表示入射光线个数，l表示子调制器的调节像素个数，l₀表示所述显示器的显示像素个数。

其中，图8示出了虚拟光场显示装置30包括一个第三处理器34时的示意图，应该知道，还可以包括多个第三处理器34，多个第二处理器34可以协同工作以执行上述计算步骤。另外，第二处理器34与上文述及的第一处理器4可以属于同一处理器，该处理可以同时执行上述相关操作。

图9示出了根据本发明另一实施例的虚拟光场显示装置30的结构的示意性方框图。

参见图9，本发明实施例的虚拟光场显示装置30包括显示装置35和第二光学系统36。

显示装置35包括多个显示像素，每个显示像素的光强能够被独立调节，从而在显示装置上显示第一图像。

其中，显示装置35可以是手机屏、电脑屏、电视屏等各种显示设备，通过改变显示装置上的多个显示像素的光强度，可以对显示装置上所显示的第一图像进行调节。

显示装置35发出的光经过第二光学系统36出射，以进入人眼，第二光学系统36包括第四空间光调制器36-1，该第四空间光调制器36-1包括多个调节像素，每个调节像素的透射率或反射率能够被调节，从而在第四空间光调制器36-1上形成第一预定透射率分布或反射率分布。其中，优选地，第四空间光调制器36-1处于第二光学系统36的孔径光阑处。

第一图像和第一预定透射率分布或反射率分布被设定为从第二光学系统36出射的出射光的延长线或反向延长线相交于一个或多个像点，一个或多个像点构成预期三维虚拟图像。

具体来说，空间光调制器36-1可以通过改变其上各个位置的透射率或反射率对入射到其上的光线的强度进行调制，使得从光学系统出射的光的延长线或反向延长线交于空间中多个像点，像点足够多时就可以构成三维虚拟图像。

例如，需要在空间某一位置显示一幅立体图像时，可以通过调节显示装置35上的显示图像和第四空间光调制器36-1的透射率分布或反射率分布，使得从第二光学系统36出射的光可以在空间中形成多个会聚点，并且这些会聚点的位置与需要显示的位置处的立体图像相对应，这样，在会聚点足够多时，就可以形成虚拟的三维图像。

因此，第四空间光调制器36-1可以采用各种透射式液晶屏或反射式液晶屏，只要其上各个位置的透射率或反射率能够被调节即可。例如，可以采用LCoS(Liquid crystalon silicon，即液晶附硅，也叫硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置)，还可以采用DMD(Digital Micro mirror Device，数字微镜元件，由美国德州一仪器公司开发的一种极小的反射镜)。

图10示出了根据本发明另一实施例的虚拟光场显示装置30的结构的示意性方框图。

参见图10，本发明实施例的虚拟光场显示装置30包括显示装置35、光源系统37、显示控制装置38以及光源控制装置39。

其中，关于显示装置35的描述可参见上文结合图10中的相关描述，这里不再赘述。

光源系统37用于向显示装置35投射有序光，其中，有序光在空间中各个位置的方向是确定的，使得显示装置35的每一个显示像素的出射光的方向是确定的，光源系统具有多种工作模式，在不同的工作模式下，向显示装置35投射不同的有序光。

其中，有序光可以是平行光、会聚光、发散光，或这些形式的光的组合，也可以由多种特定形式的光经过特定的介质产生的其它形式的光。例如，有序光可以是通过激光照射全息图产生的光，也可以是通过扩束后的激光照射在一层或者多层的粗糙表面上形成的激光散斑，还可以由散射光经过两层液晶板的空间调制以后形成等等。另外，有序光还可以通过其它方式产生，此处不再赘述。

有序光形成的有序光场在显示装置35处具有预先设定的光强分布I(i,x,y,r)，其中，i为工作模式序号，x、y为像素在显示装置1上的坐标，r为代表方向的单位矢量。

有序光场是有序光形成的光场，可以用来描述有序光在空间各个位置的光强分布(此处的光强分布包括光的强度和方向)，本发明中的有序光场主要用来描述有序光在显示装置35处的光强分布。因此，多种工作模式下的光强分布可以用I(i,x,y,r)表示，其中，I为光强，i为工作模式序号，x、y为像素在显示装置上的坐标，r为代表方向的单位矢量，I(i,x,y,r)就可以用来表示不同工作模式下的有序光投射到显示装置上的某处位置的光强大小和方向。

其中，有序光场也可以有多种产生方式，且多种工作模式下的有序光场之间可以具有一定的联系。例如，多种工作模式下投射的有序光场可以相互正交，如可以是通过小波变换基、离散余弦变换(DCT)的基、或者傅立叶变换基等产生的多个序列的有序光场，或者多种工作模式下投射的有序光场的序列可以是满足压缩感知的有限等距约束的随机序列。当然，多种工作模式下的有序光场之间也可以是相互独立的。

由于光源系统37用于产生多种工作模式的有序光，因此，光源系统37也可以是由多种类型的光学元件或组件组成，以产生上述多种类型的有序光。例如，光源系统37可以由激光参考光和全息图组成，此时，使用激光参考光照射全息图可以产生有序光。光源系统37也可以由激光发射器、扩束器和带有粗糙表面(如可以毛玻璃的表面，或者是凹凸印刷产生的不光滑表面，或者是全息印刷产生的不光滑表面)的介质组成，此时，可以使用多层粗糙表面以产生多种工作模式下的有序光。具体地说，扩束后的激光照射在第一个粗糙表面后产生的激光散斑可以作为一个工作模式下的有序光，然后改工作模式下的有序光可以作为次级照明光照射到下一个粗糙表面，再次发生干涉，产生下一级的激光散斑作为下一个工作模式下的有序光，以此类推，可以产生多种工作模式下的有序光。另外，光源系统37还可以由两层或者多层透射式液晶板和一个散射光源组成，其中，散射光可以由点光源入射到均匀的背光板产生，散射光在多层液晶板的空间调制作用下，可以形成具有确定方向的有序光。当然，光源系统37还可以是上述多种构成方式的组合或者由其它光学系统组成。

