CN112526763A - 一种光场3d显示装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光场3D显示装置及其驱动方法，其中包括张量显示面板、人眼追踪器以及计算机设备；张量显示面板包括密集显示器件和多光轴和焦点光学组件；计算机设备用于在每个密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，使至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；还用于调节至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将至少两个有效显示像素融合为目标像素。本发明实施例解决了现有3D显示装置景深较小的问题，可以保证3D图像景深的自由调控，实现高分辨率、高景深并且更接近真实物理场景的光场3D显示。

Description

一种光场3D显示装置及其驱动方法

技术领域

本发明实施例涉及3D显示技术领域，尤其涉及一种光场3D显示装置及其驱动方法。

背景技术

裸眼式3D技术可以使用户摆脱3D眼镜的束缚，肉眼直接观察到3D图像。目前，随着显示技术的发展，裸眼3D显示技术越来越成熟。

现有的裸眼3D显示技术主要有柱镜光栅、全息等方式实现，而且一般存在分辨率较低，视角较小，亮度不够等问题。而且，目前的裸眼3D显示主要是在左右眼中分别形成单一像面，其所形成的光场景深有限，所实现的3D效果不够接近真实光场。

发明内容

本发明提供一种光场3D显示装置及其驱动方法，以保证3D光场显示中的图像景深可调控，从而适应调节3D图像中物体的成像位置，改善3D显示效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种光场3D显示装置，包括张量显示面板、人眼追踪器以及分别与所述张量显示面板和所述人眼追踪器电连接的计算机设备；

所述张量显示面板包括多个张量像素，所述张量像素包括密集显示器件和位于所述密集显示器件出光侧的多光轴和焦点光学组件，所述密集显示器件包括多个子像素；

所述多光轴和焦点光学组件包括至少两个成像光轴和至少两个成像焦面，所述成像焦面与所述成像光轴一一对应；所述密集显示器件可经所述多光轴和焦点光学组件分别在所述至少两个成像焦面上成像；

所述人眼追踪器用于追踪人眼的位置；所述计算机设备用于根据人眼的位置，在每个所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

所述计算机设备还用于调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素，所述目标像素位于目标的成像面上。

可选地，每个所述密集显示器件中确定的所述至少一个子像素，通过所述多光轴和焦点光学组件，还成像在除所述目标成像焦面外的其他成像焦面上，形成无效显示像素；在同一成像焦面上的所述无效显示像素和所述有效显示像素不重叠；

令至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合时对应的视线为有效视线，所述无效显示像素位于所述有效视线之外。

可选地，所述多光轴和焦点光学组件包括超构透镜或多焦点透镜。

可选地，所述多光轴和焦点光学组件为超构透镜，所述超构透镜包括阵列排布的多个亚波长微结构；

所述超构透镜包括至少两个亚波长微结构区，所述至少两个亚波长微结构区与所述至少两个成像焦面一一对应，所述密集显示器件经所述亚波长微结构区所成的像，位于对应的所述成像焦面上。

可选地，每个所述亚波长微结构区均包括多个子微结构区；属于同一所述亚波长微结构区的所述多个子微结构区，均匀分布在所述超构透镜上。

可选地，所述多光轴和焦点光学组件包括层叠设置的镜头和镜片，所述镜片包括第一区域和第二区域；所述第一区域为平面，所述第一区域的焦距为无穷大；所述第二区域为曲面或设置有微结构，所述第二区域的焦距为预设焦距。

可选地，所述张量像素还包括二维光栅组件，所述二维光栅组件设置于所述多光轴和焦点光学组件背离所述密集显示器件的一侧；所述二维光栅组件用于将所述密集显示器件的光线在空间上沿多个出射方向分散，以使所述光场3D显示装置在出光侧包括多个空间成像区，所述空间成像区位于所述光场3D显示装置的不同出光方向上；

所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上均包括所述至少两个成像光轴和所述至少两个成像焦面，所述成像焦面与所述成像光轴一一对应；

所述密集显示器件可经所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件，分别在每个所述出射方向对应的所述至少两个成像焦面上成像；

所述计算机设备用于根据人眼的位置，在所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上的目标成像焦面上成像，形成有效显示像素；在同一所述出射方向对应的至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

所述计算机设备还用于调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素；所述目标像素位于所述空间成像区对应的目标的成像面上。

可选地，相邻的两个所述空间成像区中所成的目标图像在空间上边缘接合。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光场3D显示装置的驱动方法，用于驱动如第一方面任一项所述的光场3D显示装置，所述驱动方法包括：

获取人眼追踪器追踪的人眼的位置；

根据人眼的位置，在每个所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素，所述目标像素位于目标的成像面上。

