CN111338176A - 折叠光路几何全息显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D显示领域，公开了一种折叠光路几何全息显示系统，包括至少一个投影器、透射式几何全息屏、支持结构、控制器和至少一个光路折叠镜组；光路折叠镜组至少包含一面具有反射功能的平面镜，其用于改变投影器投射光线的传播路径；折叠光路几何全息显示系统的视点数为n，投影器最外侧镜片的透光部分直径的均值为D分米，投影器投影光源功率的均值为P瓦，满足：

本发明通过引入能够改变投影器投射光线的传播路径的光路折叠镜组，对光路进行灵活的转化折叠，能够合理地利用空间，来降低整个显示系统的空间占有率，非常有效的提高显示系统布局的灵活性。

Description

折叠光路几何全息显示系统

技术领域

本发明涉及3D显示领域，尤其是涉及一种折叠光路几何全息显示系统。

背景技术

3D显示技术相比于传统2D显示技术可以提供深度信息，从而展示出更多的视觉信息，使得显示图像的还原度更高。因此3D显示技术是目前学术研究非常热门的技术。其中基于全息技术的3D显示方案，原理上可以还原真实物理世界的光场分布，从而完全还原3D场景的全部光学特征。传统的全息显示技术是利用光的波动特性同时记录景物的光强信息和相位信息，从而实现对景物的光强、颜色和景深的记录。但是这种方式需要用到相干光进行拍摄和显示，而且拍摄和显示过程光路设置非常苛刻，环境的轻微扰动都会导致拍摄失败，所以一直都无法真正在生活中得到应用。

目前主流的3D显示解决方案(比如影院的3D电影)都是基于视差图像对(立体图像对)的伪3D显示图，并不能够显示真实的3D图像，显示画面的物理焦深是固定的，无法实现不同焦深景物的显示。虽然，现在已经有很多3D的显示技术被提出，但是还没有一种技术可以真正能够显示大尺度、稳定、高品质3D图像。

申请号为201910875975.1的专利公开了一种新的全息显示方案，如图1所示，包括全息投影仪1、投影屏2、交互响应单元3、处理器4和运动执行机构5，通过处理器4发送投影数据信息给到全息投影仪1，来控制全息投影仪1的投影画面和画面深度，并根据接收到的交互响应单元3获取的人眼的定位信息和用户交互动作信息，来控制运动执行机构5调整全息投影仪1相对于投影屏2的位置，使用户可以正常观看3D画面。但是现阶段由于缺少可以供其使用的3D片源，所以其显示优势很难发挥出来。而且显示系统的结构局限性也比较大，很多应用场景下无法为其提供足够的系统布局空间，系统复杂、成本较高。

同时，上述的显示系统的光学参数设置需要精心设计才能够保证理想的显示效果和显示系统的可靠性，否则显示系统可能因为显示参数的不合适，而无法达到理想的显示效果或者无法保证可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对上述现有技术的不足，提供一种折叠光路几何全息显示系统，通过引入能够改变投影器投射光线的传播路径的光路折叠镜组，对光路进行灵活的转化折叠，能够合理地利用空间，从而降低整个显示系统的空间占有率，可以非常有效的提高显示系统布局的灵活性；同时还提供了优化的设计参数配置，达到兼顾显示效果和系统可靠性的目的。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

折叠光路几何全息显示系统，包括：

至少一个投影器，用于在空间投影画面信息；

透射式几何全息屏，是具有把透射式几何全息屏一侧的像点会聚到其另一侧形成共轭像点的屏幕；

支持结构，分别与投影器和透射式几何全息屏相匹配，为二者提供物理结构支撑；

控制器，与投影器电连接，还包括至少一个、设置于透射式几何全息屏的一侧或者两侧且分别与支持结构连接的光路折叠镜组，所述光路折叠镜组至少包含一面具有反射功能的平面镜，其用于改变投影器投射光线的传播路径；

