CN112578574A - 基于光栅的光波导光场显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光栅的光波导光场显示系统，由至少一个向有限远或无限远投影面投射图像的分光特性光波导投影单元堆叠构建。各分光特性光波导投影单元包含作为显示器件的像素阵列、分光光栅、光波导及其它组件。构成像素阵列的各基本像素集，其像素出射光经分光光栅，出射角受限地沿各自特定矢向传播，并以小发散角光束或平行窄/细光束的形态被光波导及相关组件导向观察者眼睛。本发明利用光栅分光实现不同矢向小发散角光束或平行窄/细光束的空间叠加，克服传统光波导显示固有的聚焦‑会聚冲突问题；并借助于光波导，设计实现轻薄结构的显示引擎，使之可以应用于各种屏幕及便携式显示终端，比如头戴式VR、AR、手机、iPad等。

Description

基于光栅的光波导光场显示系统

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，更具体涉及一种基于光栅的光波导光场显示系统。

背景技术

因其结构体积的轻薄优势，光波导是目前前沿三维显示技术开发光学引擎时的热点选项。尤其在增强现实(AR)领域，基于光波导结构的轻薄三维眼镜，正受到越来越广泛的应用。但现有光波导三维显示系统，还主要是基于体视技术，通过向观察者双目分别仅投射一个视图，利用双目视向在空间的会聚，来实现三维深度的呈现。为了清晰地看到双目各自对应的视图，观察者需要将他/她的眼睛聚焦于显示面。由此产生的聚焦-会聚冲突，和人眼观察真实三维空间景物时的自然生理反应不一致。在自然观察真实物体的时候，人眼接收来自于真实物点的圆锥状光束，该圆锥状光束在使观察者双目视向会聚于该物点的同时，也使观察者眼睛自然聚焦于该物点。体视技术固有悖逆人体自然生理要求的聚焦-会聚冲突，是三维观影时视觉疲劳产生的主要原因。

发明内容

为了在基于轻薄光波导的光学结构中，利用光栅实现克服聚焦-汇聚冲突的光场三维显示，本发明提供如下方案。

基于光栅的光波导光场显示系统，包括：

分光特性光波导投影单元堆栈结构，由M个分光特性光波导投影单元堆叠构成，各分光特性光波导投影单元向+z向投射虚像，并通过其耦出光出瞳向-z向传播该投射虚像所呈现光信息,其中M≧1；

其中，分光特性光波导投影单元包括：像素阵列，该像素阵列用于加载光信息并出射光束；分光光栅，该分光光栅由光栅单元组成，沿所述像素阵列出射光束传输方向置于像素阵列前，调控像素阵列各像素经对应光栅单元后出射光束的传输方向，并约束其出射角，该分光光栅和所述像素阵列组成像素阵列-分光光栅对；光波导，该光波导由基体和全反射面组成，通过全反射传输入射光束；光耦入器件，将入射光耦入光波导；中继器件，该中继器件置于分光光栅和光耦入器件之间，引导像素阵列各像素经对应光栅单元出射光束入射光耦入器件；光耦出器件，引导光波导全反射传播过来的来自像素阵列各像素的光束转向至耦出光出瞳，并出射光波导，其中经耦出光出瞳出射的来自于各像素的光束，沿其出射方向反向的虚会聚点，定义为该像素对应的像素虚像，该出射光束为该像素虚像的等效出射光，各像素对应像素虚像于投影面上构建像素阵列虚像；

控制单元，在各时间点，控制所述像素阵列各像素加载各自对应信息，其中任一像素对应信息为目标场景沿该像素对应像素虚像等效出射光束传播矢向的反向在该像素虚像上的投影信息；

所述基于光栅的光波导光场显示系统被设置为能够向观察者瞳孔投射来自至少两个或两个以上基本像素集的、或/和合成像素集的视图信息，且出射角受分光光栅约束的各像素出射光束，入射观察者瞳孔时其空间尺寸小于该瞳孔尺寸；

其中，所述基本像素集定义如下：当采用一维光栅的分光特性光波导投影单元时，其像素阵列各像素出射光基于光栅分光将被分别引导至N个视区的N组像素，作为N个基本像素集，当采用二维光栅的分光特性光波导投影单元时，光栅单元分别对应包含N个像素的像素组中，相对排列位置相同的像素分别成组，作为N个基本像素集，其中N≧2；

并且其中，所述合成像素集定义如下：由不同基本像素集各一个区域内像素拼合而成，该合成像素集各像素的像素虚像遍布像素阵列虚像分布区域。

优选地，所述分光特性光波导投影单元还包括像面投射器，或/和补偿单元

其中所述像面投射器件沿光束传输方向置于耦出光出瞳前，将光耦出器件引导来的、来自于像素阵列不同像素的光束，反向会聚于新的投影面上各自对应的新的像素虚像，构建像素阵列在投影面上的新的像素阵列虚像，所述经耦出光出瞳出射光束为该新的像素阵列虚像上各新的像素虚像等效出射光束，其中新的投影面、新的像素虚像、新的像素阵列虚像代替未引入像面投射器时的投影面、像素虚像、像素阵列虚像，作为引入像面投射器时的实际采用投影面、像素虚像、像素阵列虚像；所述补偿单元沿-z向置于光耦出器件后，用于消除分光特性光波导投影单元中的其它器件对外部环境入射光的影响。

