CN107367845A - 显示系统和显示方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及显示技术领域，提供一种显示系统和显示方法，所述显示系统包括：光波导，所述光波导具有第一表面和平行于所述第一表面的第二表面，所述第一表面包括光入射区域和光出射区域，其中向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出；压缩光场模块，用于合成包含显示图像的压缩光场，向所述光入射区域发射所述压缩光场。通过压缩光场模块将光场投射并耦合入光波导，再将光场耦合出光波导即可人眼看见，实现近眼显示模式和光场显示，从而避免调焦‑聚焦矛盾，自然舒适，无眩晕感，解决人眼长期观看由两个有视差的二维图像形成的立体视觉3D图像而产生的眩晕和视觉疲劳问题。

Description

显示系统和显示方法
技术领域
本公开涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种显示系统和显示方法。
背景技术
现在显示领域，用户在佩戴或观看3D显示设备时，所显示的3D物体是通过向用户的左右眼分别显示不同的图像，形成的立体视觉，由于基于双眼立体视觉的3D显示存在辐辏调节冲突的问题，使得用户长时间佩戴时会造成眼睛的疲劳和眩晕，这是立体显示中亟待解决的问题，具体可参见图1-2(图中1、2和3分别代表左眼、右眼和显示屏，L和L’分别代表辐辏距离和聚焦距离)，其中图1示出人眼观察真实世界的情况的示意图，图2示出现有技术中立体视觉3D显示的原理图，如图1-2所示，人眼观察真实世界时辐辏距离L和聚焦距离L’相等因此不存在辐辏调节冲突即调焦-聚焦矛盾的问题，而在立体视觉3D显示时辐辏距离L和聚焦距离L’相差很大因此辐辏调节冲突的问题比较明显。
因此，设计一种新的显示系统和显示方法是目前亟待解决的技术问题。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种显示系统和显示方法，实现近眼显示模式和光场显示，解决人眼长期观看由两个有视差的二维图像形成的立体视觉3D图像而产生的眩晕和视觉疲劳问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得清晰，或者部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的第一方面，公开一种显示系统，包括：
光波导，所述光波导具有第一表面和平行于所述第一表面的第二表面，所述第一表面包括光入射区域和光出射区域，其中向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出；
压缩光场模块，用于合成包含显示图像的压缩光场，向所述光入射区域发射所述压缩光场。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括分束镜和第一、二空间光调制器。
在本公开的一示例性实施方式中，所述第一空间光调制器所在平面与所述分束镜所在平面的夹角为45度，所述第二空间光调制器位于离开所述第一空间光调制器关于所述分束镜的镜像位置一预定距离的位置。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的第一、二显示面板。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的显示面板和变焦透镜。
在本公开的一示例性实施方式中，其中所述向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出包括：垂直于所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后沿垂直于所述光出射区域的方向射出所述光出射区域。
在本公开的一示例性实施方式中，所述显示系统还包括：
设置于所述第二表面上对应于所述光入射区域的入射全息反射膜，以及
设置于所述第二表面上对应于所述光出射区域的出射全息反射膜。
在本公开的一示例性实施方式中，其中所述入射全息反射膜或出射全息反射膜为依次层叠的红绿蓝全息反射膜。
在本公开的一示例性实施方式中，所述显示系统还包括形成在所述光出射区域和人眼之间且平行于所述第一表面的微透镜阵列。
在本公开的一示例性实施方式中，其中所述微透镜阵列为双层微透镜阵列。
在本公开的一示例性实施方式中，其中所述双层微透镜阵列形成为开普勒望远镜式目镜。
根据本公开的第二方面，公开一种显示方法，应用于前述的显示系统，所述显示方法包括：
通过所述压缩光场模块合成包含显示图像的压缩光场；
将所述压缩光场经所述光入射区域投射并耦合入所述光波导；以及
将所述压缩光场经所述光出射区域耦合出所述光波导。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括分束镜、第一空间光调制器和第二空间光调制器。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的第一、二显示面板。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的显示面板和变焦透镜。
根据本公开的一些实施方式，通过压缩光场模块将光场投射并耦合入光波导，再将光场耦合出光波导即可人眼看见，实现近眼显示模式和光场显示，从而避免调焦-聚焦矛盾，自然舒适，无眩晕感，解决人眼长期观看由两个有视差的二维图像形成的立体视觉3D图像而产生的眩晕和视觉疲劳问题。
