一种光场显示装置及显示方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光场显示装置及显示方法，光场显示装置包括：图像源，产生表征虚拟信息的光线；混合模块，虚拟信息的光线和外部环境光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼；透射型空间光调制器，根据控制模块的控制信号，对虚拟信息的光线和外部环境光线进行调制；控制模块，同步控制透射型空间光调制器和图像源，令透射型空间光调制器的不同独立单元被有序地打开或关闭，而图像源则有序地显示对应的图像。光场显示方法通过透射型空间光调制器快速有序地打开或关闭不同独立单元，构建所需呈现的虚拟信息的模拟光场，当人眼通过该模拟光场观察所需呈现的虚拟信息时，不存在辐辏调节冲突，从而避免了由此导致的人眼疲劳及其它生理不适。

Light field display device and display method

The invention discloses a light field display device and display method, image display device includes a light source, which characterize the virtual information light; hybrid module, virtual information light and external environment light mixing module and transmission type spatial light modulator into human transmission; transmission type spatial light modulator, according to control signals the module of virtual information, light and external environment light modulation; control module, synchronous control of transmission type spatial light modulator and image source, different independent unit order transmission type spatial light modulator is orderly open or closed, and the image source in order to display the corresponding image. Display method of light field by transmission type spatial light modulator fast and orderly open or close different independent units, simulation of light field virtual information to build the human eye through the simulation, when the light field of virtual information observations required to present, there is no convergence regulation conflict, so as to avoid eye fatigue and the resulting other physical discomfort.

【技术实现步骤摘要】
一种光场显示装置及显示方法
本专利技术涉及虚拟现实与增强现实
，尤其涉及一种基于光场原理的三维显示装置及显示方法。
技术介绍
虚拟现实(VirtualReality)技术是一种将虚拟信息更逼真地呈现在用户面前，并达到“以假乱真”的效果的显示技术，它通常屏蔽外界真实环境，使用户沉浸于虚拟世界中。增强现实(AugmentedReality)技术是一种将虚拟信息叠加到真实世界的显示技术，它使用户可以同时观察外界真实环境。这些技术可广泛应用于军事、医疗、教育、制造、娱乐等领域。随着相关技术的商用化推进，VR/AR设备越来越被大众所熟知，产品也逐渐往消费市场蔓延。其中，AR设备被认为具有更广阔的应用潜力，同时，当AR设备集成了可选择性遮挡现实世界光线的相关组件后，在某种程度上就兼具了VR设备的效果。因此，立足AR设备的特点，研究两者共通的三维显示技术，变得很有意义。目前，市场上的AR眼镜设备种类繁多，其原理多是单深度的双目视差系统，即：通过一个半透半反的结构同时接收虚拟信息和真实世界场景；人眼在观看真实世界场景时，真实空间自带的三维信息给人眼提供了不同的深度线索，从而产生立体感；然而，在观察虚拟信息时，虚拟信息的画面其实是在同一个固定深度的平面上(单深度)，通过给双眼提供具有视差的两幅不同的画面(双目视差)达到立体效果，人眼调焦在该固定的深度位置接受虚拟信息，而无论虚拟信息是否包含了处于不同于该固定深度的虚拟点。在观察那些处于不同于该固定深度的虚拟信息时，由于左右眼聚焦的位置并不重合，造成了视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodationconflict)。这种冲突会引起视疲劳、头痛等不良生理反应，限制了装备的长时间佩戴，体验欠佳。而且，同一时刻该固定深度的平面必须提供清晰的视差图，因此其半透半反的结构既要承担对外部真实环境的通透，更要直接承担对图像源成清晰稳定的虚拟像面的功能，这种双重约束大大降低了光学设计的自由度，提高了设计工作的难度；尤其对于大视场角(FieldofView)相关设备的设计，或要求半透半反结构的厚度进一步降低的设计，往往很难兼顾图像源成像质量的各种指标。公开号为CN103487938A的中国专利公开了一种头戴显示装置，包括主体框架、透视式光学显示系统、主控系统和双目立体视觉系统，透视式光学显示系统包括图像显示模块、光学放大系统和微调机构；双目立体视觉系统拍摄人眼前方的目标物，利用视差原理测距的方法，获得目标物到人眼的距离；主控系统根据得到的目标物到人眼的距离，控制透视式光学显示系统自动调整虚像到人眼的距离，保证用户在使用这些图像显示器时用眼的舒适度，缓解视野疲劳。但是该装置结构复杂，调焦时涉及步进电机和传动机构，很难在高速、高精度、低能耗等方面取得平衡。公开号为US201704574的美国专利公开了一种紧凑型头戴显示系统，包括一片结构复杂的波导镜片和成像棱镜，但其视场角较小。公开号为WO2016081664A1的专利公开了一种大视场角头戴显示系统，包含图像源和自由曲面反射镜面罩，但是体积庞大；公开号为CN101359089的中国专利公开了一种自由曲面棱镜头戴显示系统，包括微显示器及自由曲面棱镜，但其装置镜片较厚且需要补偿镜，不利于生产使用。
技术实现思路
本专利技术提供一种光场显示装置及显示方法，可以避免视觉辐辏调节冲突，缓解视疲劳，便于长时间使用，且其光学设计自由度较高。一种光场显示装置，包括：图像源，根据控制模块的控制信号产生表征虚拟信息的图像；混合模块，用于调整图像源光线的光路和外部环境光线的光路；图像源光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼，形成虚拟信息光路；外部环境光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼，形成外部环境光路；透射型空间光调制器，具有若干独立单元，所述的透射型空间光调制器根据控制模块的控制信号，有序地打开或关闭不同独立单元，形成对相应光线的不同程度的透射或遮挡，从而对将要进入人眼的图像源光线和外部环境光线进行调制；其中，“打开”指一系列状态，对应不同程度的透光率；其中，“关闭”指一种状态，对应某种程度的光遮挡率。控制模块，基于透射型空间光调制器的不同独立单元、图像源显示的图像以及所需呈现的虚拟信息之间的映射关系，同步控制透射型空间光调制器和图像源，令透射型空间光调制器的不同独立单元被有序地打开或关闭，而图像源则有序地显示对应的图像，从而使光场显示装置对人眼呈现所需呈现的虚拟信息。本专利技术中，所述的图像源由二维或三维像素阵列构成；优选的，所述的图像源的主体部分为面状显示器，如OLED、LCD、LCOS、DLP或其组合。作为优选，所述的图像源由三维像素阵列构成；所述的三维像素阵列为多层透明面状显示器以堆叠的方式组合成的多层显示器。所述的三维像素阵列可以是透明面状显示器如透明OLED与其它显示器及光学机构的组合，如以堆叠的方式组合成多层显示器，其目的是针对同一个混合模块形成多个面状显示器的等效位置，进而扩大这些等效位置的总体深度跨度。这样可以提高虚拟信息分辨率的优化自由度，特别是在较大的深度跨度下，使虚拟信息在不同深度的分辨率得到平衡或提高。对本专利技术光场显示装置的光场呈现效果具有增益效应。图像源的尺寸为市面上能购买到的小型尺寸。所述的混合模块可以是棱镜、波导、光栅等光电器件及其组合，其目的是使人眼同时能接收到来自图像源的虚拟信息和来自外部环境的真实信息。作为优选，所述的混合模块具有大视场角、大出瞳直径及长出瞳距的特点。对本专利技术光场显示装置的光场呈现效果具有增益效应。所述的透射型空间光调制器含有许多独立单元，每个独立单元的尺寸较小。作为优选，所述的透射型空间光调制器的各个独立单元排列成单维阵列或多维阵列。每个独立单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等)改变自身的光学特性，从而对照明在其上的光波进行调制。进一步优选的，所述的透射型空间光调制器基于电致变透光率的材料或器件(如液晶)制成。其每个独立单元对任意自然光或非自然光(如特定波长、特定偏振态、特定相干性等)的光线可以形成电致可调的不同透过率，其透过率调节范围可以是完全范围，即上限100％(全透明)至下限0％(全遮挡)，也可以是不完全范围，即上限小于等于100％而下限大于等于O％，其调节方式可以是连续调节，也可以是离散(阶跃式)调节，可以是单次调节，也可以是按特定方案持续调节。作为优选，所述的光场显示装置还包括眼球追踪系统，实现对透射型空间光调制器调制范围的动态优化。进一步提高虚拟信息的显示质量。本专利技术还提供了一种光场显示方法，包括：(1)控制模块根据所需呈现的虚拟信息，基于透射型空间光调制器打开的独立单元、图像源显示的图像以及所需呈现的虚拟信息之间的映射关系，同步控制透射型空间光调制器和图像源，令透射型空间光调制器的不同独立单元被有序地打开或关闭，而图像源则有序地显示对应的图像；(2)图像源根据控制模块的控制信号产生的表征虚拟信息的图像光线，由混合模块调整其传播方向，并经过透射型空间光调制器调制后进入人眼，从而使光场显示装置对人眼呈现所需呈现的虚拟信息；外部环境光线透过混合模块和透射型空间光调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光场显示装置，其特征在于，包括：图像源，根据控制模块的控制信号产生表征虚拟信息的图像；混合模块，用于调整图像源光线的光路和外部环境光线的光路；图像源光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼，形成虚拟信息光路；外部环境光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼，形成外部环境光路；透射型空间光调制器，具有若干独立单元，所述的透射型空间光调制器根据控制模块的控制信号，有序地打开或关闭不同独立单元，形成对相应光线的不同程度的透射或遮挡，从而对将要进入人眼的图像源光线和外部环境光线进行调制；控制模块，基于透射型空间光调制器的不同独立单元、图像源显示的图像以及所需呈现的虚拟信息之间的映射关系，同步控制透射型空间光调制器和图像源，令透射型空间光调制器的不同独立单元被有序地打开或关闭，而图像源则有序地显示对应的图像，从而使光场显示装置对人眼呈现所需呈现的虚拟信息。

【技术特征摘要】
1.一种光场显示装置，其特征在于，包括：图像源，根据控制模块的控制信号产生表征虚拟信息的图像；混合模块，用于调整图像源光线的光路和外部环境光线的光路；图像源光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼，形成虚拟信息光路；外部环境光线经混合模块和透射型空间光调制器透射入人眼，形成外部环境光路；透射型空间光调制器，具有若干独立单元，所述的透射型空间光调制器根据控制模块的控制信号，有序地打开或关闭不同独立单元，形成对相应光线的不同程度的透射或遮挡，从而对将要进入人眼的图像源光线和外部环境光线进行调制；控制模块，基于透射型空间光调制器的不同独立单元、图像源显示的图像以及所需呈现的虚拟信息之间的映射关系，同步控制透射型空间光调制器和图像源，令透射型空间光调制器的不同独立单元被有序地打开或关闭，而图像源则有序地显示对应的图像，从而使光场显示装置对人眼呈现所需呈现的虚拟信息。2.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，所述的图像源由二维或三维像素阵列构成。3.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，所述的图像源由三维像素阵列构成；所述的三维像素阵列为多层透明面状显示器以堆叠的方式组合成的多层显示器。4.根据权利要求1所述的光场显示装置，其特征在于，所述的透射型空间光调制器的各个独立单元排列成单维或多维...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卓鹏，魏一振，
申请(专利权)人：杭州光粒科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33