TWI805074B - 高解析度光場投影機 - Google Patents

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Abstract

一種用於投射一影像的光場投影機，包含：一光場影像源，該光場影像源包含一影像產生裝置，該影像產生裝置包括產生多個調變光束的多個像素組件；一成像光學元件，該成像光學元件將該等多個調變光束之一影像投射至一光源影像平面；數個投影光學器件，該等投影光學器件經組配來投射該等調變光束以便界定一適眼區且以便形成數個投影機像素影像；該等投影光學器件進一步經組配來在一投影機影像平面處形成數個投影機像素影像並在一移位平面處形成一投影機虛擬像素影像。該成像光學元件經組配成使得該投影機影像平面之位置與該移位平面之位置重合。

Description

高解析度光場投影機 發明領域
本揭露係關於顯示器，更具體而言，係關於一種用於投射影像的光場投影機，諸如提供正確的單眼深度線索的3D顯示器。特別地，本揭露係關於用於虛擬及擴增實境護目鏡及眼鏡以及虛擬及擴增實境應用的近眼光場投影機。
發明背景
當今之光場顯示器使用，除其他概念外，經由一組空間上有差距的虛擬針孔順序地投射一組「始終聚焦(always-in-focus)」之影像。此方法不允許重建虛擬像素之波前，因為影像分量係按時間順序投射的，同時波前重建需要干涉及因此波前分量之重合。因此，所感知的解析度受到遞送至成像感測器例如遞送至眼睛中的解析度或個別光場分量的限制。解析度由針孔之有效數值孔徑以及影像源之影像焦平面(即，影像像素平面)與成像光學器件(通常是人眼)聚焦的平面之間的差異判定。因此，表述「始終聚焦」係近似的，因為光場分量之光路始終具有有限孔徑，當孔徑較大時，孔徑承載有限的影像景深，或者當孔徑較小時，由於孔徑上的繞射，孔徑降低影像源之解析度。
基於發光顯示器及透鏡陣列的光場系統中存在相同的問題。個別像素被解耦且不提供相互相干光束，該等相互相干光束具有不允許光束之干涉 的相互耦合相位，而透鏡陣列中之透鏡之有限孔徑控制個別光場分量之解析度及景深。
光場影像通常由經由光路中的空間上有差距的光瞳投射的多個影像構建而成。這以各種方式來實現，包括順序光場投射或藉由藉助透鏡陣列分離及準直來自發光顯示器的光束。
此等光學系統顯然在與平面影像源本身之焦平面不同的焦平面上顯示虛擬像素。允許在影像源上提升對虛擬像素而不是實際像素的視在聚焦的元素係內容本身以及各光場分量之大景深，與所有個別空間上有差距的子光瞳之組合孔徑相比，各光場分量由各光場分量經過的小光瞳固定。另一方面，各子光瞳之有限孔徑限制光場影像尤其是在遠離影像源本身之影像焦平面的位置中的有效解析度。
發明概要
本揭露涉及一種用於投射一影像的光場投影機，該光場投影機包含：一光場影像源，該光場影像源包含一影像產生裝置，該影像產生裝置包括產生多個調變光束的多個像素組件；一成像光學元件，該成像光學元件將該等多個調變光束之一影像投射至一光源影像平面；數個投影光學器件，該等投影光學器件經組配來投射該等調變光束以便界定一適眼區且以便形成數個投影機像素影像；該等投影光學器件進一步經組配來在一投影機影像平面處形成該等投影機像素影像並在一移位平面處形成一投影機虛擬像素影像。該成像光學元件經組配成使得該投影機影像平面之位置與該移位平面之位置重合。
此外，可能夠對該影像源進行控制以便調整該等像素組件之空間分佈，從而形成待由該光場投影機投射之影像分量。該可控影像源允許調變光束構建預期光場輸出。
本文所揭示之光場投影機超過已知光場投影系統之有效解析度極限。
該光場投影機允許調變光束保持由已知光場投影系統產生的光場之品質，且此外，它允許控制哪個焦平面與影像源之影像平面重合，其中影像解析度僅受到影像源解析度以及各光場分量之個別光路中的孔徑的限制。
