CN113608353A - 一种基于阵列光源的全息近眼显示系统及眼瞳箱扩展方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列光源的全息近眼显示系统及眼瞳箱扩展方法。该全息显示设备包括点光源阵列、透镜、分束器、空间光调制器、目镜、眼动追踪系统、计算机等。点光源发出的光被透镜准直以后照射到分束器上面，平行光被分束器反射照射到空间光调制器上，被加载到空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光通过目镜会聚到人眼。采用眼动追踪装置追踪人眼的位置，通过计算机计算点光源阵列中相应位置和相应颜色点光源的发光状态以及加载到空间光调制器的相应全息图，通过控制点光源改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，使全息图精确地会聚到人眼所在的位置，进而实现彩色全息近眼显示并有效地扩展了眼瞳箱。

Description

一种基于阵列光源的全息近眼显示系统及眼瞳箱扩展方法

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种全息近眼显示系统及扩展眼瞳箱方法。

背景技术

在传统的近眼显示技术当中，由于是利用双目视觉给人呈现具有立体信息的三维图像，因此往往存在着辐辏—调节冲突问题，即人的双目视差形成的深度感知和单目调节形成的深度感知是具有差异性的，这种感知上的不同会让大脑产生冲突，给人带来头晕、恶心等一系列的不适。

目前用于解决辐辏—调节冲突问题的显示技术主要是基于全息的显示技术，全息显示技术利用干涉记录物光波前信息，利用衍射再现物光波场，当重现的物光波进入人眼，就可以看到三维图像，由于物光波前携带着物体的全部信息，所以全息显示技术不存在辐辏—调节冲突。

而在全息近眼显示领域当中，一般采用空间光调制器加载计算机生成的全息图，利用参考光照亮空间光调制器，该参考光被空间光调制器衍射以后传递到人眼即可给人眼呈现三维图像。虽然全息近眼显示系统能够克服辐辏—调节冲突，但从原理上受系统的空间带宽积限制，一般在保证一定视场角的前提下，眼瞳箱尺寸较小。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于阵列光源的全息近眼显示系统及眼瞳箱扩展方法，可实现虚拟现实式、增强现实式、彩色全息显示并有效扩展眼瞳箱。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于阵列光源的全息近眼显示系统，包括点光源阵列、第一透镜、分束器、空间光调制器及驱动系统、目镜、眼动追踪系统、点光源阵列驱动器及计算机，点光源阵列与点光源阵列驱动器相连接，由点光源阵列驱动器控制点光源的点亮与闭合，该点光源阵列驱动器与计算机相连接；第一透镜前焦面设有点光源阵列，用于产生不同角度的宽光束平行光；分束器将平行光反射照射到所述空间光调制器上；空间光调制器加载对应瞳孔位置的计算全息图，对照射在其上面的平行光进行衍射调制，该衍射调制的平行光经过光学系统为人眼提供三维图像，空间光调制器通过空间光调制器驱动器与计算机相连接；目镜将带有图像信息的衍射光线会聚进入人眼或将带有图像信息的衍射光线会聚进入人眼同时让外界光线直接进入人眼；眼动追踪系统用于获取人眼瞳孔的位置信息，与计算机相连接；计算机用于处理人眼瞳孔位置信息，计算点光源阵列中点光源的开关状态，计算编码对应位置的全息图，并同步控制点光源的开关以及全息图的加载刷新。

优选地，所述的点光源阵列为二维LED阵列加窄带滤光片的组合。

优选地，所述点光源阵列为二维的光纤耦合激光器的输出端阵列。

优选地，所述的点光源阵列由面光源与液晶开关组成，或面光源与振幅型空间光调制器组成。

优选地，所述点光源阵列与空间光调制器之间设有中继光学系统；所述中继光学系统由第一中继透镜、第二中继透镜和空间滤波器组成。

优选地，所述第一透镜与分束器之间设有中继光学系统；所述中继光学系统由第一中继透镜、第二中继透镜和空间滤波器组成。

优选地，所述的空间光调制器为反射式空间光调制器，或透射式空间光调制器。

优选地，所述的空间光调制器为相位型空间光调制器、振幅型空间光调制器或振幅相位混合型空间光调制器。

优选地，所述目镜为第二透镜时，用于实现虚拟现实全息近眼显示。所述的第二透镜为单片透镜或多个透镜的组合。

优选地，所述的目镜为合光器时，用于实现增强现实全息近眼显示。

优选地，所述点光源阵列为三色点光源阵列和合光系统，实现彩色全息显示系统；所述的三色点光源阵列为二维阵列分布，通过点光源阵列驱动器与计算机相连接，由计算机通过点光源阵列驱动器控制点光源的时序、点亮与闭合。所述的点光源阵列中三个颜色的点光源时序发光，每个时刻至多有一种颜色的点光源发光。所述合光系统用于将红绿蓝三色点光源阵列发出的光重合。

一种基于阵列光源的全息近眼显示的眼瞳箱扩展方法，采用本发明基于阵列光源的全息近眼显示系统进行操作，操作步骤如下：

第一步:通过眼动追踪系统，获取人眼瞳孔所在的位置(x,y)；

第二步:根据人眼瞳孔位置(x,y)，计算点光源阵列中需要发光的点光源位置(m_x,n_y)；再根据点光源的发光颜色，计算三色点光源中该发光颜色的发光位置和发光时序；

