CN113687523A - 一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，本专利所述方法，由显示器件各像素或子像素对应调控单元引导该像素或子像素投射光指向、约束该像素或子像素投射光的角分布特性，通过各像素或子像素投射光于观察面上非对称分布区域的空间排列，构建各像素或子像素沿第一方向间距大于观察者瞳孔直径且小于观察者双瞳最小间距、沿第二方向间距小于观察者瞳孔直径的视区分布。基于该设计，利用沿第二方向小间距分布的视区，实现向观察者各瞳孔均多于一个的待显示场景二维图像的投射，从而实现裸眼光场三维显示。进一步结合指向性背光和/或瞳孔追踪单元，为观察者提供更大的观察区域。

Description

一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法

技术领域

本发明涉及三维图像显示技术领域，更具体地，涉及基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法。

背景技术

在现实的三维世界里，二维显示由于第三维深度信息的丢失而不完美，而呈现立体场景的三维显示技术受到越来越多的关注。基于光栅分光的体视三维显示技术，兼容于主流平板显示器，是目前应用最为广泛的三维技术。通过一维光栅的分光功能，传统光栅式三维显示技术引导显示屏不同组的像素出射光分别可见于一维排列、相邻视区间距大于瞳孔直径的不同视区，使观察者处于不同视区的双瞳分别接收来自不同像素组所投射图像，从而基于双目视差实现三维图像的呈现。受显示屏空间带宽积的限制，体视技术所能呈现的视区数目是有限的；同时为了确保观察者两只眼睛都能接收到不同视图，有限数目的视区需要空间上覆盖观察者的两只瞳孔，由此导致相邻视区的间距较大(大于瞳孔直径)。该较大的相邻视区间距意味着观察者各瞳孔分别只能接收到待显示场景的一幅二维图像(单目单视图)。为了看清楚各自对应的一幅二维图像，观察者的各眼睛必须聚焦于呈现该二维图像的显示屏。基于双目视差原理获得三维视觉时，观察者的双目视向会聚于空间的显示场景，由此导致双目会聚距离和单目聚焦距离的不一致，也即聚焦-会聚冲突，该冲突会引起观察者的头晕和各种视觉不适。

通过沿不同方向分别投射待显示场景的至少两幅不同二维图像给观察者各瞳孔(单目多视图)，过各显示物点沿不同传播方向进入观察者各瞳孔的至少两束光束，于该显示物点处的叠加光分布足够强时，则可实现观察者各目对该显示物点的自然聚焦，解决所述聚焦-会聚冲突问题。通过一维光栅的分光，要实现向观察者各瞳孔至少两幅二维图像的投射，需要其对应视区间距小于观察者瞳孔直径D_p，同时所有视区至少应该覆盖包含观察者双瞳的空间区域。这些要求的满足，要求光栅分光生成较大数量的小间距视区，导致各视区对应二维图像分辨率的极大下降。中国发明专利名称“基于光栅的三维显示方法(公开号CN110035274A，公开日2018年01月12日)”以向观察者各瞳孔分别投射相异图像的显示装置作为图像输入装置，然后再经一维光栅，该图像输入装置所投射任一图像的对应像素，二次分光，分别对应投射光至沿双瞳连线垂向、间距小于观察者瞳孔直径D_p的不同视区。则，通过观察者双瞳连线方向间距大于瞳孔直径D_p、沿双瞳连线垂向上小于瞳孔直径D_p的视区分布，即两个方向上非对称分布的视区，以较小的视区总量实现观察者各瞳至少两个不同二维图像的投射，从而基于单目多视图克服聚焦-会聚冲突问题。该专利所述“向观察者双目分别投射相异图像的显示装置”，可以是各种现有显示装置，例如各像素对应附有调控微结构的指向性显示屏；此时，该显示屏的像素分为多个像素组，同一像素组中，各像素投射光在其对应调控微结构的调控下，会聚形成该像素组共同对应的视区；则通过沿双瞳连线方向间距大于瞳孔直径的视区，向观察者各瞳分别投射各一个视图。再例如该专利所述“向观察者双目分别投射相异图像的显示装置”是其实施例3所述的“图像输入装置显示屏”和“附着于图像输入装置显示屏的固有光栅”组合；该情况下，所述固有光栅和所述一维光栅，是沿不同方向排列的两个一维光栅；该两个沿不同方向排列的两个一维光栅，复合到一个器件时，其可能的一个单元结构如图1所示。明显地，中国发明专利名称“基于光栅的三维显示方法(公开号CN110035274A，公开日2018年01月12日)”中的各分光单元结构对应多于一个的像素。同时，明显地，中国发明专利名称“基于光栅的三维显示方法(公开号CN110035274A，公开日2018 年01月12日)”也可以以子像素作为基本显示单元。

