CN111175990A - 光场显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光场显示系统，包括：呈角度拼接的多个光场显示模组，每个光场显示模组包括显示屏和位于显示屏的出光侧的微透镜阵列；透镜组，包括与多个光场显示模组一一对应的拼接透镜，用于在光场显示模组远离拼接透镜的一侧、形成与多个光场显示模组一一对应的多个第一成像面，且所述多个第一成像面之间无缝拼接、以在远离所述多个光场显示模组的一侧形成无缝拼接的多个第二成像面，其中，所述第一成像面显示的是对应的所述光场显示模组的正立的虚像。

Description

光场显示系统

技术领域

本发明涉及光场显示技术领域，尤其涉及一种光场显示系统。

背景技术

近年来，随着3D技术的发展，VR显示技术得到了人们的广泛关注，但其缺点是有辐辏冲突问题(双眼立体视觉位置与单眼聚焦位置不匹配)，长时间观看会产生眩晕感。光场显示作为能解决人眼辐辏冲突问题的显示方案，在学术界的研究由来已久，但是在成像视场和远景成像清晰度方面，一直未能达到令人满意的效果。例如，利用微透镜实现光场显示的光学装置，由于单透镜的孔径限制和成像视场角的限制，使光场成像视场被限制在了±10°以内，并且随着成像深度的增加(光场像面到显示屏的距离)，成像清晰度逐渐降低。

解决成像视场问题，易于想到拼接显示屏的方法，但由于显示屏的边框限制，拼接后会在相邻两个显示屏的拼接处形成拼缝，从而在成像面形成一定大小的显示黑区。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光场显示系统，解决通过拼接显示屏的方法实现大视场光场显示时的拼缝问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光场显示系统，包括：

呈角度拼接的多个光场显示模组，每个光场显示模组包括显示屏和位于显示屏的出光侧的微透镜阵列；

透镜组，包括与所述多个光场显示模组一一对应的多个拼接透镜，被配置为在光场显示模组远离拼接透镜的一侧、形成与所述多个光场显示模组一一对应的多个第一成像面，且所述多个第一成像面之间无缝拼接、以在远离所述多个光场显示模组的一侧形成无缝拼接的多个第二成像面，其中，所述第一成像面显示的是对应的所述光场显示模组的正立的虚像。

可选的，所述第一成像面位于人眼的明视距离处。

可选的，所述拼接透镜为双凸球面透镜，或者平凸球面透镜。

可选的，每个所述第一成像面包括第一子成像面和第二子成像面，所述第一子成像面显示对应的所述显示屏的正立的虚像，所述第二子成像面显示对应的所述微透镜阵列的正立的虚像，所述第一子成像面位于所述第二子成像面显示的所述微透镜阵列的虚像的焦平面上，使得所述第一成像面显示的所述显示屏的虚像发出的光束形成入射人眼的准直光束。

可选的，多个光场显示模组拼接形成一曲面，该曲面的内凹面面向人眼。

可选的，所述第一子成像面与所述第二子成像面之间的实际距离nf₂′和显示屏与微透镜阵列之间的距离t之间的关系满足关系式：

其中，f₂′为等效空气层后所述第一子成像面到所述第二子成像面之间的距离，L₁为人眼到第二子成像面之间的距离，L₂为拼接透镜与微透镜之间的距离，L₃为人眼到拼接透镜之间的距离，n为微透镜的折射率，t为微透镜相对于显示屏的实际放置高度。

可选的，微透镜相对于显示屏的实际放置高度t、拼接透镜的焦距f₁、微透镜的焦距f₂可由以下公式获得：

根据凸透镜成像原理可获得以下公式：

其中，f₁为拼接透镜的焦距，f₂为微透镜的焦距，f₂′为等效空气层后所述第一子成像面到所述第二子成像面之间的距离，L₁为人眼到第二子成像面之间的距离，L₂为拼接透镜与微透镜之间的距离，L₃为人眼到拼接透镜之间的距离，n为微透镜的折射率，t为微透镜相对于显示屏的实际放置高度；

