CN111624784B - 一种光场显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光场显示装置，涉及显示技术领域，该光场显示装置可以解决因单眼聚焦深度与双眼汇聚深度不一致引起的视觉疲劳，避免用户产生眩晕感。一种光场显示装置包括：显示屏和设置在显示屏出光侧的透镜单元；其中，透镜单元包括阵列排布的多个透镜；显示屏设置在多个透镜的焦面上；显示屏包括对盒的第一基板和第二基板；第一基板为出光侧基板，第二基板包括阵列排布的多个像素岛，像素岛包括至少一个子像素；多个像素岛与多个透镜对应；像素岛的子像素发出的光线经对应的透镜传播到人眼形成的视图区域小于等于半瞳孔区域，且像素岛中不同子像素发出的不同视点的光线经透镜射入不同的视锥细胞。本发明适用于光场显示装置的制作。

Description

一种光场显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种光场显示装置。
背景技术
人眼在观察现实世界的时候，依靠双目视差产生立体视觉。依据该原理，科研人员研究出基于视差的3D显示装置，例如：VR(Virtual Reality，虚拟现实)显示装置。参考图1所示，用户在观看基于视差的3D显示装置时，单眼聚焦在显示屏上，而用户实际看到的立体图像位于不同深度的平面上；即单眼聚焦深度与双眼汇聚深度不一致，这会造成视觉疲劳，进而使用户产生眩晕等不良体验。
发明内容
本发明的实施例提供一种光场显示装置，该光场显示装置可以解决因单眼聚焦深度与双眼汇聚深度不一致引起的视觉疲劳，避免用户产生眩晕感。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，提供了一种光场显示装置，该装置包括：显示屏和设置在所述显示屏出光侧的透镜单元；
其中，所述透镜单元包括阵列排布的多个透镜；所述显示屏设置在多个所述透镜的焦面上；
所述显示屏包括对盒的第一基板和第二基板；所述第一基板为出光侧基板，所述第二基板包括阵列排布的多个像素岛，所述像素岛包括至少一个子像素；多个所述像素岛与多个所述透镜对应；
所述像素岛的所述子像素发出的光线经对应的所述透镜传播到人眼形成的视图区域小于等于半瞳孔区域，且所述像素岛中不同所述子像素发出的不同视点的光线经所述透镜射入不同的视锥细胞。
可选的，所述透镜为球面透镜，且多个所述透镜紧密设置；
所述透镜的口径D满足：
Figure GDA0003712176320000011
其中，L为实际观看距离，N为视点数，且N≥2，ε为人眼极限分辨角。
可选的，令N＝2，所述透镜口径的最小值
Figure GDA0003712176320000021
可选的，第一观看距离LF满足：
Figure GDA0003712176320000022
所述透镜的焦距f满足：
Figure GDA0003712176320000023
所述透镜的放置高度t满足：
t＝nf；
其中，a为所述显示屏的长边值，e为人眼的瞳距，p为所述显示屏的像素间距，Φ为人眼的瞳孔直径，ω为所述透镜的视场角，s为预设可移动距离，n为所述透镜的折射率。
可选的，所述光场显示装置的可视空间形状为圆台；
所述圆台包括相对的顶圆和底圆，所述底圆比所述顶圆靠近所述显示屏；
所述底圆的直径为人眼的瞳距、且小于所述顶圆的直径d；
所述顶圆的直径d满足：
Figure GDA0003712176320000024
其中，D为所述透镜的口径，Φ为人眼的瞳孔直径，p为所述显示屏的像素间距。
可选的，所述光场显示装置的可视空间形状为拼接的第一圆台和第二圆台，所述第一圆台比所述第二圆台靠近所述显示屏；
所述第一圆台包括相对的底圆和拼接圆，所述第二圆台包括相对的所述拼接圆和顶圆；
所述底圆的直径为人眼的瞳距e、且分别小于所述顶圆的直径d和所述拼接圆的直径d2；
所述顶圆的直径d满足：
Figure GDA0003712176320000031
所述拼接圆的直径d2满足：
Figure GDA0003712176320000032
所述第一圆台的高度h1满足：
Figure GDA0003712176320000033
所述第二圆台的高度h2满足：
h2＝s-h1；
其中，D为所述透镜的口径，Φ为人眼的瞳孔直径，p为所述显示屏的像素间距，f为所述透镜的焦距，ω为所述透镜的视场角，a为所述显示屏的长边值，s为预设可移动距离。
可选的，第二观看距离LM满足：
Figure GDA0003712176320000034