发明内容

本发明目的在于，利用和显示器件各像素或子像素一一对应的调控单元，调控各像素或子像素投射光非对称分布，并引导各像素或子像素投射光的指向。基于各调控单元的调控，生成沿第一方向稀疏排布、沿第二方向密集排布的二维分布视区。该第一方向，为观察者双瞳连线方向，或和观察者双瞳连线方向具有较小夹角的方向；该第二方向，为观察者双瞳连线方向的垂向，或和观察者双瞳连线方向的垂向具有较小夹角的方向。则，针对观察者双瞳间距远大于其瞳孔直径这一生理特性，利用非对称分布视区进行单目多视图投射，以合理数目视区，实现无聚焦-会聚冲突的裸眼三维显示。本发明采用的技术方案是：

一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，该基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法使用的显示系统包括显示器件、调控器件、及与该显示器件和该调控器件连接的控制器件，其中显示器件包括多个像素或者多个子像素，调控器件包括多个调控单元，且该调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应，或者该调控器件的各调控单元与所述显示器件的各子像素一一对应；

当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应时，基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法包括以下步骤：

S1:各调控单元调控对应像素的出射光的角分布特性，以保证：于观察面，各像素的投射光中大于其光强极大值50％的光分布区域尺寸，沿第一方向大于观察者瞳孔直径D_p且小于观察者双瞳最小间距D_pm，沿第二方向小于观察者瞳孔直径D_p，并以该光分布区域作为该像素的对应像素视区；

S2：各调控单元引导对应像素投射光沿各自对应指向传播，以使各像素对应像素视区的排列满足：对观察面上的任一观察者瞳孔，沿第二方向对应至少两组像素，该两组像素的所有像素能够经各自对应像素视区投射光至该瞳孔，其中各像素组的像素遍布所述显示器件分布，不同像素组无共用像素，且分属观察面上同一瞳孔所对应不同像素组的像素，对应像素视区间距沿第二方向大于零、小于观察者瞳孔直径D_p；

S3:控制器件控制显示器件各像素加载光信息，所加载光信息为：沿该像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息；

或者当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各子像素一一对应时，该基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法包括以下步骤：

SS1:各调控单元调控对应子像素的出射光的角分布特性，以保证：于观察面，各子像素的投射光中大于其光强极大值50％的光分布区域尺寸，沿第一方向大于观察者瞳孔直径D_p且小于观察者双瞳最小间距D_pm，沿第二方向小于观察者瞳孔直径D_p，并以该光分布区域作为该子像素的对应子像素视区；

SS2：各调控单元引导对应子像素投射光沿各自对应指向传播，以使各子像素对应像素视区的排列满足：对观察面上的任一观察者瞳孔，沿第二方向对应至少两组子像素，该两组子像素的所有子像素能够经各自对应子像素视区投射光至该瞳孔，其中各子像素组的子像素遍布所述显示器件分布，不同子像素组无共用子像素，且分属观察面上同一瞳孔所对应不同子像素组的子像素，对应子像素视区间距沿第二方向大于零、小于观察者瞳孔直径Dp；

SS3:控制器件控制显示器件各子像素加载光信息，所加载光信息为：沿该子像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。

进一步地，所述显示系统还包括与显示器件连接的瞳孔追踪单元，该瞳孔追踪单元用于实时确定观察者瞳孔的位置；

其中，当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应时，步骤S3还包括：根据瞳孔追踪单元所确定观察者瞳孔位置，对于投射光入射观察者瞳孔的各像素，控制器件控制其加载光信息为：沿该像素投射至观察者瞳孔的光束的传播方向，待显示场景的投影光信息；

或者当所述调控器件的各调控单元与显示器件的各子像素一一对应时，步骤SS3还包括:根据瞳孔追踪单元所确定观察者瞳孔位置，对于投射光入射观察者瞳孔的各子像素，控制器件控制其加载光信息为：沿该子像素投射至观察者瞳孔的光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。

进一步地，当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应时，同一像素组各像素的像素视区中心重叠，它们的重叠区域为对应该像素组的像素组视区；

或者当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各子像素一一对应时，同一子像素组各子像素的子像素视区中心重叠，它们的重叠区域为对应该子像素组的子像素组视区。

