CN107479207B - 光源扫描的光场头盔显示装置及空间三维物体光场重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光源扫描的光场头盔显示装置及空间三维物体光场重建方法，属于三维显示技术领域，光场头盔显示装置包括依次排列的光源阵列、照明透镜组、空间光调制器及目镜镜组；还包括设置在光源阵列和空间光调制器之间用于控制光源和图像之间的时间同步的同步装置，照明透镜组的前焦点位于光源阵列上，目镜镜组的后焦点位于眼球的瞳孔内。通过将照明透镜组的前焦点设置在光源阵列上，目镜镜组的后焦点设置在眼球的瞳孔内，使得光源阵列中任意一个光源发出的光通过照明透镜组后，能够均匀地照在空间光调制器上，且光线通过空间光调制器后再经过目镜镜组能够汇聚在眼球的瞳孔上。
Description
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，具体地说，涉及一种光源扫描的光场头盔显示装置及空间三维物体光场重建方法。
背景技术
三维显示技术是显示技术的一个重要研究发展方向。近年来，由于VR、AR技术的普及应用，关于头戴显示装置的研究也渐渐增多。
一个优秀的三维显示装置不仅能够为使用者提供心理上的立体感，还应该提供包含聚焦、辐辏、运动视差、双目视差在内的物理上的立体感。目前市面上主流的头戴显示装置大部分是利用双目视差形成伪3D显示，这样会使得使用者视觉系统的聚焦和辐辏产生冲突，长期佩戴会感到不适(详见Geng,Jason,2013,Three-dimensional displaytechnologies,Advances in Optics and Photonics)。
目前用于解决头戴显示器聚焦辐辏冲突的装置有基于多层液晶的近眼光场显示器。但是由于采用多层液晶板堆叠放置的结构，这种装置的体积较大，这与便携式头戴显示装置的设计理念相悖。同时由于液晶板的层数有限，该装置的分辨率也不易做高(详见Huang,Fu-Chung,Luebke,David,Wetzstein,Gordon,2015,The light fieldstereoscope,ACM SIGGRAPH Emerging Technologies)。
发明内容
本发明的目的为提供一种能够解决聚焦辐辏冲突，同时便携，分辨率高的头戴显示装置；
本发明的另一目的为提供一种利用光源阵列扫描实现空间三维物体光场重建的方法。
为了实现上述目的，本发明提供的光源扫描的光场头盔显示装置包括依次排列的光源阵列、照明透镜组、空间光调制器及目镜镜组；还包括设置在光源阵列和空间光调制器之间用于控制光源和图像之间的时间同步的同步装置；照明透镜组的前焦点位于光源阵列上，目镜镜组的后焦点位于眼球的瞳孔内。
上述技术方案中，通过将照明透镜组的前焦点设置在光源阵列上，目镜镜组的后焦点设置在眼球的瞳孔内，使得光源阵列中任意一个光源发出的光通过照明透镜组后，能够均匀地照在空间光调制器上，且光线通过空间光调制器后再经过目镜镜组能够汇聚在眼球的瞳孔上，即光源的像落在瞳孔内部。另外，在光源阵列和空间光调制器之间设置同步装置，以控制图像和光源之间的时间同步，进而解决聚焦辐辏冲突。
具体的方案为眼球的瞳孔中至少容纳两个以上的光源的像。为了适应重建空间物体在多个方向上的光线。
另一个具体的方案为以光源阵列中点亮的光源在眼球中的像的位置为中心，对欲显示的三维物体做投影，在远处平面上获得的投影图像为相对于该光源需要显示的图像。
再一个具体的方案为光源阵列由一维或二维排列的光源组成。
优选地，光源阵列为LED、半导体激光器阵列或者是平面光源加上一个透过率可调制的阵列器件，如LCD阵列。空间光调制器为LCD、LCOS或DLP。
一种利用光源阵列扫描实现空间三维物体光场重建的方法，基于上述光场头盔显示装置实现，包括以下步骤：
步骤一，将光源阵列中的光源按时间顺序依次点亮；
步骤二，在每次点亮一个光源的同时，空间光调制器更换与此对应的一副新的图像；
步骤三，通过同步装置控制图像和光源之间的时间同步。
通过以上步骤以重建空间三维物体的光场，解决了聚焦辐辏的冲突，使用者长期佩戴也不会出现晕眩等不适症状。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)对比目前市面上主流的头戴显示装置，本发明基于光场重建原理，能够为人类视觉系统提供物理上的立体感，同时由于解决了聚焦辐辏的冲突，使得使用者长期佩戴也不会出现晕眩等不适症状；
(2)对比多层液晶的近眼光场显示装置，本发明装置的体积更小，且分辨率更高。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例空间光调制器的显示图像与照明光源之间的对应关系图；
图3为本发明实施例的光场重建原理示意图。
