CN109765694A - 混合近眼ar三维显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维显示领域，公开了一种混合近眼AR三维显示系统，包括：光源模块、聚合物分散液晶板、空间光调制器、滤波模块、目镜模块和计算机，计算机控制聚合物分散液晶板、空间光调制器和滤波模块使混合近眼AR三维显示系统时序交叉地工作于普通投影模式和全息三维显示模式；普通投影模式时，聚合物分散液晶板将照明光散射成散射光，计算机向空间光调制器载入双目视差投影图像，在目镜模块中成双目视差三维图像；全息三维显示模式时，平面照明光透过聚合物分散液晶板，计算机向空间光调制器载入双目视差全息图像，在目镜模块中成全息三维图像。本发明的混合近眼AR三维显示系统不仅可以实现大出瞳、大视场三维显示，还可以缓解辐辏冲突问题。

Description

混合近眼AR三维显示系统

技术领域

本发明涉及三维显示领域，尤其涉及一种混合近眼AR三维显示系统。

背景技术

目前，近眼AR三维显示是一个重要的研究领域和应用领域，实现近眼AR三维显示的方式有多种，如使用微显示器和复杂目镜系统来实现AR三维显示，利用该方案实现的三维显示多为双目视差三维显示，存在辐辏冲突，佩戴此种AR三维显示设备会引起眼疲劳和眩晕，对青少年的视力发育存在一定的不良影响，不适合青少年佩戴。

采用光波导和耦合光栅技术实现近眼AR三维显示是目前近眼AR三维显示的一个重要发展方向。相比于复杂的目镜系统，采用光波导和耦合光栅技术实现近眼AR三维显示时，显示系统的体积和重量大大减小，然而绝大多数基于光波导和耦合光栅的近眼AR三维显示仍旧为双目视差三维显示，仍然存在辐辏冲突的问题。

采用光波导和耦合光栅技术能够实现较大出瞳情况下大视场近眼AR三维显示。当显示的图像位于较远的空间区域，人眼观看三维图像时肌肉处于舒适状态，在一定程度上可缓解辐辏冲突引起的疲劳。因此，采用光波导和耦合光栅技术实现近眼AR三维显示时，通常设计为无穷远处成像来一定程度上缓解辐辏冲突。

全息三维显示是基于干涉记录、衍射成像的三维显示技术，是公认的最理想的三维显示。但是，目前受限于空间光调制器的像素尺寸和分辨率(信息量)，使用全息技术实现近眼AR三维显示时，无法同时满足大出瞳和大视场的需求。

为了实现大视场或大出瞳的全息三维显示，公开号为CN108803295A的中国发明专利文献公开了一种大视场全息图的制作方法、显示系统及点阵光源，公开号为CN108717254A的中国发明专利文献公开了一种大视角全息图制作方法及显示系统，该两现有技术均使用点阵光源调制不同方向照明光以实现大视场或大出瞳的全息三维显示方案，然而上述方法对光学系统设计及控制具有严苛的要求。

发明内容

本发明提供了一种混合近眼AR三维显示系统，将双目视差和全息真三维时序交叉显示，缓解辐辏冲突，实现大视场、大出瞳混合三维显示。

具体技术方案如下：

一种混合近眼AR三维显示系统，包括：

光源模块，为空间光调制器提供照明光；

聚合物分散液晶板，受控于计算机，处于散射态或透明态，处于散射态时将平面照明光散射成散射光，处于透明态时使平面照明光不受干扰地透过；

空间光调制器，通过计算机载入双目视差投影图像或双目视差全息图像，对透过聚合物分散液晶板的照明光进行调制，发出调制光场；

滤波模块，对调制光场进行滤波，消除干扰；

目镜模块，对滤波后的调制光场进行成像并投向人眼；

计算机，控制聚合物分散液晶板、空间光调制器以及滤波模块，使混合近眼AR三维显示系统时序交叉地工作于普通投影模式和全息三维显示模式；

处于普通投影模式时，聚合物分散液晶板处于散射态，将平面照明光散射成散射光，计算机向空间光调制器载入双目视差投影图像，对散射光进行调制，滤波模块对调制后的散射光场进行滤波，在目镜模块中成双目视差三维图像；