由几何关系可获得以下公式：

其中，Φ为人眼瞳孔直径，N为视点数量，p为显示屏上的像素间距，p′为第一子成像面显示的显示屏的虚像中的像素间距；

由公式(1)-(5)可获得：

其中，

b＝ΦL₂-npNL₁，c＝-(L₁-L₃)pNL₁；

且由公式(1)-(5)可获得：

可选的，所述微透镜的孔径D₂满足以下公式：

其中，ε为人眼的极限分辨角。

可选的，所述拼接透镜的孔径D₁满足以下公式：

其中，θ为单个所述拼接透镜所对应的视场角。

可选的，显示屏的宽度w满足以下公式：

本发明的有益效果是：多个拼接的光场显示模组经拼接透镜成像，光场显示模组的虚像是无缝拼接的，且光场显示模组的虚像可以等效为一个光场系统，在远离光场显示模组的一侧再次成像，所得的光场像面为一个大视场的可被单眼聚焦的无缝光场成像面，既可实现大视场单眼立体视觉显示(光场显示)，又可解决成像拼缝问题。

附图说明

图1表示相关技术中拼接显示屏成像状态示意图；

图2表示本发明实施例中光场显示模组成像状态示意图；

图3表示本发明实施例中第一成像面和第二成像面位置关系示意图；

图4表示本发明实施例中拼接透镜结构示意图；

图5表示本发明实施例中光路原理示意图；

图6表示本发明实施例中单眼接收显示屏上的像素的光线进入人眼的状态示意图一；

图7表示本发明实施例中单眼接收显示屏上的像素的光线进入人眼的状态示意图二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了实现大视场一般会采用拼接显示屏的方法，如图1所示，在拼接显示屏1的出光侧设置微透镜阵列2，形成成像面3，但由于显示屏1的边框限制，拼接后会在相邻两个显示屏的拼接处形成拼缝，从而在成像面3形成一定大小的显示黑区31。

针对上述技术问题，本实施例提供一种光场显示系统，包括：

呈角度拼接的多个光场显示模组2，每个光场显示模组2包括显示屏21和位于显示屏21的出光侧的微透镜阵列22；

透镜组，包括与所述多个光场显示模组2一一对应的多个拼接透镜1，用于在光场显示模组2远离拼接透镜1的一侧、形成与多个光场显示模组2一一对应的多个第一成像面3，且所述多个第一成像面3之间无缝拼接、以在远离所述多个光场显示模组2的一侧形成无缝拼接的多个第二成像面4，其中，所述第一成像面3显示的是对应的所述光场显示模组2的正立的虚像，参考图2-图5，所述第二成像面4位于所述第一成像面3远离所述光场显示模组2的一侧，即沿着远离人眼的方向依次设置透镜组1、光场显示模组2、第一成像面3和第二成像面4，且每个所述光场显示模组2包括沿着远离人眼的方向设置的微透镜阵列22和显示屏21。

多个拼接的光场显示模组2经拼接透镜1成像，形成的正立的虚像是无缝拼接的，光场显示模组2的虚像可以等效为一个光场系统，在远离光场显示模组2的一侧再次成像，所得的光场像面为一个大视场的可被单眼聚焦的无缝光场成像面，既可实现大视场单眼立体视觉显示(光场显示)，又可解决成像拼缝问题。

本实施例中，所述第一成像面3位于人眼的明视距离处。

明视距离就是在合适的照明条件下，眼睛最方便、最习惯的工作距离。最适合正常人眼观察近处较小物体的距离，约为25厘米。这时人眼的调节功能不太紧张，可以长时间观察而不易疲劳，所述第一成像面3位于人眼的明视距离处，可以获得清晰的图像、且人眼观看更为舒适。

本实施例中，利用凸透镜成像原理，所述拼接透镜1为双凸球面透镜，或者平凸球面透镜。拼接透镜的数量可根据实际需要设定，拼接透镜1的数量越多，所拼接的视场角就越大。图4中表示的拼接透镜1为双凸球面透镜，且示意了3个拼接透镜1的拼接组合，但并不以此为限。

需要说明的是，透镜组中的多个拼接透镜可以是分体设置，即透镜组由多个单独的拼接透镜拼接固定连接在一起形成；透镜组中的多个拼接透镜也可以是一体成型，即透镜组是一个整体。

需要说明的是，本实施例中，所述拼接透镜为平凸球面透镜时，所述平凸球面透镜的平面一侧可以面向显示屏设置，也可以面向人眼方向设置，由于平凸球面透镜的物方焦距和像方焦距没变，所以物象关系没变，不影响成像。

