CN117075347A - 一种大眼瞳箱全息近眼显示装置和显示方法 - Google Patents

Abstract

一种大眼瞳箱全息近眼显示装置，包括结构光多角度照明模块、分束器、空间光调制器、目镜、眼动跟踪系统、控制系统等，通过结构光调制器件将不同角度的平行光分束后，共同以相应的间隔照明空间光调制器，经空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光经过目镜会聚形成不同的视点供人眼观看，从而达到扩展眼瞳箱的目的，并且当人眼瞳孔位置变化时，通过控制系统渲染后在不同视点都能够看到该视点对应的三维场景，多个视点可同时显示不同的三维场景，拓展观看者的使用体验。

Description

一种大眼瞳箱全息近眼显示装置和显示方法

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域，更具体地说，本发明涉及一种大眼瞳箱全息近眼显示装置和显示方法。

背景技术

近眼显示技术的关键要求是呈现自然的三维图像，以获得逼真和舒适的观看体验。传统的3D显示器通过双目立体视觉给左右眼提供稍有不同的视差图像来获取三维观看体验。尽管这种技术在商业产品中被广泛采用，但这种类型的显示器存在辐辏调节冲突，即眼睛的辐辏距离和调焦距离不匹配，容易导致视觉疲劳和不适。

相比之下，全息显示器通过衍射光学元件调制光来编码和再现波前，从而实现像素级聚焦控制、像差校正和视力校正。全息显示将3D物体发出的波前编码为数字衍射图案——全息图(CGH)。通过在空间光调制器(SLM)上显示CGH，然后用相干光源对其进行照明，可以对物体进行光学重建。基于衍射，全息显示器拥有更多的自由度来操纵波前，从而能够更灵活地控制调节和深度范围。

尽管全息技术在三维显示领域中有很大的优势，但是对于全息近眼显示系统来说，其图像显示效果很大程度上受空间光调制器的制约。其中最主要的问题是空间光调制器的像素总数决定了显示系统的空间带宽积，这样导致了系统的视场角与出瞳尺寸相互制约，影响观看体验。因此需要在保证观看视场满足正常观看需求的情况下，实现大眼瞳箱的全息近眼显示。

专利文献CN113608352A公开了一种基于出瞳扫描的全息近眼显示系统及眼瞳箱扩展方法，通过点光源发出的光被透镜准直以后照射到反射镜上面，反射镜再将其反射到分束器上面，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，衍射的图像光通过透镜会聚到人眼。同时利用眼动追踪装置追踪人眼的位置，控制器计算反射镜转动角度、方向以及加载到空间光调制器的相应全息图，转动反射镜即可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，进而实现扩展眼瞳箱的效果。专利文献CN113608353A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。专利文献CN116184669A通过不同角度的平行光照明空间光调制器，经空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光经过目镜会聚形成不同的视点供人眼观看，并且当人眼瞳孔大小和位置变化时，通过算法优化始终可以看到清晰的虚拟图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。但是，前两项发明需要对点光源或旋转反射镜进行额外的分时控制，并且要保证光源刷新帧率要与空间光调制器全息图显示帧率同步，后一项发明则需要复杂的全息图优化过程。本发明通过结构光调制器件对空间光调制器进行分区共同照明，同时形成多个视点供人眼观看，多个视点可同时显示不同的三维场景，拓宽用户使用体验。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明提供一种基于结构光调制器件的大眼瞳箱全息近眼显示装置和显示方法。

为了达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种大眼瞳箱全息近眼显示装置，包括结构光多角度照明模块、分束器、空间光调制器、目镜、眼动跟踪系统、控制系统，其特点在于，

所述结构光多角度照明模块，包括至少一个光源和结构光调制器件，用于将所述光源发射的光进行调制，并产生不同角度的平行波，以不同的角度和相应的间隔共同照明所述空间光调制器的不同区域；

所述的分束器，用于将结构光多角度照明模块产生的不同角度的平面波反射到所述空间光调制器处；

所述空间光调制器，设置在结构光多角度照明模块的出光侧，与所述控制系统相连，加载有全息图，该全息图由对应每个角度平行光的子全息图组成，用于对入射的不同角度的平行光进行空间地调制与衍射；

