基于小型阵列图像源的光场显示单元及使用其的三维近眼显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术示出一种可适用于光学透视式的光场显示单元，典型的，具体涉及一种基于小型阵列图像源的光场显示单元，其中光场显示单元包括在基底上形成的小型阵列图像源和配置于其附近的微结构阵列器件，小型阵列图像源和微结构阵列器件以预定方式对齐，以使小型阵列图像源上的每个微显示区域单元(201)的中心与所述微结构阵列器件的相应微结构单元(301)的中心的连线(4)交于所述显示单元的出瞳(5)中心，利用本发明专利技术的光场显示单元实现的头戴式近眼显示装置，环境光线直接穿过以透视进入人眼，虚拟的图像信息图像被微结构阵列器件调制后形成空间光场，模拟光线在自然情形下进入人眼的状态，符合人眼的观察习惯，能够有效缓解虚实融合失调的问题，特别适宜增强现实应用的要求。

Light field display unit based on small array image source and three-dimensional near eye display device using the same

A light field display unit, which can be applied to an optical perspective type, is described, typically involving a light field display unit based on a small array image source, in which a light field display unit includes a small array image source formed on a substrate and a micronode array device configured near it, a small array image source and a light field display unit. The microstructural array device is aligned in a predetermined manner so that the center of each micro display area unit (201) on a small array image source and a central connection (4) of the corresponding microstructural unit (301) of the microstructural array device (4) are attached to the center of the pupil (5) of the display unit, and the head wear of the light field display unit of the present invention is made. The near eye display device, the ambient light directly passes through the perspective to enter the human eye, the virtual image information image is modulated by the microstructural array device to form the space light field, and the simulated light will enter the human eye under the natural condition, which conforms to the observation habit of the human eye, and can effectively alleviate the problem of the false fusion maladjustment, especially suitable for increasing the problem. The requirement of strong practical application.

【技术实现步骤摘要】
基于小型阵列图像源的光场显示单元及使用其的三维近眼显示装置
本专利技术涉及光场显示领域，具体涉及一种基于小型阵列图像源的光学透视式显示单元，特别有利于在用头戴式近眼显示器装置中，实现光学透视式的真三维显示。
技术介绍