第三步:根据人眼瞳孔位置(x,y)以及点光源的发光颜色，对相应位置和相应颜色需要加载的全息图进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码；

第四步:计算机控制点光源阵列中点光源的时序闭合与点亮并同步控制空间光调制器加载人眼位置和点光源发光颜色对应的全息图；

第五步:人眼瞳孔移动到不同位置均观看到相应的三维场景。

优选地，在所述第三步中，空间光调制器的调制方式有振幅、相位以及复振幅调制这三种，全息图的编码根据空间光调制器的种类进行振幅编码、相位编码以及复振幅编码；全息图生成和编码流程如下：

a.根据需要显示的三维场景，通过点源法、角谱法、菲涅尔衍射、弗朗或费衍射方法计算出瞳位置的复振幅分布U_EP；

b.根据出瞳位置的复振幅分布U_EP，并结合人眼瞳孔的位置(x,y)，计算空间光调制器面的复振幅分布U_SLM；

c.将空间光调制器面的复振幅分布U_SLM根据空间光调制器的调制方式的不同，编码为空间光调制器相应的加载全息图像信息。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明扩展出瞳尺寸的全息近眼显示设备，根据人眼瞳孔运动的实际位置，采用点光源状态可以控制的点光源阵列来改变平行光照射到空间光调制器上的方向，进而会聚到人眼瞳孔位置，无论瞳孔如何运动，均能观看到图像，从而达到了扩展眼瞳箱的效果；

2.本发明采用眼动追踪装置追踪人眼的位置，通过计算机计算点光源阵列中相应位置和相应颜色点光源的发光状态以及加载到空间光调制器的相应全息图，通过控制点光源改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，使全息图精确地会聚到人眼所在的位置，进而实现彩色全息近眼显示并有效地扩展了眼瞳箱。

附图说明

附图1为本发明实施例1提供的基于反射式空间光调制器的可扩展眼瞳箱的虚拟现实式全息近眼显示系统的结构示意图。

附图2为本发明实施例提供的LED点光源阵列的示意图。

附图3为本发明实施例提供的光纤光源阵列的示意图。

附图4为本发明实施例提供的面光源与液晶开关组成的阵列光源的示意图。

附图5为本发明实施例提供的面光源与透射式振幅型空间光调制器组成的阵列光源的示意图。

附图6为本发明实施例提供的面光源与反射式振幅型空间光调制器组成的阵列光源的示意图。

附图7为本发明实施例2提供的基于反射式空间光调制器的可扩展眼瞳箱的增强现实式全息近眼显示系统的结构示意图。

附图8为本发明实施例3提供的基于透射式空间光调制器的可扩展眼瞳箱的虚拟现实式全息近眼显示系统的结构示意图。

附图9为本发明实施例4提供的基于反射式空间光调制器的可扩展眼瞳箱的虚拟现实式全息近眼显示系统的又一结构示意图。

附图10为本发明实施例5提供的基于三色点光源阵列时序发光的可扩展眼瞳箱的虚拟现实式的彩色全息近眼显示系统的结构示意图。

附图11为本发明实施例6提供的基于单色点光源阵列组时序发光的可扩展眼瞳箱的虚拟现实式的彩色全息近眼显示系统的结构示意图。

附图12为本发明实施例7提供的基于单色点光源阵列组并行发光的可扩展眼瞳箱的虚拟现实式的彩色全息近眼显示系统的结构示意图。

附图13为本发明各优选实施例提供的实现可扩展眼瞳箱的全息近眼显示系统的显示方法概览流程图。

应当理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的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。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例1

在本实施例中，一种基于阵列光源的全息近眼显示系统，包括点光源阵列100、第一透镜110、分束器120、空间光调制器141及驱动系统140、目镜、眼动追踪系统160、点光源阵列驱动器150及计算机170；

点光源阵列100与点光源阵列驱动器150相连接，由点光源阵列驱动器150控制点光源的点亮与闭合，该点光源阵列驱动器150与计算机170相连接；

第一透镜110前焦面设有点光源阵列100，用于产生不同角度的宽光束平行光；

分束器120将平行光反射照射到所述空间光调制器上；

空间光调制器141加载对应瞳孔位置的计算全息图，对照射在其上面的平行光进行衍射调制，该衍射调制的平行光经过光学系统为人眼提供三维图像，空间光调制器141通过空间光调制器驱动器142与计算机170相连接；

目镜将带有图像信息的衍射光线会聚进入人眼，所述目镜由第二透镜130构成；所述的第二透镜130为单片透镜或多个透镜的组合。

眼动追踪系统160用于获取人眼瞳孔的位置信息，与计算机170相连接；

计算机170，用于处理人眼瞳孔位置信息，计算点光源阵列100中点光源的开关状态，计算编码对应位置的全息图，并同步控制点光源的开关以及全息图的加载刷新。

所述的点光源阵列100，提供照明光，一般是由多个点光源组成的二维阵列，其排列方式与眼瞳箱扩展的范围和精度相关。比如所述点光源阵列为3×3的矩形阵列时，则相应地可以在眼瞳平面进行9个出瞳的复制，也就对应了9个位置的出瞳。当然点光源阵列中的点光源远不止3×3个，可以根据实际需要和加工精度做出更多的点光源，每个点光源在眼瞳平面对应着一个出瞳位置。而且所述点光源阵列100的形状并不局限于矩形，也可以是圆形或其他形状。所述的点光源阵列位于第一透镜的前焦平面上，经过第一透镜110准直形成宽光束的平行光。

