CN111580276A - 基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置和方法，属于三维显示技术领域。装置包括：平行设置的至少两层定向散射波导，定向散射波导内部为光学透明介质，其入射端设有耦入光栅，出射端设有定向散射元件；显示图像源，包括准直光路，显示图像源与控制器通讯连接，将控制器端需要显示的图像以平面波的形式投射到定向散射波导的耦入光栅；反射式全息透镜，位于距离人眼远端的定向散射波导的外表面，其光轴与所有定向散射元件的中心处于同一直线上，将所有定向散射波导显示的图像成像到人眼的明视距离以外。解决了现有多层光场近眼显示的图像质量和亮度偏低的问题。

Description

基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置和方法
技术领域
本发明涉及三维显示技术领域，具体地说，涉及一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置和方法。
背景技术
智能手机作为一种便携式计算终端，其销量已经陷入停滞，各大消费电子产品厂商都在寻找便携式计算终端下一阶段的增长点。从Google Glass的惊艳登场，再到Microsoft Hololens在工业生产、军事训练的运用，增强现实近眼显示展现了其有望成为下一代便携式计算平台的潜力。首先，近眼显示以头盔或者眼镜这些便于穿戴的形式解放了用户的双手，更提供了远远大于手机和平板电脑的显示区域；其次，近眼显示技术能够为用户提供具备深度线索的显示内容，相比于手机和平板电脑等二维显示设备，近眼显示极大提高了用户的视觉和交互体验。
市面上现有的近眼显示设备大都只能通过显示具有双目视差的图像向用户提供部分深度线索，这种方法会造成所谓的“视觉辐辏-调节冲突”，即人眼双目视线的交点和晶状体的对焦点不一致。用户在长时间观看这种视差线索和聚焦线索不匹配的显示内容会产生诸如晕眩、恶心等视觉不适反应。
根据光场重构理论，若从空间任一重构点发出的两条光线同时进入瞳孔，则该瞳孔所在的晶状体能够调节焦距到该重构点上，从而呈现深度线索。现有文献(参见MaimoneA，Fuchs H.Computational augmented reality eyeglasses[C]//Mixed and AugmentedReality(ISMAR)，2013 IEEE International Symposium on IEEE，2013:29-38.和Fu-Chung，Huang，Kevin，et al.The light field stereoscope:immersive computergraphics via factored near-eye light field displays with focus cues[J].ACMTransactions on Graphics(TOG)，2015.)分别提出一种基于多层液晶屏结构的增强现实和虚拟现实近眼显示装置和方法，使用堆叠的液晶屏作为空间光调制器合成随用户视点移动而变化的图像，能够同时呈现深度线索和立体视差，从而解决视觉辐辏-调节冲突。
然而上述结构存在如下缺陷：1、由于液晶屏像素的周期性结构，背光源或真实世界发出的光线会发生衍射从而使得显示图像的质量大幅下降；2、多层液晶屏的低透过率使得来自背光源或真实世界的光线强度大大降低，特别不利于其在增强现实近眼显示中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置和方法，以解决现有多层光场近眼显示的图像质量和亮度偏低的问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明的基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置，包括：
平行设置的至少两层定向散射波导，定向散射波导内部为光学透明介质，其入射端设有耦入光栅，出射端设有定向散射元件；
显示图像源，包括准直光路，所述显示图像源与控制器通讯连接，将所述控制器端需要显示的图像以平面波的形式投射到所述定向散射波导的耦入光栅；
反射式全息透镜，位于距离人眼瞳孔远端的定向散射波导的外表面，其光轴与所有定向散射元件的中心处于同一直线上，将所有定向散射波导显示的图像成像到人眼的明视距离以外；
曝光所有定向散射波导的耦入光栅、定向散射元件以及反射式全息透镜所用的光源和显示图像源具有相同的波长。