另外，可以通过改变一个光源系统的相关参数以得到多种工作模式的有序光(或有序光场)，也可以通过在多个不同光源系统之间进行切换以得到多种工作模式的有序光(或有序光场)。

举例来说，在光源系统由激光参考光和全息图组成的情况下，通过对激光参考光的调制，使得激光参考光依次以不同的方向照射全息图，可以产生多种序列的有序光场，即多种工作模式的有序光(或有序光场)。

有序光投射到显示装置35后，可以使得显示装置35上的每一个像素的出射光的方向也是确定的。其中，显示装置35上的每个像素的出射光的方向与投射到其上的有序光的方向有关。例如有序光是平行光时，显示装置的每个像素的出射光具有一个出射方向，且多个像素的出射光的出射方向相互平行。

另外，应该知道，基于不同的有序光，显示装置35的每个像素可以具有唯一一个方向的出射光，也可以具有两个、三个、甚至更多个不同方向的出射光。

显示控制装置38用于控制显示装置35上的多个像素的透射率或反射率，使得光源系统37处于每一个工作模式下，在显示装置35上形成对应于该工作模式的透射率分布或反射率分布。

根据上文中关于显示装置35的介绍可知，显示装置1采用不同的装置(透射式或反射式)时，显示控制装置38可以有不同的控制方式。

例如，显示装置35采用液晶显示屏时，显示控制装置38可以通过改变液晶显示屏两端的电压的方式来调节显示装置35上的多个像素的透射率。应该知道，调节显示装置上的多个像素的透射率或反射率是已经成熟的现有技术，此处不再赘述。

光源控制装置39用于控制光源系统37在多种工作模式之间切换，其中，显示装置35在多种工作模式下透射或反射的所有光的叠加可以形成需要向用户呈现的预期三维虚拟图像。

具体地说，光源控制装置39在控制光源系统37在多种工作模式之间切换的时候，如果切换时间足够短(小于人眼视觉暂留时间)，基于视觉暂留原理，对于用户来说，多种工作模式下入射到显示装置35上并出射出去的光(透射光或反射光)可以看成是同时存在的。

因此，当多种工作模式下分别从显示装置1出射的光的反向延长线交于需要向用户呈现的空间中预期三维虚拟图像上的像点(位于预期的三维空间位置)时，人眼就会感觉看到了位于该预期的三维空间位置处的像点。如果像点足够多，就可以构成与预期三维虚拟图像相似的图像。

其中，从显示装置35出射的光的反向延长线交于多个像点以形成三维虚拟图像时，此时的多个像点时虚像点。当从显示装置35出射的光的延长线交于多个像点时，这多个像点是实像点，其是由显示装置35的出射光本身相交形成的。

综上，本发明实施例的虚拟光场显示装置是基于人眼视觉暂留原理来呈现三维虚拟图像的。因此，光源控制装置39可以在预定周期内控制光源系统37经历多种工作模式，其中，预定周期可以优选地设置在1/1200s至1/120s之间，这样，在显示装置35上可以在极短的时间内显示多种工作模式的有序光，使得对于用户来说，多种工作模式下从显示装置出射的光可以看成是同时发出的，在多种工作模式下的有序光入射到显示器上并出射出去的光线会聚成预期三维虚拟图像上的多个像点时，就可以构成与预期三维虚拟图像相似的图像。

图11示出了根据本发明另一实施例的虚拟光场显示装置30的结构的示意性方框图。

参见图11，本发明实施例的虚拟光场显示装置30包括显示装置35和光源系统37。

显示装置35可以由多个子显示装置构成，每个子显示装置可以用来展现同一个物体的不同视角的图像，这样，人眼接收到多个子显示装置的画面后，就可以产生带有立体感的图像。

其中，关于子显示装置的描述可参见上文结合图10中对显示装置的相关描述，这里不再赘述。

光源系统37用于将光投射到显示装置35上，光源系统37被设计为使得显示装置35的多个显示像素的出射光指向空间中预定的会聚点。

具体地说，光源系统37可以为显示装置35提供照明光(对于透射式显示装置，也可称为背光)。照明光在显示装置35的多个显示像素的透射率或反射率的调节作用下，就可以在显示装置上35显示图像。其中，光源系统37提供的照明光带有一定的方向性，该方向性使得照明光入射到显示装置后出射(此处的出射可以是反射，也可以是透射)出去的出射光可以会聚于空间中预定的会聚点。

其中，会聚点的位置可以根据用户的人眼的节点的位置预先设定。这样，显示装置上显示的图像可以直接入射到人眼的节点，然后无偏折地入射到视网膜上，由此，用户就可以不用进行人眼调节，只需睁开眼睛即可看清楚显示装置显示的图像。

由上文所提及的光源系统的作用可知，光源系统可以由提供照明光的光源和调节照明光光线方向的光学系统组成，其中光源可以是点光源、面光源、平行光源等等，其发出的光可以是散射光，也可以平行光，光学系统用于调节光源发出的照明光的方向，以使得照明光入射到显示装置出射后可以会聚于空间一点。

因此，当光源是点光源时，光学系统可以由对光线具有会聚作用的光学元件或光学组件组成。例如，光学系统可以是凸透镜、菲涅尔透镜、全息图、椭球凹面镜、椭球凹面镜组等光学元件或光学组件。

光学系统采用由激光制成的全息图时，点光源可以是以一定角度向全息图发射的激光参考光。当光源是平行光源时，光学系统还可以是凹透镜，此时，点光源可以位于凹透镜的焦点处。

另外，应该知道，根据光源的发光特性，光学系统还可以是其它由多种光学元件组成的光学组件。只要这些光学元件或光学组件组成的光学系统可以将光源发出的光线调制成可以会聚于空间中预定位置的光线即可。

如图11所示，虚拟光场显示装置30还可以可选地包括人眼节点测量装置41和光源系统调节装置42。

人眼节点测量装置41用于实时测量人眼节点的位置，光源系统调节装置42用于对光源系统37进行调节，以使得出射光的会聚点随人眼节点的移动而移动，以保证出射光的会聚点始终与人眼节点重合。