进一步地，所述显示器件为被动发光器件，该显示系统还包括指向性背光单元，该指向性背光单元可以沿不同方向投射指向性背光给该显示器件。

进一步地，当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应时，步骤S3还包括：在各时间点，根据瞳孔追踪单元所确定观察者瞳孔实时位置，控制器件控制指向性背光单元沿对应指向投射背光，使得背光沿该指向入射时，对观察面上各瞳孔，存在至少两组像素组，其像素投射光入射该瞳孔；

或者当所述调控器件的各调控单元与显示器件的各子像素一一对应时，步骤SS3还包括：在各时间点，根据瞳孔追踪单元所确定观察者瞳孔实时位置，控制器件控制指向性背光单元沿对应指向投射背光，使得背光沿该指向入射时，对观察面上各瞳孔，存在至少两组子像素组，其子像素投射光携带关于该瞳孔的对应光信息入射该瞳孔。

进一步地，当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应时，步骤S3还包括：于任一时间周期的M个时间点，控制器件控制指向性背光单元沿M 个不同指向时序投射背光，以使该M个时间点对应像素视区的排列覆盖更大空间，其中M≧2；

或者当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的子各像素一一对应时，步骤SS3还包括：于任一时间周期的M个时间点，控制器件控制指向性背光单元沿M个不同指向时序投射背光，以使该M个时间点对应子像素视区的排列覆盖更大空间，其中M≧2。

进一步地，所述调控器件的各调控单元，为能够对对应像素或子像素投射光的角分布特性和传播方向进行调控的纳米压印光栅、全息光栅或者超表面结构。

进一步地，所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应时，同一像素组各像素的像素视区错位排列。

进一步地，当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各子像素一一对应时，同一像素组各子像素的像素视区错位排列。

进一步地，其中当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各像素一一对应时，各像素对应像素视区的分布被设置为使得过各显示物点入射任一观察者瞳孔的多于一束的光束，其对应像素视区于该观察者瞳孔上等间距排列；

当所述调控器件的各调控单元与所述显示器件的各子像素一一对应时，各子像素对应子像素视区的分布被设置为使得过各显示物点入射任一观察者瞳孔的多于一束的光束，其对应子像素视区于该观察者瞳孔上等间距排列。

本发明还提供一种基于投射光非对称分布的显示系统，其包括显示器件、调控器件、及与该显示器件连接的控制器件，其中显示器件包括多个像素或者多个子像素，调控器件包括多个调控单元，

其中该调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应，各调控单元调控能够对应像素的出射光的角分布特性；

各调控单元能够引导对应像素投射光沿各自对应指向传播；

控制器件能够控制显示器件各像素加载光信息，所加载光信息为：沿该像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息；

或者

该调控器件的各调控单元与所述显示器件的各子像素一一对应，各调控单元调控能够对应子像素的出射光的角分布特性；

各调控单元能够引导对应子像素投射光沿各自对应指向传播；

控制器件能够控制显示器件各子像素加载光信息，所加载光信息为：沿该子像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。

进一步地，各调控单元能够调控对应像素的出射光的角分布特性，以保证：于观察面，各像素的投射光中大于其光强极大值50％的光分布区域尺寸，沿第一方向大于观察者瞳孔直径Dp且小于观察者双瞳最小间距Dpm，沿第二方向小于观察者瞳孔直径Dp，并以该光分布区域作为该像素的对应像素视区；

各调控单元引导对应像素投射光沿各自对应指向传播，以使各像素对应像素视区的排列满足：对观察面上的任一观察者瞳孔，沿第二方向对应至少两组像素，该两组像素的所有像素能够经各自对应像素视区投射光至该瞳孔，其中各像素组的像素遍布所述显示器件分布，不同像素组无共用像素，且分属观察面上同一瞳孔所对应不同像素组的像素，对应像素视区间距沿第二方向大于零、小于观察者瞳孔直径Dp；

或者各调控单元能够调控对应子像素的出射光的角分布特性，以保证：于观察面，各子像素的投射光中大于其光强极大值50％的光分布区域尺寸，沿第一方向大于观察者瞳孔直径Dp且小于观察者双瞳最小间距Dpm，沿第二方向小于观察者瞳孔直径 Dp，并以该光分布区域作为该子像素的对应子像素视区；

