CN111474722B - 全息光场的三维显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种全息光场的三维显示装置和增强现实显示设备，其中，全息光场三维显示装置包括：图像处理系统，4f滤波系统和显示系统；所述图像处理系统，用于获取三维图像，并采用全息三维算法对所述三维图像进行处理，得到三维全息图，并显示出所述三维全息图；所述4f滤波系统，用于对所述图像处理系统显示出的三维全息图进行滤波处理和准直处理后射入所述显示系统；所述显示系统，用于将射入所述显示系统的光线进行传输，并耦出至人眼。通过该技术方案，实现真实的三维立体的显示效果，给用户带来真实的舒适的增强现实的体验。
Description
技术领域
本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种全息光场的三维显示装置和增强现实显示设备。
背景技术
增强现实技术简称AR，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。这种技术不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段，这种技术随着随身电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广。
目前的增强现实显示设备，主要的显示方案基本都是二维的显示，或者利用双目视差来实现三维显示。但是，双目视差的方式会引起使用者的聚焦与汇聚竞争冲突问题，并引起视觉疲劳问题。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种全息光场的三维显示装置和增强现实显示设备，以实现全息光场的真三维显示。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种全息光场的三维显示装置，用于增强现实显示设备，所述全息光场三维显示装置包括：图像处理系统，4f滤波系统和显示系统；
所述图像处理系统，用于获取三维图像，并采用全息三维算法对所述三维图像进行处理，得到三维全息图，并显示出所述三维全息图；
所述4f滤波系统，用于对所述图像处理系统显示出的三维全息图进行滤波处理和准直处理后射入所述显示系统；
所述显示系统，用于将射入所述显示系统的光线进行传输，并耦出至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述4f滤波系统包括：第一透镜、滤波器和第二透镜，所述第一透镜、所述滤波器和所述第二透镜沿光线进入所述显示系统的方向依次排列设置。
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜，用于将进入的光线汇聚到焦点；
所述滤波器，用于滤除所述光线中除一级光之外的其他级次的光线；
所述第二透镜，用于将滤除后得到的一级光准直成平行光线。
在一个实施例中，优选地，所述图像处理系统包括：照明系统和微显示器，所述照明系统包括光源和偏振分光元件，所述光源发出的光经过所述偏振分光元件反射至所述微显示器，使所述微显示器显示所述三维全息图，并使所述三维全息图经过所述偏振分光元件到达所述4f滤波系统。
在一个实施例中，优选地，所述微显示器包括反射式硅基液晶显示器或反射式数字微镜显示器。
在一个实施例中，优选地，所述显示系统包括：耦入光栅，波导片和耦出光栅；
所述耦入光栅，用于将所述4f滤波系统的出射光线耦入所述波导片；
所述波导片，用于将耦入的光线传输至所述耦出光栅；
所述耦出光栅，用于将传输至所述耦出光栅的光线耦出至所述人眼。
在一个实施例中，优选地，所述显示系统包括：反射镜和全息光学元件；
所述反射镜，用于将所述4f滤波系统的出射光线反射至所述全息光学元件；
所述全息光学元件，用于将传输至所述全息光学元件的光线衍射后入射到所述人眼。
在一个实施例中，优选地，所述显示系统包括：反射镜和半透半反镜；
所述反射镜，用于将所述4f滤波系统的出射光线反射至所述半透半反镜；
所述半透半反镜，用于将传输至所述半透半反镜的光线反射至所述人眼。
在一个实施例中，优选地，所述三维图像包含视频流。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任一项所述的全息光场的三维显示装置。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，通过全息三维算法得到三维全息图，并通过微显示器，4f滤波系统和显示系统耦出至人眼，从而实现真实的三维立体的显示效果，给用户带来真实的舒适的增强现实的体验。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种全息光场的三维显示装置的结构示意。
图2是根据一示例性实施例示出一种三维全息图的示意图。
图3是根据一示例性实施例示出另一种三维全息图的示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种全息光场的三维显示装置的具体结构示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种全息光场的三维显示装置中图像处理系统的结构示意图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种全息光场的三维显示装置的示意图。