其中，所述折叠光路几何全息显示系统的视点数为n，所述投影器最外侧镜片的透光部分直径的均值为D分米，所述投影器投影光源功率的均值为P瓦，满足：

进一步地，所述投影器的显示光通量的均值为L流明，与所述折叠光路几何全息显示系统的视点数n之间满足：

n^1.27·L≤24000。

进一步地，所述折叠光路几何全息显示系统的视点数n与投影器的显示光通量的均值L流明和投影器最外侧镜片的透光部分直径的均值D分米之间满足：

进一步地，所述投影器采用能够投影出二维画面的普通投影设备或者是能够投影出三维画面的全息投影设备。

进一步地，所述投影器的投影焦深在距离投影器镜头的最外侧镜片0.1m以及0.1m以外的空间内可调。

进一步地，所述透射式几何全息屏采用柔性全息屏。

进一步地，所述支持结构为可以变形或者运动的结构，与控制器电连接，所述控制器能够控制支持结构变形或者运动，从而实现投影器、透射式几何全息屏和光路折叠镜组三者之间相对运动和/或整体运动，使得系统的可视视窗始终覆盖用户的眼睛。

进一步地，还包括与控制器电连接的交互动作捕捉单元，所述交互动作捕捉单元用于识别用户的交互动作并将用户交互动作信息发送给控制器，所述控制器根据接收到的交互动作捕捉单元获取的用户交互动作信息调整显示画面内容，实现用户与画面的交互动作。

进一步地，还包括与控制器电连接的人眼跟踪单元，所述人眼跟踪单元用于跟踪人眼的位置并将人眼的定位信息发送给控制器，所述控制器根据接收到的人眼跟踪单元获取的人眼定位信息，来控制支持结构做出相应的动作响应，来调整投影器和透射式几何全息屏的相对位置和/或整体空间位置，使用户眼睛始终处于系统的可视空间内。

进一步地，所述可视空间是以每个投影器镜头最外侧镜片中心为原点，以镜片中心外法线为Y轴方向，以过原点垂直于水平面的直线为X轴，以过原点垂直于X轴和Y轴的直线为Z轴的坐标系(X,Y,Z)经过光学转化后光学共轭坐标系(X′,Y′,Z′)下，满足以下关系式的空间：

其中K为一个扩展常数，单位为分米，K范围为0＜K＜0.08；

m为共轭偏差常数，m范围为0≤m≤5。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、通过引入能够改变投影器投射光线的传播路径的光路折叠镜组，对光路进行灵活的转化折叠，能够合理地利用空间，来降低整个显示系统的空间占有率，非常有效的提高显示系统布局的灵活性；

2、投影器采用能够投影二维画面的普通投影设备，能够大大降低成本，提高实用性，普通投影设备可以在空间内的某个焦平面上投影出二维画面，通过控制器调节投影画面的焦深，来实现带有景深信息的画面显示，呈现出更加逼真的3D效果，克服了3D片源短缺的限制，降低成本；

3、合理的光学参数设置能够有效提高全息显示系统的显示效果和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有全息显示系统的示意图，

图2为一种包含1个投影器6和1个光路折叠镜组10的本发明系统示意图，

图3是在图2的基础上，增设了交互动作捕捉单元31和人眼跟踪单元32的系统图；

图4是在图2的基础上，于同一侧增加了1个光路折叠镜组10的系统示意图，

图5是于透射式几何全息屏7两侧分别设置有光路折叠镜组10的系统图及光学转化的光路图，

图6为全息系统离屏显示的几种视点配置示意图；

图7为本发明多个视点的系统配置示意图；

图8为距离投影镜头最外侧镜片0.1m以外空间的示意图；

图9为椭球可视空间所在坐标系(X′,Y′,Z′)的示意图；

图10为椭球可视空间即视窗的示意图，

附图标记如下：

全息投影仪1，投影屏2，交互响应单元3，处理器4，运动执行机构5，投影器6，透射式几何全息屏7，支持结构8，控制器9，光路折叠镜组10，交互动作捕捉单元31，人眼跟踪单元32。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2至图5，本发明提供一种折叠光路几何全息显示系统，包括至少一个投影器6、透射式几何全息屏7、支持结构8、控制器9和至少一个光路折叠镜组10；

投影器6是用于在空间投影出具有深度的画面信息，本发明可以采用能够投影二维画面的普通投影设备，实现在空间内的某个焦平面上投影出二维画面，然后通过控制器9来调节二维画面的景深和画面内容。通常影院的3D片源都是立体图像对的形式，通过双目视差来表现出3D效果，但是实际画面焦深是固定在一个位置的，所以会引起视觉疲劳。本发明的系统由于投影及焦深可调，所以可以把画面等效焦深移动到合理的位置，从而避免了3D焦深与实际焦深不同的问题，呈现出更加逼真的3D效果。这种方式相对于全息投影仪作为投影器6来说，可以有效降低成本，具体的，上述普通投影设备可以使用常见的普通投影仪即可；

