CN113885209A - 一种全息ar三维显示方法及模组、近眼显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及光学显示领域，公开了一种全息AR三维显示方法及模组、近眼显示系统，该模组包括光源、调制透镜组、分光单元、空间光调制器和光阑、该空间光调制器能够载入三维图像的全息图，接收汇聚球面波，并对所述汇聚球面波进行调制，以输出并显示人眼可见的三维光场图像。本发明实施例提供的全息AR三维显示方法及模组通过光场图像编码减少衍射计算，加快全息图的生成过程，同时通过汇聚球面波作为参考光干涉得到全息图，降低全息图的空间频率，从而得到大视角的全息AR三维显示效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学显示领域，特别涉及一种全息AR三维显示方法及模组、近眼显示系统。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)显示技术是一种具有重要应用价值的新型显示技术，这种技术能够让使用者看到呈现的虚拟图像的同时看到环境，起到信息提示和现实增强的作用，能够大大的提升工作效率，在工业设计、教育、国防、娱乐等多个领域具有重要的应用价值。
实现增强现实三维显示的常用手段为双目视差，即人左右眼分别提供包含视差信息的二维图像，通过人的大脑合成来形成三维感知，但由于二维成像面深度固定，需要大脑来感受到的图像深度变化，这容易导致人眼的聚焦和调节产生矛盾从而导致眩晕，该情况在观看距离远时影响不大，但近距离三维显示时会导致观看舒适性和认知准确性发生改变，不利于实际应用。实现三维显示的其他方法还有基于微透镜阵列的集成成像三维显示，基于多深度叠加的光场三维显示等方案，但这些方法只能在一定程度上减弱上述辐辏调节的影响。而全息三维显示则能够完全解决辐辏调节的影响，是基于干涉记录和衍射再现的真三维显示技术，能够实现完整的波前重构，是一种理想的三维显示。
但目前传统的全息三维显示系统中空间光调制器分辨率低，像素尺寸大，传统光路中需要采用4f系统滤波，会导致光学系统增大，此外，全息图的计算量巨大，加速计算也是一个尚需解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种全息AR三维显示方法及模组、近眼显示系统。
为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种全息AR三维显示方法，应用于全息显示模组，所述方法包括：对光场图像进行汇聚球面波编码，以获得全息图；载入三维图像的全息图；接收汇聚球面波，并对所述汇聚球面波进行调制，以输出并显示人眼可见的三维光场图像。
在一些实施例中，所述对光场图像进行汇聚球面波编码，以获得全息图，进一步包括：设定眼盒(eye-box)的尺寸和位置，并获得眼盒的各顶点的位置；将全息平面分解为连续的单元全息平面；将各所述单元全息平面的顶点与所述眼盒的各顶点对角连线，定义各连线的交点为虚拟针孔，并获取各虚拟针孔的位置；对各单元全息平面对应的单元光场图像，来自于所述对应的单元全息平面的汇聚于对应的虚拟针孔处的汇聚球面波，以及来自于所述对应的单元全息平面的汇聚球面波参考光进行干涉，以得到单元全息图；将各单元全息图进行组合，以得到所述全息图。
在一些实施例中，所述方法还包括：确定所述眼盒的范围内能够实现成像。
在一些实施例中，所述确定所述眼盒的范围内能够实现成像，进一步包括：获取来自所述眼盒的各顶点的光线与汇聚球面波参考光中的不同方向的光线在所述全息平面上的交点处的空间频率；判断所述空间频率是否在空间光调制器的频率范围内；若是，则确定所述眼盒的范围内可实现成像。
在一些实施例中，所述载入三维图像的全息图，包括：获取各波长的光对应的全息图；时序载入各波长的全息图。
