CN110494790A - 用于生成3d光场的设备和方法 - Google Patents

用于生成3d光场的设备和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110494790A
CN110494790A CN201780089468.4A CN201780089468A CN110494790A CN 110494790 A CN110494790 A CN 110494790A CN 201780089468 A CN201780089468 A CN 201780089468A CN 110494790 A CN110494790 A CN 110494790A
Authority
CN
China
Prior art keywords
image
lens
light
equipment
forming component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780089468.4A
Other languages
English (en)
Inventor
贾甲
陈政锡
初大平
张清
林涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Cambridge Enterprise Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Cambridge Enterprise Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd, Cambridge Enterprise Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Publication of CN110494790A publication Critical patent/CN110494790A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/25—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type using polarisation techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems
    • G02B2027/0134—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems of stereoscopic type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0179—Display position adjusting means not related to the information to be displayed
    • G02B2027/0185—Displaying image at variable distance
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/52—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels the 3D volume being constructed from a stack or sequence of 2D planes, e.g. depth sampling systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/54—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels the 3D volume being generated by moving a 2D surface, e.g. by vibrating or rotating the 2D surface
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G02F1/13355—Polarising beam splitters [PBS]

Abstract

本发明提供了一种用于生成3D光场(600)的设备(100)。所述设备(100)包括具有固定焦距的第一透镜(101)以及用于将光射入所述第一透镜(101)的成像元件(102)。所述成像元件(102)用于从所述第一透镜(101)的光轴(104)上的限定距离(103)内的不同位置发出所述光，以便在帧持续期内产生所述3D光场(600)的不同深度层(601)。

Description

用于生成3D光场的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于生成3D光场的设备和方法。具体而言，该设备和方法可以用于在帧持续期内产生3D光场的不同深度层。本发明的设备可以包含在头戴式显示(HeadMount Display，HMD)设备中或者可以是HMD设备。
背景技术
