CN110531524A - 用于实现三维图像近眼显示的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及显示技术，特别涉及用于实现三维图像近眼显示的装置。按照本发明一个方面的用于实现裸眼三维图像的多视角显示的装置包含：光场再现单元，其配置为重构目标物体的光场信息以再现虚拟景象；以及虚实融合单元，其配置为输出将所述虚拟景象与真实景象融合在一起的三维图像。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术，特别涉及用于实现三维图像近眼显示的装置。
背景技术
作为三维立体成像显示的一种途径，集成成像技术受到越来越多的关注。三维显示技术分为记录与再现两个过程。传统的三维显示针对三维物体图像进行重构，在重构过程中易受到光学元件的杂散光的影响。采用微透镜阵列方式(在水平和竖直方向上均匀排列的微透镜单元)可获得3D图像的立体信息且不受杂散光影响。三维图像的立体信息通过微透镜成像于微透镜阵列的焦平面，在焦平面上可记录得到图像元。在微透镜后方放置一图像显示器，由于光线可逆性原理，显示器中图像元透射出的光线经微透镜聚焦还原，可在微透镜附近再现出三维的立体像。
题为“一种集成成像3D显示微透镜阵列及其3D制作方法”的中国专利申请(公开号CN104407442A)公开了一种由两层微透镜阵列中间设置一层孔光阑的组合，其虽然提高了三维图像显示的深度，但无法消除杂散光对系统记录与再现的影响。
题为“视差屏障和使用视差屏障的三维显示装置”的中国专利(专利号200610094535.5)公开了一种视差屏障的3D显示装置，显示器的左眼图像显示部分与右眼图像显示部分在视差屏障的作用下，到达人体左右眼睛的图像存在一定视差，通过观察者大脑将左右两幅图像融合，形成三维景象。这种通过双眼视差原理实现的三维显示简单易实现，但由于轴辏矛盾等影响，容易导致眩晕，使近眼显示装置的佩戴性大打折扣。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于实现三维图像近眼显示的装置，其具有制造成本低、设计简便和结构紧凑等优点。
按照本发明一个方面的用于实现三维图像近眼显示的装置包含：
光场再现单元，其配置为重构目标物体的光场信息以再现虚拟景象；以及
虚实融合单元，其配置为输出将所述虚拟景象与真实景象融合在一起的三维图像。
优选地，在上述装置中，进一步包括投影单元，其配置为将光场再现单元输出的虚拟景象传送至虚实融合单元。
优选地，在上述装置中，所述光场再现单元包括：
至少一个空间光调制器；以及
在所述空间光调制器的出光方向上设置的微透镜阵列，
其中，所述空间光调制器被分割为多个子图像区域，通过使来自于每个所述子图像区域的光线经所述微透镜阵列的各个微透镜单元的折射而加载空间信息。
优选地，在上述装置中，所述光场再现单元包括：
多个空间光调制器，其被拼接在一起；以及
多个微透镜阵列，每个微透镜阵列设置于各自关联的空间光调制器的出光方向上，
其中，每个所述空间光调制器被分割为多个子图像区域，通过使来自于每个所述子图像区域的光线经相关联的微透镜阵列的各个微透镜单元的折射而加载空间信息。
优选地，在上述装置中，所述空间光调制器为下列中的一种：DLP显示屏、LCOS显示屏或液晶显示屏。
优选地，在上述装置中，所述微透镜阵列采用弧形电极的形式以实现微透镜单元的调焦功能。
优选地，在上述装置中，所述微透镜阵列的微透镜单元尺寸的范围为0.01mm-10mm。
优选地，在上述装置中，所述光场再现单元进一步包括贴合在所述微透镜阵列的其中一侧的菲涅尔透镜。
优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括波导、设置于波导内部的第一纳米光栅和第二纳米光栅，其中，所述第一纳米光栅使进入的光线发生衍射，所述波导使被第一纳米光栅衍射的光线全反射，所述第二纳米光栅使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。
优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括棱镜、波导和设置于波导内部的纳米光栅，其中，所述棱镜使入射光线折射进入波导，所述波导使折射的光线全反射，所述纳米光栅使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。
优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括棱镜、波导和设置于波导内部的一对部分反射镜，其中，所述棱镜使入射光线折射进入波导，所述波导使折射的光线全反射，所述部分反射镜使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。
优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括半反半透棱镜以将入射光线引向可视区域。
优选地，在上述装置中，所述虚实融合单元包括自由曲面镜以将入射光线引向可视区域。
优选地，在上述装置中，所述波导的折射率大于入射光线先前经过的介质的折射率。
附图说明
图1为按照本发明一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的示意框图。
图2a为是可用于图1所示装置的光场再现单元的示意图，图2b为图2a所示光场再现单元的工作原理图。
图3为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
图4为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
图5为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
图6为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