所述的目镜，用于将不同角度带有图像信息的衍射光会聚形成不同视点，供人眼在相应的视点观察虚拟图像，且相邻视点之间的间距应满足如下条件：

f·(tanθ_n-tanθ_n-1)≥E

式中，f为目镜的焦距，θ_n和θ_n-1分别为相邻两束光与目镜光轴的夹角，E为人眼瞳孔直径；

所述的眼动追踪系统，与控制系统相连接，用于追踪人眼瞳孔的中心位置；

所述的控制系统，根据眼动追踪系统获取的人眼瞳孔位置移动信息，在所述空间光调制器上加载所需的全息图，通过渲染实现人眼在不同视点看到三维图像。

进一步，还包括合光器，位于所述目镜之后，用于让外界光直接透过进入人眼，同时，所述空间光调制器衍射调制后的图像光经所述目镜和合光器会聚进入人眼，从而使人眼同时看到真实环境与虚拟图像，实现增强现实式的全息近眼显示。

进一步，所述结构光多角度照明模块，包括点光源阵列、准直透镜和结构光调制器件，所述点光源阵列是由多个点光源组成的一维阵列或二维陈列，位于所述准直透镜的后焦距处，经该准直透镜准直形成宽光束平行光，经所述结构光调制器调制产生不同角度的平行光。其排列方式及出光角度与结构光调制器件的透光和不透光的比例相关，确保光源与结构光调制器件相匹配，从而实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器。

进一步，所述的点光源为相干光源，是光纤耦合激光器的输出端，或是LED点光源加窄带滤光片，或是面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。所述主动开关阵列是机械式的电子小孔快门阵列或是液晶开关阵列。

进一步，所述的分束器为分束棱镜或平板分束镜，分束器前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器相匹配。

进一步，所述结构光多角度照明模块，包括单个点光源、准直透镜、折射棱镜和结构光调制器件，所述单个点光源发出的发散球面波经过准直透镜准直，再经所述折射棱镜后形成不同角度的平行光，不同角度的平行光通过所述结构光调制器件后在分成不同角度的平行光。

进一步，所述的折射棱镜是任意的将光束一分多的折射棱镜，宽束平行光照射到所述的折射棱镜上，经过折射棱镜不同表面的折射后，可以产生多束不同角度的平行光束。

进一步，所述的结构光照明模块是发散球面波照明模块或会聚球面波照明模块，不同角度的宽光束球面波被结构光调制器件调制后被分成若干束不同角度的球面波，分别照射到所述空间光调制器上的不同区域。

进一步，所述结构光调制器件是包含若干条狭缝的振幅型一维结构光调制器件，或者，所述结构光调制器件是透光与不透光相间排布的振幅型二维结构光调制器件，

实际可选择任意透光比的结构光调制器件，确保结构光调制器件透光和不透光的比例与光源相匹配。

进一步，所述的结构光调制器件是相位型一维结构光调制器件，平行光的角度由结构光调制器件控制，或由点光源阵列和准直透镜共同控制，最终实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器。

另一方面，本发明还提供一种大眼瞳箱全息近眼显示方法，其特点在于，包括如下步骤：

S1.根据相应视点需要显示的三维场景，计算目标面观察图像的复振幅分布U_Target；

S2.通过全息图优化算法计算空间光调制器面的复振幅分布U_slm，空间光调制器加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，每个子全息图与照射到空间光调制器上不同角度和区域的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图，通过在光源处添加不同的掩模函数来模拟不同区域的照明，对每个区域的子全息图进行优化后将所有的子全息图合成为一张复合全息图，具体的计算流程如下：

S2.1根据结构光多角度照明模块中点光源数量和位置以及相应的结构光调制器件确定照射到空间光调制器上n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n。

S2.2将子全息图分别在相应的角度θ_i下进行传播，在目标平面进行重建，进行多次迭代优化子全息图；

S2.3将每一个角度的平行光(每个视点)所对应的子全息图叠加得到最终的复合全息图，获得空间光调制器面的复振幅分布U_slm；

S3.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H；

S4.点亮结构光多角度照明模块中的点光源，实现不同角度的平行光共同照明空间光调制器，并在空间光调制器上加载全息图像信息H；或者点亮单个点光源，通过折射棱镜实现不同角度的平行光共同照明空间光调制器，并在空间光调制器上加载全息图像信息H；