处于全息三维显示模式时，聚合物分散液晶板处于透明态，计算机向空间光调制器载入双目视差全息图像，对平面光进行调制，滤波模块对调制后的衍射光场进行滤波，在目镜模块中成全息三维图像；

外界环境光不受干扰地透过目镜模块进入人眼。

本发明的混合近眼AR三维显示系统时序交叉地工作于普通投影模式和全息三维显示模式：在普通投影模式下，成双目视差三维图像，此时显示系统具有较大的视场和出瞳，但是存在辐辏冲突的问题；在全息三维显示模式下，成全息三维图像，在相同出瞳条件下，其视场较小，但是不存在辐辏冲突的问题。当人眼位于全息三维显示模式下的出瞳位置时，可时序看到全息三维图像和普通投影的双目视差三维图像，当人眼位于全息三维显示模式的出瞳外时，仅可看到普通投影显示的双目视差三维图像。普通投影模式和全息三维显示模式时序切换进行，当切换频率大于25Hz时，通过人眼的时间暂留效应可实现大出瞳、大视场的混合三维显示。

本发明的混合近眼AR三维显示系统不仅可以实现大出瞳、大视场三维显示，还可以缓解辐辏冲突问题。

所述的光源模块为单色光源或三色光源。

所述的三色光源包括R、G、B光源，受控于计算机，通过快速分时点亮R、G、B光源，实现彩色照明。

三色光源的切换频率超过75Hz(25Hz×3)时，人眼无法分辨，通过人眼暂留效应可实现彩色三维显示。

进一步地，所述的光源为LED光源或激光光源。

所述的聚合物分散液晶板可加电控制，聚合物分散液晶不加电时，处于散射状态，平面波被聚合物分散液晶板散射后形成的散射光，此时计算机向空间光调制器载入普通双目视差投影图像，对散射光进行强度调制，滤波模块的像素结构液晶光阀同步控制滤波窗口的开口位置和尺寸，对调制后的散射光场进行滤波，在目镜中成双目视差三维图像；聚合物分散液晶加电时，处于透明态，平面光经过加电的聚合物分散液晶时，不受干扰，仍为平面波，此时计算机向空间光调制器载入具有双目视差的全息图像，对平面波进行调制，滤波模块的像素结构液晶光阀同步控制滤波窗口的开口位置和尺寸，对调制后的衍射光场进行滤波，在目镜中成全息三维图像。

所述的空间调制器为振幅型空间调制器。

进一步地，所述的空间调制器为振幅型反射式LCOS、DMD或透射式LCD。

所述的滤波模块包括液晶光阀和4f光学系统；所述的液晶光阀位于4f光学系统的焦平面上；

所述的液晶光阀为具有像素结构的液晶光阀，受控于计算机，通过计算机控制器光阀开口的尺寸和位置，对空间光调制器调制后的光场进行滤波，消除干扰。

在普通投影模式下，滤波模块中的液晶光阀与普通投影中使用的光阑具有同等作用；在全息三维显示模式下，滤波模块中的液晶光阀用来滤除未被调制而直接反射的零级光场、共轭光场以及由空间光调制器的像素结构引起的高级衍射光。

优选的，所述的混合近眼AR三维显示系统还包括变焦透镜，通过计算机控制其焦距，对滤波后的调制光场进行变焦。

进一步地，所述的变焦透镜工作于有光焦度模式和无光焦度模式；

所述的混合近眼AR三维显示系统工作于普通投影模式时，变焦透镜处于有光焦度模式；

所述的混合近眼AR三维显示系统工作于全息三维显示模式时，变焦透镜处于无光焦度模式。

优选的，计算机控制混合近眼AR三维显示系统时序交叉地工作于普通投影模式和全息三维显示模式；所述混合近眼AR三维显示系统的显示频率为50Hz以上。

人眼的识别能力为25Hz，当普通投影模式和全息三维显示模式的显示频率为50Hz(25Hz×2)以上时，人眼无法发现两种工作模式的切换，不会感觉到闪烁，可保持较好的显示效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

使用本发明的混合近眼AR三维显示系统时，当人眼位于全息三维显示模式下的出瞳位置时，可时序看到全息显示的三维图像和普通投影模式下的双目视差三维图像，当人眼位于全息三维显示模式的出瞳外时，仅可看到普通投影显示的双目视差三维图像。普通投影模式和全息三维显示模式时序进行时，通过人眼的时间暂留效应实现混合三维显示，不仅可以实现大出瞳、大视场三维显示，还可以缓解辐辏冲突问题。

附图说明

图1为实施例1的混合近眼AR三维显示系统的结构示意图；

图2为实施例2的混合近眼AR三维显示系统的结构示意图.

