CN116888519A - 具有高效率的近眼光场显示系统和使用该近眼光场显示系统来投影投影虚拟像素的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及近眼光场显示系统，包括：发射显示器(1)，包含多个显示像素(10、12)，每个显示像素(10、12)具有颜色信息，并且可单独寻址以设置为非活动或活动，在活动的情况下，所述显示像素产生光束(111)；以及透镜阵列(14)，其包括具有多个透镜(140)的阵列、并且被配置为投影活动显示像素(10、12)的光束(111)以形成投影虚拟像素像(26)。投影像素像(26)具有通过活动显示像素(10、12)的数量及其在发射显示器(1)上的位置确定的颜色信息和空间位置。本公开还涉及使用该近眼光场显示系统来投影投影虚拟像素的方法。

Description

具有高效率的近眼光场显示系统和使用该近眼光场显示系统 来投影投影虚拟像素的方法

技术领域

本发明涉及显示器，更具体地涉及为3D图像提供正确的单目深度线索的显示器。更具体地，本发明涉及用于虚拟和增强现实头戴式显示器(goggle)和眼镜的近眼光场显示器以及虚拟和增强现实应用。

背景技术

当今的光场显示器尤其使用这样的设计，即将传统的2D发射显示器与附加透镜阵列或实现相同功能的其他光学元件相结合。对于此类光场显示器，每个投影的虚拟像素由许多真实显示像素(在显示器上)表示，这通常导致整个系统的有效分辨率降低，并导致每虚拟像素的颜色信息冗余。该冗余可达30至60倍。另一个缺点在于，由每个透镜执行的对由真实像素发射的光的准直是不完美的，部分原因是透镜不可避免地不完美的光学特性，但也是由于透镜的小孔径上的衍射。

发明内容

本公开涉及克服现有技术的缺点和限制的使用具有透镜阵列的二维发射显示器的近眼光场显示系统。

本公开涉及近眼光场显示系统，包括设置在近焦平面与光瞳平面之间的发射显示器，所述发射显示器包括多个显示像素，每个显示像素具有颜色信息并且可单独寻址以设置为非活动或活动，从而产生朝向光瞳平面的光束。光场显示系统还包括设置在发射显示器与光瞳平面之间的透镜阵列，所述透镜阵列包括具有多个透镜的阵列、并且被配置为投影由活动显示像素产生的光束以形成投影虚拟像素像。通过所述活动显示像素的数量及其在发射显示器上的位置来确定投影像素像的颜色信息和投影像素像在空间中的位置。

本公开还涉及使用近眼光场显示系统来投影投影虚拟像素的方法。

本公开还涉及存储机器可执行指令的非暂时性机器可读介质，所述机器可执行指令在被执行时使得计算系统实行使用近眼光场显示系统来投影投影虚拟像素的方法。

本文公开的使用每个像素具有低颜色分辨率的高密度发射显示器的近眼光场显示系统只需要最少量的数据和计算量即可提供至少与使用已知系统时相同的感知质量。

附图说明

在说明书中公开并通过附图图示了本发明的示例性实施例，在附图中：

图1示出了根据一个实施例的包括发射显示器的近眼光场显示系统；

图2表示根据一个实施例的图1的近眼光场显示系统，示出了光束的投影和所投影的虚像的虚拟像素；

图3示出了根据一个实施例的从发射显示器的活动显示像素投影两个虚拟像素(图3a)、用于构造第一虚拟像素(图3b)和第二虚拟像素(图3c)的活动显示像素的分布、以及用于构造这两个虚拟像素的分布的组合；

图4示出了根据一个实施例的包括近眼光场显示系统的可穿戴装置；以及

图5示出了使用近眼光场显示系统来投影投影虚拟像素的方法，示出了针对第一和第二虚拟像素的显示像素子集的构造(图5a)以及到单独的物理子面板的分布(图5b)。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例的近眼光场显示系统。光场显示系统包括发射显示器1，其包括多个显示像素10、12，每个显示像素10、12具有颜色信息并且可寻址，使得其处于不产生光的“关”状态(非活动)或用来产生朝向光瞳平面130的光束111的“开”状态(活动)。换言之，发射显示器1是二元显示器，因为其在数字分级显示发光周期中的分级是“发光”与“不发光”的二元显示。光场显示系统还包括设置在发射显示器1与光瞳平面130之间的透镜阵列14。透镜阵列14包括具有多个透镜140的阵列，每个透镜140包含多个显示像素10、12的子集。发射显示器1是二维的。

