CN110376739B - 一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统 - Google Patents

一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，将图像分成视觉中心区域和外部区域，视觉中心区域用全息三维显示，外部区域用平面二维显示，基于光偏振方向使用偏振分束器合成全息显示图像和平面显示图像，使用带孔的偏振片对全息滤波，实现紧凑型装置。对比目前市面上主流的头戴显示装置，本装置基于全息原理，因此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，用户长期佩戴也不会出现晕眩等不适症状。对比全息显示装置，本装置的出瞳大，且计算速度快，装置大小紧凑。

Description

一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显 示系统
技术领域
本发明属于三维显示技术邻域，尤其涉及基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统。
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。其中基于全息近眼显示受到广泛的关注。
我们知道，优秀的三维显示设备不仅可以为用户提供心理三维感，还可以提供物理三维感，包括聚焦，会聚，运动视差和双目视差。目前，市场上大多数主流的头戴式显示设备使用双目视差来形成伪3D显示，这导致用户视觉系统的聚焦和会聚冲突，并且可能长期佩戴感到不舒服。
目前用于解决头戴显示器聚焦辐辏冲突的装置有基于全息的近眼显示器。但是由于全息的原理，全息显示的出瞳很小，因此如果眼球转动全息像就会消失。此外由于计算全息的计算量很大，如果想得到分辨率很高的近眼显示，则无法做到实时高帧率的动态显示。
因此，增大出瞳和降低计算时间是全息近眼显示领域亟待解决的一个课题。
发明内容
本发明的目的是为解决全息近眼显示器出瞳小和计算时间长的问题，而设计的一种全息平面混合近眼显示系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统的实现方式一，该系统包括：眼球跟踪单元、点光源、准直透镜、偏振片、相位型空间光调制器、四分之一波片、偏振分束器、平面显示器、面光源、透镜、带孔的偏振片和目镜。
所述眼球跟踪单元用于跟踪视觉中心的方向，根据视觉中心的方向把待显示图像分成视觉中心区域和视觉外部区域，全息显示的图像视觉中心区域为通过待显示图像的视觉中心区域全息计算得到的全息图，视觉外部区域的灰度值设为0，得到的图像用相位型空间光调制器显示；平面显示的图像只有视觉外部区域显示和待显示图像一样，视觉中心区域的灰度值设为0，得到的图像用平面显示器显示。
所述点光源发出的光经准直透镜变成平行光，经偏振片变成线偏振光，经偏振分束器反射后第一次入射四分之一波片，经过四分之一波片变成圆偏振光，经过相位型空间光调制器调制后得到全息再现像，全息光第二次入射四分之一波片变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器透射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器滤波，最后经过目镜形成第一虚像；所述带孔的偏振片的透振方向与全息光的偏振方向垂直。
所述面光源发出的光经平面显示器得到平面像，经偏振分束器反射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器，最后经过目镜形成第二虚像。
所述由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器只对全息显示滤波。
第一虚像和第二虚像构成待显示图像。
进一步地，所述点光源用于全息照明，采用激光光源或LED光源；所述面光源用于平面显示器的照明。
进一步地，所述平面显示器采用LCD或OLED显示器，采用OLED时不需要面光源。
进一步地，所述相位型空间光调制器与平面显示器显示的像的区域能够重叠；所述相位型空间光调制器倾斜离轴角，实现离轴全息。
进一步地，控制目镜的位置和焦距，使得将光线汇聚于眼球的中点位置。
一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统的实现方式二，该系统包括：眼球跟踪单元、点光源、准直透镜、偏振片、相位型空间光调制器、第一四分之一波片、第一偏振分束器、平面显示器、面光源、透镜、带孔的偏振片、目镜、第二偏振分束器和第二四分之一波片。
