一种真实立体感的光场头盔显示系统技术方案

本发明专利技术公开了一种真实立体感的光场头盔显示系统，包括一套以上的光场头盔显示装置，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显示器件、微结构阵列器件和光学目镜系统，通过采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，形成空间光场，阵列的特征尺寸p的要求保证了至少两个像素形成的光束的方向不同，通过这种方式可以提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，使得空间光场只在光学目镜的出瞳内生成，也就是说将这种光场显示系统的可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题。

【技术实现步骤摘要】
一种真实立体感的光场头盔显示系统
本专利技术涉及虚拟现实和增强现实领域，具体涉及一种实现真实立体感的光场头盔显不系统。
技术介绍
显示装置是虚拟现实和增强现实领域中人机交互界面的重要组成部分，一方面头盔显示器作为一种近眼显示装置，由于可移动性、便捷性以及私密性，成为近年来显示领域中的科研和商业方面上的讨论热点，另一方面随着3D电影的出现，三维显示开始进入人们的视野，人们开始将头盔显示器应用于三维显示领域。三维显示领域中，提供的待显示的图像是具有立体信息的，也就是说提供的图像是有一定深度的，待显示的虚拟物体成像在焦平面的前后，传统的头盔显示器只能够给人眼提供单个焦面的显示信息，人眼为了看清物体需要调节人眼的晶状体使得人眼聚焦到这个焦平面上，虚拟物体深度和焦平面的深度差异越大，人眼的汇聚和辐辏的差异就会越大，这样会造成人观察时候的不舒适感。尤其是当头盔显示器具有光学透射功能时，即人眼在观看真实环境的物体的同时可以看到虚拟场景的物体时，由于有外界真实的物体作为对比，这种汇聚和辐辏的差异所造成的不舒适感会更加明显。为了缓解人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，需要能够提供真实三维感的显示设备，目前科学工作者提出的真实三维感的显示设备主要有变焦面的头盔显示器和多焦面的头蓝显不器。其中，变焦面头盔显示器主要方法是在头盔显示器的使用过程中快速改变头盔显示设备中成像焦平面的位置，从而实现了人眼观察的屏幕的位置沿着深度方向的快速改变，具体可以通过改变像面的位置、光学系统的位置，使用液体透镜、变形镜、双折射率透镜或者其他电可控的改变头盔显示器中光学系统的焦距的方式来实现，但是如果快速改变成像平面位置的周期短于人眼的视觉暂留时间，会出现人眼前重建出多个焦平面的问题。多焦面的头盔显示器的方案是在头盔显示器中使用多个显示装置，或者利用将一个显示装置拆分成多个进行使用，在整个系统进行设计的过程中，多个显示装置进行层叠的方式进行使用，而且多个显示装置在空间形成了不同深度的观察平面的位置，增加显示装置的数量会减轻人眼的汇聚和辐辏不一致的问题，但在空间中建立出的焦平面是有限的，仍然达不到人眼可以感知的空间深度的数量，且不完全符合人眼观察空间真实物体的属性，并不能完全解决人眼的汇聚和辐辏不一致造成的矛盾。无论是变焦面的头盔显示器还是多焦面的头盔显示器，都是基于双目视差原理来实现三维显示的，虽然在一定程度上缓解了双眼辐辏位置不重合的问题，但是在设计过程中设置多个显示装置、或者插入分光镜、电可控的变焦器件，会增加系统的复杂性、体积和重量，会因为系统的复杂性、体积和重量的增加而增加人体感知的不舒适感，甚至导致系统过分庞大而导致无法佩戴。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种实现真实立体感的光场头盔显示系统，采用微结构阵列器件将微显示器件的不同像素发出的光进行分束，提供符合人眼自然视觉的稠密的空间光场，通过光学目镜系统改变空间光场，使得空间光场只在头盔显示装置的出瞳内生成即将这种光场显示系统的可视区域控制在单眼可观察的范围中，从而解决了头盔显示器中出现的人眼的汇聚和辐辏不一致问题。本专利技术的一种真实立体感的光场头蓝显不系统,该光场头蓝显不系统包括一套以上的光场头盔显示装置，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显不器件、微结构阵列器件和光学目镜系统，所述光学渲染实现模块与微显不器件的输入端相连；所述微结构阵列器件将微显示器件上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；所述每套光场头盔显示装置中的光学目镜系统将各自的空间光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内；所述微显示器件的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm ； 在对三维虚拟物体进行显示时，所述光学渲染实现模块根据空间光场的分布，即微显示器件的像素和空间光束中光线的对应关系，光学渲染实现模块计算光线与要显示的三维虚拟物体表面交点处的灰度值，则该交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件上像素的灰度值；所述光学渲染实现模块将每个像素的灰度值发给微显示器件，微显示器件根据接收到的灰度值进行显示。