本实施例的一具体实施方式中，所述拼接透镜采用平凸球面透镜，所述平凸球面透镜的平面一侧面向人眼方向设置，利于清理污渍、在人眼距离屏幕较近时、视场角较大。

需要说明的是，透镜的焦距公式为：

其中，f为透镜的焦距，n为透镜的折射率，R₁、R₂分别为透镜的相对的两侧的球面半径，d为透镜的厚度，由此可知，在焦距f确定的前提下，所述拼接透镜采用双凸球面透镜，相比于采用平凸球面透镜，双凸球面透镜的两侧的球面半径均比平凸球面透镜的凸面的球面半径小，这样可以减小拼接透镜的凸面的弯曲度，进而减小球差，因此，本实施例的一具体实施方式中，所述拼接透镜1优选为双凸球面透镜。

本实施例中，每个所述第一成像面3包括第一子成像面31和第二子成像面32，所述第一子成像面31显示对应的显示屏21的正立的虚像，所述第二子成像面32显示对应的微透镜阵列22的正立的虚像，所述第一子成像面31位于所述第二子成像面32显示的微透镜阵列22的虚像的焦平面上，使得所述第一成像面3显示的显示屏21的虚像发出的光束形成入射人眼的准直光束。

过焦点且垂直于透镜的主光轴的平面为焦平面，由焦平面上的一点发出的光线、经过透镜后成为一束与主光轴有固定夹角的平行光，本实施例中，第一子成像面31位于所述第二子成像面32显示的微透镜阵列22的虚像的焦平面上，即第一子成像面31显示的显示屏21的虚像位于第二子成像面32显示的微透镜阵列22的虚像的焦平面上，这样使得显示屏21的虚像发出的光束、经微透镜阵列22的虚像后形成入射人眼的准直平行光。

本实施例中，多个光场显示模组2拼接形成一曲面，该曲面的内凹面面向人眼。多个光场显示模组2拼接形成曲面，由此形成的第一成像面3为曲面，由第一成像面3显示的光场显示模组2的虚像形成的虚拟光场系统形成的第二成像面4为曲面，扩大了视场，且相对于平面形式的成像面，避免边缘画面的不良。

需要说明的是，多个光场显示模组2拼接形成的曲面，并非严格意义上的曲面，如图4所示。

本实施例中，所述第一子成像面31与所述第二子成像面32之间的实际距离nf₂′和显示屏21与微透镜阵列22之间的距离t之间的关系满足关系式：

凸透镜成像纵向放大倍率公式：h′/H＝v/u，其中h′为像高，H为物高，v为像距，u为物距，横向放大率β＝(h′/H)²，本实施例中，参考图5，关于拼接透镜1的像距v＝L₁-L₃，物距u＝L₂，由此可得上述公式(1)。

光场显示的基准是：单眼接收各个微透镜下N个像素的准直化光线。其中，N也被称为视点数，并且要求N≥2，优选N≥20。准直化的意思是：显示屏21中像素出射的光束经过微透镜和拼接透镜1后，被准直出射，具体的参考图5所示，图5中示意了一个微透镜下所对应的部分显示屏21经过微透镜后成像在拼接透镜1的焦平面上，因此，光束经过拼接透镜1被准直出射。本实施例中，根据凸透镜成像原理可获得以下公式：

上述光路准直过程，可以等效为图5中的位于观看距离L₁处的第二子成像面32和位于第二子成像面32显示的微透镜的虚像的焦平面处的第一子成像面31，第一子成像面31显示的是显示屏21的正立的虚像，第一子成像面31上显示的显示屏21的虚像上的像素出射光束经过第二子成像面32显示的微透镜的虚像直接被准直出射投射到人眼01。较佳的，观看距离L₁＝250mm(明视距离)，该过程满足以下公式：

其中，f₁为拼接透镜1的焦距，f₂为微透镜的焦距，f₂′为等效空气层后所述第一子成像面31到所述第二子成像面32之间的距离，L₁为人眼01到第二子成像面32之间的距离，L₂为拼接透镜1与微透镜之间的距离，L₃为人眼01到拼接透镜1之间的距离，n为微透镜的折射率，t为微透镜相对于显示屏21的实际放置高度；

需要说明的是，对于微透镜，f₁-L₂为像距，t/n为等效空气层后的物距；对于拼接透镜1，L₁-L₃为像距，L₂为物距。

需要说明的是，为了便于计算，物距和像距等为按照等效空气层后的数值进行计算，参考图5和图6，图6中等效空气后的显示屏311到第二子成像面的距离是f₂′，第一子成像面31与第二子成像面32之间的实际距离为nf₂′。