透镜阵列14中的透镜140可以包括衍射光栅光学元件、折射光学元件、菲涅耳光学元件、全息光学元件或这些光学元件的组合。

如图2所示，透镜阵列14被配置为投影由处于活动状态的显示像素10、12产生的光束111，从而形成虚像的投影虚拟像素26。通过处于活动状态的显示像素10、12的数量及其在发射显示器1上的位置来确定投影虚拟像素26的颜色信息和投影虚拟像素26相对于光瞳平面130的位置。例如，平板发射显示器1上的活动显示像素坐标。

光场显示系统可以包括成像光学元件16，其被配置为投影光束111，从而形成位于透镜阵列14与光瞳平面130之间的投影器像平面22。成像光学元件16使光束111偏转，使得它们相交并在投影器像平面22中形成投影虚拟像素26。

光场显示系统还可以包括投影光学器件18，其被配置为投影光束111，从而在光瞳平面130处限定出眼框(eye-box)20。眼框20限定了观看者的眼睛的特征，如光瞳的预期直径、方向(即，旋转)和位置。投影光学器件18可以包括目镜或组合器。

图2还示出了从眼框20看到的虚像的眼框虚拟像素24和在投影光学器件18之前的单个投影虚拟像素26的构造。投影和眼框虚拟像素24、26是从由处于活动状态的显示像素10、12产生的光束111的横截面构成的。特别地，每个投影和眼框虚拟像素24、26是从其中相应的显示像素10、12活动的由每个透镜140投影的光束111的总和构成。

在一个实施例中，透镜阵列14包括包含25个透镜140至64个透镜140的矩阵阵列。在这种配置中，投影和眼框虚拟像素24、26可以从由活动显示像素10、12产生的光束111构成，每个显示像素10、12照射一个透镜140，以形成由25个显示像素10、12产生的光束111的横截面。

通过活动显示像素10、12与非活动显示像素10、12的比例来确定投影和眼框虚拟像素24、26的颜色。投影和眼框虚拟像素24、26的颜色信息是发射显示器1上的活动显示像素10、12的颜色信息的总和。

图3a示出了从由第一组活动显示像素10、12(灰点)产生的光束111投影第一投影虚拟像素26a，第一组中的每个活动显示像素10、12是由透镜阵列14的不同透镜140投影的。图3a还示出了从由第二组活动显示像素10、12(黑点)产生的光束111投影第二投影虚拟像素26b，第二组中的每个活动显示像素10、12是由透镜阵列14的不同透镜140投影的。在图3a的示例中，使用包括5×5个透镜140的透镜阵列14进行图示。第一和第二投影虚拟像素26a、26b被构造在投影光学器件18(图3未示出)之前。

第一和第二投影虚拟像素26a、26b中的每一个可以对应于活动显示像素10、12相对于非活动显示像素10、12的预定义比例。每个第一和第二投影虚拟像素26a、26b可以对应于发射显示器1上的活动显示像素10、12的随机分布。图3b示出了用于构造第一投影虚拟像素26a的发光显示器1上的活动显示像素10、12的示例性比例和分布。图3c示出了用于构造第二投影虚拟像素26b的发光显示器1上的活动显示像素10、12的示例性比例和分布。图3d示出了用于构造第一和第二投影虚拟像素26a、26b的发光显示器1上的活动显示像素10、12的比例和分布的组合。第一和第二投影虚拟像素26a、26b的组合可以对应于二元发射显示器1上的多个低颜色分辨率显示像素10、12中的全颜色虚拟像素。

在各种实施例中，显示像素10、12可以包括1位颜色分辨率(2种颜色，通常是黑色和白色)。这里，对于来自二元发射显示器1上的显示像素10、12的每种基色，投影虚拟像素26a、26b可以具有26个灰度级。替代地，显示像素10、12可以包括2位颜色分辨率，使得投影虚拟像素26a、26b可以具有104个灰度级。由于显示像素10、12包括不止1位的颜色分辨率，因此发射显示器1不再是二元显示器。显示像素10、12可以包括3位颜色分辨率，使得投影虚拟像素26a、26b可以具有208个灰度级。显示像素10、12还可以包括不止3位的颜色分辨率。例如，如果透镜阵列14包括16×16个透镜140的阵列并且显示像素10、12包括1位颜色分辨率，或者如果透镜阵列14包括8×8个透镜140的阵列并且显示像素10、12包括2位颜色分辨率，则可以获得具有256个灰度级的投影虚拟像素26a、26b。

在某些方面，灰度级可以通过像素密度来增加。当使用非最佳的光学器件14、16、18时，像素分辨率可以高于光学器件14、16、18的光学分辨率。例如，二元发射显示器1上的2×2的显示像素可以被感知为具有五个颜色等级的一个像素。