所述的分束器120为分束棱镜或平板分束镜，用于将平行光反射到空间光调制器141上。分束器120前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器141相匹配。

所述的空间光调制器及驱动系统140由空间光调制器141和空间光调制器驱动器142组成，所述的空间光调制器141可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的反射式空间光调制器，对照射到其上的平行光进行相位、振幅或复振幅衍射调制后再反射经分束器120透射。衍射调制后的光线透过分束器120到达第二透镜130，经过第二透镜130的会聚，进入人眼。当点光源阵列中不同位置的点光源发光时，系统出瞳会在人眼瞳孔平面进行二维扫描，当点光源阵列中的点光源在y轴方向上时序点亮时，可以在竖直方向上进行出瞳扫描；当点光源阵列中的点光源在z轴方向上时序点亮时，可以在水平方向上进行出瞳扫描。所述点光源阵列100中的点光源并不局限于在两个方向上时序点亮，而是可以控制任意单个点光源的点亮与闭合，形成了人眼瞳孔平面的出瞳二维扫描，从而实现了眼瞳箱的二维扩展。

所述的眼动追踪系统160，与计算机170相连接，由眼动追踪驱动器162和眼动追踪传感器161构成，用于追踪人眼瞳孔的空间位置。眼动追踪传感器161可以是CCD或CMOS相机模块，也可以是多个单点探测器的组合。所述的空间光调制器驱动器142，与空间光调制器141、计算机170分别相连接，主要用来控制空间光调制器141的显示图像、显示帧率、分辨率等，其控制模式由计算机170决定，其与计算机170一般通过VGA、HDMI、DVI、DisplayPort等视频接口、USB、串口以及通用I/O等方式连接。

所述计算机170根据人眼所在位置确定观察区域以后对人眼位置信息进行处理，该处理主要包括两个方面，一是计算点光源阵列100中需要发光的点光源位置，通过点光源阵列驱动器150关闭前一瞳孔位置对应的点光源并点亮这一瞳孔位置对应的点光源，让反射进入空间光调制器141上面的光线的角度发生改变，从而改变全息图调制的衍射光的方向，最终利用第二透镜130将光线会聚于人眼所在的位置；另一个方面则是根据人眼瞳孔位置计算加载到空间光调制器141上的对应全息图，然后将对应全息图加载到空间光调制器141上面，让人眼获得相应视点的图像。

所述的点光源阵列100可以是由LED点光源阵列101加窄带滤光片组成，如图2所示，所述的LED点光源阵列101通过点光源阵列驱动器150与计算机170相连，计算机170通过驱动器150点亮LED点光源阵列中相应位置的LED即可获得点光源，点光源发出的光经过第一透镜110准直后形成宽光束的平行光，其角度由点亮的LED点光源位置以及第一透镜110的焦距确定。

所述的点光源阵列100也可以是多个光纤耦合激光器的输出端102排列在一起组成的点光源阵列，如图3所示。其中，左侧为所述点光源阵列的左视图，右侧为所述点光源阵列的正视图。所述的光纤耦合激光器通过点光源阵列驱动器150与计算机170相连，计算机170通过驱动器150控制光纤耦合激光器输出端的通断即可获得相应点光源，点光源发出的光经过第一透镜110准直后形成宽光束的平行光，其角度由点亮的光纤输出端位置以及第一透镜110的焦距确定。

所述的点光源阵列100也可以是由面光源104与液晶开关103组成的点光源阵列，如图4所示，液晶开关通过点光源阵列驱动器150与计算机170相连接，计算机170通过驱动器150控制液晶开关的闭合与断开即可获得相应点光源阵列，点光源发出的光经第一透镜110准直后形成宽光束平行光。

所述的点光源阵列110也可以是由面光源106和透射式振幅型空间光调制器105组成的点光源阵列，如图5所示，面光源106发出的光照射到透射式振幅型空间光调制器105上，被振幅型空间光调制器105调制以后形成点光源阵列，所述振幅型空间光调制器105通过点光源阵列驱动器150与计算机170相连接，计算机170通过驱动器150改变加载到所述振幅型空间光调制器上的全息图即可获得相应的点光源阵列，点光源阵列发出的光经第一透镜110准直后形成宽光束平行光。

所述的点光源阵列110也可以是由面光源106和反射式振幅型空间光调制器107组成的点光源阵列，如图6所示，面光源106发出的光被被分束平板108反射照射到反射式振幅型空间光调制器107上，被空间光调制器107调制以后形成点光源阵列，所述分束平板108也可以用分束棱镜代替，所述振幅型空间光调制器107通过点光源阵列驱动器150与计算机170相连接，计算机170通过驱动器150改变加载到所述振幅型空间光调制器上的全息图即可获得相应的点光源阵列，点光源阵列发出的光经第一透镜110准直后形成宽光束平行光。