各调控单元引导对应子像素投射光沿各自对应指向传播，以使各子像素对应子像素视区的排列满足：对观察面上的任一观察者瞳孔，沿第二方向对应至少两组子像素，该两组子像素的所有子像素能够经各自对应子像素视区投射光至该瞳孔，其中各子像素组的子像素遍布所述显示器件分布，不同子像素组无共用子像素，且分属观察面上同一瞳孔所对应不同子像素组的子像素，对应子像素视区间距沿第二方向大于零、小于观察者瞳孔直径Dp。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用和显示器件各像素或子像素一一对应的调控单元，调控各像素或子像素投射光非对称分布，并引导各像素或子像素投射光的指向。基于该设计，沿第一方向，观察者双瞳分别接收到相异像素组(或相异子像素组)所投射光信息；沿第二方向，观察者各瞳孔分别接收到至少两组像素(或两组子像素)所投射光信息。从而，针对观察者双瞳间距远大于瞳孔直径的特性，利用沿第一方向稀疏分布、沿第二方向密集分布的视区，实现单目多视图的裸眼三维显示。本发明设计和显示屏各像素或子像素一一对应的调控单元，形成一种新的非对称视区生成方法，以基于合理数量的视区，实现单目多视图的裸眼三维光场显示。

附图说明

图1所示为“背景技术”所述对比专利可能使用的一种光栅单元的示意图。

图2是一个像素经对应调控单元生成对应像素视区示意图。

图3是本发明二维分布的非对称视区生成原理示意图。

图4是沿第二方向相邻像素组视区分布范例示意图。

图5所示为是沿第二方向像素组视区对应光强分布示意图。

图6所示为沿第一方向像素组视区间距设计范例I示意图。

图7是沿第一方向观察者双瞳相对像素组视区的另一种位置关系示意图。

图8所示为沿第一方向像素组视区间距设计范例II示意图。

图9所示为像素组视区空间位置和入射背光指向的对应关系示意图。

图10所示为时序入射的不同指向背光所对应像素组视区的分布范例示意图。

图11所示为同一像素组的不同像素所对应视区不重合的示例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例

本发明的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法使用的显示系统包括显示器件10、调控器件20、及与该显示器件10和该调控器件20连接的控制器件30，其中显示器件10包括多个像素，调控器件20包括多个调控单元，且该调控器件20 的各调控单元与所述显示器件10的各像素一一对应(在其他实施例中，显示器件10 包括可以包括多个子像素，该调控器件20的各调控单元与所述显示器件10的各子像素一一对应)。该基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法利用和显示器件10各像素一一对应的调控单元，调控各像素投射光的角分布特性，使各像素投射光于观察面上，大于其光强极大值50％的光分布区域尺寸，沿一个方向大于观察者瞳孔直径D_p且小于观察者双瞳的最小间距D_pm，沿另一个方向小于观察者瞳孔直径D_p。该两个方向，依次分别命名为第一方向和第二方向。这里，观察者双瞳最小距离D_pm是指连接观察者一个瞳孔中一点和另外瞳孔中一点的所有连线中，最短连线的线长。所有调控单元组成调控器件20。各像素投射光于观察面上，光强大于极大值光强50％的区域，为该像素的对应像素视区。如图2所示，像素p_ij投射光，经对应调控单元g_ij的调控，于观察面xy上的对应像素视区为VZ_ij。像素视区VZ_ij沿第一方向x向，其尺寸大于观察者瞳孔直径D_p，但小于观察者双瞳的最小间距D_pm；沿第二方向y向，其尺寸小于观察者瞳孔直径D_p。该第一方向x向和第二方向y向，可以相互垂直，也可以是非垂直的关系。同时，各调控单元也对对应像素投射光的传输方向，也即对对应像素投射光的指向进行引导，以使各像素对应像素视区于观察面上根据要求排列。该排列要求具体以图3所示范例进行说明，像素p₁₁投射光经调控单元g₁₁，对应像素视区为VZ_g1；像素p₁₂投射光经调控单元g₁₂，对应像素视区为VZ_g5；像素p₁₃投射光经调控单元g₁₃，对应像素视区为VZ_g3；像素p₂₁投射光经调控单元g₂₁，对应像素视区为VZ_g4；像素p₂₂投射光经调控单元g₂₂，对应像素视区为VZ_g2；像素p₂₃投射光经调控单元g₂₃，对应像素视区为VZ_g6。显示器件10的像素分为不同组。图 3以6个像素组为例：像素p₁₁、p₁₄、p₁₇、…；p₃₁、p₃₄、p₃₇、…；p₅₁、p₅₄、p₅₇、…；…组成像素组1，该像素组1所有像素的像素视区，在各自对应调控单元的引导下，均重合于像素视区VZ_g1，称该像素视区VZ_g1为像素组1对应的像素组视区VZ_g1；像素 p₂₂、p₂₅、p₂₈、…；p₄₂、p₄₅、p₄₈、…；p₆₂、p₆₅、p₆₈、…；…组成像素组2，该像素组2所有像素的像素视区，在各自对应调控单元的引导下，均重合于像素视区VZ_g2，称该像素视区VZ_g2为像素组2对应的像素组视区VZ_g2；像素p₁₃、p₁₆、p₁₉、…；p₃₃、p₃₆、p₃₉、…；p₅₃、p₅₆、p₅₉…；…组成像素组3，该像素组3所有像素的像素视区，在各自对应调控单元的引导下，均重合于像素视区VZ_g3，称该像素视区VZ_g3为像素组3对应的像素组视区VZ_g3；像素p₂₁、p₂₄、p₂₇、…；p₄₁、p₄₄、p₄₇、…；p₆₁、p₆₄、 p₆₇…；…组成像素组4，该像素组4所有像素的像素视区，在各自对应调控单元的引导下，均重合于像素视区VZ_g4，称该像素视区VZ_g4为像素组4对应的像素组视区 VZ_g4；像素p₁₂、p₁₅、p₁₈、…；p₃₂、p₃₅、p₃₈、…；p₅₂、p₅₅、p₅₈…；…组成像素组5，该像素组5所有像素的像素视区，在各自对应调控单元的引导下，均重合于像素视区 VZ_g5，称该像素视区VZ_g5为像素组5对应的像素组视区VZ_g5；像素p₂₃、p₂₆、p₂₉、…；