颜色分辨率随着透镜阵列14中透镜140的数量线性增加。另一方面，在广泛的增强现实应用中，颜色分辨率的要求较低。

在各种实施例中，透镜阵列14可以包括2×2、4×4、5×5、6×6、7×7、8×8、9×9、10×10、11×11、12×12、13×13、14×14、15×15、16×16个透镜140的阵列。然而，透镜阵列14的其他布置也是可能的，例如透镜阵列14a可以包括矩形矩阵或任何其他矩阵几何形状。

由于透镜阵列14设置在观看者的自动调焦范围之外(透镜阵列的像位于通常与观看者的眼瞳重合的眼框20中)，并且在技术上在傅立叶空间中，因此透镜阵列14可以具有低密度和大的透镜140。

在一些方面，透镜140具有1至5mm之间的宽度(或透镜间距为1至5mm之间)。

从实践的角度，透镜阵列14可以包括2×2个透镜140的阵列，每个透镜具有1至5mm的直径。在这种配置中，每个显示像素10、12应该具有高颜色信息(不止1位的颜色分辨率)。此外，为了接近每个视点的针孔投影(透镜140的像)，可能需要额外的孔径滤光器。

另一方面，包括不止16×16个透镜140的透镜阵列14可能需要更大的发射显示面板，即使是在小透镜140(例如，直径为0.3mm至1mm)的情况下也是如此，以便保持每个像素束(光束111)的大小在可接受的孔径衍射或自衍射限制以上。

包括5×5至8×8个透镜140的透镜阵列14对于大多数应用而言可以被认为是最佳的(有利的)。

发射显示器1可以具有高密度的显示像素10、12。例如，发射显示器1可以包括多个微型LED、微型OLED或其他能够实现微米级或亚微米像素间距的发光器件。如上所述，显示像素10、12可以是低颜色分辨率(诸如1位颜色分辨率)。

对于光场显示系统的工作，成像光学元件16和投影光学器件18中的任何一者或二者是可选的。换言之，透镜阵列14自己就可以作为光场投影系统的出射光瞳。另一方面，成像光学元件16和/或投影光学器件18允许在光场源(发射显示器1)与眼框20之间产生物理距离。例如，成像光学元件16和/或投影光学器件18使得能够实现更大的眼衬距离。

在图2中，成像光学元件16和投影光学器件18的轴对称布置仅是例证性的。成像光学元件16和投影光学元件18可以是非对称的，并且可以包括光导和衍射光学元件，只要这些光学元器件不复制由投影和眼框虚拟像素26、24形成的像的光场部分中的各像素束(光束111)或入射光瞳即可。

在一个方面，光场显示系统可以包括光瞳复制装置(未示出)，诸如包括成像外耦合元件的成像波导，用于例如像的外围部分的光瞳扩展。光瞳复制装置可以产生扩大眼框20的大小的周边眼框区域。

在一个实施例中，可穿戴装置包括本文公开的近眼光场显示系统。可穿戴装置可以适用于虚拟现实或增强现实应用。可穿戴装置可以包括虚拟现实或增强现实眼镜。如图4所示，可穿戴装置可以体现为眼镜外形，其包括两个发射显示器1和两个透镜阵列14，以形成双目近眼光场显示装置，其中，第一发射显示器和透镜阵列组与用户的左眼相关联，并且第二发射显示器和透镜阵列组与用户的右眼相关联。在图4的配置中，投影光学器件18包括集成在眼镜的镜片中的组合器(该组合器对于来自现实世界的光是透明的，即，它让外部光穿过到观察者的眼瞳，同时它将光束111朝向眼框20投影)。发射显示器1和成像光学元件16可以包括在眼镜的铰链或镜腿的另一部分中。

图5a和5b示出了根据一个实施例的使用近眼光场显示系统的方法。该方法包括：

提供对应于投影虚拟像素26的颜色信息和投影像素26相对于光瞳平面130的位置的向量数据；

用该向量数据寻址发射显示器1，以选择发射显示器1的显示像素子集110、120；以及

将所选显示像素子集110、120设置为开启状态(活动)，使得所选显示像素子集110、120中的每个显示像素10、12产生光束111。

在一个方面，向量数据可以包括颜色模型和坐标集。例如，颜色模型可以包括三字节的十六进制数，表示颜色的红色、绿色与蓝色分量。坐标集可以包括笛卡尔x、y、z坐标。

图5a示出了第一显示像素子集110，其包括活动显示像素a1至a25，并且是根据对应于第一投影虚拟像素26a的向量数据计算的。图5a还示出了第二显示像素子集120，其包括活动显示像素b1至b25，并且是根据对应于第二投影虚拟像素26b的向量数据计算的。第一和第二显示像素子集110、120可以对应于不同数量的活动显示像素10、12(a1至aN和b1至bN)和/或活动显示像素10、12在发射显示器1上的分布。