为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种全息AR三维显示模组，包括：光源，用于出射照明光；调制透镜组，设置在所述光源的出光方向上，用于将所述照明光转换为汇聚球面波；分光单元，所述分光单元的入光侧靠近所述调制透镜组设置；空间光调制器，设置在所述分光单元的透光侧，用于载入全息图，接收并调制所述汇聚球面波，以形成三维光场图像；光阑，设置在所述分光单元的反光侧，且配置为所述三维光场图像经所述光阑后可成像在眼盒区域。
在一些实施例中，所述空间光调制器包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述第一方面所述的全息AR三维显示方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上第一方面所述的方法。
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行如上第一方面所述的方法。
在一些实施例中，所述光阑的开孔尺寸与眼盒的尺寸相同，且所述光阑设于所述三维光场图像的零级光汇聚点所在的平面上。
在一些实施例中，所述空间光调制器为反射式空间光调制器。
为解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例还提供了一种近眼显示系统，包括：两个并列设置的如第二方面所述的全息AR三维显示模组，两个所述全息AR三维显示模组所出射的三维光场图像分别用于入射至左眼和右眼。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种全息AR三维显示方法及模组、近眼显示系统，该模组包括光源、调制透镜组、分光单元、空间光调制器和光阑、该空间光调制器能够载入三维图像的全息图，接收汇聚球面波，并对所述汇聚球面波进行调制，以输出并显示人眼可见的三维光场图像。本发明实施例提供的全息AR三维显示方法及模组通过光场图像编码减少衍射计算，加快全息图的生成过程，同时通过汇聚球面波作为参考光干涉得到全息图，降低全息图的空间频率，从而得到大视角的全息三维显示效果。另外，本申请实施例提供的全息AR三维显示模组无需设置4f系统滤波，减少了光路体积。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例一提供的一种全息AR三维显示模组的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种全息AR三维显示方法的流程示意图；
图3是图2所示方法中步骤S100的一子流程示意图；
图4(a)是全息图的计算模型示意图；
图4(b)是xoz平面内汇聚球面波参考光的汇聚点与眼盒的位置关系示意图；
图4(c)是yoz平面内汇聚球面波参考光的汇聚点与眼盒的位置关系示意图；
图4(d)是z＝ze平面内，眼盒和汇聚球面波参考光的汇聚点的位置关系示意图；
图4(e)是虚拟针孔/交点坐标在xoz平面坐标内的计算原理图；
图4(f)是光场图像编码的计算原理图；
图5是图2所示方法中步骤S110的一子流程示意图；
图6(a)是全息图在xoz平面上的分解原理图；
图6(b)是三组波长对应的全息平面上不同点关于顶点和参考光汇聚点的频率图；
图7是本发明实施例三提供的一种近眼显示系统的结构示意图；
图8是本发明实施例四提供的一种空间光调制器的结构示意图。
附图标记说明：101、光源；102、调制透镜组；102-1、透镜；102-2、透镜；103、分光单元；104、空间光调制器；1041、处理器；1042、存储器；105、光阑；105-1、光阑的开孔；10、近眼显示系统；100、全息AR三维显示模组。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了解决目前全息三维显示眼盒视角小、全息图计算量大、生成速度慢的问题，本发明实施例提供了一种全息AR三维显示方法及模组、近眼显示系统，通过汇聚球面波作为参考光与汇聚于眼盒的物光在全息面(即全息平面)上干涉，可降低全息图上的空间频率，从而实现更大视角的全息AR三维显示，通过光场图像编码的方法避免计算量巨大的衍射计算，从而加速全息图生成的速度，提供了一种更加紧凑的全息AR三维显示模组。