p₄₃、p₄₆、p₄₉、…；p₆₃、p₆₆、p₆₉…；…组成像素组6，该像素组6所有像素的像素视区，在各自对应调控单元的引导下，均重合于像素视区VZ_g6，称该像素视区VZ_g6为像素组6对应的像素组视区VZ_g6。其中，各像素组视区，沿第二方向y的尺寸Δy<D_p，沿第一方向x向的尺寸D_p<Δx<D_pm。观察者双瞳设计为大致沿第一方向x向置放。图 3中，像素组视区VZ_g1、VZ_g2、VZ_g3对应于观察者的左瞳60L，像素组视区VZ_g4、 VZ_g5、VZ_g6对应于观察者的右瞳60R。具体地，以左瞳60L及对应像素组视区VZ_g1、 VZ_g2、VZ_g3为例。如图4，置于观察面xy上的左瞳60L，在设计沿第二方向y向的相邻像素组视区间距Δdy小于观察者瞳孔直径D_p的情况下，可以通过相邻像素组视区VZ_g1和VZ_g2，接收到该两个像素组视区对应像素组投射的图像，从而实现单目多视图显示。随着沿第二方向y向的相邻像素组视区间距变小，更多个像素组投射的图像会入射对应瞳孔。该过程中，各像素的显示信息，由控制器件30控制加载。各像素所加载信息为沿该像素投射至对应像素视区(在同一像素组各像素所对应像素视区重合为像素组视区时，即为该像素所属像素组对应的像素组视区)的光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。各像素向对应像素视区投射光束中所包含的任一光线的传播方向，均可作为该光束的传播方向。一般情况下，指定观察者的位置时，各像素向对应像素视区投射光束的传播方向，为指向该对应视区的中心点的光线的传播方向。考虑观察者瞳孔的移动，可以进一步引入瞳孔追踪单元40，实时追踪确定观察者各瞳孔位置；然后根据所确定观察者瞳孔60位置，控制器件30控制各像素对应光信息的同步加载。该情况下，对于投射光入射对应瞳孔60的各像素，其所加载信息限定为沿该像素投射至对应瞳孔60的光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。各调控单元g_ij，可以是纳米压印光栅、全息光栅、超表面结构等已知结构，及其它尚未设计出来的结构，只要该结构可以实现对应像素所对应像素视区的投射。

图4中，瞳孔60被设置于观察面S_ob。实际上，在满足如下前提的情况下，瞳孔60也可以偏离观察面S_ob一定距离。该前提为实现单目多视图显示必要条件：过任一显示物点，均有来自于两个不同像素的光束入射该瞳孔60。各像素投射光，沿第二方向，于观察面上的光强分布如图5中的虚线所示。明显地，随着像素组视区沿第二方向尺寸Δy的减小，沿第二方向相邻像素组视区间的串扰变小，有利于显示图像质量的提高。也即是说，Δdy≧Δy的设计，有利于第二方向相邻像素组视区间串扰的抑制。图6中虚线所示为像素组各像素投射相同强度光时，各像素投射光沿第一方向x 向于对应像素组视区处的光强分布，这里以相邻的两个像素组视区分别对应观察者的双瞳为例。沿第一方向x向，观察者左瞳60L和右瞳60R分别置于相邻的像素组视区VZ_g2和VZ_g4中。这里，沿第一方向的像素组视区尺寸Δx略小于观察者双瞳最小距离D_pm。当观察者沿x向移动至图7所示位置时，左瞳60L虽然和像素组视区VZ_g2和VZ_g4均不相交，但其同时可以接收到该两个像素组视区对应像素组所投射的光信息。则，为了避免获得不准确的显示信息，像素组视区VZ_g2和VZ_g4所对应的两个像素组各像素，所加载信息为沿该像素投射至左瞳60L的光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。而右瞳60R，将同时接受到像素组视区VZ_g4对应像素组所投射的关于左瞳60L的图像信息，造成显示错误或带来较大的噪声。图7中的实线，表示像素组视区VZ_g2和VZ_g4所对应的两个像素组投射相同强度光时的叠加光分布光强。为了避免这种噪声，同时又保证处于两个相邻像素组视区中间位置的瞳孔60可以接收正确图像，沿第一方向x向，需要对应更小像素组视区尺寸Δx值的更多像素组视区。如图8，沿第一方向的像素组视区尺寸Δx约为观察者瞳孔间距的一半，观察者瞳孔间距的值大于D_pm。沿第一方向x向，相邻视区以一个较小的缝隙排布(也可以首尾相连排列)。该情况下，设计像素组视区VZ_g2和VZ_g4对应像素向观察者左瞳60L投射相应光信息，像素组视区VZ_g7和VZ_g10对应像素向观察者右瞳60R投射相应光信息，可以得到良好的显示效果。

上述实例中，调制单元可以选用各种光控器件，如超表面结构、全息光栅结构、微纳光栅等。这些结构，常常具有色散效应。本专利所述显示方法，还可以以显示器件10的子像素作为基本显示单元，调制器件20的各调制器件，和显示器件10的各子像素一一对应设置。该设计可以避免一个像素所出射不同波长的光经该像素所对应调制单元时的色散效应。基于上述过程，以子像素代替像素，出射相同颜色光的子像素分为不同的子像素组，各子像素组对应各自的子像素组视区，即可同理实现单目多视图的三维显示。在以子像素为基本显示单元时，为了得到理想的彩色显示，对各瞳孔60，要求对应各颜色的至少一个子像素组投射光经对应子像素组视区入射该瞳孔 60。

通过指向性背光的时序入射，上述方法可以进一步地基于时序复用，提高像素组视区的呈现数量，以向观察者提供更大的观察区域。显示器件10选用被动发光器件，由指向性背光单元50投射指向性背光给该显示器件10。例如图9所示，指向性背光单元50在一个时间周期t～t+Δt的时间点t，投射沿vect1方向的平行背光，像素p_ij对应像素视区为VZ_ij1；在该时间周期的另一个时间点t+Δt/2，指向性背光单元50投射沿vect2方向的平行背光，则像素p_ij对应像素视区移动到VZ_ij2所处位置。其它各像素对应的像素视区都同理进行对应的空间移动。在各像素组对应的像素组视区存在时，它们在不同背光入射时，所对应像素组视区的位置也对应不同。该情况下，有两种路径。第一种路径，于任一时间周期的M>1个时间点，指向性背光单元50沿M 个不同指向时序投射背光，以使该M个时间点对应像素视区的排列覆盖更大空间，如图10所示的两个不同时间点对应生成的、沿第二方向依次排列的各4个像素组视区。该情况下，各像素出射光，经对应调控单元，存在高阶衍射项时，其空间上可能覆盖非对应像素组视区，从而引入噪声。第二种路径，在各时间点，根据瞳孔追踪单元40所确定观察者各瞳孔60实时位置，控制器件30控制指向性背光单元50仅投射该实时位置对应背光；该对应背光入射时所对应生成像素组，使处所述实时位置的任一瞳孔60对应至少两组像素组，其像素投射光携带关于该瞳孔的对应光信息入射该瞳孔60。随着观察者瞳孔60位置的改变，指向性背光单元50所投射背光相应发生改变，以保证像素组视区对观察者瞳孔60的追踪覆盖。该情况下，调控单元高阶衍射项导致的噪声可以得到有效抑制。图9所示vect1方向和vect2方向沿第二方向y 向不同，它们也可以是沿第一方向x向不同，或者沿其它方向不同。图9和图10以 M＝2为例，当然M也可以取其它值。上述过程，同样适用于子像素、子像素组和其对应的子像素视区、子像素组视区的情况。

上诉各实施范例中，各像素组中，所有像素的像素视区重叠形成该像素组所对应的像素组视区。对应子像素，同样类似，各像子素组中，所有子像素的子像素视区重叠形成该子像素组所对应的子像素组视区。实际上，由于各调控单元对对应像素或子像素的单独调控，同一像素组或子像素组中，其各像素或子像素对应的像素视区或子像素视区，也可以发生一定的错位，而不是一定强制要求重合为对应的像素组视区或子像素组视区。如图11所示，图3所示像素组1的像素p₁₁、p₁₄、p₃₁所对应像素视区被设计为错位排列。为了图示的清晰，图11中仅三个像素的对应像素视区被示出。该情况下，实现过各显示点，至少两条不同方向光束入射观察面上观察者任一瞳孔 60的条件为：至少两组像素组的所有像素，可以经各自对应像素视区投射光至该瞳孔。为了更好的显示效果，各像素对应像素视区的分布，最优地为保证过各显示物点入射任一瞳孔60的多于一束的光束，于该瞳孔上间距相等。上述方法，也适用于以子像素作为基本显示单元的情况。

所述指向性背光单元50，可以是现有的，或将会出现的各种能沿不同方向提供时序背光的光学结构，例如中国发明专利名称“一种光束发散角偏转孔径二次约束的显示模组(公开号CN112882248A，公开日2021年06月01日)”所述的“光波导结构的背光源组件”，或应用光学(Applied Optics)于2017年刊发文章“LARGE REAL-TIME HOLOGRAPHIC 3DDISPLAYS:ENABLING COMPONENTS AND RESULTS(No.13of Vol.36)”所述的背光单元(backlight unit)。

本专利基于观察者双瞳间距远大于瞳孔直径的特性，利用各调控单元对对应像素或子像素投射光的调控，生成沿观察者双瞳连线方向稀疏分布、沿该连线垂向密集分布的视区，以实现单目多视图的裸眼三维显示。在克服传统单目单视图技术(体视技术)所面临聚焦-会聚冲突问题的同时，也缓解了现有通过沿两个方向皆密集分布视区实现单目多视图的光场技术(例如集成成像)对显示器件空间带宽积的高要求。

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，例如仅通过采用不可穷举的各种具体结构作为调控单元，按本专利所述方法进行的显示，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于：

该基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法使用的显示系统包括显示器件(10)、调控器件(20)、及与该显示器件(10)连接的控制器件(30)，其中显示器件(10)包括多个像素或者多个子像素，调控器件(20)包括多个调控单元，且该调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应，或者该调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各子像素一一对应；

当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应时，基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法包括以下步骤：

S1:各调控单元调控对应像素的出射光的角分布特性，以保证：于观察面，各像素的投射光中大于其光强极大值50％的光分布区域尺寸，沿第一方向大于观察者瞳孔直径D_p且小于观察者双瞳最小间距D_pm，沿第二方向小于观察者瞳孔直径D_p，并以该光分布区域作为该像素的对应像素视区；

S2：各调控单元引导对应像素投射光沿各自对应指向传播，以使各像素对应像素视区的排列满足：对观察面上的任一观察者瞳孔(60)，沿第二方向对应至少两组像素，该两组像素的所有像素能够经各自对应像素视区投射光至该瞳孔(60)，其中各像素组的像素遍布所述显示器件(10)分布，不同像素组无共用像素，且分属观察面上同一瞳孔(60)所对应不同像素组的像素，对应像素视区间距沿第二方向大于零、小于观察者瞳孔直径D_p；

S3:控制器件(30)控制显示器件(10)各像素加载光信息，所加载光信息为：沿该像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息；

或者当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各子像素一一对应时，该基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法包括以下步骤：

SS1:各调控单元调控对应子像素的出射光的角分布特性，以保证：于观察面，各子像素的投射光中大于其光强极大值50％的光分布区域尺寸，沿第一方向大于观察者瞳孔直径D_p且小于观察者双瞳最小间距D_pm，沿第二方向小于观察者瞳孔直径D_p，并以该光分布区域作为该子像素的对应子像素视区；

SS2：各调控单元引导对应子像素投射光沿各自对应指向传播，以使各子像素对应像素视区的排列满足：对观察面上的任一观察者瞳孔(60)，沿第二方向对应至少两组子像素，该两组子像素的所有子像素能够经各自对应子像素视区投射光至该观察者瞳孔(60)，其中各子像素组的子像素遍布所述显示器件(10)分布，不同子像素组无共用子像素，且分属观察面上同一瞳孔(60)所对应不同子像素组的子像素，对应子像素视区间距沿第二方向大于零、小于观察者瞳孔直径D_p；

SS3:控制器件(30)控制显示器件(10)各子像素加载光信息，所加载光信息为：沿该子像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，所述显示系统还包括与显示器件(10)连接的瞳孔追踪单元(40)，该瞳孔追踪单元(40)用于实时确定观察者瞳孔(60)的位置；

其中，当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应时，步骤S3还包括：根据瞳孔追踪单元(40)所确定观察者瞳孔(60)位置，对于投射光入射观察者瞳孔(60)的各像素，控制器件(30)控制其加载光信息为：沿该像素投射至观察者瞳孔(60)的光束的传播方向，待显示场景的投影光信息；

或者当所述调控器件(20)的各调控单元与显示器件(10)的各子像素一一对应时，步骤SS3还包括：根据瞳孔追踪单元(40)所确定观察者瞳孔(60)位置，对于投射光入射观察者瞳孔(60)的各子像素，控制器件(30)控制其加载光信息为：沿该子像素投射至观察者瞳孔(60)的光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应时，同一像素组各像素的像素视区中心重叠，它们的重叠区域为对应该像素组的像素组视区；

或者当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各子像素一一对应时，同一子像素组各子像素的子像素视区中心重叠，它们的重叠区域为对应该子像素组的子像素组视区。

4.根据权利要求2所述一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，所述显示器件(10)为被动发光器件，该显示系统还包括指向性背光单元(50)，该指向性背光单元(50)可以沿不同方向投射指向性背光给该显示器件(10)。

5.根据权利要求4所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应时，步骤S3还包括：在各时间点，根据瞳孔追踪单元(40)所确定观察者瞳孔(60) 实时位置，控制器件(30)控制指向性背光单元(50)沿对应指向投射背光，使得背光沿该指向入射时，对观察面上各瞳孔(60)，存在至少两组像素组，其像素投射光入射该观察者瞳孔(60)；

或者当所述调控器件(20)的各调控单元与显示器件(10)的各子像素一一对应时，步骤SS3还包括：在各时间点，根据瞳孔追踪单元(40)所确定观察者瞳孔(60)实时位置，控制器件(30)控制指向性背光单元(50)沿对应指向投射背光，使得背光沿该指向入射时，对观察面上各瞳孔(60)，存在至少两组子像素组，其子像素投射光入射该观察者瞳孔(60)。

6.根据权利要求4所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应时，步骤S3还包括：于任一时间周期的M个时间点，控制器件(30)控制指向性背光单元(50)沿M个不同指向时序投射背光，以使该M个时间点对应像素视区的排列覆盖更大空间，其中M≧2；

或者当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的子各像素一一对应时，步骤SS3还包括：于任一时间周期的M个时间点，控制器件(30)控制指向性背光单元(50)沿M个不同指向时序投射背光，以使该M个时间点对应子像素视区的排列覆盖更大空间，其中M≧2。

7.根据权利要求1所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，所述调控器件(20)的各调控单元，为能够对对应像素或子像素投射光的角分布特性和传播方向进行调控的纳米压印光栅、全息光栅或者超表面结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应时，同一像素组各像素的像素视区错位排列。

9.根据权利要求1所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，当所述调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各子像素一一对应时，同一子像素组各子像素的子像素视区错位排列。

10.根据权利要求8所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，各像素对应像素视区的分布被设置为使得过各显示物点入射任一观察者瞳孔(60)的多于一束的光束，其对应像素视区于该观察者瞳孔(60)上等间距排列。

11.根据权利要求9所述的一种基于投射光非对称分布的裸眼光场显示方法，其特征在于，各子像素对应子像素视区的分布被设置为使得过各显示物点入射任一观察者瞳孔(60)的多于一束的光束，其对应子像素视区于该观察者瞳孔(60)上等间距排列。

12.一种基于投射光非对称分布的显示系统，其特征在于，包括显示器件(10)、调控器件(20)、及与该显示器件(10)连接的控制器件(30)，其中显示器件(10)包括多个像素或者多个子像素，调控器件(20)包括多个调控单元，

其中该调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各像素一一对应，各调控单元调控能够对应像素的出射光的角分布特性；

各调控单元能够引导对应像素投射光沿各自对应指向传播；

控制器件(30)能够控制显示器件(10)各像素加载光信息，所加载光信息为：沿该像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息；

或者

该调控器件(20)的各调控单元与所述显示器件(10)的各子像素一一对应，各调控单元调控能够对应子像素的出射光的角分布特性；

各调控单元能够引导对应子像素投射光沿各自对应指向传播；

控制器件(30)能够控制显示器件(10)各子像素加载光信息，所加载光信息为：沿该子像素投射光束的传播方向，待显示场景的投影光信息。

Images