可选地，所述光场3D显示装置还包括二维光栅组件，所述二维光栅组件设置于所述多光轴和焦点光学组件背离所述密集显示器件的一侧；所述二维光栅组件用于将所述密集显示器件的光线在空间上沿多个出射方向分散，以使所述光场3D显示装置在出光侧包括多个空间成像区，所述空间成像区位于所述光场3D显示装置的不同出光方向上；

所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上均包括所述至少两个成像光轴和所述至少两个成像焦面，所述成像焦面与所述成像光轴一一对应；所述密集显示器件可经所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件，分别在每个所述出射方向对应的所述至少两个成像焦面上成像；

根据人眼的位置，在每个所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合，包括：

根据人眼的位置，在所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上的目标成像焦面上成像，形成有效显示像素；在同一所述出射方向对应的至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素，所述目标像素位于目标的成像面上，包括：

调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素；所述目标像素位于所述空间成像区对应的目标的成像面上。

本发明实施例提供的光场3D显示装置及其驱动方法，通过设置张量显示面板、人眼追踪器和计算机设备，其中张量显示面板包括多个张量像素，张量像素包括密集显示器件和位于密集显示器件出光侧的多光轴和焦点光学组件，密集显示器件包括多个子像素；多光轴和焦点光学组件包括至少两个成像光轴和至少两个成像焦面，成像焦面与成像光轴一一对应，密集显示器件可经多光轴和焦点光学组件分别在至少两个成像焦面上成像；利用人眼追踪器追踪人眼的位置，并通过计算机设备根据人眼的位置，在每个密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素，且使分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的实现方向上重合；同时，利用计算机设备调节至少两个有效显示像素的显示亮度，可以使人眼通过视觉融合效应，将至少两个有效显示像素融合为目标像素，其中，目标像素位于目标的成像面上。本发明实施例解决了现有3D显示装置景深较小3D效果较差的问题，可以调节图像在视线方向上的成像位置，保证3D图像景深的自由调控，从而实现高分辨率、高景深并且更接近真实物理场景的光场3D显示。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光场3D显示装置的结构示意图；

图2和图3是本发明实施例提供的两种多光轴和焦点光学组件的光线原理示意图；

图4是图1所示光场3D显示装置的显示原理光线示意图；

图5和图6是图1所示光场3D显示装置的两种显示原理图像示意图；

图7是图1所示光场3D显示装置的视觉融合原理示意图；

图8是本发明实施例提供的一种光场3D显示装置的驱动方法流程图；

图9是本发明实施例提供的一种超构透镜的结构示意图；

图10-图13是本发明实施例提供的另外四种超构透镜的结构示意图；

图14是本发明实施例提供的另一种光场3D显示装置的结构示意图；

图15是图14所示光场3D显示装置的成像示意图；

图16是本发明实施例提供的另一种光场3D显示装置驱动方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种光场3D显示装置的结构示意图，图2和图3是本发明实施例提供的两种多光轴和焦点光学组件的光线原理示意图，参考图1-图3，该光场3D显示装置包括张量显示面板1、人眼追踪器2以及分别与张量显示面板1和人眼追踪器2电连接的计算机设备3；张量显示面板1包括多个张量像素10，张量像素10包括密集显示器件11和位于密集显示器件11出光侧的多光轴和焦点光学组件12，密集显示器件11包括多个子像素111；

多光轴和焦点光学组件12包括至少两个成像光轴121和至少两个成像焦面122，成像焦面122与成像光轴121一一对应；密集显示器件11可经多光轴和焦点光学组件12分别在至少两个成像焦面122上成像；

人眼追踪器2用于追踪人眼的位置；计算机设备3用于根据人眼的位置，在每个密集显示器件11中确定至少一个子像素111并驱动显示，以通过多光轴和焦点光学组件12成像在至少两个成像焦面122中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面122上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

计算机设备3还用于调节至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将至少两个有效显示像素融合为目标像素，目标像素位于目标的成像面上。

其中，张量是一个定义在向量空间或对偶空间的笛卡尔积上的多重线性映射，其坐标是|n|维空间内，有|n|个分量的一种量，其中每个分量都是坐标的函数，而在坐标变换时，这些分量也依照某些规则作线性变换。张量像素则是指能在空间不同成像焦面上实现矢量显示的结构。由张量像素显示出来的特定焦面和特定方向的像素即为目标像素。本实施例中，目标像素是指由独立可控的显示器件阵列，经光学组件后在空间不同平面上成像所形成的像素单元。换言之，目标像素是在三维坐标空间中的像素单元，此时，不同的目标像素不仅在二维的平面空间上位于不同位置，同时也在纵向的空间上也位于不同位置，因此，由目标像素可以构成3D的图像画面。此处，目标像素可以是通过光学组件形成的虚像，也可以实像。因此，可以理解，本实施例中的目标像素是由张量像素成像合成而来。

