CN106842597A - 基于多层液晶的可连续聚焦的大景深近眼光场三维显示装置和方法 - Google Patents

基于多层液晶的可连续聚焦的大景深近眼光场三维显示装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多层液晶的可连续清晰聚焦的大景深近眼光场三维显示装置，包括背光源、多层液晶屏、光开关、多焦距透镜和控制终端；背光源用于为多层液晶屏提供均匀亮度背光或者是方向性背光；多层液晶屏用于调制背光的强度并产生具有浅景深的光场；光开关用于控制不同深度优化的光场进入人眼；所述的多焦距透镜由同心的不同焦距的透镜条周期排列组成，相同焦距的透镜条将多层液晶屏产生的光场成像在特定的深度位置，从而形成由多个浅景深的三维光场组合而成的大景深三维近眼光场；所述的控制终端用于控制每层液晶屏上每个像素的RGB通道的透过率。本发明还公开一种基于多层液晶的可连续清晰聚焦的大景深近眼光场三维显示方法。

Description

基于多层液晶的可连续聚焦的大景深近眼光场三维显示装置 和方法
技术领域
本发明属于近眼三维显示技术领域，具体涉及一种基于多层液晶的可连续聚焦的大景深近眼光场显示装置和方法。
背景技术
近年来，随着光电技术以及计算机绘制技术的快速发展，近眼虚拟显示技术正在经历前所未有的发展，对构建可连续聚焦近眼虚拟显示的研究与应用也受到越来越多的重视。现有的近眼虚拟显示技术包括基于双目视差的虚拟显示技术和基于光场的虚拟显示技术。
对于非光场的显示技术，主要以谷歌眼镜和oculus为代表。这种技术通过向左右眼显示不同视角的场景以实现一个具有双目视差效果的虚拟场景。然而由于只显示了两个视角的信息，所以显示的场景的三维效果不佳。为了提高信息量，发展出了许多基于光场的近眼显示技术，首先是由inVida提出了一种基于multi-view的光场近眼显示技术。这项技术利用一层高分辨率的OLED和微透镜阵列来重构一个光场。它实现了近似的单眼聚焦效果，然而由于只有一层OLED提供光场信息，所以光场的信息量较少，在空间分辨率和角分辨率之间存在折中，分辨率较低。Schowengerdt.et al提出了一种利用光纤扫描的光场近眼显示技术。这个技术利用光纤快速扫描来显示多视角的场景。显示的信息量和光纤的硬件特性有关，对于硬件设备要求较高。Gordon.et al提出了一种利用多层液晶重构光场的近眼显示技术。这项技术将大量的光场信息分解为可以用多层液晶屏显示的模式。实现了用较小信息量的显示器件实现较大信息量的光场显示。设备的信息利用率非常高。这项技术的设备简单，而且显示的光场信息量非常大，光场的分辨率高。然而由于受到多层液晶的物理特性的限制，基于多层眼睛的近眼光场显示只能达到近似的聚焦效果。然而聚焦辐辏冲突会引起观看者的视觉疲劳，甚至会引起幼儿的视觉疾病。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于多层液晶的可连续聚焦的大景深近眼光场显示装置和方法。利用多层液晶产生一个具有高分辨具有近似景深效果的近眼光场。然而这个光场的景深非常浅，并不能使得观看者获得较好的深度信息，为此我们通过利用多个透镜单元，将多层液晶成像在不同的深度，并且利用快速光开关实现隔断不同深度不同视场的光场串扰，从而实现了大景深的可连续聚焦的近眼光场显示。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于多层液晶的可连续聚焦的大景深近眼光场显示装置，包括背光源、多层液晶屏、光开关、多焦距透镜和控制终端；