至此，结合图8-图11详细叙述了本发明的虚拟光场显示装置30的几种结构示意图。

其中，本发明所述及的虚拟光场显示装置30可以通过一个光学系统与光场编辑装置10串联起来，使得从该光学系统出射的光在眼睛处形成的图像与光场编辑装置10发出的光和虚拟光场显示装置30发出的光的叠加相关联。这里述及的光学系统可以是半反半透镜、光波导等对光具有折射或反射作用的光学元件或光学组件。

另外，本发明述及的虚拟光场显示装置30也可以与光场编辑装置10耦合。具体来说，对于图8所示的虚拟光场显示装置30，第二空间光调制器32可以与图2所示的第一空间光调制器2为同一空间光调制器，第二检偏器33可以与图2所示的第一检偏器3为同一检偏器。

进一步地，在第一空间光调制器2包括两个或更多个子调制器时，第二空间光调制器32可以包括位于第一检偏器之后的一个或多个子调制器。

在显示器和所述一个或多个子调制器之间还可以设有对光具有折射或反射作用的第五光学元件，显示器发出的光经过所述第五光学元件的折射或反射进入所述一个或多个所述子调制器。这里，第五光学元件可以是半反半透镜或光波导，并且第五光学元件的数量可以是多个。

图12示出了光场采集装置20、虚拟光场显示装置30和光场编辑装置10相耦合时的一种结构示意图。

参见图12，第一起偏器1、第一子调制器2-1、半反半透镜5、第二子调制器2-2以及第一检偏器3构成了光场编辑装置10，第二偏振片31-1、第三空间光调制器31-2以及第三偏振片31-3构成了一个显示器，显示器、半反半透镜5、第二子调制器2-2以及第一检偏器3构成了虚拟光场显示装置30，第一起偏器1、第一子调制器2-1、半反半透镜5、第一偏振片25、凸透镜26以及图像传感器23构成了光场采集装置20。

由此，可以通过半反半透镜5将光场采集装置20、虚拟光场显示装置30和光场编辑装置10耦合起来，使得系统的整体结构较为紧凑。其中，半反半透镜5可以是平面镜、球面镜或自由曲面镜，并且半反半透镜5还可以用光波导代替，进一步地，半反半透镜或光波导的数量可以不止一个。

另外，作为优选，图12所采用的半反半透镜5不改变光的偏振特性，第三偏振片31-3的偏振光的偏振方向与第一偏振片25的偏振方向相垂直，从而可以避免显示器发出的图像对光场采集部分的干扰。进一步地，对于图12所示的装置来说，还可以在光路中增加透镜或反射镜来改变装置的布置形式。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的光场编辑装置、光场编辑系统以及光场显示系统。此外，本发明还公开了一种光场编辑方法和光场显示方法。其中，本发明的光场编辑方法和光场显示方法与上文述及的光场编辑装置、光场编辑系统以及光场显示系统相对应，下面就本发明的光场编辑方法和光场显示方法的过程做简要说明，对于其中涉及的细节部分可参见上文装置部分的描述，此处不再赘述。

参见图13，在步骤S110，从物体入射的光经过第一起偏器转换为第一偏振方向的偏振光。

在步骤S120，使用第一空间光调制器对第一偏振方向的偏振光进行偏振态调制。

在步骤S130，通过第一空间光调制器被调制的光经过第一检偏器后出射，该第一检偏器具有第二偏振方向，其中，在第一空间光调制器的偏振态调制作用下，从第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

其中，第一起偏器、第一空间光调制器和第一检偏器的结构以及第一空间光调制器对偏振光的偏振态进行调制的过程可参见图2及相关描述。

进一步地，在第一空间光调制器包括多个子调制器时，还可以括根据期望显示光场执行优化计算，以确定各子调制器的各调节像素处的偏振态偏转量，其中，具体的计算过程已在上文了详细说明，这里不再赘述。

另外，本发明的光场编辑方法还可以包括采集和计算从物体入射的实景光场的步骤。

参见图14，在步骤S210，从物体入射的光经过第二起偏器成为第三偏振方向的偏振光。

在步骤S220，通过第二起偏器的第三偏振方向的偏振光经过编码光阑进行光学调制后出射。

在步骤S230，使用图像传感器检测通过编码光阑入射的光，以计算从物体入射的实景光场。

其中，关于第二起偏器、编码光阑和图像传感器的结构以及计算外界实景光场的过程可参见图5及相关描述，这里不再赘述。

与前文述及的光场显示系统相对应，本发明还提供了一种光场显示方法。其中，光场显示方法主要包括光场编辑方法和虚拟光场显示方法。光场编辑方法的具体流程可参见上文图13、图14的描述，这里不再赘述。下面主要就虚拟光场显示方法的过程做以说明。

参见图15，在步骤S310，使用虚拟图像显示装置形成预期三维虚拟图像。

在步骤S320，第一检偏器出射的光和虚拟图像显示装置出射的光共同入射到眼睛。

其中，虚拟图像显示装置的具体结构及形成预期三维虚拟图像的过程已在上文做了详细说明，可参见上文结合图8至图11的描述，这里不再赘述。

根据本发明，公开了以下各项技术方案：

1.一种光场编辑装置，包括：第一起偏器，从物体入射的光经过所述第一起偏器成为第一偏振方向的偏振光；第一空间光调制器，所述第一空间光调制器光学地放置在所述第一起偏器之前，通过所述第一起偏器的所述第一偏振方向的偏振光经过所述第一空间光调制器进行偏振态调制后出射；以及第一检偏器，所述第一检偏器光学地放置在所述第一空间光调制器之前，通过所述第一空间光调制器被调制的光经过所述第一检偏器后出射，所述第一检偏器具有第二偏振方向，其中，在所述第一空间光调制器的偏振态调制作用下，从所述第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

2.根据本发明上述第1项技术方案所述的光场编辑装置，其中，所述第一空间光调制器包括两个或更多个子调制器，所述两个或更多个子调制器被逐层放置且相互间隔开特定距离，通过所述第一起偏器的偏振光依次经过所述两个或更多个子调制器，并且其中，各所述子调制器依次对入射到其上的光进行偏振态调制，使得从所述第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