所揭示之光場投影機相比習知投影系統更加穩健，該等習知投影系統完全藉由動態適應可變焦元件基於眼動追蹤資訊的動作所達成是平面影像之焦距來模擬焦深。此等習知系統不會產生觀察者不相依的光場，而是視眼睛之實際焦點來模擬眼睛應看到的東西。
在此處所揭示之發明中，觀察者不相依的光場特徵始終存在且無需任何額外動作即可提供正確的調節線索。所揭示之光場投影機中的可變焦機構允許在光場場景中的所要焦平面處按需提升解析度。
該光場投影機可用於近眼光場顯示器，用於虛擬及擴增實境護目鏡及眼鏡以及虛擬及擴增實境應用。
1:影像源
2:投影光學器件
10:光源
10a,10b:點光源
11:相干單色光源
15a,15b,15c,15d:像素組件
16a,16b,16c,16d:投影機像素影像
17a,17b,17c,17d:感測器像素影像
18a,18b:適眼區投影機影像
20a:空間光調變器/SLM
20b:顯示器
24:適眼區虛擬像素影像
26a,26b:投影機虛擬像素影像
27a,27b:感測器虛擬像素影像
32:第一投影元件
34:光源影像平面
40:第二投影元件
50:準直元件
70:成像光學元件
90:眼睛
92:視網膜
110:光束
111:調變光束
114:移位平面
115:投影機影像平面
121:適眼區
130:眼瞳/晶狀體
在描述中揭示且藉由附圖例示本發明之範例實施例，在附圖中：圖1展示出包含光場影像源、成像光學元件及投影光學器件的光場投影機。
圖2例示出根據一實施例的包含成像光學元件的光場投影機，且其中光場影像源包含能夠按時間順序激活的點光源陣列；圖3a例示出光場投影機，其中光場影像源包含發光顯示器；圖3b例示出根據一實施例的包含成像光學元件的圖3a之光場投影機；圖3c例示出根據另一實施例的包含成像光學元件的圖3a之光場投影機；且圖4展示出根據一實施例的光場投影機，其中光場影像源包含照明反射或透射及繞射顯示器的相干光源。
較佳實施例之詳細說明
圖1展示出包含影像源1的光場投影機。該影像源包含光源10，該光源10包含能夠按時間順序激活的點光源(亦稱為針式光源(pin-light))陣列，各點光源產生光束110。在圖1中，展示出兩個點光源10a及10b。光場投影機進一步包含空間光調變器(spatial light modulator，SLM)20a，該SLM 20a包含多個像素組件15a、15b，各像素組件調變在諸如15a及15b之像素上反射及繞射的光束分量111。
在圖1之實例中，像素組件15a係對點光源10a主動的，且像素組件15b係對點光源10b主動的。然而，在實踐中，光源10可包含任何數目例如數十個或數百個空間上有差距的點光源10a、10b，該等點光源10a、10b以時間序列照明。空間差距可僅係視在的，可由單個光源或由另一個主動元件諸如光束偏轉鏡或相位空間光調變器倍增的較小光源陣列產生。光源陣列之功能亦可由主動相位陣列取代。SLM 20a可包含具有數千個或數百萬個主動像素組件15a、15b的複雜影像圖案。
影像源1進一步包含成像光學元件70，該成像光學元件70將光源10之影像投射至針式光源之光源影像平面34。成像光學元件70可進一步準直調變光束111。
光場影像源1可進一步包含準直元件50，該準直元件50準直SLM 20a上的光束110。在此，第一光學元件50及第二光學元件70之組合將光源10之影像投射至針式光源之光源影像平面34。
在一個態樣中，光源影像平面34可包含被動或主動傅立葉(Fourier)濾波器。傅立葉濾波器可由針孔陣列或光閘陣列形成。光閘陣列可包含快速調變器，諸如DMD、FLCOS、相變材料光閘或用作光閘的任何其他裝置。光源影像 平面34可認為是完全構建的光場進入投影光學器件的入射光瞳。