S5.当人眼瞳孔位置变化时，通过上述优化过程，使人眼在不同视点都可以看到相同的三维图像，或者在不同视点看到不同的三维图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。

与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明装置利用结构光多角度照明模块共同照明空间光调制器，空间光调制器加载对应每个角度平行光子全息图组成的复合全息图，不需要对点光源进行额外的分时控制，不需要控制光源刷新帧率与空间光调制器全息图显示帧率同步处理，简单易行。

2.本发明装置采用不同角度的多束平行光共同照射空间光调制器的方式，不同角度的平行光经空间光调制器后会衍射产生不同视角的虚拟图像，经透镜形成不同的视点位置，人眼在不同视点都可以相应的的虚拟图像，从而实现了眼瞳箱的扩展。

3.本发明装置可根据眼动跟踪系统获取人眼瞳孔位置，通过控制系统对相应视点的图像进行渲染，保证在不同视点能够看到该视点对应的三维场景，多个视点可同时显示不同的三维场景，拓展了观看者的使用体验。

4.本发明方法采用考虑结构光调制器件在内的全息图优化方法，在全息图优化过程中通过添加不同的掩模函数来模拟不同区域的照明，对相应视点所对应的子全息图进行单独优化，空间光调制器加载优化后的复合全息图，通过对结构光调制器件在软件层面进行数学建模，极大地简化了实际硬件的复杂程度，使整个全息图优化算法灵活、简单和可靠。

附图说明

附图1为本发明实施例1提供的基于一维结构光照明实现虚拟现实式全息近眼显示的装置结构示意图；

附图2为本发明实施例1提供的基于折射棱镜实现一维结构光多角度照明模块的结构示意图；

附图3为本发明实施例1提供的振幅型一维结构光调制器件示意图；

附图4为本发明基于结构光照明实现无空白全息显示的原理示意图；

附图5为本发明实施例2提供的基于一维结构光照明实现增强现实式全息近眼显示的装置结构示意图；

附图6为本发明实施例3提供的基于二维结构光照明的全息近眼显示的装置结构示意图；

附图7为本发明实施例3提供的二维点光源阵列的一种矩形排列方式；

附图8为本发明中将光束一分多的折射棱镜三维结构示意图；

附图9为本发明实施例3提供的振幅型二维结构光调制器件示意图；

附图10为本发明实施例提供的基于结构光照明的大眼瞳箱全息近眼显示的显示方法示意流程图；

附图11为本发明实施例提供的基于结构光照明的大眼瞳箱全息近眼显示的子全息图合成示意图。

图中：100为一维结构光多角度照明模块、101为点光源阵列、102为准直透镜、103为一维结构光调制器件、110为分束器、120为空间光调制器、130为目镜、140为眼动追踪系统、141为眼动追踪驱动器、142为眼动追踪传感器、150为控制系统、160为合光器、201为点光源、202为折射棱镜、600为二维结构光多角度照明模块、601为二维点光源阵列、603为二维结构光调制器件。

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，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚描述，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

本发明提供的一种基于结构光调制器件的大眼瞳箱全息近眼显示装置的一个实施例，如图1所示。所述的全息近眼显示系统包括结构光多角度照明模块100、分束器110、空间光调制器120、目镜130、眼动跟踪系统140、控制系统150。

所述的结构光多角度照明模块100由一维点光源阵列101、准直透镜102和结构光调制器件103组成，用于提供不同角度的照明光，不同角度的照明光照射到空间光调制器120上的不同区域。所述的点光源阵列101一般是由多个点光源组成的一维阵列，其排列方式及出光角度与结构光调制器件103的透光和不透光的比例相关，确保光源与结构光调制器件103相匹配，从而实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器120。所述的点光源为相干光源，可以是光纤耦合激光器的输出端，可以是LED点光源加窄带滤光片，也可以是面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。其中，主动开关阵列可以是机械式的电子小孔快门阵列，也可以是液晶开关阵列。