图7示出了用于生成3D光场的传统设备。设备700包括可调透镜701，其布置在由图像源702提供的固定图像前面。可调透镜701的焦距与图像源702上显示的图像的内容同步变化。因此，设备的用户可以看到不同的虚拟图像(例如图7中的虚拟图像1和2)，其中这些虚拟图像被感知为不同的焦平面。如图6所示，每个虚拟图像相应地表示所生成的3D光场的一个不同深度层601。
用于生成3D光场的传统设备的一个主要缺点在于，不同焦平面的视场(Field ofView，FOV)是不同的。这导致3D光场的不同深度层的角分辨率也不同。
发明内容
鉴于上述缺点，本发明旨在改进用于生成3D光场的传统设备。本发明的具体目的是生成3D光场，其中FOV对于所述3D光场的每个深度层(焦平面)是恒定的。
本发明的目的通过所附独立权利要求中提供的方案实现。本发明的有利实施方式在各个从属权利要求中进一步定义。
本发明的主要思想是用固定焦距透镜代替传统设备的可调透镜，同时用活动图像代替固定图像。值得注意的是，这个活动图像可以是物理图像，也可以是虚拟图像，并且可以相应地由不同成像元件生成。
本发明的第一方面提供了一种用于生成3D光场的设备，包括具有固定焦距的第一透镜以及用于将光射入所述第一透镜的成像元件，其中所述成像元件用于从所述第一透镜的光轴上的限定距离内的不同位置发出所述光，以便在帧持续期内产生所述3D光场的不同深度层。
使用第一方面的设备可以生成包括不同深度层的3D光场，其中每个深度层的FOV是相同的。具体而言，该设备控制成像元件从哪个位置将光射入第一透镜，以产生不同的深度层。光轴上的每个不同位置优选地对应于不同深度层中的一个。这些不同位置可通过将成像元件移动到这些位置，或者通过在这些位置启用/禁用成像元件的组件来设定，如下文将更详细地描述的那样。受控移动或启用/禁用的频率称为扫描频率。沿着光轴的限定距离确定了3D光场的深度范围，其中该限定距离表示例如成像元件在移动时的行进范围。3D光场的深度范围是最近深度层和最远深度层相对于用户眼睛之间的距离。实现较大限定距离和较高扫描频率的设备可以产生具有视频帧率的较大深度范围。
在所述第一方面的一种实施形式中，所述成像元件是液晶装置，包括排列在所述不同位置的多个液晶层，每个所述液晶层都配置为根据预定义的顺序启用或禁用。
这种实施形式的优点在于，成像元件的组件(液晶层)的启用/禁用可以非常快速地执行，即，频率高于30Hz，甚至高于100Hz。因此，可以快速改变成像元件将光射入第一透镜的位置，从而实现较高的扫描频率。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述成像元件用于沿着所述第一透镜的所述光轴向前或向后移动所述限定距离。
这种实施形式可以使用相对简单和便宜的组件来实现，如下文说明的图像源或镜子。
具体而言，成像元件沿着光轴移动限定距离，以便从限定距离内的不同位置发出光。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述设备还包括平移台，所述成像元件安装在所述平移台上，所述平移台用于将所述成像元件沿着所述第一透镜的所述光轴向前和向后移动所述限定距离。
平移台也称为“z扫描仪”，其易于控制且精度高。此外，配置为使用至少30Hz、最高达100Hz的高移动频率的平移台可商购。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述成像元件是图像源，具体是显示设备。
图像源生成物理图像，该物理图像沿着第一透镜轴向前和向后移动。从光学角度看，这种实施形式最简单。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述成像元件是用于将来自图像源的光反射到所述第一透镜的镜子。
通过移动镜子，由镜子反射到第一透镜的中间图像沿着第一透镜轴向前和向后移动。这种实施形式的优点在于不必以高频率移动图像源。例如，液晶显示器(liquidcrystal display，LCD)或类似的图像源可能不方便移动。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述设备还包括第二透镜，用于将来自所述图像源的图像改变为所述镜子与所述第一透镜之间的中间图像，其中所述中间图像与所述第一透镜之间的距离优选地小于所述第一透镜的所述焦距。
该中间图像是可通过分别移动镜子来沿第一透镜的光轴向前和向后移动的中间图像。由于存在中间图像，用户在使用设备时会将中间图像的虚拟图像感知为中间图像的不同深度层。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述设备还包括：偏振片，其布置在所述图像源与所述第二透镜之间，以使来自所述图像源的所述光偏振；以及偏振分束器(polarizingbeam splitter，PBS)，用于将来自所述图像源的所述偏振光反射到所述镜子上。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述设备还包括四分之一波片，其布置在所述PBS与所述镜子之间，以允许从所述镜子反射的光通过所述PBS进入所述第一透镜。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述设备还包括导光板，用于重定向射入所述第一透镜并通过所述第一透镜传输的所述光，以便使所述射入并传输的光与环境光重叠。