较佳的,所述光学目镜系统的F数为F#,满足关系:0.5F# ( g/p ( 2F# ；其中，g为微结构阵列器件的分光平面和微显示器件的显示平面的距离；光学目镜系统的出瞳直径D满足4mm ^ D ^ 25mm ;光学目镜系统的出瞳距离L满足关系 1 2mm ^ L ^ 45mm。所述微结构阵列器件的微结构的特征尺寸P不小于微显示器件上的2个像素。较佳的，所述光学目镜系统采用离轴光学目镜系统，所述的离轴光学目镜系统有三个光学表面，第一光学表面，第二光学表面和第三光学表面，其中第三光学表面镀有反射膜；微显示器件上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件进行折射或滤波后射到光学目镜系统的第一光学表面，经其折射进入光学目镜系统，在第二光学表面上发生全反射到第三光学表面，经过第三光学表面反射回至第二光学表面，再经第二光学表面(302)折射进入人眼。较佳的，所述光学目镜系统采用光学透射式离轴反射光学系统，该光学透射式离轴反射光学系统包括四个光学表面:第一表面、第二表面、第三表面和第四表面，其中，第三表面镀有半透半反膜；微显示器件上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件进行折射或滤波后先经过光学目镜系统的第一表面的折射后到达第二表面，在第二表面上发生全反射后到达第三表面，在第三个表面反射后回到第二表面，经过第二表面的折射进入人眼，同时外界真实世界的三维物体依次经过透过第四表面、第三表面和第二表面的透射，最后透射后进入人眼。进一步的，本专利技术的光场头盔显示系统还包括半透半反镜，所述依次排列的微显示器件、微结构阵列器件和光学目镜系统置于人眼的斜上方，所述半透半反镜置于人眼的前方并位于所述光学目镜系统的透射光路中；所述半透半反镜的半反半透面接收光学目镜系统透射的空间光场，并将其反射进人眼，同时，半反半透面将外界真实场景透射至人眼。本专利技术的光场头盔显示系统进一步包括中继光学系统，中继光学系统位于微显示器件和微阵列器件之间，将微显不器件发出的光束成实像在微结构阵列的表面。所述的光场头盔显示系统包括两套以上且视场连续的光场头盔显示装置，所述多套光场头盔显示装置分布于在人眼前方，并相对于光轴对称，多套光场头盔显示装置的光学目镜系统将各自的光场汇聚在光场头蓝显不系统的出瞳内。本专利技术的光场头盔显示系统包括两套视场连续的光场头盔显示装置，其中每套光场头盔显示装置的光学目镜系统包括四个表面，分别为第一表面、第二表面、第三表面和第四表面；微显示器件的每个像素发出的光波经过微结构阵列器件折射或滤波后经过第一表面的折射后到达第二表面，经第二表面全反射后至第三表面，经过第三表面反射回至第二表面，经过第二表面折射后进入人眼，同时外界真实场景依次经第四表面、第三表面和第二表面的折射进入人眼。本专利技术的光场头盔显示系统包括两套视场重合的光场头盔显示装置，还进一步包括半透半反镜:第一套光场头盔显示装置位于人眼的斜上方，第二套光场头盔显示装置位于人眼的正前方，所述半透半反镜位于人眼的正前方，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种真实立体感的光场头盔显示系统，其特征在于：该光场头盔显示系统包括一套以上的光场头盔显示装置，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显示器件(1)、微结构阵列器件(2)和光学目镜系统(3)，所述光学渲染实现模块与微显示器件(1)的输入端相连；所述微结构阵列器件(2)将微显示器件(1)上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件(1)中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场；所述每套光场头盔显示装置中的光学目镜系统(3)将各自的空间光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内；所述微显示器件(1)的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm；在对三维虚拟物体进行显示时,所述光学渲染实现模块根据空间光场的分布,即微显示器件(1)的像素和空间光束中光线的对应关系,光学渲染实现模块计算光线与要显示的三维虚拟物体表面交点处的灰度值，则该交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件(1)上像素的灰度值；所述光学渲染实现模块将每个像素的灰度值发给微显示器件(1)，微显示器件(1)根据接收到的灰度值进行显示。...