参考图5和图6，由几何关系可获得以下公式：

其中，Φ为人眼瞳孔的直径，N为视点数量，p为显示屏21上的像素间距，p′为第一子成像面31显示的显示屏21的虚像中的像素间距；

需要说明的是，L₁-L₃+nf₂′为拼接透镜1到第一子成像面31之间的实际距离，即像距，t+L₂为拼接透镜1到显示屏21之间的实际距离，即物距，若统一为等效空气层后的数值，则公式(5)转化为

由公式(1)-(5)可获得等效空气层后所述第一子成像面31到所述第二子成像面32之间的距离f₂′：

其中，

b＝ΦL₂-npNL₁，c＝-(L₁-L₃)pNL₁；

且由公式(1)-(5)可获得微透镜相对于显示屏21的实际放置高度t：

由公式(1)-(5)可获得拼接透镜1的焦距f₁：

由公式(1)-(5)可获得微透镜的焦距f₂：

本实施例中，所述微透镜的孔径D₂满足以下公式：

其中，ε为人眼的极限分辨角。

微透镜孔径需要满足单眼视点数N可被人眼识别，具体的还需要满足下述关系式：

参考图7，

以保证一个视锥细胞001上只接收识别一个视点，且

图7中的D相当于本实施例中的D₂′，图7中的L相当于本实施例中的L₁，显示屏21经微透镜放大后的成像21′被人眼看到，由此可获得上述公式(10)，其中，ε为人眼的极限分辨角，N为入射这单眼的视点的数量，D为微透镜在垂直于其主光轴方向上的长度，L是微透镜到人眼之间的距离，α为经过单个微透镜被人眼看到的N个像素、相对人眼的总夹角。

公式(10)中，D₂′为等效微透镜的孔径，它与微透镜孔径D₂的关系是：

其中，L₂为拼接透镜1到微透镜之间的距离，L₁-L₃为拼接透镜1到第二子成像面32之间的距离。

由上述公式(10)和公式(11)，可获得微透镜孔径D₂满足公式：

由于光场成像的分辨率随着微透镜的孔径的增大而减小，因此为获得较佳的光场成像效果，本实施例的一具体实施方式中，微透镜孔径D₂为：

本实施例中，参考图2和图5，所述拼接透镜1的孔径D₁满足以下公式：

其中，θ为单个所述拼接透镜1所对应的视场角。

参考图2和图5，由几何关系可知，显示屏21的宽度W与第一子成像面31显示的显示屏的虚像的宽度W′需要满足下列关系式：nf₂′

由上述公式(12)和(13)可获得，每个显示屏21的宽度w满足以下公式：

参考图2，为了保证第二成像面进入人眼的光线是准直的，那么显示屏到人眼之间的距离、以及显示屏到拼接透镜、微透镜之间的距离都是确定的，从一个拼接透镜1的中心、向第一子成像面中显示的显示屏的虚像在垂直于该拼接透镜的主光轴的方向上的两端分别连线，形成一三角形的两个斜边，此时显示屏21在垂直于该拼接透镜的主光轴方向上的两端分别位于该三角形的两个斜边上，此时显示屏的长度W为最优设置，显示屏位于该三角形内，即显示屏在垂直于该拼接屏的主光轴的方向上的长度小于W，那么，相邻两个第一子成像面之间无法形成无缝拼接，显示屏在垂直于该拼接屏的主光轴的方向上的长度大于W，那么显示屏位于三角形外部的部分无法显示与第一子成像面上，浪费成本。

需要说明的是，本实施例中，透镜组中的多个拼接透镜的结构是相同的，多个光场显示模组的结构是相同的。

需要说明的是，相邻两个拼接透镜之间的夹角受到成像距离(第一成像面的位置)、单个拼接透镜的视场角θ等参数的限制，可根据实际需要设定。

需要说明的是，为了保证较佳的视觉效果，显示屏的长度W为最优设置时，对于单个拼接透镜，人眼到对应的第一成像面的边缘的连线形成等腰三角形，参考图2，本实施例中，采用3个拼接透镜，则形成了三个等腰三角形。单个拼接透镜对应的第一成像面3上的成像部分的中点与人眼的连线01是垂直于第一成像面上的成像部分的(该连线01是经过对应的显示屏的中点的，且垂直于对应的显示屏)。且由图2中可知，在本实施例中的一具体实施方式中，相邻两个拼接透镜之间的角度与单个拼接透镜的视场角θ是互补的(但并不以此为限)，为了保证大视场效果，每个拼接透镜的视场角θ是相同的，其是最大的视场角20度(但并不以此为限)，即相邻两个拼接透镜之间的角度为160度。