这样，本发明的设备可以用作增强现实设备，并且易于用作HMD设备。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述成像元件用于以与所述图像源的刷新频率相等的步进频率以及与两个相邻深度层之间的距离相对应的步进长度来逐步移动所述限定距离。
在这种实施形式中，成像元件通过连续步进动作来移动，即，移动、停止、移动、停止，等等。图像源的刷新频率限定了每个深度层的显示时间。也就是说，每次生成深度层图像后，都会刷新图像源。步进频率必须足够高，以支持帧持续期内的所有深度层。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述成像元件用于以与所述图像源的帧率相等的频率连续向前和向后移动所述限定距离。
在这种情况下，成像元件不停地向前和向后移动。可以在时域内或者按成像元件的位置生成触发信号，以便控制图像源根据成像元件的位置显示深度层图像。帧率对应于图像源显示整个3D图像(包括所有深度层图像)的刷新频率。
限定距离(行进范围)是成像元件的最大移动距离。因此，用户感知一个深度范围，在该深度范围内，所生成的深度层可以精确地聚焦到用户眼睛的视网膜上。深度范围是行进范围乘以该设备的光学系统的放大系数的平方。该放大系数取决于第一透镜。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述设备还包括目镜，用于显示所生成的3D光场，其中所述第一透镜与所述目镜之间的距离等于所述第一透镜的所述焦距。
这样可以准确地设置每个深度层的公共FOV。
在所述第一方面的另一实施形式中，所述设备是头戴式显示(head mountdisplay，HMD)设备。
本发明的第二方面提供了一种用于生成3D光场的方法，包括将来自成像元件的光射入具有固定焦距的第一透镜，其中所述成像元件从所述第一透镜的光轴上的限定距离内的不同位置发出所述光，以便在帧持续期内产生所述3D光场的不同深度层。
在所述第二方面的一种实施形式中，所述方法包括：将所述成像元件沿着所述第一透镜的所述光轴向前和向后移动所述限定距离，以便从所述不同位置发出所述光。
在如上所述第二方面的一种实施形式中，所述方法还包括：使用镜子将来自图像源的光反射到所述第一透镜，其中将来自所述图像源的图像改变为所述镜子与所述第一透镜之间的中间图像，所述中间图像具体是位于所述第一透镜前面；以及将所述镜子沿着所述第一透镜的所述光轴向前和向后移动所述限定距离，以便移动所述中间图像。
在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法还包括：使用第二透镜将来自所述图像源的图像改变为所述镜子与所述第一透镜之间的中间图像，其中所述中间图像与所述第一透镜之间的距离优选地小于所述第一透镜的所述焦距。
在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法还包括：使用所述图像源与所述第二透镜之间的偏振片来使得来自所述图像源的所述光偏振；以及使用PBS将来自所述图像源的所述偏振光反射到所述镜子上。
在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法还包括：在所述PBS与所述镜子之间布置四分之一波片，以允许从所述镜子反射的光通过所述PBS进入所述第一透镜。
在如上所述第二方面的另一实施形式中，所述成像元件是图像源，具体是显示设备。
在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法还包括：使用导光板来重定向射入所述第一透镜并通过所述第一透镜传输的所述光，以便使所述射入并传输的光与环境光重叠。
在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法包括：以与所述图像源的刷新频率相等的步进频率以及与两个相邻深度层之间的距离相对应的步进长度将所述成像元件一步一步地移动所述限定距离。
在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法包括：以与所述图像源的帧率相等的频率将所述成像元件连续向前和向后移动所述限定距离。
在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法还包括：使用目镜来显示所生成的3D光场，其中所述第一透镜与所述目镜之间的距离等于所述第一透镜的所述焦距。
所述第二方面的所述方法及其实施形式实现了所述第一方面的所述设备及其相应实施形式的上述所有优点。
须注意，本申请中描述的所有设备、元件、单元和构件都可以以软件或硬件元件或其任何类型的组合来实现。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤没有在执行特定步骤或功能的该实体的具体元件的描述中反映，但是技术人员应该清楚的是这些方法和功能可以在各自的硬件或软件元件或其任意组合中实现。
附图说明
结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：
图1示出了根据本发明一实施例的设备。
图2示出了根据本发明一实施例的设备。
图3示出了根据本发明一实施例的设备。
图4示出了根据本发明一实施例的设备。
图5示出了根据本发明一实施例的方法。
图6示出了具有不同深度层的3D光场。