所述的点光源阵列101位于准直透镜102的后焦距处，经过准直透镜102准直后形成不同角度的宽光束平行光，不同角度的宽光束平行光通过结构光调制器件103后，被分成若干束不同角度的平行光，分别照射到所述空间光调制器120上的不同区域。所述的结构光多角度照明模块100也可以由单个点光源201、准直透镜102、折射棱镜202和结构光调制器件103组成，如图2所示。单个点光源201提供的照明光经准直透镜102准直后产生宽光束平行光，产生的宽束平行光照射到折射棱镜202上，经折射棱镜202不同表面折射后产生不同角度的平行光，不同角度的宽光束平行光通过结构光调制器件103后，被分成若干束不同角度的平行光，分别照射到所述空间光调制器120上的不同区域，实际所用棱镜可根据所需平行光角度对棱镜折射面之间的夹角以及棱镜大小进行相应的设计和加工，以满足所述系统的工作要求。所述的结构光照明模块100也可以是发散球面波照明模块或会聚球面波照明模块，不同角度的宽光束球面波被结构光调制器件103调制后被分成若干束不同角度的球面波，分别照射到所述空间光调制器120上的不同区域。

所述的结构光调制器件103可以是包含若干条狭缝的振幅型一维结构光调制器件，图3以三束平行光为例，结构光调制器件103透光和不透光的比例为1:2，实际可根据系统要求，选择任意透光比的结构光调制器件，要确保结构光调制器件103透光和不透光的比例与光源相匹配，假设光源数量为a，则结构光调制器件透光和不透光的比例为1：(a-1)。点光源阵列101发出的照明光，经过准直透镜120准直后形成不同角度的宽光束平行光，不同角度的宽光束平行光通过振幅型一维结构光调制器件103后，在水平或垂直方向上被分成若干束不同角度的平行光，不同角度的平行光以相应的间隔共同照明空间光调制器120。所述的结构光调制器件103也可以是相位型一维结构光调制器件。平行光的角度可以由特殊设计的结构光调制器件103控制，也可由点光源阵列101和准直透镜102共同控制，最终实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器120。

所述的分束器110为分束棱镜或平板分束镜，用于将球面波或平面波反射到空间光调制器120上。分束器110前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器120相匹配。

所述的空间光调制器120可以是相位型、振幅型或振幅相位混合型的反射式空间光调制器，对照射到其上的球面波或平面波进行相位、振幅或复振幅衍射调制后再反射经分束器110透射。衍射调制后的光线透过分束器110到达目镜130，经过目镜130的会聚，进入人眼。所述的空间光调制器120也可以是透射式空间光调制器。

所述的目镜130用于将不同角度带有图像信息的衍射光会聚形成不同视点，供人眼在相应的视点观察虚拟图像。所述的目镜130可以是单透镜，双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

所述的眼动追踪系统140，由眼动追踪驱动器141和眼动追踪传感器142构成，与控制系统150相连接，用于追踪人眼瞳孔的中心位置。所述的眼动追踪传感器142可以是CCD或CMOS相机模块，也可以是多个单点探测器的组合。

所述的控制系统150根据眼动追踪系统140获取的人眼瞳孔位置，在空间光调制器120上加载相应的全息图，从而通过渲染实现人眼在不同视点都可以看到相同的三维图像，或者在不同视点看到不同的三维图像。

本发明为实现大眼瞳箱全息近眼显示，系统需要满足相应的参数要求，如图1中所示，假设经空间光调制器衍射后的光与透镜光轴夹角为θ，相邻两束光与光轴的夹角分别为θ_n和θ_n-1，目镜的焦距为f，人眼瞳孔大小为E(约为3mm至5mm)，为了实现眼瞳箱扩展，相邻视点之间的间隔要大于人眼瞳孔直径，可由公式(1)表示，

f·(tanθ_n- tanθ_n-1) ≥ E (1)

因此目镜焦距和尺寸以及照明光的角度根据系统要求进行选择。

在本发明中，光线经过空间光调制器调制后会以衍射角度θ_slm继续传播，全息图像可以在最小传播距离z_min后实现无空白区域显示，如图4所示，假设空间光调制器的像素尺寸为p_slm，经结构光调制器件分束后所照射到空间光调制器上的一小束光束的宽度为w，光束间隔为d，最小传播距离z_min可由公式(2)表示，