图7是根据一示例性实施例示出的另一种全息光场的三维显示装置的示意图。
图8是根据一示例性实施例示出的又一种全息光场的三维显示装置的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种全息光场的三维显示装置的结构示意。如图1所示，全息光场的三维显示装置，用于增强现实显示设备，所述全息光场三维显示装置包括：图像处理系统11，4f滤波系统12和显示系统13；
所述图像处理系统11，用于获取三维图像，并采用全息三维算法对所述三维图像进行处理，得到三维全息图，并显示出所述三维全息图。在一个实施例中，优选地，所述三维图像包含视频流。采用以下三维全息图的计算方法：
如图2所示，可以通过设置的小透镜阵列来获得三维全息图，具体地，当透镜的设置方向与参考光的照射方向相反时，则三维全息图的计算公式为：
其中，H表示所述三维全息图，imx,y表示任一小透镜的光场图像， 
为相位因子，作用等效于小透镜阵列，
为参考光相位。
其中，
表示相位因子，
表示参考光的波长，x表示小透镜的x方向的坐标，y表示小透镜的y方向的坐标,
表示所述小透镜的焦距；
其中，
表示所述参考光的相位，
表示参考光的波长，y表示小透镜的y方向的坐标，表示参考光与水平方向在hy平面的夹角。
其中，小透镜阵列中的每个小透镜都对应一个单元的光场图像
，采用上述公式计算每个单元的三维全息图，再将所有的单元图像合成整个三维全息图。
如图3所示，当透镜的设置方向与参考光的照射方向相同时，则三维全息图的计算公式为：
其中，H表示所述三维全息图，imx,y表示任一小透镜的光场图像，
为相位因子，作用等效于小透镜阵列，
为参考光相位。
其中，
表示相位因子，
表示参考光的波长，x表示小透镜的x方向的坐标，y表示小透镜的y方向的坐标,
表示所述小透镜的焦距；
其中，
表示所述参考光的相位，
表示参考光的波长，y表示小透镜的y方向的坐标，。
其中，小透镜阵列中的每个小透镜都对应一个单元的光场图像
，采用上述公式计算每个单元的三维全息图，再将所有的单元图像合成整个三维全息图。
当然，也可以采用相关技术中的其他三维全息图的计算方法进行计算，在此不做限制。
所述4f滤波系统12，用于对所述图像处理系统显示出的三维全息图进行滤波处理和准直处理后射入所述显示系统。
所述显示系统13，用于将射入所述显示系统的光线进行传输，并耦出至人眼。
在该实施例中，通过图像处理系统11计算并显示三维全息图，并通过4f滤波系统12和显示系统13耦出至人眼，从而实现真实的三维立体的显示效果，给用户带来真实的舒适的增强现实的体验。
图4是根据一示例性实施例示出的一种全息光场的三维显示装置的具体结构示意。
如图4所示，在一个实施例中，优选地，所述4f滤波系统12包括：第一透镜41、滤波器42和第二透镜43，所述第一透镜41、所述滤波器42和所述第二透镜43沿光线进入所述显示系统的方向依次排列设置。
在一个实施例中，优选地，所述第一透镜41，用于将进入的光线汇聚到焦点；
所述滤波器42，用于滤除所述光线中除一级光之外的其他级次的光线；
所述第二透镜43，用于将滤除后得到的一级光准直成平行光线。
如图5所示，在一个实施例中，优选地，所述图像处理系统11包括：照明系统51和微显示器52，所述照明系统51包括光源511和偏振分光元件512，所述光源511发出的光经过所述偏振分光元件512反射至所述微显示器52，使所述微显示器52显示所述三维全息图，并使所述三维全息图经过所述偏振分光元件512到达所述4f滤波系统12。
在一个实施例中，优选地，所述微显示器52包括反射式硅基液晶显示器或反射式数字微镜显示器。
其中，显示系统可以包括几种不同的实施方式，下面结合附图进行详细说明。
实施例一
如图6所示，在一个实施例中，优选地，所述显示系统13包括：耦入光栅61，波导片62和耦出光栅63。
图6的具体光路原理为：光源511（LED灯）发出的光经过偏振分光元件512反射照明反射式硅基液晶52，反射式硅基液晶52加载上述三维全息图，再次经过偏振分光元件512，利用第一透镜41，滤波器42和第二透镜43组成的4f滤波系统12滤掉除一级光之外的其他级次的光，并准直成平行光入射到耦入光栅61，耦入光栅61将光线耦入所述波导片62，波导片62将耦入的光线传输至所述耦出光栅63，耦出光栅63将传输至所述耦出光栅63的光线耦出至所述人眼。
实施例二
如图7所示，在一个实施例中，优选地，所述显示系统13包括：反射镜71和全息光学元件72。
图7的具体光路原理为：光源511（LED灯）发出的光经过偏振分光元件512反射照明反射式硅基液晶52，反射式硅基液晶52加载上述三维全息图，再次经过偏振分光元件512，利用第一透镜41，滤波器42和第二透镜43组成的4f滤波系统12滤掉除一级光之外的其他级次的光，并准直成平行光入射到反射镜71，反射镜71将所述4f滤波系统12的出射光线反射至所述全息光学元件72，所述全息光学元件72将传输至所述全息光学元件72的光线衍射后入射到所述人眼。
实施例三
如图8所示，在一个实施例中，优选地，所述显示系统13包括：反射镜81和半透半反镜82。
图8的具体光路原理为：光源511（LED灯）发出的光经过偏振分光元件512反射照明反射式硅基液晶52，反射式硅基液晶52加载上述三维全息图，再次经过偏振分光元件512，利用第一透镜41，滤波器42和第二透镜43组成的4f滤波系统12滤掉除一级光之外的其他级次的光，并准直成平行光入射到反射镜81，反射镜81将所述4f滤波系统12的出射光线反射至所述半透半反镜82，所述半透半反镜82将传输至所述半透半反镜82的光线反射至所述人眼。