所述眼球跟踪单元用于跟踪视觉中心的方向，根据视觉中心的方向把待显示图像分成视觉中心区域和视觉外部区域，全息显示的图像视觉中心区域为通过待显示图像的视觉中心区域全息计算得到的全息图，视觉外部区域的灰度值设为0，得到的图像用相位型空间光调制显示；平面显示的图像只有视觉外部区域显示和待显示图像一样，视觉中心区域的灰度值设为0，得到的图像用平面显示器显示。
所述点光源发出的光经准直透镜变成平行光，经第二偏振分束器反射后到达第一偏振分束器，经第一偏振分束器反射后第一次入射第一四分之一波片，经过第一四分之一波片变成圆偏振光，经过相位型空间光调制器调制后得到全息再现像，全息光第二次入射第一四分之一波片变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器透射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器滤波，最后经过目镜形成第一虚像；所述带孔的偏振片的透振方向与全息光的偏振方向垂直。
所述面光源发出的光经第二偏振分束器后经过第一偏振分束器，透射经过第二四分之一波片变成圆偏振光，经平面显示器反射得到平面像光，第二次入射第二四分之一波片变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器反射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器，最后经过目镜形成第二虚像。
所述由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器只对全息显示滤波。
第一虚像和第二虚像构成待显示图像。
进一步地，所述点光源用于全息照明，采用激光光源或LED光源；所述面光源用于平面显示器的照明。
进一步地，所述平面显示器采用反射式LCOS或DMD。
进一步地，所述相位型空间光调制器与平面显示器显示的像的区域能够重叠；所述相位型空间光调制器倾斜离轴角，实现离轴全息。
进一步地，控制目镜的位置和焦距，使得将光线汇聚于眼球的中点位置。
本发明的有益效果是：对比目前市面上主流的头戴显示装置，该装置基于全息原理，因此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，用户长期佩戴也不会出现晕眩等不适症状。对比全息显示装置，本装置的出瞳大，且计算速度快，装置大小紧凑。
附图说明
图1是本发明实施例的第一种装置示意图；
图2是本发明实施例的第二种装置示意图；
图3是本发明的原理说明图；
图中，点光源1、准直透镜2、偏振片3、相位型空间光调制器4、第一四分之一波片5、第一偏振分束器6、平面显示器7、面光源8、透镜9、带孔的偏振片10、目镜11、眼球12、第二偏振分束器13、第二四分之一波片14。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，由于人眼的视觉灵敏度在离视觉中心越远的位置越小，可以把图像分成视觉中心区域和外部区域，视觉中心区域用全息三维显示，外部区域用平面二维显示。
该系统包括：眼球跟踪单元、点光源1、准直透镜2、偏振片3、相位型空间光调制器4、第一四分之一波片5、第一偏振分束器6、平面显示器7、面光源8、透镜9、带孔的偏振片10和目镜11。
所述眼球跟踪单元用于跟踪视觉中心的方向，根据视觉中心的方向把待显示图像分成视觉中心区域和视觉外部区域，全息显示的图像视觉中心区域为通过待显示图像的视觉中心区域全息计算得到的全息图，视觉外部区域的灰度值设为0，得到的图像用相位型空间光调制器4显示；平面显示的图像只有视觉外部区域显示和待显示图像一样，视觉中心区域的灰度值设为0，得到的图像用平面显示器7显示。
所述点光源1发出的光经准直透镜2变成平行光，经偏振片3变成线偏振光，经第一偏振分束器6反射后第一次入射第一四分之一波片5，经过第一四分之一波片5变成圆偏振光，经过相位型空间光调制器4调制后得到全息再现像，全息光第二次入射第一四分之一波片5变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过第一偏振分束器6透射后，经过由透镜9和带孔的偏振片10组成的低通滤波器滤波，最后经过目镜11形成第一虚像；所述带孔的偏振片10的透振方向与全息光的偏振方向垂直。
所述面光源8发出的光经平面显示器7得到平面像，经第一偏振分束器6反射后，经过由透镜9和带孔的偏振片10组成的低通滤波器，最后经过目镜11形成第二虚像。
所述由透镜9和带孔的偏振片10组成的低通滤波器只对全息显示滤波。
第一虚像和第二虚像构成待显示图像。
所述点光源1用于全息照明，采用激光光源或LED光源；所述面光源8用于平面显示器的照明。
所述平面显示器7采用LCD或OLED显示器，采用OLED时不需要面光源8。
所述相位型空间光调制器4与平面显示器7显示的像的区域能够重叠；所述相位型空间光调制器4倾斜离轴角，实现离轴全息。