具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
实施例一
本发明实施例提供了一种全息AR三维显示模组，请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种全息AR三维显示模组的结构，所述全息AR三维显示模组包括：光源101、调制透镜组102、分光单元103、空间光调制器104、光阑105。具体地，
所述光源101，用于出射照明光；优选地，所述光源101可以是点光源，发出发散照明光，例如，可以是采用光纤耦入激光在光纤头发出发散照明光的点光源，或者，通过针孔滤波器获得的发散的激光光源，或者，耦入光纤从光纤头时序发出红色、绿色和蓝色发散的激光，具体地，可根据实际需要进行选择。
所述调制透镜组102，其设置在所述光源101的出光方向上，用于将所述照明光转换为汇聚球面波；所述调制透镜组102包括至少一个常规透镜或消色差透镜，将来自所述光源101的发散球面波转换为汇聚球面波。如图1所示，所述调制透镜组102包括透镜102-1和102-2两个透镜，其中，光源101位于透镜102-1的前焦平面上，其发出的发散光被透镜102-1准直为平面波，透镜102-2发出的光在光轴上光线的距离包含从透镜102-2的光心到空间光调制器104的垂直距离、从空间光调制器104垂直反向传播与所述分光单元103交点的距离、以及从所述分光单元103交点反射到所述光阑105的汇聚点的距离，三个距离之和为透镜102-2的焦距。
所述分光单元103，其入光侧设置有所述调制透镜组102，用于将汇聚球面波透射出射，且用于将光场图像反射出射；优选地，所述分光单元103可以是分光镜，例如，宽带非偏振的分光棱镜或分光片，环境光可部分透过所述分光单元103的入光侧进入到所述光阑105中被人眼接收，人眼可同时看到位于远处的全息三维显示及环境中的场景，从而实现AR三维显示的目的。
所述空间光调制器104，其设置在所述分光单元103的透光侧，用于载入全息图，接收并调制所述汇聚球面波，以形成三维光场图像；优选地，所述空间光调制器104为振幅型空间光调制器，可以是反射式空间光调制器，如液晶附硅，即硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon，LCoS)，或者，数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)。
所述光阑105，其设置在所述分光单元103的反光侧，且配置为所述三维光场图像经所述光阑105后可成像在眼盒区域。其中，眼盒指的是人眼移动可以看到完整图像的移动范围。所述光阑105为一个物理开孔的实际光阑或液晶光阀，液晶光阀可通过电压控制液晶透明的区域，该透明的区域为眼盒所在区域，允许光透过而其它光被非透明区域遮挡，所述光阑105用于将零级汇聚光及共轭光等遮挡，仅允许所设计眼盒区域内的光透过。当用户佩戴有设置有所述全息AR三维显示模组的装置时，人眼位于所设计的眼盒区域内，可同时观看到大视场的全息三维显示及环境中的场景，实现全息AR三维显示。优选地，所述光阑105的开孔尺寸与眼盒的尺寸相同，且所述光阑105设于所述三维光场图像的零级光汇聚点所在的平面上。如图1所示，105-1为所述光阑105的开孔位置，其尺寸与眼盒设计的尺寸相同。
采用本发明实施例提供的全息AR三维显示模组实现全息三维显示时，工作原理如下。需要说明的是，图1以反射式空间光调制器用作空间光调制器104为例，图1中仅示出了零级光汇聚的情形，衍射光未画出。
所述光源101发出的照明光(例如发散球面波)被所述调制透镜组102中的透镜102-1准直为平面光，即所述光源101位于透镜102-1的前焦平面上；经透镜102-1准直后得到平行光被所述调制透镜组102中的透镜102-2汇聚，形成汇聚光(即汇聚球面波)；空间光调制器104(例如反射式空间光调制器)载入全息图，汇聚光部分通过所述分光单元103后照明到空间光调制器104上，空间光调制器104对照明到其上的汇聚光进行调制，衍射再现三维光场图像；衍射产生的调制衍射光反向传播后被所述分光单元103部分反射，其中，未被衍射的零级光被所述分光单元103反射后汇聚为一点，在汇聚点所在平面放置有所述光阑105，105-1为光阑上的一个开孔，其允许衍射的正一级光进入，该开孔即为所设计的眼盒区域。人眼位于眼盒中可看到位于远处的全息再现像以及环境光部分穿透所述分光单元103后进入人眼的像，实现增强现实全息三维显示的效果。