【技术特征摘要】
1.一种真实立体感的光场头蓝显不系统，其特征在于:该光场头蓝显不系统包括一套以上的光场头盔显示装置，每套光场头盔显示装置均包括光学渲染实现模块以及依次排列的微显示器件(I)、微结构阵列器件(2)和光学目镜系统(3)，所述光学渲染实现模块与微显示器件(I)的输入端相连； 所述微结构阵列器件(2)将微显示器件(I)上每个像素发出的光波通过折射或滤波处理使其形成空间光束，且微显示器件(I)中至少有两个像素对应的空间光束具有不同的方向，所有像素对应的空间光束形成空间光场； 所述每套光场头盔显示装置中的光学目镜系统(3)将各自的空间光场汇聚在光场头盔显示系统的出瞳内； 所述微显示器件(I)的每个像素对应的空间光束在所述头盔显示装置出瞳平面上形成的光斑的最大内切圆直径不大于2mm ； 在对三维虚拟物体进行显示时，所述光学渲染实现模块根据空间光场的分布，即微显示器件(I)的像素和空间光束中光线的对应关系，光学渲染实现模块计算光线与要显示的三维虚拟物体表面交点处的灰度值，则该交点处的灰度值即为该光线对应的微显示器件(I)上像素的灰度值；所述光学渲染实现模块将每个像素的灰度值发给微显示器件(1)，微显示器件(I)根据接收到的灰度值进行显示。2.如权利要求1所述的光场头盔显示系统，其特征在于:所述光学目镜系统(3)的F数为 F#，满足关系:0.5F# ( g/p ( 2F# ； 其中，g为微结构阵列 器件(2)的分光平面和微显示器件(I)的显示平面的距离； 光学目镜系统(3)的出瞳直径D满足4mm < D < 25mm ;光学目镜系统(3)的出瞳距离L 满足关系 1 2mm ^ L ^ 45mm。 所述微结构阵列器件(2)的微结构的特征尺寸P不小于微显示器件(I)上的2个像素。3.如权利要求1或2所述的光场头盔显示系统，其特征在于，所述光学目镜系统(3)采用离轴光学目镜系统，所述的离轴光学目镜系统有三个光学表面，第一光学表面(301),第二光学表面(302)和第三光学表面(303),其中第三光学表面(303)镀有反射膜； 微显示器件(I)上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件(2)进行折射或滤波后射到光学目镜系统(3)的第一光学表面(301)，经其折射进入光学目镜系统(3)，在第二光学表面(302)上发生全反射到第三光学表面(303)，经过第三光学表面(303)反射回至第二光学表面(302)，再经第二光学表面(302)折射进入人眼(7)。4.如权利要求1或2所述的光场头盔显示系统，其特征在于:所述光学目镜系统(3)采用光学透射式离轴反射光学系统，该光学透射式离轴反射光学系统包括四个光学表面:第一表面(401)、第二表面(402)、第三表面(403)和第四表面(404)，其中，第三表面(403)镀有半透半反膜； 微显示器件(I)上每个像素发出的光波经过微结构阵列器件(2)进行折射或滤波后先经过光学目镜系统(3)的第一表面(401)的折射后到达第二表面(402)，在第二表面(402)上发生全反射后到达第三表面(403)，在第三个表面(403)反射后回到第二表面(402)，经过第二表面(402)的折射进入人眼(7)，同时外界真实世界的三维物体依次经过透过第四表面(404)、第三表面(403)和第二表面(402)的透射，最后透射后进入人眼。5.如权利要求1或2所述的光场头盔显示系统，其特征在于:还包括半透半反镜(4)，所述依次排列的微显示器件(I)、微结构阵列器件(2)和光学目镜系统(3)置于人眼(7)的斜上方，所述半透半反镜(4)置于人眼(7)的前方并位于所述光学目镜系统(3)的透射光路中；所述半透半反镜(4)的半反半透面接收光学目镜系统(3)透射的空间光场，并将其反射进人眼(7)，同时，半反半透面将外界真实场景透射至人眼(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涌天，宋维涛，程德文，刘越，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11