3.根据本发明上述第2项技术方案所述的光场编辑装置，其中，每个所述子调制器包括多个调节像素，每个所述调节像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节。

4.根据本发明上述第3项技术方案所述的光场编辑装置，还包括一个或多个第一处理器，所述一个或多个第一处理器被配置为：根据所述期望显示光场，执行优化计算，以确定各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转量；以及输出控制信号，以控制光在各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转。

5.根据本发明上述第4项技术方案所述的光场编辑装置，其中，所述优化计算包括求解如下公式以确定

其中，I_AR是期望显示图像的光强，Φ_j∈R^k×l是包含相应子调制器j的光束投射信息的稀疏矩阵，j＝1,…,N，N为子调制器的总数，包含相应子调制器j的各调节像素对偏振态调制的信息，这里，k表示入射光线个数，l表示子调制器的调节像素个数。

6.根据本发明上述第2项技术方案所述的光场编辑装置，其中，所述第一空间光调制器包括第一子调制器和第二子调制器，所述光场编辑装置还包括光学地放置于所述第一子调制器与所述第二子调制器之间的第一光学元件，所述第一光学元件对光具有折射或反射作用但不改变光偏振特性，其中，所述第一子调制器光学地放置在所述第一起偏器之前，通过所述第一起偏器的所述第一偏振方向的偏振光经过所述第一子调制器进行偏振态调制后出射；所述第一光学元件对从所述第一子调制器入射的光进行折射或反射，以使其进入所述第二子调制器；以及所述第二子调制器与所述第一子调制器被放置为隔开一定距离，通过所述第一光学元件入射的光经过所述第二子调制器进行偏振态调制后出射。

7.根据本发明上述第6项技术方案所述的光场编辑装置，其中，所述第一光学元件包括一个或多个半反半透镜；或者所述第一光学元件包括一个或多个光波导。

8.根据本发明上述第7项技术方案所述的光场编辑装置，其中，在所述第一光学元件包括一个或多个半反半透镜时，所述半反半透镜为平面镜、球面镜或自由曲面镜。

9.根据本发明上述第1项技术方案至第8项技术方案中任一项所述的光场编辑装置，其中，所述第一空间光调制器是液晶屏。

10.根据本发明上述第2项技术方案至第5项技术方案中任一项所述的光场编辑装置，其中，所述两个或更多个子调制器之间的间隔空间由具有高折射率的透明材料构成，其中所述透明材料包括高分子材料板、玻璃板或液体。

11.一种光场编辑系统，包括：本发明上述第1项技术方案至第10项技术方案中任一项所述的光场编辑装置；和光场采集装置，用于采集和计算从所述物体入射的实景光场。

12.根据本发明上述第11项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述光场采集装置包括：第二起偏器，从物体入射的光经过所述第二起偏器成为第三偏振方向的偏振光；编码光阑，光学地放置在所述第二起偏器之前，通过所述第二起偏器的所述第三偏振方向的偏振光经过所述编码光阑进行光学调制后出射；以及图像传感器，该图像传感器被配置为检测通过所述编码光阑入射的光。

13.根据本发明上述第12项技术方案所述的光场编辑系统，其中，

所述第二起偏器为所述第一起偏器，所述编码光阑包括所述第一空间光调制器和第一偏振片，所述第一偏振片光学地放置在所述第一空间光调制器之前，通过所述第一空间光调制器被调制的光经过所述第一偏振片入射到所述图像传感器，所述第一偏振片具有第三偏振方向。

14.根据本发明上述第13项技术方案所述的光场编辑系统，其中，在所述第一空间光调制器包括两个或更多个子调制器的情况下，所述编码光阑包括：一个或多个所述子调制器，通过所述第一起偏器的偏振光依次经过所述一个或多个所述子调制器进行偏振态调制后出射；和所述第一偏振片，所述第一偏振片光学地放置在所述一个或多个所述子调制器之前，通过所述一个或多个所述子调制器被调制的光经过所述第一偏振片入射到所述图像传感器。

15.根据本发明上述第14项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述光场采集装置还包括：第三光学元件，该第三光学元件光学地放置于所述第一偏振片与所述图像传感器之间，该第三光学元件对光具有折射或反射作用。

16.根据本发明上述第15项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述第三光学元件是会聚透镜或发散透镜。

17.根据本发明上述第14项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述光场采集装置还包括：第四光学元件，该第四光学元件光学地放置于所述一个或多个所述子调制器与所述第一偏振片之间，所述第四光学元件对光具有折射或反射作用但不改变光偏振特性，其中，通过所述一个或多个子调制器被调制的光经过所述第四光学元件的折射或反射进入所述第一偏振片。

18.根据本发明上述第17项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述第四光学元件包括一个或多个半反半透镜；或者所述第四光学元件包括一个或多个一个或多个光波导。

19.根据本发明上述第18项技术方案所述的光场编辑系统，其中，在所述第四光学元件包括一个或多个半反半透镜时，所述半反半透镜为平面镜、球面镜或自由曲面镜。

20.根据本发明上述第17项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述第四光学元件为所述光场编辑装置中的所述第一光学元件。

21.根据本发明上述第12项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述光场采集装置还包括一个或多个第二处理器，所述一个或多个第二处理器被配置为：基于所述编码光阑的设置以及在所述图像传感器处感测到的光场i_sensor，执行优化计算以确定所述物体的实景光场I_real。

22.根据本发明上述第21项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述优化计算包括求解系数矢量α∈R^d，该系数矢量满足等式i_sensor＝ΦDα，实景光场I_real∈Rⁿ且I_real＝Dα,其中D∈R^n×d是压缩感知字典矩阵或正交基，i_sensor∈R^m是所述图像传感器处感测到光场，并且Φ是包含关于编码光阑的光束投射信息的稀疏矩阵，其中m为传感器图像上的测量点数，n为所述传感器图像上的未知点数，并且满足m<<n。

23.根据本发明上述第22项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述优化计算包括进行拉格朗日运算以求解如下公式：其中拉格朗日乘数λ是选择用以指定稀疏和误差之间的折中的参数或是数据拟合项。