优选地，所述分光特性光波导投影单元经光波导耦出光出瞳出射各光束为平行光，其像素阵列虚像位置对应+z向无穷远处。

优选地，所述分光特性光波导投影单元中，二维光栅的部分光栅单元对应像素受像素阵列排列区域形状限制发生缺失而不足M时，缺失的像素以不发光的虚拟像素代替。

优选地，所述分光特性光波导投影单元中置有光阑，用于挡除像素阵列各像素经非对应光栅单元出射光。

优选地，堆叠的各分光特性光波导投影单元，共用像面投射器件或/和补偿单元。

优选地，所述像素阵列为OLED微显示器、LED微显示器、LCOS微显示器，或反射外部投射信息的反射面，所述光波导为平面或曲面光波导，所述光耦入器件是通过微加工工艺刻蚀于光波导的微结构光栅，或曝光于光波导内的全息光栅，或镀膜于光波导的反射镜，或附着于光波导表面的衍射光栅，所述中继器件为准直透镜，或/和成像透镜，或/和光束偏转器，所述光耦出器件为刻蚀于光波导的微结构光栅，或者加工于光波导的反射面，或者曝光于光波导的全息光栅。

优选地，所述像面投射器件为单透镜或组合透镜，或曝光于光波导的全息光栅，或刻蚀于光波导的微结构光栅，所述补偿单元为相位膜，或微结构光栅，该补偿单元附着光波导，或者刻蚀于光波导，或者曝光于光波导。

优选地，所述分光特性光波导投影单元由两个或更多个单色分光特性光波导投影单元堆栈而成，该两个或更多个单色分光特性光波导投影单元投射光信息波长不同，所投射不同波长的虚像混光合成为彩色虚像。

优选地，所述分光特性光波导投影单元为由两个或更多个小视角分光特性光波导投影单元堆栈而成，各小视角分光特性光波导投影单元所投射像素阵列虚像覆盖视角拼合，扩展分光特性光波导投影单元投射信息所覆盖视角，

其中所述小视角分光特性光波导投影单元具有和所述分光特性光波导投影单元相同的光学结构，且该两个或多个小视角分光特性光波导投影单元所投射像素阵列虚像的覆盖视区错位分布，通过该错位视区分布的拼合，使该两个或多个小视角分光特性光波导投影单元堆栈而成分光特性光波导投影单元投射信息所覆盖视区相对于一个小视角分光特性光波导投影单元的情况得到扩展。

优选地，其一维分光光栅为柱透镜光栅或狭缝光栅，二维分光光栅为微透镜阵列。

优选地，其像素阵列-分光光栅对具有正交特性，相邻光栅单元分别允许相互具有正交特性的光通过，且各光栅单元于像素阵列上对应像素出射光的光学特性一致于该光栅单元允许通过光的光学特性。

优选地，所述正交特性可以是线偏光、左右旋光的偏光特性，或者非同时地出现的时序特性，或者所述偏光特性和所述时序特性的结合。

优选地，各像素出射光束经光耦出器件出射光波导时，大间距地二次或更多次经光耦出器件出射，该大间距使来自同一像素的相邻两次出射光束，于观察者眼睛处的空间间距大于该眼睛瞳孔直径。

优选地，系统还包括观察者瞳孔追踪反馈器件，用于追踪观察者瞳孔位置并反馈给控制单元，对经光偶出器件大间距地二次或更多次出射光束的像素，控制单元实时加载目标场景沿入射观察者瞳孔的那束出射光束反向于投影面上的投影信息。

光栅是传统三维显示领域常用的光学器件。通过光栅分光，如一维柱透镜光栅或一维狭缝光栅，向不同视区分别投射不同视图信息；或者直接通过光栅，如二维微透镜阵列，向观察者投射不同空间矢向的光束分布，叠加形成空间光分布。

本发明将光栅引入到光波导结构，在利用光栅分光功能产生多个视图的基础上，由光栅约束各像素出射光束的出射角，通过光波导引导两个或两个以上视图出射的小发散角光束或平行窄/细光束入射观察者各眼，基于空间叠加形成观察者眼睛可以自然聚焦的空间光场分布。

本发明利用至少一个向有限远或无限远投影面投射图像的分光特性光波导投影单元堆叠构建光场显示系统。各分光特性光波导投影单元包含作为显示器件的像素阵列、分光光栅、光波导及其它组件。构成像素阵列的各基本像素集，其像素出射光经分光光栅，出射角受限地沿各自特定矢向传播，并以小发散角光束或平行窄/细光束的形态被光波导及相关组件导向观察者眼睛。来自至少一个分光特性光波导投影单元不同基本像素集的不同视图信息入射观察者瞳孔，不同矢向光束空间叠加形成该观察者眼睛可自然聚焦的三维空间光场。

本发明的具有的以下技术效果：本发明的一种基于光栅的光波导光场显示系统，借助光栅实现单目多视图，克服传统光波导显示固有的聚焦-会聚冲突问题；并基于光波导，设计实现轻薄结构的显示引擎，使之可以应用于各种屏幕及便携式显示终端，比如头戴式VR、AR、手机、iPad等。