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

本实施例的混合近眼AR三维显示系统的结构如图1所示，按照光路顺序依次包括单色LED光源11、透镜12(其焦距为f1)、聚合物分散液晶13、反射镜14、半透半反镜15、空间光调制器16(振幅型)、透镜17、液晶光阀18、透镜19、反射镜110、反射镜111、三片式AR目镜(112、113、114)，还包括计算机(图中未示出)。

单色LED光源11位于透镜12的前焦平面上，其发出的发散光被透镜12准直为平面波，平面波经过聚合物分散液晶13后被反射镜14反射进入半透半反镜15，再经半透半反镜15反射后进入空间光调制器16，照明光经空间光调制器16调制后透过半透半反镜15，经由透镜17、液晶光阀18、透镜19组成的滤波器滤波后被反射镜110、反射镜111反射进入三片式AR目镜，三片式目镜系统将虚拟图像成像，而环境光可不受干扰地进入人眼，实现AR显示，以上光路部分受控于计算机。

聚合物分散液晶13、空间光调制器16以及液晶光阀18受控于计算机，在计算机的控制下，本实施例的混合近眼AR三维显示系统分时快速地工作于两种工作模式下，一种为普通投影模式，另一种为全息三维显示模式。

在普通投影模式下，聚合物分散液晶13不加电，是一个散射体，将透过透镜12的平面光散射成散射光，散射光照明空间光调制器16，此时计算机向空间光调制器16载入普通双目视差投影图像，对散射光进行强度调制，被调制后的光场经过由透镜17、液晶光阀18、透镜19组成的滤波系统滤波(滤波模块中的液晶光阀与普通投影中使用的光阑具有同等作用)；后被反射镜110和反射镜111反射进入三片式AR目镜系统进行成像。此时，成像为双目视差三维图像，具有较大的视场。

在全息三维显示模式时，聚合物分散液晶13加电，为一个透明平板，透过透镜12的平面光经过聚合物分散液晶13后不发生变化，仍为平面光，平面光照明空间光调制器16，此时计算机向空间光调制器16载入记录有包含双目视差的两个三维物体数据计算的双目视差全息图，对平面光进行调制，产生正一级光场、未被调制而直接反射的零级光场、共轭光场以及由空间光调制器像素结构引起的高级衍射光，经滤波器滤波后剩余正一级光场，后被反射镜110和反射镜111反射进入三片式AR目镜系统进行成像。此时，成像为全息三维图像，在相同大小出瞳的情况下，具有较小的视场。

通过计算机控制，混合近眼AR三维显示系统在普通投影模式和全息三维显示模式下时序切换，实现近眼AR混合三维显示。

在图1中，仅给出用于单目显示的光路，双目的显示光路为两套所述光路，分别为左眼和右眼提供虚拟三维图像。左右眼光路相同，为轴对称结构，无需对另一个光路进行额外描述。

全息图的计算为现有技术，不再赘述。

以下以现有空间光调制器和光学系统信息传递守恒量来分析上述系统实现的参数情况。以某品牌4k分辨率LCOS的参数为例：空间光调制器分辨率为4000×2462，像素尺寸为3.74um。以该空间光调制器长度方向的参数进行分析，长度为4000×3.74um＝14.96mm。在普通投影模式下，假设其散射光的角度设置为-15°到15°，实现出瞳为10mm的情况下，对应的视场角为在全息三维显示模式下，全息图的衍射角度由空间光调制器的像素尺寸决定，假设使用照明光为波长532nm的绿光，则衍射角度为当实现出瞳为10mm的情况下，对应的视场角为：即在上述参数调节下，可实现出瞳尺寸为10mm，普通投影模式下视场角为45.56°，全息三维显示模式下视场角为12.21°的近眼AR混合三维显示。

当使用固定的三片式AR镜片时，其焦距固定，在成像过程中，普通投影模式具有较大的出瞳和视场角，而全息三维显示模式具有较小的出瞳和视场角的显示。当人的眼球位于全息三维显示模式下的出瞳位置时，可时序看到真三维全息显示的图像和普通投影的图像，当人的眼球位于全息三维显示模式的出瞳外时，仅可看到普通投影显示的图像。普通投影模式和全息三维显示模式时序进行时，通过人眼的时间暂留效应实现近眼AR混合三维显示。