24.根据本发明上述第23项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述系数矢量α是稀疏的或压缩的，并且矩阵D是小波变换基或傅立叶变换矩阵。

25.一种光场显示系统，包括：本发明上述第1项技术方案至第10项技术方案中任一项所述的光场编辑装置或本发明上述第11项技术方案至第24项技术方案中任一项所述的光场编辑系统；以及虚拟光场显示装置，用以显示预期三维虚拟图像，其中，所述光场编辑装置出射的光以及所述虚拟光场显示装置出射的光共同入射到眼睛。

26.根据本发明上述第25项技术方案所述的光场显示系统，还包括：第一光学系统，所述第一光学系统对光具有折射或反射作用，所述光场编辑装置发出的光以及所述虚拟光场显示装置发出的光分别经过所述第一光学系统出射，所述第一光学系统、所述光场编辑装置以及所述虚拟光场显示装置被放置为使得，从所述光学系统出射的光在眼睛处形成的图像与所述光场编辑装置发出的光和所述虚拟光场显示装置发出的光的叠加相关联。

27.根据本发明上述第25项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述第一空间光调制器包括两个或更多个子调制器，所述虚拟光场显示装置包括：位于所述第一检偏器之后的一个或多个所述子调制器，每个所述子调制器包括多个调节像素，每个所述调节像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节；显示器，所述显示器发出的光依次经过所述一个或多个子调制器进行偏振态调制后出射，所述显示器发出的光具有第四偏振方向；以及所述第一检偏器。

28.根据本发明上述第27项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述虚拟光场显示装置还包括：第五光学元件，该第五光学元件光学地放置于所述显示器与所述一个或多个所述子调制器之间，所述第五光学元件对光具有折射或反射作用，其中，所述显示器发出的光经过所述第五光学元件的折射或反射进入所述一个或多个所述子调制器。

29.根据本发明上述第28项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述第五光学元件包括一个或多个半反半透镜；或者所述第五光学元件包括一个或多个光波导。

30.根据本发明上述第29项技术方案所述的光场显示系统，其中，在所述第五光学元件包括一个或多个半反半透镜时，所述半反半透镜为平面镜、球面镜或自由曲面镜。

31.根据本发明上述第28项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述第五光学元件为所述光场编辑装置中的所述第一光学元件。

32.根据本发明上述第27项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述显示器包括：第三偏振片，从光源入射的光经过该第三偏振片成为第五偏振方向的偏振光；第三空间光调制器，所述第三空间光调制器光学地放置在所述第三偏振片之前，所述第三空间光调制器具有多个显示像素，每个所述显示像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节，通过所述第三偏振片的所述第五偏振方向的偏振光经过所述第三空间光调制器进行偏振态调制后出射；以及第四偏振片，所述第四偏振片光学地放置在所述第三空间光调制器之前，该第四偏振片具有第四偏振方向，在该光场显示系统包括本发明上述第14项技术方案至第20项技术方案中任一项所述的光场编辑系统时，所述第四偏振方向与所述光场采集装置中的所述第一偏振片的所述第三偏振方向垂直。

33.根据本发明上述第32项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述虚拟光场显示装置还包括一个或多个第三处理器，所述一个或多个第三处理器被配置为：根据要显示的虚拟光场I_VR，执行优化计算，以确定各所述显示像素以及各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转量；以及输出控制信号，以控制光在各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转。

34.根据本发明上述第33项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述优化计算包括求解如下公式以确定t₀、t_j：

min||I_VR-Φ₀t₀οΦ₁t₁ο…οΦ_Mt_M||₂，其中，I_VR是要显示的虚拟光场的光强，是包含所述显示器的光束投射信息的稀疏矩阵，t₀∈R^l×1是包含所述显示器的各显示像素的光强信息的实数向量，Φ_j∈R^k×l，j＝1,…,M是包含相应子调制器j的光束投射信息的稀疏矩阵，M为所述第二空间光调制器中子调制器的总数，t_j∈R^l×1是包含相应子调制器j的各调节像素对偏振态调制的信息的实数向量，这里，k表示入射光线个数，l表示子调制器的调节像素个数，l₀表示所述显示器的显示像素个数。

35.根据本发明上述第25项技术方案或第26项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述虚拟光场显示装置包括：显示装置，该显示装置包括多个显示像素，每个所述显示像素的光强能够被独立调节，从而在所述显示装置上显示第一图像；第二光学系统，所述显示装置发出的光经过所述第二光学系统出射，以进入人眼，所述第二光学系统包括第四空间光调制器，该第四空间光调制器包括多个调节像素，每个所述调节像素的透射率或反射率能够被调节，从而在所述第四空间光调制器上形成第一预定透射率分布或反射率分布；以及所述第一图像和所述第一预定透射率分布或反射率分布被设定为从所述光学系统出射的出射光的延长线或反向延长线相交于一个或多个像点，所述一个或多个像点构成所述预期三维虚拟图像。

36.根据本发明上述第35项技术方案所述的光场编辑系统，其中，在所述第二光学系统中，所述第四空间光调制器处于所述第二光学系统的孔径光阑处。

37.根据本发明上述第25项技术方案或第26项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述虚拟光场显示装置包括：显示装置，该显示装置包括多个显示像素，每个所述显示像素的透射率或反射率能够被独立调节，从而在所述显示装置上形成透射率分布或反射率分布；光源系统，用于向所述显示装置投射有序光，所述有序光在空间中各个位置的方向是确定的，使得所述显示装置的每一个所述显示像素的出射光的方向是确定的，所述光源系统具有多种工作模式，在不同的工作模式下，向所述显示装置投射不同的有序光；显示控制装置，用于控制所述显示装置，在所述光源系统处于每一种工作模式的期间，在所述显示装置上形成对应于该工作模式的透射率分布或反射率分布；以及光源控制装置，用于控制所述光源系统在所述多种工作模式之间切换，其中，所述显示装置在所述多种工作模式下透射或反射的所有光的叠加向用户呈现所述预期三维虚拟图像。