所述的背光源，用于为多层液晶屏提供均匀亮度背光或者是方向性背光；
所述的多层液晶屏，用于调制背光的强度并产生具有浅景深的光场；
所述的光开关，用于控制不同深度优化的光场进入人眼；
所述的多焦距透镜由同心的不同焦距的透镜条周期排列组成，相同焦距的透镜条将多层液晶屏产生的光场成像在特定的深度位置，从而形成由多个浅景深的三维光场组合而成的大景深三维近眼光场；
所述的控制终端，连接每一层液晶屏的驱动板，依据优化方法计算出的衰减图案，不断刷新每层液晶上每个像素的RGB通道的透过率，最终实现基于多层液晶的近眼三维显示。
优选的，所述的背光照明设备分成侧入式和直下式两种。侧入式背光源包括导光板、反射膜、透镜膜、漫射膜和冷阴极灯管；直下式背光源包括利用冷阴极荧光管和利用LED阵列两种方式。
优选的，还包括适用于人眼佩戴镜框，用于固定所述的背光源、多层液晶屏、光开关和多焦距透镜和控制终端。
优选的，所述的多层液晶屏是等间距分布的严格平行的液晶屏，多层液晶屏时序地显示针对不同深度优化的三维光场的分解信息，背光源发出的光经过多层液晶屏的调制形成一个三维光场。
优选的，所述的光开光，时序的控制针对不同深度优化的光场进入人眼，并且开关的频率高于人眼的帧率，使得人眼不会察觉到不同光场切换。所述的快速光开关的每个开关单元的尺寸和多焦距透镜的透镜条尺寸一致。光开关和透镜阵列式严格对齐的。
优选的，所述的多焦距透镜是由直径相同的焦距不同的透镜的透镜条周期排列组成，透镜条的位置保证所有透镜条是严格同心分布的。焦距的数目为不少于2个。多焦距透镜距离人眼瞳孔非常的近，使得每个透镜单元的视场角足够大。进一步的，所述的多焦距透镜的透镜条是宽度相等的，透镜条的宽度为确保至少所有不同焦距的透镜条的宽度和小于瞳孔的宽度，即透镜条的宽度需不大于1.5毫米。透镜条的数目为不少于2个。
光开光的开关单元数目和多焦距透镜的透镜条数目相等，并且开关单元宽度和透镜条的宽度相等。光开关的尺寸需覆盖整个多焦距透镜。另外，光开光和透镜阵列是严格对齐的，使得每个光开关单元和透镜单元严格对齐。
本发明还提供一种基于多层液晶的可连续聚焦的大景深近眼光场显示方法，具体步骤如下：
1)根据叠加的三维场景的显示效果，重构的三维场景的亮度决定焦距的数目；
2)根据设计的焦距的数目，决定透镜条的宽度，之后加工一个多焦距透镜；
3)根据设计的多焦距透镜的尺寸信息，设计一个可完全覆盖多焦距透镜的光开关，光开关单元与透镜条是严格对齐的；
4)根据设计的多焦距透镜、光开关、多层液晶的相关参数，设计出眼镜固定设备，可利用3D打印等方式制备；
5)采集近眼光场的原始数据；
6)根据多组多层液晶像的分布，将原始光场数据分解为多组多层液晶像的张量积的和，生成针对不同深度优化的多层液晶对应的分解图；
7)将生成的每组多层液晶的对应分解图时序的加载在多层液晶上，实现大景深可连续聚焦的三维场景的重构。
本发明将通过结合多焦距透镜、快速光开关和多层液晶光场重构技术，实现了一个可连续聚焦的、在聚焦面有超高分辨率的近眼光场显示，突破三维显示在聚焦方面的局限。
附图说明
图1是本发明的基于多层液晶的可连续清晰聚焦的大景深近眼光场三维显示装置的示意图。
图2是本发明中多焦距透镜设计的原理图。
图3是本发明中可连续清晰聚焦的大景深近眼光场的原理图。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示的大景深近眼光场显示装置，沿着人眼球1前方依次放置多焦距透镜2、光开关3、多层液晶屏4和背光照明设备5，其中终端通过驱动板控制液晶层透过率。