控制目镜11的位置和焦距，使得将光线汇聚于眼球12的中点位置而不是瞳孔位置，这样眼球转动到不同角度时仍然能看到全息像，解决全息显示出瞳太小的问题。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，由于人眼的视觉灵敏度在离视觉中心越远的位置越小，可以把图像分成视觉中心区域和外部区域，视觉中心区域用全息三维显示，外部区域用平面二维显示。
该系统包括：眼球跟踪单元、点光源1、准直透镜2、偏振片3、相位型空间光调制器4、第一四分之一波片5、第一偏振分束器6、平面显示器7、面光源8、透镜9、带孔的偏振片10、目镜11、第二偏振分束器13和第二四分之一波片14。
所述眼球跟踪单元用于跟踪视觉中心的方向，根据视觉中心的方向把待显示图像分成视觉中心区域和视觉外部区域，全息显示的图像视觉中心区域为通过待显示图像的视觉中心区域全息计算得到的全息图，视觉外部区域的灰度值设为0，得到的图像用相位型空间光调制器4显示；平面显示的图像只有视觉外部区域显示和待显示图像一样，视觉中心区域的灰度值设为0，得到的图像用平面显示器7显示。
所述点光源1发出的光经准直透镜2变成平行光，经第二偏振分束器13反射后到达第一偏振分束器6，经第一偏振分束器6反射后第一次入射第一四分之一波片5，经过第一四分之一波片5变成圆偏振光，经过相位型空间光调制器4调制后得到全息再现像，全息光第二次入射第一四分之一波片5变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器6透射后，经过由透镜9和带孔的偏振片10组成的低通滤波器滤波，最后经过目镜11形成第一虚像；所述带孔的偏振片10的透振方向与全息光的偏振方向垂直。
所述面光源8发出的光经第二偏振分束器13后经过第一偏振分束器6，透射经过第二四分之一波片14变成圆偏振光，经平面显示器7反射得到平面像光，第二次入射第二四分之一波片14变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器6反射后，经过由透镜9和带孔的偏振片10组成的低通滤波器，最后经过目镜11形成第二虚像。
所述由透镜9和带孔的偏振片10组成的低通滤波器只对全息显示滤波。
第一虚像和第二虚像构成待显示图像。
所述点光源1用于全息照明，采用激光光源或LED光源；所述面光源8用于平面显示器的照明。
所述平面显示器7采用反射式LCOS或DMD。
所述相位型空间光调制器4与平面显示器7显示的像的区域能够重叠；所述相位型空间光调制器4倾斜离轴角，实现离轴全息。
控制目镜11的位置和焦距，使得将光线汇聚于眼球12的中点位置而不是瞳孔位置，这样眼球转动到不同角度时仍然能看到全息像，解决全息显示出瞳太小的问题。
近眼显示系统中对眼球进行跟踪，检测到人眼方向后对于视觉中心区域进行全息显示，对于该区域的平面显示器只显示全黑的效果，外部区域用平面显示，不使用全息显示。当检测到人眼转动后，再改变中心区域，依次重复上述步骤。
如图3所示，15所示的区域是人眼目视前方时平面二维显示的像区域，16所示的蓝色区域是人眼目视前方时全息三维显示的像区域，17是从侧面看的整体像区域，18所示的三角形是全息显示像点的发散光区域，19所示的三角形是二维平面显示像点的发散光区域，20是目视前方的眼球，21所示的区域是人眼目视上方时全息三维显示的像区域，22是目视上方的眼球。由于全息显示的像点的发散角小，只有视觉中心区域的光能进入人眼瞳孔，当眼球目视前方时，只有中间的像点可以被眼睛看到，外部区域的像点的光会被瞳孔遮住。而平面显示的发散角大，人的眼球转动不同角度都能看到全部像点，所以全息显示中间区域如16所示，用平面显示来显示外部区域。当眼球视觉中心处于上方时，中间的像点被眼睛被瞳孔遮住，上部区域的像点能被眼睛看到，所以全息显示区域上移如21所示。
本发明全息平面混合近眼显示系统的主要特征如下：
1)近眼显示系统的目镜将光线汇聚于眼球的中点位置而不是瞳孔位置，这样眼球转动到不同角度时仍然能看到全息像，解决全息显示出瞳太小的问题。
2)近眼显示系统中对眼球进行跟踪，视觉中心区域使用全息三维显示。由于目镜将光线汇聚于眼球的中点位置会导致全息显示的视角变小，只能显示中心区域。所以使用平面显示来显示外部区域。
3)使用偏振分束器合成全息显示图像和平面显示图像。
4)使用带孔的偏振片作为滤波器中的光阑。由于全息显示的原理光路中必须加入滤波器，而平面显示为了保持大视角不能滤波，所以使用带孔的偏振片可以只对全息显示滤波。
5)在计算机算法中把原三维图像分为中心区域和外部区域，中心区域使用分层二维卷积全息计算算法，外部区域直接投影成二维图像。相对于纯全息计算算法大大减少计算量。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，该系统包括：眼球跟踪单元、点光源、准直透镜、偏振片、相位型空间光调制器、四分之一波片、偏振分束器、平面显示器、面光源、透镜、带孔的偏振片和目镜；
所述眼球跟踪单元用于跟踪视觉中心的方向，根据视觉中心的方向把待显示图像分成视觉中心区域和视觉外部区域，全息显示的图像视觉中心区域为通过待显示图像的视觉中心区域全息计算得到的全息图，视觉外部区域的灰度值设为0，得到的图像用相位型空间光调制器显示；平面显示的图像只有视觉外部区域显示和待显示图像一样，视觉中心区域的灰度值设为0，得到的图像用平面显示器显示；
所述点光源发出的光经准直透镜变成平行光，经偏振片变成线偏振光，经偏振分束器反射后第一次入射四分之一波片，经过四分之一波片变成圆偏振光，经过相位型空间光调制器调制后得到全息再现像，全息光第二次入射四分之一波片变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器透射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器滤波，控制目镜的位置和焦距，使得将光线汇聚于眼球的中点位置，最后经过目镜形成第一虚像；所述带孔的偏振片的透振方向与全息光的偏振方向垂直；
所述面光源发出的光经平面显示器得到平面像，经偏振分束器反射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器，最后经过目镜形成第二虚像；
第一虚像和第二虚像构成待显示图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，所述点光源用于全息照明，采用激光光源或LED光源；所述面光源用于平面显示器的照明。
3.根据权利要求1所述的一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，所述平面显示器采用LCD或OLED显示器，采用OLED时不需要面光源。
4.根据权利要求1所述的一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，所述相位型空间光调制器与平面显示器显示的像的区域能够重叠；所述相位型空间光调制器倾斜离轴角，实现离轴全息。
5.一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，该系统包括：眼球跟踪单元、点光源、准直透镜、偏振片、相位型空间光调制器、第一四分之一波片、第一偏振分束器、平面显示器、面光源、透镜、带孔的偏振片、目镜、第二偏振分束器和第二四分之一波片；
所述眼球跟踪单元用于跟踪视觉中心的方向，根据视觉中心的方向把待显示图像分成视觉中心区域和视觉外部区域，全息显示的图像视觉中心区域为通过待显示图像的视觉中心区域全息计算得到的全息图，视觉外部区域的灰度值设为0，得到的图像用相位型空间光调制显示；平面显示的图像只有视觉外部区域显示和待显示图像一样，视觉中心区域的灰度值设为0，得到的图像用平面显示器显示；
所述点光源发出的光经准直透镜变成平行光，经第二偏振分束器反射后到达第一偏振分束器，经第一偏振分束器反射后第一次入射第一四分之一波片，经过第一四分之一波片变成圆偏振光，经过相位型空间光调制器调制后得到全息再现像，全息光第二次入射第一四分之一波片变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器透射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器滤波，控制目镜的位置和焦距，使得将光线汇聚于眼球的中点位置，最后经过目镜形成第一虚像；所述带孔的偏振片的透振方向与全息光的偏振方向垂直；
所述面光源发出的光经第二偏振分束器后经过第一偏振分束器，透射经过第二四分之一波片变成圆偏振光，经平面显示器反射得到平面像光，第二次入射第二四分之一波片变成与第一次入射时方向偏转90度的线偏振光，再经过偏振分束器反射后，经过由透镜和带孔的偏振片组成的低通滤波器，最后经过目镜形成第二虚像；
第一虚像和第二虚像构成待显示图像。
6.根据权利要求5所述的一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，所述点光源用于全息照明，采用激光光源或LED光源；所述面光源用于平面显示器的照明。
7.根据权利要求5所述的一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，所述平面显示器采用反射式LCOS或数字微镜器件DMD。
8.根据权利要求5所述的一种基于光偏振方向大出瞳快速计算的全息平面混合近眼显示系统，其特征在于，所述相位型空间光调制器与平面显示器显示的像的区域能够重叠；所述相位型空间光调制器倾斜离轴角，实现离轴全息。
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