上述技术方案中，通过耦入光栅将来自显示图像源的光线耦入到光学透明介质中，由平行光源产生的参考光和信号光在光学透明介质的一端的光敏材料干涉后曝光形成；通过定向散射元件将在光学透明介质中传播的光线以一定的散射角散射，由平行光源产生的参考光和经过散射介质的信号光在光学透明介质的另一端上的光敏材料上发生干涉后曝光形成。利用波分复用的方法可以在同一片光学透明介质上曝光出多个波长的耦入光栅和定向散射元件，从而实现彩色显示。通过反射式全息透镜将多层定向散射波导显示的图像成像到人眼的明视距离以外并且放大多层定向散射波导的间隔从而扩大显示的景深，而不改变来自真实世界的光线。
最终人眼看到的是这些投影图像合成的四维光场的放大虚像。显示的效果是，当人眼球转动或移动时，可以观察到具有视差的场景，并且可以自由地通过调节眼球的晶状体看清远处和近处的场景。反射式全息透镜由来自平行光源通过散射介质产生的参考光和汇聚球面波的信号光在多层定向散射波导距离用户眼睛最远一端上的光敏材料上发生干涉后曝光形成。利用波分复用的方法可以在定向散射波导的同一端上曝光出多个波长的反射式全息透镜。
可选地，在一个实施例中，显示图像源的显示元件可以是激光光源与空间光调制器或者宽光谱LED显示芯片与特定波长的滤光片。
显示图像源的波长与曝光所有定向散射波导的耦入光栅和定向散射元件以及反射式全息透镜所用的光源一致；
控制器端连接显示图像源的驱动电路，依据优化方法计算出每层定向散射波导需要显示的图像，并将需要显示的图像上载到显示图像源，准直光路将显示图像源显示的图像投射到定向散射波导的耦入光栅上。实现基于多层定向散射波导的近眼三维显示。
可选地，在一个实施例中，显示图像源的数量与定向散射波导的数量对应，每个显示图像源的准直光路投射到对应定向散射波导的耦入光栅上。
可选地，在一个实施例中，每两个或三个定向散射波导共用一个显示图像源，显示图像源安装于其中一个定向散射波导的入射端的入射光路上，利用光切换装置以时分复用的方式向每层定向散射波导投影相应的图像。
当两个或三个定向散射波导共用一个显示图像源时，显示图像源可安装于任意一个定向散射波导的入射端的入射光路上。
可选地，在一个实施例中，光切换装置可以是偏振分束镜或转镜等分光元件。
可选地，在一个实施例中，耦入光栅和定向散射元件均由透明连续均匀的光敏材料组成。避免了液晶屏像素周期性结构造成的衍射导致的图像质量下降问题。本装置显示的像素密度取决于显示图像源的像素间距和显示图像源到定向散射波导的距离。
此外，在上述近眼光场显示装置的基础上，本发明还提供了一种近眼光场显示眼镜和虚拟现实设备，其中，近眼光场显示眼镜包括镜框和设置在所述镜框上的近眼光场显示装置，所述近眼光场显示装置为上述近眼光场显示装置。镜框用来固定多层定向散射波导和显示图像源，质量轻巧，易于佩戴，将重心尽量靠近佩戴者以提高使用舒适感。
虚拟现实设备包括可固定在人头部的外壳和设置在外壳内的近眼光场显示装置，近眼光场显示装置为上述近眼光场显示装置，外壳采用不透光材料制成。
第二方面，本发明的基于多层定向散射波导的近眼光场显示方法，基于上述近眼光场显示装置实现，且包括以下步骤：
1)根据人眼的瞳孔大小、瞳孔转动和移动范围，设置能够消除辐辏-调节冲突的视点分布；
2)依据需要显示的三维场景，获取在不同视点观察到的透视投影图像，得到目标四维光场；
3)依据所述近眼光场显示装置的结构，获取重构四维光场的范围和方向；
4)利用即时代数重构技术，计算出每一层定向散射波导需要显示的图像，实现近眼三维显示。
其中，步骤1)中，视点分布包括视点的排布形状、数量和间隔；且设置至少两个视点，保证从某一三维重构点至少有两根光线同时进入瞳孔，人眼就可以聚焦在该点处。步骤3)中，近眼光场显示装置的结构包括定向散射波导的层数、间隔，和定向散射角的大小，以及反射式全息透镜的投影面尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
本发明的每层定向散射波导的显示方式为自发光型，大大提高了显示亮度，使得其更加适合在明亮的户外环境使用；本发明的近眼光场显示装置只对来自显示图像源的窄光谱光线发生作用，不会影响来自真实世界的宽光谱光线，非常适合应用于增强现实型近眼显示设备中。总而言之，就是在解决视觉辐辏-调节冲突的基础上，提高了多层光场近眼显示的图像的质量和亮度。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中消除辐辏-调节冲突的原理示意图；
图3为本发明实施例2中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意图；
