[发明专利]基于光波导耦出光出瞳分割-组合控制的光场显示系统

说明书

本发明公开一种基于光波导耦出光出瞳分割‑组合控制的光场显示系统，以至少一个向有限远投影面投射图像的光波导投影单元为显示单元，通过该至少一个光波导投影单元耦出光出瞳的区域分割‑组合控制，结合偏光特性或/和时序特性，向观察者各目分别投射视点间距小于观察者瞳孔直径的视图，利用来自大于一个视图的光束的空间叠加，形成单目可自然聚焦的空间光点分布，实现三维光场显示。借助于光波导，该显示系统具有轻薄结构，可以应用于各种屏幕及便携式显示终端，比如头戴式VR、AR、手机、iPad等。

技术领域

本发明涉及三维显示，更具体涉及一种基于光波导耦出光出瞳分割-组合控制的光场显示系统。

背景技术

光波导因其结构体积的轻薄优势，是目前三维显示领域常用的光学结构。尤其在增强现实(AR)领域，基于光波导结构的轻薄三维眼镜，正受到越来越广泛的应用。但现有光波导三维显示系统，还主要是基于体视技术，仅通过向观察者双目分别仅投射一个视图，利用双目视向在空间的会聚，来实现三维深度的呈现。但为了清晰地看到双目各自对应的视图，观察者需要将他/她的眼睛聚焦于显示面。由此产生的聚焦-会聚冲突，和人眼观察真实三维空间景物时的自然生理反应不一致。在自然观察真实物体的时候，人眼接收来自于真实物点的圆锥状光束，该圆锥状光束在使观察者双目视向会聚于该物点的同时，也使观察者眼睛自然聚焦于该物点。这种悖逆人体自然生理要求的聚焦-会聚冲突，正是三维观影时视觉疲劳产生的根本原因。

PCT15/481,467(THREE-DIMENTIONAL DISPLAY SYSTEM BASED ON DIVISIONMULTIPLEXING OF THE VIEWER'S ENTRANCE-PUPIL AND DISPLAY METHOD THEREOF)公开了一种克服聚焦-会聚冲突的光场显示技术，通过向观察者瞳孔不同区域投射不同视图，利用单目接收两个或两个以上视图出射光线的空间叠加，形成该单目可自然聚焦的真实空间光点，用以克服聚焦-会聚冲突。但上述专利中所述显示系统，或者需要外部传统大尺寸平面显示屏，或者通过传统光学放大结构拉近到观察者近眼区域，都不具备经轻薄结构。

发明内容

为了在轻薄结构中实现克服聚焦-汇聚冲突的光场三维显示，本发明提供如下方案。

基于常规光波导耦出光出瞳分割-组合控制的光场显示系统，包括：

常规光波导投影单元堆栈结构，由G个常规光波导投影单元堆叠构成，各常规光波导投影单元向+z向投射虚像，并仅通过其耦出光出瞳向-z向传播该投射虚像光信息,其中G≧1；

小间距孔径阵列，由T组可时序开关的孔径组成，各孔径组分别包括依次间隔T-1个孔径的G个孔径，沿-z向，置于各耦出光出瞳前，其G×T个孔径中，相邻孔径间距小于观察者瞳孔直径D_p，T个孔径组沿x向依次错位一个孔径交错排列，其中T≧1,T×G≧2；

其中，在所述常规光波导投影单元堆栈结构中，相邻常规光波导投影单元的耦出光出瞳，沿x方向，依次错位T个孔径无重叠地排列，各常规光波导投影单元分别对应来自不同孔径组的、相邻排列的T个孔径，该常规光波导投影单元经耦出光出瞳出射光线，覆盖其对应的T个孔径，同时和其它常规光波导投影单元对应孔径无交集；

控制单元，在各T个相邻时间点控制T个孔径组依次仅一组打开，并控制各常规光波导投影单元同步投射待显示场景关于该常规光波导投影单元对应打开孔径的视图；

光阑，置于所述小间距孔径阵列处，挡除来自各常规光波导投影单元出射光中于该常规光波导投影单元对应孔径之外区域透射的部分。

进一步地，在小间距孔径阵列沿x向等间距Δd排列时，相邻常规光波导投影单元耦出光出瞳沿x向间距ΔD＝T×Δd，各常规光波导投影单元耦出光出瞳沿x向宽度ΔW≦T×Δd。