实施例2

用于增强现实的全息近眼显示系统，如图7所示，所述的全息近眼显示系统包括点光源阵列100、第一透镜110、分束器120、空间光调制器及驱动系统140、目镜、眼动追踪系统160、点光源阵列驱动器150、计算机170。

所述目镜由合光器120构成，所述合光器210位于所述分束器120之后，用于让外界光直接透过进入人眼，让所述空间光调制器141衍射调制后的反射光会聚进入人眼。所述合光器210可以由第一透镜150和半反半透镜211构成，由分束器和透镜或是由分束器和凹面反射镜构成的合光系统，也可以是单个半透半反的曲面合光器或者具有类似功能的全息光学元件等。

点光源阵列100根据瞳孔位置点亮相应位置的点光源，通过第一透镜110输出相应角度的宽光束平行光，所述分束器120将所述平行光反射到所述空间光调制器141上，平行光波经空间光调制器141衍射调制后并反射，再透射通过分束器120到所述合光器210上。所述合光器210将光线会聚再反射进入人眼，同时，所述合光器210让外界光线直接透射进入人眼，让人眼既能看到外界真实环境又能看到虚拟图像，实现增强现实式的全息近眼显示。当人眼位置发生改变时，所述眼动追踪系统追踪人眼位置，并将信号传输给所述计算机170，所述计算机170根据人眼位置信号计算点光源阵列中需要点亮的点光源以及所述空间光调制器141上加载的相应全息图。然后所述计算机170驱动点光源阵列驱动器150控制相应点光源发光，改变入射到空间光调制器141上的平行光的方向，同时驱动空间光调制器141加载相应全息图，保证经过空间光调制器141衍射调制后的图像能够会聚于人眼位置，实现基于阵列光源的眼瞳箱扩展。

实施例3

用于虚拟现实的全息近眼显示系统，如图8所示，所述的全息近眼显示系统包括点光源阵列100，第一透镜110、空间光调制器及驱动系统340、目镜、眼动追踪系统160、点光源阵列驱动器150、计算机170。

所述的空间光调制器及驱动系统340由透射式空间光调制器341和空间光调制器驱动器342组成，所述的空间光调制器341可以是相位型、振幅型、振幅相位混合型的透射式空间光调制器，对照射到其上的平行光进行相位、振幅或复振幅衍射调制后再透射到目镜上，所述目镜由第二透镜130构成，经过第二透镜130的会聚，进入人眼。

点光源阵列100根据瞳孔位置点亮相应位置的点光源，通过第一透镜110输出相应角度的宽光束平行光，所述平行光直接照射到所述空间光调制器341上面，所述平行光经过空间光调制器341进行相位、振幅或复振幅衍射调制后，再透射到第二透镜130上面，经过第二透镜130的会聚，进入人眼，实现虚拟现实式的全息近眼显示。当人眼位置发生改变时，所述眼动追踪系统160追踪人眼位置，并将信号传输给所述计算机170，所述计算机170根据人眼位置信号计算点光源阵列中需要发光的点光源以及所述空间光调制器341上加载的相应全息图。然后所述计算机170驱动点光源阵列驱动器150控制相应点光源发光，改变入射到空间光调制器341上的平行光的方向，同时驱动空间光调制器341加载相应全息图，保证经过空间光调制器341衍射调制后的图像能够会聚于人眼位置，实现基于阵列光源的眼瞳箱扩展。

图8仅描述了采用透射式空间光调制器341实现虚拟现实式全息近眼显示系统的一个实施例，结合实施例2的方式也可利用透射式空间光调制器341实现增强现实式全息近眼显示系统。将所述的第二透镜130替换为合光器210，用于让外界光直接透过进入人眼，同时让所述空间光调制器341衍射调制后的光线会聚进入人眼。

实施例4

用于虚拟现实的全息近眼显示系统，如图9所示，所述的全息近眼显示系统包括点光源阵列100、第一透镜110、中继光学系统410、分束器120、空间光调制器及驱动系统140、眼动追踪系统160、目镜、点光源阵列驱动器150、计算机170。

所述中继光学系统410可以是4f光学系统，由两个具有相同焦距f的第一中继透镜411、第二中继透镜412和空间滤波器413组成，所述4f系统的中间焦平面上加入空间滤波器413，用于改善图像质量，空间滤波器413上的滤波窗口的位置可以随所述点光源阵列100中发光点光源位置的改变而改变。所述空间滤波器413可以是位置可调的滤波窗口，通过机械运动件调整滤波窗口的位置，使所述点光源阵列100发出的经第一透镜110准直后平行光能够进行滤波并传输到后面的光学系统当中，机械运动件由计算机170通过驱动器进行控制，其运动需要与点光源阵列100中不同位置点光源的点亮相同步。所述的空间滤波器413还可以是一块液晶光阀，可以通过驱动器与计算机170相连接，当所述平行光照射过来时，通过液晶光阀计算机170计算并驱动相应位置的液晶光阀打开，对光线进行滤波并让其传输到后面的光学系统。所述中继光学系统410也可以是变形的4f光学系统，由具有第一焦距f1的第一中继透镜和具有第二焦距f2的第二中继透镜组成，用于扩大或者缩小照射到空间光调制器141上的光束大小，让系统的空间布局更为合理。所述的中继光学系统还可以是由其他光学元件组成的中继光学系统，可以根据特定的功能对其进行定制和设计。