对于全息近眼显示来说，全息图像应该在距离眼睛一定距离的位置再现，z_min对于这个距离来说足够小，因此可以实现全息图像无空白显示。

当点光源阵列100中的点光源阵列101同时发光时，经过结构光调制器件103后，形成若干束球面波或平面波会同时以不同角度和相应的间隔照射到所述空间光调制器120的不同区域。所述空间光调制器120加载的全息图由多个子全息图组合而成，每个子全息图与结构光调制器件103滤光后产生的若干束球面波或平面波相对应。每个子全息图经过所述结构光调制器件103滤光后产生的若干束球面波或平面波照射后，衍射传播一定距离或经过相应的散射介质后产生相应无空白的全息三维图像，不同角度的全息图案经过目镜130会聚后形成不同的视点，根据系统参数设计，相邻视点间的间隔大于人眼瞳孔直径(大约3mm-5mm)，当人眼转动时在不同视点都能看到对应的全息三维图像，图像可根据控制系统150渲染后实现人眼在不同视点都可以看到相同的三维图像，或者在不同视点看到不同的三维图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。

实施例2

本发明提供的一种基于结构光调制器件的大眼瞳箱全息近眼显示装置的一个实施例，如图5所示。所述的全息近眼显示系统包括结构光多角度照明模块100、分束器110、空间光调制器120、目镜130、眼动跟踪系统140、控制系统150、合光器160。

所述合光器160位于所述目镜130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120衍射调制后的带有三维图像信息的光会聚进入人眼，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；所述合光器160可以由分束器和透镜，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。

当点光源阵列100中的点光源阵列101同时发光时，经过结构光调制器件103后，形成的若干束球面波或平面波会同时以不同角度和相应的间隔照射到所述空间光调制器120的不同区域。所述空间光调制器120加载的全息图由多个子全息图组合而成，每个子全息图与结构光调制器件103滤光后产生的若干束球面波或平面波相对应。每个子全息图经过所述结构光调制器件103滤光后产生的若干束球面波或平面波照射后，衍射传播一定距离或经过相应的散射介质后产生相应无空白的全息三维图像，不同角度的全息图案经过目镜160会聚后到达所述合光器160，所述合光器160将带有图像信息的光束反射进入人眼，同时让外界光束直接透射进入人眼，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。根据系统参数设计，相邻视点间的间隔大于人眼瞳孔直径(大约3mm-5mm)，当人眼转动时在不同视点都能看到对应的全息三维图像，图像可根据控制系统150渲染后实现人眼在不同视点可以看到相同的三维图像，或者在不同视点看到不同的三维图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。

实施例3

本发明提供的一种基于结构光调制器件的大眼瞳箱全息近眼显示装置的一个实施例，如图6所示。所述的全息近眼显示系统包括结构光多角度照明模块600、分束器110、空间光调制器120、目镜130，眼动跟踪系统140、控制系统150。

所述的结构光多角度照明模块600由二维点光源阵列601、准直透镜102和结构光调制器件603组成，用于提供不同角度的照明光，不同角度的照明光照射到空间光调制器120上的不同区域。所述的点光源阵列601一般是由多个点光源组成的二维阵列，其排列方式及出光角度与结构光调制器件603的透光和不透光的比例相关，确保光源与结构光调制器件603相匹配，从而实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器120。所述的点光源为相干光源，可以是光纤耦合激光器的输出端，可以是LED点光源加窄带滤光片，也可以是面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。其中，主动开关阵列可以是机械式的电子小孔快门阵列，也可以是液晶开关阵列。

在本实施例中，二维点光源阵列601所对应的一种二维阵列方式如图7所示,本发明中所有的点光源是同时点亮的。所述的二维点光源阵列601中的每个点光源可以根据实际需要和系统要求选择合适的数量和排布，所述的二维点光源阵列601的形状可以是矩形，也可以是圆形或其他形状。