根据本公开的另一些实施方式，通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置微透镜阵列，进一步增强了光场显示效果。
根据本公开的又一些实施方式，通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置形成为开普勒望远镜式目镜的双层微透镜阵列，在进一步增强光场显示效果的同时增大了视场角。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出人眼观察真实世界的情况的示意图。
图2示出现有技术中立体视觉3D显示的原理图。
图3示出微透镜阵列实现光场显示的示意图。
图4示出基于多层屏幕的层叠光场显示原理图。
图5示出根据本公开一示例实施方式的显示系统的示意图。
图6示出根据本公开一示例实施方式的基于分束镜的层叠光场显示原理图。
图7示出根据本公开一示例实施方式的显示系统中压缩光场模块的另一实施方式的示意图。
图8示出根据本公开一示例实施方式的显示系统中压缩光场模块的又一实施方式的示意图。
图9示出根据本公开一示例实施方式的显示系统中光波导耦合压缩光场的另一实施方式的示意图。
图10示出根据本公开一示例实施方式的显示方法的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。
需要指出的是，在附图中，为了图示的清晰可能会夸大层和区域的尺寸。而且可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”时，它可以直接在其他元件上，或者可以存在中间的层。另外，可以理解，当元件或层被称为在另一元件或层“下”时，它可以直接在其他元件下，或者可以存在一个以上的中间的层或元件。另外，还可以理解，当层或元件被称为在两层或两个元件“之间”时，它可以为两层或两个元件之间唯一的层，或还可以存在一个以上的中间层或元件。通篇相似的参考标记指示相似的元件。
本公开的目的在于提供一种显示系统和显示方法，所述显示系统包括：光波导，所述光波导具有第一表面和平行于所述第一表面的第二表面，所述第一表面包括光入射区域和光出射区域，其中向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出；压缩光场模块，用于合成包含显示图像的压缩光场，向所述光入射区域发射所述压缩光场。通过将光场投射并耦合入光波导，再将光场耦合出光波导即可人眼看见，实现近眼显示(例如AR或VR)模式和光场显示，从而避免调焦-聚焦矛盾，自然舒适，无眩晕感，解决人眼长期观看由两个有视差的二维图像形成的立体视觉3D图像而产生的眩晕和视觉疲劳问题；同时，通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置微透镜阵列，进一步增强了光场显示效果；此外，通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置形成为开普勒望远镜式目镜的双层微透镜阵列，在进一步增强光场显示效果的同时增大了视场角。
下面结合附图3-9对本公开的显示系统进行具体说明，其中，图3示出微透镜阵列实现光场显示的示意图；图4示出基于多层屏幕的层叠光场显示原理图；图5示出根据本公开一示例实施方式的显示系统的示意图；图6示出根据本公开一示例实施方式的基于分束镜的层叠光场显示原理图；图7示出根据本公开一示例实施方式的显示系统中压缩光场模块的另一实施方式的示意图；图8示出根据本公开一示例实施方式的显示系统中压缩光场模块的又一实施方式的示意图；图9示出根据本公开一示例实施方式的显示系统中光波导耦合压缩光场的另一实施方式的示意图。
光场显示为解决用户眼睛疲劳和眩晕提供了一个可行的方法，通过模拟自然3D物体的光场，实现自然的3D显示，降低了人眼的疲劳和眩晕。实现光场显示的方式有多种，下面分别介绍本公开所采用的光场显示实现方式。
首先介绍基于微透镜阵列的光场显示。采用微透镜阵列的集成成像显示是实现光场显示的方式之一，如图3所示(图中31-35分别代表自然图像、显示屏、微透镜阵列、三维图像和观察者)，显示屏32中显示的二维自然图像(平面的苹果)31在经过微透镜阵列33后形成了三维图像34(立体的苹果)，从而实现了光场显示。
接下来介绍基于多层屏幕的层叠光场显示原理。使用液晶屏幕或其他类型的显示面板/显示屏作为多层光场显示的空间光调制单元，它可以通过层与层之间对应像素甚至亚像素位置的灰度值来调制入射光线(来自于背光源)的光强，每层液晶屏幕对应像素的灰度值决定了光强传输率。如图4所示，利用4D光炀的概念，α1，α2，β1分别为第A层和第B层的像素位置，2束光线的输出光强可以表示成
IOUT(α1，β1)＝Iin×TA(α1)+β×TB(β1)
IOUT(α2，β1)＝Iin×TA(α2)+β×TB(β1)
其中TA(α1)和TA(α2)分别表示第A层在α1和α2位置的光强传输率。同样地，TB(β1)表示第B层在β1位置的光强传输率。因此2束光线具有不同的光强。基于这一模型，虽然不同的光线会经过某一层液晶屏的相同像素，但是它们必将经过相隔一定距离的另一层屏幕的不同像素并因此实现了不同的光场强度信息。根据这一原理，可以利用控制不同层液晶屏的显示图像来实现对光炀的调控。光场重建的关键即为计算出各层图像各个像素的灰度值，并将重建光场与目标光场相比较，通过给定初始结构并利用迭代算法找到最忧解。具体算法在此不再赘述，简单来说，两个平面上唯一确定的点可以确定光线的方向，双层屏上像素点通过灰度调制来确定不同方向光线的光强，同样可拓展到多层屏或者多层屏加指向式背光，再进行时分复用，即为张量光场显示或多层屏光场显示。本公开中考虑双层显示屏多帧显示即可。