头戴式显示器作为一种近眼显示装置，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。由于可移动性、便携性以及私密性，成为面向个人消费的虚拟现实和增强现实领域首选的显示设备。另一方面，由于头戴式显示器可以使用双目视觉产生立体感，因此也被广泛用于显示三维信息。针对增强现实应用，头戴显示器要求在观察到虚拟信息的同时看到外界环境信息，以实现虚实叠加的效果，增强现实效果，提高交互效率。目前采用的透视式显示方案有视频透视式和光学透视式。其中视频透射式通过摄像头实时捕捉外界环境图像并在人眼前呈现，因此不可避免地造成色彩失真、清晰度降低、延时明显等问题，因此光学透视式方案被更广泛地推崇。普遍被研究的光学透视式显示方式主要包括半透半反类和波导类。虚实叠加的真实性必然要求虚拟图像的三维显示，传统的头戴显示器使用双目视差的原理产生三维立体感，如图1所示，通过将同一物点在双目对应的屏幕上显示在不同位置并成像在较远位置，在观察时，双目视轴形成夹角，即形成一种辐辏状态，从而感到该物点被成像在了某个具体深度处。但对于上述半透半反类或波导类方式，由于采用透镜成像的原理，对于屏幕上任何点来说焦距和物距确定，因此实际光学像面在固定深度处。由于双目辐辏可以通过调节视轴夹角来改变，但固定位置的像面导致人眼聚焦状态唯一，因此辐辏和聚焦通常存在着差异，即无法实现舒适得三维显示。辐辏和聚焦的差异越大，人眼的不舒适感会越强烈，尤其对于光学透射式而言，由于人眼能同时观察到虚拟图像和真实环境光，因此辐辏-聚焦状态的矛盾会极大影响虚实融合的效果，即人眼在观察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，这种会聚和辐辏的差异所造成的不舒适感会更加明显，也使虚拟图像的实际视觉效果很难做到逼真。缓解该问题的一个有效途径是通过将虚拟图像投射在距人眼不同距离处来模拟真实环境中光线进入眼睛的情形，可称为真三维的显示。光场显示是实现真三维显示的一种主要方案。目前采用的光场显示方案多是采用微结构阵列的方式实现，微结构阵列的形式包括小孔阵列、点光源阵列、微透镜阵列等。这些设备利用小孔成像或单透镜成像的基本原理，利用微结构阵列的单元与显示器件的像素在空间上的对应关系构造具有方向信息的光线集合，即光场。其中小孔阵列的方案能够获得较高的清晰度，并易于加装在透视式显示光路中以用于增强现实，但亮度损失较为明显；点光源阵列方案适用于穿透式显示，但在全彩色显示上较为复杂；微透镜阵列方案能获得较高的亮度，但目前缺少合适的方案能实现高质量的穿透式显示以用于增强现实。因此总体来说，目前尚缺乏将真三维与透视式良好结合的近眼显示技术。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种基于小型阵列图像源的光场显示单元，用于实现光学透射式显示。在观察过程中，由小型阵列图像源所发出的光线经微结构阵列的调制，能够复原出自然情形下物点发出的光线进入人眼时的空间分布，模拟人眼在观察真实环境时的自然状态，符合人眼的观察习惯，有效缓解虚实融合时辐辏-聚焦失调的问题，适宜增强现实应用的要求。根据本专利技术的一种光场显示单元，包括在基底上形成的小型阵列图像源和配置于其附近的微结构阵列器件，所述小型阵列图像源用于将包含图像信息的光线向微结构阵列器件方向出射，所述微结构阵列器件用于接收来自小型阵列图像源发出的光线并对其进行调制；其特征在于，所述小型阵列图像源和微结构阵列器件以预定方式对齐，以使小型阵列图像源上的每个微显示区域单元的中心与所述微结构阵列器件的相应微结构单元的中心的连线交于所述显示单元的出瞳中心。具体的，所述小型阵列图像源形成于基底上，具有像素覆盖的非透明区域作为微显示区域单元，各单元以预定方式排列，之间存在间隙；所述微结构阵列器件包括透明的介质材料的基底，和其上的多个与所述微显示区域单元相对应的微结构单元，各微结构单元之间存在间隙以用于透过外界环境光线。对于所述小型阵列图像源的基底，可以为透明介质材料形成，以使间隙处无像素以保持透明而使外界环境光线透过；或者不透明介质材料形成，用于遮挡来自外界的环境光线使其不射向所述微结构阵列器件。微结构单元将其对应的微显示区域单元上的每一个有效像素发出的光线通过折射或滤波调制使其形成平行或近似平行的空间光束，每个像素只对应一个方向的空间光束，所有像素形成的空间光束形成空间光场分布于微结构阵列器件与出瞳之间。作为一种微结构单元，可以选自下述任一或其组合：具有光焦度的透镜、全息透镜、小孔光阑。微结构阵列器件的透明基底具有相对的第一表面和第二表面，微结构单元分布于透明材质基底的第一表面。优选的，在微结构单元的边缘部分或可对应于微结构便边缘的部分包括不透明的环形光阑，以屏蔽杂散光。