或者是直接采用全息投影仪作为投影器6，在空间内投影出3D画面；也可以使用能够实现三维画面(或者分布在空间不同焦深处的二维画面组)显示的投影设备来替代上述的全息投影仪，例如，可以进一步对普通投影设备进行光学设计，使之能够在采用单个投影器的基础上实现3D显示，可以参考申请号为202010029144.5的一种全固态全息投影仪，通过在投影器内部通过增加一些光学元件进行光学设计实现三维画面显示的技术方案，这里不做具体限定；

透射式几何全息屏7是具有把透射式几何全息屏7一侧的像点汇聚到其另一侧形成共轭像点的屏幕，其位置与投影器6以及光路折叠镜组10相对应，优选使用柔性全息屏，这样可以做成卷轴屏或者折叠屏，从而使系统整体更加紧凑、便携，当然对于合适的场合也可以使用硬质的屏幕；

当需要兼容显示2D画面时，透射式几何全息屏7可以用普通投影屏替代，如普通背投屏；

支持结构8分别与投影器6、透射式几何全息屏7和光路折叠镜组10相匹配，分别为三者提供物理结构支撑，具体可以是将支持结构8可以做成结构固定的支撑架，此时，本发明的显示系统整体是固定不动的，用户需要在一个固定的方位才可以观察到画面；

光路折叠镜组10通过支持结构8支撑，其至少包含一面具有反射功能的平面镜，用于改变投影器6投射光线的传播路径，具体设置于透射式几何全息屏7的一侧，或者是当光路折叠镜组10数量为多个时，则将其设置于透射式几何全息屏7的一侧或者分别设置于透射式几何全息屏7的两侧，具体根据所应用的场景的空间形式而定；

控制器9与投影器6电连接，投影器6可以根据控制器9的控制信号来调节投影画面的景深和画面内容；

为了增加显示系统的灵活性，我们还可以将支持结构8设置为可以运动或者变形的结构，将支持结构8和控制器9电连接，支持结构8根据控制器9的控制信息做出相应响应动作，从而实现投影器6、透射式几何全息屏7和光路折叠镜组10三者之间相对运动和/或整体运动，使得系统的可视视窗始终覆盖用户的眼睛，使得用户在不同的方位都可以正常观看画面，需要说明的是支持结构8为一般现有技术，本领域的技术人员可以根据实际应用的空间条件自行设计，比如：使用一些铰链结构和类似于伞轴的结构可以非常容易的设计出可以变形的结构，这里不做具体限定；

如图3，作为优选方案，本发明所述的全息显示系统还包括与控制器9电连接的交互动作捕捉单元31，交互动作捕捉单元31用于识别用户的交互动作并将用户交互动作信息发送给控制器9，控制器9根据接收到的交互动作捕捉单元31获取的用户交互动作信息调整显示画面内容，实现用户与画面的交互动作，具体可以是采用摄像头结合机器视觉技术来识别用户的手势动作来获取用户的交互信息，从而控制支持结构8运动来调整投影设备和/或透射式几何全息屏7的空间位置和姿态，控制器9还可以根据接收的交互动作捕捉单元31获取的用户交互动作信息来实时调整显示画面内容，实现用户与画面的交互动作，比如根据平移手势信号，控制画面进行平移，或者根据对应的其他交互动作控制画面的放大、拉近、推远、触碰等操作；

交互动作捕捉单元31的设置对于类似于穿戴式应用这种用户相对显示系统的空间位置固定不变的应用情景具有积极的意义；

另外，对于用户相对显示系统的空间位置实时变动的应用情景，需要设置一个与控制器9电连接的人眼跟踪单元32，人眼跟踪单元32用于跟踪人眼的位置并将人眼的定位信息发送给控制器9，控制器9根据接收到的人眼跟踪单元32获取的人眼定位信息，来控制支持结构8做出相应的动作响应，来调整投影器6和透射式几何全息屏7的相对位置和/或整体空间位置，使用户眼睛始终处于系统的可视空间内，这样用户即使在运动状态下眼睛也可以始终接收到投影信息，正常观看画面。