张量显示面板1是指通过驱动显示并通过人眼融合效应可形成目标像素的显示面板，多个目标像素可组成张量显示画面即3D立体画面。需要说明的是，目标像素并非是在结构上构成张量显示面板1的实体结构，而是指组成3D立体画面的像素单元。在实体结构上而言，张量显示面板1中的张量像素10，由密集显示器件11和位于密集显示器件11出光侧的多光轴和焦点光学组件12组成。其中密集显示器件11是指能够对子像素亮度进行调控的显示面板，一般要求该密集显示器件11具有较高的显示亮度。可选地，密集显示器件11可设置采用发光二极管显示面板、液晶显示面板或者数字光处理显示器等显示器构成，其中发光二极管显示面板可以是有机发光二极管显示面板或无机发光二极管显示面板。多光轴和焦点光学组件12是指可将密集显示器件1显示的画面在多个焦面上成像的光学组件。继续参考图2和图3，该多光轴和焦点光学组件12设置在密集显示器件1的出光侧，可以对密集显示器件1出射的光线聚焦于多个焦面上(如图为示意方便，仅示出了两个焦面即f1焦面和f2焦面)，同时每个焦面对应有一个光轴。换言之，如图2和图3所示的多光轴和焦点光学组件12均包括两个成像光轴121和两个成像焦面122，其区别仅在于两个成像光轴(光轴1和光轴2)是否平行。通过确定和驱动密集显示器件1中对应位置的子像素显示，可以使该子像素在对应的成像焦面122上成像。以单个张量像素10而言，其通过控制其中的至少部分子像素显示，可以使子像素成像在f1焦面或f2焦面上。由此，该张量显示面板1中的每个张量像素10，可以分别在多个焦面上成像，并在每个焦面上组成2D的图像。

基于上述的光场3D显示装置结构，下面对该张量显示面板形成目标像素的具体过程进行介绍。图4是图1所示光场3D显示装置的显示原理光线示意图，图5和图6是图1所示光场3D显示装置的显示原理示意图，首先，参考图4和图5，由上述多光轴和焦点光学组件12的工作原理可知，通过张量显示面板1中的密集显示器件11和多光轴和焦点光学组件12，可以将密集显示器件11显示的图像A和B，分别形成在f1焦面和f2焦面上，即如图4和图5所示，f1焦面上会形成图像A1和B1，其中示例性地，图像A1为苹果图像，图像B1为梨图像；f2焦面上会形成图像A2和B2，其中图像A2为苹果图像，图像B2为梨图像。可以理解的是，在人眼观看该光场3D显示装置时，通过人眼追踪器可以确定人眼的位置，进而通过计算机设备3将人眼的视线方向确定出来。在此基础上，再利用计算机设备选择和控制张量显示面板1在f1焦面和f2焦面上的成像位置，从而使f1焦面上的图像A1和f2焦面上的图像B2在人眼的视线方向上重合。具体地，计算机设备根据已知的密集显示器件中的子像素位置以及对应的多光轴和焦点光学组件的光路配合关系，可以确定出密集显示器件中需要显示的子像素，从而驱动该子像素显示，并通过多个密集显示器件所显示的子像素，可以在f1焦面和f2焦面均形成一幅二维图像。进一步地，基于此原理，可将图5中的图像B设置为与图像A相同，即将梨图像改变为苹果图像，参考图6可知，在f1焦面和f2焦面上的苹果图像会同时位于人眼的视线方向上，两个苹果图像在人眼感官中为重合图像。

图7是图1所示光场3D显示装置的视觉融合原理示意图，参考图7，当f1焦面和f2焦面上形成的两个苹果图像在人眼的视线方向重合时，由于视觉融合效应，在人眼的视觉感官中，两个苹果图像合成一个苹果图像。并且，该合成后的苹果图像在视线方向上的视觉位置，取决于两个苹果图像的亮度。可以理解的是，若靠近人眼的f2焦面上的苹果图像变亮时，在人眼的视觉感官上，合成的苹果图像变得更接近人眼，若远离人眼的f1焦面上的苹果图像变亮时，在人眼的视觉感官上，合成的苹果图像变得更远离人眼。当然，该合成的苹果图像始终会位于f1焦面和f2焦面之间。