图4为本发明实施例3中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意图；
图5为本发明实施例4中基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。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。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
参见图1，本实施例的基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置包括平行设置的定向散射波导100和200，分别与定向散射波导100和200对应的显示图像源101和201，位于定向散射波导200外表面上的反射式全息透镜600。显示图像源101和201与控制器400通讯连接。
定向散射波导100和200的内部为光学透明介质，定向散射波导100的入射端设有耦入光栅102，出射端设有定向散射元件103，定向散射波导200的入射端设有耦入光栅202，出射端设有定向散射元件203。
两个显示图像源均包括显示元件和准直光路。显示元件发出的光线波长和曝光多层定向散射波导的耦入光栅和定向散射元件所用的光源一致，显示元件可以是激光光源与空间光调制器或者宽光谱LED显示芯片与特定波长的滤光片。控制器端将需要显示的图像上载到显示元件，准直光路将显示元件显示的图像以平面波的形式投射到定向散射波导的耦入光栅上。
本实施例的近眼显示装置离瞳孔002距离约为12mm,与普通眼镜到人眼距离相当。来自显示图像源的光线经过波导传输到定向散射元件发生散射。不同方向和强度的光线散射时与靠近反射式全息透镜的定向散射元件的交点不同，最终对四维光场产生调制，合成随视点变化而变化的透视投影图像。
设显示图像源101发出的光线在定向散射元件103发生散射后形成的光强分布为I1(Px,Py)；显示图像源201发出的光线在定向散射元件203发生散射后形成的光强分布为I2(Qx,Qy)；则到达反射式全息透镜的光强分布为L(Px,Py,Qx,Qy)＝I1(Px,Py)+I2(Qx,Qy)。该光强分布最终被反射式全息透镜成像到人眼的明视距离以外，人眼看到的是该光强分布的放大虚像。
为了体现定向散射元件散射角θd的约束，可以用一个二维坐标平面和两个夹角的方式来对四维光场的表达式进行参数化。设显示图像源101发出的光线在定向散射元件103发生散射后形成的光强分布为I1(x,y),这些光线在x方向和y方向分别以θx和θy传播后到达定向散射元件203，θx和θy的绝对值小于θd。设定向散射元件103和定向散射元件203的间隔为h，则显示图像源201发出的光线在定向散射元件203发生散射后形成的分布为I2(x+htanθx,y+htanθy)的光强和I1(x,y)的叠加调制了由参数(x,y,θx,θy)唯一确定的光线L，即到达反射式全息透镜的光强分布为L(x,y,θx,θy)＝I1(x,y)+I2(x+htanθx,y+htanθy)，|θx|,|θy|≤θd。
生成的优化图像即为最小二乘问题min||Lt(x,y,θx,θy)-L(x,y,θx,θy)||的解，Lt(x,y,θx,θy)表示目标四维光场。
图2为本实施例中近眼光场显示装置消除辐辏-调节冲突的原理示意图，瞳孔002通过被反射式全息透镜600放大的定向散射元件103和203的虚像104和204，观察重构场景500。
在瞳孔002的位置固定时，在其中水平方向的表面上依次放置视点A、视点B和视点C，同理在垂直纸面方向上，也摆放至少2个视点，使得该三维显示装置具有水平视差和垂直视差。
由于该多层近眼显示装置距离人眼很近，瞳孔的大小不可忽略。通过两层定向散射元件调制的不同方向和强度的光线入射到预设的不同视点位置，人眼观察到的是这些光线的反向延长线的交点P，P点即为该装置需要显示的三维场景中的某一重构点。对于该重构点，至少有两条光线进入到瞳孔002中，那么用户依靠单眼就可以聚焦在该重构点处，从而消除传统近眼显示技术中存在的辐辏-调节冲突。
把这种不同定向散射波导对应的显示图像源位于不同空间位置的分布方式称为空分复用形式。理论上定向散射波导的层数越多，重构出的光场越接近目标光场，可以观察到的景深也越大。但是随着层数的增加，需要优化的图像像素变多，优化时间将显著增加，整个装置也变得厚重。
实施例2