通过上述实施方式，可以真正的实现三维立体的显示效果，且不会有聚焦和汇聚竞争冲突的问题发生，避免引起视觉疲劳问题，从而给用户带来真实的舒适的增强现实的体验。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任一项所述的全息光场的三维显示装置。
其中，增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种全息光场的三维显示装置，其特征在于，用于增强现实显示设备，所述全息光场三维显示装置包括：图像处理系统，4f滤波系统和显示系统；
所述图像处理系统，用于获取三维图像，并采用全息三维算法对所述三维图像进行处理，得到三维全息图，并显示出所述三维全息图；
通过设置的小透镜阵列来获得三维全息图，具体地，当透镜的设置方向与参考光的照射方向相反时，则三维全息图的计算公式为：
其中，H表示所述三维全息图，imx,y表示任一小透镜的光场图像，
为相位因子，作用等效于小透镜阵列，
为参考光相位；
其中，
表示相位因子，λ表示参考光的波长，x表示小透镜的x方向的坐标，y表示小透镜的y方向的坐标，f表示所述小透镜的焦距；
其中，
表示所述参考光的相位，λ表示参考光的波长，y表示小透镜的y方向的坐标，θ hy 表示参考光与水平方向在hy平面的夹角，其中，hy平面为y轴和水平轴组成的平面；
其中，小透镜阵列中的每个小透镜都对应一个单元的光场图像im x,y ，采用上述公式计算每个单元的三维全息图，再将所有的单元图像合成整个三维全息图；
当透镜的设置方向与参考光的照射方向相同时，则三维全息图的计算公式为：
其中，H表示所述三维全息图，im x,y 表示任一小透镜的光场图像，
为相位因子，作用等效于小透镜阵列，
为参考光相位；
其中，
表示相位因子，λ表示参考光的波长，x表示小透镜的x方向的坐标，y表示小透镜的y方向的坐标，f表示所述小透镜的焦距；
其中，
表示所述参考光的相位，λ表示参考光的波长，y表示小透镜的y方向的坐标，θ hy 表示参考光与水平方向在hy平面的夹角；其中，hy平面为y轴和水平轴组成的平面；
其中，小透镜阵列中的每个小透镜都对应一个单元的光场图像im x,y ，采用上述公式计算每个单元的三维全息图，再将所有的单元图像合成整个三维全息图；
所述4f滤波系统，用于对所述图像处理系统显示出的三维全息图进行滤波处理和准直处理后射入所述显示系统；
所述显示系统，用于将射入所述显示系统的光线进行传输，并耦出至人眼。
2.根据权利要求1所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，所述4f滤波系统包括：第一透镜、滤波器和第二透镜，所述第一透镜、所述滤波器和所述第二透镜沿光线进入所述显示系统的方向依次排列设置。
3.根据权利要求2所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，
所述第一透镜，用于将进入的光线汇聚到焦点；
所述滤波器，用于滤除所述光线中除一级光之外的其他级次的光线；
所述第二透镜，用于将滤除后得到的一级光准直成平行光线。
4.根据权利要求1所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，所述图像处理系统包括：照明系统和微显示器，所述照明系统包括光源和偏振分光元件，所述光源发出的光经过所述偏振分光元件反射至所述微显示器，使所述微显示器显示所述三维全息图，并使所述三维全息图经过所述偏振分光元件到达所述4f滤波系统。
5.根据权利要求4所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，所述微显示器包括反射式硅基液晶显示器或反射式数字微镜显示器。
6.根据权利要求1所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，所述显示系统包括：耦入光栅，波导片和耦出光栅；
所述耦入光栅，用于将所述4f滤波系统的出射光线耦入所述波导片；
所述波导片，用于将耦入的光线传输至所述耦出光栅；
所述耦出光栅，用于将传输至所述耦出光栅的光线耦出至所述人眼。
7.根据权利要求1所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，所述显示系统包括：反射镜和全息光学元件；
所述反射镜，用于将所述4f滤波系统的出射光线反射至所述全息光学元件；
所述全息光学元件，用于将传输至所述全息光学元件的光线衍射后入射到所述人眼。
8.根据权利要求1所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，所述显示系统包括：反射镜和半透半反镜；
所述反射镜，用于将所述4f滤波系统的出射光线反射至所述半透半反镜；
所述半透半反镜，用于将传输至所述半透半反镜的光线反射至所述人眼。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的全息光场的三维显示装置，其特征在于，所述三维图像包含视频流。
10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至9中任一项所述的全息光场的三维显示装置。
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