38.根据本发明上述第37项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述光源控制装置在预定周期内控制所述光源系统经历所述多种工作模式。

39.根据本发明上述第38项技术方案所述的光场编辑系统，其中，所述多种工作模式下投射的有序光场相互正交；或者所述多种工作模式下投射的有序光场的序列是满足压缩感知的有限等距约束的随机序列。

40.根据本发明上述第25项技术方案或第26项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述虚拟光场显示装置包括：显示装置，该显示装置包括多个显示像素，每个所述显示像素的透射率或反射率能够被独立调节；光源系统，用于将光投射到所述显示装置上，所述光源系统被设计为使得所述显示装置的所述多个显示像素的出射光指向空间中预定的会聚点。

41.根据本发明上述第40项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述光源系统包括：点光源；和光学系统，用于将所述点光源发出的光转变为会聚光。

42.根据本发明上述第40项技术方案所述的光场显示系统，其中，所述会聚点与人眼节点重合，所述虚拟光场显示装置还包括：人眼节点测量装置，用于实时测量人眼节点的位置；光源系统调节装置，用于对所述光源系统进行调节，以使得所述出射光的会聚点随所述人眼节点的移动而移动。

43.一种光场编辑方法，包括：从物体入射的光经过第一起偏器转换为第一偏振方向的偏振光；使用第一空间光调制器对所述第一偏振方向的偏振光进行偏振态调制；通过所述第一空间光调制器被调制的光经过第一检偏器后出射，该第一检偏器具有第二偏振方向，其中，在所述第一空间光调制器的偏振态调制作用下，从所述第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

44.根据本发明上述第43项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述第一空间光调制器包括两个或更多个子调制器，所述两个或更多个子调制器被逐层放置且相互间隔开特定距离，通过所述第一起偏器的偏振光依次经过所述两个或更多个子调制器，并且其中，各所述子调制器依次对入射到其上的光进行偏振态调制，使得从所述第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

45.根据本发明上述第44项技术方案所述的光场编辑方法，其中，每个所述子调制器包括多个调节像素，每个所述调节像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节。

46.根据本发明上述第45项技术方案所述的光场编辑方法，还包括：根据所述期望显示光场，执行优化计算，以确定各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转量；以及根据所确定的偏振态偏转量，输出控制信号，以控制光在各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转。

47.根据本发明上述第46项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述执行优化计算的步骤包括：求解如下公式以确定

48.根据本发明上述第44项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述第一空间光调制器包括第一子调制器和第二子调制器，在所述第一子调制器与所述第二子调制器之间光学地放置第一光学元件，所述第一光学元件对光具有折射或反射作用但不改变光偏振特性，所述第一子调制器光学地放置在所述第一起偏器之前，所述第二子调制器与所述第一子调制器被放置为隔开一定距离，该方法还包括：通过所述第一起偏器的所述第一偏振方向的偏振光经过所述第一子调制器进行偏振态调制后出射；所述第一光学元件对从所述第一子调制器入射的光进行折射或反射，以使其进入所述第二子调制器；以及通过所述第一光学元件入射的光经过所述第二子调制器进行偏振态调制后出射。

49.根据本发明上述第48项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述第一光学元件包括一个或多个半反半透镜；或者所述第一光学元件包括一个或多个光波导。

50.根据本发明上述第49项技术方案所述的光场编辑方法，其中，在所述第一光学元件包括一个或多个半反半透镜时，所述半反半透镜为平面镜、球面镜或自由曲面镜。

51.根据本发明上述第43项技术方案至第50项技术方案中任一项所述的光场编辑方法，其中，所述第一空间光调制器是液晶屏。

52.根据本发明上述第44项技术方案至第47项技术方案中任一项所述的光场编辑方法，其中，所述两个或更多个子调制器之间的间隔空间由具有高折射率的透明材料构成，其中所述透明材料包括高分子材料板、玻璃板或液体。

53.根据本发明上述第43项技术方案至第50项技术方案中任一项所述的光场编辑方法，还包括：采集和计算从所述物体入射的实景光场。

54.根据本发明上述第53项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述采集和计算从所述物体入射的实景光场的步骤包括：从物体入射的光经过第二起偏器成为第三偏振方向的偏振光；通过所述第二起偏器的所述第三偏振方向的偏振光经过编码光阑进行光学调制后出射；使用图像传感器检测通过所述编码光阑入射的光，以计算从物体入射的实景光场。

55.根据本发明上述第54项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述第二起偏器为所述第一起偏器，所述编码光阑包括所述第一空间光调制器和第一偏振片，所述第一偏振片光学地放置在所述第一空间光调制器之前，通过所述第一空间光调制器被调制的光经过所述第一偏振片入射到所述图像传感器，所述第一偏振片具有第三偏振方向。

56.根据本发明上述第55项技术方案所述的光场编辑方法，其中，在所述第一空间光调制器包括两个或更多个子调制器的情况下，所述编码光阑包括一个或多个子调制器和第一偏振片，所述一个或多个子调制器各自具有相应的透射率分布或反射率分布，所述通过起偏器的第一偏振方向的偏振光经过编码光阑进行光学调制后出射的步骤包括：通过所述第一起偏器的偏振光依次经过所述一个或多个子调制器进行偏振态调制后出射；通过所述一个或多个子调制器被调制的光经过所述第一偏振片入射到所述图像传感器。

57.根据本发明上述第56项技术方案所述的光场编辑方法，其中，在所述第一偏振片与所述图像传感器之间光学地放置第三光学元件，该第三光学元件对光具有折射或反射作用。

58.根据本发明上述第57项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述第三光学元件是会聚透镜或发散透镜。

59.根据本发明上述第56项技术方案所述的光场编辑方法，其中，在所述一个或多个所述子调制器与所述第一偏振片之间光学地放置第四光学元件，所述第四光学元件对光具有折射或反射作用但不改变光偏振特性，通过所述一个或多个子调制器被调制的光经过所述第四光学元件的折射或反射进入所述第一偏振片。

60.根据本发明上述第59项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述第四光学元件包括一个或多个半反半透镜；或者所述第四光学元件包括一个或多个一个或多个光波导。