参见图3，本实施例的近眼光场显示装置包括平行设置的两层定向散射波导100和200，两个定向散射波导通过偏振片205、TN(扭曲向列twisted nematic)液晶盒206、偏振分束镜207和反射镜107共用一个显示图像源201，该显示图像源201和TN液晶盒206通讯连接控制器400。利用人眼的视觉暂留特性，通过时分复用的方式可以减少使用的显示图像源数量。通常把这种以时序方式叠加显示图像的方法称为场显示。对于这种多层显示装置，把投影某一四维光场的全部多层重构图像的总时间称为一个显示场周期。实现该方法要求TN液晶盒206的响应时间乘以定向散射波导层数的积再加上所有重构图像的显示时间的总和不得超过人眼的闪烁融合阈值频率的倒数(约为30毫秒)。
本实施例的显示图像源201设置在定向散射波导200的耦入光栅的入射光路上，在显示图像源201出射处依次放置了偏振片205、TN液晶盒206和偏振分束镜207，并在定向散射波导100的耦入光栅的入射光路上设置反射镜107。偏振片205的作用是将显示图像源201发射的光波的偏振态过滤为水平或者竖直偏振。当施加一定的电压于TN液晶盒206时，通过TN液晶盒206的入射光波的偏振态不会改变；而当电压撤去后，通过TN液晶盒206的入射光波的偏振会被旋转90度。偏振分束镜207的作用是将偏振态为水平偏振和竖直偏振的入射光波分别出射到不同方向。这里以偏振片205将显示图像源201出射光波的偏振态过滤为水平偏振为例。在一个显示场的前半个周期内，对TN液晶盒206不施加电压，显示图像源201显示定向散射波导100对应的优化图像，该优化图像的光波的偏振态通过TN液晶盒206后变为竖直偏振，然后被偏振分束镜207反射到反射镜107上，最后入射到定向散射波导100的耦入光栅102上；在一个显示场的后半个周期内，对TN液晶盒206施加电压，显示图像源201显示定向散射波导200对应的优化图像，该优化图像的光波的偏振态通过TN液晶盒206后仍为水平偏振，然后直接通过偏振分束镜207入射到定向散射波导200的耦入光栅202上，此时一个显示场周期结束。这样人眼在一个显示场周期内观察到的是前后层图像的叠加。对于偏振片205将显示图像源201出射光波的偏振态过滤为竖直偏振的情况，只需将偏振分束镜207翻转使得出射光波的偏振态对应两层定向散射波导需要显示图像的光波偏振态即可。
本实施例的其余组件和原理均与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例3
参见图4，本实施例的近眼光场显示装置包括平行设置的三层定向散射波导100、200和300。在实施例1的基础上，增加了定向散射波导300及其对应的显示图像源301，定向散射波导300的内部为光学透明介质，其入射端设有耦入光栅302，出射端设有定向散射元件303。该实施例显示的图像叠加到达反射式全息透镜的光强分布为L(x,y,θx,θy)＝I1(x,y)+I2(x+h12tanθx,y+h12tanθy)+I3(x+h23tanθx,y+h23tanθy)，|θx|,|θy|≤θd，h12为定向散射波导100和200的间隔，h23为定向散射波导200和300的间隔。
本实施例的其余组件和原理均与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例4
参见图5，本实施例的近眼光场显示装置包括平行设置的三层定向散射波导100、200和300，三个定向散射波导通过偏振片305，两个TN液晶盒206、306，两个偏振分束镜207、307和一个反射镜107共用一个显示图像源301，该显示图像源301和TN液晶盒206、306通讯连接控制器400。本实施例的显示图像源301设置在定向散射波导300的耦入光栅的入射光路上，并在定向散射波导100的耦入光栅的入射光路上设置反射镜107，在定向散射波导200的耦入光栅的入射光路上设置TN液晶盒206和偏振分束镜207，在定向散射波导300的耦入光栅的入射光路上设置偏振片305、TN液晶盒306和偏振分束镜307。显示图像源301需要在一个显示场内先后显示定向散射波导100、200和300对应的图像，同时TN液晶盒206、306上施加或不施加电压使得定向散射波导100、200和300需要显示的优化图像投影到各自的入射光路中。三层时分复用型定向散射波导近眼显示装置所增加的器件类型相比实施例2中两层时分复用型定向散射波导近眼显示装置都是相同的，此处不再赘述。
实施例5
本实施例的基于多层定向散射波导的近眼光场显示方法包括以下步骤：
S100，根据人眼的瞳孔大小、瞳孔转动和移动范围，设置能够消除辐辏-调节冲突的视点分布；视点分布包括视点的排布形状、数量和间隔；且设置至少两个视点，保证从某一三维重构点至少有两根光线同时进入瞳孔，人眼就可以聚焦在该点处；