光場投影機進一步包含投影光學器件2，該等投影光學器件2經組配來投射調變光束111以便界定適眼區(eye-box)121。適眼區121可沿著光場投影機之投影軸線170界定，但更一般而言，適眼區121在所投射之調變光束111之方向上被界定。更具體而言，投影光學器件2可包含第一投影元件32，該第一投影元件32經組配來投射調變光束111以便形成投影機影像平面115，且以便在投影機影像平面115中形成像素組件15a及15b各自的投影機像素影像16a、16b。圖1展示出像素組件15a、15b各自的兩個投影機像素影像16a及16b。
投影光學器件2可進一步包含第二投影元件40，該第二投影元件40經組配來將投影機影像平面115之影像投射至在所投射之調變光束111之方向上的任何選定位置。第二投影元件40可包含目鏡或組合器。在圖1之實例中，投影機影像平面115之影像位於「中性」位置處，使得適眼區投影機影像(即，如自適眼區121看到的像素組件15a、15b之影像)在無窮遠處。在圖1中，適眼區投影機影像未展示出，但其在無窮遠處的位置由經準直之調變光束111指示。
在圖1中，來自像素15a及15b的兩個示範性調變光束111在不同於投影機影像平面115的投影機虛擬像素影像26a處相交。投影機虛擬像素影像26a對應於在第二投影元件40之前的光場投影機中的虛擬像素之影像。因此，適眼區虛擬像素影像24由如自適眼區121看到的像素光束之視在相交形成。適眼區虛擬像素影像24位於與在此實例中無窮遠的適眼區投影機影像平面(未展示出)不同的距離處。
光場投影機可經組配來將影像投射至成像光學裝置，諸如攝影機或如圖1所展示之觀察者眼睛90。光場投影機之出射光瞳可與成像光學裝置之入射光瞳重合，例如與觀察者眼睛90之眼瞳130重合。
當光場投影機朝向觀察者眼睛90投射影像時，眼睛90之晶狀體130 聚焦在適眼區虛擬像素影像24之位置上。因此，晶狀體130在相同位置處投射調變光束111，該位置在此為眼睛視網膜92附近的感測器虛擬像素影像27a。應注意，光場投影機亦可朝向攝影機投射影像。然後，攝影機之鏡頭在攝影機感測器附近的感測器虛擬像素影像27a處投射調變光束111。
像素組件15之感測器像素影像17a、17b在視網膜92(或感測器)之前在與感測器虛擬像素影像27a不同的距離處形成。感測器像素影像17a、17b對應於觀察者眼睛90或成像光學裝置中的像素組件15a及15b各自的第二影像。
在一些態樣中，光場投影機亦可經組配來投射內容或對內容相關指令作出反應，以便提升感興趣之虛擬物件之解析度，該等虛擬物件例如為特定距離處的虛擬文本。
圖2例示出根據一實施例的光場投影機，其中成像光學元件70經組配來移動投影機影像平面115之位置以使得投影機影像平面115之位置可與投影機像素影像16a、16b之位置重合。
在圖2之實例中，成像光學元件70包含能夠移動的透鏡。在本實施例中，透鏡70朝向SLM 20a移動。與圖1相比，投影機影像平面115移位到移位平面114，在那裡投影機像素影像16a、16b與投影機虛擬像素影像26a重合。換言之，投影機像素影像16a、16b位於來自像素15a及15b的調變光束111相交的位置。
成像光學元件70之允許將投影機影像平面115之位置移動至移位平面114的其他組配係可能的。例如，成像光學元件70可包含具有可變焦距的光學元件，諸如包含具有可變幾何結構的元件的光學元件、折射率可變的介質、電光材料、具有極化旋轉元件的雙折射元件諸如液晶或執行相同功能的其他元件。
此外，可對SLM 20a進行控制以便調整像素組件15a、5b之空間分佈，從而形成待由光場投影機投射之影像分量。如圖2中可看出，與圖1之組配相比，像素組件15a及15b在SLM 20a中分佈不同(更接近)。調整主動像素組件15a、 15b從而形成影像分量允許構建預期光場輸出及投影機像素影像16a、16b與投影機虛擬像素影像26a之重合。
如圖2所展示，適眼區虛擬像素影像24由如自適眼區121看到的調變光束111之視在相交形成。適眼區虛擬像素影像24之位置與適眼區投影機影像18a、18b之位置重合。