61.根据本发明上述第60项技术方案所述的光场编辑方法，其中，在所述第四光学元件包括一个或多个半反半透镜时，所述半反半透镜为平面镜、球面镜或自由曲面镜。

62.根据本发明上述第59项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述第四光学元件为所述第一光学元件。

63.根据本发明上述第54项技术方案所述的光场编辑方法，其中所述计算从物体入射的实景光场的步骤包括：基于所述编码光阑的设置以及在所述图像传感器处感测到的光场i_sensor，执行优化计算以确定所述物体的实景光场I_real。

64.根据本发明上述第63项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述优化计算包括求解系数矢量α∈R^d，该系数矢量满足等式i_sensor＝ΦDα，实景光场I_real∈Rⁿ且I_real＝Dα,其中D∈R^n×d是压缩感知字典矩阵或正交基，i_sensor∈R^m是所述图像传感器处感测到光场，并且Φ是包含关于编码光阑的光束投射信息的稀疏矩阵，其中m为传感器图像上的测量点数，n为所述传感器图像上的未知点数，并且满足m<<n。

65.根据本发明上述第64项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述优化计算包括进行拉格朗日运算以求解如下公式：其中拉格朗日乘数λ是选择用以指定稀疏和误差之间的折中的参数或是数据拟合项。

66.根据本发明上述第65项技术方案所述的光场编辑方法，其中，所述系数矢量α是稀疏的或压缩的，并且矩阵D是小波变换基或傅立叶变换矩阵。

67.一种光场显示方法，包括本发明上述第43项技术方案至第66项技术方案中任一项所述的光场编辑方法，该光场显示方法还包括：使用虚拟图像显示装置形成预期三维虚拟图像；所述第一检偏器出射的光和所述虚拟图像显示装置发出的光共同入射到眼睛。

68.根据本发明上述第67项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述第一检偏器出射的光和虚拟图像显示装置发出的光共同入射到眼睛的步骤包括：所述第一检偏器出射的光以及所述虚拟光场显示装置发出的光分别经过第一光学系统出射；第一光学系统、所述第一起偏器、所述第一空间光调制器、所述第一检偏器以及所述虚拟光场显示装置被放置为使得，从所述光学系统出射的光在眼睛处形成的图像与所述第一检偏器发出的光和所述虚拟光场显示装置发出的光的叠加相关联。

69.根据本发明上述第67项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述第一空间光调制器包括两个或更多个子调制器，所述虚拟光场显示装置包括：位于所述第一检偏器之后的一个或多个所述子调制器，每个所述子调制器包括多个调节像素，每个所述调节像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节；显示器，所述显示器发出的光依次经过所述一个或多个子调制器进行偏振态调制后出射，所述显示器发出的光具有第四偏振方向；以及所述第一检偏器。

70.根据本发明上述第69项技术方案所述的光场显示方法，其中，在所述显示器与所述一个或多个所述子调制器之间光学地放置第五光学元件，所述第五光学元件对光具有折射或反射作用，所述显示器发出的光经过所述第五光学元件的折射或反射进入所述一个或多个所述子调制器。

71.根据本发明上述第70项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述第五光学元件包括一个或多个半反半透镜；或者所述第五光学元件包括一个或多个光波导。

72.根据本发明上述第71项技术方案所述的光场显示方法，其中，在所述第五光学元件包括一个或多个半反半透镜时，所述半反半透镜为平面镜、球面镜或自由曲面镜。

73.根据本发明上述第70项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述第五光学元件为所述第一光学元件。

74.根据本发明上述第69项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述显示器包括：第三偏振片，从光源入射的光经过该第三偏振片成为第五偏振方向的偏振光；第三空间光调制器，所述第三空间光调制器光学地放置在所述第三偏振片之前，所述第三空间光调制器具有多个显示像素，每个所述显示像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节，通过所述第三偏振片的所述第五偏振方向的偏振光经过所述第三空间光调制器进行偏振态调制后出射；以及第四偏振片，所述第四偏振片光学地放置在所述第三空间光调制器之前，该第四偏振片具有第四偏振方向，并且在该光场显示方法包括本发明上述第56项技术方案至第62项技术方案中任一项所述的光场编辑方法时，所述第四偏振方与所述第一偏振片的所述第三偏振方向垂直。

75.根据本发明上述第74项技术方案所述的光场显示方法，还包括：根据要显示的虚拟光场I_VR，执行优化计算，以确定各所述显示像素以及各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转量；以及输出控制信号，以控制光在各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转。

76.根据本发明上述第75项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述优化计算包括求解如下公式以确定t_j：min||I_VR-Φ₀t₀οΦ₁t₁ο…οΦ_Mt_M||₂，其中，I_VR是要显示的虚拟光场的光强，是包含所述显示器的光束投射信息的稀疏矩阵，t₀∈R^l×1是包含所述显示器的各显示像素的光强信息的实数向量，Φ_j∈R^k×l，j＝1,…,M是包含相应子调制器j的光束投射信息的稀疏矩阵，M为所述第二空间光调制器中子调制器的总数，t_j∈R^l×1是包含相应子调制器j的各调节像素对偏振态调制的信息的实数向量，这里，k表示入射光线个数，l表示子调制器的调节像素个数，l₀表示所述显示器的显示像素个数。

77.根据本发明上述第67项技术方案或第68项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述虚拟图像显示装置包括显示装置、第二光学系统，所述使用虚拟图像显示装置形成预期三维虚拟图像的步骤包括：在所述显示装置上显示第一图像，该显示装置包括多个显示像素，每个所述显示像素的光强能够被独立调节；从所述显示装置发出的光经过所述第二光学系统出射，以进入人眼，所述第二光学系统包括第四空间光调制器，该第四空间光调制器包括多个调节像素，每个所述调节像素的透射率或反射率能够被调节，从而在所述第四空间光调制器上形成第四预定透射率分布或反射率分布；所述第一图像和所述第四预定透射率分布或反射率分布被设定为从所述光学系统出射的出射光的延长线或反向延长线相交于一个或多个像点，所述一个或多个像点构成所述预期三维虚拟图像。