点光源阵列100根据瞳孔位置点亮相应位置的点光源，通过第一透镜110输出相应角度的宽光束平行光，所述平行光传输到所述中继光学系统410中进行滤波，滤波后的平行光被所述分束器120反射照射到所述空间光调制器141上，所述平行光经过空间光调制器141进行相位、振幅或复振幅衍射调制后，再透射穿过所述分束器120到目镜上面，所述目镜由第二透镜130构成，经过第二透镜130的会聚，进入人眼，实现虚拟现实式的全息近眼显示。当人眼位置发生改变时，所述眼动追踪系统160追踪人眼位置，并将信号传输给所述计算机170，所述计算机170根据人眼位置信号计算点光源阵列中需要发光的点光源以及所述空间光调制器141上加载的相应全息图。然后所述计算机170驱动点光源阵列驱动器150控制相应点光源发光，改变入射到空间光调制器141上的平行光的方向，同时驱动空间光调制器141加载相应全息图，保证经过空间光调制器141衍射调制后的图像能够会聚于人眼位置，实现基于阵列光源的眼瞳箱扩展。

图9仅描述了采用中继光学系统410进行滤波，实现虚拟现实式全息近眼显示系统的一个实施例，结合实施例2的方式也可利用中继光学系统对增强现实式全息近眼显示系统进行滤波。在所述的分束器120前设置中继光学系统进行滤波，将所述的第二透镜130替换为合光器210，用于让外界光直接透过进入人眼，同时让所述空间光调制器141衍射调制后的光线会聚进入人眼。

实施例5

用于虚拟现实的彩色全息近眼显示系统，如图10所示，所述的全息近眼显示系统包括三色点光源阵列500、第一透镜110、分束器120、目镜、空间光调制器及驱动系统140、点光源阵列驱动器150、眼动追踪系统160、计算机170。

在本实施例当中，点光源阵列中的点光源为三色集成的点光源，所述的三色点光源分别发出红、绿、蓝三种颜色的光。由于红绿蓝三色对应的波长不同，而透镜或其他光学器件对其折射的角度也有所差别，相位型空间光调制器对不同波长光的最大衍射角度也不相同，因此为了使最终形成的出瞳在同一位置，所以需要根据系统光路以及空间光调制器对三色点光源的位置做出相应的设计，保证其出瞳位置一致。所述的三色点光源阵列500通过点光源阵列驱动器150与计算机170相连接，计算机170通过驱动器150时序点亮光源即可获得红、绿、蓝三种颜色的光，经第一透镜110准直以后可获得红、绿、蓝三种颜色的平行光。当三色点光源点亮红色时，红光经过光学系统照射到空间光调制器141上，空间光调制器141上加载红光对应的分量全息图，再经过空间光调制器141调制后由目镜系统将红色衍射光会聚到人眼；同样，三色点光源的绿光对应空间光调制器141上绿光对应的分量全息图；三色点光源的蓝光对应空间光调制器141上蓝光对应的分量全息图。为了让观看的图像比较稳定且满足人眼的视觉暂留效应，所述三色点光源三种颜色切换的帧率一般需大于人眼每秒能分辨的帧数。

所述的点光源阵列500根据瞳孔位置点亮相应位置的点光源，通过第一透镜110输出相应角度的宽光束平行光，所述分束器120将所述平行光反射到所述空间光调制器141上，平行光经空间光调制器141衍射调制后并反射，再透射通过分束器120到所述目镜上。所述目镜由第二透镜130构成，所述第二透镜130将平行光会聚进入人眼，实现虚拟现实式的全息近眼显示。当所述点光源阵列按照一定帧率进行不同颜色切换时，经过第一透镜110输出红、绿、蓝三种颜色的平行光，所述分束器120将所述平行光反射到所述空间光调制器141上，所述计算机170根据点光源中发光颜色的不同计算所述空间光调制器上141需要加载的分量全息图。然后所述计算机170驱动点光源阵列驱动器150控制相应颜色的点光源发光，改变入射到空间光调制器141上的平行光的颜色，同时驱动空间光调制器141加载相应分量全息图，该分量全息图衍射调制的图像会聚于人眼后，由于人眼的视觉暂留特性，当点光源和分量全息图同步切换的帧率大于人眼每秒能够分辨的帧数时，即可实现虚拟现实式的彩色全息近眼显示。当人眼位置发生改变时，所述眼动追踪系统追踪人眼位置，并将信号传输给所述计算机170，所述计算机170根据人眼位置信号计算点光源阵列中需要发光的点光源、点光源发光颜色的时序以及所述空间光调制器141上加载的相应分量全息图。然后所述计算机170驱动点光源阵列驱动器150控制相应点光源时序发光，改变入射到空间光调制器141上的平行光的方向和颜色，同时驱动空间光调制器141加载相应分量全息图，保证经过空间光调制器141衍射调制后的图像能够会聚于人眼位置，实现彩色全息近眼显示和基于阵列光源的眼瞳箱扩展。