所述的二维点光源阵列601位于准直透镜102的后焦距处，经过准直透镜102准直后形成不同角度的宽光束平行光，不同角度的宽光束平行光通过结构光调制器件603后，被分成若干束不同角度的平行光，分别照射到所述空间光调制器120上的不同区域。所述的结构光多角度照明模块600也可以由单个点光源201、准直透镜102、折射棱镜202和结构光调制器件603组成，如图9所示。单个点光源201提供的照明光经准直透镜102准直后产生宽光束平行光，产生的宽束平行光照射到折射棱镜202上，经折射棱镜202不同表面折射后产生不同角度的平行光，不同角度的宽光束平行光通过结构光调制器件603后，被分成若干束不同角度的平行光，分别照射到所述空间光调制器120上的不同区域。

所述的折射棱镜202不仅仅是图2所示的一分三的折射棱镜，还可以是任意的将光束一分多的折射棱镜，图8展示的是将光束在二维上进行一分五、一分七、一分九的折射棱镜，宽束平行光照射到所述的折射棱镜上，经过折射棱镜不同表面的折射后，可以产生多束不同角度的平行光束，不同角度的宽光束平行光通过结构光调制器件603后，被分成若干束不同角度的平行光，分别照射到所述空间光调制器120上的不同区域。经空间光调制器120衍射传播一定距离后产生不同视角的虚拟图像，不同角度的虚拟图像经过目镜130会聚同时形成不同的视点，从而实现眼瞳箱的二维扩展。实际所用棱镜可根据所需平行光角度对棱镜折射面之间的夹角以及棱镜大小进行相应的设计和加工，以满足所述系统的工作要求。所述的结构光照明模块600也可以是发散球面波照明模块或会聚球面波照明模块，不同角度的宽光束球面波被结构光调制器件603调制后被分成若干束不同角度的球面波，分别照射到所述空间光调制器120上的不同区域。

所述的结构光调制器件603是振幅型二维结构光调制器件，如图9所示。二维点光源阵列601发出的照明光经过准直透镜603准直后形成不同角度的宽光束平行光，不同角度的宽光束平行光通过振幅型二维结构光调制器件603后在水平和垂直方向上被分成若干束不同角度的平行光。所述的结构光调制器件603，实际可根据系统要求，选择任意透光比的结构光调制器件，确保结构光调制器件603透光和不透光的比例与光源相匹配。二维点光源阵列601发出的经过准直透镜102准直后形成不同角度的宽光束平行光，不同角度的宽光束平行光通过振幅型二维结构光调制器件后在水平和垂直方向上被分成若干束不同角度的平行光。平行光的角度可以由特殊设计的结构光调制器件103控制，也可由点光源阵列101和准直透镜102共同控制，最终实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器120。所述的结构光调制器件603也可以是相位型二维结构光调制器件。

当点光源阵列600中的点光源阵列601同时发光时，经过结构光调制器件603滤光后的若干束球面波或平面波会同时以不同角度和相应的间隔照射到所述空间光调制器120的不同区域。所述空间光调制器120加载的全息图由多个子全息图组合而成，每个子全息图与结构光调制器件603滤光后产生的若干束球面波或平面波相对应。每个子全息图经过所述结构光调制器件603滤光后产生的若干束球面波或平面波照射后，衍射传播一定距离或经过相应的散射介质后产生相应的全息图案，不同角度的全息图案经过目镜130会聚后形成不同的视点，根据系统参数选择，相邻视点间的间隔大于人眼瞳孔直径(大约3mm-5mm)，当人眼转动时在不同视点都能看到对应的全息图案，图像可根据控制系统150渲染后实现人眼在不同视点都可以看到相同的三维图像，或者在不同视点看到不同的三维图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。所述装置也可在目镜130后添加合光器件，合光器用于将带有图像信息的光束反射进入人眼，同时让外界光束直接透射进入人眼，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。

本发明实施例提供的一种基于结构光调制器件的大眼瞳箱全息近眼显示方法的示意流程图，如图10所示，该方法包括：

第一步：根据相应视点需要显示的三维场景，通过点源法、角谱法、菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射等方法计算目标面观察图像的复振幅分布U_Target；

