3D光场显示器的光学设计和优化技术制造技术

公开了用于设计和优化诸如集成成像头戴式显示器的高性能光场显示器的方法和框架。所公开的技术使用户定义的度量能够表征这样的系统的性能和优化。一种设计方法涉及基于集成成像的三维(3D)显示系统，该显示系统包括阵列光学体、用于产生多个元素图像的阵列显示装置、表示虚拟中心深度平面(CDP)的第一参考平面、表示用于观看经重构3D场景的观看窗口的第二参考平面，以及表示人眼模型的光学子区段。该方法包括追迹针对阵列显示装置和阵列光学体的每个元件从阵列显示装置开始、通过阵列光学体并且到达光学子区段的射线，以及调整一个或多个参数以至少获得在预先确定值内的第一度量值。度量值。度量值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】3D光场显示器的光学设计和优化技术
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年8月12日提交的题为“用于3D光场显示器的光学设计和优化技术”的美国临时申请的优先权，申请号为62/885,460。上述临时申请的全部内容通过引用并入以作为本文件公开的一部分。
[0003]关于联邦资助研究的声明
[0004]本专利技术是通过NSF授予的第1422653号经费的政府支持来完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。


[0005]所公开的技术总体上涉及三维(3D)显示器，更具体地涉及用于设计和优化高性能光场显示器的方法和框架。

技术介绍

[0006]常规的立体三维显示器(S3D)通过双目差异和从两个稍微不同的观看位置看到的3D场景的其他图片深度线索，从固定距离处的一对二维(2D)透视图像(每只眼睛一个)，来激励3D空间和形状的感知。与S3D类型显示器相关联的关键限制是已知的辐辏调节冲突(vergence
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accommodation conflict，VAC)问题。在双目视觉中，当观察物体时，眼睛必须围绕水平轴旋转，使得图像的投射在双眼的视网膜中心。辐辏是两只眼睛同时向相反方向运动以获得或维持单一双目视觉。调节是眼睛随着距离的变化而改变光焦度以维持清晰图像或聚焦在物体上的过程。在物体的正常观看条件下，为观看不同距离的物体对眼睛的焦点的改变会自动引起辐辏和调节。在3D显示的背景下，当大脑接收到虚拟3D物体的距离(辐辏)与眼睛聚焦在该物体上所需的聚焦距离(调节)之间的不匹配线索时，发生VAC。此问题源于无法为3D场景渲染正确的聚焦线索，包括调节和视网膜模糊效果。它会导致多个线索冲突，并被认为是导致与观看S3D显示器相关联的各种视觉伪影的关键因素中的一个。