本专利技术还涉及一种基于上述光场显示单元的近眼显示装置，进一步包括图像渲染模块，用于将带显示图像进行预处理后形成为所述图像信息，通过有线或无线传输的方式输入至小型阵列图像源，经微结构阵列器件调制后在出瞳位置形成适合人眼观看的完整画面。具体的对所述图像进行渲染的预处理步骤可包括：根据所述预定方式对齐而生成子图像的步骤，所述子图像的数量与所述与微显示区域单元及微结构单元的数量相同。其中，每个子图像的生成均符合相机模型。根据本专利技术的光场显示单元和近眼显示装置，由于各微显示区域单元与微结构单元的相对位置确定，因此各个像素发出的光经微结构阵列调制后形成的空间光束以可控的形式排列，这些空间细光束承载所源自的像素点的色彩和强度信息，可被用来描述空间中光线的位置和方向分布，复原空间光场；含有相同图像信息的空间光束的反向延长线的交点即为系统所成的像点，透明间隙可允许外界环境光线再限定的范围内穿过并进入出瞳区域，可以同时实现透视式的显示。附图说明图1示出了辐辏-聚焦矛盾的原理示意图图2示出了根据本专利技术实施例的系统结构示意图图3示出了本专利技术中小型阵列图像源、微结构阵列器件以及出瞳的光路关系图4示出了本专利技术实施例的小型阵列图像源结构示意图图5示出了本专利技术实施例的微结构阵列器件结构示意图图6示出了本专利技术实施例的真实环境光线的传播光路图7示出了本专利技术实施例的虚拟的图像信息光线的传播光路图8示出了本专利技术实施例的杂散光的传播光路图9示出了本专利技术实施例的利用环形光阑消杂散光的示意图图10示出了本专利技术另一种实施例例的基于针孔阵列的微结构器件的光路示意图图11示出了本专利技术中含光焦度的微结构器件光路示意图图12示出了根据本专利技术的近眼显示装置用于虚实融合应用的示意图具体实施方式下面将结合附图并列举具体实施例，对本专利技术做进一步的详细说明。本领域技术人员应当了解，下述各描述中使用的具体名称、用语等不构成对本专利技术技术方案的限定，并且在下文的描述中，为便于描述，相同的部件将使用相同的附图标记。在下述实施例中，表述“第一”和“第二”等可以修饰本专利技术的多种组成元件，但是不限制对应的组成元件。例如，表述不限制对应的组成元件的顺序或重要性等。表述可以用于将一个组成元件与另一组成元件区分开来。例如，第一用户装置和第二用户本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光场显示单元，包括在基底上形成的小型阵列图像源(2)和配置于其附近的微结构阵列器件(3)，所述小型阵列图像源用于将包含图像信息的光线向微结构阵列器件方向出射，所述微结构阵列器件用于接收来自小型阵列图像源(2)发出的光线并对其进行调制；其特征在于，所述小型阵列图像源(2)和微结构阵列器件(3)以预定方式对齐，以使小型阵列图像源上的每个微显示区域单元(201)的中心与所述微结构阵列器件的相应微结构单元(301)的中心的连线(4)交于所述显示单元的出瞳(5)中心。

【技术特征摘要】
1.一种光场显示单元，包括在基底上形成的小型阵列图像源(2)和配置于其附近的微结构阵列器件(3)，所述小型阵列图像源用于将包含图像信息的光线向微结构阵列器件方向出射，所述微结构阵列器件用于接收来自小型阵列图像源(2)发出的光线并对其进行调制；其特征在于，所述小型阵列图像源(2)和微结构阵列器件(3)以预定方式对齐，以使小型阵列图像源上的每个微显示区域单元(201)的中心与所述微结构阵列器件的相应微结构单元(301)的中心的连线(4)交于所述显示单元的出瞳(5)中心。2.如权利要求1所述的光场显示单元，其特征在于：所述小型阵列图像源(2)形成于基底(202)上，具有像素覆盖的非透明区域作为微显示区域单元(201)，各单元(201)以预定方式排列，之间存在间隙；所述微结构阵列器件(3)包括透明的介质材料的基底，和其上的多个与所述微显示区域单元(201)相对应的微结构单元(301)，各微结构单元之间存在间隙(302)以用于透过外界环境光线(7)。3.如权利要求2所述的光场显示单元，其特征在于，所述小型阵列图像源(2)的基底(202)为透明介质材料形成，所述间隙处无像素以保持透明而使外界环境光线(7)透过；或者基底为不透明介质材料形成，用于遮挡来自外界的环境光线(7)使其不射向所述微结构阵列器件(3)。4.如权利要求2所述的光场显示单元，其特征在于：所述微结构单元(301)将其对应的微显示区域单元(201)上的每...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚成，程德文，
申请(专利权)人：苏州耐德佳天成光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32