实际应用中，人眼跟踪单元32和交互动作捕捉单元31可以集成在同一个设备内完成，比如使用一个机器视觉摄像设备等。

以普通投影仪作为投影器6时，控制器9把画面以及画面的平均焦深信息发送给投影器，投影器自己调整投影焦深，投影器就可以把画面投射到特定焦深位置，供人眼观看。

需要说明的是普通投影仪一般有自动对焦功能，开机时投影器会根据内置的距离传感器测量屏幕距离投影器的距离，然后驱动镜头调整到合适的位置，使投影焦深与屏幕重合；在本发明的系统中也可以去除掉其自带的距离传感器，使控制器9直接发送焦深数据到投影器从而实现对投影焦深的控制，具体实现方式为现有成熟硬件通信技术，这里不做赘述。

以本发明采用一个投影器6为例进行说明：

如图2，系统配置有一个与投影器6位于同一侧的光路折叠镜组10，投影器6的投影画面经过光路折叠镜组10和透射式几何全息屏7光学转化后，在透射式几何全息屏7的另一侧形成有离屏的显示画面，人眼通过如图所示的视窗即可观看到；

如图4，系统配置有两个光路折叠镜组10，均与投影器6相对于透射式几何全息屏7位于同一侧，投影器6的投影画面经过两个光路折叠镜组10以及透射式几何全息屏7光学转化后，在透射式几何全息屏7的另一侧形成有离屏的显示画面，人眼通过如图所示的视窗即可观看到；

如图5，系统同样系统配置有两个光路折叠镜组10，但是分别设置于透射式几何全息屏7两侧，投影器6的投影画面经过两个光路折叠镜组10以及透射式几何全息屏7光学转化后(如图6)，在透射式几何全息屏7的另一侧形成有离屏的显示画面，人眼通过如图所示的视窗即可观看到；

需要说明的，光路折叠镜组10和透射式几何全息屏7对投影器6的投影画面光学转化原理，可以参考图5的光路转化原理。当光路折叠镜组10的数量更多时，不论是怎样的排列组合，只要能够使投影器6的投影画面经过光学转化后在光学共轭处形成有离屏的显示画面都属于本发明的保护范围。

以上只是对本发明进行的举例说明，并不是对本发明的限定，对于投影器6为多个时，同样适用。

本发明所述的折叠光路几何全息显示系统跟传统显示系统相比有一个非常特殊的地方，它无法像传统2D显示器件一样可以供大量用户同时观看，为了方便表述，这里引入视点的概念：

如果显示系统可以为一只眼睛提供一个观窗，那么这个系统就拥有一个视点。而对于双眼显示系统，可以供两只眼睛同时观看，所以视点数量为2。当显示系统可以供n只眼睛同时观看，视点数量就为n。实际设计时，还需要考虑实用性的情况下合理设置系统的结构。

如图6所示，a情况下，对应于使用一个大口径的投影器，投影器的最外侧镜片相对于透射式几何全息屏7的光学共轭区(也是镜像对称区，可以称之为视窗)可以覆盖用户的两只眼睛，此时虽然两只眼睛之间的区域原理上也能够观看图像，但是实际条件下却不可能使用到，只能同时供两只眼睛观看，所以这种情形相当于有两个视点；

b到d的情况下，对应于使用两个小口径的投影器，两个投影器的投影镜片相对于透射式几何全息屏7的光学共轭区形成两个分立的子区。当两个子区之间的间距与人眼的间距刚好匹配时就可以供两只眼睛同时观看(b情形)，因此有两个视点；

当两个子区之间的间距比人眼之间的间距小(c情形)或者比人眼间距大(d情形)时，两只眼睛只有一个能观看到图像，因此只有一个视点。

如图7，当投影器的数量更多时，那么系统的视点数就会相应的增多，具体数量根据符合a～d的具体情形而定，显示系统的视点数为n与所采用的投影器的镜头大小以及数量相关。

类似地，对于多用户系统设计时更是需要考虑使用情境下用户之间的空间位置关系，合理设计每个视窗之间的空间分布情况，避免出现系统实际可用视点小于设计视点的情况。一个有效的设计策略是，通过合理设计支持结构8使其具备结构调整功能，比如可以调整两个投影器之间的距离或者空间位置，这样在使用时就可以根据用户瞳距和应用场地灵活调整支持结构8的几何形态来适应实际需求。