其中，a为所述显示屏的长边值，e为人眼的瞳距，D为所述透镜的口径，f为所述透镜的焦距，ω为所述透镜的视场角。
可选的，第三观看距离LN满足：
Figure GDA0003712176320000035
其中，D为所述透镜的口径，e为人眼的瞳距，f为所述透镜的焦距，Lmin为最小安全距离。
可选的，所述光场显示装置的光场成像系统分辨率PPD满足：
Figure GDA0003712176320000041
其中，D为所述透镜的口径，L为实际观看距离。
可选的，各所述透镜的焦距相同。
可选的，各所述透镜的焦距沿第一方向递增，所述第一方向为从所述透镜单元的中心位置到边缘位置的方向。
本发明的实施例提供了一种光场显示装置，该装置包括：显示屏和设置在所述显示屏出光侧的透镜单元；其中，所述透镜单元包括阵列排布的多个透镜；所述显示屏设置在多个所述透镜的焦面上；所述显示屏包括对盒的第一基板和第二基板；所述第一基板为出光侧基板，所述第二基板包括阵列排布的多个像素岛，所述像素岛包括至少一个子像素；多个所述像素岛与多个所述透镜对应；所述像素岛的所述子像素发出的光线经对应的所述透镜传播到人眼形成的视图区域小于等于半瞳孔区域，且所述像素岛中不同所述子像素发出的不同视点的光线经所述透镜射入不同的视锥细胞。
该光场显示装置中，显示屏设置在多个透镜的焦面上，能够使得像素岛发出的光线准直，从而形成方向已知的光束(即空间上的光线场，简称光场)。该光场中，像素岛的子像素发出的光线经对应的透镜传播到人眼形成的视图区域小于等于半瞳孔区域，则单眼瞳孔上可以同时接收至少两个视点；由于像素岛中不同子像素发出的不同视点的光线经透镜射入不同的视锥细胞，则人眼可以识别同一时刻接收到的不同视点。那么，若该光场显示装置形成的不同视点反映不同的画面，则可以实现单眼的聚焦3D显示效果；此时，单眼不再聚焦于显示屏上，而是聚焦在所显示的3D图像上，从而实现单眼聚焦与双眼汇聚在同一个平面，进而解决因单眼聚焦深度与双眼汇聚深度不一致引起的视觉疲劳，避免用户产生眩晕感。
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为现有技术提供的一种单眼聚焦与双眼汇聚的示意图；
图2为人眼观看真实世界的单眼聚焦与双眼汇聚的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种单眼聚焦与双眼汇聚的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种光场显示装置发出的光线在瞳孔形成的视图区域示意图；
图5为本发明实施例提供的一种光场显示装置的结构示意图；
图6为图5的一种等效示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种光场显示装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的再一种光场显示装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种光场显示装置的可视区域的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种光场显示装置在瞳孔上形成两个视点的示意图；
图11为本发明实施例提供的一种光场显示装置在瞳孔上形成三个视点的示意图；
图12为本发明实施例提供的一种光场显示装置的不同位置透镜对应不同焦距的示意图；
图13为本发明实施例提供的又一种光场显示装置的结构示意图；
图14为图3中透镜单元的立体示意图；
图15为图14的局部放大图；
图16为显示屏加载不同深度的字母B的示意图；
图17为图16的显示效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的实施例中，采用“第一”、“第二”、“第三”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，仅为了清楚描述本发明实施例的技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本发明的实施例中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一
人眼观察真实世界时，参考图2所示，单眼聚焦深度与双眼汇聚深度在同一位置，不会产生眩晕感。而用户在观看基于视差的3D显示装置时，参考图1所示，单眼聚焦深度与双眼汇聚深度不一致，从而造成视觉疲劳，进而使用户产生眩晕等不良体验。