首先根据背光源5发出的光经过多层液晶屏4的调制并经过一个多焦距透镜2的一个透镜单元成像形成一个稀疏的4维光场。这个4维光场可以表示为多层液晶屏显示图像的张量积。
多焦距透镜是由多个焦距不同，直径相同的透镜的透镜条周期排列组成，多焦距透镜可以是球面透镜、或菲涅尔透镜或全息透镜。透镜可以是图2所示的条状，也可以是二维方格分布；多焦距透镜至少2个，也可以3个及以上。如图2所示，多焦距透镜的焦距数目为2，多焦距透镜是由透镜1和透镜2的透镜条周期间隔排布组成，透镜条的分布是严格同心的。
多焦距透镜2和多层液晶屏4的几何位置以及透镜阵列每个透镜单元的焦距得出多层液晶屏经过透镜阵列所成的像，如图3所示。
根据每组多层液晶屏像的位置，将原始光场分解可以被看作是求原始光场和相应的每组的多层液晶屏的4维稀疏光场的最小欧几里得距离。通过以上的方式可以将原始光场近似分解为2维模式组。通过以上方式，可以得到和焦距数目相同的分解模式组。利用光开关时序的控制与透镜条对应的开关单元实现不同的2维模式组时序的显示。光开光的刷新频率高于人眼的帧率，所以人眼看见的是每组多层液晶重构的光场的和。从而形成一个大景深可连续聚焦的近眼三维场景。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (7)

1.一种基于多层液晶的可连续清晰聚焦的大景深近眼光场三维显示装置，其特征在于：包括背光源、多层液晶屏、光开关、多焦距透镜和控制终端；
所述的背光源，用于为多层液晶屏提供均匀亮度背光或者是方向性背光；
所述的多层液晶屏，用于调制背光的强度并产生具有浅景深的光场；
所述的光开关，用于控制不同深度优化的光场进入人眼；
所述的多焦距透镜由同心的不同焦距的透镜条周期排列组成，相同焦距的透镜条将多层液晶屏产生的光场成像在特定的深度位置，从而形成由多个浅景深的三维光场组合而成的大景深三维近眼光场；
所述的控制终端用于控制每层液晶屏上每个像素的RGB通道的透过率。
2.如权利要求1所述的大景深近眼光场三维显示装置，其特征在于：还包括适用于人眼佩戴镜框，用于固定所述的背光源、多层液晶屏、光开关和多焦距透镜和控制终端。
3.如权利要求1所述的大景深近眼光场三维显示装置，其特征在于：所述的多层液晶屏时序地显示针对不同深度优化的三维光场的分解信息。
4.如权利要求1所述的大景深近眼光场三维显示装置，其特征在于：所述光开光内每个开关单元的尺寸和多焦距透镜的透镜条尺寸一致。
5.如权利要求1所述的大景深近眼光场三维显示装置，其特征在于：所述多焦距透镜是由直径相同且焦距不同的透镜的透镜条周期排列组成，焦距的数目不少于2个。
6.如权利要求5所述的大景深近眼光场三维显示装置，其特征在于：所述多焦距透镜内的透镜条是宽度相等的，透镜条的宽度为确保所有不同焦距的透镜条的宽度和小于瞳孔的宽度，且透镜条的数目为不少于2个。
7.一种大景深近眼光场三维显示方法，其特征在于，基于权利要求1～6任一项所述的大景深近眼光场三维显示装置，包括以下步骤：
1)根据叠加的三维场景的显示效果，重构的三维场景的亮度决定焦距的数目；
2)根据焦距的数目，确定透镜条的宽度；
3)采集近眼光场的原始数据；
4)根据多组多层液晶像的分布，将原始光场数据分解为多组多层液晶像的张量积的和，生成针对不同深度优化的多层液晶对应的分解图；
5)将生成的每组多层液晶的对应分解图时序的加载在多层液晶上，实现大景深可连续聚焦的三维场景的重构。
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