技术实现思路

[0007]所公开的实施例涉及三维(3D)显示器，更具体地涉及用于设计和优化高性能光场显示器的方法和框架，包括但不限于光场头戴式显示器。
[0008]在一个示例实施例中，用于设计基于集成成像(InI)的三维(3D)显示系统的方法。该系统包括：阵列光学体；能够产生多个元素图像的阵列显示装置；第一参考平面，表示虚拟中心深度平面(CDP)，显示器上的点源发射的光线会聚在该虚拟中心深度平面上以形成图像点；第二参考平面，表示用于观看经重构3D场景的观看窗口；以及表示人眼模型的光学子区段。用于设计系统的方法包括追迹与基于InI的3D系统中的光场相关联的射线集合，其中针对阵列显示装置和阵列光学体的每个元件，该追迹从阵列显示装置开始，并且实行为通过阵列光学体到光学子区段来。该方法还包括调整与基于InI的3D系统相关联的一个或多个参数以至少获得在预先确定值或值的范围内的第一度量值。第一度量值对应于光场的
射线定向采样。
[0009]在所公开的基于InI的3D系统中，光场通过对明显由3D场景发射的光线的方向进行角度采样来重构3D场景的4
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D光场。根据一些实施例，光学设计过程包括优化4
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D光场渲染中的射线位置和射线方向两者的映射，而不是简单地优化常规HMD设计中物像共轭平面之间的2D映射。
附图说明
[0010]图1A是在微显示器上渲染二维(2D)图像以形成锐利聚焦视网膜图像的常规头戴式显示器(HMD)配置的示例。
[0011]图1B图示了当调节深度偏离虚拟显示器的距离时的如图1A所示的常规HMD配置。
[0012]图2A是图示用于第一调节深度的光场重构的基于集成成像的HMD(InI
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HMD)的图像形成过程的示例配置。
[0013]图2B图示了图2A的配置和对应于第二调节深度的图像形成。
[0014]图3A图示了用于基于集成成像的HMD(InI
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HMD)配置的相关联符号和光场函数的映射。
[0015]图3B图示了重构基于InI的光场3D显示器的3D场景的光学原理。
[0016]图4A图示了InI
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HMD系统的各个方面的三维视图，包括观看窗口上的覆盖区(footprint)和微透镜阵列(MLA)的小透镜的成像孔径。
[0017]图4B图示了与InI
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HMD系统相关联的微显示器上的元素图像(EI)的划分。
[0018]图4C图示了包括EI、MLA的小透镜和共享目镜组的子系统。
[0019]图4D图示了四个EI在虚拟中心深度平面(CDP)上的部分重叠的虚像。
[0020]图4E图示了在为了提高清晰度移除某些特征的情况下如图4D所示的EI在CDP上的部分重叠的虚像。
[0021]图5图示了对于示例InI
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HMD系统，关于射线位置的全局畸变的全局偏差度量对全场畸变网格的影响。
[0022]图6图示了对于示例InI
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HMD系统，给定射线束的射线覆盖区从其近轴形状的变形的影响。
[0023]图7A图示了根据所公开的技术设计的双目InI
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HMD系统的示例布局。
[0024]图7B图示了关于图7A的区段的光学布局的进一步细节。
[0025]图8A图示了与示例InI
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HMD系统相关联的显示路径的图像对比度图。
[0026]图8B图示了与覆盖示例InI
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HMD系统的视场的采样小透镜的子集对应的轴上场点的调制传递函数(MTF)图。
[0027]图8C图示了对应于中心小透镜的每个EI的轴上场点的MTF图，其中它们的虚拟CDP是远离示例InI
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HMD系统的观看窗口从3屈光度到0屈光度采样的。
[0028]图9A图示了示例InI
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HMD系统的覆盖全场的显示路径的畸变网格图。
[0029]图9B图示了在优化示例InI
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HMD系统的光瞳像差之前在观看窗口处的覆盖区图。
[0030]图9C图示了在优化示例InI
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HMD系统的光瞳像差之后在观看窗口处的覆盖区图。
[0031]图10图示了根据示例实施例的用于设计基于InI的3D显示系统的操作的集合。
[0032]图11图示了根据示例实施例的用于改进集成成像光学系统的设计的操作的集合。
[0033]图12图示了可以用于实现所公开技术的某些方面的装置的框图。
具体实施方式
[0034]已经有一些努力来解决辐辏调节冲突(VAC)问题，其中是基于集成成像(InI
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based)的光场3D(LF
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3D)显示器。集成成像通常是指通过使用光学孔径或微透镜的二维阵列来捕获和再现光场的三维成像技术。该配置允许通过渲染明显由从预先设计的观看窗口经由阵列光学体看到的场景发射的方向光线来重构3D场景。然而，缺乏适合优化3D显示系统的系统设计方法，包括基于InI的LF
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于设计基于集成成像(InI)的三维(3D)显示系统的方法，所述方法包括：在基于InI的3D系统中追迹与光场相关联的射线，所述系统包括：阵列光学体，能够产生多个元素图像的阵列显示装置，第一参考平面，表示虚拟中心深度平面(CDP)，由显示器上的点源发射的光线会聚在所述虚拟中心深度平面上以形成图像点，第二参考平面，表示用于观看经重构3D场景的观看窗口，以及表示人眼的模型的光学子区段，其中针对所述阵列显示装置和阵列光学体的每个元件，所述追迹从所述阵列显示装置开始，并实行为通过所述阵列光学体并且到达所述光学子区段；和调整与所述基于InI的3D系统相关联的一个或多个参数以至少获得在预先确定值或值的范围内的第一度量值，其中，所述第一度量值对应于所述光场的射线定向采样。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一度量值量化所述光场的给定射线束的射线覆盖区与其近轴覆盖区的变形。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一度量值是根据在所述第二参考平面上的边缘射线的实际位置与理论位置之间的平均偏离距离与所述近轴覆盖区的对角线宽度的相对比率来确定的。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一度量值是基于由射线追迹获得的边缘射线在所述观看窗口上的实际位置与边缘射线在所述观看窗口上的对应近轴位置之间的差异来确定的。5.根据权利要求1所述的方法，其中，对与所述基于InI的3D系统相关联的一个或多个参数实行调整以进一步获得在另一预先确定值或值的范围内的第二度量值，其中，所述第二度量值对应于所述光场的射线位置采样，其说明了由至少所述阵列光学体的邻近元件引起的变形。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二度量值是根据从所述第二参考平面测量的中心物场的主射线的实际位置与理论位置之间的角度偏差来确定的。7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二度量值表示全局畸变量度。8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二度量值被计算为所述虚拟CDP上的多个元素图像的虚拟元素图像的中心位置与其近轴位置的偏差。9.根据权利要求5所述的方法，其中，相对于所述光场的射线位置采样对与所述基于InI的3D系统相关联的一个或多个参数来实行调整，以进一步单独优化每个元素图像的成像。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于InI的3D系统还包括位于所述阵列光学体与所述第二参考平面之间的目镜，并且其中，追迹所述射线集合包括追迹穿过所述目镜的所述射线集合。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阵列显示装置是微显示器装置。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阵列光学体包括一个或多个小透镜阵列，每个小透镜阵列包括多个微透镜。13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于InI的3D系统是基于InI的头戴式显示
器(InI
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based HMD)系统。14.根据权利要求1或5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：H，
申请(专利权)人：代表亚利桑那大学的亚利桑那校董事会，
类型：发明
国别省市：