當光場投影機朝向觀察者眼睛90投射影像時，眼睛90之晶狀體130聚焦在適眼區虛擬像素影像24之位置上。晶狀體130在相同位置處投射調變光束111，該位置在此為眼睛視網膜92附近的感測器虛擬像素影像27a。像素組件15之感測器像素影像17a、17b亦在眼睛視網膜92附近且與感測器虛擬像素影像27a重合地形成。
在感興趣之焦距內(即，在適眼區虛擬像素影像24之距離內)感知的虛擬影像之解析度基本上僅受到SLM 20a上的影像源之解析度的限制。
在一個態樣中，尤其是在使用高度繞射SLM 20a時，光源影像平面34可包含傅立葉濾波器。在此，光源影像平面34可沿著投影軸線170朝向SLM 20a移位，以便使投影機影像平面115之位置與投影機像素影像16a、16b之位置重合。
圖3a展示出根據另一實施例的光場投影機，其中影像源1包含發光顯示器20b。在此，光場投影機係基於藉由透鏡陣列將發光顯示器分解成具有準直像素光束的調變光束111。發光顯示器20b可包含液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)、有機發光二極體(organic light-emitting diode，OLED)、微型LED或其他合適顯示器。虛擬像素24之像素組件15a、15b由發光顯示器20b直接發射且由位於光源影像平面34或入射光瞳中的成像光學元件70準直。在此，成像光學元件70包含準直光學元件陣列，諸如透鏡陣列。成像光學元件70可進一步用作傅立葉濾波器且判定與各像素組件15a、15b之個別調變光束111相對應的針孔孔徑。
類似於圖1及圖2之光場投影機組配，投影光學器件2可包含第一投影元件32及第二投影元件40。
在圖3a中，觀察者眼睛90之晶狀體130在中性位置中聚焦在投影機影像平面115上，使得適眼區投影機影像(如自適眼區121看到的像素組件15a、15b之影像)在無窮遠處。適眼區投影機影像(投影機SLM平面之影像)在圖3中未展示出，但其在無窮遠處的位置由進入適眼區121的經準直之調變光束111指示。
投影機虛擬像素影像26a及感測器虛擬像素影像27a對應於來自像素15a及15b的調變光束111之相交，且投影機虛擬像素影像26b及感測器虛擬像素影像27b對應於來自像素15c及15d的調變光束111之相交。投影機像素影像16a、16b、16c及16d對應於投影機影像平面115中分別來自像素15a、15b、15c及15d的調變光束111之影像(焦點)。感測器像素影像17a.、17b、17c及17d分別對應於觀察者眼睛90或成像光學裝置中的像素組件15a、15b、15c及15d各自的第二影像。
在圖3a之組配中，投影機虛擬像素影像26a、26b都不與投影機像素影像16a、16b、16c及16c重合，且感測器像素影像27a、27b都不與感測器像素影像17a、17b、17c及17d重合。
圖3b例示出圖3a之光場投影機，其中成像光學元件70已自圖3a所展示之其「中性」位置朝向發光顯示器20b移位至一位置，該位置諸如將投影機影像平面115移位至更接近發光顯示器20b的移位平面114。此外，對發光顯示器20b進行控制以便調整主動像素組件15，從而形成待由光場投影機投射之影像分量。如圖3b中可看出，與像素組件15c及15d相比，像素組件15a及15b在發光顯示器20b中分佈不同(彼此更接近)。
結果，投影機像素影像16a、16b與投影機虛擬像素影像26a重合。當光場投影機與觀察者合作時，眼睛90，即晶狀體130在眼睛視網膜92附近的感測器虛擬像素影像27a處投射調變光束111，且感測器像素影像17a、17b在眼睛視 網膜92附近且與感測器虛擬像素影像27a重合地形成。