进一步地，在实现彩色显示时，所述光源101时序发出红色、绿色和蓝色的发散照明光，空间光调制器104中分别载入红色、绿色和蓝色波长对应的全息图，在刷新频率大于25Hz(三色合成的频率为25×3＝75Hz)时，由于人眼视觉暂留的作用，可以看到彩色全息AR三维显示效果。
实施例二
本发明实施例提供了一种全息AR三维显示方法，应用于全息显示模组，所述全息显示模组可以是如上述实施例一及图1所述的全息AR三维显示模组，具体地，所述全息AR三维显示方法可以应用在所述全息AR三维显示模组的空间光调制器中，请参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种全息AR三维显示方法的流程，所述方法包括但不限于以下步骤：
步骤S100：对光场图像进行汇聚球面波编码，以获得全息图；
在发明实施例中，主要通过汇聚球面波与汇聚于眼盒中的物光在全息面(即全息平面)上干涉产生全息图，其中通过光场图像编码计算得到所述全息图，能够有效降低空间频率，使得现有空间光调制器参数下满足采样定理时可支撑更大的视场角，同时可以加快全息图的计算速率，具体地，请参见图3，其示出了步骤S100的一子流程，所述通过汇聚球面波编码，以获得所述全息图，进一步包括：
步骤S110：设定眼盒的尺寸和位置，并获得眼盒的各顶点的位置；
首先，在本发明实施例中，用户可以根据实际需要和人体工学设计设定眼盒的尺寸和位置，并根据设计数据确定眼盒各顶点的位置信息，该位置信息可以由空间坐标来表征，具体地，眼盒的尺寸和位置可根据所需装置最终所需要成像的范围来及位置来设置。
步骤S120：将全息平面分解为连续的单元全息平面；
进一步地，在空间光调制器中，存在一用于载入全息图的全息平面，可将该全息平面分解为连续的单元全息平面，各单元全息平面对应于各单元全息图。请一并参见图4(a)，其示出了本发明实施例提供的全息AR三维显示方法中全息图的计算模型，该模型仅给出xoz平面内分解的情况，yoz平面的分解情况分析相同。首先，如图4(a)所示，全息图H被分解为多个单元，例如H1,1，H2,1。其中，任意一个单元为Hi,j，其中(i,j)为x和y方向上的序号。
步骤S130：将各所述单元全息平面的顶点与所述眼盒的各顶点对角连线，定义各连线的交点为虚拟针孔，并获取各虚拟针孔的位置；
请继续参见图4(a)，
和
分别为眼盒在x方向上的顶点ws为眼盒在x方向上的宽度，ze为全息面(即全息平面)到眼盒的距离，将顶点
和
与单元全息图Hi,j的上下顶点分别连线的交点可设定为虚拟针孔所在位置。例如，p1,1为单元全息图H1,1与眼盒的各顶点相交连线的交点，p1,1对单元全息图H1,1的张角构成该单元全息图发光的视场角，其发出的光汇聚于交点p1,1后发散进入眼盒中，其它单元全息图发光情况类似。因此，相应的，通过将各所述单元全息平面的顶点与所述眼盒的各顶点对角连线，并获取各连线的交点，该交点即为上述的虚拟针孔所在位置，也即是上述示例的p1,1。
步骤S140：对各单元全息平面对应的单元光场图像，来自于所述对应的单元全息平面并汇聚于对应的虚拟针孔处的汇聚球面波，以及来自于所述对应的单元全息平面的汇聚球面波参考光进行干涉，以得到单元全息图；
在实现三维成像时，o(x,y,z)为三维物体，如图4(a)所示，p1,1对单元全息图H1,1的张角与p2,1对单元全息图H2,1的张角的公共区域为ττ′的区域，对于三维物体上处于该区域的物点，发出的光将分别通过p1,1和p2,1两个虚拟针孔到达眼盒，当人眼在眼盒中，两条光线将同时进入人眼，从而人眼可汇聚于两条光线的交点上，从而感受到三维信息。当多个单元全息平面与其对应的虚拟针孔对应张角的公共区域中的三维物体，其发出的光线通过对应虚拟针孔到达眼盒时将产生两条及两条以上的光线同时到达眼盒，从而人眼在眼盒中同时看到来自于三维物体上的同一个物点的两条及以上光线时，形成三维感知。对于任意单元全息图Hi,j，该单元全息图Hi,j的计算由三维物体向所对应的虚拟针孔pi,j进行投影，在Hi,j上获得投影图像Ii,j，与来自于该单元全息图Hi,j并汇聚于虚拟针孔的汇聚球面波与汇聚球面波参考光进行编码(例如干涉)得到。