实施例2

如图2所示，实施例2的光路系统与实施例1基本相同，区别在于在实施例2中，在三片式AR目镜前方放置液晶透镜212，液晶透镜212受控于计算机，其焦距可调节，液晶透镜212与三片式AR目镜组合为一个焦距可调的目镜系统。

液晶透镜212仅工作在两个模式下，即无光焦度模式和有光焦度模式。无光焦度模式下，液晶透镜212相当于光学平板，对成像不起作用，成像的功能由三片式AR镜片决定，此时通过全息图衍射成像；有光焦度的模式下，液晶透镜212与三片式AR镜片系统构成一个更短焦距的目镜，对普通投影模式的图像进行成像，可满足全息三维显示模式和投影模式下的出瞳尺寸相同的大视场时序近眼AR混合三维显示，增强用户的临场感，同时，人的眼球在出瞳区域内总是能够时序的看到位于视场中心较小区域内的真三维显示图像和大视场的双目视差三维图像。

在图2中，仅给出用于单目显示的光路，双目的显示光路为两套所述光路，分别为左眼和右眼提供虚拟三维图像。左右眼光路相同，为轴对称结构，无需对另一个光路进行额外描述。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，包括：

光源模块，为空间光调制器提供照明光；

聚合物分散液晶板，受控于计算机，处于散射态或透明态，处于散射态时将平面照明光散射成散射光，处于透明态时使平面照明光不受干扰地透过；

空间光调制器，通过计算机载入双目视差投影图像或双目视差全息图像，对透过聚合物分散液晶板的照明光进行调制，发出调制光场；

滤波模块，对调制光场进行滤波，消除干扰；

目镜模块，对滤波后的调制光场进行成像并投向人眼；

计算机，控制聚合物分散液晶板、空间光调制器以及滤波模块，使混合近眼AR三维显示系统时序交叉地工作于普通投影模式和全息三维显示模式；

处于普通投影模式时，聚合物分散液晶板处于散射态，将平面照明光散射成散射光，计算机向空间光调制器载入双目视差投影图像，对散射光进行调制，滤波模块对调制后的散射光场进行滤波，在目镜模块中成双目视差三维图像；

处于全息三维显示模式时，聚合物分散液晶板处于透明态，计算机向空间光调制器载入双目视差全息图像，对平面光进行调制，滤波模块对调制后的衍射光场进行滤波，在目镜模块中成全息三维图像；

外界环境光不受干扰地透过目镜模块进入人眼。

2.根据权利要求1所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，所述的光源模块为单色光源或三色光源；

所述的三色光源包括R、G、B光源，受控于计算机，通过快速分时点亮R、G、B光源，实现彩色照明。

3.根据权利要求2所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，所述的光源为LED光源或激光光源。

4.根据权利要求1所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，所述的空间调制器为振幅型空间调制器。

5.根据权利要求4所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，所述的空间调制器为振幅型反射式LCOS、DMD或透射式LCD。

6.根据权利要求1所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，所述的滤波模块包括液晶光阀和4f光学系统；

所述的液晶光阀位于4f光学系统的焦平面上；

所述的液晶光阀为具有像素结构的液晶光阀，受控于计算机，通过计算机控制器光阀开口的尺寸和位置，对空间光调制器调制后的光场进行滤波，消除干扰。

7.根据权利要求1～6任一项所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，所述的混合近眼AR三维显示系统还包括变焦透镜，通过计算机控制其焦距，对滤波后的调制光场进行变焦。

8.根据权利要求7所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，所述的变焦透镜工作于有光焦度模式和无光焦度模式；

所述的混合近眼AR三维显示系统工作于普通投影模式时，变焦透镜处于有光焦度模式；

所述的混合近眼AR三维显示系统工作于全息三维显示模式时，变焦透镜处于无光焦度模式。

9.根据权利要求1所述的混合近眼AR三维显示系统，其特征在于，计算机控制混合近眼AR三维显示系统时序交叉地工作于普通投影模式和全息三维显示模式；所述混合近眼AR三维显示系统的显示频率为50Hz以上。