图7示出了传统设备。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一实施例的设备100。设备100用于生成具有不同深度层601的3D光场，例如，如图6所示。这些不同深度层601是用户感知的不同焦平面，从而传达出3D图像的效果。
具体来说，设备100包括具有固定焦距的第一透镜101，这与图7所示传统设备700的可调透镜701的可变焦距相反。此外，设备100包括用于将光射入第一透镜101的成像元件102。与图7所示传统设备700的固定图像源702相反，设备100的成像元件102用于从第一透镜101的光轴104上的限定距离103内的不同位置发出光，以便在帧持续期内产生3D光场的不同深度层(601)。
例如，可使用液晶装置作为成像元件。具体地，该液晶装置包括多个液晶层，它们排列在第一透镜101的光轴上的限定距离103内的不同位置。每个液晶层都配置为根据预定义的顺序启用或禁用。如果某个液晶层被启用，则其用于将来自图像源的光反射到第一透镜。如果某个液晶层被禁用，则其不反射光。优选地，被启用的液晶层对其液晶进行定向，以便反射来自图像源的光。优选地，仅同时启用一个液晶层。具体地，可控制每个液晶层，使其在预定义的时间并在第一透镜101的光轴104上的限定距离内的限定位置处反射来自图像源的图像。
或者，成像元件102可以是可移动的，即，其可用于沿着第一透镜101的光轴向前或向后移动限定距离103，以便将光从不同位置射入第一透镜101。也就是说，成像元件102从限定距离内的一个位置移动到另一个位置，并且从这些位置中的每一个位置反射光。具体地，移动成像元件102是为了在帧持续期内产生3D光场的不同深度层601。优选地，成像元件102的移动可受到安装有成像元件102的平移台的影响，该平移台用于沿着第一透镜101的光轴104向前和向后移动。
图2示出了根据本发明一实施例的设备100，该设备基于图1所示的设备100的实施例。在图2的设备100中，成像元件102具体是图像源202，特别是LCD等显示设备。图像源202用于以固定焦距在第一透镜101前面移动，以便生成设备用户通过第一透镜101看到的虚拟图像(在图2中，与图像源的位置相对应的虚拟图像1更靠近透镜101，与图像源202的位置相对应的虚拟图像2远离透镜101)。用户将这些虚拟图像感知为不同的焦平面，即，感知为构成3D光场的不同深度层601。
为了使图像源202移动得足够快，即，频率为30Hz或更高，优选地甚至达到100Hz的频率，则可优选采用线性平移台。在这种情况下，图像源202优选地安装在平移台上，并且由平移台以足够高的频率相应地向前和向后拖动以产生3D视频。
图像源202的行进范围和扫描频率由设备100控制。因此，可以快速且精确地移动图像源202，以便产生3D光场的不同深度层601。
在例如图2和图7中指示的FOVθ满足以下方程式：
在以上方程式中(如图2和图7所示)，ho表示图像源的高度，hi表示虚拟图像的高度，di表示虚拟图像到图像源202的距离，do表示图像源202与第一透镜101之间的距离，f是焦距，de是适眼距，优选地设置为f。
如果现在改变了焦距f，那么，为了比如在传统设备700中产生不同的感知深度层601，FOVθ也改变，如图7中所指示的。然而，在设备100中，第一透镜101具有固定焦距f，而距离do通过移动图像源202来改变，以便产生不同的感知深度层601。在这种情况下，FOVθ与距离do无关，并且满足以下方程式：
因此，与传统设备700相反，图2的设备100实现了具有相同FOV的不同深度层601。
图3示出了本发明的另一实施例，其基于图1所示的设备100的实施例。在图3的实施例中，成像元件102是镜子302，用于将来自图像源301的光反射到第一透镜101。
第二透镜303优选地用于生成由镜子302反射的中间图像，即，将来自图像源301的图像改变为镜子302与第一透镜101之间的中间图像304，该中间图像具体是位于第一透镜101前面。第一透镜101放置在中间图像304前面，使得用户将虚拟图像(图3中的虚拟图像1和2)感知为3D光场的深度层601。当中间图像304移动时，用户眼睛看到的虚拟图像也将移动，从而生成不同焦平面(分别通过虚拟图像1和2指示)，用户会将这些焦平面感知为3D光场。
在图3的设备100中，移动镜子302，以便移动中间图像304，从而生成3D光场的不同深度层601。为此，优选地将镜子302安装在平移台上(如图2中的图像源202)。然而，图像源301是静态的。移动镜子302而不移动图像源301是有利的，因为可能有电缆连接到图2中的图像源202，使其移动不方便。另外，图像源202可能太大，无法以高频率精确移动。
在图3的设备100中，来自图像源301的光首先穿过优选安装的偏振片305，以便只选择具有所需偏振方向的光。在偏振片305之后，光穿过第二透镜303，以便将图像源301提供的图像聚焦到所需位置，即，聚焦到图3中的中间图像304所指示的位置。具体来说，第二透镜301用于将图像聚焦在距离处(图3中的虚线)，该距离等于第二透镜303与中间图像的平面之间的光路长度。
在穿过第二透镜302之后，优选地由PBS 306将光反射到可移动的镜子302(实线)，镜子302可安装在平移台上，使得在镜子302沿着第一透镜101的光轴104向前和向后移动时，中间图像304相应地移动。