需要说明的是，当投影系统向下兼容切换到2D投影模式时(如调整投影器的投影焦平面直接在透射式几何全息屏7上投影2D画面，或者用一个普通的投影承接屏替代或者放置在透射式几何全息屏7前表面或者后表面进行2D投影画面的承接显示)，图像焦平面与屏幕重合，视点数量会大大增加，但是这些视点具有很大的观看局限性，只能看到屏幕上的画面，显示系统输出的离屏画面都无法观看到，所以不能计入到真正的视点数量里面，实际有效的视点应该是可以观看系统所有模式下的画面的视点。

传统2D显示器件，如电视、投影器、电脑等，视点数量非常多，可以同时被众多用户观看，这是因为其光源发出的光线，发散度较高，无指向性，因此也对亮度要求比较高。但是对于本发明的全息显示系统，视点数都比较少，其显示器件(如全息投影仪或者普通投影仪)发出的光会非常高效的汇集到视窗位置被人眼接收，因此如果光强太强容易造成眩晕，图像不清晰，甚至对人眼造成伤害，同时过高的光通量往往需要光源(如投影器内部的灯泡、LED灯等)在高功率下运行，而光源长期运行在高功率模式下使用寿命就会大幅缩减，所以光通量不能设计的过高。但是，随着视点数量增加，显示系统的总光通量也需要提高，来保证每个视点都能够提供清晰的画面，由于本发明显示系统光路的复杂性，视点与光通量之间并不是简单的线性关系。

本发明所述的折叠光路几何全息显示系统的视点数为n，投影器6最外侧镜片的透光部分直径的均值为D分米(dm)，投影器6的平均显示光通量为L流明(lm)，显示光通量视点积为n^1.27·L，综上，结合实际测试效果，显示光通量视点积满足：n^1.27·L≤24000时可以够保证比较好的显示效果和系统的可靠性。

其中，投影器6的显示光通量L(lm)的测定方法可以参考ANSI流明的测试方法：

1)将显示系统中的投影器与幕之间距离设置为：2.4米；

2)屏幕为60英寸；

3)用照度计测量屏幕“田”字形九个交叉点上的各点照度，并求得9个点的平均照度；

4)平均照度乘以投影画面面积就是ANSI流明，也就是本发明所述的显示光通量。

对于显示不同的画面，L的测试值可能会有较大差异，实际测试中，优选显示全白画面进行测试，即每一个像素都显示为白色的情况；

当投影器的光照区域无法很好的跟屏幕匹配时，照度测试按照实际光照区域进行取点测试，优选在光照区域内与光照区域的外边界相距约10cm～30cm的光带内较均匀的选取8个点和距离屏幕中心不超过20cm的光照区内1个点，共9个点进行照度测试，然后将9个照度值的平均值与光照区域的实际面积相乘得到显示光通量值。

对于只包含一个投影器6的应用案例，可以按照上述方式进行测试显示光通量(单个投影器的显示光通量和平均显示光通量数值一样)，当使用到多个投影器时，可以分别测试每个投影单元的光通量然后取平均值作为显示光通量的值。

另外，在实际测试中，不同的设计结构(如密封和散热性的差异)也会对系统的寿命产生比明显的影响，所以实际在测试过程不同的设计结构可能对实测数据带来一定波动，但是整体的趋势不会改变，显示配置参数的最优值不会变化。

下面以实施例对本发明作进一步说明：

需要说明的，以下实施例的显示系统中投影器6均采用普通投影仪，光路折叠镜组10的数量均为1个，且与投影器6设置于透射式几何全息屏7的同一侧；

实施例1：采用一个镜头直径0.5dm的投影仪作为投影器6，视点数n＝1，可以供单户使用单个眼睛进行观看；

通常用户眼睛数量为偶数，视点数n设置为偶数：

实施例2～24：采用1个镜头直径大于6.5dm的投影仪或者是2个镜头直径小于6.5dm的投影仪作为投影器6，视点数n＝2，可以供单户双眼观看；

实施例25：采用4个镜头直径为0.4dm的投影仪作为投影器6,系统视点数n＝4，可以供双用户同时观看；

实施例26：采用6个镜头直径为0.3dm的投影仪作为投影器6,视点数n＝6，三口之家可以同时观看；

实施例27：采用8个镜头直径为0.2dm的投影仪作为投影器6，四口之家同时观看；

对比例1：采用镜头直径为8dm的投影仪作为投影器6,以供单户双眼观看，具体如下表：

实施例1～27的数据表明：显示光通量视点积n^1.27·L≤24000时，显示效果均较好，用户评分均在80分以上，对比例1中的显示光通量视点积n^1.27·L为31351，用户评分低，画面刺眼，实际显示效果欠佳。