图11仅描述了采用不同颜色点光源的时分复用实现虚拟现实式彩色全息近眼显示系统的一个实施例，结合实施例2的方式也可利用不同颜色点光源的时分复用实现增强现实式全息近眼显示系统。将所述的第二透镜130替换为合光器210，用于让外界光直接透过进入人眼，同时让所述空间光调制器141衍射调制后的光线会聚进入人眼。

实施例6

用于虚拟现实的彩色全息近眼显示系统，如图11所示，所述的全息近眼显示系统包括红色点光源阵列系统610、绿色点光源阵列系统620、蓝色点光源阵列系统630、空间光调制器及驱动系统140、合光系统640、眼动追踪系统160、目镜、计算机170。

其中，红色点光源阵列系统610、绿色点光源阵列系统620、蓝色点光源阵列系统630分别通过红色点光源阵列驱动器613、绿色点光源阵列驱动器623、蓝色点光源阵列驱动器633与计算机170相连。当红色点光源阵列610点亮红色时，红光经过光学系统照射到空间光调制器141上，空间光调制器141上加载红光对应的分量全息图，再经过空间光调制器141调制后由第二透镜将红色衍射光会聚到人眼；同样，绿色点光源阵列620的绿光对应空间光调制器141上绿光对应的分量全息图；蓝色点光源阵列630的蓝光对应空间光调制器141上蓝光对应的分量全息图。所述三色点光源三种颜色切换的帧率大于人眼每秒能分辨的帧数。红绿蓝三色点光源阵列的位置并不局限于图11所示，而是按需排布，当然，其位置更换以后需要对合光系统640中的二向色镜的位置做出相应调整。

所述合光系统640由第一二向色镜641与第二二向色镜642组成，用于将红绿蓝三色点光源阵列发出的光重合到同一位置。在本实施例当中，第一二向色镜641让红色点光源阵列610发出的红色平行光透过，让其他波长的光反射，即让绿色点光源阵列620发出的绿色平行光反射并与红色平行光合光；第二二向色镜则主要让蓝色点光源阵列630发出的蓝色平行光反射出去，而其他波长的平行光透射。因此，将红绿蓝三色的平行光合光形成相同角度的平行光束。由于本实施例采用红绿蓝三色点光源分时点亮，因此所述合光系统640也可采用多个分束平板，或分束棱镜，或立方体棱镜组成，但是，对于红绿蓝三色同步发光的情况，则只能采用二向色镜以及立方体棱镜。同样，当红绿蓝三色点光源的位置发生变化时，所述合光系统640中的二向色镜的位置也应该做出相应调整。

所述红绿蓝点光源阵列时序发出红、绿、蓝三种颜色的平行光并传输到的空间光调制器141上，所述合光系统640让红绿蓝三色平行光时序照射到空间光调制器141上，平行光经空间光调制器141衍射调制后由目镜将衍射光会聚进入人眼，目镜由第二透镜130组成，实现虚拟现实式的彩色全息近眼显示。当人眼位置发生改变时，所述眼动追踪系统追踪人眼位置，并将信号传输给所述计算机170，所述计算机170根据人眼位置信号计算红绿蓝三个点光源阵列中需要发光的相应点光源的位置、点光源发光的时序以及所述空间光调制器上加载的相应全息图。然后所述计算机170驱动点光源阵列驱动器控制相应三个点光源阵列中相应位置的点光源时序发光，改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，同时驱动空间光调制器141加载相应位置对应的全息图，保证经过空间光调制器衍射调制后的图像能够合光并会聚于人眼位置，实现彩色全息近眼显示和基于阵列光源的眼瞳箱扩展。

实施例7

用于虚拟现实的彩色全息近眼显示系统，如图12所示，所述的全息近眼显示系统包括红色点光源阵列系统610、绿色点光源阵列系统620、蓝色点光源阵列系统630、第一空间光调制器及驱动系统710、第二空间光调制器及驱动系统720、第三空间光调制器及驱动系统730、合光系统640、红色点光源阵列驱动器眼动追踪系统160、目镜、计算机170。

其中，红色点光源阵列系统610、绿色点光源阵列系统620、蓝色点光源阵列系统630分别通过红色点光源阵列驱动器613、绿色点光源阵列驱动器623、蓝色点光源阵列驱动器633与计算机170相连；第一空间光调制器及驱动系统710、第二空间光调制器及驱动系统720、第三空间光调制器及驱动系统730则分别通过第一空间光调制器驱动器711、第二空间光调制器驱动器721、第三空间光调制器驱动器731与计算机170相连。红色点光源阵列系统610将红色的平行光照射到第一空间光调制器712上；绿色点光源阵列系统620将绿色的平行光照射到第二空间光调制器722上；蓝色点光源阵列系统630将蓝色的平行光照射到第三空间光调制器732上。第一二向色镜641让第一空间光调制器712调制后的红色衍射光透射，让第二空间光调制器722调制后的绿色衍射光反射，让红色、绿色衍射光合光；第二二向色镜642让第一二向色镜641合成的红色、绿色衍射光反射，让第三空间光调制器732调制后的蓝色衍射光透射，让红色、绿色、蓝色衍射光合光。所述目镜用于让红绿蓝三色衍射光合成的衍射光会聚于人眼。当红绿蓝三色点光源的位置发生变化时，所述合光系统640中的二向色镜的位置也应该做出相应调整。

与实施例6的装置不同，实施例7的装置是采用三个空间光调制器同时调制红、绿、蓝三色平行光，因此，它采用了三个空间光调制器，分别是第一空间光调制器712、第二空间光调制器722、第三空间光调制器732。三个单色的点光源阵列分别照射三块空间光调制器，所以实施例5在工作的时候只需要控制点光源阵列中相应位置的点光源发光，并不需要对红、绿、蓝三种颜色发光时序额外控制。

所述红绿蓝点光源阵列同时发光输出红、绿、蓝三种颜色的平行光并传输到对应的空间光调制器上，平行光经空间光调制器衍射调制后由合光系统640合光，目镜将合光系统640合成的平行光会聚进入人眼，目镜由第二透镜130组成，实现虚拟现实式的彩色全息近眼显示。当人眼位置发生改变时，所述眼动追踪系统追踪人眼位置，并将信号传输给所述计算机170，所述计算机170根据人眼位置信号计算红绿蓝三个点光源阵列中需要发光的点光源的位置以及所述空间光调制器上加载的相应全息图。然后所述计算机170驱动点光源阵列驱动器控制相应三个点光源阵列中相应位置的点光源同时发光，改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，同时驱动空间光调制器加载相应位置对应的全息图，保证经过空间光调制器衍射调制后的图像能够合光并会聚于人眼位置，实现彩色全息近眼显示和基于阵列光源的眼瞳箱扩展。

本发明实施例提供的可扩展出瞳的全息近眼显示系统的显示方法示意流程图，如图13所示，该方法包括：

第一步:通过眼动追踪系统，获取人眼瞳孔所在的位置信息。

第二步:将瞳孔所在的平面定义成一个二维的XY平面坐标系，由于人眼瞳孔转动位置有限，所以瞳孔在XY平面坐标系中的位置在X方向位于(x₀,x_m)之间，Y方向位于(y₀,y_n)之间。根据人眼瞳孔位置信息，确定其在XY平面坐标系中的位置(x,y)。设点光源阵列中包含m×n个点光源，则理论上该点光源阵列可以在眼瞳平面形成m×n个出瞳位置，根据瞳孔的位置信息，再根据光路的映射关系，确定该瞳孔位置在点光源阵列平面中对应的点光源位置(m_x,n_y)。

第三步:根据人眼瞳孔的位置(x,y)以及点光源的发光颜色，对相应位置和相应发光颜色需要加载的全息图进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码。在本发明当中，点光源阵列有单色发光、红绿蓝三色时序发光和红绿蓝三色同步发光三种，因此当点光源单色发光时，只需要根据瞳孔位置点亮相应位置的点光源即可；当红绿蓝三色时序发光时，在点亮相应位置的点光源的同时，还需控制红绿蓝三色的发光时序，由于红绿蓝三色点光源的位置有所区别，此处还得按第二步计算出相应颜色对应的点光源的位置；当红绿蓝三色同步发光时，也只需要点亮相应位置的点光源。在本发明当中，空间光调制器的调制方式有振幅、相位以及复振幅调制这三种，因此全息图的编码可以根据空间光调制器的种类进行振幅编码、相位编码以及复振幅编码。其全息图生成和编码流程如下：

1.根据需要显示的三维场景，通过点源法、角谱法、菲涅尔衍射、弗朗和费衍射等方法计算出瞳位置的复振幅分布U_EP；

2.根据出瞳位置的复振幅分布U_EP，并结合人眼瞳孔的位置(x,y)，计算空间光调制器面的复振幅分布U_SLM；

3.将空间光调制器面的复振幅分布U_SLM根据空间光调制器的调制方式的不同，编码为空间光调制器相应的加载全息图像信息。

第四步:计算机通过点光源阵列驱动器关闭前一瞳孔位置(x₀,y₀)对应的点光源(m_x0,n_y0)并同步或时序点亮这一瞳孔位置(x₁,y₁)对应的点光源(m_x1,n_y1)，并控制空间光调制器加载人眼位置对应的全息图。点光源阵列驱动器控制点光源阵列中点光源的闭合与点亮与空间光调制器驱动控制空间光调制器加载相应全息图是在计算机的控制下同步进行的。

第五步:人眼看到相应的三维场景。当人眼转动时，其瞳孔位置发生改变，则需再次通过眼动追踪系统重新获取瞳孔位置信息。重复以上步骤即可实现基于阵列光源的眼瞳箱扩展。

综上所述，上述实施例基于阵列光源的全息近眼显示系统及眼瞳箱扩展方法。该全息显示设备包括点光源阵列、透镜、分束器、空间光调制器、目镜、眼动追踪系统、计算机等。点光源发出的光被透镜准直以后照射到分束器上面，平行光被分束器反射照射到空间光调制器上，被加载到空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光通过目镜会聚到人眼。采用眼动追踪装置追踪人眼的位置，通过计算机计算点光源阵列中相应位置和相应颜色点光源的发光状态以及加载到空间光调制器的相应全息图，通过控制点光源改变入射到空间光调制器上的平行光的方向，使全息图精确地会聚到人眼所在的位置，进而实现彩色全息近眼显示并有效地扩展了眼瞳箱。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以按合理顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于阵列光源的全息近眼显示系统，包括点光源阵列(100)、第一透镜(110)、分束器(120)、空间光调制器(141)及驱动系统(140)、目镜、眼动追踪系统(160)、点光源阵列驱动器(150)及计算机(170)，其特征在于：

点光源阵列(100)与点光源阵列驱动器(150)相连接，由点光源阵列驱动器(150)控制点光源的点亮与闭合，该点光源阵列驱动器(150)与计算机(170)相连接；

第一透镜(110)前焦面设有点光源阵列(100)，用于产生不同角度的宽光束平行光；

分束器(120)将平行光反射照射到所述空间光调制器上；

空间光调制器(141)加载对应瞳孔位置的计算全息图，对照射在其上面的平行光进行衍射调制，该衍射调制的平行光经过光学系统为人眼提供三维图像，空间光调制器(141)通过空间光调制器驱动器(142)与计算机(170)相连接；

目镜将带有图像信息的衍射光线会聚进入人眼或将带有图像信息的衍射光线会聚进入人眼同时让外界光线直接进入人眼；

眼动追踪系统(160)用于获取人眼瞳孔的位置信息，与计算机(170)相连接；

计算机(170)，用于处理人眼瞳孔位置信息，计算点光源阵列(100)中点光源的开关状态，计算编码对应位置的全息图，并同步控制点光源的开关以及全息图的加载刷新。

2.根据权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统，其特征在于，所述的点光源阵列(100)为二维LED阵列加窄带滤光片的组合；

或者，所述点光源阵列(100)为二维的光纤耦合激光器的输出端阵列；

或者，所述的点光源阵列(100)由面光源与液晶开关组成，或面光源与振幅型空间光调制器组成。

3.根据权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统，其特征在于，所述第一透镜(110)与分束器(120)之间设有中继光学系统(410)；所述中继光学系统(410)由第一中继透镜(411)、第二中继透镜(412)和空间滤波器(413)组成。

4.根据权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器(141)为反射式空间光调制器，或透射式空间光调制器。

5.根据权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统，其特征在于，所述的空间光调制器(141)为相位型空间光调制器、振幅型空间光调制器或振幅相位混合型空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统，其特征在于，所述目镜为第二透镜(130)时，用于实现虚拟现实全息近眼显示；所述的第二透镜(130)为单片透镜或多个透镜的组合。

7.根据权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统，其特征在于，所述的目镜为合光器(210)时，用于实现增强现实全息近眼显示。

8.根据权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统，其特征在于，所述点光源阵列为三色点光源阵列(500)和合光系统(640)，实现彩色全息显示系统；所述的三色点光源阵列(500)为二维阵列分布，通过点光源阵列驱动器与计算机相连接，由计算机通过点光源阵列驱动器控制点光源的时序、点亮与闭合所述的点光源阵列中三个颜色的点光源时序发光，每个时刻至多有一种颜色的点光源发光；所述的合光系统(640)用于将三色点光源阵列发出的光重合。

9.一种基于阵列光源的全息近眼显示的眼瞳箱扩展方法，采用权利要求1所述的基于阵列光源的全息近眼显示系统进行操作，其特征在于，操作步骤如下：

第一步:通过眼动追踪系统，获取人眼瞳孔所在的位置(x,y)；

第二步:根据人眼瞳孔位置(x,y)，计算点光源阵列中需要发光的点光源位置(m_x,n_y)；再根据点光源的发光颜色，计算三色点光源中该发光颜色的发光位置和发光时序；

第三步:根据人眼瞳孔位置(x,y)以及点光源的发光颜色，对相应位置和相应颜色需要加载的全息图进行计算，并根据空间光调制器的类型进行相应编码；

第四步:计算机控制点光源阵列中点光源的时序闭合与点亮并同步控制空间光调制器加载人眼位置和点光源发光颜色对应的全息图；

第五步:人眼瞳孔移动到不同位置均观看到相应的三维场景。

10.根据权利要求9所述基于阵列光源的全息近眼显示的眼瞳箱扩展方法，其特征在于：在所述第三步中，空间光调制器的调制方式有振幅、相位以及复振幅调制这三种，全息图的编码根据空间光调制器的种类进行振幅编码、相位编码以及复振幅编码；全息图生成和编码流程如下：

a.根据需要显示的三维场景，通过点源法、角谱法、菲涅尔衍射、弗朗或费衍射方法计算出瞳位置的复振幅分布U_EP；

b.根据出瞳位置的复振幅分布U_EP，并结合人眼瞳孔的位置(x,y)，计算空间光调制器面的复振幅分布U_SLM；

c.将空间光调制器面的复振幅分布U_SLM根据空间光调制器的调制方式的不同，编码为空间光调制器相应的加载全息图像信息。

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