图7a和7b为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
图8为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
图9为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的目的进行详细说明。
图1为按照本发明一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的示意框图。
图1所示的用于实现三维图像近眼显示的装置10包括光场再现单元110、投影单元120和虚实融合单元130。在本实施例中，光场再现单元110被配置为重构目标物体的光场信息以再现虚拟景象。投影单元120光学耦合在光场再现单元110与虚实融合单元130之间，其被配置为例如通过诸如反射、折射或衍射之类的几何光学方式，将光场再现单元110输出的虚拟景象传送至虚实融合单元130。虚实融合单元130被配置为输出将虚拟景象与真实景象融合在一起的三维图像。
需要指出的是，投影系统120是可选的部件。可选地，通过合适的设计，可以使光场再现单元110重构的虚拟景象直接耦合至虚实融合单元130。
在本实施例中，光场再现单元110包含空间光调制器和微透镜阵列以实现光场的重建。优选地，空间光调制器可采用DLP显示屏、LCOS显示屏和液晶显示屏中的一种。
图2a为是可用于图1所示装置的光场再现单元的示意图，图2b为图2a所示光场再现单元的工作原理图。
图2a所示的光场再现单元110包括空间光调制器111和微透镜阵列112。空间光调制器111优选地采用液晶显示屏。参见图2a和2b，微透镜阵列112被设置于空间光调制器111的出光方向上。微透镜阵列112中的每个微透镜单元可以是圆形、正方形或六边形结构。一般情况下，微透镜单元紧密排列，优选地，微透镜单元的尺寸范围为0.01mm-10mm。液晶显示屏中以一定方式划分的像素构成一个子图像区域，通过使来自于每个这样的子图像区域的光线经微透镜阵列的各个微透镜单元的折射而加载空间信息。具体而言，光线经微透镜单元后的图像称为单元图像，不同位置的微透镜将产生不同的单元图像信息，因此每个单元图像信息都包含了物体不同的三维信息。光线在经过微透镜阵列112后可在多个视角观察到清晰的图像，从而实现多视角的三维显示。
图3为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。
图3所示的装置30包括光场再现单元310、投影系统320和虚实融合单元330。
光场再现单元310包括液晶显示屏311和位于液晶显示屏出光面的微透镜阵列312。由光场再现单元310再现的物体的光场信息例如通过投影系统320的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元330。
在本实施例中，虚实融合单元330包括波导331、第一纳米光栅332a和第二纳米光栅332b。参见图3，第一纳米光栅332a被设置于波导331内部并靠近光线射入波导的位置，其使进入的光线发生衍射。经第一纳米光栅332a衍射的光线在波导331内部发生全反射。光线经历多次全反射之后到达第二纳米光栅332b，随后经第二纳米光栅332b的衍射作用而射向波导外部的可视区域，由此输出将虚拟景象与真实景象融合融合在一起的三维图像。
图4为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。
图4所示的装置40包括光场再现单元410、投影系统420和虚实融合单元430。
光场再现单元410包括液晶显示屏411和位于液晶显示屏出光面的微透镜阵列412。由光场再现单元410再现的物体的光场信息例如通过投影系统420的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元430。
本实施例与图3所示实施例的主要不同之处在于虚实融合单元的结构。具体而言，本实施例的虚实融合单元430包括棱镜431、波导432和位于波导内部的纳米光栅433。参见图4，投影单元420将来自光场再现单元410的虚拟景象投射到棱镜431，经棱镜431折射后进入波导432。折射后的光线在波导432内部发生全反射。光线经历多次全反射之后到达纳米光栅433，随后经纳米光栅4332的衍射作用而射向波导外部的可视区域，由此输出将虚拟景象与真实景象融合融合在一起的三维图像。
图5为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。
图5所示的装置50包括光场再现单元510、投影系统520和虚实融合单元530。
光场再现单元510包括液晶显示屏511和位于液晶显示屏出光面的微透镜阵列512。由光场再现单元510再现的物体的光场信息例如通过投影系统520的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元530。
本实施例与图3所示实施例的主要不同之处在于虚实融合单元的结构。具体而言，本实施例的虚实融合单元530包括棱镜531、波导532和位于波导内部的一对部分反射镜533a和533b。参见图5，投影单元520将来自光场再现单元510的虚拟景象投射到棱镜531，经棱镜531折射后进入波导532。折射后的光线在波导532内部发生全反射。光线经历多次全反射之后到达部分反射镜533a，光线的一部分经反射镜533a反射而导向波导外部的可视区域，其余部分透过部分反射镜533a到达部分反射镜533b并经反射镜533b反射而导向波导外部的可视区域，由此输出将虚拟景象与真实景象融合融合在一起的三维图像。
图6为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置的结构示意图。
本实施例与图3所示实施例的主要不同之处在于光场再现单元。具体而言，在本实施例中，光场再现单元610包括液晶显示屏611和位于液晶显示屏出光面的微透镜阵列612，其中，微透镜阵列612采用弧形电极的形式，由此可通过改变加载到电极电压的大小以及液晶的快速响应，实现微透镜的调焦功能以增加三维场景的景深。