因此，与传统设备700相反，图3的设备100实现了具有相同FOV的不同深度层601。图2和图3的设备100之间的不同之处在于，在图2的设备100中移动的是图像源202提供的物理图像，而在图3中移动的是由图像源301提供的图像改变而成的虚拟图像。
图4示出了根据本发明另一实施例的设备100，其基于图3所示的设备100的实施例。但是，这仅为示例性说明。也就是说，图4的设备100相比于图3的设备100所增加的特征也可以分别增加到图1和图2的设备100中。
具体而言，设备100中增加了导光板401。导光板401用于使设备100成为增强现实设备。导光板401具体用于将来自第一透镜101的光场转向用户眼睛，同时还可以看到物理世界的光。也就是说，导光板401用于重定向射入第一透镜101并通过第一透镜101传输的光，以便使所射入并传输的光与环境光重叠。导光板401的最简单的实施方式包括PBS，或者是PBS。但是，为了使导光板401的尺寸更小，还可以使用反射式衍射光栅。
图5示出了根据本发明一实施例的方法500。优选地，方法500由图1至图4之一所示的设备100实现。方法500包括步骤501，将来自成像元件102的光射入具有固定焦距的第一透镜101。成像元件102可以是液晶装置、图像源202或镜子302。方法500还包括步骤502，从第一透镜101的光轴上的限定距离103内的不同位置将光射入第一透镜101，以便在帧持续期内产生3D光场的不同深度层601。为此，可将成像元件102向前和向后移动限定距离103，以便从不同位置发出光。也就是说，成像元件102的位置整体上发生改变。或者，排列在限定距离103处的不同位置处的成像元件102的不同组件，例如液晶装置的液晶层，可根据某些预定义的顺序启用(激活)或禁用(去激活)，以便从不同位置发出光。也就是说，成像元件102的位置整体上保持不变，仅当前激活的组件的位置发生改变。
总而言之，本发明的主要思想是能够从不同位置发出光的成像元件102、202或302，其与具有固定焦距的第一透镜101相结合。成像元件102、202或302从不同位置发出光，从而产生3D光场的不同深度层601。例如，通过将图2中的图像源202移动到不同位置，物理图像在第一透镜102前面移动。通过将图3中的镜子302移动到不同位置，虚拟(中间)图像304在第一透镜101前面移动。通过激活和去激活液晶装置的液晶层，每个液晶层排列在一个不同位置，实现与可移动的镜子302相同的效果。在任何情况下，这都会使用户通过第一透镜101将虚拟图像感知为3D光场的不同深度层601。
在这两种移动情况下，成像元件102、202或302可安装在快速移动的平移台上，该平移台优选地仅线性移动，即，该平移台是线性平移台。这种最快的可商购平移台可以产生扫描频率，即，成像元件102、202或302的高达100Hz的移动频率。在使用液晶装置的情况下，可以通过切换当前启用的液晶层来实现更高的扫描频率。
在这两种移动情况下，成像元件102、202或302可逐步移动限定距离103。在这种情况下，移动的步进频率应等于图像源202或301的刷新频率，并且移动应以与所产生的3D光场的两个相邻深度层601之间的距离相对应的步进长度来执行。或者，成像元件102、202或302可不断移动限定距离103。在这种情况下，移动的(前向/后向)频率应等于图像源202或301的帧率。
已经结合作为实例的不同实施例以及实施方案描述了本发明。但本领域技术人员通过实践所请发明，研究附图、本公开以及独立权项，能够理解并获得其它变体。在权利要求以及描述中，术语“包括”不排除其它元件或步骤，且“一个”并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实，并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。

Claims (17)

1.一种用于生成3D光场的设备(100)，其特征在于，包括：
具有固定焦距的第一透镜(101)；以及
用于将光射入所述第一透镜(101)的成像元件(102)，
其中所述成像元件(102)用于从所述第一透镜(101)的光轴(104)上的限定距离(103)内的不同位置发出所述光，以便在帧持续期内产生所述3D光场的不同深度层(601)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述成像元件(102)是液晶装置，包括排列在所述不同位置的多个液晶层；以及
每个所述液晶层都配置为根据预定义的顺序启用或禁用。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述成像元件用于沿着所述第一透镜(101)的所述光轴(104)向前或向后移动所述限定距离(103)。
4.根据权利要求3所述的设备(100)，其特征在于，还包括：
还包括平移台，所述成像元件(102)安装在所述平移台上，所述平移台用于将所述成像元件(102)沿着所述第一透镜(101)的所述光轴(104)向前和向后移动所述限定距离(103)。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于：
所述成像元件(102)是图像源(202)，具体是显示设备。
6.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于：
