CN116774458A - 光场三维显示组件和三维显示眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光场三维显示组件和三维显示眼镜。其中，光场三维显示组件包括：光源阵列板，包括多个呈阵列排布的灯，所述灯用于产生一级光场；空间光调制器，设置在所述光源阵列板的出光侧，所述空间光调制器包括多个呈阵列排布的像素单元，通过控制所述灯与所述像素单元的对应关系，以使所述一级光场经过所述空间光调制器后，形成带有三维图像信息的二级光场。本发明技术方案可以实现基于光场的三维显示组件，提高虚拟场景的沉浸感。

Description

光场三维显示组件和三维显示眼镜

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，特别涉及一种光场三维显示组件和三维显示眼镜。

背景技术

人在观察现实物体时，会有不同物体之间的距离感。这主要是因为左右眼位置不同，能够看到不同视角的图像，而大脑能够基于左右眼与物体的连线的夹角，通过视差来感知物体的距离。因此为使人能够在观看显示组件上虚拟显示的物体时，也能够产生距离感，需要让人左右眼同时看到视角不同的画面。但实际上人眼之所以能看清真实物体上，还因为真实物体上的点向各方向发出的光线在人眼的视网膜上聚焦，聚焦清晰的点共同形成了人眼看见的清晰图像。所以通过眼睛瞳孔的焦距调节，也能在一近程度上感知物体的距离。只有同时实现双眼视差图像和瞳孔焦距调节，才能够模拟还原人眼感知三维场景的过程。由此原理设计出了光场三维显示组件，通过控制其输出的光的传播方向和颜色，使人眼能够接收到虚拟物体上的点发出的不同方向的光，同时还原瞳孔聚焦和双眼视差的过程，从而产生真实的三维感知。现有技术中，虽然通过空间光调制器同时对光的传播方向和色彩进行调制，但是其模拟的虚拟三维场景中的像素点处于一个固定距离的平面上，仅仅依赖双眼视差的方式让人产生三维感知。随着人们对三维显示的显示质量要求越来越高，现有的三维显示组件已无法满足人们的需求。因此需要一种沉浸感更高的三维显示组件。上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种光场三维显示组件，旨在同时模拟人眼感知三维场景的双眼视差和瞳孔聚焦过程，以提高虚拟场景的沉浸感。

为实现上述目的，本发明提出的光场三维显示组件，包括：

光源阵列板，包括多个呈阵列排布的灯，所述灯用于产生一级光场；

空间光调制器，设置在所述光源阵列板的出光侧，所述空间光调制器包括多个呈阵列排布的像素单元，通过控制所述灯与所述像素单元的对应关系，以使所述一级光场经过所述空间光调制器后，形成带有三维图像信息的二级光场。

进一步地，所述光场三维显示组件还包括第一透镜，所述第一透镜设置在所述空间光调制器的出光侧。

进一步地，所述光场三维显示组件还包括第二透镜，所述第二透镜设置在所述光源阵列板和所述空间光调制器的光路之间。

可选地，所述灯配置为OLED或MicroLED。

可选地，所述光源阵列板上处于不同位置的所述灯，和空间光调制器上处于不同位置的所述像素单元，组合产生预设方向、带颜色信息的光线。

可选地，在人眼视觉暂留时间内，通过多次改变所述灯与所述像素单元的对应关系，分别产生不同方向、不同颜色的光场信息，实现三维图像的显示。

可选地，所述光源阵列板所在面的面型配置为平面或弧面。

可选地，所述空间光调制器所在面的面型配置为平面或弧面。

可选地，所述光源阵列板和所述空间光调制器均配置为可见光透射介质结构，所述空间光调制器可独立调节每个所述像素单元的透光率。

本发明还提出一种三维显示眼镜，包括上述的光场三维显示组件。

本发明技术方案中，通过控制灯与像素单元的对应关系，以使一级光场经过空间光调制器后，形成带有三维图像信息的二级光场。由于改变灯与像素的对应关系可以调制光线出射的方向，因此光场三维显示组件可以模拟出与使用者瞳孔的不同距离上的像素点。从而使人眼可以聚焦在不同的距离上来观察三维图像中呈现的虚拟三维场景。这使得本发明技术方案可以让光场三维显示组件显示出的像更接近于现实物体，从而提高三维显示组件的沉浸感。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明光场三维显示组件一实施例的结构示意图；