本实施例的一具体实施方式中，已知：L₁＝250mm、L₂＝30mm、L₃＝40mm、像素pitchp＝0.00847mm(物理空间3000PPI)、瞳孔直径Φ＝3mm、人眼极限分辨角ε＝1′、视点数N＝20、单屏视场角θ＝20°，n＝1.5，通过上述公式可求得：

以上所述为本发明较佳实施例，需要说明的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种光场显示系统，其特征在于，包括：

呈角度拼接的多个光场显示模组，每个光场显示模组包括显示屏和位于显示屏的出光侧的微透镜阵列；

透镜组，包括与所述多个光场显示模组一一对应的多个拼接透镜，被配置为在光场显示模组远离拼接透镜的一侧、形成与所述多个光场显示模组一一对应的多个第一成像面，且所述多个第一成像面之间无缝拼接、以在远离所述多个光场显示模组的一侧形成无缝拼接的多个第二成像面，其中，所述第一成像面显示的是对应的所述光场显示模组的正立的虚像。

2.根据权利要求1所述的光场显示系统，其特征在于，所述第一成像面位于人眼的明视距离处。

3.根据权利要求1所述的光场显示系统，其特征在于，所述拼接透镜为双凸球面透镜，或者平凸球面透镜。

4.根据权利要求1所述的光场显示系统，其特征在于，每个所述第一成像面包括第一子成像面和第二子成像面，所述第一子成像面显示对应的所述显示屏的正立的虚像，所述第二子成像面显示对应的所述微透镜阵列的正立的虚像，所述第一子成像面位于所述第二子成像面显示的所述微透镜阵列的虚像的焦平面上，使得所述第一成像面显示的所述显示屏的虚像发出的光束形成入射人眼的准直光束。

5.根据权利要求1所述的光场显示系统，其特征在于，多个光场显示模组拼接形成一曲面，该曲面的内凹面面向人眼。

6.根据权利要求4所述的光场显示系统，其特征在于，所述第一子成像面与所述第二子成像面之间的实际距离nf₂′和显示屏与微透镜阵列之间的距离t之间的关系满足关系式：

其中，f₂′为等效空气层后所述第一子成像面到所述第二子成像面之间的距离，L₁为人眼到第二子成像面之间的距离，L₂为拼接透镜与微透镜之间的距离，L₃为人眼到拼接透镜之间的距离，n为微透镜的折射率，t为微透镜相对于显示屏的实际放置高度。

7.根据权利要求6所述的光场显示系统，其特征在于，

微透镜相对于显示屏的实际放置高度t、拼接透镜的焦距f₁、微透镜的焦距f₂可由以下公式获得：

根据凸透镜成像原理可获得以下公式：

其中，f₁为拼接透镜的焦距，f₂为微透镜的焦距，f₂′为等效空气层后所述第一子成像面到所述第二子成像面之间的距离，L₁为人眼到第二子成像面之间的距离，L₂为拼接透镜与微透镜之间的距离，L₃为人眼到拼接透镜之间的距离，n为微透镜的折射率，t为微透镜相对于显示屏的实际放置高度；

由几何关系可获得以下公式：

其中，Φ为人眼瞳孔直径，N为视点数量，p为显示屏上的像素间距，p′为第一子成像面显示的显示屏的虚像中的像素间距；

由公式(1)-(5)可获得：

其中，

b＝ΦL₂-npNL₁，c＝-(L₁-L₃)pNL₁；

且由公式(1)-(5)可获得：

8.根据权利要求7所述的光场显示系统，其特征在于，所述微透镜的孔径D₂满足以下公式：

其中，ε为人眼的极限分辨角。

9.根据权利要求7所述的光场显示系统，其特征在于，所述拼接透镜的孔径D₁满足以下公式：

其中，θ为单个所述拼接透镜所对应的视场角。

10.根据权利要求7所述的光场显示系统，其特征在于，显示屏的宽度w满足以下公式：

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