所述成像元件(102)是用于将来自图像源(301)的光反射到所述第一透镜(101)的镜子(302)。
7.根据权利要求6所述的设备(100)，其特征在于，还包括：
第二透镜(303)，用于将来自所述图像源(301)的图像改变为所述镜子(302)与所述第一透镜(101)之间的中间图像(304)，其中所述中间图像(304)与所述第一透镜(101)之间的距离优选地小于所述第一透镜(101)的所述焦距。
8.根据权利要求6或7所述的设备(100)，其特征在于，还包括：
偏振片(305)，其布置在所述图像源(301)与所述第二透镜(303)之间，以使来自所述图像源(301)的所述光偏振；以及
偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)(306)，用于将来自所述图像源(301)的所述偏振光反射到所述镜子(302)上。
9.根据权利要求8所述的设备(100)，其特征在于，还包括：
四分之一波片(307)，其布置在所述PBS(306)与所述镜子(302)之间，以允许从所述镜子(302)反射的光通过所述PBS(306)进入所述第一透镜(101)。
10.根据权利要求1至9之一所述的设备(100)，其特征在于，还包括：
导光板(401)，用于重定向射入所述第一透镜(101)并通过所述第一透镜(101)传输的所述光，以便使所述射入并传输的光与环境光重叠。
11.根据权利要求5至10之一所述的设备(100)，其特征在于：
所述成像元件(202、302)用于以与所述图像源(202、301)的刷新频率相等的步进频率以及与两个相邻深度层之间的距离相对应的步进长度来逐步移动所述限定距离(103)。
12.根据权利要求5至10之一所述的设备(100)，其特征在于：
所述成像元件(202、302)用于以与所述图像源(202、301)的帧率相等的频率连续向前和向后移动所述限定距离(103)。
13.根据权利要求1至12之一所述的设备(100)，其特征在于，还包括：
目镜(201)，用于显示所生成的3D光场，
其中所述第一透镜(101)与所述目镜(201)之间的距离等于所述第一透镜(101)的所述焦距。
14.根据权利要求1至13之一所述的设备(100)，其特征在于，所述设备(100)是头戴式显示(head mount display，HMD)设备。
15.一种用于生成3D光场的方法(500)，其特征在于，包括：
将来自成像元件(102)的光射入(501)具有固定焦距的第一透镜(101)，
其中(502)所述成像元件(102)从所述第一透镜(101)的光轴(104)上的限定距离(103)内的不同位置发出所述光，以便在帧持续期内产生所述3D光场的不同深度层(601)。
16.根据权利要求15所述的方法(500)，其特征在于，包括：
将所述成像元件沿着所述第一透镜(101)的所述光轴(104)向前和向后移动所述限定距离(103)，以便从所述不同位置发出所述光。
17.根据权利要求16所述的方法(500)，其特征在于，包括：
使用镜子(302)将来自图像源(301)的光反射到所述第一透镜(101)，其中将来自所述图像源(301)的图像改变为所述镜子(302)与所述第一透镜(101)之间的中间图像(304)，所述中间图像(304)具体是位于所述第一透镜(101)前面；以及
将所述镜子(302)沿着所述第一透镜(101)的所述光轴(104)向前和向后移动所述限定距离(103)，以便移动所述中间图像(304)。
CN201780089468.4A 2017-04-26 2017-04-26 用于生成3d光场的设备和方法 Pending CN110494790A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2017/059956 WO2018196968A1 (en) 2017-04-26 2017-04-26 Device and method for generating a 3d light field

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110494790A true CN110494790A (zh) 2019-11-22

Family

ID=58632423

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780089468.4A Pending CN110494790A (zh) 2017-04-26 2017-04-26 用于生成3d光场的设备和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11409118B2 (zh)
EP (1) EP3610317A1 (zh)
CN (1) CN110494790A (zh)
WO (1) WO2018196968A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111240036A (zh) * 2020-03-31 2020-06-05 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 纵深扫描裸眼三维显示方法