第二步：通过随机梯度下降(SGD)算法、Gerchberg-Saxton(GS)算法或Wirtinger算法等计算空间光调制器面的复振幅分布U_slm。在本发明中，空间光调制器加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，如图11所示，每个子全息图与照射到空间光调制器上不同角度和区域的平行光相对应，通过在光源处添加不同的掩模函数来模拟不同区域的照明，每个角度的平行光对应一张子全息图120-Hn，对每个区域的子全息图进行优化后将所有的子全息图合成为一张复合全息图120-H，具体的计算流程如下：

1.根据结构光多角度照明模块中点光源数量和位置以及相应的结构光调制器件确定照射到空间光调制器上n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n。

2.在上述算法的一次迭代中，将子全息图分别在相应的角度θ_i下进行传播，在目标平面进行重建，算法进行多次迭代优化子全息图。

3.算法进行多次迭代，将每一个角度的平行光(每个视点)所对应的子全息图叠加得到最终的复合全息图，获得空间光调制器面的复振幅分布U_slm。

第三步：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H。

第四步：点亮结构光多角度照明模块中的点光源，实现不同角度的平行光共同照明空间光调制器，并在空间光调制器上加载全息图像信息H；或者点亮单个点光源，通过折射棱镜实现不同角度的平行光共同照明空间光调制器，并在空间光调制器上加载全息图像信息H。

第五步：当人眼瞳孔位置变化时，通过上述优化过程，使人眼在不同视点都可以看到相同的三维图像，或者在不同视点看到不同的三维图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。

综上所述，上述实施例提供了一种基于结构光调制器件的大眼瞳箱全息近眼显示装置和显示方法。该全息显示设备包括结构光多角度照明模块、分束器、空间光调制器、目镜、眼动跟踪系统、控制系统等。结构光多角度照明模块，用于发射不同角度的平行光并将其分束，共同以相应的间隔照明空间光调制器的有效工作区域；空间光调制器，加载有全息图，用于对入射的不同角度的平行光进行调制后形成不同角度的衍射平行光，对应不同视点的虚拟图像。本发明通过结构光调制器件将不同角度的平行光分束后，共同以相应的间隔照明空间光调制器，经空间光调制器上的计算全息图调制并衍射，衍射的图像光经过目镜会聚形成不同的视点供人眼观看。本发明采用通过结构光调制器件共同照明的情况，不需要对照明单元进行额外的分时控制，并且当人眼瞳孔位置变化时，通过控制系统渲染后在不同视点都能够看到该视点对应的三维场景，从而达到扩展眼瞳箱的目的。

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；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 (11)

1.一种大眼瞳箱全息近眼显示装置，包括结构光多角度照明模块、分束器、空间光调制器、目镜、眼动跟踪系统、控制系统，其特征在于，

所述结构光多角度照明模块，包括至少一个光源和结构光调制器件，用于将所述光源发射的光进行调制，并产生不同角度的平行波，以不同的角度和相应的间隔共同照明所述空间光调制器的不同区域；

所述的分束器，用于将结构光多角度照明模块产生的不同角度的平面波反射到所述空间光调制器处；

所述空间光调制器，设置在结构光多角度照明模块的出光侧，与所述控制系统相连，加载有全息图，该全息图由对应每个角度平行光的子全息图组成，用于对入射的不同角度的平行光进行空间地调制与衍射；

所述的目镜，用于将不同角度带有图像信息的衍射光会聚形成不同视点，供人眼在相应的视点观察虚拟图像，且相邻视点之间的间距应满足如下条件：

f·(tanθ_n-tanθ_n-1)≥E

式中，f为目镜的焦距，θ_n和θ_n-1分别为相邻两束光与目镜光轴的夹角，E为人眼瞳孔直径；

所述的眼动追踪系统，与控制系统相连接，用于追踪人眼瞳孔的中心位置；

所述的控制系统，根据眼动追踪系统获取的人眼瞳孔位置移动信息，在所述空间光调制器上加载所需的全息图，通过渲染实现人眼在不同视点看到三维图像。

2.根据权利要求1所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，还包括合光器，位于所述目镜之后，用于让外界光直接透过进入人眼，同时，所述空间光调制器衍射调制后的图像光经所述目镜和合光器会聚进入人眼，从而使人眼同时看到真实环境与虚拟图像，实现增强现实式的全息近眼显示。