由以上可知，通过调节f1焦面和f2焦面上苹果图像的亮度比例，也即，利用计算机设备调节密集显示器件中显示的子像素的亮度，可以使人眼在视觉感官接收到在视线方向上不同位置的合成苹果图像。需要说明的是，如图6所示合成的苹果图像位于f1焦面和f2焦面的某一二维平面上其仅为示例，可以理解的是，该合成的苹果图像实质上是由多个目标像素组成，每个目标像素在视线方向上的位置可以进行调控。由此，对于该苹果图像而言，可以使合成的苹果图像呈现3D的效果。此外，上述图5和图6仅示出了图像包括一个苹果图像单元，当整幅图像包括多个图像单元时，可以利用计算机设备调节不同的图像单元在视线方向上的位置，使不同的图像单元位于视线方向上的不同位置，从而使整幅图像呈现3D的效果，整幅3D图像的景深可以实现自由调控，保证更佳的3D显示效果。并且，对于人的左右眼而言，利用该光场3D显示装置，可以针对左右眼分别提供一存在左右眼视差的3D图像，从而在人的观感上形成更加接近真实的且具有移动视差的3D效果图像。可以理解，对于采用左右眼分别成像的3D技术而言，本实施例中密集显示器件和多光轴和焦点透镜所形成的光束的发散角相对较小，在张量显示面板的观察距离范围内，子像素会在左眼或右眼中形成目标像素，而且仅会在左眼或右眼中成像，以避免两眼同时观察到同一目标像素，从而保证左右眼分别获得存在视差的3D图像，保证左右眼获得的图像不会相互影响，进而通过左右眼的视觉融合获得更好的3D效果。

需要注意的是，上述的原理解释采用两个成像焦面即焦面f1和焦面f2进行介绍，人眼最终获得的图像会位于焦面f1和焦面f2之间。而当设置多光轴和焦点光学组件包括三个或以上的成像光轴和成像焦面时，每个成像焦面上均会形成一个图像，并且在人眼的视线方向上重合。通过设置各个成像焦面上图像的亮度比例，可以调节最终获得的图像在视线方向上的位置，也即可以对整个3D图像的景深进行自由调控，保证更佳的3D显示效果。

本发明实施例还提供了一种光场3D显示装置的驱动方法。图8是本发明实施例提供的一种光场3D显示装置的驱动方法流程图，参考图1和图8，该驱动方法包括：

S110、获取人眼追踪器追踪的人眼的位置；

该步骤实质上是利用人眼追踪器3将追踪到的人眼的位置发送至计算机设备中的过程，具体地，利用摄像头采集包括人眼的图像，通过神经网络机器学习算法，可以快速精确计算出人的瞳孔在图像中的位置，进而得出人的瞳孔在空间中的位置。进一步根据张量显示面板1的位置，可以确定人眼的视线方向。人眼追踪器3的具体结构，本领域技术人员可以根据实际的需求进行选择和设计，此处不做限制。可以理解的是，人眼追踪器3可设置至少包括图像采集设备和处理设备，通过图像的采集和处理，来识别人眼瞳孔，进而确定人眼瞳孔位置。

S120、根据人眼的位置，在每个密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

该步骤实质是计算机设备3控制张量显示面板1显示的过程，该驱动显示的过程需要满足精确的光线成像要求。具体地，在已知张量显示面板1中密集显示器件11的子像素位置以及多光轴和焦点光学组件12的成像规律的基础上，根据上一步骤中获得的人眼位置，可以选择确定出需要驱动显示的子像素，从而使该子像素目标成像焦面上成像，而同时各个成像焦面上所成的像可以在人眼的视线方向上重合。需要说明的是，每个成像焦面上所成像的图像源需要进行合理设置，继续参考图4，以其中的一个成像焦面f1焦面为例，在其上所成的像即A1，是由对应的密集显示器件11中的子像素通过多光轴和焦点光学组件12形成，该成像焦面f1即为该子像素的目标成像焦面，该子像素在f1焦面即对应的目标成像焦面上所成的像即为有效显示像素。从多个密集显示器件11中确定至少一个子像素并驱动显示后，可以在同一成像焦面上形成一个完整的图像，该完整的图像位于人眼的视线中。同理，对于成像焦面f2为例，其上所成的像即B2，是由对应的密集显示器件11中的子像素通过多光轴和焦点光学组件12形成，该成像焦面f2即为该子像素的目标成像焦面，该子像素在f2焦面即对应的目标成像焦面上所成的像即为有效显示像素。可以理解的是，成像焦面f1和f2上的有效显示像素，来自于不同的密集显示器件11的不同的子像素。

S130、调节至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将至少两个有效显示像素融合为目标像素，目标像素位于目标的成像面上。

该步骤实质上是利用计算机设备调节密集显示器件中显示的子像素显示亮度的过程。通过调节密集显示器件中子像素的显示亮度，可以改变各个成像焦面上所成的有效显示像素的亮度，从而可以调节各个成像焦面上所成图像的亮度比例，通过人眼的视觉融合效应，可使人眼在视觉感官上认为合成的图像位于视线方向上的目标位置，也即，组成人眼最终获得的图像的目标像素，位于目标的成像面上。