图2为图1中实施例的光源阵列板第一状态的结构示意图；

图3为图1中实施例的光源阵列板第二状态的结构示意图；

图4为图1中实施例的第一光场和第二光场位置关系图；

图5为本发明光场三维显示组件第二实施例的结构示意图；

图6为本发明光场三维显示组件第三实施例的结构示意图；

图7为本发明光场三维显示组件第四实施例的结构示意图；

图8为本发明光场三维显示组件第五实施例的结构示意图；

图9为本发明光场三维显示组件的成像原理示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	光源阵列板	21	像素单元
11	灯	30	第一透镜
				20	空间光调制器	40	第二透镜

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种光场三维显示组件。

在本发明实施例中，参考图1、图4至图8，该光场三维显示组件包括：

光源阵列板10，包括多个呈阵列排布的灯11，灯11用于产生一级光场；

空间光调制器20，设置在光源阵列板10的出光侧，空间光调制器20包括多个呈阵列排布的像素单元21，通过控制灯11与像素单元21的对应关系，以使一级光场经过空间光调制器20后，形成带有三维图像信息的二级光场。

灯11可以是LED(light-emitting diode，发光二极管)或OLED(organic light-emitting diode，有机发光二极管)或者Micro-LED(Micro-light-emitting diode，微发光二极管)；光源阵列板10由灯11组成阵列构成，如图2和图3即示出了光源阵列板10上组成阵列的灯11。每一个灯11都可以控制发光或者不发光，所有灯11发出的光组成了一级光场，如图4所示，一级光场在光源阵列板10和空间光调制器20之间形成。通过控制灯与像素单元21的对应关系来加载图像信息到光场中，这样当一级光场的光经过空间光调制器20后即形成了带有关于光传播方向的三维图像信息的二级光场。

光源阵列板10中的相邻三颗灯11发出的光可以分别为红、蓝和绿，并将三颗灯11作为一颗使用；这样可以通过改变三颗灯11之间发光的光强比例，产生色彩，这使得一级光场中可以带有图像的色彩信息。灯11也可以仅发出白光，而在空间光调制器20的结构为LCD(liquid crystal display，液晶显示)，这样每个像素单元21上设置有红、蓝和绿三色的滤光片，再通过液晶结构调节三色光的出射比例，这样将色彩信息加载到二级光场上。如图4所示，二级光场为空间光调制器20的出射光场。

参考图1，可以通过控制灯11和像素单元21之间的对应关系控制光的传输方向：图1中，参考画出两条光线的灯11；实际上灯11发出的光是发散的，因此有无数条光线，但是通过不同像素单元21的光的传播方向与该灯11和该像素单元21的连线方向相同。这样就可以通过使一颗灯11发光，并令一个像素单元21通光，其余像素单元21遮光，这样该灯11发出的光线指通过特定的像素单元21，从而使得光的传播方向得到了控制。参考上述方法，有两种改变光传播方向的方法，一种是使不同的灯11发光，但是同一像素单元21通光，其余像素单元21遮光；另一种是使不同的像素单元21通光，其余像素单元21遮光，而同一灯11发光。当然，上述两种方法也可以同时采用，即同时改变通光的像素单元21和发光的灯11，起到产生传播方向不同的光。

但应当注意的是，灯11发出的光虽然是发散的，但也不是绝对均匀地呈球面波出射，而是具有一定的发散范围，实际上，在运用中，一个灯11只与其能照射到的范围中的像素单元21有相互影响的关系，对于其余的像素单元21，无论如何变化，均与该灯11无关。这样即可以使多个灯11同时工作，只要相邻的工作的灯11所发出光之间干涉不明显，即可以产生可视的像。例如如图2和图3所示，黑色的灯11表示点亮的灯11，而灰色的灯11表示熄灭的灯11。点亮的灯11具有相当的间隔，避免了不同灯11发出光的相互干扰。另外，图3中点亮的灯11相当于图2中点亮的灯11向右移动一次，这实际上使得光场三维显示组件的出射光的出射角度发生一定改变。