为了解决该问题，本发明实施例提供了一种光场显示装置。参考图13所示，该光场显示装置包括：显示屏1和设置在显示屏1出光侧的透镜单元2。其中，结合图14和图15，透镜单元2包括阵列排布的多个透镜3；显示屏设置在多个透镜的焦面上。
参考图13所示，显示屏1包括对盒的第一基板11和第二基板12，第一基板为出光侧基板，第二基板包括阵列排布的多个像素岛，像素岛包括至少一个子像素；多个像素岛与多个透镜对应。
像素岛的子像素发出的光线经对应的透镜传播到人眼形成的视图区域小于等于半瞳孔区域，且像素岛中不同子像素发出的不同视点的光线经透镜射入不同的视锥细胞。
上述阵列排布的多个透镜(lens)的尺寸较小，因此又可称为微透镜阵列。这里对于透镜的形状、尺寸不做具体限定，示例的，该透镜可以是球面透镜。
上述显示屏设置在多个透镜的焦面上，这样，显示屏发出的光线经过透镜后，转换成准直光线，从而形成方向已知的光束。上述显示屏包括第一基板和第二基板，第一基板为出光侧基板，则第二基板的发光面可以设置在多个透镜的焦面上。
上述第二基板包括阵列排布的多个像素岛，像素岛包括至少一个子像素。这里该子像素可以是红色子像素、绿色子像素或者蓝色子像素中的任一种。各像素岛可以同时包括红色子像素、绿色子像素或者蓝色子像素三种子像素；当然，也可以仅包括一种子像素，例如：仅包括多个红色子像素，或者仅包括多个绿色子像素，或者仅包括多个蓝色子像素。具体可以根据实际要求确定。
上述多个像素岛与多个透镜对应，示例的，多个像素岛与多个透镜是一一对应关系。
上述显示屏可以是刚性显示屏，也可以是柔性显示屏(即可弯曲、可折叠)；其类型可以是TN(Twisted Nematic，扭曲向列)型、VA(Vertical Alignment，垂直取向)型、IPS(In-Plane Switching，平面转换)型或ADS(Advanced Super Dimension Switch，高级超维场转换)型等液晶显示屏，还可以是OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)显示屏，还可以是Micro LED显示屏或者Mini LED显示屏；具体可以根据实际要求确定。
若上述显示屏为液晶显示屏，此时，第一基板可以是彩膜基板，第二基板可以是阵列基板；若上述显示屏为OLED显示屏，此时，第一基板可以是封装基板，第二基板可以是包括OLED单元的显示基板。
上述视锥细胞是一种人眼视细胞，位于视网膜内。因为它能接受光刺激，并将光能转换为神经冲动，故亦称光感受器。该视锥细胞的外节为圆锥状，故名视锥细胞。视锥细胞对强光和颜色具有高度的分辨能力。在视网膜的黄斑中央凹处，光线可直接到达视锥细胞。
下面说明光场显示的原理。
光场显示是一种真3D显示，能够实现与真实世界一样的真3D场景。一般将具有已知方向的光束叫做空间上的光线场(简称光场)。光场中，进入瞳孔的光束在空间上成像需要有交点，因此根据几何关系可知，需要有两个以上相邻子像素出射的准直光束同时进入单眼瞳孔(即单眼可以同时接收至少两个视点)。由此得到子像素发出的光线经过光学器件传播到瞳孔位置，形成的视图区域≤半瞳孔区域。参考图4所示，分别穿过相邻透镜的光束形成的像点在近屏处，例如：A1和A2，其中，A1是分别穿过透镜100和透镜101的光束形成的像点，A2是分别穿过透镜101和透镜102的光束形成的像点。而分别穿过相隔透镜的光束形成的像点在远屏处，例如：B1和B2，其中，B1是分别穿过透镜100和透镜102的光束形成的像点，B2是分别穿过透镜101和透镜103的光束形成的像点。图4中，显示屏设置在多个透镜形成的光学器件的焦面上，这样，显示屏的子像素发出的光线经过该光学器件后，可以转换成准直光束。
另外，要实现光场显示，还必须满足人眼可识别同时接收到的视点，这就要求不同视点的光线射入不同的视锥细胞。
基于上述原理得到本发明提供的光场显示装置，可以提供能被人眼识别的有效光线场。用户通过该光场显示装置观看3D画面时，参考图3所示，单眼聚焦与双眼汇聚在同一个平面(即单眼聚焦深度与双眼汇聚深度相同)，观看无眩晕感，从而避免现有技术中因单眼聚焦深度与双眼汇聚深度不一致引起的视觉疲劳。