本发明实施例的细节在附图或以下描述中进行体现。本发明的其它特性、目的和优点通过下述描述、附图而变得更为明显。

附图说明

附图用于帮助更好地理解本发明，也是本说明书的一部分。这些对实施例进行图解的附图和描述一起用以阐述本发明的原理。

图1是分光特性光波导投影单元光学结构的示意图。

图2是分光特性光波导投影单元单目多视图实现范例一的示意图。

图3是分光特性光波导投影单元单目多视图实现范例二的示意图。

图4是分光特性光波导投影单元单目多视图实现范例三的示意图。

图5是分光特性光波导投影单元单目多视图实现范例四的示意图。

图6是观察者瞳孔无法完整覆盖来自一个基本视图所有光束分布区域的示意图。

图7是堆叠分光特性光波导投影单元实现单目多合成视图范例一的示意图。

图8是堆叠分光特性光波导投影单元实现单目多合成视图范例二的示意图。

图9是来自同一像素光束不同反射次数导致的视点非确定化的示意图。

图10是基本像素集g各像素虚像等效出射光束分布的示意图。

图11是基本像素集j各像素虚像等效出射光束分布是示意图。

图12是来自同一像素光束大间距二次出射的示意图。

图13是小视区分光特性光波导投影单元投射像素阵列虚像拼连的示意图。

图14是正交特性像素阵列-分光光栅对的结构示意图。

具体实施方式

本发明所述基于光栅的光波导光场显示系统，以分光特性光波导投影单元堆栈结构作为光信息投影结构，通过引导各光波导投影单元耦出的不同视图信息至观察者瞳孔，来自不同视图的小发散角光束或平行窄/细光束空间叠加形成观察者眼睛可自然聚焦的空间光场呈现。相较于现有光栅显示光机和光波导显示光机，本发明通过膜状光波导实现轻薄结构，借助光栅投射多个视图，通过二者的结合，以轻薄的光学结构，实现克服聚焦-会聚冲突的光场显示。

图1所示为包含光栅的分光特性光波导投影单元。其主要包括像素阵列1011、分光光栅1012、中继器件1013、光耦入器件1014、光波导1015、光耦出器件1016、像面投射器件1017、补偿单元1018、和控制单元20。其中，像素阵列1011由可以加载光信息的像素排列构成，可以是OLED微显示器、LED微显示器、LCOS微显示器，或反射外部投射信息的反射面，同步地加载光信息并出射光束，且其出射光经分光光栅1012进行分光，以受限出射角向不同矢向传播。该像素阵列1011和分光光栅1012组成一个像素阵列-分光光栅对。光波导1015为二维光波导，比如平面光波导或曲面光波导，由基体、反射面1015a和反射面1015b组成，全反射传输入射光束。光耦入器件1014将入射光耦入光波导1015，其可以是通过微加工工艺刻蚀于光波导的微结构光栅，或曝光于光波导的全息光栅，或镀膜于光波导的反射镜，或附着于光波导的衍射光栅。中继器件1013置于像素阵列-分光光栅对和光耦入器件1014之间，可以是准直透镜，准直像素阵列1011各像素出射光束，并将准直后光束牵引入光耦入器件1014，也可以是反射式成像器件，成像像素阵列1011并引导其光束入射光耦入器件1014，或者是起转向作用的反射镜，将像素阵列1011出射光反射引入光耦入器件1014，或者是上述各种器件的组合。光耦出器件1016为刻蚀于光波导的浮雕型光学元件，或者通过微加工工艺刻蚀于光波导的反射面，或者曝光于光波导的全息光栅，调制引导光波导1015全反射传播过来的光转向至耦出光出瞳1019。本发明各图中，耦出光出瞳1019用虚线来表示，以区别于反射面1015a和1015b。来自像素阵列1011不同像素的光束，被引导至入射耦出光出瞳1019，然后经像面投射器件1017，向+z向成像素虚像于投影面30，形成像素阵列1011在投影面30上的像素阵列虚像1011′。像面投射器件1017可以是透镜，或者是衍射光栅等光学器件。一种常见情况是，来自像素阵列1011不同像素的准直光束，保持准直光状态，以各自对应角度向-z向导入入射耦出光出瞳1019，然后经像面投射器件1017，向+z向会聚于投影面30上各自对应像素虚像，形成像素阵列1101在投影面30上的像素阵列虚像1011′。根据物像关系，从耦出光出瞳出射的光束，相当于从像素阵列虚像1011′各像素虚像等效出射光束。受分光光栅1012约束，像素阵列1011上各像素出射光以小出射角出射分光光栅1012，然后经其它各组成器件牵引，最后以各像素虚像出射的小出射角等效出射光传到观察者瞳孔所在区域。如图1所示，来自像素虚像p′_t和p′_t+1的光束bt和b_t+1的具有小出射角。其中p′_t和p′_t+1的是像素p_t和p_t+1的像素虚像。该小出射角的量化值要求在于，当各像素虚像等效出射的小出射角光束到达观察者眼睛时，其覆盖区域不能大于该眼睛瞳孔尺寸。像面投射器件1017也可以被从图1中移除，此时，光束b_t和b_t+1为沿x向小尺寸分布的平行窄光束，对应的投影面30置于+z向无穷远处。该窄光束的尺寸量化值要求在于，当各像素虚像等效出射的窄光束到达观察者眼睛时，其覆盖区域不能大于该眼睛瞳孔尺寸。下文中，相关小出射角或窄/细光束均遵循该量化限制。像素阵列1011不同像素出射光，还可以在去除像面投射器件1017的情况下，向+z向无限远处投射各自对应的像素虚像，或者经分光光栅1012和中继器件1013后为非平行光，然后经光波导1015和其它器件引导，虚拟会聚于+z向有限远投影面30上各自对应像素虚像。补偿单元1018，沿-z向置于光耦出器件后，用于反向消除光波导投影单元其它器件对外部环境入射光的影响，用以实现显示场景和外部真实场景之间的叠加融合，常为增强现实AR所需要。该补偿单元可以为相位膜，或实体透镜，或微结构光栅，该补偿单元附着光波导，或者刻蚀于光波导，或者曝光于光波导。在图1所示光学结构中，该补偿单元1018也可以根据需要被移除，比如当像面投射器件1017被移除，且其它器件对外部环境入射光无额外影响时。在无需外部真实场景的应用中，比如作为VR系统时，补偿单元1018可以用一个额外的遮光器件，比如挡光膜，代替。该常识性操作，图1中未示出，下文也不再累述。图1中，中继器件1013具体化为准直透镜，将像素阵列1011各像素出射光转换为不同传播方向的平行光束。