如图5所示，本公开的显示系统包括：光波导51，所述光波导51具有第一表面511和平行于所述第一表面的第二表面512，所述第一表面包括光入射区域5111和光出射区域5112，一种可能的实施方式中，第一表面位于靠近人眼的一侧。光出射区域位于光波导的与人眼对应的一端，光入射区域位于光波导的远离所述光入射区域的另一端。其中向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出；压缩光场模块52，用于合成包含显示图像的压缩光场，向所述光入射区域发射所述压缩光场。通过将压缩光场投射并耦合入光波导21，再将光场耦合出光波导即可使人眼看见，实现近眼显示模式和光场显示，从而避免调焦-聚焦矛盾，自然舒适，无眩晕感，解决人眼长期观看由两个有视差的二维图像形成的立体视觉3D图像而产生的眩晕和视觉疲劳问题。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块52包括分束镜5213和第一、二空间光调制器5211、5212。
空间光调制器即SLM(Spatial Light Modulator)是指在主动控制下，它可以通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。它可以方便地将信息加载到一维或二维的光场中，利用光的宽带宽，多通道并行处理等优点对加载的信息进行快速处理，最常见的空间光调制器是液晶光阀，广泛应用于光计算、模式识别、信息处理、显示、成像和投影等领域。本示例性实施方式使用两个空间光调制器分别放置在分束镜两侧，合成4D压缩光场，实际上采用的还是前述的基于多(两)层屏幕的层叠光场显示原理，其具体的光学原理如图6所示，分束镜是半透半反镜，空间光调制器相当于显示面板/显示屏，采用半透半反镜将两个空间光调制器在空间中分隔开，第一空间光调制器5211的镜像5211’与第二空间光调制器5212同样形成了多(两)层屏幕的层叠光场显示效果，而且第二空间光调制器5212在光路上不经过第一空间光调制器5211，相互无干扰，降低了交叉干扰(crosstalk)。
在本公开的一示例性实施方式中，所述第一空间光调制器所在平面与所述分束镜所在平面的夹角为45度，所述第二空间光调制器位于离开所述第一空间光调制器5211关于所述分束镜的镜像位置一预定距离的位置。
如图7所示，在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块52包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的第一、二显示面板5221、5222，本示例性实施方式采用了前述的基于多(两)层屏幕的层叠光场显示方式，因此在此不再赘述。
如图8所示，在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块52包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的显示面板和变焦透镜5231、5232，本示例性实施方式为实现光场显示的又一方式，具体为在显示面板例如液晶显示屏(LCD)上增加一层变焦透镜例如液晶棱镜(LC lens)，通过调整液晶棱镜的焦距改变液晶显示屏上成像位置。当液晶棱镜和液晶显示屏刷新率非常高，且液晶棱镜焦距和液晶显示屏画面匹配时，即可利用人眼的“视觉暂留”原理“同时”显示不同景深的图像。其显示原理为：LCD前放置可变焦距的LC lens阵列，在“1帧”的时间里，调节LCD画面和LC lens焦距，分别在1/5,2/5,3/5,4/5,5/5帧显示不同的画面和焦距，形成纵向景深图像。人眼可以聚焦任意景深观察到图像，产生立体感。举例来说：若要显示5景深图像，该光场显示方案需要LC lens具有4个焦距f1-f4，原1帧画面需要分成4帧显示。
在本公开的一示例性实施方式中，其中所述向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出包括：垂直于所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后沿垂直于所述光出射区域的方向射出所述光出射区域，从而以最佳角度投入人眼，确保达到最佳的视觉效果。
在本公开的一示例性实施方式中，所述显示系统还包括：设置于所述第二表面上对应于所述光入射区域的入射全息反射膜531，以及设置于所述第二表面上对应于所述光出射区域的出射全息反射膜532。
在本公开的一示例性实施方式中，其中所述入射全息反射膜或出射全息反射膜为依次层叠的红绿蓝(RGB)全息反射膜。光场中RGB三种波长光线分别经RGB全息反射膜耦合入光波导，全息反射膜会对特定波长特定入射角的光线进行反射，在光波导的另一侧，同样全息反射膜将光场光线耦合出光波导。但本公开不限于此，也可以如图9中所示，在光波导91中与光入射区域对应的位置设置入射反射面911，而在光波导中与光出射区域对应的位置设置出射反射面912，同样也可实现将光场光线耦合入光波导而使其在光波导中传播，而后再将光场光线耦合出光波导的目的(图9中光波导的光入射区域和光出射区域的位置与图5中的正好相反，可见光波导的光入射区域和光出射区域的左右位置并无特殊限制，均可实现本公开的技术效果)。
在本公开的一示例性实施方式中，所述显示系统还包括形成在所述光出射区域和人眼之间且平行于所述光波导的第一表面的微透镜阵列54。采用微透镜阵列的集成成像显示是实现光场显示的方式之一，本示例性实施方式通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置微透镜阵列，进一步增强了光场显示效果。