综上所述，本发明光场三维显示组件具有在二级光场中加载光线传播方向信息的能力，也具有加载色彩信息的能力。这样，光场三维显示组件即可以模拟现实物体上各个点发出的光，从而使人眼能通过接收光场三维显示组件的出射光而形成三维图像。

参考图5，进一步地，光场三维显示组件还包括第一透镜30，第一透镜30设置在空间光调制器20的出光侧。第一透镜30的焦距可以为正，这样可以放大空间光调制器20的出射光所成的像，增大二级光场的范围，使使用者能够看到更大视野的三维图像。

参考图6，进一步地，光场三维显示组件还包括第二透镜40，第二透镜40设置在光源阵列板10和空间光调制器20的光路之间。在一些光场三维显示组件的一些实施例中，单位面积的灯11的数量可能远大于空间光调制器20上的单位面积的像素单元21的数量，因此第二透镜40的焦距可以为正，这样可以使光源阵列板10通过第二透镜40在空间光调制器20处所成像的大小，从而使得灯11的密度与像素单元21的密度相匹配。当然，在另一些光场三维显示组件的实施例中，可能单位面积的灯11的数量远小于空间光调制器20上的单位面积的像素单元21的数量，这时第二透镜40的焦距可以为负，以使灯11的密度与像素单元21的密度相匹配。

参考图1至图8，可选地，空间光调制器20配置为LCD或LCoS(liquid crystal onsilicon，硅基液晶)或DMD(digital micromirror device，数字微镜装置)。空间光调制器20也可以是LCD与LCoS和DMD的结合，这样一级光场的光可以先透射LCD，经过LCD一次调制，再到达反射式的LCoS或DMD上，经过LCoS或DMD上的二次调制，最终形成二级光场。这样一级光场经过两次调制形成二级光场，减轻了单块空间光调制器20的调制压力，相当于增加了空间光调制器20上的像素密度。LCD、LCoS或DMD作为空间光调制器20均属于现有技术，不赘述其结构和原理。LCD技术成熟，可以制作大显示面积的光场三维显示组件。LCoS可以制作反射式的空间光调制器20，即如图6所示的实施例中，即采用了反射式的空间光调制器20。反射式的空间光调制器20可以使得光源阵列板10和空间光调制器20之间的位置设置更为灵活，利于与各种设备集成。另外反射式的空间光调制器20也可以控制像素单元21反光或不反光，以及红、蓝和绿三色光之间的出射强度比例，因此也可以实现透射式空间光调制器20的成像效果。LCoS成像质量高，可以提高光场三维显示组件的显示效果。DMD的刷新率高，有利于光场三维显示组件对虚拟物体的不同点进行扫描。

参考图1至图3，可选地，光源阵列板10上处于不同位置的多个灯11，用于产生光场三维显示组件所显示图像中，不同像素点的光。由于虚拟物体上不同像素点与人眼连线的方向不同，因此可以用人眼和像素点的连线与空间光调制器20的交点附近的像素单元21模拟该像素点所发出的光的波面，从而呈现该像素点。由于上述的部分像素单元21与部分灯11对应，因此该部分的灯11即用于产生该像素点的光。这样光场三维显示组件不同部分用于模拟不同像素点的光，这样就能产生空间复用的效果，降低了光场三维显示组件对光源阵列板10和空间光调制器20的刷新速度的需要，使得三维显示更容易实现。下面根据附图对空间复用的原理进行说明：如图9所示，图中五角星为光场三维显示组件所需显示的像，假定人眼不动，五角星上不同位置的点发出的球面光束到达瞳孔的部分只与光场三维显示组件的部分相交，因此，当光场三维显示组件希望显示像上一点的图像时，只需要模拟出该点到达瞳孔的部分光束对应的波面即可；而模拟该部分波面，只需要调用处于该点发出的光束能够到达瞳孔的部分与光场三维显示组件相交的位置的灯11和像素单元21即可。如图9所示，像上的点发出的光束能够到达瞳孔的部分只与光场三维显示组件的部分相交，因此不同部分的光场三维显示组件可以同时显示出像上不同位置的点的图像，从而起到空间复用的效果。但实际中，眼球会动，甚至使用者和光场三维显示组件的相对位置会发生变动。可以根据实际上瞳孔的活动范围，增大用于模拟一点的光的灯11和像素单元21的数量，使得光场三维显示组件模拟出的一点的光的波前能够覆盖瞳孔的活动范围，即可使眼球在活动过程中，依然能够看到完整的三维图样。