同时，与直接用眼睛观看真实世界一样，用户可以通过人眼晶状体调焦，从而实现对显示画面的选择性聚焦，进而实现不同景深面的清晰模糊变换。结合图16和图17所示，采用图16中a图所示的显示屏和透镜单元，在显示屏上同时加载不同深度的字母B，其中，大B深度为200mm，中B深度为610mm，小B深度为1100mm。需要说明的是，图16中三个不同深度的字母B的实际大小是相同的，但是由于3个B到人眼距离的不同，视觉上感知近处的字母B较大，远处的字母B较小。相机拍摄效果与人眼类似，示例的，两个等大的物体，一个放在近处，一个放在远处，近处的用相机拍摄出的图像较大，而远处的用相机拍摄出的图像较小。为了便于描述，将深度为200mm、610mm和1100mm的字母B分别称为大B、中B和小B。
显示屏上的显示画面如图17中虚线以上显示的实物图；采用大光圈的相机调焦拍摄，来模拟人眼调焦，可以得到图17中虚线以下的画面。图17中a图表示，当相机聚焦大B时，得到清晰的大B画面，其余中B和小B模糊；相机拍摄的大B图与显示屏显示的大B图清晰度相同。图17中b图表示，当相机聚焦中B时，得到清晰的中B画面，其余大B和小B模糊；相机拍摄的中B图与显示屏显示的中B图清晰度相同。图17中c图表示，当相机聚焦小B时，得到清晰的小B画面，其余大B和中B模糊；相机拍摄的小B图与显示屏显示的小B图清晰度相同。图16和图17可以说明，该光场显示装置可以通过人眼晶状体调焦或大光圈的相机调焦拍摄，从而实现不同景深面的清晰模糊变换。
上述光场显示装置中，显示屏设置在多个透镜的焦面上，能够使得像素岛发出的光线准直，从而形成方向已知的光束(即空间上的光线场，简称光场)。该光场中，像素岛的子像素发出的光线经对应的透镜传播到人眼形成的视图区域小于等于半瞳孔区域，则单眼瞳孔上可以同时接收至少两个视点；由于像素岛中不同子像素发出的不同视点的光线经透镜射入不同的视锥细胞，则人眼可以识别同一时刻接收到的不同视点。那么，若该光场显示装置形成的不同视点反映不同的画面，则可以实现单眼的聚焦3D显示效果；此时，单眼不再聚焦于显示屏上，而是聚焦在所显示的3D图像上，从而实现单眼聚焦与双眼汇聚在同一个平面，进而解决因单眼聚焦深度与双眼汇聚深度不一致引起的视觉疲劳，避免用户产生眩晕感。
需要说明的是，图13-15仅示例性的示出了相关结构尺寸，实际中不限于此，具体可以根据实际显示屏的尺寸设计不同的光场显示装置。
为了实现像素岛中不同子像素发出的不同视点的光线经透镜射入不同的视锥细胞，从而使得不同的视点被人眼识别，可选的，上述透镜为球面透镜，且多个透镜紧密设置。透镜的口径D满足：
Figure GDA0003712176320000091
其中，L为实际观看距离，N为视点数，且N≥2，ε为人眼极限分辨角。
这里对于该透镜沿垂直于其主光轴方向的截面的形状不做限定，其可以是如图15所示的六边形，还可以是三角形、四边形、五边形等其它多边形。多个透镜紧密设置是指任意相邻两个透镜直接接触、紧密相连。
上述透镜的口径是指：透镜沿垂直于其主光轴方向的截面的内切圆的直径。示例的，若该透镜沿垂直于其主光轴方向的截面的形状为六边形，则该透镜的口径为该六边形的内切圆的直径。进一步的，若该六边形为正六边形，则该正六边形的内切圆的直径即为该正六边形的相对两个边之间的距离(即对边距)。示例的，图15中，该正六边形边长为461.9μm(0.4619mm)、对边距为800μm(0.800mm)。
参考图7所示，
Figure GDA0003712176320000092
以满足一个视锥细胞7只接收并识别一个视点，即保证相邻视点的光线不能落在同一个视锥细胞上。其中，α为透镜口径相对人眼的总夹角。同时，参考图7所示，根据几何关系可得：
Figure GDA0003712176320000101
整理这两个关系式，可得：
Figure GDA0003712176320000102
其中，L为实际观看距离，即透镜到人眼的距离。图7中，像素岛4发出的光线经透镜3放大后射入人眼6。需要说明的是，像素岛4设置在透镜3的焦面上，因此，透镜所成的像在无穷远处，图7仅示意性地绘示所成的像5；另外，为了清楚说明α和α/N，在图7中，标记五个点E、E1、E2、E3、E4，其中，α为∠E1EE4，α/N为∠E2EE3。
进一步的，由于人眼的极限分辨角范围为1′～2′，为满足多数人观看，选取人眼极限分辨角ε＝2′，可得：
Figure GDA0003712176320000103
上述光场显示装置的光场成像系统分辨率PPD(Pixel Per Degree)与透镜口径呈反比关系(具体关系式可参考后续相关说明)，因此为了获得最大化的分辨率，以实现更好地显示，可以设计透镜口径最小化。具体的，令N＝2，上述透镜口径的最小值