除了使用单层微透镜阵列，还可以使用双层的微透镜阵列，如图5所示，使用双层柱状微透镜膜构成目镜，靠近眼睛一侧透镜焦距较小(透镜较厚)，而靠近光波导一侧透镜焦距较大(透镜较薄)，构成微柱状透镜阵列(多普勒式望远镜阵列)，且两层中各个相对应的微透镜都要一一对位，相当于所述双层微透镜阵列形成为开普勒望远镜式目镜，该目镜可将通过光波导传导的光场视场角(FOV)加宽。也就是说，通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置形成为开普勒望远镜式目镜的双层微透镜阵列，在进一步增强光场显示效果的同时增大了视场角。
下面结合附图10对本公开的显示方法进行具体说明，如图10所示，应用于前述显示系统的显示方法如下。
在S1002，通过所述压缩光场模块合成包含显示图像的压缩光场。
在S1004，将所述压缩光场经所述光入射区域投射并耦合入所述光波导。
在S1006，将所述压缩光场经所述光出射区域耦合出所述光波导。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括分束镜、第一空间光调制器和第二空间光调制器。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的第一、二显示面板。
在本公开的一示例性实施方式中，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的显示面板和变焦透镜。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本公开实施例的显示系统具有以下优点中的一个或几个。
根据本公开的一些实施方式，通过将光场投射并耦合入光波导，再将光场耦合出光波导即可人眼看见，实现近眼显示模式和光场显示，从而避免调焦-聚焦矛盾，自然舒适，无眩晕感，解决人眼长期观看由两个有视差的二维图像形成的立体视觉3D图像而产生的眩晕和视觉疲劳问题。
根据本公开的另一些实施方式，通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置微透镜阵列，进一步增强了光场显示效果。
根据本公开的又一些实施方式，通过在光波导的光出射区域和人眼之间设置形成为开普勒望远镜式目镜的双层微透镜阵列，在进一步增强光场显示效果的同时增大了视场角。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (15)

1.一种显示系统，包括：
光波导，所述光波导具有第一表面和平行于所述第一表面的第二表面，所述第一表面包括光入射区域和光出射区域，其中向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出；
压缩光场模块，用于合成包含显示图像的压缩光场，向所述光入射区域发射所述压缩光场。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述压缩光场模块包括分束镜、第一空间光调制器和第二空间光调制器。
3.根据权利要求2所述的显示系统，其特征在于，所述第一空间光调制器所在平面与所述分束镜所在平面的夹角为45度，所述第二空间光调制器位于离开所述第一空间光调制器关于所述分束镜的镜像位置一预定距离的位置。
4.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的第一、二显示面板。
5.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的显示面板和变焦透镜。
6.根据权利要求1-5任一项所述的显示系统，其特征在于，其中所述向所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后从所述光出射区域射出包括：垂直于所述光入射区域入射的光经过在所述光波导中传播后沿垂直于所述光出射区域的方向射出所述光出射区域。
7.根据权利要求1-5任一项所述的显示系统，其特征在于，还包括：
设置于所述第二表面上对应于所述光入射区域的入射全息反射膜，以及
设置于所述第二表面上对应于所述光出射区域的出射全息反射膜。
8.根据权利要求7所述的显示系统，其特征在于，其中所述入射全息反射膜或出射全息反射膜为依次层叠的红绿蓝全息反射膜。
9.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，还包括形成在所述光出射区域和人眼之间且平行于所述第一表面的微透镜阵列。
10.根据权利要求9所述的显示系统，其特征在于，其中所述微透镜阵列为双层微透镜阵列。
11.根据权利要求10所述的显示系统，其特征在于，其中所述双层微透镜阵列形成为开普勒望远镜式目镜。
12.一种显示方法，应用于如权利要求1-11任一项所述的显示系统，所述显示方法包括：
通过所述压缩光场模块合成包含显示图像的压缩光场；
将所述压缩光场经所述光入射区域投射并耦合入所述光波导；以及
将所述压缩光场经所述光出射区域耦合出所述光波导。
13.根据权利要求12所述的显示方法，其特征在于，所述压缩光场模块包括分束镜、第一空间光调制器和第二空间光调制器。
14.根据权利要求12所述的显示方法，其特征在于，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的第一、二显示面板。
15.根据权利要求12所述的显示方法，其特征在于，所述压缩光场模块包括平行于所述光入射区域设置且沿光入射方向依次排列的显示面板和变焦透镜。
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