参考图1至图3，可选地，在人眼视觉停留时间内，通过多次改变灯11与像素单元21的对应关系，分别显示光场三维显示组件所显示图像中，不同的像素点。这样即可产生时间复用的效果，光场三维显示组件一次只显示一个像素点的光，人眼一次只对一个像素点的光成像，但由于显示所有像素点的时间在视觉停留时间内，所以人眼能够同时观察到所有像素点所成像，从而实现三维显示。另外上述空间复用的方法和时间复用的方法可以同时使用，即一方面利用光场三维显示组件的不同部分显示不同的像素点，另一方面还在视觉停留的时间内，改变光场三维显示组件不同部分显示的像素点，这样达到的综合效果即可使本光场三维显示组件减小对刷新速度的要求，提高了光场三维显示组件的可行性。

参考图7和图8，可选地，光源阵列板10所在面的面型配置为弧面。这样光源阵列板的结构更贴合眼球的可视范围，可以通过减少灯11的发射光线的角度，提高了灯11的光线利用率。

参考图7和图8，可选地，空间光调制器20所在面的面型配置为弧面。这样空间光调制器的结构更贴合眼球的可视范围，降低像素单元21对光线的通过角度的设计要求。

参考图4，可选地，光源阵列板10和空间光调制器20均配置为可见光透射介质结构，空间光调制器20可独立调节每个像素单元21的透光率。这样可以实现增强现实显示，使使用者可以观察现实世界的同时，同时观看虚拟的三维图像。

本发明还提出一种三维显示眼镜，该三维显示眼镜包括光场三维显示组件，该光场三维显示组件的具体结构参照上述实施例，由于本三维显示眼镜采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。特别地，当光源阵列板和空间光调制器均配置为可透光结构时，可以形成增强现实显示眼镜。当光源阵列板和/或空间光调制器的面型为弧面时，可以适应眼球的弧形，提高视场角。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光场三维显示组件，其特征在于，包括：

光源阵列板，包括多个呈阵列排布的灯，所述灯用于产生一级光场；

空间光调制器，设置在所述光源阵列板的出光侧，所述空间光调制器包括多个呈阵列排布的像素单元，通过控制所述灯与所述像素单元的对应关系，以使所述一级光场经过所述空间光调制器后，形成带有三维图像信息的二级光场。

2.如权利要求1所述的光场三维显示组件，其特征在于，所述光场三维显示组件还包括第一透镜，所述第一透镜设置在所述空间光调制器的出光侧。

3.如权利要求1或权利要求2所述的光场三维显示组件，其特征在于，所述光场三维显示组件还包括第二透镜，所述第二透镜设置在所述光源阵列板和所述空间光调制器的光路之间。

4.如权利要求1所述的光场三维显示组件，其特征在于，所述灯配置为OLED或MicroLED。

5.如权利要求1所述的光场三维显示组件，其特征在于，所述光源阵列板上处于不同位置的所述灯，和空间光调制器上处于不同位置的所述像素单元，组合产生预设方向、带颜色信息的光线。

6.如权利要求1所述的光场三维显示组件，其特征在于，在人眼视觉暂留时间内，通过多次改变所述灯与所述像素单元的对应关系，分别产生不同方向、不同颜色的光场信息，实现三维图像的显示。

7.如权利要求1所述的光场三维显示组件，其特征在于，所述光源阵列板所在面的面型配置为平面或弧面。

8.如权利要求1或权利要求7所述的光场三维显示组件，其特征在于，所述空间光调制器所在面的面型配置为平面或弧面。

9.如权利要求1所述的光场三维显示组件，其特征在于，所述光源阵列板和所述空间光调制器均配置为可见光透射介质结构，所述空间光调制器可独立调节每个所述像素单元的透光率。

10.一种三维显示眼镜，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的光场三维显示组件。