基于此，请参见图4(b)和图4(c)，其分别示出了xoz平面内汇聚球面波参考光的汇聚点与眼盒的位置关系和yoz平面内汇聚球面波参考光的汇聚点与眼盒的位置关系。如图4(b)所示，汇聚球面波参考光为汇聚于R(0,0,ze)的汇聚球面波，在xoz平面的俯视图中汇聚点R(0,0,ze)位于眼盒在x方向的中心。如图4(c)所示，全息图设置为y方向上的离轴全息图，在yoz平面视图中，眼盒在y方向上的尺寸为ls，向y方向平移ys使得参考光汇聚点R(0,0,ze)和眼盒分离。(同样的，全息图亦可设置为在x方向上的离轴全息，汇聚球面波参考光的汇聚点坐标R(0,0,ze)不变，但眼盒与汇聚球面波参考光的汇聚点在x方向上偏移，分析方法与在y方向的离轴全息相同，不再赘述)。进一步地，请参见图4(d)，其示出了在z＝ze平面内，眼盒和汇聚球面波参考光的汇聚点的位置关系示意图，其含义与图4(b)与图4(c)描述的在z＝ze平面内眼盒和汇聚球面波参考光的汇聚点的含义相同。因此，可以得到汇聚于汇聚点R(0,0,ze)的汇聚球面波参考光的相位，其可以表示为：
其中，(xh,yh)为全息平面上的坐标，λ为波长。
进一步地，对于单元全息图，其光场图像的计算由三维物体在该单元全息图发光视场角范围内的物点与虚拟针孔连线在单元全息平面上投影得到，具体地，请参见图4(e)，其示出了虚拟针孔的坐标在xoz平面坐标内的计算原理图，假设单元全息图的宽度为wh，两个端点分别为C(xhs)和D(xhe)，即xhe-xhs＝wh，虚拟针孔的三维坐标点pi,j(xp,i,j,yp,i,j,zp,i,j)，则根据简单的几何推导有：
假设单元全息图的长度为lh，两个端点分别为C′(yhs)和D′(yhe)，即yhe-yhs＝lh，yp,i,j可同理根据图4c的示意图得到：
最终，在获取到如上述的各平面的汇聚球面波参考光与眼盒的位置关系，并基于此得到虚拟针孔，即单元全息图的顶点到眼盒的顶点的交点，即汇聚点的三维坐标后，在计算各个单元全息平面上的单元全息图时，各个单元全息图所对应的单元光场图像汇聚于对应虚拟针孔的汇聚球面波，对各单元全息平面对应的单元光场图像在所述交点处的球面波进行编码，以得到单元全息图。
具体地，请参见图4(f)，其示出了光场图像编码的计算原理图，当虚拟针孔位置确定后，可通过三维物体向虚拟针孔投影，获取位于该单元全息图平面上的光场图像的投影坐标，如图4(f)所示三维物体第k个物点o(xk,yk,zk)向虚拟针孔pi,j投影，投影点为E(xim,yim)，该单元全息图Hi,j对应的光场图像定义为imi,j，投影点坐标可以表示为：
满足：xhs≤xim≤xhe。
同理，在yoz平面内的投影坐标可以表示为：
满足：yhs≤yim≤yhe。
从而单元光场图像可以表示为：
imi,j(xim,yim)＝Ak (7)
其中Ak为第k个物点的振幅。当做彩色显示时，Ak表示红色、绿色和蓝色数据，则imi,j为包含三个颜色通道数据的彩色投影图像。
当获得单元光场图像后，单元全息图可表示为：
其中，
就是汇聚球面波参考光的相位。同样的，以三原色波长为例，当计算彩色全息图时，将公式(8)中的波长λ替换为λr、λg和λb，并分别使用彩色图像imi,j三颜色通道的数据计算得到三个波长对应的全息图。其中λr、λg和λb分别表示红色、绿色和蓝色波长。
步骤S150：将各单元全息图进行组合，以得到所述全息图。
将所有的单元全息图按照其对应的在连续的单元全息平面上的位置组合后，即可得到完整的全息图，该全息图可用于载入到空间光调制器中。
步骤S200：载入三维图像的全息图。
具体地，在获得全息图后，空间光调制器中直接载入所述全息图，该全息图在接收到照明光时，对照明光进行调制从而得到三维光场图像。
进一步地，在需要进行彩色显示时，可以获取各波长的光对应的全息图；时序载入各波长的全息图；例如，可通过时序载入空间调制器并显示各波长的全息图，实现时序载入各波长的全息图。更进一步的，各波长的照明光也时序的与载入图像(即载入各波长的全息图)同步；通过时序的同步的照明，从而实现彩色三维光场图像的输出。以三原色波长为例，可以分别通过如上述步骤S100的方式得到每个波长对应的全息图，分时载入空间光调制器中进行显示即可。
步骤S300：接收汇聚球面波，并对所述汇聚球面波进行调制，以输出并显示人眼可见的三维光场图像。
在本发明实施例中，空间光调制器在载入全息图后，接收汇聚球面波作为照明光，并对该照明光进行调制，得到调制衍射光，该衍射光场中包含人眼可见的三维光场图像的衍射光，将该衍射光通过光阑等装置滤波输出后即可实现三维显示，具体地，可通过如上述实施例一所述的全息AR三维显示模组实现最终的三维显示。
进一步地，由于参数设计需要满足的条件为全息平面上的空间频率分布满足采样定理的要求，而采样是由所使用的空间光调制器的像素尺寸和分辨率以及照明光的波长决定的。因此，还需要确定所述眼盒的范围内能够实现成像。具体地，请参见图5，其示出了步骤S110的一子流程，所述获取眼盒的尺寸和位置，以获得眼盒的各个顶点，包括：
步骤S111：获取来自所述眼盒的各顶点的光线与汇聚球面波参考光中的不同方向的光线在所述全息平面上的交点处的空间频率；
步骤S112：判断所述空间频率是否在空间光调制器的频率范围内；若是，则跳转至步骤S113；
步骤S113：确定所述眼盒的范围内可实现成像。
具体地，请参见图6(a)，其示出了全息图在xoz平面上的分解原理图，如图6(a)所示，全息图在x方向上的宽度为Wh，其中xh为全息图上一点的坐标，该点与汇聚球面波参考光的汇聚点R(0,0,ze)和眼盒的上下边界连线的夹角，决定了眼盒的上下边界上的点(如)发出的与该点相交的光在该点的空间频率，可分别表示为：
其中，fd表示来自眼盒的下顶点A′的光线与汇聚球面波参考光中的不同方向的光线在全息图(或全息平面)上的交点处的空间频率；fu表示来自眼盒的上顶点A连线的光线与汇聚球面波参考光中的不同方向的光线在全息图(或全息平面)上的交点处的空间频率。也即，fd表示全息图(或全息平面)上的一点和眼盒的下顶点A′连线的光线，与全息图(或全息平面)上的一点和汇聚球面波参考光的汇聚点连线的光线的空间频率；xh表示全息图(或全息平面)上的一点和眼盒的上顶点A连线的光线，与全息图(或全息平面)上的一点和汇聚球面波参考光的汇聚点连线的光线的空间频率。
给定全息图的坐标范围xh，眼盒尺寸ws，波长λ及距离ze，遍历整个xh的整个范围，可求出频率曲线的分布，该频率曲线分布要在空间光调制器最高频率范围以内，否则将超出采样定理的要求而不是合理的设计参数。
以现有4k分辨率的空间光调制器LCoS为例说明情况，其分辨率为4096×2160，波长分别设置为467nm，532nm和632nm，ze＝75mm，全息图像素间隔3.74μm，像素数4096，眼盒的尺寸9mm，则此时采样最大频率为1/(2×3.74μm)＝133.8lp/mm。如图6(b)所示，三个波长对应的全息平面上的各点关于顶点和汇聚球面波参考光的汇聚点的空间频率均小于133.8lp/mm，从而该参数可满足采样定理的要求。在yoz方向上，可设置眼盒为3mm，偏移量可设置为ys＝9/2-3+3/2＝3mm。此时可满足采样定理的需求，且汇聚光(即汇聚球面波)与正一级衍射光可分离。此时以全息图对眼盒中心的张角来表示视场角
而LCoS的衍射角
以最短波长473nm计算，则θslm＝3.58°，视场角为衍射角的二倍，则为7.16°。从中可知，采用汇聚球面波照明的全息三维显示，能够降低全息面(即全息平面)上的空间频率需求，在相同条件下，能够实现比空间光调制器衍射角7.16°限制下的更大的视场角11.66°，且能够保证更大的眼盒尺寸，例如此例中的9mm×3mm。
实施例三
本发明实施例提供了一种近眼显示系统，请参见图7，其示出了本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构，所述近眼显示系统10包括：两个并列设置的如实施例一所述的全息AR三维显示模组100，两个所述全息AR三维显示模组100所出射的三维光场图像分别用于入射至左眼和右眼，分别为人的左眼和右眼提供包含视差信息的三维图像，实现双目的大视角全息AR三维显示。
需要说明的是，图7所示示例中的近眼显示系统10以AR眼镜为例，在其他的一些实施例中，所述近眼显示系统10也可以是其他近眼显示装置，如其他的头戴式近眼显示设备等，具体可根据实际需要进行设置。
实施例四
本发明实施例提供了一种空间光调制器，该实施例可以是如上述实施例一所述的全息显示模组中的空间光调制器，能够执行如上述实施例二所述的全息AR三维显示方法，请参见图8，其示出了本发明实施例提供的一种空间光调制器104的结构。
所述空间光调制器104包括：至少一个处理器1041；以及，与所述至少一个处理器1041通信连接的存储器1042，图8中以一个处理器1041为例。所述存储器1042存储有可被所述至少一个处理器1041执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器1041执行，以使所述至少一个处理器1041能够执行上述图2、图3和/或图5所述的全息AR三维显示方法。所述处理器1041和所述存储器1042可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。
存储器1042作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的全息AR三维显示方法对应的程序指令/模块。处理器1041通过运行存储在存储器1042中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例全息AR三维显示方法。
存储器1042可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据全息显示装置(如全息显示模组)的使用所创建的数据等。此外，存储器1042可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器1042可选包括相对于处理器1041远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至全息显示装置(如全息显示模组)。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器1042中，当被所述一个或者多个处理器1041执行时，执行上述任意方法实施例中的全息AR三维显示方法，例如，执行以上描述的图2、图3和/或图5的方法步骤，实现图1中的各模块和各单元的功能。
上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。
本申请实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，例如，执行以上描述的图2、图3和/或图5的方法步骤，实现图1中的各模块的功能。
本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时时，使所述计算机执行上述任意方法实施例中的全息AR三维显示方法，例如，执行以上描述的图2、图3和/或图5的方法步骤，实现图1中的各模块的功能。
本发明实施例中提供了一种全息AR三维显示方法及模组、近眼显示系统，该模组包括光源、调制透镜组、分光单元、空间光调制器和光阑、该空间光调制器能够载入三维图像的全息图，接收汇聚球面波，并对所述汇聚球面波进行调制，以输出并显示人眼可见的三维光场图像，本发明实施例提供的全息AR三维显示方法及模组通过光场图像编码减少衍射计算，加快全息图的生成过程，同时通过汇聚球面波作为参考光干涉得到全息图，降低全息图的空间频率，从而得到大视角的全息三维显示效果。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。
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，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；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)
1.一种全息AR三维显示方法，其特征在于，应用于全息显示模组，所述方法包括：
对光场图像进行汇聚球面波编码，以获得全息图；
载入三维图像的全息图；
接收汇聚球面波，并对所述汇聚球面波进行调制，以输出并显示人眼可见的三维光场图像。
2.根据权利要求1所述的全息AR三维显示方法，其特征在于，所述对光场图像进行汇聚球面波编码，以获得全息图，进一步包括：
设定眼盒的尺寸和位置，并获得眼盒的各顶点的位置；
将全息平面分解为连续的单元全息平面；
将各所述单元全息平面的顶点与所述眼盒的各顶点对角连线，定义各连线的交点为虚拟针孔，并获取各虚拟针孔的位置；
对各单元全息平面对应的单元光场图像，来自于所述对应的单元全息平面并汇聚于对应的虚拟针孔处的汇聚球面波，以及来自于所述对应的单元全息平面的汇聚球面波参考光进行干涉，以得到单元全息图；
将各单元全息图进行组合，以得到所述全息图。
3.根据权利要求2所述的全息AR三维显示方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定所述眼盒的范围内能够实现成像。
4.根据权利要求3所述的全息AR三维显示方法，其特征在于，所述确定所述眼盒的范围内能够实现成像，进一步包括：
获取来自所述眼盒的各顶点的光线与汇聚球面波参考光中的不同方向的光线在所述全息平面上的交点处的空间频率；
判断所述空间频率是否在空间光调制器的频率范围内；
若是，则确定所述眼盒的范围内可实现成像。
5.根据权利要求1所述的全息AR三维显示方法，其特征在于，所述载入三维图像的全息图，包括：
获取各波长的光对应的全息图；
时序载入各波长的全息图。
6.一种全息AR三维显示模组，其特征在于，包括：
光源，用于出射照明光；
调制透镜组，设置在所述光源的出光方向上，用于将所述照明光转换为汇聚球面波；
分光单元，所述分光单元的入光侧靠近所述调制透镜组设置；
空间光调制器，设置在所述分光单元的透光侧，用于载入全息图，接收并调制所述汇聚球面波，以形成三维光场图像；
光阑，设置在所述分光单元的反光侧，且配置为所述三维光场图像经所述光阑后可成像在眼盒区域。
7.根据权利要求6所述的全息AR三维显示模组，其特征在于，所述空间光调制器包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1-5任一项所述的全息AR三维显示方法。
8.根据权利要求6所述的全息AR三维显示模组，其特征在于，
所述光阑的开孔尺寸与眼盒的尺寸相同，且所述光阑设于所述三维光场图像的零级光汇聚点所在的平面上。
9.根据权利要求6所述的全息AR三维显示模组，其特征在于，
所述空间光调制器为反射式空间光调制器。
10.一种近眼显示系统，其特征在于，包括：
两个并列设置的如权利要求7-9任一项所述的全息AR三维显示模组，两个所述全息AR三维显示模组所出射的三维光场图像分别用于入射至左眼和右眼。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A holographic AR three-dimensional display method and module, near eye display system Granted publication date: 20230829 Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Shenzhen branch Pledgor: Long optoelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2024980019924 |