其中：1、眼球；2、目镜镜组；3、空间光调制器；4、照明透镜组；5、光源阵列；6、同步装置；7、像；8、三维物体；9、投影；10、光源阵列中心点；11、轴外点；12、点；13、点；14、空间三维物体上的点。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
光源扫描的光场头盔显示装置实施例
参见图1，光源扫描的光场头盔显示装置包括光源阵列5、照明透镜组4、空间光调制器3、同步装置6及目镜镜组2。
光源阵列5由一维或二维排列的光源组成，光源阵列中任意一个光源发的光通过照明透镜组4后均匀照在空间光调制器3上，光线通过空间光调制器3后再经过目镜镜组2汇聚在眼球1的瞳孔上，即光源的像落在瞳孔内部，瞳孔中至少容纳两个以上的光源的像，为重建空间物体在多个方向上的光线。
空间光调制器3显示的图像和光源阵列5依次变换的照明光源之间通过同步装置6同步。光源阵列5中的光源按时间顺序依次点亮，每次点亮一个光源，空间光调制器3更换一副新的图像，该图像由图2所示的对应关系事先确定，以此重建空间三维物体在各个方向上的观察像。
点亮的光源和显示的图像之间有如下对应关系：以点亮的光源在眼瞳中的位置为中心，对欲显示的三维物体做投影，在远处平面上获得的投影图像即是相对于该光源需要显示的图像。参见图2，光源阵列中某一光源在瞳孔中的像为像7，三维物体8是想要显示的物体，投影9是以像7为中心，对三维物体8做投影，在远处平面上所得的投影图像。对于某一时刻，若光源阵列中某一光源在人瞳孔内的像为像7，则此时空间光调制器上要显示的图像即为投影9。
图3为本实施例的光场重建原理示意图，以分析光源阵列中某两点对空间三维物体上某点的重建情况为例。光源阵列中心点10为整个系统的轴上物点，其通过系统后成像于人眼球中的点12。轴外点11靠近光源阵列中心点10，其通过系统后成像于人眼球中的点13。当光源阵列中心点10点亮时，在空间光调制器中放映对应的图像，即以点12为中心，对空间物体投影至无穷远处平面所得的图像，则其通过靠近人眼的透镜后，所得光线即为原空间物体在沿轴方向的光线。图中所示的一条光线即为空间三维物体上的点14在该方向上的光线。同理，当轴外点11点亮时，在空间光调制器中放映对应的图像，即以点13为中心，对空间物体投影至无穷远处平面所得的图像，则其通过靠近人眼的透镜后，所得光线即为原空间物体在这一方向的光线。当连续依次点亮光源阵列中的各点时，我们就能观察到来自空间物体在各个方向上的光线，以此重建原空间物体的光场。
本实施例中，空间光调制器3可以是LCD、LCOS或DLP等。光源阵列5可以是LED、半导体激光器阵列或者是平面光源加上一个透过率可调制的阵列器件。
空间三维物体光场重建的方法实施例
本实施例的空间三维物体光场重建的方法是基于光源扫描的光场头盔显示装置实现的，其包括以下步骤：
步骤一，将光源阵列中的光源按时间顺序依次点亮；
步骤二，在每次点亮一个光源的同时，空间光调制器更换与此对应的一副新的图像；
步骤三，通过同步装置控制图像和光源之间的时间同步。
需要说明的是，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的实施方案，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 (5)
1.一种光源扫描的光场头盔显示装置，包括依次排列的光源阵列、照明透镜组、空间光调制器及目镜镜组；
其特征在于：
还包括设置在所述光源阵列和所述空间光调制器之间用于控制光源和图像之间的时间同步的同步装置；
所述照明透镜组的前焦点位于所述光源阵列上，所述目镜镜组的后焦点位于眼球的瞳孔内；
所述的眼球的瞳孔中至少容纳两个以上的光源的像；
以所述的光源阵列中点亮的光源在眼球中的像的位置为中心，对欲显示的三维物体做投影，在远处平面上获得的投影图像为相对于该光源需要显示的图像，该光源需要显示的图像即为空间光调制器上要显示的图像。
2.根据权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于：
所述的光源阵列由一维或二维排列的光源组成。
3.根据权利要求2所述的光场头盔显示装置，其特征在于：
所述的光源阵列为LED、半导体激光器阵列或者是平面光源加上一个透过率可调制的LCD阵列。
4.根据权利要求1所述的光场头盔显示装置，其特征在于：
所述的空间光调制器为LCD、LCOS或DLP。
5.一种利用光源阵列扫描实现空间三维物体光场重建的方法，基于权利要求1至4任一权利要求所述的光场头盔显示装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将光源阵列中的光源按时间顺序依次点亮；
步骤二，在每次点亮一个光源的同时，空间光调制器更换与此对应的一副新的图像；
步骤三，通过同步装置控制图像和光源之间的时间同步。
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