CN111240037A (zh) * 2020-03-31 2020-06-05 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 反射变焦扫描裸眼三维显示方法
CN111458898A (zh) * 2020-03-31 2020-07-28 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 三维立体有机发光集成电路及成像方法
CN111830714A (zh) * 2020-07-24 2020-10-27 闪耀现实(无锡)科技有限公司 图像显示控制方法、图像显示控制装置及头戴式显示设备
CN114002869A (zh) * 2021-12-30 2022-02-01 南昌虚拟现实研究院股份有限公司 应用在虚拟现实显示中的光学调整系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4001995A4 (en) * 2019-07-18 2023-11-29 Samsung Electronics Co., Ltd. IMAGE DISPLAY DEVICE FOR EXPRESSING MULTIPLE DEPTHS
KR20210052091A (ko) 2019-10-31 2021-05-10 삼성전자주식회사 다중 깊이 표현이 가능한 디스플레이 장치
CN111447433A (zh) * 2020-03-24 2020-07-24 京东方科技集团股份有限公司 显示装置、数据生成装置及方法、显示系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999008145A1 (en) * 1997-08-07 1999-02-18 Isis Innovation Limited Three dimensional image display
WO2003079272A1 (en) * 2002-03-15 2003-09-25 University Of Washington Materials and methods for simulating focal shifts in viewers using large depth of focus displays
CN102685533A (zh) * 2006-06-23 2012-09-19 图象公司 对2d电影进行转换用于立体3d显示的方法和系统
US20140267941A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Valve Corporation Method and system to control the focus depth of projected images
CN105103032A (zh) * 2013-03-26 2015-11-25 鲁索空间工程项目有限公司 显示装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9565340B2 (en) 2005-09-02 2017-02-07 Angstrom, Inc. Automatic focusing by mirror translation
KR102177133B1 (ko) 2014-01-31 2020-11-10 매직 립, 인코포레이티드 멀티-포컬 디스플레이 시스템 및 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999008145A1 (en) * 1997-08-07 1999-02-18 Isis Innovation Limited Three dimensional image display
WO2003079272A1 (en) * 2002-03-15 2003-09-25 University Of Washington Materials and methods for simulating focal shifts in viewers using large depth of focus displays
CN102685533A (zh) * 2006-06-23 2012-09-19 图象公司 对2d电影进行转换用于立体3d显示的方法和系统
US20140267941A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Valve Corporation Method and system to control the focus depth of projected images
CN105103032A (zh) * 2013-03-26 2015-11-25 鲁索空间工程项目有限公司 显示装置

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111240036A (zh) * 2020-03-31 2020-06-05 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 纵深扫描裸眼三维显示方法
CN111240037A (zh) * 2020-03-31 2020-06-05 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 反射变焦扫描裸眼三维显示方法