在上面借助图3-6所示的实施例中，优选地，波导的折射率大于入射光线先前经过的介质的折射率。
图7a和7b为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
本实施例的装置70包括光场再现单元、投影系统和虚实融合单元。如图7a所示，光场再现单元710包括多个拼接在一起的空间光调制器711a-711c和多个微透镜阵列712a-712c。微透镜阵列712a-712c的每一个设置于各自关联的空间光调制器的出光方向上。同样地，对于每个空间光调制器，其中以一定方式划分的像素构成一个子图像区域，通过使来自于每个子图像区域的光线经相关联的微透镜阵列的各个微透镜单元的折射而加载空间信息。光场再现单元如图7a所示的排布方式使得在人眼观察区域可获得视角增大的立体图像显示，在实际应用中，匹配对应投影系统的入瞳和虚实融合镜片出瞳，在人眼观察到的图像输出区域无需头部移动即可获得广角度的图像显示。在光场重构过程中，为使光场信息重建于投影系统的中心，如图7b所示，在微透镜阵列712a-712c的每一个上贴合有菲涅尔透镜713以将通过微透镜阵列的光线聚焦到系统中心处，从而有效提高显示图像的亮度。
图8为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。
本实施例的装置80包括光场再现单元810、投影系统820和虚实融合单元830。
光场再现单元810包括液晶显示屏811和位于液晶显示屏出光面的微透镜阵列812。由光场再现单元310再现的物体的光场信息例如通过投影系统820的衍射、折射或反射作用，被耦合至虚实融合单元830。
本实施例与图3所示实施例的主要不同之处在于虚实融合单元的结构。具体而言，本实施例的虚实融合单元830为半透半反射镜以输出将虚拟景象与真实景象融合融合在一起的三维图像。
图9为按照本发明另一个实施例的用于实现三维图像近眼显示的装置结构示意图。与图8所示的相比，图9所示的装置90以自由曲面镜920代替图8中的半透半反射镜830。
与现有技术相比，本发明的用于实现三维图像近眼显示的装置具有诸多优点。例如，本发明的基于微透镜阵列的近眼显示装置可自动产生立体的图像，操作简单，结构紧凑且可在非相干光源下工作而无需特殊的照明光，并且向观察者提供了连续的视差和观察点。
上文描述了本发明的原理和较佳实施例。然而，本发明不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。
Claims (14)
1.一种用于实现三维图像近眼显示的装置，其特征在于，包含：
光场再现单元，其配置为重构目标物体的光场信息以再现虚拟景象；以及
虚实融合单元，其配置为输出将所述虚拟景象与真实景象融合在一起的三维图像。
2.如权利要求1所述的装置，其中，进一步包括投影单元，其配置为将光场再现单元输出的虚拟景象传送至虚实融合单元。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述光场再现单元包括：
至少一个空间光调制器；以及
在所述空间光调制器的出光方向上设置的微透镜阵列，
其中，所述空间光调制器被分割为多个子图像区域，通过使来自于每个所述子图像区域的光线经所述微透镜阵列的各个微透镜单元的折射而加载空间信息。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述光场再现单元包括：
多个空间光调制器，其被拼接在一起；以及
多个微透镜阵列，每个微透镜阵列设置于各自关联的空间光调制器的出光方向上，
其中，每个所述空间光调制器被分割为多个子图像区域，通过使来自于每个所述子图像区域的光线经相关联的微透镜阵列的各个微透镜单元的折射而加载空间信息。
5.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述空间光调制器为下列中的一种：DLP显示屏、LCOS显示屏或液晶显示屏。
6.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述微透镜阵列采用弧形电极的形式以实现微透镜单元的调焦功能。
7.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述微透镜阵列的微透镜单元尺寸的范围为0.01mm-10mm。
8.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述光场再现单元进一步包括贴合在所述微透镜阵列的其中一侧的菲涅尔透镜。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述虚实融合单元包括波导、设置于波导内部的第一纳米光栅和第二纳米光栅，其中，所述第一纳米光栅使进入的光线发生衍射，所述波导使被第一纳米光栅衍射的光线全反射，所述第二纳米光栅使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述虚实融合单元包括棱镜、波导和设置于波导内部的纳米光栅，其中，所述棱镜使入射光线折射进入波导，所述波导使折射的光线全反射，所述纳米光栅使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述虚实融合单元包括棱镜、波导和设置于波导内部的一对部分反射镜，其中，所述棱镜使入射光线折射进入波导，所述波导使折射的光线全反射，所述部分反射镜使全反射的光线发生衍射以将光线从波导引向可视区域。
12.如权利要求1所述的装置，其中，所述虚实融合单元包括半反半透棱镜以将入射光线引向可视区域。
13.如权利要求1所述的装置，其中，所述虚实融合单元包括自由曲面镜以将入射光线引向可视区域。
14.如权利要求9-11中任意一项所述的装置，其中，所述波导的折射率大于入射光线先前经过的介质的折射率。
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