由於在發光顯示器20b中沒有調整像素組件15c及15d，因此投影機像素影像16c、16d與投影機虛擬像素影像26a不重合且感測器像素影像17a、17b與感測器虛擬像素影像27b不重合。
同樣，成像光學元件70可包含可變焦光學元件，該可變焦光學元件經組配來移動投影機影像平面115之位置以使得投影機影像平面115之位置可與投影機像素影像16a、16b之位置重合。
圖3c展示出來自圖3a的光場投影機，其中成像光學元件70已自圖3a所展示之其「中性」位置更接近發光顯示器20b地移位至一位置，該位置諸如將投影機影像平面115移位至更遠離發光顯示器20b的移位平面114。此外，對發光顯示器20b進行控制以便調整主動像素組件15a-15d，從而形成待由光場投影機投射之影像分量。如圖3b中可看出，與像素組件15a及15b相比，像素組件15c及15d在發光顯示器20b中分佈不同(間隔更遠)。
結果，投影機像素影像16a、16b與投影機虛擬像素影像26a重合。當光場投影機朝向觀察者眼睛90投射影像時，晶狀體130在眼睛視網膜92附近的感測器虛擬像素影像27a處投射調變光束111，且感測器像素影像17c、17d在眼睛視網膜92附近且與感測器虛擬像素影像27b重合地形成。由於在發光顯示器20b中沒有調整像素組件15a及15b，因此投影機像素影像16a、16b與投影機虛擬像素影像26a不重合且感測器像素影像17a、17b與感測器虛擬像素影像27a不重合。
圖4展示出根據另一實施例的光場投影機，其中影像源1包含相干單色光源11，諸如在圖3a及3b之組配中，該相干單色光源11投射相互相干光束，從而照明透射或反射及繞射顯示器20b。在圖4之實施方式中，光場投影機充當波前整形投影系統。
例如，相干單色光源11可包含雷射。顯示器20b可係透射或反射的， 從而調變入射光之幅度及可能地相位。顯示器20b用作SLM且在各像素處使相干光源11之光束繞射並在光源影像平面34處的透鏡陣列中之透鏡中之各者之前加寬光束。相干光源11之光束可視情況由準直元件50準直且在用作SLM的顯示器20b處調變。
成像光學元件70包含準直光學元件陣列，諸如透鏡陣列。成像光學元件70可進一步用作傅立葉濾波器且判定與各像素組件15a、15b之個別光場分量影像相對應的針孔孔徑。然而，在此實施例中不需要傅立葉濾波。
經由成像光學元件70之不同透鏡以及可能地光源影像平面34離開影像源1的調變光束111係相互相干的。調變光束111因此能夠在它們的入射點處發生干涉，在該等點處，它們構建由多個波前分量組成的波前。然後，當光場分量在成像光學裝置之感測器例如眼睛90之視網膜92附近或恰好在該感測器處重合時，可重建任意虛擬像素之波前。
波前構建在圖4之放大部分中例示出，其中箭頭表示波向量，且線條表示個別光場分量之波前。僅為了說明，考慮了平面波。事實上，各分量係近似球形的，具有相互有差距的原點。相干光場分量構建球面波，該球面波在虛擬點光源中具有表示虛擬像素的視在原點。
1:影像源
10:光源
10a,10b:點光源
15a,15b:像素組件
16a,16b:投影機像素影像
17a,17b:感測器像素影像
18a,18b:適眼區投影機影像
20a:空間光調變器/SLM
24:適眼區虛擬像素影像
26a:投影機虛擬像素影像
27a:感測器虛擬像素影像
32:第一投影元件
34:光源影像平面
40:第二投影元件
50:準直元件
70:成像光學元件
90:眼睛
92:視網膜
110:光束
111:調變光束
114:移位平面
115:投影機影像平面
121:適眼區
130:眼瞳/晶狀體

Claims (15)