实际使用时，除了需要考虑视点数量n与光通量L之间的设计关系外，还需要投影器孔径大小与光通量之间的匹配。当投影器孔径较大时，显示光的视觉利用率就会偏低，很多光线只能到达人眼之外的区域，所以此时需要适当增加光通量，根据上述实施例1～27的应用，实际应用中可以参考如下表达式进行设计：

基于光源功率对于系统显示效果以及可靠性的影响。投影器内部光源工作在高功率模式下时寿命往往会大幅下降，因此尽可能使其工作在小功率的模式。但是，视点数量较多或者当单个投影器孔径较大时，显示光的视觉利用率就会偏低，很多光线只能到达人眼之外的区域，所以此时需要适当增加光源的功率来提高光通量，投影器6包含的投影器投影光源功率的均值为P瓦(W)测试发现当满足如下关系式的时候，系统可以在一个较优的条件下运行：

投影设备光源功率P的测量可以直接测试其正常工作状态下的光源两端的电压和通过光源的电流然后进行相乘计算得到功率值。

在实施例1～27的基础上，再引入光源功率P(W)进行说明，具体见下表：

数据表明：功率视点积

时，显示效果均较好，用户评分均在80分以上，而对比例1中的功率视点积

为679，用户评分低，画面刺眼，实际显示效果欠佳。此外，光源功率小于400W是一般可以满足5年设计寿命。

上述实施方式中采用的普通投影仪还可以用全息投影仪或者其它能够实现三维画面显示的投影设备替代。同时上述涉及到视点数量、光源功率和显示光通量的设计公式对于全息投影仪同样使用。

另外在实际测试中还发现，实施例1～27的高温高湿环境(85℃、相对湿度85％)加速测试中3000h依然可以正常工作，而对比例1在3000h时光源已经损坏，无法发光，说明不合理的设计参数会大大降低使用寿命，上述的测试俗称双85老化测试，3000h加速老化测试相当于实际工况条件下5年的最低使用寿命标准。

本发明所述的显示系统的原理可以参考申请号为201910875975.1的专利，这里简单介绍一下：投影器6可以在空间不同深度处投射出画面，也就是可以为投影画面提供额外的景深信息，但是投影器6投出去的画面都是发散光，无法被人眼直接观看，这也是常规投影系统必须要使用一个承接屏幕的原因。

而透射式几何全息屏7的光路转化作用可以使投影器6投射出去的发散光重新会聚到投影器6相对于透射式几何全息屏7的光学共轭位置，也就是其镜像位置，从而形成会聚光，就可以被人眼直接观看了。

所以虽然本发明的全息显示系统里面使用了透射式几何全息屏7，但是其作用与传统投影显示系统的承接屏却完全不同。传统投影系统的承接屏用于把光线随机散射开供用户观看。而透射式几何全息屏7的作用更像是一种特殊的光学元件，它能够对光线进行特定的光学转换，把屏幕一侧的光点发出的光线重新会聚到光点相对于屏幕的镜像位置附近极小的区域，从而形成一个会聚的悬浮在空中的实像点。这种独特的成像特点使得它可以在空间不同深度进行成像(离屏成像)，实现真正的3D显示。

本发明的全息显示系统中，投影器6投出画面，经过光路折叠镜组10的反射以及透射式几何全息屏7的光学转化后在空间形成离屏显示。

从本发明的显示原理分析可以发现，用户在使用时看到的画面完全跟投影器6投射出去的画面一致。投影器6投射出去的画面距离其最外侧镜片多远，用户看到的画面距离眼睛就多远。生活中，人眼的明视距离一般在25cm，观看最近的物体一般也在10cm之外，所以投影器6选择的时候可以优选投影焦深可以在距离投影镜头最外侧镜片外表面大于0.1m的空间内(如图8)调节的投影器(普通投影仪或者全息投影仪)。