图1中，光耦入器件1014具体化为曝光于光波导1015的全息光栅，将经中继器件1013输入的不同传播方向的光束，耦入光波导1015，使耦入后各光束在光波导1015内通过全反射向光耦出器件1016传播。耦出光器件1016具体化为曝光于膜片的全息光栅，向-z向的耦出光出瞳1019偏转入射光传播方向。图1中，-z向和x向示意为垂直关系。实际上，二者也可以是非垂直关系，这时，沿x向传输过来的光束经光耦出器件1016调制沿非垂直于x的-z向传输。该情况易于理解，下述实施例示图中-z向和x向均示意为垂直关系，不再累述该非垂直情况。图1中像面投射器件1017具体化为一个凹透镜，将像素阵列1101各像素传输过来平行光束，向+z向会聚于投影面30上的对应像素虚像。补偿单元1018具体化成一个浮雕光栅器件。

图2示出了像素阵列1011出射光经分光光栅1012，分光形成的不同会聚点。具体地，以3个会聚点VR11、VR12和VR13为例，像素p1、p4、…的出射光会聚于会聚点VR11后继续传播向中继器件1013，像素p2、p5、…的出射光会聚于会聚点VR12后继续传播向中继器件1013，像素p3、p6、…的出射光会聚于会聚点VR13后继续传播向中继器件1013。此处，各会聚点所对应像素，分别组成一个基本像素集。然后经中继器件1013、耦入器件1014、光波导1015、耦出器件1016和像面投射器件1017，基本像素集{p1、p4、…}的出射光再次会聚于视点V11，基本像素集{p2、p5、…}的出射光再次会聚于视点V12，基本像素集{p3、p6、…}的出射光再次会聚于视点V13。也可以描述为基本像素集的像素p1、p4、…的像素虚像p′1、p′4、…等效出射光会聚于视点V11；基本像素集的像素p2、p5、…的像素虚像p′2、p′5、…等效出射光会聚于视点V12；基本像素集像素p3、p6、…的像素虚像p′3、p′6、…等效出射光会聚于视点V13。一个基本像素集的像素虚像组成对应基本像素集虚像。一个基本像素集加载信息，即对应基本像素集虚像所显示信息，命名为该基本像素集对应基本像素集虚像加载的基本视图，其对应视点分别为V11、V12和V13。M_s1和M_s1是像素阵列虚像1011′在投影面30上分布区域的边点。由于对应像素的不同，不同基本像素集虚像在投影面30上的分布区域存在偏移，其偏移量与像素虚像间距同一量级。下文忽略该偏移，不再区分各基本像素集虚像分布区域和其对应像素阵列虚像分布区域之间的区别。当视点间距da、观察者瞳孔直径Dp、瞳孔40和投影面距离L、瞳孔40和视点所在面距离v、基本像素集虚像宽度w满足

a1+c1≤Dp(1)

时，相邻两个或更多个视点对应基本像素集出射光可以落入观察者同一个眼睛。各基本像素集，加载各自对应基本视图，基于这些视图出射光束的空间叠加，形成眼睛可以自然聚焦的空间光分布，实现光场显示。此处，a1＝(L×da)/(L+v)，c1＝|v×w|/(L+v)，||为取绝对值符号。各基本像素集对应的基本视图，由控制单元20控制加载，其任一个像素对应视图信息为目标场景沿该像素对应像素虚像等效出射光传播矢向的反向在该像素虚像上的投影信息。以图1中像素p_t为例，其加载信息为场景沿光束b_t反向于像素虚像p′_t上的投影信息。在视点存在情况下，各基本像素集加载的基本视图即为目标场景关于其对应视点在其对应基本像素集虚像上的视图。

图2中，沿-z向，观察者瞳孔40位于视点所在面后面，此时v取正值。图3所示为另一种情况，沿-z向，观察者瞳孔40位于视点所在面前面，此时v取负值。

图2和图3所示光学结构也可移除像面投射器件1017，存在一种情况：各像素经耦出光出瞳1019出射光为平行光束。在满足式(1)的条件下，如图4和图5，同样可以向合适位置的观察者瞳孔40投射两个或更多视图。各像素对应视图信息，由控制单元20控制加载，其中任一像素对应视图信息为目标场景沿该像素投射向观察者眼睛的平行光束反方向向无穷远所投射信息。此时，c1＝2|v|tan(FOV/2)为一个基本像素集虚像对其对应视点的张角FOV在观察者瞳孔40上覆盖区域，a1＝da。为了图示的简洁清楚，相对于图1、图2和图3，图4和图5中省略了一些组件的示出。基于图1至图3的说明，该省略易于理解，且在以下部分所绘各图中，也会出于同样理由不再示出一些组件，不再累述。