本发明实施例提供的光场3D显示装置及其驱动方法，通过设置张量显示面板、人眼追踪器和计算机设备，其中张量显示面板包括多个张量像素，张量像素包括密集显示器件和位于密集显示器件出光侧的多光轴和焦点光学组件，密集显示器件包括多个子像素；多光轴和焦点光学组件包括至少两个成像光轴和至少两个成像焦面，成像焦面与成像光轴一一对应，密集显示器件可经多光轴和焦点光学组件分别在至少两个成像焦面上成像；利用人眼追踪器追踪人眼的位置，并通过计算机设备根据人眼的位置，在每个密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素，且使分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的实现方向上重合；同时，利用计算机设备调节至少两个有效显示像素的显示亮度，可以使人眼通过视觉融合效应，将至少两个有效显示像素融合为目标像素，其中，目标像素位于目标的成像面上。本发明实施例解决了现有3D显示装置景深较小3D效果较差的问题，可以调节图像在视线方向上的成像位置，保证3D图像景深的自由调控，从而实现高分辨率、高景深并且更接近真实物理场景的光场3D显示。

继续参考图4和图5，可以理解的是，由于密集显示器件11上的子像素在显示时，通过多光轴和焦点光学组件12会在各个成像焦面上均形成图像，而若不同的子像素在同一成像焦面上所形成的图像相互交叠时，会导致人眼视线方向上的图像被干扰，导致图像重影。基于此，为避免同一成像焦面上所形成的图像相互之间不干扰，进一步地，在上述实施例提供的光场3D显示装置的基础上，需要对密集显示器件的像素结构和尺寸，以及多光轴和焦点光学组件的光轴位置和方向进行合理设置。具体地，每个密集显示器件中确定的至少一个子像素，通过多光轴和焦点光学组件，还成像在除目标成像焦面外的其他成像焦面上，形成无效显示像素；可设置在同一成像焦面上的无效显示像素和有效显示像素不重叠；并且，令至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合时对应的视线为有效视线，可设置无效显示像素位于有效视线之外。

其中，无效显示像素实质上是指在一成像焦面上除有效显示像素外形成的其他像。以图4所示在焦面f1上存在两个像素A1和B1，在焦面f2上存在两个像素A2和B2，其中，像素A1和图像B2是根据人眼的视线方向，分别在密集显示器件中确定至少一个子像素，由两个子像素所形成的像素。该两个像素即A1和B2可在人眼的视线方向上重合，该两个像素为有效显示像素。而对于像素B1和像素A2，其为无效显示像素，是一子像素通过多光轴和焦点光学组件在焦面f1生成像素A1的同时，在焦面f2上生成的像素。通过合理设置密集显示器件的像素结构和尺寸，以及多光轴和焦点光学组件的光轴位置和方向，能够使两个子像素在同一焦面上形成的两个像素距离拉远，也即可以使焦面f1上的像素A1和B1距离拉大，使焦面f2上的像素A2和B2的距离拉大，从而使视线方向上的有效显示像素A1和B2不会受无效显示像素B1和A2的干扰。

此外，上述的光场3D显示装置中，可选地，多光轴和焦点光学组件可设置采用多焦点透镜或超构透镜。

其中，多焦点透镜是指采用普通屈光材料的透镜，本发明实施例所采用的多焦点透镜为不同轴多焦点透镜，其多个焦点所对应的光轴相互平行或成一定角度交叉。关于具体的多焦点透镜的形状和尺寸参数等，本领域技术人员可根据光场3D显示装置的实际应用要求进行设计，此处不做限制。

超构透镜则是指采用阵列排布的亚波长的微结构构成的具有透镜功能的二维平面结构。其中的亚波长微结构可以精确调控光束的相位、偏振状态和振幅等，实现对光波传播的精确控制。图9是本发明实施例提供的一种超构透镜的结构示意图，参考图1和图9，具体地，可设置超构透镜包括至少两个亚波长微结构区120，至少两个亚波长微结构区120与至少两个成像焦面122一一对应，密集显示器件11经亚波长微结构区120所成的像，位于对应的成像焦面122上。

对于超构透镜而言，其中设置的亚波长微结构1201的形状、排布周期以及尺寸等，决定了该二维透镜的光学性质，也即决定了其聚焦性能。亚波长微结构1201的具体形状可选设置为圆柱体、椭圆柱体以及正多边形棱柱体等，或者，该亚波长微结构1201的具体形状也可设置为非常规的形状，例如截面为V型或L型的棱柱体，此处不做过多限制。通过设置至少两个亚波长微结构区120，该至少两个亚波长微结构区120相互具有不同的光学性质，也即每个亚波长微结构区120实质上对应一个成像焦面和一个成像光轴。在将密集显示器件11上的子像素成像时，可分别在不同的成像焦面上分别成像，并且多个子像素在不同成像焦面上成像时，存在在人眼视线方向上重合的像。

进一步地，继续参考图9，为了保证每个亚波长微结构区120可在对应成像焦面上形成完整且均匀的图像，可设置每个亚波长微结构区均包括多个子微结构区121；属于同一亚波长微结构区120的多个子微结构区121，均匀分布在超构透镜上。

以图9所示的超构透镜作为示例，其中包括两个亚波长微结构区120，也即该超构透镜具有两个成像光轴和成像焦面。其中，虚线框对应的子微结构区121属于同一亚波长微结构区120，实线框对应的子微结构区121属于另一亚波长微结构区120。可以理解的是，每个子微结构区121也均存在对应的成像光轴和成像焦面，而属于同一亚波长微结构区120的多个子微结构区121，其成像光轴和成像焦面相同，因此，在空间位置上与子微结构区121对应的密集显示器件11上的子像素，通过该子微结构区121可以在目标成像焦面上形成有效显示像素。参考图4，示例性地，可设置虚线框对应的子微结构区121的目标成像焦面为焦面f1，实线框对应的子微结构区121的目标成像焦面为焦面f2，在空间位置上与该虚线框子微结构区121对应的子像素，在焦面f1上可形成有效显示像素A1，在空间位置上与该实线框子微结构区121对应的子像素，在焦面f2上可形成有效像素B2，有效显示像素A1和有效显示像素B2可在人眼的视线方向上重合，形成目标像素。基于此，利用多个目标像素，即可形成一幅包含深度信息的图像。

图10-图13是本发明实施例提供的另外四种超构透镜的结构示意图，参考图10和图11，可设置属于不同亚波长微结构区的多个子微结构区，依次沿行方向和/或列方向交替排列。参考图12，也可设置属于不同亚波长微结构区的多个子微结构区，依次沿径向方向交替排列。参考图13，还可设置属于不同亚波长微结构区的多个子微结构区，依次沿周向方向交替排列。

上述子微结构区的排布方式主要用于将同属于同一亚波长微结构区的多个子微结构区均匀分布在该超构透镜上，本领域技术人员也可根据实际的需求，设计其他的排布方式，此处不做过多限制。

此外，需要说明的是，在制作超构透镜时，当密集显示器件距超构透镜距离确定时，亚波长微结构区的焦距越大，其成像距离越远，相同显示亮度的子像素在不同的亚波长微结构区对应的成像焦面上成像时，成像距离较远的成像亮度则较小。因此，可令至少两个成像焦面中，焦距较长的成像焦面对应的亚波长微结构区为长焦距微结构区，焦距较短的成像焦面对应的亚波长微结构区为短焦距微结构区，并设置长焦距微结构区的面积大于短焦距微结构区的面积。此时，长焦距微结构区所成像的通量更多，亮度提高，使得长焦距微结构区和短焦距微结构区所成像的亮度得到平衡。

除上述的以超构透镜或多焦点透镜作为多光轴和焦点光学组件之外，本发明实施例还提供了另外一种实施方式。其中可选地，多光轴和焦点光学组件可包括层叠设置的镜头和镜片，镜片包括第一区域和第二区域；第一区域为平面，第一区域的焦距为无穷大；第二区域为曲面或设置有微结构，第二区域的焦距为预设焦距。

其中，镜头实质上是有一个或一个以上的透镜组构成，其本身具有一有效焦距。镜片的第一区域与第二区域的区别仅在于，第二区域上设置有微结构，或者，镜片的第二区域以具有一定曲率的曲面构成，而第一区域保持平片结构。可以理解，在镜片上设置微结构或设置曲率，能够改变镜片的聚光能力，使镜片具有一定的焦距。本实施例中设计同一镜片上存在两种结构形式，平片结构为无穷大焦距，而曲面或微结构的第二区域设置一定的焦距，可利用两种结构形式配合镜头同时具有两种焦距以及两种成像光轴。对于第一区域而言，镜片配合镜头实现镜头本身焦距，成像光轴与镜头的成像光轴一致；而对于第二区域，镜片配合镜头，不仅可使有效焦距发生变化，也可使成像光轴发生变化。对于本实施例提供的密集显示器件而言，镜头和镜片的配合实现了两种焦距即两个成像焦面和两个成像光轴，也即可以使密集显示器件中不同的子像素成像在不同的成像焦面上。举例而言，可设计镜头的光圈f#＝1.4，焦距f＝30mm，视角半角为22°；镜片中第二区域焦距与镜头组合焦距f＝33mm，且光轴移动特定距离。此时，由镜头和镜片组成的组合镜头，存在两个焦距30mm和33mm，从而可与密集显示器件组成张量像素。

需要说明的是，第一区域和第二区域不限定为完整相连的一片区域，其可以包括多个子区域，并且第一区域和第二区域中的子区域相互交叉以实现均匀排布，此时第一区域和第二区域的成像光轴存在一定程度的错位，即第一区域和第二区域分别与镜头组合后的光轴不重合，此时即保证了人眼对两个成像的同时观测，并且使的融合形成目标像素的显示像素不重合。

图14是本发明实施例提供的另一种光场3D显示装置的结构示意图，图15是图14所示光场3D显示装置的成像示意图，参考图14和图15，在上述实施例的基础上，可设置该光场3D显示装置中，张量像素还包括二维光栅组件13，二维光栅组件13设置于多光轴和焦点光学组件12背离密集显示器件11的一侧；二维光栅组件13用于将密集显示器件11的光线在空间上沿多个出射方向分散，以使光场3D显示装置在出光侧包括多个空间成像区100，空间成像区100位于所述光场3D显示装置的不同出光方向上；

多光轴和焦点光学组件12在每个出射方向上均包括至少两个成像光轴121和至少两个成像焦面122，成像焦面122与成像光轴121一一对应；

密集显示器件11可经二维光栅组件13和多光轴和焦点光学组件12，分别在每个出射方向对应的至少两个成像焦面122上成像；

计算机设备3用于根据人眼的位置，在密集显示器件11中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过二维光栅组件13和多光轴和焦点光学组件12在每个出射方向上的目标成像焦面122上成像，形成有效显示像素；在同一出射方向对应的至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

计算机设备还用于调节至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将至少两个有效显示像素融合为目标像素，目标像素位于空间成像区100对应的目标的成像面上。

其中，二维光栅组件13主要用于将密集显示器件11中子像素的光线进行发散，使其在多个方向上传播，而由于二维光栅组件13的出光侧设置有该多光轴和焦点光学组件12，可利用该多光轴和焦点光学组件12在不同的传播方向上的形成至少两个成像光轴和成像焦面，在每个传播方向上的至少两个成像焦面上均能形成有效显示像素，通过人眼的视觉融合，即可将至少两个有效显示像素融合为一个目标像素。换言之，通过二维光栅组件13和多光轴和焦点光学组件12的配合，可将密集显示器件11所显示的画面，分别成像在多个空间成像区100中。当人眼在该光场3D显示装置的出光侧进行平移时，也即人眼落在不同的空间成像区100中时，均可以获得一幅目标图像。而在同一空间成像区100中所成的目标图像中，每一目标像素是由至少一个子像素通过多光轴和焦点光学组件12以及二维光栅组件13的配合改变发射角度，从而使光束发射至人眼中融合形成图像，每一子像素的光汇聚于人眼中，从而使人眼获得目标图像。需要说明的是，人眼在同一空间成像区100中移动时，人眼追踪器可确定人眼位置，计算机设备可确定和变换显示的子像素，利用变换的子像素始终在人眼中形成同一幅目标图像。综上可知，人眼位于同一空间成像区100中时，该光场3D显示装置通过变换显示的子像素，从而始终呈现同一目标图像；人眼位于在不同的空间成像区100中时，该光场3D显示装置利用二维光栅组件13的光线发散作用，使得不同空间成像区100中同样可呈现同一目标图像。此时，该光场3D显示装置实现了视角的扩大，不仅实现了大视域的3D显示，也能进行多人同步观看，提高显示装置的利用率。

继续参考图14和图15，进一步地，可设置相邻的两个所述空间成像区100中所成的目标图像在空间上边缘接合。此时，人眼在该光场3D显示装置的各个位置观察到的图像，在空间上实质上是拼合的，使得该光场3D显示装置在空间上均能实现3D显示，而非单纯固定角度的3D显示，从而保证了三维空间的显示效果。

在如图14所示的光场3D显示装置的基础上，本发明实施例还提供了一种驱动方法。图16是本发明实施例提供的另一种光场3D显示装置驱动方法的流程图，参考图14和图16，该光场3D显示装置驱动方法包括：

S210、获取人眼追踪器追踪3的人眼的位置；

S220、根据人眼的位置，在密集显示器件11中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过二维光栅组件13和多光轴和焦点光学组件12在每个出射方向上成像在至少两个成像焦面122中的有效成像焦面上，形成有效显示像素；在同一出射方向对应的至少两个成像焦面122上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

S230、调节至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将至少两个有效显示像素融合为目标像素；目标像素位于所述空间成像区对应的目标的成像面上。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光场3D显示装置，其特征在于，包括张量显示面板、人眼追踪器以及分别与所述张量显示面板和所述人眼追踪器电连接的计算机设备；

所述张量显示面板包括多个张量像素，所述张量像素包括密集显示器件和位于所述密集显示器件出光侧的多光轴和焦点光学组件，所述密集显示器件包括多个子像素；

所述多光轴和焦点光学组件包括至少两个成像光轴和至少两个成像焦面，所述成像焦面与所述成像光轴一一对应；所述密集显示器件可经所述多光轴和焦点光学组件分别在所述至少两个成像焦面上成像；