Figure GDA0003712176320000104
需要说明的是，观看距离不同带来的观看效果也不同。上述实际观看距离L可以是第一观看距离LF、第二观看距离LM和第三观看距离LN中的任一种。其中，第一观看距离LF(又称远距离观看距离)，可以满足远距离双眼或者单眼观看；此时，两眼视场重合，单眼和双眼均可观看全部显示屏；第二观看距离LM(又称中距离观看距离)，可以满足中距离双眼或者单眼观看；此时，两眼视场部分重合，采用单眼观看只能看到显示屏的一部分，采用双眼观看能看到全部显示屏。第三观看距离LN(又称近距离观看距离)，可以满足近距离双眼或者单眼观看；此时，两眼视场不重合，无论双眼还是单眼，都只能看到显示屏的一部分。即该光场显示装置可以实现三种不同观看距离的显示，从而满足不同用户的需求。
下面说明第一观看距离LF需要满足的关系式。
为了满足远距离双眼或者单眼观看(即两眼视场重合，双眼或者单眼均可观看全部显示屏)，第一观看距离LF满足：
Figure GDA0003712176320000111
透镜的焦距f满足：
Figure GDA0003712176320000112
透镜的放置高度t满足：t＝nf；其中，a为显示屏的长边值，e为人眼的瞳距，p为显示屏的像素间距，Φ为人眼的瞳孔直径，ω为透镜的视场角，s为预设可移动距离，n为透镜的折射率。
参考图5所示，
Figure GDA0003712176320000113
以保证单眼可以看到显示屏的所有子像素。参考图6所示，根据几何关系，△OA3B3与△OAB相似，则
Figure GDA0003712176320000114
又由于N≥2，整理这三个关系式，得到第一观看距离LF满足：
Figure GDA0003712176320000115
图5和图6中的L等效为第一观看距离LF。
若远距离观看的预设可移动距离为s，则
Figure GDA0003712176320000116
整理该关系式可得到：
Figure GDA0003712176320000117
若s＝200mm，则
Figure GDA0003712176320000118
需要说明的是，图5和图6绘示的是在等效空气场中的示意图，透镜与显示屏之间的距离用透镜的焦距f表示，实际中，透镜与显示屏之间还存在玻璃基板。因此，透镜的实际放置高度即放置高度t满足：t＝nf。
根据上述关系式，可以得到该光场显示装置的具体设计参数。以两款不同的高分辨率显示屏参数为例，再根据第一观看距离LF、焦距f、放置高度t和透镜口径的最小值Dmin满足的关系式，可以得到如表一所示的设计参数。
表一的设计一和设计二中，远距离观看的预设可移动距离s＝200mm，设计一的第一观看距离LF范围为459.37～659.37mm；设计二的第一观看距离LF范围为：552.95～752.95mm。表一中lens孔径即为透镜的口径，采用透镜口径的最小值Dmin满足的关系式计算。需要说明的是，表一中lens焦距f即为上述的焦距f。
表一
Figure GDA0003712176320000121
下面说明满足远距离双眼观看的光场显示装置的可视空间情况。在该可视空间内观看，可以得到更好的显示效果。该可视空间，还可称为eyebox，指的是显示屏与眼睛之间的一个区域，也是显示内容最清晰的区域，超出该区域的范围可能会呈现图像模糊、错位，甚至不显示内容等问题。
根据显示屏的尺寸、透镜的放置高度等参数的不同，可以得到两种形状的可视空间。
第一种，该光场显示装置的可视空间形状为圆台(即单圆台)；圆台包括相对的顶圆和底圆，底圆比顶圆靠近显示屏；底圆的直径为人眼的瞳距、且小于顶圆的直径d。
顶圆的直径d满足：
Figure GDA0003712176320000122
其中，D为透镜的口径，Φ为人眼的瞳孔直径，p为显示屏的像素间距。
参考图8所示，根据几何关系，△OA4B4与△OA5B5相似，则
Figure GDA0003712176320000123
而根据前述可知：
Figure GDA0003712176320000124
整理这两个关系式可得：
Figure GDA0003712176320000125
而N≥2，令N＝2，则可得
Figure GDA0003712176320000131
当然，N还可以取3、4、5等其它正整数，这里以N＝2为例说明。需要说明的是，图8所示的可视空间8的形状为双圆台拼接形成的，此处的可视空间形状为单圆台；双圆台的顶圆直径计算公式与单圆台的顶圆直径计算公式相同，因此，这里结合图8进行说明。该圆台的高度可以为预设可移动距离s。若s＝200mm,则上述圆台的高度也为200mm，底圆的直径e可以取70mm。将表一中设计一的相关参数代入上述关系式，可得：设计一的可视空间的形状为单圆台，其中，顶圆直径为141.18mm，底圆直径为70mm，圆台高度为200mm。
第二种，参考图9所示，光场显示装置的可视空间形状为拼接的第一圆台9和第二圆10台(即双圆台)，第一圆台比第二圆台靠近显示屏；第一圆台包括相对的底圆和拼接圆，第二圆台包括相对的拼接圆和顶圆。
参考图8所示，底圆的直径为人眼的瞳距e、且分别小于顶圆的直径d和拼接圆的直径d2；根据几何关系，顶圆的直径d满足：
Figure GDA0003712176320000132
拼接圆的直径d2满足：
Figure GDA0003712176320000133
第一圆台的高度h1满足：
Figure GDA0003712176320000134
第二圆台的高度h2满足：h2＝s-h1。
其中，D为透镜的口径，Φ为人眼的瞳孔直径，p为显示屏的像素间距，f为透镜的焦距，ω为透镜的视场角，a为显示屏的长边值，s为预设可移动距离。
该双圆台的总高度可以为预设可移动距离s。若s＝200mm,则上述双圆台的总高度也为200mm，底圆的直径e可以取70mm，将表一中设计二的相关参数代入上述关系式，可得：设计二的可视空间的形状为双圆台，其中，顶圆直径为113.16mm，拼接圆(即中圆)直径为92.833mm，底圆直径为70mm，第一圆台高度64.746mm，双圆台的总高度为200mm，第二圆台高度为200mm-64.746mm＝135.254mm。
需要说明的是，上述两种可视空间均用于远距离双眼或者单眼观看，第一种可视空间匹配显示屏尺寸小、透镜放置高度低的光场显示装置；第二种可视空间匹配显示屏尺寸大、透镜放置高度高的光场显示装置。
下面说明满足中距离双眼或者单眼观看的光场显示装置的参数设计要求。此时，两眼视场部分重合，采用单眼观看只能看到显示屏的一部分，采用双眼观看能看到全部显示屏。
第二观看距离LM满足：
Figure GDA0003712176320000141
其中，a为显示屏的长边值，e为人眼的瞳距，D为透镜的口径，f为透镜的焦距，ω为透镜的视场角。
参考图8所示，第二观看距离LM满足：L1≤LM＜L2，而根据几何关系，
Figure GDA0003712176320000142
整理该关系式可得：
Figure GDA0003712176320000143
根据前述远距离观看的说明内容可知，
Figure GDA0003712176320000144
可以保证单眼可以看到显示屏的所有子像素，那么，
Figure GDA0003712176320000145
则可满足中距离观看要求，整理该关系式可得：
Figure GDA0003712176320000146
则
Figure GDA0003712176320000147
综上，最终可得到
Figure GDA0003712176320000148
分别代入表一中设计一和设计二的相关参数值，可得设计一的中距离观看距离范围为：326.94～459.3mm；设计二的中距离观看距离范围为：465.77～552.95mm。
下面说明满足近距离双眼或者单眼观看的光场显示装置的参数设计要求。此时，两眼视场不重合，无论双眼还是单眼，都只能看到显示屏的一部分。
第三观看距离LN满足：
Figure GDA0003712176320000149
其中，D为透镜的口径，e为人眼的瞳距，f为透镜的焦距，Lmin为最小安全距离，n为透镜的折射率。
参考图8所示，第三观看距离LN满足：Lmin≤LN＜L1，根据几何关系可知，
Figure GDA0003712176320000151
Lmin为最小安全距离，即避免眼毛和鼻梁接触到器件的安全距离，一般设置为12mm。
分别代入表一中设计一和设计二的相关参数值，可得设计一的近距离观看距离范围为：12～326.94mm；设计二的近距离观看距离范围为：12～456.77mm。
可选的，上述光场显示装置的光场成像系统分辨率PPD(Pixel Per Degree)满足：
Figure GDA0003712176320000152
其中，D为透镜的口径，L为实际观看距离。
采用角分辨率来定义上述光场显示装置的光场成像系统分辨率。角分辨率是指成像系统或系统元件的分辨能力。即成像系统或系统元件能有差别地区分开相邻两物体最小间距的能力。角分辨率一般用成像系统对两个最小可辨目标之间所张角度大小表示。
图10和11中，同一景深面包括相邻的两个显示点(用左右两个小黑点表示)，不同景深面上的左侧显示点均位于同一直线，不同景深面上的右侧显示点均位于同一直线，这说明各景深面的角分辨率是相等的。图11中显示屏的PPI(Pixels Per Inch，图像分辨率)大于图10中显示屏的PPI，图10和图11中透镜的口径相同。对比图10和图11可以得到，显示屏分辨率高的光场系统，其纵向景深面的数量相对多一些。
角分辨率大小与透镜的口径和观看距离相关，具体关系式为：
Figure GDA0003712176320000153
因此，
Figure GDA0003712176320000154
代入表一中的相关数据得到，设计一中，当观看距离L在12mm～659.37mm变化时，得到α的范围为227.1′～4.17′，PPD的范围为0.26～14.39；设计二中，当观看距离L在12mm～752.95mm变化时，得到α的范围为258′～4.11′，PPD的范围为0.23～14.6。
下面说明透镜单元中透镜焦距的两种设置方式。
第一种，各透镜的焦距相同，这样可以降低透镜单元的制作难度，从而降低成本。
示例的，可以先得到位于中心位置和边缘位置的透镜的焦距，然后取两者的平均值，最后以该平均值做为每个透镜的焦距。位于中心位置和边缘位置的透镜的焦距、视场角、透镜的曲率半径(即表二中的半径)、出光发散角等参数可以参考表二所示。表二的设计一和设计二中，边缘透镜的视场角(FOV)均为10°，其出光发散角均小于0.505°，同时中心透镜的出光发散角均小于0.505°，这样可以保证透镜的准直效果。其中，0.505°是实现光场显示的经验值。
表二
Figure GDA0003712176320000161
通过软件模拟，得到表二中的优化数据，表二中只示意了中心透镜和边缘透镜的数据，并给出了一定的公差分析。例如设计一中的中心透镜，当最优值半径r＝1.855mm时，出射光束发散角为0.134°；当取下偏差半径r＝1.825mm时，出射光束发散角为0.314°；当取上偏差半径r＝1.885mm时，出射光束发散角为0.316°；设计一中的边缘透镜，当取最优值半径r＝1.884mm时，出射光束发散角为0.230°；当取下偏差半径r＝1.854mm时，出射光束发散角为0.364°；当取上偏差半径r＝1.914mm时，出射光束发散角为0.270°。同时为了方便lens工艺制作，采取制作参数一致的阵列透镜。具体的，可以取中心透镜和边缘透镜相关参数的平均值，例如，设计一中的透镜取半径平均值r＝1.87mm，此时，中心透镜的出光发散角为0.225°，边缘透镜的出光发散角为0.361°。设计二中相关数据的含义与设计一相同，这里不再赘述。
第二种，各透镜的焦距沿第一方向递增，第一方向为从透镜单元的中心位置到边缘位置的方向。
由于透镜像差(即场曲)的影响，随着单透镜视场角(FOV)的增大，其对于光线的准直效果会下降，即从透镜射出的光束的准直度会下降，这样会影响显示效果。因此，该透镜单元中，各透镜的焦距可以沿第一方向递增，第一方向为从透镜单元的中心位置到边缘位置的方向。参考图12所示，fn>……>f4>f3>f2>f1>f0(f0为位于中心位置的透镜的焦距，fn为位于边缘位置的透镜的焦距，位于中心位置和边缘位置之间的透镜的焦距依次为f1、f2……)，进而使得单透镜的FOV(视场角)达到±10°时的出光发散角小于0.505°，从而保证准直效果。
将表一和表二中的相关数据整合，可以得到表三。表三给出了两种不同尺寸的显示屏对应的光场显示装置的具体设计参数。
表三
Figure GDA0003712176320000171
表三方案一中的光场显示装置可以如图13所示，显示屏1的长边长度为92mm，第一基板的厚度为0.5mm，透镜单元2的厚度为5.067mm，则透镜单元中透镜与第二基板的距离(等效于透镜放置高度t)为5.067mm+0.5mm＝5.567mm。参考图14所示，该透镜单元的长边长度为92.00mm，短边长度为55.00mm，厚度为5.067mm。参考图15所示，该透镜单元中的透镜为球面透镜，且多个透镜紧密设置，该透镜沿垂直于其主光轴方向的截面的形状为正六边形，该正六边形边长为461.9μm(0.4619mm)、对边距为800μm(0.800mm)。
在制作透镜单元时，一般先制作基板(例如玻璃基板)，然后在该基板上制作透镜阵列。为了保护最外侧透镜，一般在透镜阵列的四周会留有一定空间。参考图15，边缘透镜与最外侧之间留有0.50mm宽的空间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光场显示装置，其特征在于，包括：显示屏和设置在所述显示屏出光侧的透镜单元；