S200，依据需要显示的三维场景，获取在不同视点观察到的透视投影图像，得到目标四维光场；
S300，依据所述近眼光场显示装置的结构，获取重构四维光场的范围和方向；近眼光场显示装置的结构包括定向散射波导的层数和间隔，以及反射式全息透镜的投影面尺寸；
S400，利用即时代数重构技术，计算出每一层定向散射波导需要显示的图像，实现近眼三维显示。
应用例1
本应用例的近眼光场显示眼镜包括镜框和设置在镜框上的近眼光场显示装置，该近眼光场显示装置为实施例1-4中任一近眼光场显示装置。镜框用来固定多层定向散射波导和显示图像源，质量轻巧，易于佩戴，将重心尽量靠近佩戴者以提高使用舒适感。
应用例2
本应用例的虚拟现实设备包括可固定在人头部的外壳和设置在外壳内的近眼光场显示装置，近眼光场显示装置为实施例1-4中任一近眼光场显示装置，外壳采用不透光材料制成。

Claims (8)

1.一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示装置，其特征在于，包括：
平行设置的至少两层定向散射波导，所述定向散射波导内部为光学透明介质，其入射端设有耦入光栅，出射端设有定向散射元件；
显示图像源，包括准直光路，所述显示图像源与控制器通讯连接，将所述控制器端需要显示的图像以平面波的形式投射到所述定向散射波导的耦入光栅；
反射式全息透镜，位于距离人眼远端的定向散射波导的外表面，其光轴与所有定向散射元件的中心处于同一直线上，将所有定向散射波导显示的图像成像到人眼的明视距离以外；
曝光所有定向散射波导的耦入光栅、定向散射元件以及反射式全息透镜所用的光源和显示图像源具有相同的波长。
2.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述的显示图像源的数量与所述定向散射波导的数量对应，每个显示图像源的准直光路将显示的图像投射到对应定向散射波导的耦入光栅上。
3.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，每两个或三个定向散射波导共用一个所述的显示图像源，所述显示图像源安装于其中一个定向散射波导的入射端的入射光路上，利用光切换装置以时分复用的方式向每层定向散射波导投影相应的图像。
4.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述的耦入光栅和所述的定向散射元件均由透明连续均匀的光敏材料组成，所述耦入光栅将来自所述显示图像源的光线耦合到所述定向散射波导内部的光学透明介质中，由平行光源产生的参考光和信号光在光学透明介质的一端的光敏材料上干涉后曝光而成；所述定向散射元件将在光学透明介质中传播的光线以一定的散射角散射出波导，由平行光源产生的参考光和经过散射介质的信号光在光学透明介质的另一端的光敏材料上干涉后曝光而成。
5.一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示眼镜，包括镜框和设置在所述镜框上的近眼光场显示装置，其特征在于，所述近眼光场显示装置为权利要求1-4中任一权利要求所述的近眼光场显示装置。
6.一种基于多层定向散射波导的虚拟现实设备，包括可固定在人头部的外壳和设置在所述外壳内的近眼光场显示装置，其特征在于，所述近眼光场显示装置为权利要求1-4中任一权利要求所述的近眼光场显示装置，所述外壳采用不透光材料制成。
7.一种基于多层定向散射波导的近眼光场显示方法，基于权利要求1-4中任一权利要求所述的近眼光场显示装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据人眼的瞳孔大小、瞳孔转动和移动范围，设置能够消除辐辏-调节冲突的视点分布；
2)依据需要显示的三维场景，获取在不同视点观察到的透视投影图像，得到目标四维光场；
3)依据所述近眼光场显示装置的结构，获取重构四维光场的范围和方向；
4)利用即时代数重构技术，计算出每一层定向散射波导需要显示的图像，实现近眼三维显示。
8.根据权利要求7所述的近眼光场显示方法，其特征在于，步骤1)中，视点分布包括视点的排布形状、数量和间隔；且设置至少两个视点；步骤3)中，所述近眼光场显示装置的结构包括定向散射波导的层数、间隔，和定向散射角的大小，以及反射式全息透镜的投影面尺寸。
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