78.根据本发明上述第77项技术方案所述的光场显示方法，其中，在所述第二光学系统中，所述第四空间光调制器处于所述第二光学系统的孔径光阑处。

79.根据本发明上述第67项技术方案或第68项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述虚拟图像显示装置包括光源系统和显示装置，所述使用虚拟图像显示装置形成虚拟图像的步骤包括：控制所述光源系统在所述多种工作模式之间切换，在不同的工作模式下，所述光源系统向所述显示装置投射不同的有序光，所述有序光在空间中各个位置的方向是确定的，使得所述显示装置的每一个所述显示像素的出射光的方向是确定的；所述显示装置包括多个显示像素，每个所述显示像素的透射率或反射率能够被独立调节，从而在所述显示装置上形成透射率分布或反射率分布，在所述光源系统处于每一种工作模式期间，在所述显示装置上形成对应于该工作模式的透射率分布或反射率分布，所述显示装置在所述多种工作模式下透射或反射的所有光的叠加向用户呈现所述预期三维虚拟图像。

80.根据本发明上述第79项技术方案所述的光场显示方法，其中，在预定周期内控制所述光源系统经历所述多种工作模式。

81.根据本发明上述第80项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述多种工作模式下投射的有序光场相互正交；或者所述多种工作模式下投射的有序光场的序列是满足压缩感知的有限等距约束的随机序列。

82.根据本发明上述第67项技术方案或第68项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述虚拟图像显示装置包括光源系统和显示装置，所述显示装置包括多个显示像素，每个所述显示像素的透射率或反射率能够被独立调节，所述使用虚拟图像显示装置形成虚拟图像的步骤包括：通过光源系统将光投射到显示装置上，使得所述显示装置的所述多个显示像素的出射光指向空间中预定的会聚点。

83.根据本发明上述第82项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述光源系统包括：点光源；和光学系统，用于将所述点光源发出的光转变为会聚光。

84.根据本发明上述第82项技术方案所述的光场显示方法，其中，所述会聚点与人眼节点重合，该方法还包括：实时测量人眼节点的位置；对所述光源系统进行调节，以使得所述出射光的会聚点随所述人眼节点的移动而移动。

上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的光场编辑装置、系统及方法以及光场显示系统及方法。以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种光场编辑装置，包括：

第一起偏器，从物体入射的光经过所述第一起偏器成为第一偏振方向的偏振光；

第一空间光调制器，所述第一空间光调制器光学地放置在所述第一起偏器之前，通过所述第一起偏器的所述第一偏振方向的偏振光经过所述第一空间光调制器进行偏振态调制后出射；以及

第一检偏器，所述第一检偏器光学地放置在所述第一空间光调制器之前，通过所述第一空间光调制器被调制的光经过所述第一检偏器后出射，所述第一检偏器具有第二偏振方向，

其中，在所述第一空间光调制器的偏振态调制作用下，从所述第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

2.根据权利要求1所述的光场编辑装置，其中，

所述第一空间光调制器包括两个或更多个子调制器，所述两个或更多个子调制器被逐层放置且相互间隔开特定距离，通过所述第一起偏器的偏振光依次经过所述两个或更多个子调制器，并且其中，

各所述子调制器依次对入射到其上的光进行偏振态调制，使得从所述第一检偏器出射的光的光场与期望显示光场接近。

3.根据权利要求2所述的光场编辑装置，其中，

每个所述子调制器包括多个调节像素，每个所述调节像素对入射到其上的光的偏振态的偏转量能够被独立调节。

4.根据权利要求3所述的光场编辑装置，还包括一个或多个第一处理器，所述一个或多个第一处理器被配置为：

根据所述期望显示光场，执行优化计算，以确定各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转量；以及

输出控制信号，以控制光在各所述子调制器的各所述调节像素处的偏振态偏转。

5.根据权利要求4所述的光场编辑装置，其中，所述优化计算包括求解如下公式以确定

其中，I_AR是期望显示图像的光强，Φ_j∈R^k×l是包含相应子调制器j的光束投射信息的稀疏矩阵，j＝1，…，N，N为子调制器的总数，包含相应子调制器j的各调节像素对偏振态调制的信息，这里，k表示入射光线个数，l表示子调制器的调节像素个数。

6.根据权利要求2所述的光场编辑装置，其中，所述第一空间光调制器包括第一子调制器和第二子调制器，所述光场编辑装置还包括光学地放置于所述第一子调制器与所述第二子调制器之间的第一光学元件，所述第一光学元件对光具有折射或反射作用但不改变光偏振特性，其中，

所述第一子调制器光学地放置在所述第一起偏器之前，通过所述第一起偏器的所述第一偏振方向的偏振光经过所述第一子调制器进行偏振态调制后出射；

所述第一光学元件对从所述第一子调制器入射的光进行折射或反射，以使其进入所述第二子调制器；以及

所述第二子调制器与所述第一子调制器被放置为隔开一定距离，通过所述第一光学元件入射的光经过所述第二子调制器进行偏振态调制后出射。

7.一种光场编辑系统，包括：

权利要求1至6中任一项所述的光场编辑装置；和

光场采集装置，用于采集和计算从所述物体入射的实景光场。

8.一种光场显示系统，包括：

权利要求1-6中任一项所述的光场编辑装置或权利要求7所述的光场编辑系统；以及

虚拟光场显示装置，用以显示预期三维虚拟图像，其中，所述光场编辑装置出射的光以及所述虚拟光场显示装置出射的光共同入射到眼睛。

9.一种光场编辑方法，包括：

从物体入射的光经过第一起偏器转换为第一偏振方向的偏振光；

使用第一空间光调制器对所述第一偏振方向的偏振光进行偏振态调制；

通过所述第一空间光调制器被调制的光经过第一检偏器后出射，该第一检偏器具有第二偏振方向，

10.一种光场显示方法，包括权利要求9所述的光场编辑方法，该光场显示方法还包括：

使用虚拟图像显示装置形成预期三维虚拟图像；

所述第一检偏器出射的光和所述虚拟图像显示装置发出的光共同入射到眼睛。