向量数据可用于计算发射显示器1上对应于所选显示像素子集110、120的二维坐标。该计算可以是基于三角法。虚拟像素26a和26b的坐标集确定显示像素子集110、120中的每个活动显示像素10、12的二维坐标。显示像素子集110、120的每个活动显示像素10、12携带虚拟像素26a和26b的部分颜色信息。

虽然以两个显示像素子集110、120例示了该方法，但是该方法适用于不止两个的显示像素子集110、120和多个虚拟像素26a、26b。

如图5b所示，显示像素子集110、120中的活动显示像素10、12随后分布到单独的物理子面板。这里，子面板可以对应于包含多个显示像素10、12的子集的透镜140。

发射显示器1可以包括驱动电路(未示出)，其被配置为控制多个显示像素10、12，从而将每个显示像素10、12设置为非活动或活动。向量数据于是可以提供给该驱动电路。

在一个实施例中，一种包括指令的计算机程序，所述指令在由具有处理能力的装置执行时适于实行本文公开的方法。

参考数字与符号

1 发射显示器

10、12 显示像素

110 第一显示像素子集

111 光束

120 第二显示像素子集

14 透镜阵列

16 成像光学元件

18 投影光学器件，目镜

20 眼框

22 发射显示器的像平面

24 眼框虚拟像素

26、26a、26b 投影虚拟像素

130 光瞳平面

140 透镜

Claims (16)

1.近眼光场显示系统，包括：

设置在近焦平面(22)与光瞳平面(130)之间的发射显示器(1)，所述发射显示器(1)包括多个显示像素(10、12)，每个显示像素(10、12)具有颜色信息并且可单独寻址以设置为非活动或活动，从而产生朝向光瞳平面(130)的光束(111)；以及

透镜阵列(14)，其设置在所述发射显示器(1)与所述光瞳平面(130)之间，所述透镜阵列(14)包括具有多个透镜(140)的阵列、并且被配置为投影由活动显示像素(10、12)产生的光束(111)，以形成投影虚拟像素像(26)；

其中，通过所述活动显示像素(10、12)的数量及其在所述发射显示器(1)上的位置来确定投影像素像(26)的颜色信息和投影像素像(26)在空间中的位置。

2.根据权利要求1所述的近眼光场显示系统，

其中，所述透镜阵列(14)包括具有25个透镜(140)至64个透镜(140)的矩阵阵列。

3.根据权利要求2所述的近眼光场显示系统，

其中，所述透镜(140)的大小在1至5mm之间。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的近眼光场显示系统，

其中，所述显示像素(10、12)具有1位颜色或2位颜色的颜色深度。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的近眼光场显示系统，

包括被配置为将所述光束(111)投影到像平面(22)的成像光学元件(16)。

6.根据权利要求5所述的近眼光场显示系统，

还包括投影光学器件(18)，其被配置为投影所述光束(111)，从而在所述光瞳平面(130)处限定眼框(20)。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的近眼光场显示系统，

其中，所述发射显示器(1)包括驱动电路，其被配置为控制所述多个显示像素(10、12)，从而将每个显示像素(10、12)设置为活动或非活动。

8.一种可穿戴装置，包括根据权利要求1至7中的任一项所述的近眼光场显示系统，以实现虚拟现实或增强现实应用。

9.根据权利要求8所述的可穿戴装置，

包括虚拟现实或增强现实眼镜。

10.使用根据权利要求1至7中的任一项所述的近眼光场显示系统来投影投影虚拟像素的方法，包括：

提供对应于所述投影虚拟像素(26)的颜色信息和所述投影像素像(26)相对于所述光瞳平面(130)的位置的向量数据；

用所述向量数据寻址所述发射显示器(1)，以选择所述发射显示器(1)的显示像素子集(110、120)；以及

将所选显示像素子集(110、120)设置为活动，使得所选显示像素子集(110、120)中的每个显示像素(10、12)产生光束(111)。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中，所述向量数据包括颜色模型和坐标集。

12.根据权利要求11所述的方法，

其中，所述颜色模型包括三字节的十六进制数，表示颜色的红色、绿色和蓝色分量。

13.根据权利要求11或12所述的方法，

其中，所述坐标集包括笛卡尔x、y、z坐标。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，

其中，使用所述向量数据来计算所述发射显示器(1)上对应于所选显示像素子集(110、120)的二维坐标。

15.根据权利要求10至14中的任一项所述的方法，

其中，所述发射显示器(1)包括驱动电路，其被配置为控制所述多个显示像素(10、12)，从而将每个显示像素(10、12)设置为活动或非活动；并且

其中，所述方法包括将所述向量数据提供给所述驱动电路。

16.包括指令的计算机程序，所述指令在由具有处理能力的装置执行时适于实行根据权利要求10至15中的任一项所述的方法。