所述人眼追踪器用于追踪人眼的位置；所述计算机设备用于根据人眼的位置，在每个所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

所述计算机设备还用于调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素，所述目标像素位于目标的成像面上。

2.根据权利要求1所述的光场3D显示装置，其特征在于，每个所述密集显示器件中确定的所述至少一个子像素，通过所述多光轴和焦点光学组件，还成像在除所述目标成像焦面外的其他成像焦面上，形成无效显示像素；在同一成像焦面上的所述无效显示像素和所述有效显示像素不重叠；

令至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合时对应的视线为有效视线，所述无效显示像素位于所述有效视线之外。

3.根据权利要求1所述的光场3D显示装置，其特征在于，所述多光轴和焦点光学组件包括超构透镜或多焦点透镜。

4.根据权利要求3所述的光场3D显示装置，其特征在于，所述多光轴和焦点光学组件为超构透镜，所述超构透镜包括阵列排布的多个亚波长微结构；

所述超构透镜包括至少两个亚波长微结构区，所述至少两个亚波长微结构区与所述至少两个成像焦面一一对应，所述密集显示器件经所述亚波长微结构区所成的像，位于对应的所述成像焦面上。

5.根据权利要求4所述的光场3D显示装置，其特征在于，每个所述亚波长微结构区均包括多个子微结构区；属于同一所述亚波长微结构区的所述多个子微结构区，均匀分布在所述超构透镜上。

6.根据权利要求1所述的光场3D显示装置，其特征在于，所述多光轴和焦点光学组件包括层叠设置的镜头和镜片，所述镜片包括第一区域和第二区域；所述第一区域为平面，所述第一区域的焦距为无穷大；所述第二区域为曲面或设置有微结构，所述第二区域的焦距为预设焦距。

7.根据权利要求1所述的光场3D显示装置，其特征在于，所述张量像素还包括二维光栅组件，所述二维光栅组件设置于所述多光轴和焦点光学组件背离所述密集显示器件的一侧；所述二维光栅组件用于将所述密集显示器件的光线在空间上沿多个出射方向分散，以使所述光场3D显示装置在出光侧包括多个空间成像区，所述空间成像区位于所述光场3D显示装置的不同出光方向上；

所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上均包括所述至少两个成像光轴和所述至少两个成像焦面，所述成像焦面与所述成像光轴一一对应；

所述密集显示器件可经所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件，分别在每个所述出射方向对应的所述至少两个成像焦面上成像；

所述计算机设备用于根据人眼的位置，在所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上的目标成像焦面上成像，形成有效显示像素；在同一所述出射方向对应的至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

所述计算机设备还用于调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素；所述目标像素位于所述空间成像区对应的目标的成像面上。

8.根据权利要求7所述的光场3D显示装置，其特征在于，相邻的两个所述空间成像区中所成的目标图像在空间上边缘接合。

9.一种光场3D显示装置的驱动方法，其特征在于，用于驱动如权利要求1-8任一项所述的光场3D显示装置，所述驱动方法包括：

获取人眼追踪器追踪的人眼的位置；

根据人眼的位置，在每个所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素，所述目标像素位于目标的成像面上。

10.根据权利要求9所述的光场3D显示装置的驱动方法，其特征在于，所述光场3D显示装置还包括二维光栅组件，所述二维光栅组件设置于所述多光轴和焦点光学组件背离所述密集显示器件的一侧；所述二维光栅组件用于将所述密集显示器件的光线在空间上沿多个出射方向分散，以使所述光场3D显示装置在出光侧包括多个空间成像区，所述空间成像区位于所述光场3D显示装置的不同出光方向上；

所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上均包括所述至少两个成像光轴和所述至少两个成像焦面，所述成像焦面与所述成像光轴一一对应；所述密集显示器件可经所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件，分别在每个所述出射方向对应的所述至少两个成像焦面上成像；

根据人眼的位置，在每个所述密集显示器件中确定至少一个子像素并驱动显示，以通过所述多光轴和焦点光学组件成像在至少两个成像焦面中的目标成像焦面上，形成有效显示像素；分别位于至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合，包括：

根据人眼的位置，在所述密集显示器件中确定一个子像素并驱动显示，以通过所述二维光栅组件和所述多光轴和焦点光学组件在每个所述出射方向上的目标成像焦面上成像，形成有效显示像素；在同一所述出射方向对应的至少两个成像焦面上的至少两个有效显示像素在人眼的视线方向上重合；

调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素，所述目标像素位于目标的成像面上，包括：

调节所述至少两个有效显示像素的显示亮度，以使人眼通过视觉融合效应，将所述至少两个有效显示像素融合为目标像素；所述目标像素位于所述空间成像区对应的目标的成像面上。

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