其中，所述透镜单元包括阵列排布的多个透镜；所述显示屏设置在多个所述透镜的焦面上；
所述显示屏包括对盒的第一基板和第二基板；所述第一基板为出光侧基板，所述第二基板包括阵列排布的多个像素岛，所述像素岛包括至少一个子像素；多个所述像素岛与多个所述透镜对应；
所述像素岛的所述子像素发出的光线经对应的所述透镜传播到人眼形成的视图区域小于等于半瞳孔区域，且所述像素岛中不同所述子像素发出的不同视点的光线经所述透镜射入不同的视锥细胞；
所述透镜为球面透镜，且多个所述透镜紧密设置；
所述透镜的口径D满足：
Figure FDA0003719832910000011
其中，L为实际观看距离，N为视点数，且N≥2，ε为人眼极限分辨角；
第一观看距离LF满足：
Figure FDA0003719832910000012
所述透镜的焦距f满足：
Figure FDA0003719832910000013
所述透镜的放置高度t满足：
t＝nf；
其中，a为所述显示屏的长边值，e为人眼的瞳距，p为所述显示屏的像素间距，Φ为人眼的瞳孔直径，ω为所述透镜的视场角，s为预设可移动距离，n为所述透镜的折射率。
2.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，令N＝2，所述透镜口径的最小值
Figure FDA0003719832910000014
3.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，所述光场显示装置的可视空间形状为圆台；
所述圆台包括相对的顶圆和底圆，所述底圆比所述顶圆靠近所述显示屏；
所述底圆的直径为人眼的瞳距、且小于所述顶圆的直径d；
所述顶圆的直径d满足：
Figure FDA0003719832910000021
其中，D为所述透镜的口径，Φ为人眼的瞳孔直径，p为所述显示屏的像素间距。
4.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，所述光场显示装置的可视空间形状为拼接的第一圆台和第二圆台，所述第一圆台比所述第二圆台靠近所述显示屏；
所述第一圆台包括相对的底圆和拼接圆，所述第二圆台包括相对的所述拼接圆和顶圆；
所述底圆的直径为人眼的瞳距e、且分别小于所述顶圆的直径d和所述拼接圆的直径d2；
所述顶圆的直径d满足：
Figure FDA0003719832910000022
所述拼接圆的直径d2满足：
Figure FDA0003719832910000023
所述第一圆台的高度h1满足：
Figure FDA0003719832910000024
所述第二圆台的高度h2满足：
h2＝s-h1；
其中，D为所述透镜的口径，Φ为人眼的瞳孔直径，p为所述显示屏的像素间距，f为所述透镜的焦距，ω为所述透镜的视场角，a为所述显示屏的长边值，s为预设可移动距离。
5.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，
第二观看距离LM满足：
Figure FDA0003719832910000025
其中，a为所述显示屏的长边值，e为人眼的瞳距，D为所述透镜的口径，f为所述透镜的焦距，ω为所述透镜的视场角。
6.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，
第三观看距离LN满足：
Figure FDA0003719832910000026
其中，D为所述透镜的口径，e为人眼的瞳距，f为所述透镜的焦距，Lmin为最小安全距离。
7.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，所述光场显示装置的光场成像系统分辨率PPD满足：
Figure FDA0003719832910000031
其中，D为所述透镜的口径，L为实际观看距离。
8.根据权利要求1-7任一项所述的光场显示装置，其特征在于，各所述透镜的焦距相同。
9.根据权利要求1-7任一项所述的光场显示装置，其特征在于，各所述透镜的焦距沿第一方向递增，所述第一方向为从所述透镜单元的中心位置到边缘位置的方向。
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