用户处于静态时只要调整好系统结构使用户眼睛被视窗覆盖就可以使用户正常观看到画面，但是如果用户处于运动状态就会很容易使眼睛脱离视窗从而无法正常观看画面。因此，针对用户无法完全处于静止状态下的应用场景，增加用户眼睛定位跟踪然后实时调节视窗的空间位置使其始终覆盖用户的眼睛是非常重要的。但是实际场景下，显示系统的元器件参数各不相同，很难找出一套适用于所有系统的跟踪方式。原理上，如果能够非常精准的定位用户眼睛运动轨迹，然后通过调整投影器和透射式几何全息屏之间的相对位置和整体空间位置来驱动视窗精准跟踪用户眼睛运动轨迹是最理想的方案。但是，完全精准的跟踪用户眼睛和精准的控制视窗位置是非常困难的，即使能实现也需要付出比较大的成本代价，实用性不强。

事实上，由于视窗本身有一定大小，人眼只要在视窗之内就可以观看到画面，所以用户运动时并不需要完全精确跟踪用户眼睛的运动轨迹只要能大致跟踪保证用户眼睛在视窗之内即可，甚至稍微偏移出视窗一点，但是瞳孔跟之窗有交集也可以正常观看画面。

以上主要针对用户相对屏幕左右上下移动情况进行的讨论，另外，用户前后移动时，如果不偏离视窗中心太多也完全可以正常观看到画面。综上，对于用户眼睛的跟踪并不需要特别精确，只要保证在一定精度内即可满足使用要求。具体如图10，屏幕上方和下方的光线会有一个相交的菱形区域，原理上只要实时调整支持结构使用户眼睛始终处于上述的菱形可视空间内，即可观察到画面，但是在菱形的靠近角位的地方，比较容易出跟踪丢失的问题，所以在棱形区域的内部进一步限定一个相对较小的椭球可视区域，减小跟踪丢失的概率。

以下对椭球区域进行说明，如图9，椭球可视空间为所述可视空间是以每个投影器6镜头最外侧镜片中心为原点，以镜片中心外法线为Y轴方向，以过原点垂直于水平面的直线为X轴，以过原点垂直于X轴和Y轴的直线为Z轴的坐标系(X,Y,Z)经过光学转化后光学共轭坐标系(X′,Y′,Z′)下，满足以下关系式的空间：

其中K为一个扩展常数，单位为dm，K范围为0＜K＜0.08；

m为共轭偏差常数，m范围为0≤m≤5。

上述坐标系(X′,Y′,Z′)是坐标系(X,Y,Z)经过光学系统转换后最终形成的共轭像，以上表达式是一个椭球形围成的空间，其中m的取值影响y轴方向椭球的长度。从示意图10可以看到，可视空间在Y′轴方向有一定延伸，实际测试发现，可视空间在Y′轴方向有一定延伸长度大概在透镜直径D的6倍左右，在这个范围内都可以看到清晰的画面，但是实际考虑到跟踪效果，在Y′轴方向延伸长度小于透镜直径的5倍范围内都可以比较容易实现较好的显示效果。此外，实际测试发现：

当m取5时，画面的全部显示区域都可以清晰的看到，只在局部边界区域，画面清晰度稍微差一些但依然可以分辨清楚显示细节；

当m取3时，画面的全部显示区域都可以清晰的看到，即使在边界区域，画面也比较清晰，跟踪稳定性也非常好；

当m取2时，画面的全部显示范围完整，显示细节非常清楚，跟踪稳定性比较好，只是偶尔有跟丢情况，适合桌面办公场景；

当m取1时，画面的全部显示范围完整，显示细节非常清楚，跟踪稳定性稍差，跟丢频率有所增加，适合观影娱乐应用场景；

K和D决定了垂直与Y′轴平面内可视空间的截面，原理上投影镜片的直径范围内都可以观看到画面，实际上只要人眼与投影镜片的光学共轭区有相交，即使人员不完全在投影镜片的光学共轭区域之内也可以看到画面，所以引入一个扩展常数K，其数值取决于人眼的直径大小，通常人眼瞳孔的直径最大值是0.08dm，所以这里取0.08dm作为扩展常数。