3.根据权利要求1和2所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光多角度照明模块，包括点光源阵列、准直透镜和结构光调制器件，所述点光源阵列是由多个点光源组成的一维阵列或二维陈列，位于所述准直透镜的后焦距处，经该准直透镜准直形成宽光束平行光，经所述结构光调制器调制产生不同角度的平行光。其排列方式及出光角度与结构光调制器件的透光和不透光的比例相关，确保光源与结构光调制器件相匹配，从而实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器。

4.根据权利要求3所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，所述的点光源为相干光源，是光纤耦合激光器的输出端，或是LED点光源加窄带滤光片，或是面光源和主动开关阵列组成的点光源阵列。所述主动开关阵列是机械式的电子小孔快门阵列或是液晶开关阵列。

5.根据权利要求1或2所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于所述的分束器为分束棱镜或平板分束镜，分束器前也可设置偏振片，用于调节光束偏振态与空间光调制器相匹配。

6.根据权利要求1和2所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光多角度照明模块，包括单个点光源、准直透镜、折射棱镜和结构光调制器件，所述单个点光源发出的发散球面波经过准直透镜准直，再经所述折射棱镜后形成不同角度的平行光，不同角度的平行光通过所述结构光调制器件后在分成不同角度的平行光。

7.根据权利要求6所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，所述的折射棱镜是任意的将光束一分多的折射棱镜，宽束平行光照射到所述的折射棱镜上，经过折射棱镜不同表面的折射后，可以产生多束不同角度的平行光束。

8.根据权利要求1和2所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，所述的结构光照明模块是发散球面波照明模块或会聚球面波照明模块，不同角度的宽光束球面波被结构光调制器件调制后被分成若干束不同角度的球面波，分别照射到所述空间光调制器上的不同区域。

9.根据权利要求1-7任一所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，所述结构光调制器件是包含若干条狭缝的振幅型一维结构光调制器件，或者，所述结构光调制器件是透光与不透光相间排布的振幅型二维结构光调制器件，实际可选择任意透光比的结构光调制器件，确保结构光调制器件透光和不透光的比例与光源相匹配。

10.根据权利要求1-7任一所述的大眼瞳箱全息近眼显示装置，其特征在于，所述的结构光调制器件是相位型一维结构光调制器件，平行光的角度由结构光调制器件控制，或由点光源阵列和准直透镜共同控制，最终实现光源以不同的角度和相应的间隔共同照明空间光调制器。

11.一种大眼瞳箱全息近眼显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.根据相应视点需要显示的三维场景，计算目标面观察图像的复振幅分布U_Target；

S2.通过全息图优化算法计算空间光调制器面的复振幅分布U_slm，空间光调制器加载的全息图是由多个子全息图组合而成的复合全息图，每个子全息图与照射到空间光调制器上不同角度和区域的平行光相对应，每个角度的平行光对应一张子全息图，通过在光源处添加不同的掩模函数来模拟不同区域的照明，对每个区域的子全息图进行优化后将所有的子全息图合成为一张复合全息图，具体的计算流程如下：

S2.1根据结构光多角度照明模块中点光源数量和位置以及相应的结构光调制器件确定照射到空间光调制器上n束平行光的角度θ₁，θ₂，…，θ_i，…，θ_n。

S2.2将子全息图分别在相应的角度θ_i下进行传播，在目标平面进行重建，进行多次迭代优化子全息图；

S2.3将每一个角度的平行光(每个视点)所对应的子全息图叠加得到最终的复合全息图，获得空间光调制器面的复振幅分布U_slm；

S3.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H；

S4.点亮结构光多角度照明模块中的点光源，实现不同角度的平行光共同照明空间光调制器，并在空间光调制器上加载全息图像信息H；或者点亮单个点光源，通过折射棱镜实现不同角度的平行光共同照明空间光调制器，并在空间光调制器上加载全息图像信息H；

S5.当人眼瞳孔位置变化时，通过上述优化过程，使人眼在不同视点都可以看到相同的三维图像，或者在不同视点看到不同的三维图像，从而达到扩展眼瞳箱的目的。