  1. 一種用於投射影像的光場投影機，該光場投影機包含：一影像源(1)，該影像源包含一影像產生裝置(20a、20b)，該影像產生裝置包含產生多個調變光束(111)的多個像素組件(15a~15d)；一成像光學元件(70)，該成像光學元件(70)準直該等多個調變光束(111)；數個投影光學器件(2)，該等投影光學器件(2)包含一第一投影元件(32)且組配來投射該等調變光束(111)，以便界定一適眼區(121)且以便在該第一投影元件(32)及該適眼區(121)間的一投影機影像平面(115)處形成該等像素組件(15a、15b)之數個投影機像素影像(16a-16d)，該等調變光束(111)在該第一投影元件(32)及該適眼區(121)間的一投影機虛擬像素影像(26a)處相交；其中該成像光學元件(70)經組配來將該投影機影像平面(115)移位至在該第一投影元件(32)及該適眼區(121)間的一移位平面(114)，在該移位平面(114)中該投影機像素影像(16a、16b)與該投影機虛擬像素影像(26a)重合。
  2. 如請求項1之光場投影機，其中該成像光學元件(70)包含能夠移動的一透鏡。
  3. 如請求項1之光場投影機，其中該成像光學元件(70)包含具有一可變焦距的一光學元件。
  4. 如請求項1之光場投影機，其中該影像產生裝置(20a、20b)受控制以便調整該等像素組件(15a~15d)之空間分佈，從而形成待由該光場投影機所投射之影像分量。
  5. 如請求項1之光場投影機，其中該影像源(1)包含一光源(10)，該光源(10)包括能夠按時間順序激活的數個點光源(10)之一陣列，各點光源產生照明該影像產生裝置的一光束(110)；且 其中該影像產生裝置包含一空間光調變器(SLM)(20a)。
  6. 如請求項1之光場投影機，其中該影像源(1)包含一發光顯示器(20b)。
  7. 如請求項6之光場投影機，其中該發光顯示器(20b)包含液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(OLED)或微型LED。
  8. 如請求項1之光場投影機，其中該光源包含在一顯示器(20b)處投射數個相互相干光束的一相干光源(11)。
  9. 如請求項8之光場投影機，其中該顯示器(20b)經組配來在該成像光學元件(70)中之該等光學元件中之各者之前，在各像素組件(15a、15b)處使該等調變光束(111)繞射並加寬該等調變光束。
  10. 如請求項6之光場投影機，其中該成像光學元件(70)包含位於一光源影像平面(34)中的一準直光學元件陣列；該成像光學元件(70)將該等多個調變光束(111)準直至該光源影像平面(34)。
  11. 如請求項1之光場投影機，其中該等投影光學器件(2)包含一光學組合器(40)，該光學組合器(40)投射來自該投影機影像平面(115)的該等調變光束(111)以形成數個感測器像素影像(17a~17d)；且其中該成像光學元件(70)將該投影機影像平面(115)移位至一位置，在該位置中該等感測器像素影像(17a~17d)與一感測器虛擬像素影像(27a)重合。
  12. 如請求項8及11之光場投影機， 其中由該顯示器(20b)產生的該等調變光束(111)係相互相干且經組配來在該感測器虛擬像素影像(27a)處構建由多個波前分量組成的一波前。
  13. 如請求項1之光場投影機，其中該成像光學元件(70)將該等多個調變光束(111)準直至一光源影像平面(34)；且其中該光源影像平面(34)包含一傅立葉濾波器。
  14. 如請求項11之光場投影機，該光場投影機組配成將數個影像投射至一成像光學裝置(90)，該成像光學裝置(90)包含一感測器(92)；且其中該等像素組件(15a~15d)之數個感測器像素影像(17a~17d)實質上形成在該感測器(92)處且與該感測器虛擬像素影像(27a)重合。
  15. 請求項1之光場投影機，其中該光場投影機經組配來投射一內容或對數個內容相關指令作出反應。
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