虽然，数学上m不可以取0，但是这里取0有物理上的意义，即Y′都等于0的平面上的点。

本发明在使用多个投影器(普通投影仪或者全息投影仪)时可以选择完全一样的型号，也可以根据实际应用场景需求选用不同的型号。

本发明显示系统，由于焦深深度可调，可以避免用户长时间观看固定焦深画面造成的视觉疲劳，从而避免了近视的发生，可以改善视力水平。

本发明可以用于固定显示，如办公、家厅影音、车载显示等，也可以实现小巧的移动显示和头戴显示等领域，不同应用场景下投影器6的质量选用：

桌面应用：优选质量小于5kg的投影设备；

移动终端：优选质量小于300g的投影设备；

穿戴应用：优选质量小于100g的投影设备。

本发明实施时可以适当增加一些增透膜，吸光膜、滤光片等光学元件来进一步提升系统的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.折叠光路几何全息显示系统，包括：

至少一个投影器(6)，用于在空间投影画面信息；

透射式几何全息屏(7)，是具有把透射式几何全息屏(7)一侧的像点会聚到其另一侧形成共轭像点的屏幕；

支持结构(8)，分别与投影器(6)和透射式几何全息屏(7)相匹配，为二者提供物理结构支撑；

控制器(9)，与投影器(6)电连接，其特征在于：还包括至少一个、设置于透射式几何全息屏(7)的一侧或者两侧且分别与支持结构(8)连接的光路折叠镜组(10)，所述光路折叠镜组(10)至少包含一面具有反射功能的平面镜，其用于改变投影器(6)投射光线的传播路径；

其中，所述折叠光路几何全息显示系统的视点数为n，所述投影器(6)最外侧镜片的透光部分直径的均值为D分米，所述投影器(6)投影光源功率的均值为P瓦，满足：

2.根据权利要求1所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：所述投影器(6)的显示光通量的均值为L流明，与所述折叠光路几何全息显示系统的视点数n之间满足：

n^1.27·L≤24000。

3.根据权利要求2所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：所述折叠光路几何全息显示系统的视点数n与投影器(6)的显示光通量的均值L流明和投影器(6)最外侧镜片的透光部分直径的均值D分米之间满足：

4.根据权利要求1～3任意一项所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：所述投影器(6)采用能够投影出二维画面的普通投影设备或者是能够投影出三维画面或者分布在空间不同深度的二维画面组的全息投影设备。

5.根据权利要求4所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：所述投影器(6)的投影焦深在距离投影器(6)镜头的最外侧镜片0.1m以及0.1m以外的空间内可调。

6.根据权利要求1所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：所述透射式几何全息屏(7)采用柔性全息屏。

7.根据权利要求1所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：所述支持结构(8)为可以变形或者运动的结构，与控制器(9)电连接，所述控制器(9)能够控制支持结构(8)变形或者运动，从而实现投影器(6)、透射式几何全息屏(7)和光路折叠镜组(10)三者之间相对运动和/或整体运动。

8.根据权利要求7所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：还包括与控制器(9)电连接的交互动作捕捉单元(31)，所述交互动作捕捉单元(31)用于识别用户的交互动作并将用户交互动作信息发送给控制器(9)，所述控制器(9)根据接收到的交互动作捕捉单元(31)获取的用户交互动作信息调整显示画面内容。

9.根据权利要求8所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：还包括与控制器(9)电连接的人眼跟踪单元(32)，所述人眼跟踪单元(32)用于跟踪人眼的位置并将人眼的定位信息发送给控制器(9)，所述控制器(9)根据接收到的人眼跟踪单元(32)获取的人眼定位信息，来控制支持结构(8)做出相应的动作响应，来调整投影器(6)和透射式几何全息屏(7)的相对位置和/或整体空间位置，使用户眼睛始终处于系统的可视空间内。

10.根据权利要求9所述的折叠光路几何全息显示系统，其特征在于：所述可视空间是以每个投影器(6)镜头最外侧镜片中心为原点，以镜片中心外法线为Y轴方向，以过原点垂直于水平面的直线为X轴，以过原点垂直于X轴和Y轴的直线为Z轴的坐标系(X,Y,Z)经过光学转化后光学共轭坐标系(X′,Y′,Z′)下，满足以下关系式的空间：

其中K为一个扩展常数，单位为分米，K范围为0＜K＜0.08；

m为共轭偏差常数，m范围为0≤m≤5。

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