图2至图5描述了一种结合了常见光波导投影结构和分光光栅1012的分光特性光波导投影单元。实际上，具有如下功能的各种光波导及附件组成的光波导投影结构，均可结合分光光栅1012作为本申请文件中的分光特性光波导投影单元：经分光光栅1012，像素阵列1011受控出射光被耦入光波导1015并被该光波导1015传输后，借助其它光学器件向+z向投射像素阵列虚像1011′到投影面30，并向-z向经耦出光出瞳传输该像素阵列虚像1011′等效出射光。图2至图5中，入射光波导1015的光束为平行光束，然后经像面投射器件1017形成各像素虚像。当去除像面投射器件1017时，各像素虚像等效于被投影到无穷远处。实际上，入射光波导1015的光束也可以为非平行光束，只要经分光光栅1012调控的各像素出射光，经光波导1015及其它组件引导至观察者瞳孔40处时，其尺寸不大于观察者瞳孔40直径，且来自两个或大于两个视图的光束可以入射被该观察者瞳孔40。这种情况下，像面投射器件1017可以用来调整投影面30的位置到某个有限远面或无限远面，也可以去除该像面投射器件。且在上述系统中，在系统器件本身对外部环境入射光不产生影响，或者无需外部环境光信息时，补偿单元1018可以从系统移除。

一个以上的分光特性光波导投影单元可以叠加构建分光特性光波导投影单元堆栈结构作为基于光栅的光波导光场显示系统，以向更多视点投射对应基本视图。更多的视点，可以用来增加视点密度，或/和增大视点分布区域，使更多视图入射观察者瞳孔，或/和为观察者瞳孔提供更大的观察区域，即扩瞳。在该视区可以覆盖观察者双目时，该多个分光特性光波导投影单元堆栈形成的基于光栅的光波导光场显示系统可以实现双目光场呈现。当所述基于光栅的光波导光场显示系统所产生成视点不能覆盖观察者双目时，观察者双目各需要一个该基于光栅的光波导光场显示系统作为目镜。

当观察者瞳孔40和视点分布面距离变大时，或/和当视点间距da变大时，公式(1)不再成立。在这种情况下，观察者瞳孔40将无法完整收集多于一个基本视图出射光束。如图6。采用M′＝M+1(M≧1)个分光特性光波导投影单元，堆栈构建基于光栅的分光特性光波导投影系统，可以通过提高视点数量或/和视点密度，在即使公式(1)不成立的条件下，实现单目多视图光场显示。图7以M′＝2为例进行说明。M′＝2个堆叠的分光特性光波导投影单元，来自它们像素阵列1011和1021的、相互独立的J×K＝2×3＝6个基本像素集，它们加载的基本视图分别以V1、V2、V3、V4、V5和V6为视点。其中J(J≧2)为视点分组数，K(K≧2)为各视点组中的视点个数。图7中，视点V1、V3和V5为一组，视点V2、V4和V6为J＝2个视点组中的另外一组。来自不同分光特性光波导投影单元的基本视图对应视点可以相间排列，也可以是各自毗邻排列。各基本像素集加载的对应基本视图，为目标场景关于其对应视点在其基本像素集虚像上的投影视图。图中M_s1、M_s2是像素阵列1011或1021的像素阵列虚像1011′或1021′在投影面30上的分布范围边点，M_e1、M_e2是观察者瞳孔40的边点。S1为V1和M_e2连线与投影面30的交点，S2为V3和M_e1连线与投影面30的交点，S3为V3和M_e2连线与投影面30的交点，S4为V5和M_e1连线与投影面30的交点。V1、V3和V5对应的K′＝3个基本像素集，其各一部分像素，如来自V1对应基本像素集虚像于M_s1S1范围内像素虚像对应的像素、来自V3对应基本像素集虚像处于S2S3范围内像素虚像对应的像素、来自V5对应基本像素集虚像处于S4M_s2范围内像素虚像对应的像素，组成一个合成像素集，该合成像素集各像素虚像组成对应合成像素集虚像，其上等效加载信息命名为合成视图。为了实现至少两个视图入射观察者瞳孔40，也要求V2、V4和V6对应的基本像素集同理组合，组成另外一个合成像素集，对应地投射另外一个合成视图给观察者瞳孔40。实现上述要求，需要至少存在两个满足以下两个条件的合成像素集：

1.其相关K′个基本像素集所对应K′个视点对观察者瞳孔40的张角拼连，在投影面30上，无缝地覆盖基本像素集虚像区域；

2.其相关K′个视点中，相邻视点对观察者瞳孔40的张角，在投影面30上所覆盖区域无缝连接。

该两个条件，要求：

((K′-1)×J×da+Dp)(L+v)/v-((K′-1)×J×da)≧w (2)

da≤(L+v)Dp/L/J (3)。

其中，v的正负确定，一致于图2至图5关于其正负的规定。

图7中，K′＝K，J×K＝6个基本像素集只能组合成两个合成像素集，在单目多视图前提下，仅提供两个合成视图的能力限制了观察者瞳孔40的可移动区域，即导致较小的观察区域。设计更大的M′、J、K值，可以为观察者瞳孔40提供更大的观察区域，甚至容纳多个观察者眼睛的观察区域。如图8所示，对所示观察者瞳孔40，视点v2和v4对应基本像素集可组合出一个满足上述要求的合成像素集，视点v3和v5对应基本像素集组合出另一个满足上述要求的合成像素集。随观察者瞳孔40沿x向的移动，两个满足上述条件的合成像素集，逐渐过渡为分别由v1和v3对应基本像素集组合构建，和由v2和v4对应基本像素集组合构建。则，相对于图7所示情况，观察区域发生了扩展，也即实现了扩瞳。相较于图7，为了图示的简洁清楚，图8中省略了一些组件，包括像素阵列1011和1021。

上述范例中，视点是默认等间距分布的。若视点非等间距分布时，根据上述单目多视图的要求，具体到各个视点间距，以对应具体的视点间距值代替式(1)或式(2)和式(3)的da，同理进行上述操作即可。

上述范例中，堆叠的各分光特性光波导投影单元，在采用像面投射器件1017和/或补偿单元1018的情况下，各分光特性光波导投影单元可以共用像面投射器件1017和/或补偿单元1018。

图7和图8，以投射于有限远的投影面30为例进行说明，其也同样适用于投影面30被投射于无穷远的情况。该情况下，要求各合成像素集虚像对观察者瞳孔40的覆盖角区域，一致于基本像素集虚像对观察者瞳孔40的张角。

前述范例中，对各基本像素集，其在投影面30上对应的基本像素集虚像，都存在一个对应视点。也即是说存在一组相互对应的基本像素集、基本像素集虚像和视点。实际上，组成一个基本像素集虚像的各像素虚像，也存在无共同视点的情况。如图9所示，像素阵列1011上同一基本像素集中两个像素出射光束1和2，经分光光栅1012后，过共同的会聚点VRu，然后经中继器件1013、耦入器件1014，进入光波导1015，基于全反射进行传输。如果光束1和光束2经过相同的反射次数出射，则它们将会在VRu的像点Vu，重新会聚。但由于光束1和光束2在光波导1015界面反射角的不同，它们到达耦出光器件1016时，反射次数出现不同，则经耦出光出瞳1019，光束1和光束2不再会聚于点Vu。此时，该基本像素集对应各像素虚像，不再有共同的视点。又例如，采用相同周期结构的光栅耦出器件1014，其对不同角度入射光束的偏转角度由光栅方程确定，会导致同一基本像素集虚像各像素虚像间距不相等，它们等效出射光也不会聚于一个视点。再例如，以二维微透镜阵列作为分光光栅1012时，对应像素阵列-分光光栅对构成一个基本的集成成像结构，各微透镜分别对应包含N个像素的像素组，各像素组中相对排列位置相同的像素分别成组，构成像素阵列1011的N个基本像素集，其中N≧2。此时，一个基本像素集各像素出射光，经分光光栅1012，存在无公同会聚点情况，此时像素虚像可没有共同的视点。其中，所述二维光栅情况下，部分光栅单元对应像素受像素阵列排列区域形状限制发生缺失而不足M时，缺失的像素以不发光的虚拟像素代替，以使各基本像素集具有相同数量的像素。对于诸如此类基本像素集各像素虚像不存在共同视点的情况，基于光线追踪，设计两个或两个以上基本像素集出射光线全部入射观察者同一瞳孔，同样可以实现单目多视图的光场显示。其各像素加载信息，为沿该像素对应像素虚像等效出射光反向，待显示场景在该像素虚像上的投射信息。其基本像素集所加载信息，同样命名为一个基本视图，此类基本视图对应的各像素虚像无公共视点。当至少两个此类基本像素集出射光束无法完全入射观察者同一瞳孔时，需要设计生成合成像素集。该合成像素集由两个或多个此类基本像素集各一个区域的像素组合而成，其各像素的像素虚像，可以入射观察者同一瞳孔40。如图10所示，基本像素集g，其各像素虚像等效出射光于观察者瞳孔40处，由于分布过于分散而不能完全入射该观察者瞳孔40。为了图示的清晰，基本像素集g的像素虚像仅以少量个数表示。图11所示基本像素集j，其各像素虚像等效出射光于观察者瞳孔40处，由于分布过于分散而不能完全入射该观察者瞳孔40。但二者各一个部分像素可组成一个其像素虚像分布区域一致于基本像素集虚像分布区域的合成像素集，该合成像素集各像素出射光，可以全部入射观察者瞳孔40。一个合成像素集组成像素所加载信息，命名为该合成像素集加载的合成视图。为了实现单目多视图，需要存在另外至少一个同样性质的合成像素集。一个合成像素集相关的各基本像素集，可以来自同一个分光特性光波导投影单元，也可以来自堆叠的不同分光特性光波导投影单元。更多分光特性光波导投影单元堆叠，可以提供更多的合成像素集，为观察者瞳孔40提供更多的同时可接收合成视图，或/并为观察者提供更大的观察区域，即扩瞳，甚至同时允许两个或更多个眼睛的单目多视图呈现。

图10和图11是以投影面30处于有限远为例进行的说明。相关过程也适用于投影面30被投射于无穷远的情况，该情况下，要求合成像素集虚像对观察者瞳孔40的张角，一致于基本像素集虚像对观察者瞳孔40的张角。

上述各范例中，各像素出射光束也可以通过耦出器件1016，二次或更多次出射耦出光出瞳1019，但来自同一像素光相邻次两次出射耦出光出瞳1019的光束，在观察者瞳孔40所处区域内的空间间距，如图12的S_t和S_t+1，要大于观察者瞳孔40尺寸Dp，防止来自同一像素的光光信息沿两个或更多个矢向同时入射观察者瞳孔40。为了实现这一个功能，根据设计需要，耦出光出瞳1019可以设计为非连续的多个子耦出光出瞳的组合，使完成一次全反射情况下沿光波导传输距离小于Dp的光束经过多次的全反射后再二次或更多次出射。当各像素出射光束发生上述二次或更多次经耦出光出瞳1019出射时，系统需要观察者瞳孔追踪反馈器件50，如图12，追踪反馈观察者瞳孔位置，由控制单元20向该像素加载信息，该信息为目标场景沿该像素经耦出光出瞳1019出射光束中入射观察者瞳孔那束光的反向，在投影面上的投影信息。

上述实例中，所述分光特性光波导投影单元可以由两个或更多个单色分光特性光波导投影单元堆栈而成，该两个或更多个单色分光特性光波导投影单元投射光信息波长不同，所投射不同波长的像素阵列虚像混光合成为彩色虚像。所述分光特性光波导投影单元也可以为由两个或更多个小视角分光特性光波导投影单元堆栈而成，各小视角分光特性光波导投影单元像素阵列虚像拼连扩展，如图13中来自不同小视角分光特性光波导投影单元的像素阵列虚像1011a′和1011b′，拼连为一个扩展的像素阵列虚像1011′，对应视角得到扩展。其中区域1011a′上的像素虚像为小视角分光特性光波导投影单元1011a的像素虚像，区域1011b′上的像素虚像为小视角分光特性光波导投影单元1011b的像素虚像。为了图示清晰，补偿单元1018未示出。

上述实例中，所述分光特性光波导投影单元中可置光阑60，如图2所示，挡除像素阵列1011各像素经非对应光栅单元出射带来的噪声。另外一种抑制光栅分光固有噪声的方法是设计正交特性像素阵列-分光光栅对，即，相邻光栅单元通过附着的正交检测单元，分别仅允许相互具有正交特性的光通过，各正交检测单元组成正交检测器件80，如图14中的正交检测单元80a，80b，80c，…组成正交检测器件80。各光栅单元于像素阵列1011上对应的像素，其出射光的光学特性由正交生成单元控制，使之一致于该光栅单元允许通过光的光学特性。各正交生成单元组成正交生成器件90，如图14中的正交生成单元90a，90b，90c，…组成正交检测器件90。常用的正交特性可以是线偏光、左右旋光的偏光特性，此时可以通过偏光片于各光栅单元作为正交检测单元来实现。对应的正交生成单元也可为偏光片，或通过像素阵列1011的生产工艺，使其像素出射光直接具有相应光学特性。另外，时间复用也是一种常用的正交特性，此时需要通过置于各光栅单元上的开关时序可控孔径做为正交检测单元，对应正交生成单元，可以是开关时序可控孔径，也可以直接利用控制单元20控制对应像素的工作和不工作来实现。

本发明的核心思想是通过一个或多个分光特性光波导投影单元，利用其分光光栅对像素阵列各像素出射光的分光控制及出射角约束，通过光波导向观察者瞳孔投射两个或两个以上的视图，其对应光束空间叠加形成可自然聚焦空间光场分布。各像素出射光，经光栅分光和光波导传播，以小发散角光束或窄/细平行光束入射观察者瞳孔，入射观察者瞳孔时，光束入射面尺寸不大于瞳孔直径。其它各种光波导投影结构，比如设计了其它各种光耦入器件和其它各种中继器件的光波导投影单元，或设计了耦入时分割图像并在耦出是进行图像复原的光组件的光波导投影单元，结合分光光栅，均可以作为分光特性光波导投影单元，进行基于光栅的光波导光场显示。且本发明所述系统还可以进一步延申，比如通过设计具有不同调焦能力的像面投射器件1017，可以在不同深度上形成多个投影面，然后在每个深度的投影面上，再基于本发明所述原理在该深度附近一定范围内场景的呈现，以提高显示场景的景深。或者设计时序可调焦的像面投射器1017，时序在不同深度上形成多个投影面，每个深度的投影面上，同步基于本发明所述过程进行该深度附近一定范围内场景的呈现，基于视觉滞留效应提高显示场景的景深。也可以通过追踪观察者双目实时会聚深度，然后控制仅于该深度所处投影面或该深度附近投影面上，基于本发明所述过程进行该深度附近一定范围内场景的呈现。该时序可调焦的像面投射器1017，比如是焦距时序可控的液晶透镜，或者多片液晶叠加而成的液晶片组，其中不同的液晶片组合具有不同的调焦能力，通过时序驱动不同的液晶片组合实现两个或更多个投影面。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。比如，所采用的分光光栅，并不局限于前文所述一维柱透镜光栅、一维狭缝光栅和二维微透镜阵列光栅。相应地，所有相关实施例都落入本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，包括：

分光特性光波导投影单元堆栈结构，由M个分光特性光波导投影单元堆叠构成，各分光特性光波导投影单元向+z向投射虚像，并通过其耦出光出瞳向-z向传播该投射虚像所呈现光信息,其中M≧1；

其中，分光特性光波导投影单元包括：像素阵列，该像素阵列用于加载光信息并出射光束；分光光栅，该分光光栅由光栅单元组成，沿所述像素阵列出射光束传输方向置于像素阵列前，调控像素阵列各像素经对应光栅单元后出射光束的传输方向，并约束其出射角，该分光光栅和所述像素阵列组成像素阵列-分光光栅对；光波导，该光波导由基体和全反射面组成，通过全反射传输入射光束；光耦入器件，将入射光耦入光波导；中继器件，该中继器件置于分光光栅和光耦入器件之间，引导像素阵列各像素经对应光栅单元出射光束入射光耦入器件；光耦出器件，引导光波导全反射传播过来的来自像素阵列各像素的光束转向至耦出光出瞳，并出射光波导，其中经耦出光出瞳出射的来自于各像素的光束，沿其出射方向反向的虚会聚点，定义为该像素对应的像素虚像，该出射光束为该像素虚像的等效出射光，各像素对应像素虚像于投影面上构建像素阵列虚像；