CN111458898A (zh) * 2020-03-31 2020-07-28 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 三维立体有机发光集成电路及成像方法
CN111240037B (zh) * 2020-03-31 2022-03-01 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 反射变焦扫描裸眼三维显示方法
CN111240036B (zh) * 2020-03-31 2022-03-01 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 纵深扫描裸眼三维显示方法
CN111458898B (zh) * 2020-03-31 2022-05-17 吉林省广播电视研究所(吉林省广播电视局科技信息中心) 三维立体有机发光集成电路及成像方法
CN111830714A (zh) * 2020-07-24 2020-10-27 闪耀现实(无锡)科技有限公司 图像显示控制方法、图像显示控制装置及头戴式显示设备
US11889050B2 (en) 2020-07-24 2024-01-30 Matrixed Reality Technology Co., Ltd. Image display control method, image display control apparatus, and head-mounted display device
CN111830714B (zh) * 2020-07-24 2024-03-29 闪耀现实(无锡)科技有限公司 图像显示控制方法、图像显示控制装置及头戴式显示设备
CN114002869A (zh) * 2021-12-30 2022-02-01 南昌虚拟现实研究院股份有限公司 应用在虚拟现实显示中的光学调整系统
CN114002869B (zh) * 2021-12-30 2022-03-22 南昌虚拟现实研究院股份有限公司 应用在虚拟现实显示中的光学调整系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3610317A1 (en) 2020-02-19
US20200057312A1 (en) 2020-02-20
US11409118B2 (en) 2022-08-09
WO2018196968A1 (en) 2018-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110494790A (zh) 用于生成3d光场的设备和方法
CN112074769B (zh) 用C板改善复消色差Pancharatnam-Berry相位部件的角度性能
US10591989B2 (en) Waveguide display with spatially switchable grating
US11112613B2 (en) Integrated augmented reality head-mounted display for pupil steering
JP6018579B2 (ja) シースルー・ディスプレイのための好ましい視覚的適応
CN109997070B (zh) 包括调制叠层的近眼显示系统
JP7366450B2 (ja) ライトフィールド表示システム
US11294184B2 (en) Foveated display system
US10598941B1 (en) Dynamic control of optical axis location in head-mounted displays
JP6963506B2 (ja) 表示システムおよび表示方法
CN111045213B (zh) 一种光场显示装置及其显示方法
Schowengerdt et al. 47.4: Invited Paper: 3D Displays using Scanning Laser Projection
US10989926B1 (en) Polarization-selective diffusive combiner and near-eye display based thereon
EP4088154A1 (en) Switchable pancharatnam-berry phase grating stack
CN114270253A (zh) 磁场驱动的液晶图案化控制系统
US11122256B1 (en) Mixed reality system
KR20110029619A (ko) 3차원 디스플레이 장치
TW202407420A (zh) 用於反射式顯示面板之基於光導的照明器
US11448803B1 (en) Pancake lens including diffuser
Wang Different multi-focal-plane method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20191122

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication