CN111781724B - 一种信息显示设备及信息显示方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及信息显示技术领域，公开了一种信息显示设备及信息显示方法，用以实现同时正确显示双眼视差及对焦信息的三维显示的图像。信息显示设备包括第一光栅、第二光栅和光波导，其中：第一光栅，用于接收全息三维光场，并对接收到的全息三维光场进行偏转，从而使偏转后的全息三维光场传入所述光波导中，接收到的全息三维光场包括三维物光和零级光，接收到的全息三维光场对应至少两个焦平面；光波导，用于传播传入的全息三维光场；第二光栅，用于对在光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行偏转，从而使偏转后的三维物光传出光波导；并使用户在用户的眼睛接收到沿第二方向传出的全息三维光场后看到全息三维光场对应的全息三维图像。

Description

一种信息显示设备及信息显示方法
技术领域
本申请实施例涉及信息显示技术领域，尤其涉及一种信息显示设备及信息显示方法。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成的技术，是通过传感、计算和图形等科学技术将虚拟世界的信息应用到真实世界。
目前市场上出现了种类繁多的AR眼镜产品，这些产品的共同特点就是将虚拟的影像映射到一个固定的焦平面上，使用户能够看到该焦平面上的影像，并且通过视差对左右眼显示不同的图像，从而生成三维的显示效果。
一种常见的AR显示设备应用的方案为衍射光栅的光波导方案，简要来说，其工作原理是，来自像源的光，经过准直透镜后变成平行光，平行光照射至耦合入口处的衍射光栅被衍射，被衍射的光进入光波导，并在光波导中进行全反射传输，在耦合出口处的衍射光栅被衍射出去，被衍射出去的光为平行光，平行光进入人眼。对于人眼来说，平行光相当于是来自无穷远处的光源发出的光线。因此，这种类型的产品通常会将焦平面设在光学意义的无穷远处。
但是，在传统的AR显示设备上，用户想要看清楚虚拟物体必须将眼睛对焦在固定的焦平面上，由于眼球晶状体长时间固定，长时间使用会对视力造成伤害。另外，当所渲染的虚拟物体在空间里面移动，用户视线汇聚在虚拟物体上，而人眼对焦在固定的焦平面上，这就造成了视线汇聚信息与眼球对焦信息不一致，也就是“辐辏冲突”的问题，长时间使用会给人眼带来不适感。另外，由于焦平面设在光学意义的无穷远处，即人眼对焦的位置为光学意义的无穷远处，当所渲染的虚拟物体需要叠加在离人眼较近的真实物体上时，由于人眼需要对焦在近处的真实物体上，就无法同时对焦于位于光学意义上无穷远处的焦平面上，这就使得用户无法同时看清真实的物体以及叠加其上的虚拟物体。
发明内容
本申请实施例提供一种信息显示设备及信息显示方法，用以解决信息显示设备在显示三维图像时焦平面唯一且固定的问题。
本申请实施例提供的具体技术方案如下：
第一方面，提供一种信息显示设备，通过空间光调制器生成全息三维图像，该全息三维图像经过如光栅的光栅耦合进入光波导，在光波导中传播，再经过光栅耦合射出，进入人眼，从而使得人眼能够看到真三维显示的图像，真三维显示的图像即能够同时正确显示双眼视差及对焦信息的三维显示的图像。
在一个可能的设计中，信息显示设备包括空间光调制器、第一光栅、第二光栅和光波导，其中：所述空间光调制器，用于向所述第一光栅发射全息三维光场，所述全息三维光场对应至少两个焦平面；所述第一光栅，用于对所述空间光调制器发射的所述全息三维光场进行偏转，从而使所述全息三维光场沿第一方向传播传入所述光波导中；所述光波导，用于接收由所述第一光栅传入的所述全息三维光场，在所述光波导中传播所述全息三维光场，向所述第二光栅传播所述全息三维光场；所述第二光栅，用于对在所述光波导中传播的所述全息三维光场进行偏转，从而使所述全息三维光场沿第二方向传出所述光波导，并使用户在所述用户的眼睛接收到沿所述第二方向传出的所述全息三维光场后看到所述全息三维光场对应的全息三维图像。这样，避免了传统信息显示设备将焦平面固定在一个平面上使得人眼视线汇聚点与眼球对焦点不相同的问题，使得人眼能够看到真三维显示，且人眼能够同时接收实景图像和全息三维图像，产生具有真三维显示功能的增强现实效果。
在一个可能的设计中，信息显示设备还包括分离孔，所述分离孔设置在所述第二光栅中，所述第一光栅还具有透镜功能，还用于将所述全息三维光场聚焦，其中，所述第一光栅用于将所述全息三维光场中的零级光聚焦在所述分离孔处；所述分离孔，用于吸收聚焦后的所述零级光，或者将聚焦后的所述零级光沿第三方向传播，所述第三方向与所述第二方向不同。这样，能够消除零级光对全息三维图像显示效果的干扰，使得最终显示的全息三维图像更清晰，对比度更高，有更好的显示效果。
在一个可能的设计中，所述第二光栅还具有透镜功能，还用于当所述全息三维图像位于所述第二透镜的一倍焦距以内时，对所述全息三维图像进行放大显示。这样，能够放大显示的视场。
在一个可能的设计中，所述第一光栅设置在所述空间光调制器和所述光波导之间，所述第一光栅令所述全息三维光场透射通过所述第一光栅并对所述全息三维光场进行偏转；或者，所述光波导设置在所述第一光栅和所述空间光调制器之间，所述第一光栅对所述全息三维光场进行反射；所述第二光栅设置在所述空间光调制器和所述光波导之间，所述第二光栅令所述全息三维光场透射通过所述第二光栅并对所述全息三维光场进行偏转；或者，所述第二光栅设置在所述空间光调制器和所述第二光栅之间，所述第二光栅对所述全息三维光场进行反射。这样，扩展了信息显示设备的结构类型，使得信息显示设备的结构设计更加灵活，方便。
在一个可能的设计中，所述第二光栅具有高透明度，这样，使得人眼可以同时接收实景图像和全息三维图像，从而显示具有真三维显示功能的增强现实效果。
第二方面，一种信息显示方法，通过空间光调制器向第一光栅发射全息三维光场，所述全息三维光场对应至少两个焦平面；通过第一光栅对所述空间光调制器发射的所述全息三维光场进行偏转，从而使所述全息三维光场沿第一方向传播传入所述光波导中；通过光波导接收由所述第一光栅传入的所述全息三维光场，在所述光波导中传播所述全息三维光场，向所述第二光栅传播所述全息三维光场；通过第二光栅对在所述光波导中传播的所述全息三维光场进行偏转，从而使所述全息三维光场沿第二方向传出所述光波导，并使用户在所述用户的眼睛接收到沿所述第二方向传出的所述全息三维光场后看到所述全息三维光场对应的全息三维图像。这样，避免了传统信息显示设备将焦平面固定在一个平面上使得人眼视线汇聚点与眼球对焦点不相同的问题，使得人眼能够看到真三维显示，且人眼能够同时接收实景图像和全息三维图像，产生具有真三维显示功能的增强现实效果。
在一个可能的设计中，通过所述第一光栅将所述全息三维光场中的零级光聚焦在分离孔处，其中，所述分离孔设置在所述第二光栅中；通过所述分离孔吸收聚焦后的所述零级光，或者将聚焦后的所述零级光沿第三方向传播，所述第三方向与所述第二方向不同。这样，能够消除零级光对全息三维图像显示效果的干扰，使得最终显示的全息三维图像更清晰，对比度更高，有更好的显示效果。
在一个可能的设计中，当所述全息三维图像位于第二光栅的一倍焦距以内时，通过所述第二光栅对所述全息三维图像进行放大显示，其中，所述第二光栅具有透镜功能。这样，能够放大显示的视场。
在一个可能的设计中，若所述第一光栅设置在所述空间光调制器和所述光波导之间，则所述第一光栅令所述全息三维光场透射通过所述第一光栅并对所述全息三维光场进行偏转；若所述光波导设置在所述第一光栅和所述空间光调制器之间，则通过所述第一光栅对所述空间光调制器射出的所述全息三维光场进行反射；若所述第二光栅设置在所述空间光调制器和所述光波导之间，则所述第二光栅令所述全息三维光场透射通过所述第二光栅并对所述全息三维光场进行偏转；或者，若所述光波导设置在所述空间光调制器和所述第二光栅之间，则通过所述第二光栅对所述全息三维光场进行反射。这样，扩展了信息显示设备的结构类型，使得信息显示设备的结构设计更加灵活，方便。
第三方面，提供一种头戴式增强现实设备，包括如上述第一方面和第一方面任一种可能的设计中所述的信息显示设备。
附图说明
图1为本申请实施例中信息显示设备架构示意图；
图2为本申请实施例中信息显示设备结构示意图之一；
图3为本申请实施例中信息显示设备结构示意图之二；
图4为本申请实施例中信息显示设备结构示意图之三；
图5为本申请实施例中信息显示设备中零级光过滤原理示意图；
图6为本申请实施例中信息显示设备中放大显示视场示意图；
图7为本申请实施例中信息显示方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请实施例进行详细描述。
本申请实施例提供一种基于全息光学元件的信息显示设备，通过空间光调制器生成全息三维图像，该全息三维图像经过如光栅的光栅耦合进入光波导，在光波导中传播，再经过光栅耦合射出，进入人眼，从而使得人眼能够看到真三维显示的图像，真三维显示的图像即能够同时正确显示双眼视差及对焦信息的三维显示的图像。这样，避免了传统信息显示设备将焦平面固定在一个平面上使得人眼视线汇聚点与眼球对焦点不相同的问题，使得人眼能够看到真三维显示，且人眼能够同时接收实景图像和全息三维图像，产生具有真三维显示功能的增强现实效果。
本申请实施例的信息显示设备可以是AR眼镜。图1为一种可能的架构图，信息显示设备100包括空间光调制器101、第一光栅102、第二光栅102和光波导103。
其中，空间光调制器101例如可以是液晶覆硅(Liquid Crystal On Silicon，LCoS)，或者称为硅基液晶或单晶硅反射式液晶；又例如可以是微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)；或者可以是液晶屏等显示设备。
光栅102(包括第一光栅102和第二光栅102)可以是一种耦合光栅，例如，全息薄膜。光栅102可以对光线的传播方向进行偏转，其中，光线可以透射通过光栅102，光栅102也可以对光线进行反射。第一光栅102和第二光栅102在材质和作用上是相同的，只是在信息显示设备中的位置不同，从而在不同位置产生对光线不同作用的偏转。
从结构上来看，如图2所示，信息显示设备100可以包括以下几种结构：
光波导103设置在空间光调制器101和第一光栅102和之间，且光波导103设置在空间光调制器101和第二光栅102和之间；
或者，第一光栅102和第二光栅102均设置在空间光调制器101和光波导103之间；
或者，光波导103设置在空间光调制器101和第一光栅102和之间，且第二光栅102设置在空间光调制器101和光波导103之间；
或者，光波导103设置在空间光调制器101和第二光栅102和之间，且第一光栅102设置在空间光调制器101和光波导103之间。
当光波导103设置在光调制器101和光栅102之间时，光栅102对光线起到反射作用；当光栅102设置在光调制器101和光波导103之间时，光栅102令光线透射通过光栅102并对光线的传播方向起到偏转的作用。
光波导103是一种可以传播光线的介质，利用光的全反射可以将光线传播下去。
基于图1所示的信息显示设备的架构图，下面对信息显示设备进行详细介绍。
空间光调制器101，用于向第一光栅102发射全息三维光场。
具体地，空间光调制器101加载全息显示数据，利用光源将全息显示数据生成全息三维光场，并向第一光栅102发射所生成的全息三维光场。其中，全息三维光场对应至少两个焦平面，射入人眼的全息三维光场通过该至少两个焦平面能够显示出全息三维图像。
具体地，全息显示数据可以离线完成，或者可以由转换模块将三维数据信息转换成全息显示数据。全息显示数据被推送至空间光调制器101后，空间光调制器101被激光等光源照射，以生成全息三维光场。
第一光栅102，用于对空间光调制器发射的全息三维光场进行偏转，从而使全息三维光场沿第一方向传播传入光波导中；
光波导103，用于接收由第一光栅传入的全息三维光场，在光波导103中传播全息三维光场。
第二光栅102，用于对在光波导103中传播的全息三维光场进行偏转，从而使全息三维光场沿第二方向传出光波导103，并使用户在用户的眼睛接收到沿第二方向传出的全息三维光场后看到全息三维光场对应的全息三维图像。
这样，通过包括空间光调制器101和光栅102、光波导103等全息光学元件，可以将全息三维光场传至人眼中，在人眼中显示全息三维图像。
如图2和图3以及上述可能的光栅102的放置方式，本申请实施例中，光栅102的不同放置方式对应不同的作用。具体地，第一光栅102置于空间光调制器101和光波导103之间时，第一光栅102令空间光调制器101发射的全息三维光场透射通过第一光栅102并对全息三维光场进行偏转；或者，光波导103设置在第一光栅102和空间光调制器101之间，第一光栅102对空间光调制器101发射的全息三维光场进行反射；
第二光栅102置于空间光调制器101和光波导103之间时，第二光栅102令在光波导103中传播的全息三维光场透射通过第二光栅102并对全息三维光场进行偏转；或者，光波导103设置在空间光调制器101和第二光栅102之间，第二光栅102对在光波导103中传播的全息三维光场进行反射。
实际应用中，全息三维光场中包含准直的零级光和宽带的三维物光。三维物光经过光波导103传播和光栅102偏转至人眼参与成像，生成全息三维图像。而零级光并不参与成像，若传入人眼，在全息三维图像上显示为白色光斑，最终导致全息三维图像的对比度和亮度降低，影响全息三维图像的呈现效果。本申请实施例中通过将零级光滤出，消除了零级光对最终呈现效果的干扰。
具体地，以图2所示的架构基础为例，如图4所示，信息显示设备还包括和分离孔104，第一光栅102还具有透镜功能。具体地，第一光栅102可以是一种集成透镜功能的耦合光栅。例如，第一光栅102为一种全息薄膜，并在全息薄膜中均匀地记录着薄透镜，薄透镜可以是菲涅尔透镜，能够对光线起到会聚的作用，使光线会聚在后焦平面上。第一光栅102也可以是耦合光栅和透镜光栅的组合，耦合光栅对光线起偏转作用，透镜光栅具有对光线会聚的功能。分离孔104设置在第二光栅102中，具体地，分离孔104可以是在第二光栅102中未设置光栅的区域，能够使得射至此区域的光线沿偏离光栅反射的原反射方向的其他方向进行偏转，可选的，使的光线继续在光波导103中传播，直至在光波导103的侧面传出；或者，分离孔104还可以是一种高吸收薄膜，对光线具有高吸收的作用，能够将射至此区域的光线完全吸收或者大部分吸收。
图4中实线即表示三维物光，从空间光调制器101射出的三维物光传播至光波导103，被第一光栅102反射后，沿第一方向传播传入光波导103中，在光波导103中发生全反射，从而在光波导103中传播，直至被第二光栅102反射，沿第二方向传播传出光波导103，传入人眼，使用户在用户的眼睛接收到沿第二方向传出的全息三维光场后看到全息三维光场对应的全息三维图像。对于实景光场而言，第二光栅102基本透明，因此，人眼可以同时接收实景图像和全息三维图像，从而显示具有真三维显示功能的增强现实效果。
而虚线所示的光线即表示零级光的光线，零级光的光线经过第一光栅102，被第一光栅102会聚，分离孔104设置在第一光栅102的后焦平面上，使零级光的光线被第一光栅102聚焦在分离孔104，分离孔104吸收聚焦后的零级光，或者将聚焦后的零级光沿第三方向传播，第三方向与第二方向不同。这样，零级光不会被第二光栅102偏转传入人眼。
为了更方便示出零级光的过滤过程，如图5所示，显示了一束零级光的光线在经过第一光栅102后，发生反射偏转，在光波导103中经过多次全反射后，被分离孔104聚焦在焦平面上，即聚焦在第二光栅102中的分离孔104处，聚焦后的零级光被分离孔104全部或大部分吸收，或者，聚焦后的零级光被分离孔104按照偏离原反射方向的其他方向偏转。
由于三维物光照射在第二光栅102中有光栅的区域，被偏转传入人眼，而零级光被聚焦在第二光栅102中分离孔104处，不会被偏转传入人眼，从而实现了零级光和三维物光的分离，消除零级噪声。
为了放大显示视场(Field of View，FoV)，如图6所示，第二光栅102也具有透镜功能，其集成透镜功能的方法与第一光栅102集成透镜的方法相同，在此不再赘述。第二光栅102具有对位于一倍焦距内的物体呈现放大的作用。当全息三维图像105位于第二光栅102的一倍焦距以内时，第二光栅102对全息三维图像105进行放大显示。
第一光栅102和第二光栅102集成透镜功能，在不明显增大设备体积的情况下，不仅能够消除零级噪声，还能够对真三维显示的FoV进行放大。
基于同一发明构思，如图7所示，本申请实施例还提供了一种信息显示方法，该方法应用于上述信息显示设备100。该方法具体如下：
步骤701、通过空间光调制器向第一光栅发射全息三维光场，全息三维光场对应至少两个焦平面；
步骤702、通过第一光栅对空间光调制器发射的全息三维光场进行偏转，从而使全息三维光场沿第一方向传播传入光波导中。
步骤703、通过光波导接收由第一光栅传入的全息三维光场，在光波导中传播全息三维光场。
步骤704、通过第二光栅对在光波导中传播的全息三维光场进行偏转，从而使全息三维光场沿第二方向传出光波导，并使用户在用户的眼睛接收到沿第二方向传出的全息三维光场后看到全息三维光场对应的全息三维图像。
可选的，通过第一光栅将全息三维光场中的零级光聚焦在分离孔处，其中，分离孔设置在第二光栅中；
通过分离孔吸收聚焦后的零级光，或者将聚焦后的零级光沿第三方向传播，第三方向与第二方向不同。
可选的，当全息三维图像位于第二光栅的一倍焦距以内时，通过第二光栅对全息三维图像进行放大显示，其中，第二光栅具有透镜功能。
可选的，若第一光栅设置在空间光调制器和光波导之间，则第一光栅令全息三维光场透射通过第一光栅并对全息三维光场进行偏转；
若光波导设置在第一光栅和空间光调制器之间，则通过第一光栅对空间光调制器射出的全息三维光场进行反射；
若第二光栅设置在空间光调制器和光波导之间，则第二光栅令全息三维光场透射通过第二光栅并对全息三维光场进行偏转；或者，
若光波导设置在空间光调制器和第二光栅之间，则通过第二光栅对全息三维光场进行反射。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种信息显示设备，其特征在于，所述信息显示设备包括第一光栅、第二光栅和光波导，其中：
所述第一光栅，用于接收全息三维光场，并对接收到的全息三维光场进行偏转，从而使偏转后的全息三维光场传入所述光波导中，所述接收到的全息三维光场包括三维物光和零级光，所述接收到的全息三维光场对应至少两个焦平面；
所述光波导，用于传播传入的全息三维光场；
所述第二光栅，用于对在所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行偏转，从而使偏转后的三维物光传出所述光波导；
所述第二光栅，还用于将所述光波导中传播的全息三维光场中的零级光在所述光波导中以全反射方式进行传播。
2.如权利要求1所述的信息显示设备，其特征在于，所述第二光栅还用于在所述全息三维光场所对应的图像位于所述第二光栅的一倍焦距以内时，对所述全息三维光场对应的图像进行放大显示。
3.如权利要求1或2所述的信息显示设备，所述第二光栅包括设置在所述第二光栅中的分离孔，所述通过第一光栅对所述第一光栅接收到的全息三维光场进行偏转，包括：
所述第一光栅将所述第一光栅接收到的全息三维光场中的零级光向所述分离孔聚焦；
所述第二光栅将所述光波导中传播的全息三维光场中的的零级光在所述光波导中以全反射方式进行传播，包括：
所述分离孔，用于将聚焦后的零级光在所述光波导中以全反射方式进行传播。
4.如权利要求1或2所述的信息显示设备，其特征在于，所述第二光栅对在所述光波导中传播的全息三维光场进行偏转，包括：所述第二光栅令所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光透射通过所述第二光栅并对所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行偏转；或者，
所述第二光栅对所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行反射。
5.一种信息显示方法，其特征在于，包括：
通过第一光栅接收全息三维光场，并对所述第一光栅接收到的全息三维光场进行偏转，从而使偏转后的全息三维光场传入光波导中，所述第一光栅接收到的全息三维光场包括三维物光和零级光，所述第一光栅接收到的全息三维光场对应至少两个焦平面；
通过光波导传播传入的全息三维光场；
通过第二光栅对在所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行偏转，从而使偏转后的三维物光传出所述光波导；
通过所述第二光栅将所述光波导中传播的全息三维光场中的零级光在所述光波导中以全反射方式进行传播。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述全息三维光场对应的图像位于第二光栅的一倍焦距以内时，所述第二光栅还用于对所述全息三维光场对应的图像进行放大显示。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第二光栅包括设置在所述第二光栅中的分离孔，所述通过第一光栅对所述第一光栅接收到的全息三维光场进行偏转，包括：
通过所述第一光栅将所述第一光栅接收到的全息三维光场中的零级光向所述分离孔聚焦；
所述通过所述第二光栅将所述光波导中传播的全息三维光场中的零级光在所述光波导中以全反射方式进行传播，包括：
通过所述分离孔将聚焦后的零级光在所述光波导中以全反射方式进行传播。
8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述通过所述第二光栅对在所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行偏转，包括：通过所述第二光栅令所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光透射通过所述第二光栅并对所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行偏转；或者，
通过所述第二光栅对所述光波导中传播的全息三维光场中的三维物光进行反射。
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