控制单元，在各时间点，控制所述像素阵列各像素加载各自对应信息，其中任一像素对应信息为目标场景沿该像素对应像素虚像等效出射光束传播矢向的反向在该像素虚像上的投影信息；

所述基于光栅的光波导光场显示系统被设置为能够向观察者瞳孔投射来自至少两个或两个以上基本像素集的、或/和合成像素集的视图信息，且出射角受分光光栅约束的各像素出射光束，入射观察者瞳孔时其空间尺寸小于该瞳孔尺寸；

其中，所述基本像素集定义如下：当采用一维光栅的分光特性光波导投影单元时，其像素阵列各像素出射光基于光栅分光将被分别引导至N个视区的N组像素，作为N个基本像素集，当采用二维光栅的分光特性光波导投影单元时，光栅单元分别对应包含N个像素的像素组中，相对排列位置相同的像素分别成组，作为N个基本像素集，其中N≧2；

并且其中，所述合成像素集定义如下：由不同基本像素集各一个区域内像素拼合而成，该合成像素集各像素的像素虚像遍布像素阵列虚像分布区域。

2.根据权利要求1所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述分光特性光波导投影单元还包括像面投射器，或/和补偿单元，

其中所述像面投射器件沿光束传输方向置于耦出光出瞳前，将光耦出器件引导来的、来自于像素阵列不同像素的光束，反向会聚于新的投影面上各自对应的新的像素虚像，构建像素阵列在投影面上的新的像素阵列虚像，所述经耦出光出瞳出射光束为该新的像素阵列虚像上各新的像素虚像等效出射光束，其中新的投影面、新的像素虚像、新的像素阵列虚像代替未引入像面投射器时的投影面、像素虚像、像素阵列虚像，作为引入像面投射器时的实际采用投影面、像素虚像、像素阵列虚像；所述补偿单元沿-z向置于光耦出器件后，用于消除分光特性光波导投影单元中的其它器件对外部环境入射光的影响。

3.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述分光特性光波导投影单元经光波导耦出光出瞳出射各光束为平行光，其像素阵列虚像位置对应+z向无穷远处。

4.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述分光特性光波导投影单元中，二维光栅的部分光栅单元对应像素受像素阵列排列区域形状限制发生缺失而不足M时，缺失的像素以不发光的虚拟像素代替。

5.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述分光特性光波导投影单元中置有光阑，用于挡除像素阵列各像素经非对应光栅单元出射光。

6.根据权利要求2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，堆叠的各分光特性光波导投影单元，共用像面投射器件或/和补偿单元。

7.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述像素阵列为OLED微显示器、LED微显示器、LCOS微显示器，或反射外部投射信息的反射面，所述光波导为平面或曲面光波导，所述光耦入器件是通过微加工工艺刻蚀于光波导的微结构光栅，或曝光于光波导内的全息光栅，或镀膜于光波导的反射镜，或附着于光波导表面的衍射光栅，所述中继器件为准直透镜，或/和成像透镜，或/和光束偏转器，所述光耦出器件为刻蚀于光波导的微结构光栅，或者加工于光波导的反射面，或者曝光于光波导的全息光栅。

8.根据权利要求2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述像面投射器件为单透镜或组合透镜，或曝光于光波导的全息光栅，或刻蚀于光波导的微结构光栅，所述补偿单元为相位膜，或微结构光栅，该补偿单元附着光波导，或者刻蚀于光波导，或者曝光于光波导。

9.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述分光特性光波导投影单元由两个或更多个单色分光特性光波导投影单元堆栈而成，该两个或更多个单色分光特性光波导投影单元投射光信息波长不同，所投射不同波长的虚像混光合成为彩色虚像。

10.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述分光特性光波导投影单元为由两个或更多个小视角分光特性光波导投影单元堆栈而成，各小视角分光特性光波导投影单元所投射像素阵列虚像覆盖视角拼合，扩展分光特性光波导投影单元投射信息所覆盖视角，

其中所述小视角分光特性光波导投影单元具有和所述分光特性光波导投影单元相同的光学结构，且该两个或多个小视角分光特性光波导投影单元所投射像素阵列虚像的覆盖视区错位分布，通过该错位视区分布的拼合，使该两个或多个小视角分光特性光波导投影单元堆栈而成分光特性光波导投影单元投射信息所覆盖视区相对于一个小视角分光特性光波导投影单元的情况得到扩展。

11.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，其一维分光光栅为柱透镜光栅或狭缝光栅，二维分光光栅为微透镜阵列。

12.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，其像素阵列-分光光栅对具有正交特性，相邻光栅单元分别允许相互具有正交特性的光通过，且各光栅单元于像素阵列上对应像素出射光的光学特性一致于该光栅单元允许通过光的光学特性。

13.根据权利要求12所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，所述正交特性可以是线偏光、左右旋光的偏光特性，或者非同时地出现的时序特性，或者所述偏光特性和所述时序特性的结合。

14.根据权利要求1或2所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，各像素出射光束经光耦出器件出射光波导时，大间距地二次或更多次经光耦出器件出射，该大间距使来自同一像素的相邻两次出射光束，于观察者眼睛处的空间间距大于该眼睛瞳孔直径。

15.根据权利要求14所述基于光栅的光波导光场显示系统，其特征在于，系统还包括观察者瞳孔追踪反馈器件，用于追踪观察者瞳孔位置并反馈给控制单元，对经光偶出器件大间距地二次或更多次出射光束的像素，控制单元实时加载目标场景沿入射观察者瞳孔的那束出射光束反向于投影面上的投影信息。

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